Как устроен нефтеперерабатывающий завод

Хоть ветровая и солнечная генерация продолжают отъедать всё большие доли в мировом энергоснабжении, современный мир по-прежнему работает на нефтепродуктах, и в обозримом будущем ситуация не поменяется. Мир потребляет более 100 миллионов баррелей нефти в сутки. На 2023 год нефть отвечала за 30% от всей энергии, используемой в мире, её доля выше, чем у других источников (хоть и постепенно снижается). В химической отрасли использование нефтепродуктов ещё критичнее: целых 90% сырья химической промышленности получается из нефти или газа. Практически все пластмассы производятся из химикатов, извлечённых из нефти или газа; также нефтепродукты применяются в производстве множества повседневных товаров, от смазки и фанеры до синтетических тканей, удобрений и красок.

Огромные объёмы потребления нефтепродуктов возможны благодаря нефтеперерабатывающим заводам (НПЗ). Когда нефть добывают из земли, она представляет собой сложную смесь тысяч различных химикатов. НПЗ перерабатывают эту смесь, превращая её в те химикаты, которые мы можем использовать. Из-за масштабов мирового потребления нефтепродуктов НПЗ — это одни из самых крупных промышленных предприятий в мире. Большой нефтеперерабатывающий завод может занимать тысячи акров (1000 акров ≈ 4 км²), а его строительство стоит миллиарды долларов; каждый день НПЗ перерабатывает сотни тысяч баррелей нефти.

Краткие сведения о сырой нефти

Нефть — это жидкость, которая образуется из разлагающихся органических материалов; в основном это мёртвые планктон и водоросли, опустившиеся на дно древних океанов. Эта мёртвая органическая материя постепенно покрылась осадочными породами и за миллионы лет превратилась в сырую нефть. Сырая нефть — это смесь тысяч различных химикатов, большинство из которых — это углеводороды: молекулы, представляющие собой разные конфигурации атомов углерода и водорода. Молекулы в сырой нефти могут быть и очень простыми, например, пропаном (три атома углерода, восемь атомов водорода) и бутаном (четыре атома углерода и десять атомов водорода), и очень сложными — молекулы некоторых асфальтенов в сырой нефти могут содержать тысячи атомов¹.

Сырая нефть, добываемая в разных частях Земли, содержит разные смеси углеводородов и других молекул, поэтому люди начали использовать классификации сырой нефти. «Тяжёлая» нефть, добываемая, например, из нефтеносного песка Канады, содержит более тяжёлые молекулы, а в «лёгкой» нефти, например, из месторождения Гавар в Саудовской Аравии, молекулы более лёгкие. Низкосернистая нефть, например, добываемая на месторождении Брент в Северном море, имеет пониженное содержание серы, а сернистые соединения, например, нефть из Мексиканского залива, содержат больше серы.

Задача НПЗ заключается в переработке этой смеси углеводородов и других молекул, в её разделении на отдельные химикаты или группы химикатов, а также в использовании различных химических реакций для преобразования малоценных химикатов в более ценные и полезные.

Краткие сведения о переработке

При переработке применяется множество различных способов сепарации и обработки сырой нефти, но самым важным процессом, вероятно, можно назвать перегонку. Разные молекулы сырой нефти кипят при разных температурах и конденсируются в жидкость тоже при разных температурах. Маленькие и лёгкие молекулы кипят и конденсируются при низких температурах, а большие и тяжёлые — при высоких. Этот диапазон точек кипения можно описать при помощи кривой перегонки, показывающей, какая доля сырой нефти кипит при разных температурах. На показанном ниже примере кривой мы видим, что примерно при 350°C выкипает половина нефти, а при 525°C выкипает примерно 80%. Разные виды сырой нефти имеют немного отличающиеся кривые перегонки, зависящие от соотношения молекул внутри них.

Вещества, извлечённые из сырой нефти, часто бывают смесями химикатов, которые определяются диапазоном их точек кипения. Например, бензин — это не просто один химикат, а смесь углеводородов, в основном молекул, содержащих от четырёх до двенадцати атомов углерода. По определению МЭА, готовый бензин «имеет диапазон кипения от 50 до 70 градусов Цельсия при отгоне 10% объёма и от 185 до 190 градусов Цельсия при отгоне 90% объёма»².

Нефтеперерабатывающие заводы могут использовать эти диапазоны кипения и конденсации для сепарации на различные группы химикатов (фракции) при помощи перегонной установки (колонны). Когда сырая нефть попадает на переработку, из неё извлекается соль, после чего она нагревается примерно до 340-400°C, что приводит к почти полному превращению нефти в пар. Затем этот пар подаётся в высокую колонну, внутри которой на разных высотах находятся поддоны, наполненные жидкостью. При поднятии горячего пара по колонне в каждом поддоне он проходит через жидкость, которая немного его охлаждает. Когда пар достаточно остынет, он снова конденсируется в жидкость. Самые тяжёлые молекулы с самыми высокими точками кипения конденсируются первыми, внизу колонны, а более лёгкие — последними, наверху колонны. Самые лёгкие молекулы вообще не конденсируются: они выходят через верхнюю часть колонны, продолжая оставаться газом. В то же время самые тяжёлые молекулы постоянно остаются в состоянии жидкости и выходят через низ колонны. Таким образом можно сепарировать разные молекулы на разных высотах.

По сути, каждый НПЗ сначала перегоняет сырую нефть в различные фракции в перегонной установке, хотя конкретные фракции на разных НПЗ могут различаться. Так как эта перегонка выполняется при атмосферном давлении, этот первый этап процесса переработки называется «атмосферной перегонкой». На самых простых НПЗ переработка может ограничиваться атмосферной перегонкой, но большинство заводов затем отправляет эти фракции на дальнейшую переработку. В зависимости от производимых продуктов, на НПЗ может применяться ОЧЕНЬ много различных процессов, поэтому мы рассмотрим только самые часто используемые.

Газ, выходящий сверху при атмосферной перегонке, может быть смесью множества разных лёгких молекул — пропана, метана, бутана, изобутана (бутана с немного иной конфигурацией атомов) и так далее. Для сепарации этой смеси на составляющие её газы НПЗ может направить её в газогенераторную установку, состоящую из последовательности перегонных колонн, предназначенных для конденсации различных веществ из смеси. Например, газ может проходить через бутаноотгонную колонну для сепарации из смеси бутана, пропана и более лёгких газов; бутан и более лёгкие газы могут даже быть поданы на пропаноотгонную колонну для сепарации пропана от бутана³.

Лёгкие газы выходят сверху перегонной установки, а тяжёлые жидкости — снизу. Самые тяжёлые молекулы, выходящие из перегонки вообще без испарения, называются остаточными. Многие из тяжёлых молекул не особо ценны сами по себе, поэтому одна из самых важных функций НПЗ — это крекинг: разделение тяжёлых фракций, например, тяжёлой топливной нефти, на более лёгкие и ценные, например, бензин.

Крекинг был изобретён в начале 20-го века для извлечения большего количества бензина с барреля сырой нефти, поскольку спрос на него для применения в автомобилях увеличивался. За долгие годы методики крекинга эволюционировали; сегодня на большинстве НПЗ используют ту или иную разновидность каталитического крекинга. При каталитическом крекинге тяжёлые фракции, полученные после атмосферной перегонки, смешиваются с катализатором (материалом, предназначенным для ускорения химических реакций) и подвергаются нагреванию и высокому давлению, что приводит к разделению тяжёлых молекул на более лёгкие. Затем катализатор сепарируется из смеси при помощи циклонного сепаратора — по сути, смесь вращается, сепарируя тяжёлый катализатор от остальной части смеси. Катализатор очищается и используется повторно, а прошедшая крекинг (а значит, способная теперь испаряться) нефть подаётся в ещё одну перегонную установку, разделяющую её на различные фракции.

Чаще всего применяется крекинг с флюидизированным катализатором, в котором похожий на песок катализатор, ведущий себя, как жидкость, смешивается с тяжёлыми фракциями. Разные компании разработали собственные процессы крекинга с флюидизированным катализатором, а на разных этапах процесса на НПЗ могут применяться различные установки каталитического крекинга.

Установки каталитического крекинга предназначены для ускорения химических реакций, «ломающих» тяжёлые углеводороды, но эти реакции при достаточно высокой температуре происходят и в перегонной установке. Так как крекинг препятствует процессу перегонки, НПЗ ограничивают температуру при атмосферной перегонке диапазоном примерно в 340–400°C. Благодаря этому на дне колонны остаётся смесь тяжёлых углеводородов, которые не кипели. Было бы полезно разделить эту смесь на разные фракции, чтобы их можно было извлечь, но при атмосферной перегонке это невозможно без повышения температуры до уровня начала крекинга.

Для решения этой проблемы смесь передают в другую перегонную установку, в которой поддерживается очень низкое давление, почти вакуум, поэтому этот процесс называется вакуумной перегонкой или вакуумной разгонкой. При низком давлении точки кипения находятся ниже, что позволяет перегонять тяжёлые фракции без нагревания до той точки, в которой начинает происходить крекинг.

Часть тяжёлых фракций, выходящих после вакуумной перегонки, может быть передана непосредственно на установку каталитического крекинга для разделения их на более лёгкие. Но самые тяжёлые молекулы, выходящие снизу при вакуумной перегонке, не подходят для каталитического крекинга — многие из них содержат тяжёлые металлы, которые «отравят» катализатор, а химические реакции этих молекул приводят к появлению кокса (богатого углеродом твёрдого вещества), склеивающего катализатор. Так как выполнять крекинг этих очень тяжёлых молекул полезно, на некоторых НПЗ применяются процессы термического крекинга, при которых для разделения молекул используется тепло. Установка коксования (кокер) при высоких температурах выполняет крекинг самых тяжёлых молекул на более лёгкие и кокс. Лёгкие молекулы передаются в перегонную установку для сепарации, а кокс сжигается как топливо или применяется в качестве сырья при производстве (например, электроды для выплавки алюминия изготавливаются из кокса). Ещё один тип термического крекинга, висбрекинг (visbreaking, сокращение от viscosity breaking), применяется для крекинга некоторых молекул и снижения вязкости оставшихся фракций.

Наряду с крекингом, на НПЗ может применяться множество других процессов для изменения химической структуры молекул. При каталитическом реформинге фракция нафты (часть сырой нефти с точкой кипения между 50°C и 204°C) подвергается нагреванию и высокому давлению в присутствии катализатора для изготовления новой смеси химикатов под названием «реформат», из которого изготавливают бензин. В процессах изомеризации различные молекулы, например, бутана, изменяют своё физическую конфигурацию, превращаясь в изомеры — молекулы с теми же химическими формулами, но другой структурой. При гидроочистке различные фракции сырой нефти реагируют с водородом в присутствии катализатора для избавления их от примесей и повышения качества. (Гидроочистка может выполняться сама по себе, но часто совмещается с другими процессами. При гидрокрекинге гидроочистка соединяется с каталитическим крекингом, а гидропереработка остатка сочетает гидроочистку с термическим крекингом.)

Для хранения сырья и продуктов этих процессов на НПЗ также имеется огромное количество резервуаров для хранения, называемых парком резервуаров, в которых могут храниться миллионы литров различных жидкостей. Газы наподобие пропана и бутана обычно хранятся в виде сжатых жидкостей в резервуарах на поверхности, в подземных пустотах или соляных куполах.

Нефтеперерабатывающий завод Chevron в Ричмонде

Чтобы получить представление о том, как выстроены все эти процессы, можно взглянуть на их реализацию на настоящем заводе. На показанной ниже карте виден НПЗ компании Chevron в Ричмонде (штат Калифорния) — средних размеров завод, способный перерабатывать примерно четверть миллиона баррелей сырой нефти в день. Южную часть его территории занимает парк резервуаров, который окружён с севера и востока территорией переработки.

В таблице ниже указан суточный объём выпуска различных процессов завода.

Из таблицы мы видим, что на этом заводе применяются многие из описанных выше процессов: кроме приблизительно 257 тысяч баррелей атмосферной перегонки (atmospheric distillation), на нём перерабатывают примерно 123 тысяч баррелей вакуумной перегонкой (vacuum distillation), примерно 90 тысяч баррелей каталитическим крекингом (catalytic cracking) и 71 тысяч баррелей каталитическим реформингом. (На ричмондском НПЗ нет установок для коксования, однако они есть на чуть более крупном НПЗ в Эль-Сегундо в округе Лос-Анджелес.)

Чтобы понять, как выстроены эти процессы, можно изучить диаграмму технологического потока этого НПЗ. (Эта диаграмма стала публичной, потому что много лет назад Chevron активно модернизировала завод, из-за чего компания, согласно законам Калифорнии о качестве окружающей среды, была вынуждена подать очень подробный отчёт о влиянии на окружающую среду.)

Мы видим, что процесс переработки начинается с атмосферной перегонки (хотя завод также перерабатывает тяжёлый газойль, не проходящий этап перегонки), при которой сырая нефть сепарируется на различные фракции. Далее эти фракции направляются для выполнения других процессов. Лёгкий газ подаётся на газогенераторную установку (gas plant), а нафта отправляется на гидроочистку (hydrotreating), каталитический реформинг и изомеризацию. Авиационное и дизельное топливо подаются на отдельные процессы гидроочистки, а более тяжёлые фракции — на различные процессы каталитического крекинга. Результатами всех этих процессов становятся различные продукты сырой нефти: тяжёлая топливная нефть, дизельное топливо, авиационное топливо, смазки и, разумеется, бензин.

Более общая картина объёмов нефтепереработки

Chevron Richmond — лишь один из 132 НПЗ в США, которые ежедневно перерабатывают более 18 миллионов баррелей сырой нефти. Физически эти НПЗ крайне сильно сконцентрированы: большинство из них сосредоточено на побережье Мексиканского залива Техаса и Луизианы, а остальные кластеры находятся в Нью-Джерси, на Среднем Западе и в Калифорнии.

Если посмотреть на распределение мощностей переработки, то можно увидеть, что Chevron Richmond крупнее среднего, но далеко не самый крупный. Примерно пятая часть НПЗ в США приблизительно такая же или крупнее. Шесть НПЗ крупнее в два с лишним раза, они способны перерабатывать больше половины миллиона баррелей в день. Но в мире есть и более крупные заводы: крупнейший по объёмам переработки в мире НПЗ Джамнагар (Jamnagar) в Индии может перерабатывать 1,4 миллиона баррелей сырой нефти в день.

В таблице выше показаны десять крупнейших в мире НПЗ по объёму атмосферной перегонки в календарный день; но она рассказывает лишь часть истории. Как мы уже говорили, на разных заводах может быть установлено различное перерабатывающее оборудование. На простых заводах нет практически ничего, кроме атмосферной перегонки, а на более сложных применяются длинные цепочки процессов, производящих продукты с высокой степенью переработки. В таблице ниже показаны общие объёмы переработки различными процессами в США.

Можно рассмотреть относительную сложность разных американских НПЗ при помощи индекса сложности Нельсона (Nelson Complexity Index), предназначенного для измерения сложности переработки. В этом индексе учитывается каждый используемый на заводе процесс: объёмы переработки умножаются на «коэффициент сложности», определяемый как отношение затрат на процесс к затратам на атмосферную перегонку, а затем делятся на объёмы атмосферной перегонки. То есть НПЗ с объёмом 100000 баррелей атмосферной перегонки (коэффициент сложности 1) и 50000 баррелей вакуумной перегонки (коэффициент сложности 2) будет иметь индекс сложности . Если затем на нём добавится 25000 баррелей, перерабатываемых каталитическим крекингом (коэффициент сложности 6), то его индекс сложности вырастет до .

Большинство заводов в США выполняет довольно сложные процессы. На 2014 год менее 3% от всех НПЗ имело индекс сложности 2 или ниже, а средний индекс сложности был равен 8,7. На 2014 год завод Chevron в Ричмонде имел индекс сложности 14, что выше среднего для американских НПЗ. Завод Джамнагар не только самый крупный в мире, но и довольно сложный: он имеет коэффициент 21, то есть более сложен, чем практически все заводы в США.

Заключение

Больше всего в переработке нефти меня поражает не сложность процесса — хотя конструкции для различных процессов часто бывают крайне сложными, многие самих из этих процессов часто на удивление просты (по крайней мере, концептуально). Поражают меня её масштабы. Переработка — дорогостоящее мероприятие не из-за сложности процессов, а из-за высокого объёма материалов для её выполнения. НПЗ Chevron в Ричмонде размером с небольшой город и способен за неделю с небольшим переработать объём нефти, умещающийся в супертанкер. А ведь Richmond — это не особо крупный НПЗ: в США есть 25 заводов такого же или большего размера, и шесть заводов в два с лишним раза больше. Для того, чтобы обеспечить весь мир бензином, требуются 400 заводов размером с ричмондский.

Если вы живёте в Техасе или Луизиане, эти аспекты могут показаться вам очевидными, но многие из нас могут прожить целую жизнь, не задумываясь об огромной промышленной машине, приводящей в движение кровь цивилизации. Но США потребляют более 20 миллионов баррелей в сутки, и для обеспечения таких объёмов необходим обширный комплекс нефтеперерабатывающих заводов.

Примечания

1. Строго говоря, асфальтены — это не углеводороды: в основном они состоят из углерода и водорода, но могут содержать и другие атомы, например, серы или тяжёлых металлов. ↩

2. Точка восстановления — это температура, при которой фракция жидкости испаряется, а затем собирается. ↩

3. Большинство газов, направляемых на газогенераторную установку, не имеют двойных связей. Углеводороды без двойных связей называются насыщенными, потому что имеют максимально возможное количество атомов водорода, поэтому такая установка называется установкой переработки насыщенного газа. ↩