stringtranslate.com

Крекинг (химия)

В нефтехимии , нефтяной геологии и органической химии крекинг — это процесс, при котором сложные органические молекулы , такие как керогены или длинноцепочечные углеводороды, расщепляются на более простые молекулы, такие как легкие углеводороды, путем разрыва связей углерод-углерод в прекурсорах. Скорость крекинга и конечные продукты сильно зависят от температуры и присутствия катализаторов . Крекинг — это распад крупных углеводородов на более мелкие, более полезные алканы и алкены . Проще говоря, крекинг углеводородов — это процесс расщепления длинноцепочечных углеводородов на короткие. Этот процесс требует высоких температур. [1]

В более широком смысле, за пределами области нефтехимии, термин «крекинг» используется для описания любого типа расщепления молекул под воздействием тепла, катализаторов и растворителей, например, в процессах деструктивной перегонки или пиролиза .

Флюид-каталитический крекинг обеспечивает высокий выход бензина и сжиженного нефтяного газа , в то время как гидрокрекинг является основным источником реактивного топлива , дизельного топлива , нафты и снова дает сжиженный нефтяной газ.

История и патенты

Нефтеперерабатывающий завод, использующий крекинг-процесс Шухова , Баку , Советский Союз , 1934 г.

Среди нескольких вариантов методов термического крекинга (известных по-разному как « процесс крекинга Шухова », « процесс крекинга Бертона », «процесс крекинга Бертона–Хамфриса» и «процесс крекинга Даббса») Владимир Шухов , русский инженер, изобрел и запатентовал первый в 1891 году (Российская империя, патент № 12926, 7 ноября 1891 года). [2] Одна установка использовалась в ограниченном объеме в России, но развитие не получило дальнейшего развития. В первом десятилетии 20-го века американские инженеры Уильям Мерриам Бертон и Роберт Э. Хамфрис независимо друг от друга разработали и запатентовали аналогичный процесс под патентом США 1 049 667 от 8 июня 1908 года. Среди его преимуществ было то, что и конденсатор, и котел постоянно находились под давлением. [3]

В своих ранних версиях это был скорее пакетный процесс, чем непрерывный, и многие патенты последовали в США и Европе, хотя не все они были практичными. [2] В 1924 году делегация американской корпорации Sinclair Oil посетила Шухова. Sinclair Oil, по-видимому, хотела предположить, что патент Бертона и Хамфриса, используемый Standard Oil, был получен из патента Шухова на крекинг нефти, как описано в российском патенте. Если бы это удалось установить, это могло бы укрепить позиции конкурирующих американских компаний, желающих аннулировать патент Бертона-Хамфриса. В этом случае Шухов убедил американцев, что в принципе метод Бертона очень похож на его патенты 1891 года, хотя его собственный интерес в этом вопросе был в первую очередь в том, чтобы установить, что «русская нефтяная промышленность могла бы легко построить крекинг-аппарат в соответствии с любой из описанных систем, не будучи обвиненной американцами в бесплатном заимствовании». [4]

В то время, всего через несколько лет после Русской революции и Гражданской войны в России , Советский Союз отчаянно пытался развивать промышленность и зарабатывать иностранную валюту. Советская нефтяная промышленность в конечном итоге получила большую часть своих технологий от иностранных компаний, в основном американских. [4] Примерно в то же время был исследован и разработан каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем , который вскоре заменил большинство чисто термических процессов крекинга в отрасли переработки ископаемого топлива. Замена была не полной; многие типы крекинга, включая чисто термический крекинг, все еще используются, в зависимости от природы сырья и продуктов, необходимых для удовлетворения рыночного спроса. Термический крекинг остается важным, например, при производстве нафты , газойля и кокса ; с тех пор были разработаны более сложные формы термического крекинга для различных целей. К ним относятся висбрекинг , паровой крекинг и коксование . [5]

Методологии взлома

Термическое растрескивание

Современный термический крекинг высокого давления работает при абсолютных давлениях около 7000 кПа. Можно наблюдать общий процесс диспропорционирования, где «легкие», богатые водородом продукты образуются за счет более тяжелых молекул, которые конденсируются и истощаются водородом. Фактическая реакция известна как гомолитическое деление и производит алкены , которые являются основой для экономически важного производства полимеров . [6]

Термический крекинг в настоящее время используется для «обновления» очень тяжелых фракций или для производства легких фракций или дистиллятов, топлива для горелок и/или нефтяного кокса . Две крайности термического крекинга с точки зрения ассортимента продукции представлены высокотемпературным процессом, называемым «паровым крекингом» или пиролизом (примерно от 750 °C до 900 °C или выше), который производит ценный этилен и другое сырье для нефтехимической промышленности , и более мягким температурным замедленным коксованием (примерно 500 °C), которое может производить, при правильных условиях, ценный игольчатый кокс , высококристаллический нефтяной кокс, используемый в производстве электродов для сталелитейной и алюминиевой промышленности. [ необходима цитата ]

Уильям Мерриам Бертон разработал один из самых ранних процессов термического крекинга в 1912 году, который работал при температуре 700–750 °F (370–400 °C) и абсолютном давлении 90 фунтов на квадратный дюйм (620 кПа) и был известен как процесс Бертона . Вскоре после этого, в 1921 году, CP Dubbs, сотрудник Universal Oil Products Company, разработал несколько более продвинутый процесс термического крекинга, который работал при температуре 750–860 °F (400–460 °C) и был известен как процесс Даббса . [7] Процесс Даббса широко использовался многими нефтеперерабатывающими заводами до начала 1940-х годов, когда начал использоваться каталитический крекинг. [1]

Паровой крекинг

Паровой крекинг — это нефтехимический процесс, в котором насыщенные углеводороды расщепляются на более мелкие, часто ненасыщенные углеводороды. Это основной промышленный метод производства более легких алкенов (или обычно олефинов ), включая этилен (или этилен ) и пропен (или пропилен ). Установки парового крекинга — это объекты, в которых сырье, такое как нафта, сжиженный нефтяной газ (СНГ), этан , пропан или бутан, подвергается термическому крекингу с использованием пара в ряде пиролизных печей для получения более легких углеводородов.

При паровом крекинге газообразный или жидкий углеводородный материал, такой как нафта , сжиженный нефтяной газ или этан, разбавляется паром и кратковременно нагревается в печи без присутствия кислорода. Обычно температура реакции очень высокая, около 850 °C, но реакция может происходить только очень недолго. В современных крекинговых печах время пребывания сокращается до миллисекунд для повышения выхода, что приводит к скорости газа вплоть до скорости звука . После достижения температуры крекинга газ быстро гасится, чтобы остановить реакцию в теплообменнике линии передачи или внутри закалочного коллектора с использованием закалочного масла. [ необходима цитата ] [8]

Продукты, получаемые в ходе реакции, зависят от состава сырья, соотношения углеводородов к пару, а также от температуры крекинга и времени пребывания в печи. Легкое углеводородное сырье, такое как этан , сжиженные нефтяные газы или легкая нафта, дает потоки продуктов, богатые более легкими алкенами, включая этилен, пропилен и бутадиен . Более тяжелое углеводородное сырье (полный спектр и тяжелая нафта, а также другие продукты нефтепереработки) дает некоторые из них, но также дает продукты, богатые ароматическими углеводородами и углеводородами, подходящими для включения в бензин или мазут . Типичные потоки продуктов включают пиролизный бензин (пигаз) и БТК .

Более высокая температура крекинга (также называемая жесткостью) благоприятствует производству этилена и бензола , тогда как более низкая жесткость производит большее количество пропилена , C4-углеводородов и жидких продуктов. Процесс также приводит к медленному отложению кокса , формы углерода , на стенках реактора. Поскольку кокс ухудшает эффективность реактора, большое внимание уделяется проектированию условий реакции, чтобы свести к минимуму его образование. Тем не менее, печь парового крекинга обычно может работать только в течение нескольких месяцев между декоксовками. «Декоксы» требуют, чтобы печь была изолирована от процесса, а затем поток пара или паровоздушной смеси пропускается через змеевики печи. Это коксоудаление по сути является сжиганием углерода, преобразуя твердый углеродный слой в оксид углерода и диоксид углерода.

Жидкостно-каталитический крекинг

Принципиальная схема каталитического крекинга

Процесс каталитического крекинга включает присутствие твердых кислотных катализаторов , обычно алюмосиликатов и цеолитов . Катализаторы способствуют образованию карбокатионов , которые подвергаются процессам перегруппировки и разрыва связей CC. По сравнению с термическим крекингом, каталитический крекинг протекает при более низких температурах, что экономит энергию. Кроме того, при работе при более низких температурах уменьшается выход нежелательных алкенов. Алкены вызывают нестабильность углеводородного топлива. [9]

Флюид-каталитический крекинг является широко используемым процессом, и современный нефтеперерабатывающий завод обычно включает в себя каталитический крекинг , особенно на нефтеперерабатывающих заводах в США, из-за высокого спроса на бензин . [10] [11] [12] Процесс был впервые использован около 1942 года и использует порошкообразный катализатор . Во время Второй мировой войны у союзных войск были обильные запасы материалов в отличие от сил Оси, которые страдали от острой нехватки бензина и искусственного каучука. Первоначальные реализации процесса были основаны на катализаторе из оксида алюминия с низкой активностью и реакторе, где частицы катализатора были суспендированы в восходящем потоке исходных углеводородов в псевдоожиженном слое . [ необходима ссылка ]

В новых конструкциях крекинг происходит с использованием очень активного катализатора на основе цеолита в вертикальной или наклонной вверх трубе с коротким временем контакта, называемой «стояком». Предварительно нагретое сырье распыляется в основание стояка через питающие сопла, где оно контактирует с чрезвычайно горячим псевдоожиженным катализатором при температуре от 1230 до 1400 °F (от 666 до 760 °C). Горячий катализатор испаряет сырье и катализирует реакции крекинга, которые расщепляют высокомолекулярную нефть на более легкие компоненты, включая сжиженный нефтяной газ, бензин и дизельное топливо. Смесь катализатора и углеводородов течет вверх по стояку в течение нескольких секунд, а затем смесь разделяется с помощью циклонов . Углеводороды без катализатора направляются в главный ректификационный аппарат для разделения на топливный газ, сжиженный нефтяной газ, бензин, нафту , легкие цикловые масла, используемые в дизельном и реактивном топливе, и тяжелое топливо. [ необходима цитата ]

Во время движения вверх по стояку катализатор крекинга «тратится» в результате реакций, которые откладывают кокс на катализаторе и значительно снижают активность и селективность. «Отработанный» катализатор отделяется от паров крекированных углеводородов и отправляется в отпарную колонну, где он контактирует с паром для удаления углеводородов, оставшихся в порах катализатора. «Отработанный» катализатор затем поступает в регенератор с псевдоожиженным слоем, где воздух (или в некоторых случаях воздух плюс кислород ) используется для сжигания кокса с целью восстановления активности катализатора, а также обеспечивает необходимое тепло для следующего цикла реакции, поскольку крекинг является эндотермической реакцией . «Регенерированный» катализатор затем поступает в основание стояка, повторяя цикл. [ необходима цитата ]

Бензин, произведенный в установке FCC, имеет повышенное октановое число , но менее химически стабилен по сравнению с другими компонентами бензина из-за своего олефинового профиля. Олефины в бензине ответственны за образование полимерных отложений в резервуарах для хранения , топливных каналах и инжекторах . FCC LPG является важным источником олефинов C 3 –C 4 и изобутана , которые являются необходимым сырьем для процесса алкилирования и производства полимеров, таких как полипропилен . [ требуется цитата ]

Типичные выходы флюид-каталитического крекинга UOP (объем, на основе сырья, ~23 API сырья и 74% конверсии) [13]


Гидрокрекинг

Гидрокрекинг — это процесс каталитического крекинга, которому способствует присутствие добавленного газообразного водорода . В отличие от гидроочистки , гидрокрекинг использует водород для разрыва связей C–C (гидроочистка проводится перед гидрокрекингом для защиты катализаторов в процессе гидрокрекинга). В 2010 году с помощью этой технологии было переработано 265 миллионов тонн нефти. Основным сырьем является вакуумный газойль, тяжелая фракция нефти. [14] [15]

Продуктами этого процесса являются насыщенные углеводороды ; в зависимости от условий реакции (температура, давление, активность катализатора) эти продукты варьируются от этана , сжиженного нефтяного газа до более тяжелых углеводородов, состоящих в основном из изопарафинов . Гидрокрекинг обычно осуществляется с помощью бифункционального катализатора, который способен перестраивать и разрывать углеводородные цепи , а также добавлять водород к ароматическим соединениям и олефинам для получения нафтенов и алканов . [14]

Основными продуктами гидрокрекинга являются реактивное топливо и дизельное топливо , но также производятся фракции нафты с низким содержанием серы и сжиженный нефтяной газ. [16] Все эти продукты имеют очень низкое содержание серы и других загрязняющих веществ . Это очень распространено в Европе и Азии, поскольку в этих регионах высок спрос на дизельное топливо и керосин . В США каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем более распространен, поскольку спрос на бензин там выше.

Процесс гидрокрекинга зависит от природы сырья и относительных скоростей двух конкурирующих реакций, гидрирования и крекинга. Тяжелое ароматическое сырье преобразуется в более легкие продукты в широком диапазоне очень высоких давлений (1000–2000 фунтов на кв. дюйм) и довольно высоких температур (750–1500 °F, 400–800 °C) в присутствии водорода и специальных катализаторов. [14]


Индикативные выходы изокрекинга (гидрокрекинга UOP) [17]

Сырье: российский ВГО 18,5 API, 2,28% серы по массе, 0,28% азота по массе, 6,5% парафина по массе.

Кривая дистилляции сырья

Продукция гидрокрекинга UOP

Основы

За пределами промышленного сектора расщепление связей C−C и C−H является редкими химическими реакциями . В принципе, этан может подвергаться гомолизу :

СН 3 СН 3 → 2 СН 3

Поскольку энергия связи C−C очень высока (377 кДж/моль), [18] эта реакция не наблюдается в лабораторных условиях. Более распространенные примеры реакций крекинга включают ретрореакции Дильса-Альдера . Показательным является термический крекинг дициклопентадиена с получением циклопентадиена .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Alfke, Gunter; Irion, Walther W.; Neuwirth, Otto S. (2007). "Oil Refining". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a18_051.pub2. ISBN 978-3527306732.
  2. ^ ab MS Vassiliou (2 марта 2009 г.). Исторический словарь нефтяной промышленности. Scarecrow Press. стр. 459–. ISBN 978-0-8108-6288-3.
  3. ^ Ньютон Копп; Эндрю Занелла (1993). Открытие, Инновация и Риск: Примеры в Науке и Технологии. MIT Press. С. 172–. ISBN 978-0-262-53111-5.
  4. ^ ab Юрий Евдошенко (2012). «Американский крекинг для советской переработки». Нефть России .
  5. ^ Краус, Ричард С. «Процесс переработки нефти» в 78. Нефть и природный газ, Краус, Ричард С., редактор, Энциклопедия охраны труда и техники безопасности, Жанна Магер Стельман, главный редактор. Международная организация труда, Женева. 2011. Архивировано 24 июля 2013 г. на Wayback Machine .
  6. ^ Спейт, Джеймс Г. (2011). «Термический крекинг». Нефтеперерабатывающий завод будущего . стр. 147–180. doi :10.1016/B978-0-8155-2041-2.10005-0. ISBN 9780815520412.
  7. Дела и заключения Верховного суда США, том 322, UNIVERSAL OIL PRODUCTS CO. V. GLOBE OIL & REFINING CO., 322 US 471 (1944)
  8. ^ "Технологический лист этилена". Архивировано из оригинала 28-08-2017.
  9. ^ Спейт, Джеймс Г. (2011). «Каталитический крекинг». Нефтеперерабатывающий завод будущего . стр. 181–208. doi :10.1016/B978-0-8155-2041-2.10006-2. ISBN 9780815520412.
  10. ^ Джеймс Х. Гэри и Гленн Э. Хандверк (2001). Нефтепереработка: технология и экономика (4-е изд.). CRC Press. ISBN 0-8247-0482-7.
  11. ^ Джеймс. Г. Спейт (2006). Химия и технология нефти (4-е изд.). CRC Press. ISBN 0-8493-9067-2.
  12. ^ Реза Садегбейги (2000). Fluid Catalytic Cracking is Handbook (2nd ed.). Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8.
  13. ^ Мейерс, Роберт А. (2003). Справочник по процессу переработки нефти (3-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. стр. 3.61. ISBN 0-07-139109-6.
  14. ^ abc Weitkamp, ​​Jens (2012). «Механизмы каталитического гидрокрекинга и универсальность процесса». ChemCatChem . 4 (3): 292–306. doi :10.1002/cctc.201100315. S2CID  93129166.
  15. ^ Спейт, Джеймс Г. (2013). «Гидрокрекинг». Технологии переработки тяжелой и сверхтяжелой нефти . С. 95–128. doi :10.1016/B978-0-12-404570-5.00005-3. ISBN 9780124045705. S2CID  241694860.
  16. ^ Садиги, С., Ахмад, А., Ширвани, М. (2011) Сравнение подходов к объединению для прогнозирования выхода продукта в двухслойной установке гидрокрекинга VGO. Архивировано 14 декабря 2013 г. в Wayback Machine , Международный журнал по инжинирингу химических реакторов, 9, статья № A4.
  17. ^ Мейерс, Роберт А. (2003). Справочник по процессам переработки нефти (3-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. стр. 7.15. ISBN 0-07-139109-6.
  18. ^ Lide, David R., ред. (2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics (87-е изд.). Boca Raton, FL: CRC Press . ISBN 0-8493-0487-3.

Внешние ссылки