О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБОТКИ

      Техногенное развитие прогрессирует ускоряющим темпом, новые высоты завоевывает ядерная энергетика, цифровые технологии и робототехника, возникают принципиально новые технологии сельскохозяйственной деятельности, что-то пугающее происходит в генетике. И только одна отрасль, обладающая глобальным оборотом, влияющая непосредственно на ценообразование всех производимых человеком продуктов, замерла на уровне века динозавров, нанося мировой экономике потери на уровне 3-5 % ВВП. Речь идет о нефтеперерабатывающей отрасли, основные заводы нефтепереработки были разработаны и построены более века назад, основаны на научных разработках 18 века – термических и каталитических методах.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания послужило фактором, возникновения самого огромного рынка во всей мировой экономике. Получается, что человек сделал самый гигантский скачок в своем развитии … двести лет назад! И вся отрасль нефтепереработки с «инфракрасной», то есть тепловой технологией за два столетия принципиально не сдвинулась ни на шаг вперед. Выявляется интересный факт: независимо от того, дорожает или дешевеет добываемая нефть, ее производные только дорожают. В России не планируется строительство крупных нефтеперерабатывающих заводов, и это очевидно правильно! Зачем создавать предприятия, которые с момента пуска будут работать на дотации?!

      Но для получения нужных продуктов известен метод воздействия на вещество гораздо более эффективный, чем инфракрасное излучение. Моторное топливо из нефти можно получить воздействием ускоренных электронов. Все химические преобразования в молекулах связаны с электронными процессами, и введение непосредственно электронов и их энергии в вещество с целью получения необходимых продуктов энергетически более целесообразно, чем опосредствованное тепловое воздействие. Методы электронного стимулирования крекинга нефти получили значительное развитие рядом институтов, защищены докторские диссертации, тема не сходит с программ научных конференций и заявлений правительственных чиновников.

О методе Бета-конверсии углеводородов.

Рис. 1. Хроматограммы


К наиболее перспективной технологии переработки нефти можно отнести метод Бета-конверсии углеводородов (БКУ). Поток быстрых электронов, с околосветовой скоростью (аналог – кинескоп старых CRT – телевизоров), направляется на нефтяное сырье, подготовленное определенным образом, в соответствии с необходимостью получения того или иного продукта. Это может быть чистый кислород или водород, газообразное или жидкое моторное топливо, конкретный продукт любой сложности для химического производства.

В результате воздействия ускоренными электронами происходит «усреднение»: укрупнение легких молекул и преобразование тяжелых молекул в более легкие. В методе БКУ более существенную роль, чем в традиционных технологиях, играет подготовка исходного сырья, внедрение смеси в поток реактора, в котором роль катализатора играет сверхвысокочастотное электромагнитное поле, и разделение компонентов полученных продуктов без нагрева, методом конденсации при охлаждении вещества. Важно, что роль хладагента выполняет само облучаемое вещество в реакторе, являющимся модифицированной трубой Ранка.

В результате протекания процесса, при нормальной температуре и давлении, решаются проблемы экологической и пожарной безопасности. На рис.1 представлены хроматограммы нефти и полученного продукта, соответствующих высоковязкой нефти и его дистилляционной составляющей или, другими словами, смеси бензина с небольшой добавкой керосина. Дальнейшие исследования показали, что продукт стабилен при относительно длительном хранении. Энергетические затраты на переработку составляют 29 кВт (или около 100 МДж) на одну тонну продукта, что на порядок ниже традиционного подхода предварительной термической перегонки, последующего термокаталитического крекинга остатков и доведения полученных продуктов до стабильного продукта рядом вторичных процессов. Большим преимуществом БКУ является решение изомеризации топливных фракций с повышением их октанового числа и утилизация попутного газа, путем его превращения в полезный продукт.  

Рис. 2. Полноразмерная модель реактора БКУ с обвязкой

Рис. 3. Ускоритель электронов ЭЛВ-8


Суть метода заключается в следующем. Нефть, при температуре 40-80 градусов С (разогревается только для возможности двигаться по трубопроводам и распыляться на форсунках) диспергируется в герметичном реакторе, наполненном углеводородсодержащим газом. В качестве газа могут выступать: метан, этан, пропан, бутан, или их смесь, а также водород. Газ постоянно поступает и двигается в реакторе вихреобразно, поток аналогичен вихревым потокам в трубе Ранка. 

Для преодоления эффекта Франка-Рабиновича, увеличения эффективного сечения взаимодействия между газовой и жидкостной составляющими сырья дисперсность разбрызгиваемой нефти составляет не более 5-10 мкм. Углеводороды, пролетая через реактор, подвергаются воздействию ускоренных электронов (1,0 - 2,5 МэВ в зависимости от габаритов реактора и интегральной плотности сырья), что приводит к образованию возбужденных молекул, радикалов и ионов. Процессы крекинга, дегидрирования, деметилирования, изомеризации, полимеризации, раскрытия колец циклических структур молекул и прочие преобразования происходят как в жидких, так и в газообразных средах по схемам радиолиза.

Химические процессы носят цепной характер. Направление рекомбинации молекул регулируется влиянием СВЧ-поля на спиновое состояние получающихся реагентов и особенностями технических решений устройства реактора. Частоты СВЧ-поля аналогичны  микроволновой печи (2,45 ГГц). Мощность СВЧ соизмерима с той же микроволновкой (1,0 -3,0 кВт). В совокупности, метод позволяет получать из нефти и газа светлые топливные фракции, насыщенные изомерами. Для визуализации, приведем фотографии модели полноразмерного реактора БКУ (длина – 4,5 м, диаметр 0,6 м) со всей обвязкой и ускорителя электронов ЭЛВ-8 (рис. 2, 3).


Рис. 4. Комплекс Бета-конверсии углеводородов


Важным фактором масштабируемости технологий БКУ является наличие серийного производства промышленных ускорителей электронов серии ЭЛВ Институтом ядерной физики СОРАН им. Будкера (г. Новосибирск). Сотни ускорителей годами работают на производстве кабельной продукции, заводах, производящих и модифицирующих полимерную и резино-техническую продукцию, очистке сточных вод и прочих.

Эксплуатация комплекса БКУ (Рис. 4.) на базе только одного такого ускорителя может позволить перерабатывать нефть и получать товарный продукт в количестве от 100 тыс. до 1 млн тонн в год. При этом инвестиционные затраты в разы меньше стоимости комплекса термо-каталитических методов, а операционные затраты меньше на порядок. Соответственно и себестоимость продукции может быть в разы меньше.

       Технология БКУ несет потенциал качественно новой, энергоэффективной, экологичной и эргономичной переработки нефти и газа. Технологии БКУ в промышленности могут обеспечить переработку попутных и природных газов в жидкость, мазутов – в более ценные рыночные продукты, тяжелые и сверхтяжелые нефти - в светлые топливные фракции. Также возможно проводить обессеривание нефти, вывод металлов. Решаемые при этом проблемы полностью лежат в сфере федерально значимых задач отрасли.

Отмечая, что предлагаемая технология полностью отечественная, которая может принести доход России до 10 % ВВП (!), что превышает доход от реализации оружия и с/х продуктов, вместе взятых. Для этого понадобиться внедрить порядка 1000 ускорителей электронов, большинство располагаемых непосредственно на местах добычи углеводородов, а их производство будет стимулом для развития электроники, металлургии и других отраслей промышленности, создаст основу для снижения себестоимости производства моторного топлива более, чем в два раза.

Возникнет множество предприятий органического синтеза на основе технологии БКУ, а также создание с ее помощью совершенно новых нано- и композитных материалов. И, как премию, человечество получит оздоровление мировой экологии безопасными производствами!