Во многих странах мира нефтеперерабатывающая промышленность стоит перед решением проблем, связанных с введением более строгих спецификаций на моторные топлива и с изменением спроса на них. Особенно быстро в разных странах меняются спецификации на бензин и дизельное топливо, вынуждая нефтепереработчиков инвестировать средства в строительство новых или в реконструкцию действующих установок.

С 1.01.05г в странах ЕС действуют нормы по выбросам вредных веществ для автомобильной техники Евро 4, регламентирующие содержание серы в дизельном топливе не более 50 ррm. К 2010 году планируется весь дизельный транспорт перевести на топливо с ультра низким содержанием серы 10 ррm.

Снижение содержания серы в дизельном топливе может быть достигнуто путем гидроочистки, проводимой в более жестких условиях. Указанная цель также может быть достигнута подбором нового, более эффективного для данного типа сырья, катализатора [1].

Большинство реакторов гидропереработки нефтяного сырья, находящихся в настоящее время в эксплуатации, спроектированы и построены в середине 70-х годов. Поскольку выходы продуктов и их качество изменились, многие нефтепереработчики смогли получить преимущества от использования прогресса в разработке катализаторов и избежать крупных капиталовложений в свои установки. Однако для того, чтобы полностью реализовать потенциал реакторной системы экономически эффективно, необходима подробная оценка рабочих характеристик и конструкции существующих реакторных систем в сочетании с тщательным рассмотрением имеющихся в наличии вариантов модернизации реакторов.

По совершенствованию качества дизельных топлив большие усилия прилагают европейские страны. В них принята концепция ужесточения требований к этому виду топлива, особенно по содержанию в нём сернистых соединений. В настоящее время ограниченное число нефтеперерабатывающих заводов в мире может получать дизельное топливо с ультранизким содержанием сернистых соединений. Кроме этого в этих топливах предусматривается уменьшение присутствия ароматических углеводородов, 98%-й точки выкипания фракции и повышении цетанового числа (в настоящее время 52 пункта, а в перспективе до 55-58 пунктов).

C 2000 года в Европе действуют нормы Евро-3, устанавливающие требования по цетановому числу "не менее 51", по сере "не более 0,035 массовых %", плотности "не более 0,845 г/см³ " при нормировании содержания полиароматических соединений "не более 11% объёма".

В рамках программы “Auto Oil II” Европейский Союз (ЕС) постановил, что с 2005 г. содержание серы в ДТ не должно превышать 0,005 %, цетановое число - не менее 54 ед.. К 2011 г. ДТ для ЕС будут иметь следующие показатели: цетановое число - не менее 53 - 58 ед., содержание серы – не более 0,001%, содержание ПАУ – не более 2 %, температура выкипания 95 % - не выше 340 ^о С.[2]

Таблица 1 - Требования национальных и международных стандартов по отдельным показателям автомобильного дизельного топлива

Показатель	ГОСТ 305-82	EN 590-99	Всемирная топливная хартия – 2002
			EN 590-2004	Катего-рия 1 (для ЕВРО-0)	Катего-рия 2 (для ЕВРО-1,2)	Катего-рия 3 (для ЕВРО-3,4)	Катего- рия 4 (только ЕВРО-4)
1	2	3	4	5	6	7	8
Цетановое число, не менее	45,0	51,0	51,0	48,0	53,0	55,0	55,0
Цетановый индекс, не менее	не норми-руется	46	46	45	50	52	52
Содержание серы, мг/кг, не более	2000 (1вид) 5000 (2 вид)	350	50 (1вид) 10 (2вид)	3000	300	30	не должно выяв- ляться (5–10)
Массовая доля полициклических ароматических углеводородов, %, не более	не нор-мируется	11,0	11,0	не нор-мируется	5,0	2,0	2,0
Температура вспышки, о С, не менее	35–40	55	55	55	55	55	55

В Беларуси полностью или частично требованиям ЕН 590 отвечают следующий государственный стандарт СТБ 1658-2006 "Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Топливо дизельное. Технические требования и методы испытаний” (ЕН 590:2004)

Доведение качества отечественных ДТ до требований ЕН 590 возможно только при комплексном внедрении на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) современных дорогостоящих технологий гидроочистки (гидрокрекинг и др.) и использовании противоизносных, цетаноповышающих, депрессорно-диспергирующих, антидымных, антиокислительных, моющих и других присадок.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

???????????? ? ??????????????? ???????, ?????????? ? ???????? ??????, ?? ????????? ? ?????????????? ? ????????????? ???????????????, ????????. ??????? ????????? ??? 350?430 ??, 3,0?6,0 ???, ?????????? ?????????????????? ???? 100?600 ?³ /?³ ????? ? ???????? ???????? 3?10?^-1 ? ??????????? ???????????? (?????? ???????????????????????? ??? ???????????????????????).???????????? (??? ????????????????????) ????? ???????????? ????????? ?????, ?????????? ??? ??? ????????? ????????? ?????, ??? ? ??? ??????????????????? ?????????, ?? ???? ?? ????? ? ????????. ?????????? ?????????? ???????????? ????? ??? ????????????? ????? ??????????????? ??????????, ? ????? ??? ????????? ??????????? ? ?????????????? ?????????? ??????? ?? ????????? ? ??????????????? ??????. ??? ???????????? ?????????? ????????? ?????????? ? ???????? ???????????????? ? ???????? ????????- ? ?????????????? ??????????.???????? ?????????? ?????????? ????????? ? ???????????? ????????????, ????, ??????? ? ?????????? ??? ????????????? ?????????????.

Термодинамика, химизм и механизм гидроочистки

Удаление гетероатомов происходит в результате разрыва связей C–S, C–N и C–O и насыщения образующихся осколков водородом. При этом сера, азот и кислород выделяется соответственно в виде H₂ S, NH₃ и H₂ O. Алкены присоединяют водород по двойной связи. Частично гидрируются полициклические ароматические углеводороды.

Термодинамика процесса

Термодинамически процесс гидроочистки низкотемпературный. Для быстрого протекания реакций на существующих промышленных катализаторах достаточна температура 330-380°С. Поскольку реакции присоединения водорода сопровождаются изменением объёма, давление в реакционной зоне оказывает решающее влияние на глубину процесса. Наиболее часто при гидроочистке применяют давление 2,5-5,0 МПа [1].

Данные о термодинамике некоторых реакций гидрогенолиза сернистых соединений приведены в таблице 1 [2].

Таблица 1 – Тепловой эффект и изменение энергии Гиббса при гидрировании сераорганических соединений

Реакция	Тепловой эффект, кДж/моль		, кДж/моль
	при 300 К	при 800 К	при 300 К	при 800 К
н -C4 H9 SH + H2 н -C4 H10 + H2 S	+58	+67	-61	-63
н -C6 H13 SH + H2 н -C6 H14 + H2 S	+59	+67	-62	-62
н -C12 H25 SH + H2 н -C12 H26 + H2 S	+59	+67	-61	-61
(н -C4 H9 )2 S + H2 н -C4 H9 SH + н -C4 H10	+46	+55	-55	-64
н -C4 H9 S – н -C11 H23 + H2 н -C4 H9 SH + н -C11 H24	+46	+55	-53	-60
н -C4 H9 S – н -C11 H23 + H2 н -C11 H23 SH + н -C4 H10	+49	+55	-54	-60
(н -C3 H7 )2 S2 + H2 2н -C3 H7 SH	+18	+28	-31	-49
(н -C6 H13 )2 S2 + H2 2н -C6 H13 SH	+17	+24	-32	-51
+ H2 н -C4 H10 + H2 S	+113	+122	-97	-63
+ H2 н -C5 H12 + H2 S	+104	+118	-98	-74
CH3 S + H2 CH3 CH2 CH(CH3 )2 +H2 S	+261	+278	-170	-9

Из этих данных видно, что при температурах, представляющих практический интерес, равновесие реакций гидрирования сернистых соединений смещено в сторону углеводородов и сероводорода; для меркаптанов, сульфидов и дисульфидов с повышением температуры убыль энергии Гиббса при гидрировании увеличивается. Для тиофанов с повышением температуры убыль энергии Гиббса снижается, т.е. константы равновесия реакций уменьшаются, но при 800 К они больше 10⁴ и равновесие реакций практически полностью смещено вправо. Особенно сильно снижается с увеличением температуры константа равновесия реакции гидрирования метилтиофена. Для всех сераорганических соединений, кроме тиофенов, термодинамические ограничения гидрирования в интервале 300-800 К отсутствуют. При низком парциальном давлении водорода наряду с гидрогенолизом могут протекать реакции типа:

2RSHH₂ S +RSR

Для подавления реакций такого рода необходимо высокое парциальное давление водорода. Для тиофенов высокая глубина гидрирования может быть

достигнута при не слишком высоких температурах, при повышении температуры глубина гидрирования термодинамически ограничивается. В таблице 2 приведены данные о равновесной глубине гидрогенолиза тиофена (в % мол) до сероводорода и бутана при различных температурах и давлениях [2].

Таблица 2 – Глубина гидрогенолиза тиофена в зависимости от температуры и давления

Температура, К	Давление, МПа
	0,1	1,0	4,0	10,0
500	99,2	99,9	100,0	100,0
600	98,1	99,5	99,8	99,8
700	90,7	97,6	99,0	99,4
800	68,4	92,3	96,6	98,0
900	28,7	79,5	91,8	95,1

Гидрогенолиз тиофена с глубиной 99% и выше при давлениях 10 МПа включительно возможен при температурах не более 700 К. Можно предполагать, что для высокомолекулярных полициклических ароматических углеводородов, содержащих серу в тиофеновых кольцах, конденсированных с ароматическими, термодинамика гидрогенолиза менее благоприятна, чем для тиофена, а возможная глубина реакции при одинаковых давлениях и температурах ниже. Тиофаны при высоких температурах и невысоких давлениях могут дегидрироваться до тиофенов:

+ Н₂

При 800 К эта реакция протекает с уменьшением энергии Гиббса на 44кДж/моль. Таким образом, глубокая очистка нефтепродуктов от серы, содержащейся в виде тиофанов, возможна при высоких парциальных давлениях водорода (3 МПа и выше) и при температурах ниже 700 К [2].

Гидрирование ароматических углеводородов идёт с выделением теплоты и снижением энтропии, константы равновесия гидрирования быстро уменьшаются с ростом температуры (таблица 3) [3].

Таблица 3 – Константы равновесия гидрирования ароматических углеводородов

Реакция	Константа равновесия при температуре, К
	500	600	700
+ 3Н2	1,3×102	2,3×10-2	4,4×10-5
+ 5Н2	2,5×102	1,6×10-4	6,3×10-9
+ 7Н2	0,8	1,3×10-10	4,0×10-14
+ 2Н2	5,6	3,2×10-2	8,0×10-4
+ 4Н2	0,5	2,5×10-5	1,8×10-8
+ 2Н2	0,8	5,0×10-3	1,4×10-4

При повышенных температурах константа равновесия полного гидрирования резко уменьшается с увеличением числа конденсированных колец в молекуле. Увеличение давления в большей степени повышает глубину полного гидрирования, однако при повышенных температурах при температурах 600 – 700 К константы гидрирования настолько малы, что даже при очень высоких давлениях возможная глубина гидрирования мала. Термодинамически значительно более выгодно ступенчатое гидрирование полициклических углеводородов с гидрогенолизом гидрированных колец и деалкилированием.

Суммарный тепловой эффект гидроочистки составляет 20 – 87 кДж на 1 кг сырья для прямогонных фракций. Добавление к прямогонному сырью до 30% фракций вторичного происхождения повышает теплоту реакции до 125–187 кДж/кг в зависимости от содержания непредельных углеводородов в сырье [4].

Химизм процесса гидроочистки

Превращение серосодержащих соединений

В неуглеводороных соединениях связи C–S и S–S менее прочны, чем связи С–С и С–Н, усредненные энергии связи которых равны 201, 218, 247 и 365 кДж/моль соответственно. Но поскольку процесс гидроочистки каталитический, то прочность связи следует оценивать с учетом энергии образования промежуточных комплексов катализатора с осколками, образовавшимися после разрыва связей. Эта энергия значительно компенсирует затрату энергии разрыва связи. Например, на никеле энергия разрыва связи C–S составляет 20 кДж/моль, С–N – 104 кДж/моль, а С–С – 201кДж/моль. Этим объясняется селективность процессов гидроочистки: почти количественная деструкция связей С–S без существенного затрагивания связей С–С, т.е. без заметной деструкции сырья.

Меркаптаны превращаются в углеводород и сероводород:

RSH + H₂ RH + H₂ S

Сульфиды гидрируются через стадию образования меркаптанов:

H2

H2

RH

RSR? R?SH R?H + H₂ S

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--