Сотрудники кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ предложили способ переработки и повышения качества обводненной нефти. Способ позволит использовать «ненужные» нефтяные остатки в качестве сырья и сэкономить время и энергоресурсы при получении компонентов моторных топлив.
Фото: Getty Images
Фото: Александра Кучерова/Пресс-служба химического факультета МГУ
В современном мире энергопотребление неуклонно растет, что повышает спрос на природные энергоносители. Существуют два основных пути удовлетворить его: наращивать объем нефтедобычи и вовлекать в переработку «некондиционное» углеродсодержащее сырье, в том числе нефтяные остатки. Качество такого сырья оставляет желать лучшего: в нем высокое содержание поликонденсированных ароматических и гетероатомных соединений, что создает определенные трудности при переработке. Прежде всего «страдают» катализаторы, которые не рассчитаны на «работу» с «громоздкими» молекулами тяжелых нефтей. Дело в том, что размер этих молекул существенно превышает диаметр пор носителя. В результате доступ к активным центрам катализатора, на которых происходит трансформация углеводородов, быстро блокируется. Как следствие, эффективность процесса снижается.
В случае переработки нефтяных остатков ситуация осложняется наличием воды в сырье. Вода не только «отравляет» катализаторы и сокращает срок их службы, но и вызывает коррозию технологического оборудования. Отделение воды — одна из самых энерго- и ресурсозатратных стадий.
Получается замкнутый круг: чтобы удовлетворять растущую потребность в энергетических ресурсах, необходимо «пожертвовать» качеством сырья, но при этом обеспечить должную эффективность процесса для получения топлив, отвечающих жестким экологическим стандартам, что приводит к дополнительным расходам и повышению капитальных затрат. Поэтому на фоне роста доли низкокачественного сырья в общей структуре нефтеперерабатывающей промышленности вопрос совершенствования существующих, а также разработки новых технологий и катализаторов стоит особенно остро.
Микрофотография катализатора
Микрофотография катализатора
Традиционно для превращения тяжелого нефтяного сырья в компоненты товарных топлив используются процессы каталитического облагораживания под давлением водорода. Последний необходим для гидрирования ароматических и сероорганических соединений нефти. Чем меньше таких соединений в продуктах переработки, тем «качественнее» получаемые компоненты топлив. В случае тяжелого нефтяного сырья для эффективного протекания процесса необходимо обеспечить довольно жесткие условия: повысить температуру и давление.Такие условия позволяют достичь требуемых показателей качества топлив, но негативно сказываются на работе катализатора, снижая срок его службы, и приводят к повышенному износу технологического оборудования. Что же касается «некондиционного» углеродсодержащего сырья, то оно в большинстве случаев содержит воду, контакт которой с катализатором крайне нежелателен. Чтобы убрать воду, необходима дорогостоящая стадия обезвоживания, а сам процесс становится многостадийным и экономически невыгодным. Именно наличие воды ограничивает «полноценное» вовлечение остаточного нефтяного сырья в технологический цикл получения компонентов моторных топлив.
Ученые из МГУ нашли, как решить проблему и извлечь пользу из отходов нефтяной промышленности, не отделяя при этом воду. Химики предложили проводить гидрооблагораживание обводненного сырья не под давлением водорода, а в среде монооксида углерода. Такой подход позволил ученым объединить два процесса в одном технологическом цикле — активация воды путем ее взаимодействия с монооксидом углерода (реакция водяного газа) с образованием водорода, который затем вовлекается в реакции гидрирования ароматических и гетероатомных соединений нефти.
Схема переработки нефти с использованием катализатора
Схема переработки нефти с использованием катализатора
Особенностью процесса стало применение катализаторов на основе сульфидов переходных металлов. Использование таких каталитических систем позволяет повысить эффективность процесса за счет протекания двух реакций (реакция водяного газа и трансформация углеводородов) на одних и тех же активных центрах. При этом в качестве альтернативы «традиционным» ученые предлагают наноразмерные катализаторы без носителя, распределенные в углеводородной среде. Отсутствие носителя позволяет избежать трудностей, связанных с доступом к активному центру при трансформации «громоздких» молекул. «Такие катализаторы не нужно предварительно синтезировать, они могут «самособираться» непосредственно в реакционной среде, в ходе «трансформации» солей металлов при температурах процесса»,— отмечает научный сотрудник кафедры химии нефти и органического катализа, руководитель проекта РНФ кандидат химических наук Анна Вутолкина.
Гидрооблагораживание обводненного сырья под давлением монооксида углерода позволит исключить дорогостоящую стадию отделения воды и вовлекать ее в технологический цикл в качестве источника водорода. «Такая одностадийная технология может быть применена для улучшения качества тяжелой нефти непосредственно при ее добыче, а также при переработке обводненного сырья, в том числе и нефтяных остатков»,— подчеркнула Анна Вутолкина.
Исследование поддержано грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Dispersed Ni-Mo sulfide catalysts from water-soluble precursors for HDS of BT and DBT via in situ produced H2 under water gas shift conditions; A. V. Vutolkina, I. G. Baygildin, A. P. Glotov, K. A. Cherednichenko, A. L. Maksimov, E. A. Karakhanov; журнал Applied Catalysis B: Environmental, октябрь 2020 г.