На одном из важнейших этапов переработки нефти необходимо удалить из нее серу, азот и различные металлы. Это особенно важно для производства топлива, соответствующего современным экологическим нормам и стандартам. Данный процесс, известный как гидрообессеривание, осуществляется в специальном реакторе с использованием водорода и катализатора. Катализатор способствует химическому взаимодействию и быстрому удалению вредных примесей из топлива. Однако традиционный подход оказывается неэффективным при работе с тяжелыми нефтяными остатками, содержащими большое количество металлов и асфальтенов, поскольку применяемый катализатор быстро деактивируется и загрязняется. Это влечет за собой необходимость его регенерации или замены, что является затратным. Разработчики из Пермского Политеха предложили перспективное решение для модернизации реактора, позволяющее увеличить срок службы катализатора на 40% и достичь 99% степени очистки. Данное решение способно улучшить качество топлива и сократить расходы нефтеперерабатывающих предприятий.
Статья с результатами опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 3, 2025 год. Данное исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
При переработке нефти необходимо эффективно извлекать сернистые и азотистые соединения, присутствующие в бензине, дизельном топливе, керосине и мазуте. Использование топлива, содержащего эти загрязнения, например, в транспортных двигателях, котельных и на теплоэлектростанциях, вызывает сгорание серы и азота, что приводит к образованию опасных веществ и выбросам в атмосферу. Это усугубляет парниковый эффект и негативно влияет на состояние окружающей среды. Следовательно, удаление примесей из нефтяных фракций является приоритетной задачей для нефтеперерабатывающих предприятий.
Процесс осуществляется с использованием каталитического реактора, который представляет собой стальную колонну, наполненную катализатором. Этот компонент играет важную роль, поскольку в ходе химической реакции он разделяет вредные соединения и трансформирует их в безопасные – сероводород и аммиак. Катализатор обычно состоит из гранул или микросфер, изготовленных из оксида алюминия с добавлением кобальта, никеля, вольфрама или молибдена. Выбор таких материалов обусловлен тем, что оксид алюминия служит пористой структурой, удерживающей молекулы нефти, а каждая добавка обладает высокой эффективностью для конкретного вида загрязнений, будь то простые или сложные сернистые соединения.
Водород также играет ключевую роль, поскольку он запускает химическое взаимодействие между различными соединениями. Например, при очистке нефти сырье подвергается смешиванию с водородом, затем его нагревают до высоких температур и пропускают через катализатор в направлении сверху вниз. Это приводит к фильтрации нефти, расщеплению крупных молекул на более мелкие и получению более чистого и ценного топлива.
Традиционные каталитические процессы хорошо работают с легкой нефтью, однако с тяжелой нефтью, которая составляет приблизительно 34% от добываемых в РФ запасов, – нет. Помимо серы и азота, в ее составе присутствуют микроэлементы различных металлов (ванадий, никель, железо, хром и другие) и сложные высокомолекулярные соединения – асфальтены. Эти вещества физически блокируют поры катализатора, что приводит к быстрой утрате им эффективности. Загрязненный металлами и асфальтенами катализатор не способен качественно выполнять свою основную функцию – удаление серы. Это обуславливает необходимость частой регенерации или замены, что влечет за собой значительные эксплуатационные расходы и простои оборудования.
Для решения данной задачи специалисты Пермского Политеха предлагают разделить обычный процесс гидрообессеривания на два этапа, последовательно используя два различных катализатора, каждый из которых предназначен для выполнения определенной задачи. Такая методика позволяет оптимизировать технологический процесс, улучшить качество очистки и увеличить долговечность оборудования.
– На первом этапе в процессе применяется катализатор, основу которого составляют оксид алюминия с добавлением молибдена и кобальта. Эти компоненты отличаются высокой механической прочностью и устойчивостью к загрязнениям. Он воспринимает на себя основную часть нагрузки и удаляет до 90% металлов, таких как ванадий и никель, а также асфальтенов, тем самым существенно уменьшая нагрузку на последующий катализатор. Затем поток сырья направляется на второй этап, где осуществляется глубокое удаление серы и азота. Здесь используется устройство на основе сульфидов никеля и вольфрама, которые характеризуются высокой активностью по отношению к этим соединениям. Благодаря предварительной очистке на первом этапе, второй катализатор функционирует эффективнее и более продолжительное время сохраняет свою активность, – поясняет Макар Ромашкин, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ, кандидат технических наук.
Благодаря двухэтапной реализации процесс удаления серы достигает 99% эффективности, а её концентрация в готовом продукте опускается до крайне низкого уровня – всего 10 частей на миллион. Двухстадийный реактор также продлевает срок службы катализатора и уменьшает необходимость его регенерации на 30–40%, поскольку первая ступень защиты препятствует быстрому загрязнению второго этапа металлами и асфальтенами.
– По словам Данила Казанцева, магистранта кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ, наша технология оптимизирует температурный режим процесса благодаря его разделению на два этапа, что позволяет более эффективно контролировать температуру в каждой зоне реактора. Разница температур между этими стадиями составляет 20–40 °C, что исключает перегрев и дезактивацию катализатора.
Предлагаемый метод, по мнению специалистов, предполагает необходимость дополнительных инвестиций в основные фонды. Эти затраты, в свою очередь, окупаются за счет увеличения ресурса катализатора и сокращения расходов на его восстановление и замену. Данная стратегия позволяет уменьшить совокупные операционные издержки, связанные с процессом гидроочистки дизельного топлива, и, как следствие, улучшить его характеристики и, соответственно, цену реализации. Это обусловлено тем, что снижение содержания серы в дизельном топливе напрямую влияет на его рыночную стоимость.
Ужесточение экологических требований и увеличение объема тяжелой нефти, которую сложно переработать, делают внедрение двухступенчатых реакторов ключевой задачей для нефтеперерабатывающей отрасли. Разработки, созданные учеными Пермского Политеха, направлены на формирование более рентабельных и экологически безопасных производств завтрашнего дня.