Химия и технология процессов вторичной переработки нефти

УДК 661.7 
ББК 35.514 
Р86 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор химических наук, профессор института химии растворов РАН М. Б. Березин; 
генеральный директор ООО «Бета-Силикон» Р. А. Лапа 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Румянцева, Т. А. 
Р86  
Химия и технология процессов вторичной переработки нефти : учебное 
пособие / Т. А. Румянцева, Н. Е. Галанин ; под ред. Е. А. Даниловой. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 96 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1910-9 
 
Рассмотрены химические превращения и особенности технологии вторичной переработки нефти, включающей термические, каталитические и гидрогенизационные процессы. Представлены типовые технологические схемы соответствующих процессов, 
условия их проведения и используемое оборудование. Представленные сведения в значительной степени соответствуют действующим в настоящее время практическим технологиям. 
Для студентов, обучающихся по ООП подготовки бакалавров по направлению 
18.03.01 «Химическая технология», профиль подготовки «Технология органического и 
нефтехимического синтеза» по дневной и заочной формам обучения.  
 
УДК 661.7 
ББК 35.514 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1910-9 
© Румянцева Т. А., Галанин Н. Е., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 
...................................................................................... 4 
1.1. Нефть – национальное богатство ............................................................. 4 
1.2. Химический состав и физические свойства нефти 
................................. 6 
1.3. Общая схема переработки нефти ............................................................. 8 
2. ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ 
............................................................. 11 
2.1. Термические процессы ............................................................................ 11 
2.1.1. Механизм реакций термического превращения углеводородов 
...... 11 
2.1.2. Термический крекинг............................................................................ 21 
2.1.3. Пиролиз .................................................................................................. 32 
2.1.4. Коксование 
............................................................................................. 36 
2.1.5. Производство нефтяных битумов ....................................................... 45 
2.2. Каталитические процессы ....................................................................... 49 
2.2.1. Каталитический крекинг ...................................................................... 52 
2.2.2. Каталитический риформинг 
................................................................. 67 
2.3. Гидрогенизационные процессы 
.............................................................. 78 
2.3.1. Гидрокрекинг нефтяного сырья 
........................................................... 78 
2.3.2. Гидроочистка дистиллятов................................................................... 83 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 
......................................................................................... 89 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ 
 
1.1. Нефть – национальное богатство 
 
Горючими ископаемыми являются нефть, природный газ, угли, сланцы, 
торф, которые могут служить источником тепловой энергии. Они залегают на 
различных глубинах земной коры и образуют так называемые месторождения, 
залежи. По многочисленным данным, нефти на Земле значительно меньше, чем углей. Следовательно, условия, благоприятные для образования нефти и газа, возникали в природе гораздо реже, чем для образования углей.  
Нефть во все времена служит источником могущества любой страны, ее 
национальным богатством. Добыча нефти в России позволила стране встать в 
один ряд с крупнейшими производителями этого важнейшего топливного ресурса. «Черного золота» в России добывается более 12 % от мировой добычи. 
Главным конкурентом является Саудовская Аравия. Темп прироста нефтедобычи России в последние годы (рис. 1) достигнут благодаря следующим факторам. Во-первых, разработкой и освоением новых месторождений. Во-вторых, 
активным использованием инновационных технологий, современного оборудования и методов интенсификации нефтедобычи. В-третьих, повышением уровня операционной эффективности участников нефтедобычи вследствие роста 
производительности труда, минимизации простоев оборудования, оптимизации 
процесса закупочной деятельности. Наконец, ростом эксплуатационного фонда 
скважин за счет увеличения объемов эксплуатационного бурения и ввода новых 
скважин. Резкое падение нефтяных котировок, которое было спровоцировано 
резким увеличением добычи сланцевой нефти в Соединенных Штатах Америки 
и рядом других факторов, вынудила крупнейшие нефтяные державы принять 
ответные меры. Так, например, страны-члены ОПЕК (Organization of Petroleum 
Exporting Countries) приняли решение о сокращении ежесуточной добычи углеводородов с целью стабилизации цен на «черное золото». 
4 
 

 
 
Рис. 1. Добыча нефти (включая конденсат) в России в 1980–2020 гг. Источник: Росстат 
 
5 
 

Присоединилась к этим договоренностям и Россия. Такие меры позволили прекратить обвал цен, которые начали постепенно расти, данные договоренности продолжают выполняться. Мировая нефтедобыча сократилась, что позволило выровнять уровень спроса и предложения. Среди стран, которые отказались ограничить объемы своей нефтедобычи, самыми значимыми являются 
США и Иран. Снятие санкций с Ирана позволило начать свободную торговлю 
нефтью на мировых рынках. Поскольку экономическая ситуация в этом ближневосточном государстве достаточно непростая, нефтяные доходы очень нужны Ирану. Однако, в отличие от Соединенных Штатов, которые могут нарастить объемы добываемого сырья в значительных масштабах, текущее состояние 
нефтедобывающей отрасли Ирана, долгое время находившейся в изоляции от 
современных мировых технологий извлечения полезных ископаемых, скольнибудь значимо повлиять на мировые котировки не позволяет. Уровень добычи 
нефти в этой стране за последние годы остается на постоянном уровне.  
В настоящее время в промышленно развитых странах вся добываемая и 
покупаемая нефть идет на переработку. При этом около 90 % всей массы 
нефтепродуктов – топливо и масла, и только 10 % – сырье для нефтехимии. 
Трудно найти такую отрасль народного хозяйства, где не находила бы применение нефть и продукты ее переработки. Большое значение имеет нефть в качестве сырья для химической промышленности. Нефть создала не только новый 
уровень производительных сил общества, но и новую отрасль науки – нефтехимию, возникшую на стыке органической химии, химии нефти и физической 
химии. Нефтехимия стала важной отраслью перерабатывающей промышленности, производящей химические продукты из нефти, попутных и природных газов и их отдельных компонентов. На долю нефтехимии приходится свыше четверти всей химической продукции мира. Нефтехимия – одна из самых важных 
отраслей тяжелой промышленности. 
 
1.2. Химический состав и физические свойства нефти 
 
С химической точки зрения нефть представляет собой систему углеводородов, в которой присутствуют также соединения, содержащие, помимо углерода  
и водорода, азот, серу, кислород и другие элементы. 
Обычная (усредненная) нефть состоит из следующих элементов: 
• углерод ~ 84 %; 
• водород ~ 13 %; 
• сера ~ 1–3 %; 
• азот ~ менее 1 %; 
• кислород ~ менее 1 %; 
6 
 

• металлы ~ менее 1 % (железо, никель, ванадий, медь, хром, кобальт, 
молибден и др.); 
• соли ~ менее 1 % (хлорид кальция, хлорид магния, хлорид натрия и др.). 
Таким образом, нефть является ценным сырьем для химической переработки, и, в связи с ее ограниченными запасами, большое значение приобретает 
исследование путей ее наиболее рациональной переработки. 
В зависимости от того, какова концентрация в этом веществе различных 
видов углеводородных соединений, химические и физические свойства нефти 
могут быть различны. Другими словами, компоненты нефти влияют на её свойства и внешний вид.  
Нефть представляет собой жидкость от светло-коричневого (почти бесцветного) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета, хотя бывают образцы даже 
изумрудно-зелёной нефти. Нефть характеризуется определенным набором физических параметров, которые позволяют контролировать качество нефти, 
классифицировать нефть, оценивать ее стоимость, а также рассчитывать и проектировать нефтепроводы, перерабатывающую и другую технологическую аппаратуру. Стоит отметить, что физические свойства нефти, находящейся глубоко в пласте, значительно отличаются от свойств уже поднятой на поверхность  
и дегазированной нефти. Это объясняется влиянием на залегающую нефть давления, температуры, а также наличием растворенного газа. Важно знать физические характеристики пластовой нефти, которые необходимы при расчете запасов нефти и газа, составлении технологических схем разработки.  
В большинстве случаев физические параметры нефти укладываются в 
определенный интервал значений (табл. 1). 
Таблица 1 
Физические параметры нефти 
 
Показатель 
Значение (нормальные условия) 
Плотность 
0,65–1,05 г/см3 
Вязкость кинематическая 
2–300 мм2/с 
Средняя молекулярная масса 
220–400 г/моль 
Температура вспышки 
– 35... + 121 °С 
Диэлектрическая проницаемость 
2,0–2,5 
Удельная теплоемкость 
1,7–2,1 кДж/(кг·К) 
Удельная теплота сгорания 
43,7–46,2 МДж/кг 
 
Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях 
нерастворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. 
 
7 
 

1.3. Общая схема переработки нефти 
 
Из нефтяных скважин (схема 1) в общем случае извлекается сложная 
смесь, состоящая из нефти, попутного нефтяного газа, воды и механических 
примесей (песка, окалины и т. д.). В таком виде транспортировать продукцию 
нефтяных скважин по магистральным нефтепроводам нельзя. Во-первых, вода – 
это балласт, перекачка которого не приносит прибыли. Во-вторых, при совместном течении нефти, газа и воды имеют место значительно большие потери 
давления на преодоление сил трения, чем при перекачке одной нефти. Кроме 
того, велико сопротивление, создаваемое газовыми шапками, защемленными в 
вершинах профиля и скоплений воды в пониженных точках трассы. В-третьих, 
минерализованная пластовая вода вызывает ускоренную коррозию трубопроводов и резервуаров, а частицы механических примесей – абразивный износ оборудования. 
Целью промысловой подготовки нефти является ее: 
1. Дегазация. 
2. Обезвоживание. 
3. Обессоливание. 
4. Стабилизация. 
Подготовка нефти на нефтепромыслах осуществляется на различных 
установках, окончательное же обессоливание и обезвоживание нефти проводят 
на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ), куда нефть в основном доставляется трубопроводным транспортом, на специальных электрообессоливающих 
установках (ЭЛОУ). На НПЗ в результате подготовки нефти содержание в ней 
воды снижается до 0,1 % масс., а содержание солей – до 3–5 мг/л. 
Промышленная переработка нефти на современных НПЗ осуществляется 
путем сложной многоступенчатой физической и химической переработки на 
отдельных или комбинированных крупнотоннажных технологических процессах (установках, цехах), предназначенных для получения различных компонентов или ассортиментов товарных нефтепродуктов.  
Существует три основных направления переработки нефти: 
• топливное; 
• топливно-масляное;  
• нефтехимическое или комплексное (топливно-нефтехимическое или топливно-масляно-нефтехимическое).  
При топливном направлении нефть в основном перерабатывается на моторные и котельные топлива. По топливно-масляному варианту переработки 
наряду с моторными топливами получают различные сорта смазочных масел. 
8 
 

 
Схема 1. Общая схема переработки нефти  
9 
 

Для производства последних подбирают обычно нефти с высоким потенциальным содержанием масляных фракций с учетом их качества. Нефтехимическая и комплексная переработка нефти предусматривает, наряду с топливами 
и маслами, производство сырья для нефтехимии (ароматические углеводороды, 
парафины, сырье для пиролиза и др.), а в ряде случаев – выпуск товарной продукции нефтехимического синтеза. Выбор конкретного направления, и, соответственно, схем переработки нефтяного сырья и ассортимента выпускаемых 
нефтепродуктов, обусловливается, прежде всего, качеством нефти, ее отдельных топливных и масляных фракций, требованиями к качеству товарных 
нефтепродуктов, а также потребностями в них данного экономического района. 
Переработка нефти начинается с ее первичной перегонки. Нефть – сложная смесь взаимно растворимых углеводородов, имеющих различные температуры кипения. В упрощенном виде: чем длиннее молекула углеводорода, тем 
выше его точка кипения. Сырьем для установок первичной перегонки служат 
нефть и газовый конденсат.  
Перегонка (дистилляция) – это процесс разделения смеси взаимно растворимых жидкостей на фракции, которые отличаются по температурам кипения как между собой, так и с исходной смесью. На современных установках перегонка нефти проводится с применением однократного испарения. При однократном испарении низкокипящие фракции, перейдя в пары, остаются в аппарате и снижают парциальное давление испаряющихся высококипящих фракций, что дает возможность вести перегонку при более низких температурах. 
При однократном испарении и последующей конденсации паров получают две фракции: легкую, в которой содержится больше низкокипящих компонентов, и тяжелую, с меньшим числом низкокипящих компонентов, чем в исходном сырье, т. е. при перегонке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой высококипящими компонентами. При этом достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие 
в заданных температурных интервалах, используя перегонку, нельзя. В связи  
с этим, после однократного испарения нефтяные пары подвергают ректификации. 
На установках первичной перегонки нефти однократное испарение и ректификация, как правило, совмещаются. Для перегонки нефти используют одно- 
и двухступенчатые трубчатые установки. Теплоту, необходимую для проведения процесса, получают в трубчатых печах. Эти процессы осуществляют на атмосферных трубчатых (АТ) установках и вакуумных трубчатых (ВТ) установках. 
Основными продуктами первичной переработки нефти являются: 
• газ (бутан, пропан); 
10 
 

• бензиновые фракции; 
• керосиновый дистиллят; 
• дизельное топливо или газойль; 
• смазочные масла; 
• остаток (мазут). 
Все они находят свое самостоятельное применение и служат сырьем в 
процессах основного органического синтеза.  
 
2. ВТОРИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ 
 
По количеству перерабатываемой нефти Россия входит в число лидирующих стран мира, но при этом глубина ее переработки не превышает 81 %. 
Очевидно, что необходимо повышать глубину переработки нефти за счет в основном более интенсивного развития деструктивных процессов переработки 
тяжелого углеводородного сырья с получением ценных топливных и нефтехимических продуктов. К этим процессам относятся термические, каталитические 
и гидрогенизационные процессы переработки тяжелого углеводородного сырья, в частности, мазута, гудрона и др.  
 
2.1. Термические процессы 
 
Термические процессы углеводородов протекают при повышенных температурах с разрывом связей по свободно-радикальному цепному механизму. 
Кроме газообразных и жидких веществ при термических процессах образуются 
и твердые вещества – углерод (сажа) или кокс. Образование сажи объясняется 
распадом углеводородов до свободного углерода. 
 
2.1.1. Механизм реакций термического превращения  
углеводородов 
 
При высоких температурах углеводороды претерпевают различные превращения – термические распад, изомеризацию и др. реакции. Обычно термические реакции имеют радикально-цепной механизм. 
Цепными реакциями называются реакции, которые состоят из ряда параллельно-последовательных реакций, в которых участвуют как радикалы, так 
и валентно-насыщенные молекулы.  
Можно выделить несколько стадий этого процесса: 
1. Зарождение цепи, при этом образуются свободные радикалы, атомы или 
молекулы, имеющие неспаренный электрон. 
11