На твердой основе

На твердой основе

«Газпром нефть» разрабатывает безопасную технологию производства алкилата

Фото: Александр Таран

Структура суммарного бензинового фонда различных стран

Инфографика: Рамблер Инфографика

Инновационное развитие отечественной нефтепереработки сегодня строится в основном на приобретении готовых технологий за рубежом — отрасль идет по самому эффективному, безопасному и быстрому пути. Однако на российской нефтепереработке как на генераторе новых решений не стоит ставить крест. Новые технологии создаются и в России. Яркий пример — разработка безопасного способа получения высокооктанового компонента бензина — твердокислотного алкилирования, которую ведет «Газпром нефть»

Текст: София Зорина

Меж двух огней

Основным фактором, определяющим качество бензина, всегда был спрос, обусловленный уровнем развития технологий двигателестроения. Чем совершеннее конструкция моторов, тем все более критичным показателем становилась устойчивость бензинов к детонации, определяемая октановым числом. Еще в конце прошлого века на рынке было достаточно автомобилей, «переваривающих» даже 76-й, а сегодня уже практически невозможно найти модели, производители которых рекомендуют использование бензина с октановым числом ниже 92–95.

Впрочем, технологическое развитие автомобилестроения не единственная сложность, с которой пришлось столкнуться нефтепереработчикам в последние десятилетия. Удовлетворение экологических требований общества стало не менее значимой задачей, чем ответ на технические запросы производителей автомобилей. Обеспечивая работу двигателя на заявленной мощности, с требуемыми характеристиками износостойкости, экономичности, топливо должно соответствовать нормативам по выбросам различных веществ в атмосферу. При этом погоня за большими значениями октановых чисел порой входит в противоречие с требованиями по экологичности.

В частности, топливные стандарты «Евро-3», «Евро-4», «Евро-5» ограничивают содержание в бензине ароматических углеводородов (аренов)*, которые в силу своих химических свойств долгие годы использовались для повышения октанового числа товарного бензина. Сегодня общепризнанно, что при большом количестве ароматики в бензине в выхлопе растет уровень угарного газа (СО) и различных канцерогенных веществ, например бензпиренов. К тому же не вся ароматика хороша и с технической точки зрения — ее высококипящие компоненты способствуют образованию нагара, а значит, снижают долговечность двигателя.

Для России ограничения по содержанию ароматических углеводородов в товарном бензине стали серьезной проблемой. Дело в том, что исторически на отечественных нефтеперерабатывающих производствах основной процесс получения компонентов бензина — каталитический реформинг. В то время как, например, в США преимущественно используется каталитический крекинг. В реформате массовая доля ароматических углеводородов достигает 70–80%, а в бензинах каткрекинга не превышает 20–25%. При этом стандарт «Евро-5» ограничивает содержание аренов в бензине 35 процентами.

Снизить уровень содержания ароматики в бензине каталитического реформинга можно разными способами. Например, за счет оптимизации самого процесса — при уменьшении температуры реформинга количество аренов в реформате сокращается. Правда, при этом становится ниже и октановое число смеси, так что топливо потребует добавления специальных антидетонационных присадок, большая часть которых в настоящее время запрещена техническим регламентом. Другой вариант — смешивать более и менее высокооктановые компоненты. Таким разбавителем может быть как бензин каткрекинга, так и алкилбензин, или алкилат, — идеальная составляющая товарного бензина как с технической, так и с экологической точки зрения.

В обход ограничений

По определению бензин — это горючая смесь легких углеводородов с температурой кипения от 33 до 205°C. Получить нужный микс, как уже описано выше, можно в результате разных процессов. Отличаться такой бензин будет своими физико-химическими свойствами, которые для обычных потребителей, как правило, сводятся к пресловутому октановому числу. Алкилат — это бензин с октановым числом 96–98, причем как по исследовательскому методу, так и по моторному. Это важное уточнение, так как для того же реформата эти значения могут отличаться более чем на 10 единиц. На практике это означает, что при больших нагрузках двигатель, заправленный бензином с преобладанием реформата, будет чувствовать себя не очень хорошо.

Алкилат состоит из изооктана (именно его октановое число принято приравнивать к 100 единицам) и других изомеров октана. Получают его в результате алкилирования изобутана бутиленами**. Сырьем для этого процесса служит отработанная бутан-бутиленовая фракция, которая в значительных количествах образуется в результате того же каталитического крекинга, а также как побочный продукт при производстве антидетонационной высокооктановой добавки МТБЭ (метилтрет-бутилового эфира).

По своей сути бутан-бутиленовая фракция — это смесь углеводородных газов. Сфера их применения в сжиженном виде (смесь пропан-бутановая техническая, или СПБТ) достаточно обширна — от нефтехимической промышленности до использования в качестве топлива. Однако еще в середине прошлого века был разработан процесс алкилирования, который позволил найти бутан-бутиленовой фракции более эффективное применение. Единственный недостаток технологии — процесс алкилирования протекает в присутствии катализатора, в качестве которого используются не самые безопасные вещества: серная кислота и фтористый водород. Работа с ними требует соблюдения особых мер промышленной безопасности, что становится существенным ограничением для внедрения технологии на нефтеперерабатывающих предприятиях, расположенных в черте крупных мегаполисов. Даже несмотря на то что уровень безопасности современного автоматизированного высокотехнологичного производства позволяет свести техногенные риски к минимуму. Именно поэтому процесс сернокислотного алкилирования в свое время не стали внедрять на Московском НПЗ. Однако и на потенциальной возможности использования алкилата при производстве бензина на московской площадке в «Газпром нефти» крест ставить не стали, запустив вместе с Институтом нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева (ИНХС РАН) проект разработки технологии твердокислотного алкилирования — с применением безопасного твердого катализатора на основе цеолита***.

Эффективность к безопасности

В принципе, над оптимизацией любой новой технологии ученые начинают биться чуть ли не сразу после ее появления. Поэтому поиск твердого катализатора для процесса алкилирования изопарафинов ведется уже не один десяток лет во многих странах. Но до последнего времени добиться значимых результатов на этом пути никому не удавалось. И проблема состоит не в принципиальном поиске нового катализатора и его синтезе — она-то как раз решена, — добиться эффективности такого катализатора, не уступающей существующим традиционным аналогам (серная кислота и фтористый водород), не смог пока никто. А без этого экономическая ценность проекта для производства сводится в лучшем случае к нулю. «Отказ от использования серной кислоты или фтористого водорода значительно упрощает обеспечение безопасности и экологичности производства, тем самым сокращает капитальные и операционные затраты, — уточнил руководитель направления по связям с научно-исследовательскими и образовательными учреждениями департамента развития нефтепереработки и нефтехимии ОАО „Газпром нефть“ Дмитрий Кондрашев. — В то же время сам катализатор должен быть как минимум не хуже предшественников. Мы производственная компания, и нас интересует в первую очередь экономическая и технологическая эффективность любой новой разработки».

В настоящее время «Газпром нефти» и ИНХС РАН удалось разработать катализатор с временем активной работы порядка суток. Это вполне приемлемый срок для организации производственного процесса: часть катализатора работает, часть находится на регенерации. Соответствуют заданным показателям и другие важные для катализатора параметры — степень конверсии сырья, выход ожидаемого продукта, селективность.

Впрочем, говорить о завершении проекта пока рано: новые катализаторы прошли только лабораторные исследования и испытания на мини пилотной установке. Это позволило выбрать лучшие образцы и создать технологический регламент на производство опытной партии катализаторов алкилирования для загрузки в опытно-промышленную установку. Сама установка сейчас активно строится. «Данные, полученные при мини пилотных испытаниях катализатора, конечно, важны, но, опираясь только на них, строить промышленную установку невозможно — слишком велики риски, — пояснил Дмитрий Кондрашев. — Поэтому сейчас мы строим опытно-промышленную установку мощностью 300 тонн алкилата в год. Она позволит уточнить множество важных моментов, например энергозатраты в промышленных условиях, пока- затель эффективности катализатора при больших объемах сырья. Также мы сможем отработать управление процессом, так как автоматизация установки будет приближена к промышленной ». В случае успеха на этом этапе на Московском НПЗ может быть построена промышленная установка твердокислотного алкилирования мощностью порядка 100 тыс. тонн алкилата в год. Проект должен окупиться за 5–6 лет. Расчеты строятся на разнице в рыночной стоимости отработанной бутан-бутиленовой фракции в виде сжиженного газа — около 11 тыс. рублей за тонну — и высокооктанового компонента для товарного бензина, за ту же тонну которого можно выручать до 20 тыс. рублей. Таким образом, ежегодный экономический эффект при производстве 100 тыс. тонн алкилата может доходить до 700–800 млн рублей.

Но дело не только в прямых доходах: в случае удачного хода проекта на московском заводе будет построена уникальная установка, не имеющая аналогов на рынке, а «Газпром нефть» станет владельцем инновационной технологии, которая в дальнейшем может быть лицензирована для других российских и, возможно, зарубежных потребителей.

* Ароматические углеводороды — углеводороды, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец (соединенных в замкнутую цепочку шести атомов углерода). Примеры — бензол, толуол, нафталин, антрацен, фенантрен. Для аренов характерны высокие октановые числа, что делает их одним из основных компонентов товарных бензинов

** Алкилирование изобутана бутиленами — химический процесс, в результате которого происходит реакция соединения изобутана и бутиленов и получается новый изомер изобутана — изооктан. Молекула изооктана содержит число атомов углерода, равное сумме атомов в исходных веществах, и обладает разветвленной структурой, что обеспечивает изооктану его высокие антидетонационные свойства

*** Цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов кристаллического строения. Известны своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другое важное свойство цеолитов — способность к ионному обмену, то есть селективному выделению и впитыванию различных веществ, а также обмену катионами. Искусственно синтезированные цеолиты используются в том числе в качестве сырья для производства катализаторов различных химических процессов

Создание технологии твердокислотного алкилирования — один из ключевых проектов нашей программы НИОКР. Мы разрабатываем этот инновационный процесс, не имеющий аналогов в мире, совместно с Институтом нефтехимического синтеза РАН. Внедрение технологии позволит эффективно и безопасно перерабатывать низкосортную отработанную бутан-бутиленовую фракцию в высокомаржинальный продукт — экологически чистый компонент высокооктанового бензина «Евро-5». Кроме прямых экономических выгод проект имеет и косвенные, но тоже крайне важные. Это серьезная поддержка и развитие отечественной науки в области нефтепереработки, технологическое импортозамещение, наработка ценных внедренческих компетенций в компании и ИНХС РАН, эффективная подготовка молодых специалистов института, задействованных в проекте, как будущих ведущих ученых российского и мирового уровня.

Олег Ведерников,
начальник департамента развития нефтепереработки и нефтехимии «Газпром нефти»

В существующих методах синтеза изопарафинов — ценного компонента современных высококачественных бензинов — используется серная или фтороводородная кислота, а это подразумевает наличие экологически опасных отходов производства. Поэтому переход на твердокислотное алкилирование — это значительный рывок в области экологической и производственной безопасности: тем самым получение высокооктановых компонентов бензина мы переводим на совершенно новую, экологически чистую и энергоэффективную ступень.

Промышленного процесса твердокислотного алкилирования пока нет ни у кого в мире. Разработчики в лучшем случае находятся на стадии демонстрационных испытаний и ищут тех, кто рискнул бы на первую промышленную установку. Поэтому наше сотрудничество с «Газпром нефтью» в этом плане принципиально и очень важно. Компания финансирует ведущееся строительство демонстрационной установки мощностью 1 тонна бензина в сутки. А этого уже достаточно для того, чтобы проверить в промышленном масштабе саму технологию. Поддержка «Газпром нефти» очень важна для судьбы всей разработки

Вообще говоря, сотрудничество бизнеса и науки рождается на экономически взаимовыгодной основе. Когда вы находитесь в серьезной конкурентной среде, то только новые научные решения позволяют создавать инновационные, более качественные или существенно более дешевые продукты. С другой стороны, без прикладной реализации наука «однонога», она не может развиваться в полной мере. И поиск твердокислотного катализатора для процесса алкилирования — яркий пример того, как нужды промышленности стимулируют развитие науки, которая, в свою очередь, дает бизнесу заметное конкурентное преимущество.

Саламбек Хаджиев,
директор ИНХС РАН им. А. В. Топчиева, академик РАН