Термический крекинг представляет собой химический процесс разложения высокомолекулярных углеводородов нефти на более низкомолекулярные компоненты под воздействием высоких температур, часто в диапазоне 450–750 °C. Основной механизм реакции связан с гомолитическим разрывом углерод-углеродных связей, что приводит к образованию свободных радикалов, способных к дальнейшей цепной реакции.
Ключевой особенностью термического крекинга является изменение углеводородного состава исходного сырья: тяжелые фракции, такие как вакуумные остатки и мазут, преобразуются в более легкие углеводороды – бензины, керосины, дизельные фракции и газообразные продукты (С1–С4).
Механизм термического крекинга радикальный и включает несколько стадий:
Важным аспектом является конкуренция реакций образования газов и жидких углеводородов. При высокой температуре и продолжительном времени крекинга преобладают газообразные продукты, при более мягких условиях – жидкие фракции.
Температура – основополагающий фактор, определяющий скорость разложения и состав продуктов. С повышением температуры увеличивается выход газообразных компонентов и легких фракций.
Давление – влияет на распределение продуктов; низкое давление способствует увеличению доли легких фракций и газов, высокое давление повышает стабильность длинноцепочечных углеводородов.
Время контакта – продолжительность термической обработки прямо коррелирует с глубиной крекинга; избыточное время приводит к переразложению бензиновых фракций до газов.
Состав сырья – тяжёлые нафтеновые и ароматические углеводороды разлагаются медленнее, алканы линейного строения подвергаются крекингу быстрее.
Паровой (steam) крекинг – проводится в присутствии водяного пара, что снижает давление и предотвращает образование кокса на стенках реактора. Используется преимущественно для получения этилена и пропилена из нафтеновых и парафиновых углеводородов.
Высокотемпературный (visbreaking) – применяется для частичного разложения вакуумных остатков с целью снижения вязкости и получения более легких дистиллятных фракций.
Циркуляционный крекинг – реакторное оборудование устроено так, что продукты многократно циркулируют через зону высокой температуры, повышая выход бензиновых фракций и контролируя образование кокса.
Бензины – фракции С5–С12 с высоким октановым числом. Образуются из парафиновых и нафтеновых углеводородов за счет разрыва длинноцепочечных молекул.
Керосин и дизельные фракции – преимущественно С10–С20, содержат нафтеновые и ароматические углеводороды. Их выход ограничен условиями крекинга, так как тяжелые остатки продолжают разлагаться.
Газообразные продукты – метан, этан, пропан, бутан, используемые как топливо или сырьё для пиролиза. Их образование увеличивается при высокой температуре и продолжительном времени реакции.
Кокс – твердый остаток, формирующийся при термическом разложении ароматических компонентов. Кокс нежелателен для реакторного оборудования, поэтому применяются методы удаления или предотвращения его образования.
Термический крекинг является базовой технологией нефтепереработки, особенно в переработке тяжёлых нефтяных фракций и в производстве высокооктанового бензина. Основные задачи промышленного процесса включают:
Современные установки термического крекинга обеспечивают точное регулирование режимов и интеграцию с другими процессами переработки, такими как каталитический крекинг и гидроочистка, что позволяет повышать качество продуктов и экономическую эффективность производства.
Проблемами остаются: образование кокса, низкая селективность при переработке тяжелых фракций, высокая энергетическая интенсивность. Направления научных исследований включают:
Термический крекинг сохраняет ключевую роль в нефтехимии, обеспечивая связь между переработкой тяжелых фракций и получением сырья для синтетических материалов и топлива.