Нефть, получаемая непосредственно из скважин, называется серой. В различных областях народного хозяйства применяются как сырая нефть, так и различные продукты, получаемые из нее в результате переработки.
В процессе первичной переработке сырую нефть очищают от пластовой воды, примеси неорганических веществ и других. Затем очищенную нефть подвергают прямой перегонке на современных установках. На первом этапе перегонка осуществляется в условиях атмосферного давления. При нагревании нефти до 250 градусов выкипают углеводороды, относящиеся к бензиновой и лигроиновой фракциям. В пределах температур 250-315 градусов выделяются керосино-газолийные фракции, а при 300-350 градусах - масляная (соляровая) фракция. Остаток называется мазутом.
Мазут долго считался бесполезным отходом перегонки нефти. Затем его стали использовать как топливо. А позднее из него путем дальнейшей перегонки научились извлекать бензиновые, керосиновые и масляные фракции.
Методы переработки тяжелых остатков перегонки нефти развивались и совершенствовались по мере расширения спроса на керосин, бензин и другие нефтепродукты.
По мере бурного развития автомобилестроения во всем мире быстро возрастал спрос на бензин. То количество бензина, которое получали простой перегонкой, уже не удовлетворяло потребности в нем. В сырой нефти содержание бензиновых фракций невелико, всего 10-15%. Поэтому ученые исследовали возможность получения дополнительного бензина из мазута. Этот способ получил название термический крекинг. Благодаря ему 60 % бензина добывается из мазута.
Моторное топливо карбюраторных двигателей внутреннего сгорания испытывает детонацию в процессе сгорания. Это чрезвычайно быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси, нарушающий нормальную работу мотора. Стойкость бензинов к детонации принято оценивать октановым числом.
Обычно автомобильный бензин, получаемый при прямой перегонке нефти, обладает невысокими антиденотационными свойствами. Его октановое число составляет 60-70. Для улучшения антиденотационных свойств бензинов прямой перегонки их перерабатывают в условиях каталитического крекинга.
Существует еще много способов переработки нефти и получения из нее продуктов потребления. Природный газ выходящий на поверхность вместе с нефтью тоже подвергается переработке и из него извлекаются пары бензина.
Все продукты, полученные из сырой нефти разделяются на две группы: направляемые на непосредственное потребление (бензин, керосин, дизельное топливо, масла, котельно-печное топливо и т.д.) и используемые как сырье для нефтехимии (направляются на дальнейшую переработку).
Роль нефти и природного газа в качестве исходного сырья для химической промышленности уникальна. В настоящее время более трети объема продукции мировой химической промышленности вырабатывается из нефтегазового сырья. На основе нефтяных углеводородов возникло производство синтетического каучука, этилового спирта, пластмасс, синтетических волокон и др. материалов.
Полимеры различных углеводородов (полиамиды, полиэфиры, поливинлы, полиолефины) используются для производства различных синтетических волокон - капрона, нейлона, лавсана и т.д. Исходными продуктами для производства синтетических волокон являются бензол, циклогексан, фенол и непредельные газообразные углеводороды.
Путем окисления парафиновых углеводородов получают целый ряд важных продуктов: высшие спирты, синтетические жирные кислоты, формальдегид, метанол, уксусную кислоту, ацетон и другие.
Значительное количество продуктов получается в результате реакций хлорирования и нитрирования низших парафиновых углеводородов (взрывчатые вещества, хлороформ хлористый метил и т. д.)
В результате химической переработки получают неорганические продуты: водород, серу и серную кислоту. Водород - исходное вещество для получения аммиака. Из аммиака получают в свою очередь получают углекислый аммоний и т.д. Этот список продуктов, которых можно получить при переработке нефти - бесконечен.
Альтернативные источники нефти
Небесная нефть
Впервые в мире решение проблемы получения синтетической нефти в большом количестве было осуществлено в Германии. В годы первой мировой войны кайзеровская Германия оказалась полностью отрезанной от природных источников нефти. Армии нужен был бензин. Немецкие ученые обратили свои взоры „к небесам". Еще в 1908 г. русский изобретатель И.И. Орлов доказал возможность синтеза нефтяных УВ из оксида углерода и водорода (эта смесь получила название водяного газа). А где как не на „небе", т.е. в атмосфере, можно найти практически неограниченные количества этого газа? Немецкие ученые Фишер и Тропш создали технологию получения синтетической нефти. Правда, водяной газ они решили получать не из воздуха, тогда это было слишком сложно, а из бурых углей. Синтез нефти осуществляется путем контакта этого газа при температуре 180-200 °С и атмосферном давлении с оксидными железно-цинковыми катализаторами. Были построены целые заводы по производству искусственного топлива, которые успешно эксплуатировались многие годы. Но вот кончилась война, возросла добыча естественной нефти, цены на нее упали. Синтетическая нефть Фишера - Тропша уже не могла конкурировать с ней, и производство было свернуто.
Сейчас идея искусственной нефти вновь приобретает актуальность.
Нефть можно получить уже непосредственно из воздуха. Более того, ученые полагают, что это будет способствовать удалению из атмосферы избыточной углекислоты, которая вредно влияет на окружающую среду. Огромное количество сжигаемого топлива ежегодно поставляет в атмосферу миллиарды тонн углекислого газа (диоксида углерода). В настоящее время лишь 10% его поглощается растениями. Многие ученые видят в таком катастрофическом увеличении концентрации углекислого газа в земной атмосфере определенную опасность. Как же от него избавиться?
Доктор технических наук В. Цысковский предлагает следующий путь. Прежде всего, необходимо из атмосферы воздуха получить углекислый газ. Для этого воздух можно вымораживать, разделять с помощью пористых мембран или соединять при определенных условиях с газообразным аммиаком. В последнем случае образуется углекислый аммоний, который легко разлагается на аммиак и диоксид углерода под действием тепла. Полученная чистая углекислота и является продуктом для дальнейшего синтеза нефти. Ее разлагают на оксид углерода (угарный газ) и кислород. Для этой реакции требуются большие затраты энергии. Предполагают, что ее можно проводить в атомных реакторах при температуре 5000 °С в присутствии катализаторов. А дальше оксид углерода синтезируют с водородом, и „небесная" нефть готова. [3]
Нефть из камня
Получение нефти из воздуха - дело будущего. Сейчас же искусственную нефть получают из камня. Конечно, это не совсем обычные камни, а так называемые горючие сланцы - породы, содержащие в большом количестве органическое вещество, т.е. тот природный материал, из которого получаются УВ. Для этих же целей подходят и пески, насыщенные густой, вязкой нефтью.
По данным геологической службы США, мировые запасы горючих сланцев и нефтеносных песков оцениваются в 700-800 млрд.т, что в 7-8 раз больше всех выявленных запасов нефти в мире. Только в районе Скалистых гор (США) в подобных породах концентрируется 270 млрд.т нефти, что в 2-3 раза превышает мировые запасы нефти и в 67 раз - оставшиеся запасы нефти Соединенных Штатов. Американские геологи подсчитали, что при коэффициенте извлечения 50 % и современном уровне потребления нефти этих ресурсов хватило бы, чтобы удовлетворять запросы США в течение 140 лет. Казалось бы, выход из топливного тупика найден, однако опять-таки высокая стоимость работ препятствует интенсивной переработке горючих сланцев и нефтеносных песков. По оценке Национального совета США, разработка битуминозных пород рентабельна при цене на нефть не менее 100-120 дол./т. До топливного кризиса о промышленной разработке сланцев не могло быть и речи. Тем не менее в ряде стран мира несколько лет тому назад приступили уже к практическому осуществлению этой проблемы. Например, в Бразилии в 1971 г. запущена опытная установка по разработке и переработке сланцев производительностью 159 м3 сланцевой смолы, 17т серы и 36,5 тыс.м3 горючего газа в сутки. Капиталовложения в установку составят около 18 млн.дол. В Канаде в том же 1971 г. из битуминозных песков Атабаски получали до б тыс.т/сут легкой нефти. Всего же в год в этой стране добывают до 9 млн.м3 синтетической нефти.
В 1973 г., когда цены на нефть резко подскочили, взоры многих нефтепромышленников обратились к битуминозным сланцам и нефтеносным пескам. В США шесть объединенных компаний уже в 1974 г. получили право на разработку сланцев в штатах Колорадо, Юта и Вайоминг. Стоимость первых трех участков 403,6 млн.дол. По расчетам, США могут получать в сутки от 135 до 405 тыс.т такой нефти.
Однако крупномасштабная переработка тяжелых нефтей и горючих сланцев - дело относительно далекого будущего. По оценке компании „Шеврон", она начнется в третьем тысячелетии. Причем, стоимость добычи тяжелых нефтей и битумов прогнозируется в размере 220-314 дол /м3, а получение синтетической нефти из горючих сланцев -346 дол /м3.
По мере развития технологического прогресса добыча УВ из горючих сланцев и нефтеносных песков станет обычным делом. Перспективны в этом отношении ядерные методы переработки битуминозных пород, над которыми в настоящее время в США работают группы ученых из 25 нефтяных компаний.
Согласно приближенным расчетам, при взрыве ядерного устройства мощностью 100 кт из битуминозных сланцев при содержании в них нефти до 100 л/т может быть добыто до 320 тыс. т нефти.
В России проблема извлечения нефти из нефтенасыщенных песков решается по-иному, а именно путем шахтной добычи. Впервые нефтяная шахта была сооружена в районе г. Ухта в 1939 г. Глубина ее не превышает 500 м. Разработка вязких нефтей производится следующим образом. Шахта проходит продуктивный пласт, который дренируется несколькими скважинами. Нефть под действием силы тяжести идет самотеком и попадает в специальные канавки, расположенные на дне шахты и имеющие небольшой уклон для стока в нефтехранилище. Если продуктивный пласт находится ниже шахты, то нефть извлекается насосами через специальные скважины. Из подземного нефтехранилища на поверхность нефть подается также насосами.
Сейчас предлагается воздействовать на нефть в шахте горячей водой или паром. По расчетам, таким образом можно получить дополнительно в нашей стране не менее 50 млн.т/год нефти, причем глубина шахт не будет превышать 500-1000 м.
В том случае, когда сланцы или нефтеносные пески находятся близко от поверхности (не более 150-200 м), разработка ведется карьерным способом. Примером такой необычной добычи нефти может служить карьер около горы Кирмаки под г. Баку. Отсюда порода доставляется в специальную емкость, где с помощью реактивов (некондиционный керосин, щелочная вода или каустическая сода) из нее вымывают нефть. Таким способом извлекается до 80 % нефти.
Один кубометр нефтеносного песка в Азербайджане содержит до 150 кг нефти. Такая же картина характерна и для многих других нефтеносных районов нашей страны. Поэтому проблема извлечения вязкой и остаточной нефти из неглубоко залегающих пород приобретает общенародное значение. Нефтяники Азербайджана, в частности, начали сооружение первой в республике нефтяной шахты на заброшенном участке месторождения Балаханы (в пригороде г. Баку). Глубина шахты будет равна 400 м, разработку предполагают осуществлять гравитационным способом. Шахта оборудуется современной техникой, предусматривается сооружение буровых камер, насосных установок, вентиляционных устройств. Почти полная автоматизация производственных процессов сведет к минимуму количество обслуживающего персонала.
Становится очевидным, что эра „дешевой нефти" подходит к концу. То, что сейчас мы считаем дороговизной, через некоторое время покажется нам необычайно дешевым продуктом. Дети, рожденные в 1990 г., когда станут взрослыми, будут иметь дело с нефтью как с ограниченным для использования и чрезвычайно дорогостоящим топливом. Единственный путь из этого тупика - поиск альтернативных и экологически чистых источников энергии, которые позволят „вырвать" нефть и газ из топок заводов, фабрик и электростанций.[3]
Дрова
Пока одни ученые ломают голову над проблемой увеличения коэффициента нефтеотдачи продуктивных пластов, а другие ищут пути наиболее рентабельного получения нефти из горючих сланцев, третьи пришли к выводу, что удовлетворить потребность в топливе можно обычным дедовским методом. Речь идет о дровах. Так считают специалисты Стэнфордского университета в США, к ним присоединяются и ученые университета штата Джорджия. Конечно, здесь нужны особые быстрорастущие сорта деревьев типа ольхи или платанов, которые дают до 40 т древесины с 1 га в год. После вырубки этих деревьев на земле остается листва, пригодная для удобрения. Древесина же измельчается и подается в топку электростанций. Участок в 125км2 может обеспечить энергией город с населением 80 тыс. человек. На вырубленных участках уже через 2-4 года из побегов вновь вырастут деревья, пригодные для топлива. Ученые прикинули, что если 3 % территории России отвести под „энергетические плантации", то страна могла бы полностью удовлетворить свои потребности в топливе за счет дров.
Американским поборникам „дровенизации" бытовой теплоэнергетики вторят их сторонники из Европы. В Бельгии, например, в 1988 г. газета „Суар" опубликовала статью, где назвала дрова топливом будущего. Для этих же целей предлагается использовать и макулатуру. В магазинах этой страны уже продается ручной пресс, с помощью которого можно из газет и оберток делать топливные брикеты, не уступающие по своей калорийности буроугольным. Выпускаются специальные печи, работающие по принципу газогенератора и препятствующие уходу тепла через трубу. Дрова и брикеты горят в этой печи очень медленно: вязанка - за 8 ч. При этом дрова сгорают полностью, что практически сводит к нулю выделение в атмосферу золы и сажи. Такое отапливание помещений очень выгодно, ведь килограмм дров при сравнимой калорийности стоит в 10 раз меньше литра жидкого топлива.
Внимание другой группы американских ученых остановилось на быстрорастущих бурых водорослях. Предлагается перерабатывать их в газообразный метан с помощью бактерий или в нефтеподобные вещества путем нагревания. По расчетам этих специалистов, ферма в океане площадью 40 тыс. га сможет снабжать энергией город с населением 50 тыс. человек. Для этих же целей ученые из Франции предлагают использовать одноклеточные водоросли ботриококк. Оказывается, эти микроскопические создания выделяют углеводороды в своем жизненном цикле. Выращивая ботриококки в банках и подкармливая их углекислым газом и минеральными солями, можно регулярно „собирать урожай УВ".
Естественные „бензоколонки" обнаружены и в тропиках Южной Америки, на Филиппинах. Некоторые сорта лиан и тропических деревьев (ханга) содержат маслянистую жидкость, которую даже не надо подвергать перегонке. Она прекрасно горит в автомобильных моторах, давая менее токсичный выхлоп, чем бензин. Подходит для этих целей и пальмовое масло, из которого сравнительно легко можно получать „солярку".
Но пока это все в области научной фантазии. Более реален проект получения синтетической нефти из угля. Довольно простой метод разработан в США. Уголь распыляется, обрабатывается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород. Из тонны угля с высоким содержанием серы получается почти 650 л похожей на нефть жидкости, из которой можно вырабатывать бензин.
Корпорация известного американского мультимиллионера А. Хаммера „Оксидентл петролеум" всерьез занялась подземной газификацией угля. Методом пиролиза из него получают 40 % метанового газа, 45 % кокса и 3 % жидкого топлива. Этой же корпорацией разработан совсем неожиданный способ получения топлива... из мусора. Из него предварительно извлекают магнитные и немагнитные металлы и отправляют в переплавку. Секретная технология переработки стекла позволяет получить из осколков стекло более дешевое и более высокого качества, чем исходное сырье. Остальное перерабатывается в кокс, метановый газ и жидкое топливо. „Мусорную" нефть испытывали на опытных установках - горит прекрасно. Из тонны мусора таким способом „добывают" от 6 до 20 дол. В 1976 - 1977 гг. в Сан-Диего вступил в строй специальный завод для переработки мусора.
Над подобной проблемой успешно работают и в Великобритании. Здесь разработана и проходит испытания лабораторная установка, в которой под действием высоких температур и вдуваемого кислорода из органической части мусора (пластмассовые упаковки, пищевые отбросы, обрывки газет, тряпки и т.д.) получают синтетическую нефть и метановый газ с водородом. Жидкое топливо и газ предполагают использовать частично для работы дизеля, а частично для переплавки битого стекла, из которого можно получать строительные блоки. Сейчас изучается возможность переработки мусора в старых доменных печах. Это даст высокую производительность и экономию времени. Как показали эксперименты, в дело пойдет и остающийся шлак - он пригоден для замены гравия при строительстве дорог.
Французский инженер А. Ротлисберже получил бензин из сухих стеблей кукурузы. Автор утверждает, что подобное топливо с октановым числом 98 вполне можно добывать из соломы, опилок, ботвы овощей и других отходов, содержащих целлюлозные волокна. Под нажимом правительственных учреждений изобретатель засекретил технологию синтеза, но известно, что качество его бензина во многом зависит от сложных стабилизирующих добавок, вводимых в спирты и изопропиниловые эфиры, получаемые из целлюлозы. Новое топливо не детонирует, сгорает без дыма и запахов. Его можно смешивать в любых пропорциях с обычным бензином. При этом конструктивных изменений в двигателях не требуется. Франция намерена со временем довести производство подобного бензина до 20 млн.т в год.
Еще один изобретатель искусственного бензина живет в Швейцарии. Исходным материалом служит щепа, кукурузная шелуха, полиэтиленовые пакеты. Да вот беда, „бензин" пахнет самогоном. Изобретателю приходится платить 8 % налога как за изготовление алкогольных напитков. Тем не менее 1 л искусственного „бензина" стоит в 2 раза дешевле настоящего, а автомобиль работает исправно. [3]