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. 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 . 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 — 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.
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.
В центре испытаний
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 учитывается и качество сырья, на котором будет работать катализатор, и технологические особенности установки.
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.
Заинтересовала статья? Или вам интересны другие темы? Оставляйте свои комментарии - нам важно знать ваше мнение.
Зачем на НПЗ внедряют процессы глубокой переработки нефти
Переработка нефти: что такое вторичные процессы
Нефтепереработка: от первых опытов до современных заводов
Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала: www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/