Лет семьдесят назад с владельцами недавно
лишь появившихся керосиновых ламп случались порой пренеприятные происшествия.
Лампа, только что аккуратно заправленная керосином, вдруг вся вспыхивала, как
только к фитилю подносили спичку. Иногда, к большому удовольствию врагов
керосина — фабрикантов и продавцов восковых свечей, — происходил даже небольшой
взрыв, сопровождавшийся пожаром.
В чем тут было дело, никак не могли
дознаться работники первых керосиновых заводов. А дело было вот в чем.
Нефть, из которой получается керосин, представляет сложное вещество, состоящее из большого числа химических соединений, главным образом углеводородов, в которых углерод и водород соединены в различных пропорциях. Разные углеводороды имеют определенные, отличные друг от друга температуры кипения и испарения. Это значит, что по мере нагревания нефти из нее испаряются сначала одни углеводороды, у которых самая низкая температура кипения, затем другие, у которых температура кипения выше. Из самых легких углеводородов состоит бензин, из более тяжелых — керосин. Бензин испаряется и воспламеняется легко, керосин — значительно труднее.
Керосин не должен содержать частей бензина,
так как становится от этого огнеопаснее. Но на первых нефтеперегонных заводах
не умели еще хорошо отделять те части, или, как говорят, фракции нефти, из
которых образуется керосин, от тех, из которых состоит бензин. Вот почему в
лампах иногда происходили взрывы.
В те времена главным и почти единственным
продуктом нефтяного производства был керосин. На бензин же смотрели, как на
балласт, который только портит керосин, делая его огнеопаснее. Бензиновые
фракции старались отделить от керосиновых и выбрасывали или попросту сжигали.
Могло ли тогда прийти кому-нибудь в голову, что через несколько десятков лет
этот бросовый продукт станет главной целью всего нефтяного производства!
В 1905 г. в Америке было всего 80 тыс.
автомобилей. Но, после того как было организовано конвейерное производство
автомобилей, число их начало расти с невероятной быстротой. В 1915 г. их стало
уже 2,5 млн., а в 1930 г. — около 27 млн.
Вся эта огромная армия машин стала
требовать бензина, бензина, бензина. Но как запастись бензином, чтобы
удовлетворить всех?
Важно было не только увеличить добычу
нефти, запасы которой, кстати сказать, довольно ограничены, — надо было
научиться вырабатывать из нефти гораздо больше бензина и лучшего качества, чем
до сих пор.
*
Накануне мировой войны в США появились
первые заводы, на которых стали получать значительно больше бензина, чем на
прежних нефтеперегонных заводах. Новый способ перегонки нефти получил название
«крекинг-процесса». В переводе с английского это значит «процесс расщепления».
В чем состоит этот способ и почему его так
назвали?
Цель обыкновенной, или, как говорят,
прямой, перегонки нефти — выделить из нефти различные группы углеводородов,
нужные для того или иного применения. Например, бензиновые фракции — для
автомобильного двигателя, керосиновые — для освещения, и т. д. Эти фракции уже
имеются в нефти, они только смешаны друг с другом. Их можно отделить
сравнительно просто, пользуясь тем, что разные фракции кипят и испаряются при
различных температурах. При прямой перегонке химическое строение молекул нефти
не изменяется. Новый же способ переработки был основан именно на изменении химического
строения частиц нефти, на химическом расщеплении молекул углеводородов. При
новом способе более сложные молекулы некоторых тяжелых фракций под действием
давления и высокой температуры расщепляются на более мелкие и простые молекулы.
В этом и состоит сущность крекинг-процесса.
До крекирования из нефти можно было
выделить только определенное количество бензиновых фракций. Остальные, тяжелые
фракции нефти представляют собой группы углеводородов, состоящих из сложных и
больших молекул. Они кипят поэтому при высокой температуре — градусов в 300 — и
бензина выделить не могут, так как температура его кипения много ниже. При
крекинге молекулы этих углеводородов расщепляются на более простые и мелкие,
которые кипят при значительно более низкой температуре (100°). Тут и удается
извлечь из них бензин.
Таким образом, оказалось, что в нефти
заключено куда больше бензина, чем можно получить его при помощи прямой
перегонки.
Сырьем для крекинга может служить сырая
нефть или предварительно полученные нефтяные продукты. На практике предпочитают
сначала получить из нефти прямой перегонкой бензин и другие более тяжелые и
дешевые продукты, как, например, мазут, служащий котельным топливом, и газойль
(топливо для дизелей). Затем, эти более тяжелые продукты подвергают
крекированию и получают из них добавочный бензин.
Посмотрим, что представляет собой
крекинг-установка.
Крекинг-процесс начинается с печи, в
которой крекируемый нефтепродукт нагревается до температуры
разложения. По внешнему виду печь напоминает небольшой дом с двухскатной
крышей. Остовом печи является металлический каркас, промежутки которого
заполнены кирпичом. Внутри печи укладывается множество соединенных между собой
труб, образующих один сплошной змеевик, длина которого, если вытянуть в прямую
линию, нередко превосходит километр. Крекируемый продукт непрерывно
прокачивается насосом через этот змеевик.
Из печи
нефтепродукт, уже нагретый до 500—600°, поступает в массивный стальной цилиндр,
напоминающий большую железнодорожную цистерну. Здесь нефтепродукт подвергается
большим давлениям. Происходит реакция крекинга, отчего и самый цилиндр
называется реакционной камерой. Его 100-миллиметровые стальные стенки выдерживают
давление до 50—60 атмосфер.
В некоторых
системах реакционная камера заменена установленным в печи особым реакционным
змеевиком.
Под влиянием
высокой температуры жидкий нефтепродукт превращается частично в газообразное
состояние. Газы и пары отделяются от жидкого остатка в эвапораторе — испарителе
— высоком вертикальном цилиндре. Жидкий остаток — мазут — собирается на дне и
отводится в холодильник. Смесь паров и газов уходит через верх испарителя и
направляется в ректификационную колонну.
Эта колонна —
самая крупная часть крекинг-установки — достигает высоты дома в шесть-восемь
этажей. Снаружи она покрыта изоляционным материалом. Поперек цилиндра на
известном расстоянии друг от друга установлено множество металлических
перегородок, или, как их называют, тарелок. В тарелках проделаны многочисленные
отверстия, покрытые особыми колпачками с прорезями.
 |
| На стройку крекинг-завода везут ректификационную колонну. Она не уместилась на одной железнодорожной платформе, и ее пришлось погрузить на две большие четырехосные платформы. Длина такой колонны равна высоте шести-восьмиэтажного дома. |
Газы и пары
входят в нижнюю часть колонны и устремляются вверх. Они проделывают довольно сложный
путь, пробираясь через отверстия многочисленных тарелок и прорези колпачков.
Путь усложняется еще тем, что сверху пары все время поливают холодным жидким
крекинг-бензином.
 |
| Тарелка и колпачок ректификационной колонны. Такой колпачок установлен над каждым отверстием в тарелке. |
Этот холодный душ
отделяет более тяжелые фракции, которые сгущаются, превращаются в жидкость и
стекают вниз. Газы и самые легкие части паров, заключающие в себе
крекинг-бензин, уходят через верх колонны. Вместе с ними увлекается
значительная часть того превратившегося в пар крекинг-бензина, которым поливали
крекируемый продукт. Жидкость, собравшаяся в нижней части колонны, обычно
направляется в печь на повторное крекирование.
Пары
крекинг-бензина, ушедшие через верх колонны, проходят еще длительный путь. Они
поступают в конденсатор, где сгущаются в жидкость, затем в холодильник и
наконец в газосепаратор, где, как это видно из самого названия, газы отделяются
от крекинг-бензина.
Каждая
крекинг-установка имеет несколько конденсаторов и холодильников. Устройство
этих аппаратов сравнительно несложно. Охлаждающей жидкостью в них служит иногда
мазут, иногда вода. Некоторые крекинг-установки имеют не одну, а две печи, и
крекируемое сырье нагревается в два приема.
Все
крекинг-аппараты снабжены контрольными приборами для замера температуры,
давления, количества жидкости и т. д. Показания приборов передаются к общей
контрольной доске, которая, как щит на электростанции, в любую минуту
показывает все, что происходит в установке, и дает возможность управлять всеми
процессами крекирования.
*
В Соединенных
штатах в 1905 г. из нефти получали 10% бензина, в 1915 г., после появления
крекинг-установок, — 18%, а в 1925 г. — уже 32%. Крекинг-установки непрерывно
совершенствуются. Сейчас почти половина перерабатываемой в США нефти
превращается в бензин.
 |
| Вот что сделал крекинг, в 1910 г. в США из 1 т нефти получали 100 кг бензина, а в 1937 г. благодаря крекинг-процессу стали получать 470 кг. |
За последние годы
на наших советских заводах в Баку, Грозном, Саратове, Уфе, Москве и в других
городах построены десятки крекинг-установок. Первые установки были привезены из
Соединенных штатов, а остальные изготовлены на советских машиностроительных
заводах. Интересно отметить, что одним из первых изобрел крекинг-процесс
замечательный русский инженер Шухов, которому принадлежит много изобретений в
различных отраслях техники. Это открытие было сделано им в последнем
десятилетии прошлого века, когда бензиновых двигателей еще почти не было.
Поэтому крекинг-процесс не получил тогда промышленного применения, и
замечательное изобретение Шухова было забыто на много лет. Впоследствии,
работая над усовершенствованием крекинг-процесса, американцы использовали работы
Шухова. Имя нашего ученого хорошо известно американским исследователям
крекинга.
Таким образом,
зародившаяся в России идея крекинга переплыла через океан, а затем вновь
вернулась к нам в образе первых крекинг-установок.
Львиная доля
всего добываемого из нефти бензина уходит на автомашины. В настоящее время во
всем мире насчитывается около 40 млн. автомобилей. Три четверти этого
количества приходится на долю Соединенных штатов. 40 млн. машин поглощают в год
75 млн. т моторного топлива. Современная техника позволяет получать моторное
горючее из самого разнообразного сырья: из угля, сланцев, торфа,
сельскохозяйственных культур и др., но производство этого горючего обходится
гораздо дороже. Эти так называемые заменители дают лишь 2—2,5 % всего
потребляемого моторного горючего. Все остальное приходится на долю бензина,
полученного из нефти и нефтяных газов. Можно себе представить, сколько нефти
сэкономил крекинг-процесс.
 |
| Бензин можно получить не только из нефти. Сланцы, уголь, торф, семена хлопка, животные жиры — все эго может служить сырьем для извлечения бензина. |
Американские
экономисты произвели интересный подсчет. Оказывается, что если бы не было крекинга,
то за двадцать последних лет пришлось бы добыть в США в два раза больше нефти.
Крекинг сберег, таким образом, в одной лишь Америке 1700 млн. т нефти.
*
Первоначально
цель крекинга заключалась в том, чтобы получить добавочное количество бензина
из нефти. В настоящее время задача крекинг-процесса этим не ограничивается. С
помощью крекинга стремятся получить бензин наилучшего качества.
Бензин как
моторное топливо оценивается главным образом в зависимости от детонации.
Детонация — крайне нежелательное явление, которое разрушительно действует на
мотор и приводит его к быстрому износу. Причина его заключается в том, что
многие сорта бензина при сгорании в цилиндре мотора подвергаются окислению. При
этом образуются нестойкие кислородные соединения — перекиси, которые
взрываются, опережая момент полного сгорания смеси. Это и вызывает детонацию —
сильные стуки и вибрацию мотора.
Чем больше
совершенствуется автомобильный мотор, тем выше требования, предъявляемые к
качеству автомобильных бензинов. С помощью прямой перегонки можно было получать
хороший бензин только из немногих сортов нефти. Большая же часть вырабатываемых
бензинов вызывала сравнительно высокую детонацию. Чтобы улучшить качество
бензина, к нему добавляли некоторые специальные антидетонаторы — тетраэтиловый
свинец и другие вещества. Крекинг-процесс дал возможность получать хорошие
антидетонирующие бензины, вполне годные по своим качествам для современных
автомобильных моторов.
При всех своих
качествах крекинг-бензины имеют существенный недостаток, который препятствует
их применению в авиации. В крекинг-бензине при его хранении образуются смолы.
Отлагаясь в моторе на клапанах и во всасывающей системе, они могут вызвать
неисправности мотора. Как бы ни были ничтожны эти неисправности, они могут быть
терпимы в автотранспорте, но, конечно, совершенно недопустимы в авиации. Кроме
того, антидетонирующие свойства крекинг-бензинов ограничены известным пределом,
который недостаточен для современных мощных авиамоторов.
Антидетонирующие
свойства моторного топлива измеряются условной величиной, которая носит
название октанового числа. Чем меньше детонирует бензин, тем выше его октановое
число. Крекинг-процесс позволяет получать бензин с октановым числом 70—80. Это
вполне достаточно для автомобильных моторов, но для авиационных нужен бензин
еще лучшего качества, причем эти требования повышаются с каждым годом. Мотор
самолета, на котором Линдберг в 1927 г. пересек океан, работал на бензине с
октановым числом 69, — это ниже, чем у современных автомобильных бензинов. В
наше время вся авиация работает на бензинах с октановыми числами выше 87.
Советский авиамотор АМ-34, который был установлен на самолетах Чкалова и
Громова во время их трансарктических перелетов, работал на 100-октановом
бензине.
В качестве
авиационного топлива применяются обычно лучшие сорта бензинов, полученные
прямой перегонкой. Для повышения октанового числа к ним примешиваются разные
антидетонаторы. Такой способ, конечно, усложняет производство бензина для авиамоторов.
Некоторые из детонаторов, например бензол, очень дороги, другие, как, например,
тетраэтиловый свинец, ядовиты, и добавлять их можно только в незначительных
количествах. Сложность и дороговизна способов, при помощи которых
вырабатывается авиационный бензин, тормозит развитие авиации. Но на помощь
приходит новый технологический процесс, который начал распространяться в
Америке лишь за последние полтора-два года: бензин стали получать из
крекинг-газов, которые в большом количестве образуются при всяком
крекинг-процессе. Раньше крекинг-газы считались отходом производства, они
выпускались в воздух или сжигались в топках печей и котлов.
Процесс, с
помощью которого из крекинг-газов получают высокооктановый бензин, называется
полимеризацией. Сущность этого способа прямо противоположна крекингу.
Крекинг-процесс основан на расщеплении сложных и больших молекул тяжелых
углеводородов на более мелкие и простые. Полимеризация же превращает мелкие
молекулы газообразных углеводородов в более крупные и сложные. При крекинге тяжелые
углеводороды превращаются в легкие. При полимеризации легкие газообразные
углеводороды превращаются в относительно более тяжелые жидкие, обладающие
высокими топливными качествами,
В США сейчас
работает уже более 30 полимеризационных установок. Их технологический режим
держится в тайне. Известно лишь, что в некоторых случаях крекинг-газы
подвергаются действию высокой температуры и высокого давления, в других —
процесс происходит при высокой температуре и низком давлении. Кроме этих двух
способов термической полимеризации, применяется и каталитическая полимеризация,
когда химическая реакция происходит при низкой температуре и низком давлении, а
в качестве катализатора применяется твердая фосфорная кислота,
С помощью этих
процессов 55— 60% крекинг-газов превращается в превосходный бензин с октановым
числом от 80 до 100. Этот же способ с последующей обработкой водородом
позволяет получить лучший антидетонатор —- чистый изооктан.
 |
| Установка для получения из крекинг-газов изооктана, превосходного антидетонирующего моторного горючего |
Вся военная
авиация США уже переходит на новые, более мощные моторы, работающие только на
100-октановом бензине. К началу будущего года этот переход будет закончен.
100-октановое топливо — это превосходная и самая ценная пища для авиационных
моторов. Достаточно сказать, что, работая на 100-октановом бензине, мотор
расходует на 25% меньше топлива, чем при работе на 87-октановом, хотя и этот
бензин считается исключительно высоким по своим качествам. Мощность мотора,
работающего на 100-октановом топливе, может быть повышена на 20%.
Соответственно возрастают и радиус действия, и маневренная способность
самолета. Отрыв самолета от земли происходит быстрее и при меньшем пробеге.
 |
| Установка для каталитической полимеризации. Из крекинг-газов получают первосортный бензин. |
Полимеризация, это новое достижение техники, позволит получать в широких масштабах лучшее топливо для авиации из дешевого сырья, на которое до недавнего времени смотрели как на второстепенный, побочный отход крекинг-производства.
 |
| СХЕМА КРЕКИНГ-УСТАНОВКИ Мазут по трубе 1 из резервуара (не показанного на схеме) поступает для подогрева в змеевик, расположенный в ректификационной колонне 2, Подогретый мазут после этого попадает в первую трубчатую печь 3 (так называемую печь низкого давления), а отсюда, нагревшись еще больше, в эвапоратор 4. Перед входом в эвапоратор мазут смешивается с прокрекированным уже сырьем, направляющимся тоже в эвапоратор из второй трубчатой печи 5 (эта печь высокого давления, в ней-то и происходит крекинг). В эвапораторе смесь крекинг-продуктов, поступающих из обеих печей, испаряется, образуя в остатке мазут, который со два эвапоратора через холодильник 6 уходит в приемник 13. Пары и газы через верх эвапоратора направляются в ректификационную колонну 2. Здесь они поднимаются и по пути обогревают змеевик-подогреватель со свежим мазутом. Из ректификационной колонны газ и крекинг-бензин через холодильник 9 попадают в газосепаратор 10. На дне колонны 2 собирается отделившаяся от паров и газов прокрекированная уже один раз жидкость (крекинг-газойль). Горячим насосом 7 она направляется опять для крекирования в печь высокого давления 5, а оттуда, в смеси со свежим горячим мазутом из печи 3, — в эвапораторы, ректификационную колонну и т. д. В газосепараторе 10 газы отделяются от крекинг-бензина. Газы через верх сепаратора отводятся в приемник-газгольдер 12. Это те самые крекинг-газы, которые служат сырьем для полимеризации. В нижней части газосепаратора скопляется крекинг-бензин. Незначительное количество его по трубе направляется в верхнюю часть ректификационной колонны 2 для орошения, а главная часть собирается в приемнике 11. Установка работает непрерывно — круглые сутки. По трубе 1 подается все время сырье — свежий мазут, а в приемники 11, 12 и 13 все время поступает крекинг-бензин, крекинг-газы и остаток от крекирования — крекинг-мазут. Рисунок Л. БАТКОВСКОГО |
Комментариев нет:
Отправить комментарий