Каталитический крекинг. Что это такое

Процесс каталитического крекинга зародился в 1930-х годах в США. Толчком к его развитию послужило создание эффективного катализатора на основе алюмосиликатов, разработанного Эженом Гудри в 1936 году. Однако, первооткрывателем процесса каталитического крекинга следует считать Николая Зелинского, российского учёного, который был первым, кто теоретически описал в 1915 году.

Первые промышленные установки крекинга в СССР были построены Владимиром Шуховым в 1934 году на заводе «Советский крекинг» в Баку.

Объяснение каталитического крекинга

Представьте, что нефть — это сложный пазл, состоящий из множества различных частей (молекул). Каталитический крекинг — это процесс, при котором этот пазл разбивается на отдельные части, которые затем можно собрать в новые изображения (продукты).

В процессе каталитического крекинга происходят следующие основные реакции: разрыв связей С-С (углерод-углерод), перераспределение водорода (гидрирование и дегидрирование), деалкилирование, дегидроциклизация, полимеризация, конденсация.

Стоит сказать, что при каталитическом крекинге происходит гетерогенный катализ. Это означает, что катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Катализатор обычно находится в твердой фазе, а реагирующие вещества — в газообразном или парообразном состоянии.

В процессе каталитического крекинга, катализатор и реагенты нагреваются до определенной температуры. Температура в реакторе обычно составляет 510-540 °C, а в регенераторе — 650-730 °C. Это обеспечивает оптимальные условия для проведения реакции крекинга.

Различные температуры нагрева катализатора и реагента обеспечивают эффективное протекание реакции. Нагрев катализатора до более высокой температуры помогает активировать его, увеличивая его способность катализировать реакцию. В то же время, нагрев реагента до определенной температуры обеспечивает необходимую энергию для начала реакции.

Можно представить этот процесс как приготовление пищи на сковороде. Сковорода (катализатор) нагревается до высокой температуры, чтобы обеспечить равномерное и быстрое приготовление пищи (реагент). Если сковорода недостаточно горяча, то пища будет готовиться слишком медленно или вообще не будет готовиться. Если же пищу подвергнуть слишком высокой температуре без сковороды, она может сгореть или испортиться. Таким образом, правильное сочетание температур катализатора и реагента обеспечивает оптимальные условия для реакции крекинга.

Катализаторы каталитического крекинга

Аморфный шариковый катализатор — это тип катализатора, который использовался на установках каталитического крекинга прошлого поколения. Он представляет собой шарики диаметром 3-5 мм с площадью поверхности 200 м²/гр. Давайте представим, что у нас есть корзина маленьких шариков. Каждый шарик — это аморфный шариковый катализатор. Эти шарики имеют способность ускорять химические реакции, происходящие в процессе каталитического крекинга. В процессе каталитического крекинга эти шарики перемещаются через реакционную зону, где они взаимодействуют с нефтяными фракциями. В результате этого взаимодействия происходит разрыв химических связей в молекулах нефтяных фракций, что приводит к образованию более легких и ценных продуктов, таких как бензин.

На современном этапе вместо аморфного шарикового катализатора используется цеолитсодержащий микросферический катализатор. Этот катализатор представляет собой микроскопические частицы размером 35-150 мкм с площадью поверхности 300-400 м²/гр. Он состоит из крекирующего цеолитного компонента, нанесенного на аморфную алюмосиликатную матрицу. Это позволяет ему быть более эффективным и универсальным в процессе каталитического крекинга.

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

В реакторе каталитического крекинга реагент (нефтяное сырье) находится в парообразном состоянии. Катализатор находится в твердом состоянии.

Стоит отметить, что реактор каталитического крекинга обычно представляет собой высокую башню или колонну, где происходит непрерывное движение катализатора и реагента. Катализатор в виде шариков диаметром 3-5 мм пересыпается из бункера-сепаратора в бункер реактора и равномерно проходит плотным слоем реакционную зону, зону отделения продуктов крекинга и зону отпарки. Иными словами, слой шарикового катализатора движется сверху вниз по реактору навстречу поднимающимся парам сырья. То есть, катализатор подается сверху, а сырье подается снизу. В таком реакторе катализ, массо- и теплообмен осуществляют фильтрацией прямотоком в режиме, близком к идеальному вытеснению.

Можно представить этот процесс как водопад, где вода (катализатор) стекает сверху вниз, а ветер (реагент) поднимается снизу вверх. Вода и ветер встречаются и взаимодействуют, что приводит к образованию брызг (продуктов реакции). Это упрощенная аналогия, которая помогает представить основные принципы работы реактора каталитического крекинга.

Продукты реакции каталитического крекинга, или «брызги», улавливаются и разделяются на различные фракции с помощью процесса, известного как фракционная дистилляция.

Во время этого процесса продукты реакции подаются в дистилляционную колонну, где они разделяются на различные фракции на основе их температур кипения. Более легкие фракции, такие как газы и бензин, имеют более низкие температуры кипения и поднимаются к вершине колонны, в то время как более тяжелые фракции, такие как газойль и мазут, имеют более высокие температуры кипения и остаются в нижней части колонны.

Этот процесс можно представить как процесс приготовления кофе с использованием кофеварки. Вода (сырье) нагревается до кипения, и пар поднимается через кофейный фильтр (катализатор), где он взаимодействует с кофейными зернами (реагент). В результате этого взаимодействия образуется кофе (продукты реакции), который затем собирается в кувшине. Таким образом, «брызги» кофе улавливаются и собираются в одном месте для дальнейшего использования.

Более подробно о процессе улавливания мы расскажем в следующей статье.