COMPARATIVE CHARACTERISTICS OF CATALYTIC REFORMING TECHNOLOGIES IN KAZAKHSTAN

Full Text

Введение

Казахстан обладает значительными запасами нефти, которые составляют около 1,8% мировых доказанных запасов. По данным международных энергетических агентств и организаций, страна обладает более чем 30 миллиардами баррелей доказанных запасов нефти, что позволяет ей занимать 12-е место в мировом рейтинге [1].

Ресурсы Казахстана сосредоточены в основном в двух крупных нефтяных бассейнах: в Тенгизе и Карачаганаке, а также в других районах Западного Казахстана, таких как Кашаган — одно из крупнейших нефтяных месторождений в мире. Эти месторождения обладают огромным потенциалом для долгосрочной добычи нефти, что является важным фактором для экономики страны [2].

По объему добычи нефти Казахстан находится на 17-м месте в мировом рейтинге. В 2022 году страна добыла 84,1 миллиона тонн нефти, что составляет около 1,9% от мировой добычи [3, 4].

Атырауский нефтеперерабатывающий завод. Крупнейший промышленный объект в Казахстане. Первоначальная мощность завода составляла 800 тыс. тонн перерабатываемой нефти в год, переработка осуществлялась с использованием Бакинского дистилята и нефти Эмбинского месторождения. С середины 1999 года завод начал переработку Тенгизской нефти [5]. По данным на 2024 год, глубина переработки достигла  86,6%, при этом отбор светлых нефтепродуктов составил 68,6% [1].

Павлодарский нефтехимический завод. Предприятие, специализирующееся на производстве нефтепродуктов. Завод осуществляет переработку нефти по топливному варианту и ориентирован на переработку западносибирской нефти. Комплекс ЛК-6У, предназначен для первичной переработки нефти с мощностью 6 млн тонн в год. [6].

Шымкентский нефтеперерабатывающий завод. Также имеет комплекс ЛК-6У, мощностью 1,0 млн. тонн в год. В настоящее время комплекс простаивает из-за незавершенности строительства установки каталитического крекинга. На Шымкентском НПЗ за прошлый год глубина переработки выросла на 2,09% и составила 84,88% [7]. На Шымкентском НПЗ не используется установка риформинга в традиционном виде, как на других крупных НПЗ Казахстана. Шымкентский НПЗ был ориентирован на производство дизельного топлива, топлива для авиации и других продуктов нефтехимии, но для повышения качества бензинов и увеличения выхода высокооктановых компонентов в последнее время проводятся работы по модернизации и улучшению технологических процессов.

Для обеспечения качества нефтепродуктов и соответствия мировым экологическим стандартам, технология риформинга становится ключевым элементом нефтепереработки.

Материалы и методы

Основным источником информации стали официальные отчеты и технические документы, предоставленные нефтеперерабатывающими заводами Казахстана, включая Атырауский и Павлодарский НПЗ.

Были проведены сравнительные анализы технологий, применяемых на различных НПЗ Казахстана, таких как Атырауский НПЗ и Павлодарский НПЗ. Сравнение включало такие параметры, как используемые технологии катализируемого риформинга, производственные мощности, выбор катализаторов, а также эффективность работы установок в различных условиях.

Так же в рамках исследования были проведены анализы качества сырья и конечных продуктов, получаемых на установке риформинга  ПНХЗ. Для этого использовались химико-аналитические методы, такие как газовая хроматография, спектроскопия и другие аналитические технологии для определения состава сырья, а также продуктов, полученных в ходе риформинга. Был определен групповой и компонентный состав нефти. Данные образцы нефти были отобраны согласно информации, предоставленной с производства, что позволило исследовать нефть, которая действительно поступает на переработку.

Метод определения фракционного состава был реализован с использованием газового хроматографа ХроматЭК-5000 (Россия). Процесс определения фракционного состава был выполнен по методикам, указанным в работах [8, 9].

После проведения анализа с использованием газового хроматографа результаты хроматограммы анализировались. Проводился компонентный анализ каждого из образцов нефти с целью определения группового состава сырья. Этот анализ имеет ключевое значение для дальнейшего прогноза переработки нефти, поскольку позволяет не только понять, какие углеводороды присутствуют в нефти, но и как они могут быть использованы в данном процессе переработки.

Проведение химического анализа позволило оценить эффективность процессов риформинга и его влияние на выход светлых нефтепродуктов, таких как бензин и ароматические углеводороды. Результаты анализа также помогли выявить влияние сырья на конечные характеристики продуктов, а также определить оптимальные параметры для максимизации выходов качественной продукции.

Литературный обзор

Каталитический риформинг — это процесс, при котором простые углеводородные молекулы (алканы) преобразуются в более сложные и разветвлённые формы с помощью катализаторов. В результате этого процесса тяжёлые компоненты бензина (нафта) превращаются в более лёгкие, что позволяет получить высокооктановый бензин [9].

Риформинг представляет собой ключевой метод получения ароматических углеводородов, таких как бензол, толуол и ксилол, которые имеют большое значение в нефтехимической промышленности. Эти углеводороды используются в качестве сырья для производства пластмасс, синтетических волокон, растворителей, медикаментов и других химических веществ [10].

На Атырауском нефтеперерабатывающем заводе (АНПЗ) используется технология риформинга CCR (Continuous Catalyst Regeneration), которая представляет собой процесс катализируемого риформинга с непрерывной регенерацией катализатора, упрощенная схема представлена на рисунке 1 [11, 12]. 

Особенность данной установки заключается в том, что сырьё риформинга обрабатывается термокаталитическим воздействием при очень низком давлении в четырёх адиабатических реакторах, что позволяет достичь высокой степени ароматизации. Восстановление активности платино-оловянного катализатора марки CR-601 осуществляется через непрерывное выжигание кокса в зоне регенерации и процесс оксихлорирования для равномерного распределения платины на поверхности. Это улучшает экономическую эффективность, поскольку увеличивает интервал между ремонтом и поддерживает стабильное производство указанных нефтепродуктов.

В отличие от традиционных стационарных риформинговых реакторов, эта технологическая схема позволяет получать высокооктановые компоненты бензина (с октановым числом более 100) и ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы) из более широкого спектра бензиновых фракций. Это расширяет возможности для загрузки сырья и, как результат, увеличивает производство высокооктановых компонентов для топлива. Производительность установки составляет 1 млн тонн сырья в год. В качестве сырья для установки CCR используется гидроочищенная нафта с установок гидроочистки бензина, блока гидроочистки и в будущем — комплекса глубокой переработки нефти.

 

Рисунок 1 – Упрощенная схема риформинга CCR

Дополнительным преимуществом является получение водород содержащего газа с высокой концентрацией, благодаря дополнительной абсорбции в жидкой фазе в емкости реконтакта при высоком давлении, что позволяет удовлетворить внутренние потребности установок и поддерживать необходимое давление топливного газа в сети завода.

 На Павлодарском нефтехимическом заводе (ПНХЗ) используется технология риформинга с неподвижным слоем катализатора, упрощённая схема которой представлена на рисунке 2. Этот метод является одним из самых распространённых для переработки углеводородов с целью получения высокооктановых компонентов бензина и других нефтехимических продуктов [13, 14].

Рисунок 2 – Упрощенная схема риформинга с неподвижным слоем катализатора

 

Подготовленное сырьё и циркулирующий водород нагреваются до температуры 498–524 °C и поступают в первый реактор, где главным образом происходит дегидрирование нафтенов в ароматические углеводороды. Этот процесс сопровождается поглощением значительного количества тепла, что приводит к заметному снижению температуры. Чтобы поддерживать необходимую скорость реакций, газовый поток из первого реактора перед подачей во второй подогревают. По мере движения потока в выходной реактор скорость реакций уменьшается, а размеры реакторов увеличиваются, что снижает потребность в дополнительном тепле для подогрева. Обычно для достижения требуемой глубины реакции достаточно трёх-четырёх реакторов и такого же количества печей, которые необходимы для нагрева реакционной смеси до нужной температуры.

Поток из последнего реактора охлаждается для конденсации жидких продуктов. В испарительной камере из жидкой фазы отделяются газы, обогащенные водородом. Жидкость из сепаратора направляется для дебутанизации в ректификационную колонну. Газ, насыщенный водородом, разделяется на циркуляционный и избыточный. Избыточный газ подается на установки гидроочистки или гидрокрекинга либо используется в качестве топлива.

Для лучшего понимания различий в применяемых технологиях риформинга мы представили их преимущества и недостатки в сравнительной таблице 1.

 

Таблица 1 –  Особенности технологий каталитического риформинга

 

НПЗ	Особенности процесса				Преимущества	Недостатки
	Давление, МПа	Температура, °С	ОЧИ	Каталитическая система
ПНХЗ	Высокое 1,4 – 2	Высокая 480 – 510	85 – 100	Неподвижный слой катализатора	1. Снижение механического износа катализатора 2. Более простая технологическая схема	1. Для регенерации катализатора требуется остановка установки. 2. Интервал между регенерациями варьируется от 6 месяцев до двух лет.
АНПЗ	Низкое 0,35	Высокая 515 – 528	95 – 108	Движущийся слой катализатора	1. Регенерация катализатора не требует остановки установки. 2. Обеспечивает непрерывное производство водорода с высоким выходом. 3.  Обладает высокой активностью катализатора.	1. Высокие эксплуатационные расходы

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

 

Для проведения исследования группового состава были взяты пробы сырья и конечного продукта риформинга, при этом учитывались средние значения каждого месяца в течение года. Данные группового состава сырья представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Групповой состав сырья каталитичекого риформинга ПНХЗ

 

Групповой состав сырья за 2023 год также демонстрирует значительную однородность. Уровень н-парафинов варьируется от 23,82 % масс. до 25,51 % масс. Изо-парафины составляют основную долю и колеблются от 34,17 % масс. до 37,87 % масс. Олефины находятся в дефиците, их содержание изменяется от 0 % масс. до 0,55 % масс. Нафтены также имеют однородные значения — от 24,06 % масс. до 26,68 % масс. Ароматические соединения колеблются в пределах от 12,3 % масс. до 14,24 % масс.

Общая однородность группового состава сырья свидетельствует о стабильности его качества, что положительно сказывается на технологических процессах и улучшает управление производственными параметрами.

Значительное содержание изо-парафинов (34,17 % — 37,87 %) указывает на их важность в процессе переработки, что может способствовать повышению качества конечной продукции.

Продолжающийся дефицит олефинов (от 0 % до 0,55 %) остается проблемой, требующей внимания. Возможно, потребуется оптимизация процессов или поиск альтернативных источников олефинов для повышения их доступности.

Нафтены сохраняют однородные значения (от 24,06 % до 26,68 %), что может свидетельствовать о стабильной части сырьевой базы, однако их относительно невысокое содержание может ограничивать некоторые технологические возможности.

Увеличение доли ароматических соединений (от 12,3 % до 14,24 %) может говорить о смещении фокуса на более тяжелые фракции, что потенциально увеличивает сложность переработки, но также может способствовать созданию более ценного продукта.

В целом, результаты анализа показывают, что сырьевой состав остаётся достаточно сбалансированным.

Данные группового состава риформата представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Групповой состав риформата ПНХЗ

 

Данные о групповом составе сырья после нефтепереработки изменились следующим образом: содержание н-парафинов колеблется от 10,79 % масс. до 13,14 % масс. Значение изо-парафинов варьируется от 21,71 % масс. до 32,66 % масс. Содержание олефинов увеличилось и теперь составляет от 0,09 % масс. до 1,58 % масс. Нафтены изменяются от 1,22 % масс. до 6,18 % масс. Доля ароматических углеводородов значительно возросла, колеблясь от 47,1 % масс. до 64,2 % масс.

Уменьшение содержания н-парафинов может свидетельствовать о том, что процесс переработки привел к их частичному превращению в другие более сложные соединения, что может быть желательным для получения специфических продуктов.

Рост доли изо-парафинов указывает на успешную переработку, направленную на улучшение характеристик топлива. Это может повысить октановое число и улучшить качество конечной продукции.

Увеличение олефинов, хотя и остающееся на низком уровне (от 0,09 % до 1,58 %), может означать улучшение условий переработки, что позволяет получать больше ненасыщенных углеводородов, необходимых для некоторых процессов, таких как полимеризация.

Увеличение доли нафтенов (от 1,22 % до 6,18 %) может свидетельствовать о более эффективной переработке тяжелых фракций, что может положительно сказаться на качестве продуктов.

Значительное увеличение доли ароматических углеводородов (от 47,1 % до 64,2 %) может свидетельствовать о том, что переработка сосредоточена на получении более высококачественных и ценимых продуктов, таких как бензин или химические сырьевые материалы.

 

Выводы

Риформинг с неподвижным слоем катализатора является менее сложным с технологической точки зрения и требует меньших затрат на обслуживание и управление. Это делает процесс более экономичным по сравнению с другими методами, такими как риформинг с движущимися слоями катализатора.

В технологии с неподвижным слоем катализатора катализатор не подвергается механическому износу, что способствует увеличению его срока службы. Это снижает частоту его регенерации и расходы на замену катализатора, что является важным экономическим фактором.

В 2023 году групповой состав сырья для переработки демонстрировал значительную однородность, что положительно влияло на стабильность технологических процессов. Содержание н-парафинов, изо-парафинов, нафтенов и ароматических соединений оставалось в пределах относительно узких диапазонов, что способствовало предсказуемости работы установок риформинга и улучшало управление производственными параметрами.

 Изо-парафины составляли основную долю сырья, что способствовало улучшению качества конечной продукции, таких как бензин с высоким октановым числом. Это также подтверждает важность изо-парафинов для повышения эффективности процесса переработки и улучшения характеристик получаемых топлив.

Нафтены демонстрируют стабильность в сырье, но их относительно низкое содержание в сырье и его увеличение в продукте переработки (от 1,22 % до 6,18 %) может свидетельствовать о более эффективной переработке тяжелых фракций. Это улучшает качество продуктов и может позволить более эффективно использовать тяжёлые нефти.

Существенное увеличение доли ароматических углеводородов (с 12,3 % до 14,24 % в сырье и с 47,1 % до 64,2 % в продукте переработки) указывает на смещение фокуса переработки на более тяжелые фракции и может свидетельствовать о желании повысить ценность конечной продукции. Это также может быть связано с улучшением качества бензина или других продуктов химической промышленности, таких как сырьё для химического синтеза.

В целом, результаты анализа группового состава сырья и продуктов риформинга подтверждают, что сырьё остаётся сбалансированным, а процессы переработки на НПЗ Казахстана продолжают совершенствоваться. Это позволяет достигать высоких показателей качества продуктов и обеспечивать стабильную работу установок риформинга, что в перспективе способствует дальнейшему развитию нефтехимической отрасли страны.

About the authors

Ekaterina A. Zhamanova

Eurasian National University

Author for correspondence.
Email: ekaterina.zakmanova1998@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0545-5912
Kazakhstan, Astana

Rizagul M. Dyussova

Toraighyrov University

Email: rizagul.dyussova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3083-5255
Kazakhstan, Pavlodar

Gaini Zh. Seitenova

Association of Producers and Consumers of Petrogaschemical Products (Petrogaschemical Association)

Email: gainiseitenova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6202-3951
Kazakhstan, Astana

References

Supplementary files