Деятельность русского инженера Владимира Григорьевича Шухова. Возникновение и развитие процесса термического крекинга

Владимира Григорьевича Шухова называли «человеком-фабрикой» - настолько разнообразными были его многочисленные изобретения. В 1879 году Владимир Шухов изобрел форсунку. Форсунка, инжектор - механический распылитель жидкости или газа. Используется для распыления топлива (мазута, дизельного топлива, бензина), например в инжекторных системах подачи топлива, осуществляют распыление за счёт высокого давления топлива (несколько атмосфер для бензина и сотни и тысячи атмосфер для дизельного). Новшество запустили в производство на своих заводах братья Нобель, из-за чего за ним закрепилось название «нобелевская форсунка». Мазут в качестве топлива быстро завоевал признание, всего за 10–15 лет на нефтяные «остатки» перешли флот и железные дороги (ранее использовался уголь).

Нефтепромышленники сократили выработку керосина и в погоне за прибылью предпочитали торговать «остатками».

Доходило до того, что к мазуту примешивалась сырая нефть, что делало применение «остатков» в виде топлива опасным.

Инженеру В. Г. Шухову принадлежит также изобретение в 1888 г. дефлегматора, давшего возможность отделять от легких нефтяных паров примешивающиеся к ним более тяжелые пары и получать, таким образом, нефтепродукты определенного качества.

За свою долгую творческую жизнь В.Шухов, сумел оформить15 патентов, но они не отражают истинных масштабов его деятельности. В их числе был патент на осуществление крекинг-процесса в промышленности.

Крекинг представляет собой перегонку нефти под воздействием высокой температуры и высокого давления. При этом нефть разлагается на фракции - бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо и мазут. До 1891 г. в мире не существовало промышленной установки для перегонки нефти.

В.Г. Шухов впервые смоделировал процесс крекинга в жидкой фазе и воплотил эту идею в жизнь. Согласно патенту Российской империи № 12926 от 27 ноября 1891 г. в нашей стране была зарегистрирована первая в мире промышленная установка, осуществлявшая непрерывной термический крекинг нефти.

Еще в середине 1880-х гг. В.Г. Шухов совместно с инженерами И.И. Елиным и Ф.А. Инчиком получил от фирмы А.В. Бари заказ на проект кубовых перегонных батарей для первичной переработки нефти. Создание кубовой батареи подтолкнуло изобретателя к идее усовершенствования промышленного оборудования, связанного с нефтеперегонкой.

В 1887 г. В.Г. Шухов изобрел и зарегистрировал собственный аппарат, в котором осуществлялся непрерывный дробный крекинг сырой нефти. В этом аппарате нефть перегонялась через пары дистиллята. Далее В.Г. Шухов воспользовался эффектом дефлегмации (Это явление заключалось в преимущественной конденсации высококипящих компонентов при одновременном охлаждении смеси паров и газов). В 1890-х гг. Шухов получил патенты на дефлегматы для кубовых батарей и на прибор для перегонки нефти под давлением.

В первую очередь эти установки были предназначены для получения дополнительных запасов керосина, который тогда был основным продуктом, получаемым из сырой нефти. В Баку из 1 т добываемой нефти получали около 330 л керосина, остальные две трети составляли так называемые мазуты, которые практически не использовались и сливались в отходы. Установки В.Г. Шухова позволяли извлекать из мазутов более легкий керосин.

Рис. 2.2. Термическое разложение нефти в лабораторных условиях

Крекинг-процесс, появившийся благодаря созданию приборов перегонки нефти, по сути, опередил свое время. Крекинг- установка промышленных размеров не была построена. В начале 1890-х гг. двигатели внутреннего сгорания, работавшие на бензине, были редкостью, поскольку бензин считался побочным продуктом. Автомобиль Даймлера - Бенца был еще не опробованным новшеством, а до изобретения самолета братьями Райт оставалось целых десять лет... Словом, об идее крекинга и возможности создания промышленной установки по способу В.Г. Шухова надолго забыли. [40]

Между тем автомобили, во множестве появившиеся в начале XX в., требовали огромного количества бензина. В 1912 г. американский инженер У. Бартон зарегистрировал патент на крекинг-процесс. Его идея был аналогична изобретению В.Г. Шухова, запатентованному на 20 лет раньше. Первенство Бартона начали оспаривать другие изобретатели. Принадлежавшая Дж. Рокфеллеру «Стандарт-Ойл-компани» монополизировала право на производство бензина по патенту У. Бартона и запретила другим (более мелким) компаниям использовать крекинг-процесс.

Международный патентный суд в Гааге, состоявшийся в 1923 г., признал В.Г. Шухова и С.П. Гаврилова единственными изобретателями термического крекинг-процесса. Признание первенства В.Г. Шухова в разгоревшейся войне патентов представлялось спасительным выходом для поверженных конкурентов Рокфеллера - американской фирмы «Синклер Ойл».

В 1923 г. комиссия из инженеров-химиков составила делегацию, которая посетила Москву, чтобы познакомиться с В.Г. Шуховым и оценить его изобретение. Американцы убедились в том, что проект У. Бартона представляет собой всего лишь несколько измененный вариант промышленной установки В.Г. Шухова для крекинга нефти. После серии судебных процессов, состоявшихся в США, было подтверждено первенство русского инженера в изобретении крекинг-установки.

«Синклер Ойл» предлагала В.Г. Шухову немалые деньги за предоставление права пользоваться его установкой, но он отказался, заявив, что все права на изобретение принадлежат его родине. Такой оборот дела не устроил американских бизнесменов, поскольку вплоть до 1934 г. правительство США не признавало СССР как государство. Объединившись, компании Синклера и Рокфеллера вступили в так называемый патентный клуб по использованию крекинг-установки В.Г. Шухова. В Америке началось замалчивание его изобретения.

В 1932 г. в Баку был пущен в эксплуатацию завод «Советский крекинг». В.Г. Шухову было к тому времени уже 79 лет. Тем не менее он прибыл на торжественное открытие завода, поскольку не мог оставаться в стороне от реализации своего раннего изобретения. В первый месяц работы «Советского крекинга» Шухов внимательно следил за ходом производства. Сегодня крекинг является одной из стадий глубокой переработки нефти.

Впервые в промышленных условиях был реализован крекинг - процесс по способу американского инженера У. Бартона в 1916 году, а к 1920 году в производстве находилось уже более 800 его установок.

На рис 2.3 представлена схема промышленной установки термического крекинга.

Рис.2.3 Схема установки непрерывного термического крекинга

Наиболее благоприятная температура для крекинга - 425 - 475 ^ОС. Однако если просто нагревать сырую нефть до такой высокой температуры, большая часть ее испарится. Крекинг продуктов в парообразном состоянии был связан с некоторыми трудностями, поэтому целью Бартона было не дать черному золоту испаряться. Но как добиться такого состояния, чтобы при нагревании нефть не закипала? Это возможно, если проводить весь процесс под высоким давлением. Известно, что под большим давлением любая жидкость закипает при более высокой, чем при нормальных условиях, температуре, и эта температура тем выше, чем больше давление.

Установка имела следующее устройство. Работающий под давлением котел находился над топкою, снабженной дымогарной трубой. Котел изготавливался из хорошего прочного железа с толщиной стенок около 2 см и был тщательно проклепан. Поднимающаяся вверх труба вела к водяному холодильнику, откуда газопровод шел к сборному резервуару. После того как товар крекинга проходил через счетный аппарат для жидкостей, находившаяся на днище этого резервуара труба разветвлялась на две боковые трубки. Каждая боковая трубка снабжалась контрольным краном; одна из них вела к трубе, а другая к трубе.

В начале крекинга котел наполняли мазутом. Благодаря теплу печи содержимое котла медленно нагревалось приблизительно до 130 градусов. При этом из мазута испарялись остатки содержащейся в нем воды. Сгущаясь в холодильнике, вода стекала потом в резервуар, из которого через трубу спускалась в канаву. Одновременно из мазута выходил воздух и другие газы. Они также попадали через холодильник в резервуар и по трубе отводились в нефтепровод. [40]

После того как мазут избавлялся от воды, растворенного в нем воздуха и газов, он был готов к крекингу. Топку усиливали, и температура в котле медленно повышалась до 345 градусов. При этом начиналось испарение легких углеводородов, которые даже в холодильнике оставались в газообразном состоянии. Они попадали в резервуар, а затем через трубу (выходной кран которой был закрыт) в газопровод, трубу и обратно в резервуар. Так как эти легкие газообразные фракции не находили выхода, давление внутри установки начинало повышаться. Когда оно достигало 5 атм, легкие углеводороды уже не могли улетучиваться из главного котла. Эти сжатые газы поддерживали одинаковое давление в котле, холодильнике и резервуаре. Между тем под влиянием высокой температуры происходил процесс расщепления тяжелых углеводородов, которые превращались в более легкие, то есть в бензин. При температуре порядка 250 градусов они испарялись, попадали в холодильник и здесь конденсировались. Из холодильника бензин перетекал в резервуар и по трубе, а потом поступал в специальные уплотненные котлы. Здесь при пониженном давлении из бензина испарялись растворенные в нем легкие газообразные углеводороды. Эти газы постепенно удалялись из котлов, а полученный сырой бензин сливался в специальные баки.

По мере испарения легких фракций с повышением температуры содержимое в котле становилось все более упорным по отношению к теплоте. Работа прерывалась, как только более половины его содержимого превращалось в бензин и проходило через холодильник. (Это количество было легко рассчитать благодаря счетчику жидкости.) После этого соединение с газопроводом прерывалось, а кран газопровода, соединенный с компрессором, открывался, и газ медленно улетучивался в компрессор низкого давления (одновременно закрывался нефтепровод, прерывая связь установки с полученным бензином). Топку гасили, и когда содержимое котла остывало, его сливали. Затем котел очищали от коксового налета и приготавливали к следующему запуску.

Метод крекинга, разработанный Бартоном, положил начало новому этапу в нефтеперерабатывающей промышленности. Благодаря ему удалось повысить в несколько раз выход таких ценных нефтепродуктов, как бензин и ароматические углеводороды.

Вскоре было установлено, что исходным сырьем для крекинга могут служить не только тяжелые фракции (солярка или мазут), но и кровь земли. Оказалось также, что крекинг - бензин превосходит по качеству тот, что получен путем обычной перегонки, так как имеет в своем составе такие углеводороды, которые плавно сгорают в цилиндрах двигателя без взрывов (детонации). Двигатель, работающий на таком бензине, не стучит и служит дольше.