Этилен является одновременно продуктом крекинга углеводородов и важнейшим сырьём для нефтехимической промышленности; установки по производству этилена — ведущие звенья нефтехимической отрасли.

Продукция на основе этилена представлена в широком ассортименте и широко применяется в сфере синтетических материалов, органического синтеза и других областях; её объём превышает 75% от общего мирового производства нефтехимической продукции. Она находит широкое применение в таких отраслях, как упаковка, сельское хозяйство, строительство, текстильная промышленность, электроника и бытовая техника, автомобилестроение; в отрасли производственные мощности по выпуску этилена даже считаются важным индикатором уровня развития нефтехимической отрасли той или иной страны.

В технологической схеме получения этилена выделяют три основных процесса: крекинг нафты, получение этилена из лёгких углеводородов и производство олефинов из угля.

Основным способом получения этилена по нaphtha‑крекинговому пути являются паровой крекинг в трубчатых печах, каталитический крекинг и другие технологии; при высоких температурах нaphtha разлагается на более мелкие молекулы, после чего за счёт радикальных реакций образуются газообразные лёгкие олефины.

Основным сырьём для получения этилена из лёгких углеводородов служат этан, пропан, бутан и другие лёгкие углеводороды; при этом дегидрирование этана — главный путь производства этилена из лёгких углеводородов: в ходе этого процесса этан в высокотемпературной крекинг‑печи подвергается дегидрированию с образованием этилена и побочным продуктом — водорода.

Производство этилена из угля в основном осуществляется через получение метанола из угля, после чего метанол подвергается дегидратации с образованием этилена. Существуют два основных типа производства этилена из угля: CTO — это процесс получения олефинов на основе метанола, полученного из угля, и MTO — прямое производство олефинов на основе закупаемого метанола.

Доля сырья в производстве этилена в Китае в 2021 году (%)

Как важное органическое сырьё, этилен преимущественно используется для производства таких химических продуктов, как полиэтилен, этиленгликоль, дихлорэтан, оксид этилена, стирольный мономер и поливинилхлорид.

Этиленовая промышленность Китая постепенно вступила в стадию зрелости; в 2020 году пять основных продуктов — полиэтилен (ПЭ), окись этилена (ЭО), этиленгликоль (ЭГ), сукцинатный мономер (СМ) и поливинилхлорид (ПВХ) — совокупно обеспечили около 97,2% от общего объёма потребления этилена. При этом наибольший объём потребления приходится на ПЭ — 64% от совокупного потребления; далее следуют ЭО и ЭГ — соответственно 10,3% и 9,0%.

Доля основных сфер применения этилена в Китае в 2021 году (%)

Рост численности населения, развитие экономики и стабильный рост потребления нефтехимической продукции — все эти факторы обеспечили устойчивый рост потребления этилена на протяжении последних двадцати лет; при этом новые сферы потребления и области применения, такие как возобновляемые источники энергии и новые химические материалы, также способствуют увеличению объёмов потребления этилена и его производных.

В период с 2010 по 2021 год мировой спрос на этилен ежегодно рос в среднем на 3,3%, что превышало темпы роста мировой экономики за тот же период — 2,4% в год.

Новые мощности по производству этилена и темпы роста спроса в мире в 2016–2025 годах

В будущем темпы роста мирового спроса на нефтепродукты замедлятся, тогда как спрос на химическую продукцию будет стабильно увеличиваться, становясь основным фактором, стимулирующим рост спроса на нефть.

Инвестиции в мировую этиленовую отрасль будут демонстрировать устойчивый рост, а нижестоящие сегменты рынка этилена, особенно высокотехнологичные производные, получат значительные рыночные перспективы. Такие продукты, как мЭП, этилен‑α‑олефиновые сополимеры, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, высокоспиртовые соединения и циклоолефиновые полимеры, окажутся в центре внимания рынка.

В будущем новые проекты в сфере интегрированной переработки нефти и газа, технологии CTO/MTO, а также крекинга этана обеспечат достаточное количество этиленового сырья, что ускорит развитие отрасли по производству продуктов на основе этилена в направлении «дифференциации, повышения уровня и функционализации».

1. Основными сырьевыми материалами являются газовый конденсат и этан.

Традиционное производство этилена в основном осуществляется путём крекинга нафты; в среднем для получения 1 млн тонн этилена требуется 3,3 млн тонн нафтового сырья, при этом в качестве побочных продуктов образуются около 500 тыс. тонн пропилена, 180 тыс. тонн бутадиена, 200 тыс. тонн чистого бензола, а также другие ароматические смеси, изобутилен, бутилены, C5–C9‑фракции и этиленовый гудрон.

В установках пиролиза, использующих в качестве сырья этан, пропан и бутан, объёмы побочных продуктов — пропилена, бутадиена и чистого бензола — невелики. После 2010 года в США благодаря сланцевому газовому буму в ходе разработки было получено значительное количество этана в качестве побочного продукта, который также стал высококачественным сырьём для производства этилена путём пиролиза.

Паровая крекинг‑технология этилена обычно предусматривает разложение сырья в нескольких параллельно работающих крекинговых печах при температуре на выходе, близкой к 850 °C (или 1550 °F); в этих печах протекает множество химических реакций, однако основная часть из них обусловлена термическим разложением углерод‑углеродных связей, тогда как остальные связаны с расщеплением углеводородных связей.

Схема технологического процесса парового крекинга этилена

Основными факторами, влияющими на выход побочных продуктов при крекинге этилена, являются:

1. Сырьё: чем выше содержание углерода и чем больше тяжёлых фракций, тем больше побочных продуктов.

2. Глубина крекинга: показатель степени разложения молекул сырья; определяется температурой, достигнутой в реакторе крекинга.

3. Параметры крекинга: давление, время крекинга, технология, количество подаваемого в сырьё пара и др.

При этом в процессе крекинга этилена выход этилена находится в более прямой зависимости от исходного сырья: с точки зрения максимального получения этилена и пропилена порядок таков: алканы > циклоалканы > моноциклические ароматические углеводороды > полициклические ароматические углеводороды. Чем выше относительная молекулярная масса — от этана до дизельного топлива, — тем ниже выход этилена и пропилена. При использовании этана в качестве сырья суммарный выход двойных олефинов (этилен + пропилен) составляет около 80%, при пропане — примерно 60%, а при использовании газойля — около 45%.

Таблица 1. Распределение продуктов при крекинге различных исходных сырьевых материалов (в массовых долях, %)

Патентные технологии производства этилена путём крекинга, ввиду своей сложности, на протяжении полувека оставались монополией пяти крупнейших патентообладателей — американских компаний Lummus, S&W и KBR, а также немецкой Linde и французской Technip. Типичными технологическими схемами являются: последовательная схема разделения (включая метод последовательного «асимптотического» разделения), схема предварительного отделения пропана и схема предварительного отделения этана; при этом каждая из них обладает собственной крекинговой технологией. Китайская этиленовая промышленность по сравнению с Европой и США стартовала значительно позже, и основные технологические подходы были получены путём освоения и адаптации зарубежных патентных решений.

Таблица 2. Основные патентные технологии производства этилена путём крекинга

Французская компания Technip: является мировым лидером в отрасли этилена, занимая 40–50% рынка лицензий. Обладает уникальным опытом проектирования, строительства и модернизации крупнейших этиленовых заводов с использованием собственных технологий. В 2012 году Technip приобрела компанию Stone & Webster; опыт последней в области этиленовых технологий превышает 70 лет, а у самой Technip — свыше 40 лет, что в совокупности обеспечивает передачу технологий для 150 первичных этиленовых установок. В феврале 2021 года была завершена реорганизация компании TechnipFMC: подразделение Technip Energies сосредоточится на рынках СПГ, водорода и этилена, одновременно продолжая развивать направления устойчивой химии и управления углеродными выбросами.

CB&I: Благодаря стратегическому партнёрству с Lummus Technology на протяжении более 80 лет компания предоставляет специализированные услуги в области инженерии, закупок, производства и строительства для химической и нефтехимической отраслей; по всему миру она внедрила инновационные технологии на свыше 120 этиленовых установках, что соответствует примерно 40% мировой производственной мощности; также успешно реализовано более 200 проектов — от первичного инвестирования до модернизации и расширения. В мае 2018 года компания McDermott объединилась с CB&I; после слияния обыкновенные акции CB&I больше не будут котироваться на Нью-Йоркской фондовой бирже.

Группа KBR: основана в 1901 году и в настоящее время является мировым лидером в области инженерного проектирования. Компания разработала технологию пиролиза в мгновенных печах; на сегодняшний день её различные технологии внедрены более чем в 20 новых этиленовых установках, совокупная мощность которых составляет 13 млн тонн в год.

Linde — ведущая мировая компания в сфере газовой и инженерной отрасли. В 1931 году она на основе собственной технологии низкотемпературной сепарации построила первый в мире завод по получению этилена из коксового газа методом низкотемпературной дистилляции; с 1960 года приступила к исследованию и разработке технологии парового крекинга в трубчатых печах. Данная технология внедрена более чем на 40 крупных установках по производству этилена, совокупная мощность которых превышает 18 млн тонн в год.

Различные технологии несколько отличаются по своим возможностям в части конфигурации, способности перерабатывать конкретное сырьё и другим факторам, которые могут делать ту или иную технологию более привлекательной для конкретной площадки или планировки завода. «Устойчивость» — то есть способность запускаться и поддерживать работу с минимальными проблемами — выступает важным критерием при выборе олефиновой технологии.

Все технологии можно адаптировать таким образом, чтобы в любых заданных условиях обеспечивать наилучшие результаты. Поэтому при строительстве олефиновых заводов производители обычно выбирают технологию или процесс на основе двух факторов: возможности их индивидуальной настройки под конкретные эксплуатационные условия и способности реализовать проект с наиболее конкурентоспособной капитальной стоимостью. Вследствие этого в олефиновых заводах, где выбор технологии определяется преимущественно относительно других факторов — таких как стоимость сырья, стоимость побочных продуктов и масштаб производства, — возможности дифференциации производственных затрат крайне ограничены.

II. Уголь и метанол — основные сырьевые ресурсы

В условиях, когда энергетический баланс Китая характеризуется изобилием угля, дефицитом нефти и ограниченными запасами природного газа, страна разработала уникальный CTO/MTO‑путь получения этилена, который сегодня стал одним из шести основных направлений современной углехимической промышленности. Этот процесс предусматривает использование угля в качестве сырья: после газификации, конверсии, очистки и синтеза сначала получают метанол, затем из него — олефины (этилен и пропилен), а далее — такие продукты downstream‑технологий, как полиолефины (полиэтилен и полипропилен). При этом технологии производства метанола из угля и полимеризации олефинов в полиолефины являются традиционными, хорошо отработанными, тогда как метод метанола‑в‑олефины — новая технология, успешно внедрённая в последние годы и являющаяся ключевым этапом в производстве олефинов из угля. В 2021 году на долю китайского производства олефинов из угля и метанола приходилось 20%.

Схема технологического процесса MTO

Технологии получения олефинов из метанола включают, прежде всего: процесс UOP/HydroMTO, совместно разработанный компаниями UOP (США) и Hydro (Норвегия); процесс MTP немецкой компании Lurgi; процесс DMTO Института химической физики Дальнего Востока Китайской академии наук; процесс SMTO Шанхайского научно‑исследовательского института нефтехимической промышленности Синьхуа; процесс SHMTO группы Shenhua; а также процесс циркулирующего псевдоожиженного слоя для получения пропилена из метанола (FMTP), разработанный Пекинским университетом Цинхуа. Судя по практическому применению перечисленных типовых технологий, в настоящее время в китайских проектах по производству олефинов из угля используются весьма разнообразные технологии — как отечественные, так и зарубежные. Однако в целом наиболее широко внедрена и распространена технология DMTO, разработанная Институтом химической физики Дальнего Востока; согласно неполным данным, на сегодняшний день по этой технологии лицензировано 25 промышленных установок общей мощностью по производству олефинов 14,58 млн тонн в год, из них введено в эксплуатацию 14 установок с мощностью 7,76 млн тонн в год, что соответствует доле рынка 67,9%.

Таблица 3. Основные технологии производства олефинов из угля

Технология установок является ключевым фактором прогресса в производстве этилена.

Этиленовый крекинг‑печь является ключевым оборудованием установки по производству этилена; её основная функция — перерабатывать различные виды сырья, такие как газ нефтепереработки, сырую нефть и нафту, в крекинг‑газ и поставлять его на другие установки по производству этилена, где он далее преобразуется в этилен, пропилен и разнообразные побочные продукты. Производственная мощность и уровень технологий этиленовой крекинг‑печи непосредственно определяют масштаб производства, объём выпуска и качество конечной продукции всей установки по производству этилена; поэтому эта печь играет ведущую роль как в самой установке по производству этилена, так и в целом комплексе нефтехимического производства.

Комплекс по производству этилена изготавливается путём параллельного соединения нескольких пиролизных печей; в настоящее время на мировом уровне мощность одной пиролизной печи обычно составляет: при использовании жидких сырьевых материалов (например, нефтяного бензина) — 200 тыс. тонн этилена в год на одну печь; при пиролизе газообразных сырьевых материалов (например, этана) — 220 тыс. тонн этилена в год на одну печь. В последние годы компания Linde спроектировала пиролизные печи с производительностью свыше 250 тыс. тонн этилена в год, чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на этилен.

Катализатор является незаменимым компонентом при производстве полиолефинов.

Катализаторы полимеризации являются обязательным компонентом процесса получения полиолефинов. Катализаторы — это сердцевина производства полиолефинов и ключ к масштабной, высокопроизводительной и недорогой переработке олефинов. В нефтехимической отрасли существует множество видов катализаторов; в зависимости от их эксплуатационных характеристик их можно разделить на катализаторы полимеризации, окислительные катализаторы, гидрирующие катализаторы, дегидрирующие катализаторы и др. В процессе полимеризации олефинов катализаторы играют незаменимую роль: без их применения невозможно организовать промышленное производство. Таким образом, катализаторы составляют основу технологии полимеризации олефинов, а совершенствование свойств полиолефиновых смол тесно связано с разработкой новых катализаторов для полиолефинов.

Катализаторы Циглера–Натта являются наиболее широко используемыми катализаторами для получения полиолефинов и уже достигли своего четвёртого поколения. В 1950‑е годы немецкий химик Карл Циглер и итальянский химик Джулио Натта разработали катализатор, применяемый для полимеризации олефинов; он представлял собой смесь тетрахлорида титана и алкиловых производных алюминия и позволял получать полиэтилен с высокой молекулярной массой, высокой температурой плавления и линейной структурой — так называемый катализатор Циглера–Натта (катализатор Z‑N). Этот прорыв открыл новую область ориентированной полимеризации, сделав возможным синтез полиолефинов с высокой степенью регулярности. С тех пор производство многих пластиков перестало требовать высоких давлений, что снизило издержки производства и позволило производителям контролировать структуру и свойства конечного продукта.

Таблица 4. Международные компании‑производители каталитических систем для олефинов