Ключевым этапом переработки нефти служит ее очистка от серы, азота и различных металлов. Это особенно важно для выпуска экологичного топлива, отвечающего современным стандартам. Данный процесс носит название гидрообессеривания и осуществляется в специальном реакторе под действием водорода и катализатора. Благодаря катализатору происходит химическое взаимодействие компонентов и быстрое отделение вредных примесей от топлива. Однако с тяжелыми нефтяными остатками, содержащими больше металлов и асфальтенов, обычный метод не работает: используемый катализатор быстро забивается и утрачивает активность. Это требует его регенерацию или частую замену, что экономически невыгодно. Ученые Пермского Политеха предложили перспективную модернизацию реактора, которая на 40% увеличивает срок службы катализатора и обеспечивает 99% степень очистки. Разработка позволяет улучшить качество топлива и сократить издержки нефтеперерабатывающих заводов.
Статья с результатами опубликована в сборнике «Химия. Экология. Урбанистика», том 3, 2025 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Из нефтяного сырья (бензина, дизельного топлива, керосина, мазута) крайне важно тщательно удалять сернистые и азотистые соединения. При использовании загрязненного топлива, например, в двигателях транспорта, котельных или на ТЭЦ, сгорание серы и азота ведет к образованию вредных веществ и выбросам в атмосферу. Это усиливает парниковый эффект и ухудшает экологическую обстановку. Поэтому очистка нефтяных фракций от примесей — одна из ключевых задач нефтеперерабатывающих производств.
Осуществляют ее с помощью каталитического реактора — стальной колонны, заполненной катализатором. Это центральный элемент, который в ходе химической реакции отделяет опасные соединения и превращает их в безвредные — сероводород и аммиак. Катализатор выполняется в виде гранул или микросфер, обычно на основе оксида алюминия с добавками кобальта, никеля, вольфрама или молибдена. Эти материалы выбраны неслучайно: оксид алюминия служит пористой основой, удерживающей молекулы нефти, а каждый из металлов эффективен для определенного типа загрязнений, например, простых или сложных сернистых соединений.
Важнейшую роль играет и водород, который активирует химическое взаимодействие между веществами. В процессе очистки нефтяное сырье смешивают с водородом, нагревают до высоких температур и пропускают через катализатор сверху вниз. В результате происходит фильтрация нефти, расщепление крупных молекул на мелкие и получение более чистого и ценного топлива.
Если с легкой нефтью традиционные каталитические установки справляются, то с тяжелой нефтью, доля которой в России достигает около 34% от извлекаемых запасов, — нет. Помимо серы и азота, она включает микроэлементы металлов (ванадий, никель, железо, хром и др.) и сложные высокомолекулярные соединения — асфальтены. Они физически закупоривают поры катализатора, из-за чего он быстро теряет эффективность. «Забитый» металлами и асфальтенами, он не может качественно выполнять свою главную задачу — удаление серы. Это ведет к необходимости частой регенерации или замены, что увеличивает эксплуатационные расходы и простои установки.
В качестве решения ученые Пермского Политеха предлагают разделить стандартный процесс гидрообессеривания на две стадии с последовательным применением двух различных катализаторов, каждый из которых выполняет свою функцию. Такой подход позволяет оптимизировать процесс, повысить степень очистки и продлить срок службы системы.
— На первой стадии используется катализатор на основе оксида алюминия с добавлением молибдена и кобальта, поскольку эти материалы механически прочны и устойчивы к загрязнениям. Он принимает на себя основную нагрузку и удаляет до 90% металлов (таких как ванадий и никель) и асфальтенов, значительно снижая нагрузку на следующий катализатор. Затем поток сырья направляется на вторую стадию, где происходит глубокое удаление серы и азота. Здесь эффективен катализатор на основе сульфидов никеля и вольфрама, демонстрирующий высокую активность в отношении этих соединений. Благодаря предварительной очистке на первой стадии, второй катализатор работает эффективнее и дольше сохраняет активность, — поясняет Макар Ромашкин, доцент кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ, кандидат технических наук.
Реализация процесса в два этапа повышает степень удаления серы до 99%, а ее содержание в конечном продукте достигает сверхнизких значений — всего 10 частей на миллион. Кроме того, двухстадийный реактор увеличивает срок службы катализатора и снижает частоту его регенерации на 30–40%, поскольку первый защитный слой предотвращает быстрое засорение второго металлами и асфальтенами.
— Наша технология также оптимизирует температурный режим процесса, поскольку разделение на две стадии позволяет лучше контролировать температуру в каждой зоне реактора. Перепад температур между ступенями составляет 20–40 °C, что предотвращает перегрев и дезактивацию катализатора, — добавляет Данил Казанцев, магистрант кафедры оборудования и автоматизации химических производств ПНИПУ.
Эксперты отмечают, что предложенный метод требует дополнительных капитальных вложений. Однако они окупаются за счет увеличения срока службы катализатора и снижения затрат на его регенерацию и замену. Подход способствует уменьшению общих эксплуатационных расходов на процесс гидрообессеривания, а также повышению качества и, как следствие, стоимости конечного продукта. Чем меньше серы содержится в дизельном топливе, тем выше его рыночная цена.
Внедрение двухступенчатых реакторов становится стратегически важным для нефтеперерабатывающей отрасли в условиях ужесточения экологических норм и роста доли трудно перерабатываемой тяжелой нефти. Разработка ученых Пермского Политеха способствует созданию более экономичных и экологичных производств будущего.