Comparative analysis of catalytic reforming technologies in Kazakhstan

Full Text

Введение

Казахстан располагает значительными запасами нефти – более 30 млрд баррелей, что составляет около 1,8% мировых доказанных запасов и обеспечивает стране 12-е место в глобальном рейтинге [1]. По объёму добычи нефти Казахстан находится на 17-м месте в мировом рейтинге. В 2022 г. страна добыла 84,1 млн т нефти, что составляет около 1,9% от мировой добычи [2, 3].

Нефтяные ресурсы Казахстана сосредоточены преимущественно на крупнейших месторождениях – Тенгиз, Карачаганак и Кашаган. Эти месторождения обладают значительным потенциалом для долгосрочной добычи нефти, что имеет стратегическое значение для экономики страны [4].

Основную нагрузку по обеспечению внутреннего рынка несут три крупнейших нефтеперерабатывающих завода (далее – НПЗ) страны, деятельность которых оказывает прямое влияние на топливную безопасность и экономическую стабильность Казахстана.

Атырауский нефтеперерабатывающий завод (далее – АНПЗ) – один из крупнейших промышленных объектов в Казахстане. Первоначально его мощность составляла 800 тыс. т/г., переработка осуществлялась с использованием бакинского дистиллята и нефти Эмбинских месторождений. В настоящее время после проведённой модернизации мощность завода составляет около 5 млн т/г. нефти. С середины 1999 г. завод начал переработку Тенгизской нефти [5]. По данным за 2024 г., глубина переработки достигла 86,6%, при этом отбор светлых нефтепродуктов составил 68,6% [1].

Павлодарский нефтехимический завод (далее – ПНХЗ) – предприятие, специализирующееся на производстве нефтепродуктов. Завод осуществляет переработку нефти по топливному варианту и ориентирован на переработку западносибирской нефти. Комплекс ЛК-6У¹ предназначен для первичной переработки нефти с мощностью 6 млн т/г. [6].

Шымкентский нефтеперерабатывающий завод также имеет комплекс ЛК-6У мощностью 1 млн т/г. В настоящее время комплекс простаивает из-за незавершённости строительства установки каталитического крекинга. На Шымкентском НПЗ за прошлый год глубина переработки выросла на 2,09% и составила 84,88% [7]. На Шымкентском НПЗ используется установка риформинга в традиционном виде, как на других крупных НПЗ Казахстана. Данный 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

Был проведен сравнительный анализ технологий, применяемых на АНПЗ и ПНХЗ. Сравнение включало такие параметры, как используемые технологии катализируемого риформинга, производственные мощности, выбор катализаторов, а также эффективность работы установок в различных условиях.

Также в рамках исследования был проведён анализ качества сырья и конечных продуктов, получаемых на установке риформинга ПНХЗ. Для этого использовались химико-аналитические методы, такие как газовая хроматография, спектроскопия и другие методы для определения состава сырья, а также продуктов, полученных в ходе риформинга. Был определён групповой и компонентный состав нефти. Образцы нефти были предоставлены ПНХЗ на основе внутренних производственных данных, что обеспечило репрезентативность и соответствие исследуемых образцов реальному сырью, поступающему на переработку.

Метод определения фракционного состава был реализован с использованием газового хроматографа ХроматЭК-5000² (Россия). Процесс определения фракционного состава был выполнен по методикам, указанным в работах [8, 9].

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 (далее – УВ) 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 УВ. 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 УВ, таких как бензол, толуол и ксилол, которые имеют большое значение в нефтехимической промышленности. Эти УВ используются в качестве сырья для производства пластмасс, синтетических волокон, растворителей, медикаментов и других химических веществ [10].

На АНПЗ используется технология риформинга CCR (англ. Continuous Catalyst Regeneration – циклическая регенерация катализатора), которая представляет собой процесс катализируемого риформинга с непрерывной регенерацией катализатора (рис. 1) [11, 12].

 

Рисунок 1. Упрощённая схема риформинга CCR

Figure 1. Simplified Process Flow Diagram of CCR Reforming

 

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 ремонтами 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 УВ (бензол, толуол, ксилолы) из более широкого спектра бензиновых фракций. Это расширяет возможности для загрузки сырья и, как следствие, увеличивает производство высокооктановых компонентов для топлива. Производительность установки составляет 1 млн т/г. сырья. В качестве сырья для установки CCR используется гидроочищенная нафта с установок гидроочистки бензина, блока гидроочистки и – в будущем – комплекса глубокой переработки нефти.

Дополнительным преимуществом является получение водородсодержащего газа (далее – ВСГ) с высокой концентрацией благодаря дополнительной абсорбции в жидкой фазе в ёмкости реконтакта при высоком давлении, что позволяет удовлетворить внутренние потребности установок и поддерживать необходимое давление топливного газа в сети завода.

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

 

Рисунок 2. Упрощённая схема риформинга с неподвижным слоем катализатора

Figure 2. Simplified Process Flow Diagram of Fixed-Bed Catalytic Reforming

 

Подготовленное сырьё и циркулирующий водород нагреваются до температуры 498–524°C и поступают в первый реактор, где, главным образом, происходит дегидрирование нафтенов в ароматические УВ. 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, обогащённые водородом. Жидкость из сепаратора направляется для дебутанизации в ректификационную колонну. Газ, насыщенный водородом, разделяется на циркуляционный и избыточный. Избыточный газ подаётся на установки гидроочистки или гидрокрекинга либо используется в качестве топлива.

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

 

Таблица 1. Особенности технологий каталитического риформинга

Table 1. Features of Catalytic Reforming Technologies

НПЗ Refinery	Особенности процесса / Process Features				Преимущества Advantages	Недостатки Disadvantages
	давление, МПа Pressure, MPa	температура, °С Temperature, °C	ОЧИ RON	каталитическая система Catalyst System
ПНХЗ PPCP	высокое high 1,4–2	высокая high 480–510	85–100	неподвижный слой катализатора fixed-bed catalyst	Снижение механического износа катализатора. Более простая технологическая схема. 1. Reduced mechanical wear of the catalyst. 2. Simpler process configuration.	Для регенерации катализатора требуется остановка установки. Интервал между регенерациями варьируется от 6 мес. до двух лет. 1. Catalyst regeneration requires unit shutdown. 2. Regeneration intervals range from 6 months to 2 years.
АНПЗ AOR	низкое low 0,35	высокая high 515–528	95–108	движущийся слой катализатора moving-bed catalyst	Регенерация катализатора не требует остановки установки. Обеспечивает непрерывное производство водорода с высоким выходом. Обладает высокой активностью катализатора. 1. Catalyst regeneration without unit shutdown. 2. Enables continuous hydrogen production with high yield. 3. High catalyst activity.	Высокие эксплуатационные расходы. 1. High operating costs.

ОЧИ / RON – октановое число по исследовательскому методу / Research Octane Number

PPCP – Pavlodar Petrochemical Plant)

AOR – Atyrau Oil Refinery

 

Результаты и обсуждение

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 рис. 3.

 

Рисунок 3. Групповой состав сырья каталитического риформинга ПНХЗ

Figure 3. Group Composition of Catalytic Reforming Feedstock at PPCP (Pavlodar Petrochemical Plant)

 

Групповой состав сырья за 2023 г. также демонстрирует значительную однородность. Уровень н-парафинов варьируется от 23,82%масс. до 25,51%масс. Изопарафины 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 изопарафинов (34,17–37,87%масс.) 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 тяжёлые 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 рис. 4.

 

Рисунок 4. Групповой состав риформата ПНХЗ

Figure 4. Group Composition of Reformate from PPCP (Pavlodar Petrochemical Plant)

 

Анализ группового состава риформата показал значительное отклонение в пробе №7, что, вероятно, связано с проведением планового капитального ремонта на ПНХЗ в июле 2023 г. Временная нестабильность технологического режима в период пусконаладочных работ после ремонта объясняет зафиксированные изменения в составе риформата. Данную пробу целесообразно исключить из обобщённого анализа, чтобы избежать искажения результатов.

Данные о групповом составе сырья после нефтепереработки изменились следующим образом: содержание н-парафинов колеблется от 10,79%масс. до 12,65%масс. Значение изопарафинов варьируется от 21,71%масс. до 23,93%масс. Содержание олефинов увеличилось и теперь составляет от 0,09%масс. до 1,58%масс. Нафтены изменяются от 1,22%масс. до 2,18%масс. Доля ароматических УВ значительно возросла, колеблясь от 61,9%масс. до 64,2%масс.

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

Рост доли изопарафинов 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 УВ, необходимых для некоторых процессов, таких как полимеризация.

Увеличение доли нафтенов (от 1,22% до 2,18%) может свидетельствовать о более эффективной переработке тяжёлых фракций, что может положительно сказаться на качестве продуктов.

Значительное увеличение доли ароматических УВ (от 61,9% до 64,2%) может свидетельствовать о том, что переработка сосредоточена на получении более высококачественных и ценных продуктов, таких как бензин или химические сырьевые материалы.

Заключение

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

Изопарафины составляли основную долю сырья, что способствовало улучшению качества конечной продукции, таких как бензин с высоким октановым числом. Это также подтверждает важность изопарафинов 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 2,18%) может свидетельствовать о более эффективной переработке тяжёлых фракций. Это улучшает качество продуктов и может позволить более эффективно использовать тяжёлые нефти.

Существенное увеличение доли ароматических УВ (с 12,3% до 14,24% в сырье и с 61,9% до 64,2% в продукте переработки) указывает на смещение фокуса переработки на более тяжёлые 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.

Результаты анализа группового состава сырья и продуктов риформинга подтверждают, что состав сырья остаётся стабильным и соответствует требованиям процесса риформинга, а процессы переработки на ПНХЗ продолжают совершенствоваться. Это позволяет достигать высоких показателей качества продуктов и обеспечивать стабильную работу установок риформинга, что в перспективе способствует дальнейшему развитию нефтехимической отрасли страны.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This research is funded under the project “Zhas Galym” AP19175752 “Scientific and technical support for energy saving and resource efficiency of the technology for the preparation of high-octane gasoline and aromatic hydrocarbons”.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Rizagul Dyussova – data analysis; text writing; Yekaterina Zhakmanova – data collection and processing; Gaini Seitenova – research concept development.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Данное исследование финансируется в рамках проекта «Жас ғалым» АР19175752 «Научно-техническое обеспечение энергосбережения и ресурсоэффективности технологии приготовления высокооктановых бензинов и ароматических углеводородов».

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Дюсова Р.М. – анализ полученных данных; написание текста; Жакманова Е.А. – сбор и обработка данных; Сейтенова Г.Ж. – концепция исследования.

 

¹ Технологическая установка для первичной переработки нефти. https://www.pnhz.kz/production/technical_description/lk_6u/

² Газовый хроматограф с модульной конструкцией. https://www.chromatec.ru/products/gc/

About the authors

Rizagul M. Dyussova

Toraighyrov University

Author for correspondence.
Email: rizagul.dyussova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3083-5255

Cand. Sc. (Engineering)

Kazakhstan, Pavlodar

Yekaterina A. Zhakmanova

Eurasian National University

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

Gaini Zh. Seitenova

Eurasian National University

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

Cand. Sc. (Chemistry)

Kazakhstan, Astana

References

Supplementary files