Катализаторы развития — Журнал «Сибирская нефть» — №176 (ноябрь 2020)

Программа «Газпром нефти» против COVID-19

Подробнее
Катализаторы развития — Журнал «Сибирская нефть» — №176 (ноябрь 2020)

Катализаторы развития

Одна из технологий, ставшая визитной карточкой «Газпром нефти», — производство катализаторов каталитического крекинга. За 25 лет существования компании эти катализаторы превратились в продукт, составляющий конкуренцию лучшим мировым аналогам. Рассказываем о главных вехах на этом пути

Текст:
Фото: Стоян Васев
Катализаторы развития

В 1965 году в Омске заработала первая в СССР катализаторная фабрика, и была получена первая промышленная партия собственного товарного аморфного алюмосиликатного катализатора каталитического крекинга. Сегодня «Газпром нефть» строит в Омске новый завод, который должен стать крупнейшим в России производством катализаторов. А между этими двумя событиями — долгая история, в которой были и драматические эпизоды, и крупные научные открытия

В поиске технологий

История катализаторной фабрики неразрывно связана с историей ОНПЗ: завод всегда был главным заказчиком и определял вектор развития катализаторов, в частности основного продукта — катализаторов каталитического крекинга (см. врез). Долгое время существенной предпосылкой для создания новых катализаторов оставалась заинтересованность завода в увеличении отбора бензиновых фракций в процессе каткрекинга. Здесь главным прорывом стал переход с выпуска простых микросферических катализаторов на содержащие цеолит Цеолиты — гидратированные алюмосиликаты щелочных элементов. 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, кроме прочего, в качестве сырья для производства катализаторов различных химических процессов. . Первый вариант катализатора микросферического цеолитсодержащего (КМЦ-8) был разработан в Грозненском нефтяном научно-исследовательском институте. Этот продукт имел определенные недостатки, и значительная часть производимого катализатора не удовлетворяла техническим условиям.

В 1986 году началось сотрудничество Омского завода по производству катализаторов — в те годы предприятия «ОмскНефтеоргсинтез» — с омским филиалом Института катализа Сибирского отделения РАН, который, в частности, занимался синтезом цеолитов. По приглашению руководства предприятия специалисты Института катализа Владимир Доронин и Татьяна Сорокина разработали катализатор КМЦ-8у с усовершенствованной технологией синтеза цеолита. С 1987 года новый катализатор стали загружать на установку каткрекинга 43–103, и серия катализаторов КМЦ (марки от КМЦ-90 до КМЦ-99) в течение многих лет успешно применялась на предприятии.

До конца 80-х на ОНПЗ использовались катализаторы с однокомпонентной алюмосиликатной матрицей. В 1991 году омские ученые разработали двухкомпонентную матрицу из аморфного алюмосиликата и оксида алюминия. Улучшение качества цеолита и применение двухкомпонентной матрицы позволило повысить выход бензинов с 29 до 33%.

Следующим этапом разработок стал поиск технологий, которые позволили бы повысить как активность катализатора, так и улучшить его физические характеристики. «В 1995 году в результате совместной работы специалистов нашего института и омского завода был разработан и внедрен процесс ультрастабилизации, или деалюминирования цеолита — модификации цеолита для повышения его активности и термической стабильности, — рассказывает кандидат технических наук, заведующий лабораторией цеолитного катализа Института проблем переработки углеводородов СО РАН Владимир Доронин. — В это же время была получена и внедрена в производство трехкомпонентная матрица, в которую вошел природный катализатор — бентонитовая глина». За комплекс работ по совершенствованию катализаторов крекинга в 1996 году специалистам Омского филиала ИК СО РАН и ОНПЗ присуждена премия Правительства РФ в области науки и техники.

Впрочем, несмотря на бурное развитие каталитического производства и появление новых марок катализаторов, не все шло гладко. В середине 90-х объем производства на ОНПЗ резко снизился: не хватало сырья, и каталитическая фабрика оказалась на грани закрытия. Затем пришлось отвоевывать место под солнцем у иностранных катализаторов, которые были объективно лучше. Их начали использовать на секции каталитического крекинга С-200 комплекса глубокой переработки мазута КТ-1/1, введенного в эксплуатацию в 1994 году. Новая установка крекинга с контактом катализаторов в движущемся слое требовала их более высокой активности и прочности. В России таких не было.

Но уже в ноябре 1999 года на установку КТ-1/1 был загружен катализатор КМЦ-96, который продемонстрировал более высокий отбор бензина и более высокое октановое число по сравнению со многими импортными аналогами. На испытаниях КМЦ-96 показал результаты, близкие к катализатору фирмы «Энгельгардт» — одного из мировых лидеров по поставкам катализаторов крекинга. «После того как собственный продукт был признан конкурентоспособным, от закупки импортного катализатора каткрекинга постепенно отказались, — вспоминает Сергей Гурьевских, начальник общезаводского хозяйства „Газпромнефть-ОНПЗ“, до 2019 года руководивший катализаторным производством. — С 1999 года на двух установках каталитического крекинга Омского НПЗ применяется только свой катализатор».

Катализаторы каталитического крекинга

Катализаторы используются в процессе крекинга, в ходе которого тяжелое сырье, например вакуумный газойль, с высокими пределами выкипания (от 350 до 560–580 градусов) и крупными молекулами (с количеством атомов углерода 30–40) распадается на более мелкие молекулы. Ключевые составляющие катализатора крекинга — цеолитный компонент и матрица. Матрица обеспечивает первичный крекинг, то есть распад сырья на более мелкие молекулы с числом атомов до 20. Затем уже функция цеолита — еще раз разбить эти осколки, превратив их в бензиновую фракцию. Кроме того, матрица обеспечивает транспорт реагирующих молекул к цеолиту и механическую прочность всей конструкции микросферы.

Фото: Стоян Васев

Новые времена

На примере развития катализаторов каткрекинга можно четко проследить эволюцию рынка нефтепродуктов в СССР и потом в России. Сначала речь шла о повышении отбора светлых нефтепродуктов, затем появился спрос на более высокое октановое число и, наконец, с 2010-х годов началась гонка за улучшенными экологическими характеристиками.

Еще в 2004 году в Омске была освоена технология производства катализаторов на основе ультрастабильного цеолита, обладающих высокой каталитической активностью и обеспечивающих отбор бензиновой фракции до 56%. Очень хороший показатель по тем временам. Эта серия катализаторов, получившая название «Люкс», по многим характеристикам превосходила зарубежные аналоги и применялась до 2010 года.

В 2010 году была внедрена технология бицеолитных катализаторов с использованием высококремнеземного цеолита типа ZSM-5 в качестве второго активного компонента, обладающего свойствами, повышающими октановые характеристики бензина крекинга. Кроме того, новый катализатор позволял снизить содержание серы в получаемом продукте. «Экологические стандарты „Евро-3“, „Евро-4“ и т. д. предполагают последовательное снижение серы в топливе. Для этого необходимо уменьшить уровень содержания серы в вакуумном газойле, сырье каталитического крекинга, но при этом сохранить высокое октановое число бензина при переработке такого сырья, — объясняет Владимир Доронин. — Одновременное решение этих задач считается противоречивым и требует компромиссного подхода при моделировании катализаторной композиции. За счет вовлечения в состав катализатора высококремнеземного цеолита типа ZSM-5 нам удалось решить эту проблему».

В дальнейшем технология была усовершенствована, и в 2016 году «Газпром нефть» выпустила катализаторы под маркой «Авангард». За счет улучшенных характеристик катализатор «Авангард» позволил увеличить выпуск компонентов высокооктановых бензинов стандарта «Евро-5», при этом себестоимость производства нового катализатора удалось снизить по сравнению с продуктами предыдущей серии. В частности, после загрузки нового катализатора на установку каталитического крекинга Московского НПЗ выход бензина увеличился на 3–4%.

Для производства катализаторов серии «Авангард» на омском производстве был смонтирован дополнительный блок фильтрации и стабилизации цеолитов. Улучшенная структура производимых цеолитов дала возможность моделировать композиции катализатора с учетом параметров нефтяного сырья и качества выпускаемой продукции, модифицируя его под потребности заказчиков.

Фото: Стоян Васев

В центре испытаний

«Мировой опыт показывает: для того, чтобы конкурировать с лидерами рынка, необходимо регулярно обновлять линейку катализаторов, проводить исследования и вносить изменения в технологию производства, — объясняет Сергей Гурьевских. — Это сложная работа, включающая лабораторные испытания в институте, затем опытно-промышленные испытания на производстве». До 2016 года испытания новых марок катализаторов проводились непосредственно на установках каткрекинга ОНПЗ. Результат пробега опытной партии катализатора можно было получить только через год, что несло определенные риски.

С 2016 года в «Газпром нефти» начал работу центр испытаний катализаторов, оснащенный экспериментальной лабораторией и исследовательским стендом, по сути, опытной мини-установкой — полным аналогом промышленной установки каткрекинга. Сегодня в центре разрабатываются и апробируются новые рецептуры катализаторов каталитического крекинга и добавок к ним, адаптированные под сырье и оборудование заказчика. «Для каждого заказчика создается своя модификация катализатора. В процессе разработки мы учитываем и качество сырья, на котором будет работать катализатор, и технологические особенности установки», — говорит Сергей Гурьевских. Как отмечает эксперт, найти два одинаковых завода — и даже две одинаковых установки — невозможно. Везде есть свои нюансы: разные сырье, состав технологических цепочек, производственные планы и требования к качеству нефтепродуктов. Поэтому индивидуальный подход к каждому заказчику очень важен. Это дает компании существенные конкурентные преимущества, а клиентам позволяет быть уверенными в том, что произведенные для них катализаторы покажут максимальную эффективность.

Рынок ждет

В 2019 году в Омске стартовал ключевой проект импортозамещения в российской нефтеперерабатывающей отрасли: «Газпром нефть» приступила к активной фазе строительства нового завода по производству катализаторов. Мощность предприятия составит 21 тыс. т в год: 15 тыс. т катализаторов каталитического крекинга, 4 тыс. т катализаторов гидроочистки и 2 тыс. т катализаторов гидрокрекинга.

Новое производство предполагает и расширение номенклатуры катализаторов. В 2018 году «Газпром нефть» испытала и успешно ввела в эксплуатацию катализаторы, разработанные учеными Института катализа совместно со специалистами компании и получившие название «Селектум». Промышленный пробег состоялся на установках каталитического крекинга Омского НПЗ.

В отличие от катализаторов предыдущих поколений и западных аналогов, новый катализатор обладает активной ультраматрицей. В пористую основу катализаторной микрочастицы встроены активные компоненты, что увеличивает эффективность превращения молекул углеводородного сырья в ценные продукты. Вместе с высокой активностью, катализаторы нового поколения более устойчивы к повышенным температурам. Перед промышленным пробегом катализатор прошел опытные испытания на пилотной установке каталитического крекинга, подтвердив рост отбора качественного бензина и повышение октанового числа продукта. Под брендом «Селектум» «Газпром нефть» намерена выпускать не только улучшенные катализаторы каткрекинга, но также катализаторы гидропроцессов — гидроочистки и гидрокрекинга.

Завоевание российского рынка — не единственная цель для катализаторного производства «Газпром нефти». Совместно с учеными компания продолжает разработки новых марок катализаторов, отвечающих уже принципиально другим задачам. «Если говорить о дальнейших направлениях развития катализаторного производства, то в мировой нефтепереработке растет тенденция к освоению запасов тяжелой нефти, — говорит Владимир Доронин. — В ней содержится много металлов, в основном ванадия и никеля, которые отравляют катализатор крекинга, снижая его активность. Чтобы этого избежать, нужны специфические катализаторы с так называемыми ловушками для вредных тяжелых металлов. У Института катализа уже есть соответствующая разработка, которая ждет внедрения на новом производстве». Еще одна тенденция — развитие нефтехимии, которая все глубже интегрируется с нефтепереработкой, что предполагает в числе прочего спрос на соответствующие катализаторы крекинга для получения пропиленов, бутиленов и легких олефинов.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ