Уже в рамках ленд-лиза в ноябре 1941 года СССР и США заключили договор на поставку в СССР 180 тысяч тонн высокооктанового бензина - по 20 тысяч тонн каждый месяц - это в дополнение к тем, что были куплены за золото в первые месяцы войны. К середине лета 1942го года заключили новый договор на такую же поставку, но с начала 1943го поставки прекратились (АИ). Причем по факту было поставлено - в 1941 - 100 тысяч тонн, в 1942 - 44 тысячи тонн (РИ). И еще компоненты авиабензинов - изооктан, алкилбензин, изопентан и прочее, необходимое для повышения октанового числа советских бензинов - в 1941 - 7 тысяч тонн, в 1942 - 28 тысяч тонн. Причем эти компоненты "сыпались" в наш бензин в количествах 20-40 процентов, то есть из тех 28 тысяч тонн, поставленных в 1942, СССР мог дополнительно получить порядка 70 тысяч тонн высокооктанового бензина.
(в РИ поставки продолжались до конца войны - бензина поставлено - в 1943 - 139 тысяч тонн, в 1944 - 486, в 1945 - 411, а компонентов для производства бензина - 179, 319 и 208 тысяч тонн соответственно (в 1943 с их помощью изготовлено 190 тысяч тонн высокооктанового бензина). То есть действительно существенные поставки пошли с 1944го года. Впрочем, например, по автомобилям была такая же картина - в 1943 иностранный автопарк (трофейные + ленд-лиз) составлял всего 5,4%, в 1944 - 19%, в 1945 - 42% (из них трофейных - 9,1%, поставленных по ленд-лизу - 32,8%).
Всего по ленд-лизу и за золото было получено 2,5 миллиона тонн высокооктанового бензина и светлых фракций, использовавшихся для производства такого бензина, к концу войны СССР возвратил более 1 миллиона тонн этих продуктов, остальное в основном оплатил золотом. Для сравнения - за годы войны РККА израсходовала 4,4 миллиона тонн авиабензина, из них почти 3 миллиона - высокооктанового. То есть поставки союзников покрыли как минимум 30% потребностей в высокооктановом бензине (непосредственно бензином или использованием их светлых фракций для собственного производства; использование антидетонационных присадок требует дополнительного исследования - с ними процент высокооктанового бензина должен быть повыше). По автомобильному топливу зависимость была гораздо ниже - произведено в СССР 11 миллионов тонн, поставлено от союзников 250 тысяч тонн
).
А "октан" был нужен - чем выше, тем лучше. Что двигатели АМ-38 для Ил-2 и МиГ-3, что АШ-82Ф и затем -Н для Ла-5, что М-105 для яков и пешек - все требовали бензина с октановым числом не ниже 95 - для этого применяли бензин Б-78 (начальное октановое число - 78) с добавлением четырех кубиков антидетонационной присадки - этиловой жидкости Р-9 - потому марка бензина полностью называлась 4Б-78. Как отзывались про эту присадку механики: "Ох, и намучались мы тогда с этой Р-9, содержавшей тетраэтилсвинец! Мало того, что из-за неё прогорали клапана и образовывался нагар, а свечей хватало часов на 15, так это была сущая отрава. Работали с Р-9 только в противогазах и резиновых перчатках.". И это несмотря на то, что в этиловой жидкости Р-9 помимо тетраэтилсвинца содержалась собственно жидкость Р-9 - этилбромид - при сгорании в цилиндрах она образовывала со свинцом бромид свинца, у которого была ниже температура плавления и свинец легче уходил из двигателя. Впрочем, картина с прогоранием клапанов может говорить о слишком позднем выставлении зажигания - это для низкооктановых его надо выставлять попозже, а бензин с высоким октаном сгорает дольше, соответственно, если выставить позднее зажигание, то часть топлива еще не успеет сгореть и будет догорать на выходе из цилиндра - как раз проходя мимо клапанов и далее. Так что может привыкли к старым самолетам, вот и выставляли позднее зажигание, а может и действительно во всем виновата Р-9.
Как бы то ни было, тетраэтилсвинец и жидкость Р-9 производились в СССР еще до войны. Так, в 1938 году был запущен завод "Ока" - в Дзержинске Горьковской области, к началу войны заработал еще один завод в посёлке Усолье-Сибирское Иркутской области. Но одними добавками сыт не будешь - ими можно "разогнать" октановое число единиц на десять, может на двадцать - тут еще все зависело от приемистости конкретного бензина к этим присадкам, так как многое зависело и от исходного сырья, и от технологии изготовления бензина. Но - если изначальный бензин плох, то уже ничто не поможет. И чтобы улучшить бензин - без крекинга тут было никак.
Причем советское руководство это отлично понимало. Так, из-за недостаточности крекинг-мощностей баланс нефтепродуктов перед войной был смещен в сторону тяжелых фракций - керосина и мазута. В 1940 году на советских НПЗ было переработано 29,4 миллиона тонн нефти, из которой получили 0,9 миллиона тонн авиационного бензина (напомню - из них только 36 тысяч тонн Б-78), 3,4 миллиона тонн автомобильного бензина, 5,6 миллиона тонн керосина, 1,2 миллиона тонн лигроина, 1,4 миллиона тонн дизельного топлива, 0,4 миллиона тонн флотского мазута, 9,8 миллиона тонн топочного мазута, а также 1,5 миллиона тонн различных масел.
И руководство СССР намеревалось справить эту ситуацию. На 1941 год планировалось нарастить мощности по крекингу на 600 тысяч тонн, по изооктановым установкам - на 87 тысяч тонн, по алкибензиновым установкам - на 65 тысяч тонн. Было запланировано завершение строительства третьей и четвёртой очередей Уфимского НПЗ, второй и третьей - Московского НПЗ, второй - Херсонского НПЗ, а также сооружение нефтеперерабатывающих заводов в Сызрани, Комсомольске-на-Амуре, Воронеже, Молотове, Армавире, Красноводске и Бугуруслане. Намечалось и создание новых установок термического риформинга и сернокислого алкилирования в Баку и Грозном - такие установки давали 100-октановый бензин. А чтобы все это обеспечить оборудованием, в план капитального строительства на 1941 год было включено возведение завода по производству крекинг-оборудования в Сталинграде.
Также проводились исследования различных процессов крекинга, которые кое-где уже были в стадии опытной эксплуатации, а на ряде НПЗ так и вообще - в процессе переоборудования под новые процессы. В Ленинграде приступили к монтажу опытной установки для отработки технологии каталитического крекинга, по которому можно было получить бензин с октановым числом 80, а добавив 2 кубика присадки - и все 100. В Ярославской области на Константиновском заводе им. Д. И. Менделеева к началу 1941 года была построена опытная установка парофазного окислительного крекинг-процесса - октановое число получалось повыше - 81-82, но вот присадки действовали менее эффективно - три кубика поднимали октановое число всего до 87. Работы по термическому реформингу - а это бензин с "октаном" 75-78, и это без присадок - велись в Грозном и Баку. Кроме того, в Грозном перед войной началось переоборудование одной из прямогонных установок в установку каталитического крекинга - до 80 "октана". В Уфе, Саратовом и Грозном строились установки каталитической полимеризации для преобразования крекинг-газа в бензин. Страна насыщалась "октаном", и с началом войны эти процессы только ускорились.
Причем этот вопрос попытались решить в том числе и с помощью союзников. В феврале 1943го было принято постановление ГКО "О строительстве импортных нефтеперерабатывающих заводов", согласно которому предполагалось за счет оборудования, переданного по ленд-лизу, построить четыре завода. Но американское правительство всячески затягивало этот процесс и дело заглохло.
(
В РИ оно тоже шло ни шатко ни валко. Первый завод - в Куйбышеве - предполагалось запустить только к 1му декабря 1944 года - то есть почти через два года после принятия постановления. Но и в эти сроки уложиться не удалось. Первое оборудование начало поступать только в сентябре 1943го, но проволочки случались из-за всяческих накладок - то США что-то недопоставят, то наши направят оборудование не туда куда следует. Хотя американские консультанты, работавшие в СССР на строительстве этих заводов, отмечали:
"Завод N1, хотя строительные работы там только что начались, произвел очень хорошее впечатление. Планирование и проведение предварительных работ, таких как строительство дорог, ж.д. веток, рабо-чих поселков и т.д., было очень хорошо выполнено. Стоит специально отметить прекрасное обращение с материалом и оборудованием... Материал и оборудование содержатся в прекрасном порядке и заботятся о нем больше, чем на какой-либо работе, какие мне приходилось до сих пор видеть".
В июле 1944го тот же специалист отмечал:
"Как и прежде, работа на всех заводах, независимо от состояния готовности, тормозится от-сутствием оборудования, не пришедшего прошлой зимой"
На 25 января 1945 г. строительные ра-боты были завершены по отдельным заводам в следующем объеме: по заводу N1 (Гурьев) -- на 56%, заводу N2 (Орск) - на 13%, заводу N3 (Куйбышев) - 56%, заводу N4 (Красноводск) -- на 25%, а на 31 марта 1945 г. процент готовности заводов составлял: завод N1 - 69%, N2 - 16%, N3 - 72%, N4 41%.
Первый бензин из установки каталитического крекинга "Гудри" был получен в Куйбышеве на заводе N443 8 сентября 1945. Остальные заводы дожали в 45-46 годах, но от строительства вторых очередей заводов американцы отказались - начиналась Холодная война.
Так что поставки НПЗ из США не сыграли никакой роли в Великой Отечественной Войне, разве что советские специалисты получили опыт работы с новым оборудованием, ну и СССР все-таки получил современные НПЗ, которые пригодились в послевоенное время.
).
Впрочем, даже несмотря на это, советское руководство вполне оптимистично смотрело в будущее - все-таки работы по развитию крекинга шли в СССР уже более двадцати лет, был накоплен опыт, кадры, оборудование, технологии - рывок был близок.
Сам по себе смысл крекинга, как и других технологий глубокой переработки нефти - расщепить молекулы тяжелого нефтяного продукта на более мелкие и получить более легкий нефтяной продукт. Так как исходные продукты могут быть разными, то применяют и разные виды крекинга - как обычный нагрев сырья, так и риформинг, пиролиз, а если заодно присоединяют водород - гидрогенизация. Например, из лигроина бензин получают риформингом, из керосина - пиролизом, из газойля, мазута - крекингом, из крекинг-остатка - гидрогенизацией. Причем в любом из этих процессов помимо бензина получается еще газ и более тяжелый остаток. Так вот из газа тоже могут получать бензин - абсорбцией или полимеризацией.
Крекинг - разложение тяжелых продуктов под воздействием температуры. Причем разные исходные вещества устойчивы к температуре только до некоторого предела - так называемой критической температуры распада, а затем начинают разлагаться - запускается крекинг, то есть распад. Причем температура, при которой производится крекинг, влияет на конечный состав продуктов и время процесса - если процесс протекает слишком долго, увеличиваются реакции конденсации расщепленных продуктов, повышается количество остатка, увеличивается количество асфальтенов, смол, коксообразование - количество бензина на выходе падает. Так, при нагреве в 538 градусов 40% бензина и газа выходят за 15 секунд, а при 480 - за 180. При нагреве до 426 выход составляет чуть более трех процентов при продолжительности нагрева в пять минут, а сорока процентов достигает за 14 000 секунд (четырнадцать тысяч секунд). Температура влияла не только на скорость, но и на состав продуктов реакции. Так, при 450 градусах получается 4 процента газа, 25 бензина, остальное - мазут, при 500 - 6 и 35, при 550 - 25 и 26, при 600 - 42 и 22, да еще начинает образовываться кокс. При 950 почти все переходит в газ и в 10 процентов кокса.
На ход и результаты крекинга можно влиять не только температурой, но и давлением. Если в камере крекинга повысить давление, то продукт не будет испаряться и процессы будут протекать в жидкой, а не в газообразной фазе. И, так как жидкость лучше передает тепло, тепловой КПД процесса возрастает. Но при этом возрастает дегидрогенизация - водород отщепляется и затем присоединяется к непредельным продуктам - гидрогенизирует их (вскользь отмечу про сложности иностранных терминов, которые я так до конца не поборол, а именно - в слове "гидрогенизировать" внимание надо обращать не на "гидро", а на "гидроген" - то бишь не "вода", а "водород" - а то меня все путала, особенно поначалу, эта приставка "гидро", я подсознательно думал, что там что-то связано с водой, так как эта часть обычно используется чтобы показать какое-то отношение к воде - "гидростанция", "гидрозатвор" и так далее. Но нет - такое название связано именно с водородом, так что по русски "гидрогенизировать" звучало бы как "наводороживать").
Бензин из парофазных установок нестабилен и легко образует смолы, тогда как жидкофазные установки дают стабильный бензин, но требуют давлений обычно в 40-60 атмосфер, а в качестве граничных - и вообще от 12 до 70. Впрочем, жидкофазные установки разрабатывались еще с начала двадцатых, так что на текущий момент многие установки были жидкофазными. Тем более что они были гораздо компактнее парофазных - ведь жидкость гораздо плотнее, поэтому та же масса сырья занимает гораздо меньший объем при том же выходе - можно даже повысить количество готовых продуктов путем сравнительно небольшого увеличения установок. На круг - с учетом размеров аппаратуры, качества продуктов - парофазный бензин получался в полтора раза дороже жидкофазного. Единственное его преимущество - он не требует аппаратуры, выдерживающей высокие давления и, кроме того, дает бензин с более высоким октановым числом. Так, на парофазных установках Джайро из сырой нефти отгоняют 60 процентов бензина с октановым числом 90, из отбензиненной нефти - то есть нефти, подвергнувшейся прямой перегонке - 50 процентов с октановым числом 75-70, из мазута выгоняют 60 процентов с октановым числом 72-76. Причем печи типа Джайро вышли удачными - даже при температуре крекинга в 600 градусов закоксовывания труб не происходит, а выход с таких установок достигает 80 тонн бензина в сутки. Но такой бензин содержит много ненасыщенных углеводородов и быстро осмоляется, поэтому требует очистки, что снижает итоговый выход.
Для получения более высоких октановых чисел переходят на риформинг, пиролиз и полимеризацию газов.
Для риформинга - разновидности крекинга - используют легкие фракции - бензин прямой гонки, лигроин, керосин, редко - мазут. Сам процесс протекает как и жидкофазный крекинг при давлениях 40-70 атмосфер и температурах 450-520 градусов. Сырье нагревается, затем выдерживается при нужной температуре в реакционной камере и поступает на аппаратуру разделения на фракции. Причем существуют разные процессы и, соответственно, разная аппаратура. Так, по процессу Кросса обработка происходит при давлениях 40-60 атмосфер и температуре 450-480 градусов. При этом если сырьем является керосин, получают 80 процентов бензина, из газойля - до 70, из мазута - до 55. Процесс Даббса протекает при гораздо более низких давлениях - 10-17 атмосфер - и более высоких температурах - 480-510 градусов. Из-за более низкого давления необходим больший объем камеры, чтобы получить сравнительный выход продукта - диаметр доходит до трех метров, а высота - до 12, тогда как в процессе Кросса диаметр камеры не превышает метра. А рабочий цикл Даббса может достигать сорока дней. Выход бензина - до 70 процентов. Преимущество - более низкие давления позволяют делать более тонкие стенки камер, а большой объем позволяет не опасаться коксообразования - кокса там поместится много, прежде чем он существенно повлияет на производительность, тогда как у Кросса небольшой объем может быстро забиться коксом - поэтому там и температура ниже.
Процесс Винклер-Коха не требует реакционной камеры - только нагреватель и ректификационная колонна. Но и выход бензина меньше - до 60 процентов из газойля, а из мазута - так и вообще до 35 процентов. Система двухпечного крекинга, разработанная Нефтепроектом, повышает выход на 10-15 процентов за счет раздельного крекирования тяжелого и легкого сырья - предварительное разделение фракций позволяет проводить более жесткий, то есть более глубокий крекинг при более высоких температурах, не опасаясь интенсивного образования кокса. Сами нагревательные камеры представляют собой печи, в которых проходят десятки труб диаметром 76-127 миллиметров длиной от четырех до девяти, а в последнее время и до двенадцати и даже пятнадцати метров и с толщиной стенок 12 и более миллиметров - почти что орудийные стволы - недаром ряд советских предприятий по производству нефтеперерабатывающего оборудования с началом войны переключился на изготовление стволов для артиллерии, как минимум - минометов. И вот, по этим трубам, установленным внутри печи многоколенной змейкой, и текла нефть, попутно подвергаясь крекингу. Длина отдельных труб, а следовательно и всей змейки, определяла производительность установок - так, в последних моделях печей Алко-Луммус длина труб была пятнадцать метров, что обеспечивало пропускную способность до трех тысяч тонн в сутки. Так что если установки двадцатых-начала тридцатых годов были еще сравнительно компактными - размером с комнату, то в последнее время они все больше напоминали немаленькие сараи. Которые к тому же дополнялись рекуператорами для подогрева воздуха за счет топочных газов, что позволяло сэкономить до шестидесяти процентов топлива - а последние установки и так могли израсходовать до тонны мазута в час. Интересен способ очистки труб от кокса. Раз в 20-40 дней крекинговые установки останавливают и очищают от кокса - с перемычек, которыми соединяются образующие змеевики трубы, снимаются заглушки и внутрь трубы загоняют пневматическую шарошку, которая своими вращающимися фрезами срезает накопившийся кокс.
Комбинированные крекинг-установки сочетают в себе установки прямой гонки нефти и установки риформинга - тепло от риформинга используется для прямой гонки, в результате повышается экономичность процессов. В СССР к началу войны уже использовались такие установки типа Луммус, дававшие бензин с октановым числом 70 и способными обработать три тысячи тонн нефти в сутки.
Есть и другие виды крекинга. Так, в присутствии 5-10 процентов хлористого алюминия крекинг происходит уже при 280 градусах, правда, октановое число такого бензина не превышает 60. Это помимо множества технических неудобств данного процесса - периодичности, большого коксообразования, дороговизны хлористого алюминия. Каталитический крекинг по методу Хоудри (Гудри) происходит при 380 градусах и выдает до 60 процентов бензина высокого октанового числа. Правда, на катализаторе - алюмосиликате - активно образуется кокс, что требует периодической продувки горячим - 500-550 градусов - воздухом для его выжигания. А в остальном - низкие температуры, низкое - чуть ли не одна атмосфера - давление - по сравнению с другими методами выглядели просто сказочно.
Пиролиз применяется не только для получения высокооктанового бензина. Так, при температуре пиролиза в 700 градусов выход толуола составляет 3,5 процента, при 750 - менее трех, но там уже бензола получается почти 9 процентов, а толуола - менее трех, при 800 выход нафталина доходит до 2,5 процентов, но выход толуола снижается до менее одного, бензола - до восьми. Лучшим сырьем является лигроин, но он сам по себе ценный продукт. Поэтому для пиролиза используют керосин или газойль, последний, правда, дает очень много кокса. Мазут для пиролиза не применяют, так как он не испаряется без разложения. Заодно получают много газа - водорода, метана, этана, этилена, пропилена, бутилена - также ценного сырья - как раз пропилен и этилен потом используются для производства синтетического бензина путем полимеризации - мы эти газы получали пиролизом торфа, но дальнейшая схема получения бензина была такой же. А амилены после гидрирования - то есть присоединения водорода - давали стооктановый бензин. Единственная проблема с процессом пиролиза - прерывность и небольшие объемы. При выполнении пиролиза в газогенераторах сначала топливом разогревается форсунка, и уже затем внутрь пускаются газы исходного сырья - соприкасаясь с горячей форсункой, они разлагаются - происходит пиролиз. Форсунка при этом остывает, так что через некоторое время надо остановить подачу сырья и снова ее нагревать. Да и по мере остывания меняются условия пиролиза - температура. В итоге на одном квадратном метре сечения газогенератора можно обработать 3-5 килограммов сырья в час - очень мало. С помощью реторт - 5-7 килограммов - ненамного больше. Полимеризация газов в бензин происходит при температуре 500-550 градусов и давлении 50-70 атмосфер - то есть при тех же условиях, что и крекинг. Применение катализаторов - фосфорной кислоты - снижает эти значения до 230-250 градусов и 15 атмосфер. Но октановые числа - 85-95 - не могут не радовать, поэтому по СССР установили сотни таких установок, получая с них тысячи тонн высокооктанового бензина в месяц, благо что с газогенераторами и вообще пиролизом было знакомо много народа - кадры были. А в 1942 запустили первую установку, сделанную по схеме американской фирмы с характерным названием Полимеризейшен процесс корпорэйшен - 150 кубометров бензина в сутки с октановым числом 80-100, и даже до 105 - когда появились первые признаки, что по ленд-лизу топлива не дождаться, руководство СССР настпрополило конструкторов на разработку такой установки по этой схеме, благо что большинство компонентов - компрессоры, холодильники, насосы, трубчатая печь с реакционным змеевиком, редукционные клапаны, смесители, они же - аррестеры, смолоотделители, газосепараторы и прочее - все это использовалось на советских НПЗ и, более того - изготавливалось на советских заводах по производству оборудования для нефтепереработки. Так что за год собрали и отладили первую ласточку - и каждый день стали получать почти двести тонн высокооктанового бензина - по сорок заправок - вылет истребительного или штурмового полка в полном составе и еще останется чтобы подучить новичков. Причем сырьем мог выступать не только крекинг-газ, который образовывался в результате крекинга нефти вместе с другими продуктами - советские ученые работали над применением синтез-газа, получавшегося на многочисленных промышленных газогенераторах, работавших на дровах, угле или торфе. Так что штука обещала быть очень интересной - мы себе уже попросили чертежи и консультации - тоже будем такие строить.