Нефть – жидкое топливо.
Что же такое нефть? Теплотехник ответит, что это прекрасное, высококалорийное топливо. Но химик возразит: нет! Нефть – это сложная смесь жидких углеводородов, в которых растворены газообразные и другие вещества. И чтобы перечислить все продукты, получаемые из нефти, нужно потратить несколько листов, так как их уже несколько тысяч.
Еще Д.И. Менделеев заметил, что топить печь нефтью все равно, что топить ее ассигнациями.
Нефть (от перс. neft) - горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке Земли и являющаяся важнейшим полезным ископаемым.
То что нефть в основном состоит из углеводородов можно легко подтвердить на
следующем опыте. Поставим пробирку с нефтью на огонь предварительно прикрепив к
ней трубку с отверстиями для входа и выхода газа. К концу трубки закрепим еще
одну пробирку. Нагрев пробирку с нефтью можно заметить что перегоняется она не
при определенной температуре, как индивидуальные вещества, а в широком
интервале температур. Сначала при умеренном нагревании перегоняются
преимущественно вещества с большей молекулярной массой. Состав нефти
неоднороден. Обычно все они содержат 3 вида углеводородов: парафины(обычно
нормального строения), циклопарафины (нафтены) и ароматические ув.
Нахождение в природе.
Нефть залегает в земле, заполняя пустоты между частицами различных горных пород.Для добывания её бурят скважины.Если нефть богата газами, она под давлением их сама поднимается на поверхность, если же давление газов для этого недостаточно, в нефтяном пласту создают искусственное давление путём нагнетания туда газа, воздуха или воды.
В царской России нефть добывалась почти исключительно на Кавказе (Баку, Грозный). За годы советской власти разведано и введено в эксплуатацию много новых месторождений. Между Волгой и Уралом открыто «Второе Баку» — громадный нефтеносный район, значительно превосходящий по площади бакинское месторождение. Богаты нефтью также месторождения: Эмбенское, Дагестанское, Западноукраинское, Сахалинское, Ухтинское и др. За годы советской власти произошёл грандиозный рост добычи нефти в стране. По запасам нефти наша страна занимает одно из ведущих мест в мире.
Физические свойства
Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она немного легче воды и практически в ней не растворяется. Так как нефть – смесь различных углеводородов, то у нее нет определенной температуры кипения.
Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти черной) и по плотности (от легкой 0,65-0,70 г/см 3, до тяжелой 0,98-1,05 г/см 3).
Начало кипения нефти обычно выше 28 0 С. температура застывания колеблется от +30 0 до –60 0 С и зависит в основном от содержания парафина (чем его больше, тем температура застывания выше). Теплоемкость нефти 1,7-2,1 кДж/кг; теплота сгорания 43,7-46,2 мДж/кг; диэлектрическая проницаемость2-2,5.
Вязкость изменяется в широких пределах и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальтосмолистых веществ). Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.
Классификация нефтепродуктов
Нефть можно классифицировать по разным признакам.
По содержанию серы:
Малосернистые (до 0,5 % S)
Сернистые (0,5-2 % S)
Высокосернистые (св. 2 % S).
По потенциальному содержанию фракций, выкипающих до 350 0 С:
a) Т1 – тип нефти, в которой указанных фракций не меньше 45 %
b) Т2 – 30-44,9 %
c) Т3 – меньше 30 %.
По потенциальному содержанию масел:
М1 – не меньше 25 %
М2 – меньше 25 %.
По качеству масел:
Подгруппа И1 – с индексом вязкости масел больше 85
Подгруппа И2 – с индексом 40-85.
Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации нефти.
Состав нефти
В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Так, например, бакинская нефть богата циклопарафинами и сравнительно бедна предельными углеводородами. Значительно больше предельных углеводородов в грозненской и ферганской нефти. Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.
Представляя собой жидкость, более легкую, чем вода, нефть разных мест, иногда даже и соседних, различна по многим свойствам: цвету, плотности, летучести, температуры кипения... Однако любая нефть это жидкость почти нерастворимая в воде и по элементарному составу содержащая преимущественно углеводороды с подмесью небольшого количества кислородных, сернистых, азотистых и минеральных соединений, что видно не только по элементарному составу, но и по всем свойствам углеводородов. Например в бакинской (апшеронской) нефти Марковников и Оглоблин нашли от 86,6 до 87,0% углерода и от 13,1 до 13,4% водорода…
Историческая справка. Оглоблин Николай Николаевич.Русский историк – археограф. Служил архивариусом при Московском архиве Министерства Юстиции.
Историческая справка. Марковников Владимир Васильевич (1837-1904). Русский химик, ученик Бутлерова. Основные научные труды посвятил развитию теории химического строения, исследованию нефти и нефтенов.
Составными началами нефти, помимо небольшой подмеси кислородных, сернистых и других соединений, являются углеводороды, смесь которых входит в состав различных очищенных продуктов, получаемых из нефти и находящих разнообразное применение. Основным способом для отделения друг от друга, как этих промышленных продуктов (всевозможных смесей), так и самостоятельных в химическом смысле углеводородов, содержащихся в нефти и ее продуктах, является перегонка, основанная на разной упругости пара разных жидкостей при одной и той же температуре.
Нефть содержит смесь углеводородов разных рядов, преимущественно средних между жирными и ароматическими. Первые точные исследования были сделаны в этом отношении около 1860 года Пелузом и Кагуром во Франции, Шорлеммером в Англии и Уарреном в Америке преимущественно над легкими углеводородами (бензином) пенсильванской нефти…
Историческая справка. Карл Шорлеммер (1834-1892). Немецкий химик-органик, глава Лондонского королевского общества.
…Они показали, что в ней содержатся предельные (жирные) углеводороды С n H 2n+2, начиная от газообразных (CH 4 всегда сопровождает нефть), растворенных в нефти и затем все с высшими n, например, в лигроине и бензин от C 5 H 12 до C 8 H 18, в керосине сверх того и высшие от С 9 Н 20. Сверх того уже первые исследователи указали в нефти содержание углеводородов с меньшим количеством водорода из рядов C n H 2n, С n H 2n-2 и т. д. Но при исследовании русской нефти профессором Марковниковым были обнаружены преобладающими углеводороды из ряда нафтенов С n H 2n. В начале 1880-ых годов Менделеев, извлек из разных образцов бензина бакинской нефти пентан С 5 Н 12 и тем самым доказал, что и в нашей бакинской нефти содержатся предельные углеводороды. В природной нефти содержатся и углеводороды рядов С n H 2n-2 и С n H 2n-4, а также и ароматические углеводороды, хотя и в очень малом количестве.
Таким образом, главную массу всех видов нефти образует смесь предельных С n H 2n+2 углеводородов с нафтенами С n H 2n с подмесью С n H 2n-2 до С n H 2n-6, преобладают же особенно в русской нефти нафтены, а предельных углеводородов более в американской. Этому утверждению не противоречат даже самые высококипящие твердые углеводороды (парафин, церезин), получаемые из нефти и продуктов с нею сходственных (горный воск и др.). При этом и все явления, сопровождающие перегонку нефти, полностью объясняются.
Происхождение нефти
Версии и гипотезы о происхождении нефти начали появляться еще с древнейших времен и в самом разном варианте. Мы расскажем наиболее известные из них.
Чаще всего истоки версии биологического происхождения нефти связывают с именем М.Ломоносова, который в середине XVIII века в своем трактате «О слоях земных» писал:
«Выгоняется подземным жаром из приготовляющихся каменных углей бурая и черная масляная материя... и сие есть рождение жидких разного сорта горючих и сухих затверделых материй, каковы суть каменного масла, жидковская смола, нефть. Которые хотя чистотой разнятся. Однако из одного начала происходят».
Однако Ломоносов был далеко не первым на этом пути. Еще в начале того же XVIII века немецкий ученый П.Генкель высказывал мнение, что нефть образуется из остатков животных и растений. А немецкий химик К.Райхенбах в 1834 году осуществил перегонку каменного угля с водой и получил 0,0003% масла, очень похожего на скипидар и на нефть Италии. На основании этого он предположил, что нефть
«…представляет собой скипидар доисторических пиний (итальянских сосен), находилась в углях в готовом виде и выделялась из них под действием теплоты Земли».
В следующем XIX веке среди ученых были распространены в основном идеи, близкие к представлениям Ломоносова. Споры велись главным образом вокруг исходного материала – животные или растения послужили «началом» для образования нефти…
Но тогда же появились и сторонники совсем иного – абиогенного подхода.
Впервые идея о минеральном происхождении нефти была высказана в 1805 году известным ученым и путешественником Александром Гумбольдтом.
В 1866 году французский химик М.Бертло выдвинул предположение, что нефть образуется в недрах Земли при воздействии углекислоты на щелочные металлы. А французский химик Г.Биассон в 1871 году высказал идею о происхождении нефти путем взаимодействия воды, CO2 и H2S с раскаленным железом. Эксперименты по неорганическому синтезу углеводородов, проведенные этими исследователями, в значительной степени способствовали развитию гипотезы минерального происхождения нефти.
В 1877 году ранее придерживавшийся представлений о биологическом происхождении нефти известный русский химик Дмитрий Менделеев (тот самый, которому мы обязаны современной таблицей элементов) в своей работе «Нефтяная промышленность в Северо-Американском штате Пенсильвания и на Кавказе» сформулировал гипотезу, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов. Еще более подробно эти взгляды были развиты им в статье «Нефть», опубликованной двадцать лет спустя в XX томе энциклопедического словаря Брокгауза–Ефрона.
Лабораторные исследования, проведенные Менделеевым и некоторыми другими учеными, показывали, что под воздействием водяных паров на карбиды тяжелых металлов выделяются углеводороды, сходные с углеводородами, содержащимися в нефти. Это привело Менделеева к мысли, что в процессе горообразования вода проникает по трещинам земной коры в глубину недр, где взаимодействует с карбидами тяжелых металлов. В результате такого взаимодействия выделяются газообразные углеводороды.
Поднимаясь в силу своей подвижности и давления пластов земной коры в вышележащие пористые слои осадочных пород, часть смеси конденсировалась, давая скопления нефти, а другая часть пропитывала породы и образовывала горючие сланцы, жирные угли и другие битуминозные породы. Некоторая доля смеси окислялась и давала продукты, подобные асфальтам, и, наконец, основная ее часть так или иначе сгорала, образуя углекислоту и воду.
Наиболее благоприятными моментами в истории Земли для образования нефти ученый считал эпохи «подъемов горных кряжей». В такие эпохи, по его мнению, как раз и создавались удобные пути как для проникновения воды в недра планеты, так и для проникновения паров нефти и газов из недр Земли к ее поверхности.
Менделеев, как он сам пишет, был поражен видимой связью выходов нефти и газа с горными хребтами. В то время не было еще известно, что поверхностные нефтепроявления сопровождают лишь очень небольшую часть залежей нефти. И Менделеев принял эту связь за всеобщую закономерность. Он рассматривал разломы, рассекающие земную кору по окраинам горных хребтов, как пути для перемещения океанических и морских вод в недра земли, а нефтяных паров – в обратном направлении, вверх.
Также абиогенную, но иную – космическую теорию происхождения нефти – выдвинул в 1892 году русский геолог Н.Соколов. Он считал, что углеводороды изначально существовали в первозданном веществе Земли или образовались на ранних высокотемпературных стадиях ее формирования. С охлаждением Земли нефть поглощалась и растворялась в жидкой расплавленной магме. Впоследствии, когда возникла земная кора, из магмы выделялись углеводороды, которые по трещинам в земной коре поднимались в верхние части, сгущались и там образовали скопления. В доказательство своей теории Соколов приводил факты обнаружения углеводородов в метеоритах …
Но и биологическая версия не стояла на месте.
В 1888 году немецкие ученые Гефер и Энглер поставили опыты, показавшие принципиальную возможность получения нефти из продуктов животного происхождения. При перегонке рыбьего жира при температуре 4000оС и давлении около 1 МПа они выделили из него предельные углеводороды, парафин и смазочные масла. Но, видимо, находясь под влиянием ветхозаветного сюжета о Всемирном Потопе, они выдвинули гипотезу образования нефти из жиров морских животных, рыб и низших организмов, погибших в результате массовой катастрофы.
В конце XIX – начале XX века русские ученые Н.Андрусов и Г.Михайловский высказали версию, что органические осадки растительного и животного происхождения, накапливаясь в морских илах, постепенно проходят стадию гнилостного разложения, а затем – под влиянием погребения на дне морских водоемов, увеличения давления вышележащих слоев и повышения температуры – переходят в стадию битуминизации (то есть образования тяжелых углеводородов, характерных для нефти).
Позже, в 1919 году, академик Зелинский из органического ила со дна озера Балхаш, преимущественно растительного происхождения, получил при перегонке сырую смолу, кокс и газы – метан СН4, окись углерода CO, водород Н2 и сероводород Н2S. Затем из смолы он извлек бензин, керосин и тяжелые масла, опытным путем доказав, что составляющие нефти могут быть получены и из органики растительного происхождения.
Как считают сторонники биологического происхождения нефти, «конец разброду и шатанию» положил выход в 1932 году книги И.Губкина «Учение о нефти», в которой развивалась идея смешанного растительно-животного происхождения нефти. Губкин считал, что нефтеобразование происходило и происходит во все геологические периоды жизни Земли от кембрия до четвертичного периода.
Образуется нефть, по его мнению, из остатков растительных и животных микроорганизмов, обитавших в древних мелководных морях (зоо- и фитопланктона, а также бентоса – мелких обитателей морского дна), остатков более высокоорганизованных видов водной растительности и животных, а также различных органических остатков, приносимых в морские водоемы с суши. В настоящее же время считается, что главная роль в нефтеобразовании из этого списка принадлежит все-таки фитопланктону.
«…мелкие застойные бассейны являются типичными районами отложения органического вещества углеводородного состава. В огромных количествах здесь развиваются сине-зеленые водоросли, мелкие членистоногие и другой планктон. Умирая, последние вместе с остатками других растений падают на дно бассейна, образуя мягкий, иногда мощный слой органического ила, который называется «сапропель» (гнилой ил)»
(И.Губкин, «Учение о нефти»).
Сегодня большинство ученых считает, что нефть имеет биогенное происхождение. Иначе говоря, нефть образовалась из продуктов распада мелких организмов животных и растений (планктона), живших миллионы лет назад. Старейшие месторождения нефти были образованы 600 млн. лет назад.
В то время большая часть Земли была покрыта водой. Живые организмы после смерти опускались на дно древних морей и заливов и покрывались илом, песком и слоями последующих отложений. Эти отложения постепенно уплотнялись, обезвоживались и опускались все ниже. При этом давление и температура в этих отложениях увеличивались. Под воздействием анаэробных бактерий (то есть бактерий, способных жить без доступа кислорода), из органического вещества стали образовываться углеводороды, собиравшиеся в маленькие маслянистые капельки. К сожалению, ученые пока не могут точно ответить на вопрос, какие именно процессы в органических отложениях привели к образованию нефти.
Важно понимать, что углеводороды не лежали под землей в виде озер нефти. Они были смешаны с водой и песком, которые постепенно просачивались сквозь пористые слои песчаников и известняков вместе с пузырьками газа. Часто смесь продвигалась сквозь породы под воздействием высокого давления. Нефть и газ просачивались в пустоты между частицами осадочных пород, как вода проходит в губку. Рано или поздно на пути нефти и газа попадался слой породы, сквозь который они не могли просочиться, - непроницаемой породы, не имевшей пор или трещин, - и таким образом, они оказывались в геологической "ловушке".
Пока шел процесс образования нефти, Земля тоже менялась. Происходили движения земной коры, разломы и соединения массивов. Эти процессы формировали различные типы нефтяных геологических "ловушек".
Мы знаем, что состав нефти, найденной в разных точках земного шара, сильно различается. Это объясняют разницей в реакциях, происходивших при образовании нефти или разными видами растений и животных, из организмов которых она формировалась.
Запасы нефти исчисляются сотнями миллиардов тонн, и распространена она повсеместно, на суше и на море. То, что лежало на поверхности, давно использовано, и теперь нефть добывают с глубин 2-4 и более километров. Но еще глубже ее еще больше, просто оттуда добывать ее пока экономически невыгодно, то есть дорого.
Разведка нефти
Цель нефтеразведки – выявление, геолого-экономическая оценка и подготовка к разработке залежей нефти. Нефтеразведка производится с помощью геологических, геофизических, геохимических и буровых работ в рациональном сочетании и последовательности.
На первой стадии поискового этапа в бассейнах с не установленной нефтегазоносностью либо для изучения слабо исследованных тектонических зон или нижних структурных этажей в бассейнах с установленной нефтегазоносностью проводятся региональные работы. Для этого осуществляются аэромагнитная, геологическая и гравиметрическая съемки, геохимические исследования вод и пород, профильное пересечение территории электро- и сейсморазведкой, бурение опорных и параметрических скважин. В результате устанавливаются районы для дальнейших поисковых работ.
На второй стадии производится более детальное изучение нефтегазоносных зон путем детальной гравиразведки, структурно-геологической съемки, электро- и сейсморазведки, структурного бурения.
Производится сравнение снимков масштабов 1:100.000 – 1:25.000. уточняется оценка прогнозов нефтегазоносности, а для структур с доказанной нефтегазоносностью, подсчитываются перспективные запасы.
На третьей стадии производится бурение поисковых скважин с целью открытий месторождений. Первые поисковые скважины бурятся на максимальную глубину. Обычно первым разведуется верхний этаж, а затем более глубокие. В результате дается предварительная оценка запасов.
Разведывательный этап – завершающий в геологоразведочном процессе. Основная цель – подготовка к разработке. В процессе разведки должны быть оконтурены залежи, определены литологический состав, мощность, нефтегазонасыщенность. По завершению разведочных работ подсчитываются запасы и даются рекомендации о вводе месторождения в разработку. Эффективность поиска зависит от коэффициента открытий месторождений – отношением числа продуктивных площадей к общему числу разбуренных поисковым бурением площадей.
Добыча нефти
Почти вся добываемая в мире нефть, извлекается посредством буровых скважин, закрепленных стальными трубами высокого давления. Для подъема нефти и сопутствующих ей газа и воды на поверхность скважина имеет герметичную систему подъемных труб, механизмов и арматуры, рассчитанную на работу с давлениями, соизмеримыми с пластовыми. Добыче нефти при помощи буровых скважин предшествовали примитивные способы: сбор ее на поверхности водоемов, обработка песчаника или известняка, пропитанного нефтью, посредством колодцев.
Сбор нефти с поверхности водоемов – это, очевидно, первый по времени появления способ добычи, который до нашей эры применялся в Мидии, Вавилонии и Сирии. Сбор нефти в России, с поверхности реки Ухты начат Ф.С. Прядуновым в 1745 г. В 1858 на полуострове Челекен нефть собирали в канавах, по которым вода стекала из озера. В канаве делали запруду из досок с проходом воды в нижней части: нефть накапливалась на поверхности.
Недалеко от Модены в Италии такие нефтесодержащие грунты измельчались и подогревались в котлах. Затем нефть выжимали в мешках при помощи пресса. В 1833 –1845 г.г. нефть добывали из песка на берегу Азовского моря. Песок помещали в ямы с покатым дном и поливали водой. Вымытую из песка нефть собирали с поверхности воды пучками травы.
Добыча нефти из колодцев производилась в Киссии, древней области между Ассирией и Мидией в 5 веке до нашей эры при помощи коромысла, к которому привязывалось кожаное ведро.
Добыча нефти посредством скважин начала широко применяться с 60-х г. 19 века. В 1886 г В.Г. Шухов предложил компрессорную добычу нефти, которая была испытана в Баку в 1897г. Более совершенный способ подъема нефти из скважины – газлифт – предложил в 1914 г М.М. Тихвинский.
Под разработкой нефтяного месторождения понимается осуществление процесса перемещения жидкостей и газа в пластах к эксплуатационным скважинам. Перед забуриванием залежи проводят проектирование системы разработки. На основании данных разведки и пробной эксплуатации устанавливают условия, при которых будет протекать эксплуатация: ее геологическое строение, коллекторские свойства пород (пористость, проницаемость, степень неоднородности), физические свойства жидкостей в пласте (вязкость, плотность), насыщенность пород нефти водой и газом, пластовые давления. Базируясь на этих данных, производят экономическую оценку системы, и выбирают оптимальную.
Извлечение нефти из скважин производится либо за счет естественного фонтанирования под действием пластовой энергии, либо путем использования одного из нескольких механизированных способов подъема жидкости. Обычно в начальной стадии разработки действует фонтанная добыча, а по мере ослабления фонтанирования скважину переводят на механизированный способ: газлифтный или эрлифтный, глубинонасосный.
На месторождениях, разрабатываемых с помощью искусственного заводнения, сооружают систему водоснабжения с насосными станциями. Воду берут из естественных водоемов с помощью водозаборных сооружений.
В процессе добычи нефти важное место занимает внутрипромысловый транспорт продукции скважин, осуществляемый по трубопроводам. Применяются 2 системы внутрипромыслового транспорта: напорные и самотечные. При напорных системах достаточно собственного давления на устье скважин. При самотечных движение происходит за счет превышения отметки устья скважины над пометкой группового сборного пункта.
При разработке нефтяных месторождений, приуроченных к континентальным шельфам, создаются морские нефтепромыслы.
Очистка нефти
Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 г., в период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах – лучинами. Но уже тогда во многих церквях горели неугасаемые лампады. В них наливалось гарное масло, которое было не чем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом. Купец Набатов был единственным поставщиком очищенной нефти для соборов и монастырей.
В конце XVIII столетия была изобретена лампа. С появлением ламп возрос спрос на керосин.
Очистка нефти – удаление из нефтепродуктов нежелательных компонентов, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства топлив и масел.
Химическая очистка производится путем воздействия различных реагентов на удаляемые компоненты очищаемых продуктов. Наиболее простым способом является очистка 92-92% серной кислотой и олеумом, применяемая для удаления непредельных и ароматических углеводородов.
Физико-химическая очистка производится с помощью растворителей, избирательно удаляющих нежелательные компоненты из очищаемого продукта. Неполярные растворители (пропан и бутан) используются для удаления из остатков переработки нефти,ароматических углеводородов. Полярные растворители (фенол и др.) применяются для удаления полициклических ароматических углеродов с короткими боковыми цепями, сернистых и азотистых соединений из масляных дистиллятов.
При адсорбционной очистке из нефтепродуктов удаляются непредельные углеводороды, смолы, кислоты и др. адсорбционную очистку осуществляют при контактировании нагретого воздуха с адсорбентами или фильтрацией продукта через зерна адсорбента.
Каталитическая очистка – гидрогенизация в мягких условиях, применяемая для удаления сернистых и азотистых соединений.
Перегонка нефти
Братья Дубинины впервые создали устройство для перегонки нефти. С 1823 г. Дубинины стали вывозить фотоген (керосин) многими тысячами пудов из Моздока внутрь России. Завод Дубининых был очень прост: котел в печке, из котла идет труба через бочку с водой в пустую бочку. Бочка с водой – холодильник, пустая – приемник для керосина.
В Америке впервые опыты по перегонке нефти осуществил в 1833 г. Силлиман.
На современном заводе вместо котла устраивается ложная трубчатая печь. Вместо трубки для конденсации и разделения паров сооружаются огромные ректификационные колонны. А для приёма продуктов перегонки выстраиваются целые городки резервуаров.
Нефть состоит из смеси различных веществ (главным образом углеводородов) и потому не имеет определённой точки кипения. На трубчатках нефть подогревают до 300-325 о. При такой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.
Печи на нефтеперегонных заводах особые. С виду они похожи на дома без окон. Выкладываются печи из лучшего огнеупорного кирпича. Внутри, вдоль и поперёк, тянутся трубы. Длина труб в печах достигает километра.
Когда завод работает, по этим трубам с большой скоростью – до двух метров в секунду – движется нефть. В это время из мощной форсунки в печь устремляется пламя. Длина языков пламени достигает нескольких метров.
Нефтяники нашли способ перегонки нефти без разложения углеводородов.
Чем меньше давление, тем скорее закипает вода. То же самое происходит с нефтью. Многие углеводороды в условиях атмосферного давления кипят только при 500 о. Следовательно, при 325 о эти углеводороды не кипят.
Дружнее происходит испарение нефти, когда в установку вводится пар.
Сложна и интересна работа ректификационной колонны. В этой колонне происходит не только разделение веществ по их температурам кипения, но одновременно производится дополнительное многократное кипячение конденсирующейся жидкости.
Колонны делаются очень высокими – до 40 м. Внутри они разделяются горизонтальными перегородками – тарелками – с отверстиями. Над отверстиями устанавливаются колпачки.
Смесь углеводородных паров из печи поступает в нижнюю часть колонны.
Навстречу неиспарившемуся остатку нефти снизу колонны подаётся перегретый пар. Этот пар прогревает неиспарившийся остаток и увлекает с собой все лёгкие углеводороды вверх колонны. В нижнюю часть колонны стекает освобождённый от лёгких углеводородов тяжёлый остаток – мазут, а пары одолевают тарелку за тарелкой, стремясь к верху колонны.
Сначала превращаются в жидкость пары с высокими температурами кипения. Это будет соляровая фракция, которая кипит при температуре выше 300 о. Жидкий соляр заливает тарелку до отверстий. Парам, идущим из печи, теперь приходится пробулькивать через слой соляра.
Температура паров выше температуры соляра, и соляр снова кипит.
Углеводороды, кипящие при температуре ниже 300 о, отрываются от него и летят вверх колонны, на секцию керосиновых тарелок.
В соляре, выходящем из колонны, поэтому нет бензина или керосина.
В колоннах бывает 30-40 тарелок, разделённых на секции. Через все тарелки проходят пары, на каждой они пробулькивают через слой сконденсировавшихся паров и в промежутках между ними встречают падающие с верхней тарелки капли лишнего, не убравшегося на верхнюю тарелку конденсата.
Принципиальная технологическая схема установки для атмосферно-вакуумной перегонки нефти. Аппараты 1, 3 – атмосферные ректификационные колонны; 2 - печи для нагрева нефти и мазута; 4 - вакуумная ректификационная колонна; 5 – конденсаторы – холодильники; 6 – теплообменники.
Линии: I – нефть; II – легкий бензин; III – отбензиненая нефть; IV – тяжелый бензин; V – керосин и газойль; VI – водяной пар; VII – мазут; VIII – газы разложения;
IX – масляные фракции; Х – гудрон.
В колонне непрерывно идёт сложная, кропотливая работа. Углеводороды собираются в секциях по температурам кипения. Для каждой группы углеводородов в колонне имеются свои секции и свой выход.
Углеводороды сгруппируются в своей секции только тогда, когда в них не будет углеводородов других температур кипения.
Когда они соберутся вместе, они из колонны выходят в холодильник, а из холодильника – в приёмник.
Из самых верхних секций колонны идёт не бензин, а пары бензина, так как температура вверху колонны выше температуры легко кипящих частей бензина. Пары бензина идут сначала в конденсатор.
Здесь они превращаются в бензин, который направляется также в холодильник, а затем в приёмник.
Крекинг нефтепродуктов
Выход бензина из нефти можно значительно увеличить (до 65-70 %) путем расщепления углеводородов с длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом (от англ. Crack- расщеплять).
Крекингом называется процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле.
Крекинг изобрел русский инженер В.Г. Шухов в 1891 г. В 1913 г изобретение Шухова начали применять в Америке. В настоящее время в США 65% всех бензинов получается на крекинг - заводах.
Различают 2 вида крекинга: термический и каталитический.
^ Термический крекинг
Расщепление молекул углеводородов протекает при более высокой температуре (470-550 0 С). Процесс протекает медленно, образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов углерода.
В бензине, полученном в результате термического крекинга, наряду с предельными углеводородами, содержится много непредельных углеводородов. Поэтому этот бензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки.
В бензине термического крекинга содержится много непредельных углеводородов, которые легко окисляются и полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя. Для устранения этого вредного действия к такому бензину добавляют окислители.
^ Каталитический крекинг
Расщепление молекул углеводородов протекает в присутствии катализаторов и при более низкой температуре (450-500 0 С).
Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появился именно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышение качества бензина. По сравнению с термическим крекингом процесс протекает значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул углеводородов, но и их изомеризация, т.е. образуются углеводороды с разветвленной цепью атомов углеродов.
Бензин каталитического крекинга по сравнению с бензином термического крекинга обладает еще большей детонационной стойкостью, ибо в нем содержатся углеводороды с разветвленной цепью углеродных атомов.
В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому процессы окисления и полимеризации в нем не протекают. Такой бензин более устойчив при хранении.
Риформинг
Риформинг – (от англ. Reforming – переделывать, улучшать) промышленный процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высококачественных бензинов и ароматических углеводородов. При этом молекулы углеводородов в основном не расщепляются, а преобразуются. Сырьем служит бензинолигроиновая фракция нефти.
Перспективы на будущее
В настоящее время нефтехимия дает почти четверть всей химической продукции. Нефть – ценнейшее природное ископаемое, открывшее перед человеком удивительные возможности “химического перевоплощения”. Всего производных нефти насчитывается уже около 3 тысяч.
Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Ее доля в общем потреблении энергоресурсов непрерывно растет. Нефть составляет основу топливно-энергетических балансов всех экономически развитых стран.
Продукты, получаемые из нефти, их применение
Из нефти выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. Вначале от нее отделяют растворенные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в газообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. Таким образом можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой перегонке получают три основные фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению. Основные фракции нефти следующие:
Фракция, собираемая от 40 0 до 200 0 С, - газолиновая фракция бензинов – содержит углеводороды от С 5 Н 12 до С 11 Н 24. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают: газолин (от 40 0 до 70 0 С), бензин (от 70 0 до 120 0 С) – авиационный, автомобильный и т.д.
Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 0 до 250 0 С, содержит углеводороды от С 8 Н 18 до С 14 Н 30. Лигроин применяется как горючее для тракторов.
Керосиновая фракция включает углеводороды от С 12 Н 26 до С 18 Н 38 с температурой кипения от 180 0 до 300 0 С. керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет.
Газойль (выше 275 0 С) – дизельное топливо.
Мазут – остаток от перегонки. Содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции:
Соляровые масла – дизельное топливо,
Смазочные масла (авиатракторные, авиационные, индустриальные и др.),
Вазелин (основа для косметических средств и лекарств).