Содержание:
I Введение 2
II Основные нефтегазоносныепровинции России 3
1.Западно-Сибирская 3
2. Волго-Уральская 4
3. Тимано-Печерская 4
4. Нефтянойкомплекс России 5
5. Транспортировканефти трубопроводами 6
III Происхождение нефти 8
1. Современный взгляд 8
2. Другие теории образования нефти 8
IV. Состав нефти 11
1. Состав нефти и химические свойства 11
2. Физическиесвойства 13
V. Методы и способы переработки нефти 15
1. Подготовка нефтик переработка. 15
2. Сортировка исмешивание нефти 16
3. Выборнаправления переработки нефти 17
4. Принципыпервичной переработки нефти 18
5. Перегонка нефти 18
6. Устройство идействие ректификационной колонны 20
7. Устройстворектификационных тарелок 23
8.Крекинг нефти 23
9. Термическийкрекинг 24
10. Каталитическийкрекинг 25
11. Риформинг 26
VI. Использование продуктов переработкинефти 28
VII. Заключение 30
VIII. Списоклитературы 30
Приложения
I.Введение.
Бурный научно-технический прогресс и высокие темпыразвития различных отраслей науки и мирового хозяйства в XIX –XX вв. привели к резкому увеличению потребленияразличных полезных ископаемых, особое место среди которых заняла нефть.
Считают, что современный термин “нефть” произошел отслова “нафата”, что на языке народов Малой Азии означает просачиваться.
Нефть начали добывать на берегу Евфрата за 6 – 4 тыс.лет до нашей эры. Использовалась она и в качестве лекарства. Древние египтянеиспользовали асфальт (окисленную нефть) для бальзамирования. Нефтяные битумыиспользовались для приготовления строительных растворов. Нефть входила в состав“греческого огня”. В средние века нефть использовалась для освещения в рядегородов на Ближнем Востоке, Южной Италии. В начале XIX века вРоссии, а в середине XIX века в Америке из нефти путем возгонки был полученкеросин. Он использовался в лампах. До середины XIX века нефтьдобывалась в небольших количествах из глубоких колодцев вблизи естественныхвыходов ее на поверхность. Изобретение парового, а затем дизельного ибензинового двигателя привело к бурному развитию нефтедобывающейпромышленности.
Современный уровень цивилизации и технологии был бынемыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть. Сегодня она имеет несколько значений для народного хозяйства страны:
· сырье длянефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена,полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них,искусственных тканей;
· источник длявыработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив),масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительныхматериалов (битумы, гудрон, асфальт);
· сырье дляполучения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в кормскоту для стимуляции его роста.
Нефть – наше национальноебогатство, источник могущества России, фундамент ее экономики.
II. Основные нефтегазоносные провинции в Российской Федерации.
Россия занимает промежуточное положение междуполюсами “сверх потребителя” – США и “сверх добытчика” – Саудовской Аравии. Внастоящее время нефтяная промышленность Российской Федерации занимает 2 место вмире. По уровню добычи мы уступаем только Саудовской Аравии. В 2002 году добытоуглеводородов: нефти – 379,6 млн.тонн, природного газа – 594 млрд.м3.
На территории Российской Федерациинаходятся три крупные нефтегазоносные провинции: Западно-Сибирская,Волго-Уральская и Тимано-Печерская.
1. Западно-Сибирская провинция.
Западно-Сибирская – это основнаяпровинция РФ. Крупнейший нефтегазоносный бассейн в мире. Расположен он впределах Западно-Сибирской равнины на территории Тюменской, Омской, Курганской,Томской и частично Свердловской, Челябинской, Новосибирской областей,Красноярского и Алтайского краев, площадью около 3,5 млн. км2Нефтегазоносность бассейна связана с отложениями юрского и мелового возраста.Большая часть нефтяных залежей находиться на глубине 2000-3000 метров. Нефть Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна характеризуется низким содержаниемсеры (до 1,1%), и парафина (менее 0,5%), содержание бензиновых фракций высокое(40-60%), повышенное количество летучих веществ.
Сейчас на территории Западной Сибири добывается 70%российской нефти. Основной ее объем извлекается насосным способом, на долюфонтанной добычи приходится не более 10%. Из этого следует, что основныеместорождения находятся на поздней стадии разработки, что заставляет задуматьсянад важной проблемой топливной промышленности — старением месторождений. Этотвывод подтверждается и данными по стране в целом.
В Западной Сибири находятся несколькодесятков крупных месторождений. Среди них такие известные, как Самотлорское,Мамонтовское, Федоровское, Усть-Балыкское, Убинское, Толумское,Муравленковское, Суторминское, Холмогорское, Талинское, Мортымья-Тетеревское идругие. Большая часть из них расположена в Тюменской области – своеобразномядре района. В республиканском разделении труда она выделяется как главная базаРоссии по снабжению ее народнохозяйственного комплекса нефтью и природнымгазом. В Тюменской области добывается более 220 млн. тонн нефти, что составляетболее 90% всей добычи Западной Сибири и более 55% от всего объема добычи поРоссии. Анализируя данную информацию, нельзя не сделать следующий вывод:нефтедобывающей промышленности Российской Федерации свойственна чрезвычайновысокая концентрация в ведущем районе.
Для нефтяной промышленности Тюменскойобласти характерно снижение объемов добычи. Достигнув максимума в 1988 году415,1 млн. т, к 1990 году нефтедобыча снизилась до 358,4 млн. т, то есть на13.7%, причем тенденция падения добычи сохраняется и сейчас.
Основные нефтяные компании работающиена территории Западной Сибири, это – ЛУКОЙЛ, ЮКОС, Сургутнефтегаз, Сибнефть,СИДАНКО, ТНК.
2. Волго-Уральская провинция.
Вторая по значению нефтяная провинция –Волго-Уральская. Она расположена в восточной части Европейской территорииРоссийской Федерации, в пределах республик Татарстан, Башкортостан, Удмуртия, атакже Пермской, Оренбургской, Куйбышевской, Саратовской, ВолгоградскойКировской и Ульяновской областей. Нефтяные залежи находятся на глубине от 1600до 3000 м, т.е. ближе к поверхности по сравнению с Западной Сибирью, чтонесколько снижает затраты на бурение. Волго-Уральский район дает 24%нефтедобычи страны.
Подавляющую часть нефти и попутногогаза (более 4/5) области дают Татария, Башкирия, Куйбышевская область. Добычанефти ведется на месторождениях Ромашкинское, Ново-Елховское, Чекмагушское,Арланское, Краснохолмское, Оренбургское и другие. Значительная часть нефти,добываемая на промыслах Волго-Уральской нефтегазоносной области, поступает понефтепроводам на местные нефтеперерабатывающие заводы, расположенные главнымобразом в Башкирии и Куйбышевской области, а также в других областях (Пермской,Саратовской, Волгоградской, Оренбургской).
Основные нефтяные компании работающиена территории Волго-Уральской провинции: ЛУКОЙЛ, Татнефть, Башнефть, ЮКОС, ТНК.
3. Тимано-Печерская провинция.
Третья по значимости нефтяная провинция– Тимано-Печерская. Она расположена в пределах Коми, Ненецкого автономногоокруга Архангельской области и частично на прилегающих территориях, граничит ссеверной частью Волго-Уральского нефтегазоносного района. Вместе с остальнымиТимано-Печерская нефтяная область дает лишь 6% нефти в Российской Федерации(Западная Сибирь и Урало-Поволжье – 94%). Добыча нефти ведется наместорождениях Усинское, Харьягинское, Войвожское, Верхне-грубешорское,Ярегское, Нижне-Омринское, Возейское и другие. Тимано-Печорский район, какВолгоградская и Саратовская области, считается достаточно перспективным. Добычанефти в Западной Сибири сокращается, а в Ненецком автономном округе ужеразведаны запасы углеводородного сырья, соизмеримые с западносибирскими. По оценкеамериканских специалистов, недра арктической тундры хранят 2,5 млрд. тонннефти.
Почти каждое месторождение, а тем болеекаждый из нефтегазоносных районов отличаются своими особенностями по составунефти и поэтому вести переработку, используя какую-либо “стандартную”технологию нецелесообразно. Нужно учитывать уникальный состав нефти длядостижения максимальной эффективности переработки, по этой причине приходитьсясооружать заводы под конкретные нефтегазоносные области. Существует теснаявзаимосвязь между нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленностью. Однакоразвал Советского Союза обусловил появление новой проблемы – разрыв внешниххозяйственных связей нефтяной промышленности. Россия оказалась в крайненевыгодном положении, т.к. вынуждена экспортировать сырую нефть ввидудисбаланса нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности (объем переработки в2002 году составил – 184 млн. тонн), в то время как цены на сырую нефть гораздониже, чем на нефтепродукты. Кроме того, низкая приспособляемость российскихзаводов, при переходе на нефть, которая ранее транспортировалась на заводысоседних республик, вызывает некачественную переработку и большие потерипродукта.
4. Нефтяной комплекс России.
Следует учитывать, что в Российской Федерации послесемидесятых годов не было открыто ни одного крупного высокопродуктивногоместорождения, а вновь приращиваемые запасы по своим кондициям резкоухудшаются. Так, например, по геологическим условиям средний дебит одной новойскважины в Тюменской области упал с 138 т в 1975 г. до 10-12т в 1994 г., т.е. более чем в 10 раз. Значительно возросли затраты финансовых иматериально-технических ресурсов на создание 1 т новой мощности.
Нефтяной комплекс России включает 148 тыс. нефтяныхскважин, 48,3 тыс. км магистральных нефтепроводов, 28 нефтеперерабатывающихзаводов (НПЗ) общей мощностью около 300 млн.т/годнефти, а также большое количество других производственных объектов. Напредприятиях нефтяной промышленности и обслуживающих ее отраслей занято около900 тыс. работников, в том числе в сфере науки и научного обслуживания – около20 тыс. человек.
Высокопродуктивныезапасы крупных месторождений выработаны более, чем на половину, и по крупнымзалежам происходит интенсивное снижение объемов добычи нефти. Например, Арланское месторождение (Башкирия) выработано на77,5%, а Мортымья-Тетеревское (Западная Сибирь) –на 95%. Практически весь фонд нефтяных скважин переведен с фонтанного намеханизированный способ добычи. Начался массовый ввод в разработку мелких,низкопродуктивных месторождений. Указанные факторы вызвали резкий ростпотребностей отрасли в материальных и финансовых ресурсах для своего освоения,выделение которых в условиях экономического и политического кризиса России в90-х годах было сокращено.
Геологический разрез нефтеносной залежи.
/>/>Нефть залегаетв земле, заполняя пустоты между частицами различных горных пород. Для добыванияеё бурят скважины. Если нефть богата газами, она под их давлением самаподнимается на поверхность, если же давление газов для этого недостаточно, в нефтяномпласту создают искусственное давление путём нагнетания туда газа, воздуха иливоды.
5. Транспортировка нефти трубопроводами.
В настоящее время география нефтеперерабатывающейпромышленности не всегда совпадает с районами ее переработки. Поэтому задачитранспортировки нефти привели к созданию большой сети нефтепроводов.Нефтеперерабатывающие заводы располагаются во всех районах страны, т.к.выгоднее транспортировать сырую нефть, чем продукты ее переработки, которыенеобходимы во всех отраслях народного хозяйства. В прошлом она из мест добычи вместа потребления перевозилась по железным дорогам в цистернах. В настоящеевремя большая часть нефти перекачивается по нефтепроводам и их доля втранспортировке продолжает расти. В состав нефтепроводов входят трубопроводы,насосные станции и нефтехранилища. Пропускная способность нефтепроводадиаметром 1200 мм составляет 80-90 млн. тонн в год при скорости движения потоканефти 10-12 км/ч. По эффективности с нефтепроводами могут соперничать толькоморские перевозки танкерами. Кроме того, они менее опасны в пожарном отношениии резко снижают потери при транспортировке (доставке). По размеру грузооборотанефтепроводный транспорт в 2,5 раза превзошел железнодорожный в части перевозокнефти и нефтепродуктов. Транспортировка нефти по нефтепроводам стоит внастоящее время дороже, чем перевозка по воде, но значительно дешевле, чемперевозка по железной дороге.
Стоимость строительства магистрального нефтепроводаобычно окупается за 2-3 года. Характерной особенностью развития нефтепроводноготранспорта России является увеличение удельного веса трубопроводов большогодиаметра, что объясняется их высокой рентабельностью.
Сейчаспо грузообороту трубопроводного транспорта Россия стоит на первом месте.Протяженность нефтепроводов составляет 66000 км. Строительство магистральных нефтепроводов продолжается и в настоящее время. Так, например, в 2001 году введена вэксплуатацию первая очередь нефтепровода КТК на 28 млн.т/год (максимальнаямощность – 65 млн.тонн), диаметром 1490 мм и протяженностью 1500 км, связывающая нефтяные месторождения юга России и западного Казахстана с терминалом наЧерноморском побережье в г.Новороссийске.
III. Происхождение нефти.
1. Современный взгляд.
Вопросыоб исходном веществе, из которого образовалась нефть, о процессахнефтеобразования и формирования нефти в концентрированную залежь, а отдельныхзалежей в месторождения до сего времени ещё не являются окончательно решёнными.Существует множество мнений как об исходных для нефти веществах, так и о причинахи процессах, обусловливающих её образование. В последние годы благодаря трудамглавным образом советских геологов, химиков, биологов, физиков и исследователейдругих специальностей удалось выяснить основные закономерности в процессахнефтеобразования. В настоящее время установлено, что нефть органическогопроисхождения, т.е. она, как и уголь, возникла в результате преобразованияорганических веществ.
Наиболееблагоприятные условия для формирования нефти – морские, с так называемымнекомпенсированным прогибанием. В теплых водах, на дне доисторического моря,веками накапливалась сапропель – глинистая почва, перемешанная с органическимиостанками умерших рыб, водорослей, моллюсков и прочей живности. В ней шлабиохимическая стадия образования нефти. Микроорганизмы при ограниченном доступекислорода перерабатывали белки, углеводы и т.д. При этом образовывался метан,углекислый газ, вода и немного углеводородов. Данная стадия происходила внескольких метрах от дна моря. Затем осадок уплотнился: произошел диагенез. Вследствиеприродных процессов дно моря опускалось, а сапропель накрывали материалы,которые из-за природных разрушений или потоками воды сносились с гор. Органикапопадала в застойные, бескислородные условия. Когда сапропель опустилась доглубины в 1,5 км, подземная температура достигла 100°C и стала достаточной для нефтеобразования. Начинаютсяхимические реакции между веществами под действием температуры и давления.Сложные вещества разлагаются на более простые. Биохимические процессы затухают.Потом породу должна накрыть соль (в Прикаспийской впадине ее толщина достигает 4 км) или глина. С увеличением глубины растет содержание рассеянной нефти. Так, на глубине до 1,5 км идет газообразование, на интервале 1,5-8,5 км идет образование жидких углеводородов –микронефти – при температуре от 60 до 160°С. А на больших глубинах притемпературе 150-200°С образуется метан. По мере уплотнения сапропели микронефтьвыжимается в вышележащие песчаники. Это процесс первичной миграции. Затем подвлиянием различных сил микронефть перемещается вверх по наклону. Это вторичнаямиграция, которая является периодом формирования самого месторождения.
Весьпроцесс занимает сотни миллионов лет.
2. Другие теории образования нефти.
Одиниз первых, кто высказал научно обоснованную концепцию о происхождении нефти,был М.В. Ломоносов. В середине XVIII века в своём тракте «О слоях земных» великий русскийучёный писал, что нефть произошла из каменного угля. Исходное вещество былоодно: органический материал, преобразованный сначала в уголь, а потом в нефть.М.В. Ломоносов первый указал на связь между горючими полезными ископаемыми –углём и нефтью и выдвинул первую в мире гипотезу о происхождении нефти израстительных остатков.
В XIX в. среди ученых были распространены идеи,близкие к представлениям М.В. Ломоносова. Споры велись главным образом вокругисходного материала: животные или растения? Немецкие ученые Г. Гефер и К. Энглерв 1888 г. поставили опыты, доказавшие возможность получения нефти из животныхорганизмов. Была произведена перегонка сельдевого жира при температуре 400 °С идавлении 1 МПа. Из 492 кг жира было получено масло, горючие газы, вода, жиры иразные кислоты. Больше всего было отогнано масла (299 кг, или 61 %) плотностью 0,8105 г/см3, состоящего на 9/10 из УВ коричневого цвета.Последующей разгонкой из масла получили предельные УВ (от пентана до нонана),парафин, смазочные масла, в состав которых входили олефины и ароматические УВ.Позднее, в 1919 г. академиком Н.Д. Зелинским был осуществлен похожий опыт, ноисходным материалом служил органогенный ил преимущественно растительногопроисхождения (сапропель) из озера Балхаш. При его перегонке были получены:сырая смола – 63,2 %; кокс – 16,0%; газы (метан, оксид углерода, водород,сероводород) – 20,8 %. При последующей переработке смолы из нее извлеклибензин, керосин и тяжелые масла.
Вконце XIX в., когда в астрономии и физике получило развитиеприменение спектральных методов исследования и в спектрах различных космическихтел были обнаружены не только углерод и водород, но и углеводороды, русскийгеолог Н.А. Соколов выдвинул космическую гипотезу образования нефти. Онпредполагал, что когда земля была в огненно-жидком состоянии, то углеводородыиз газовой оболочки проникли в массу земного шара, а впоследствии при остываниивыделились на его поверхности. Эта гипотеза не объясняет ни географического, нигеологического распределения нефтяных месторождений.
АкадемикВ.И. Вернадский обратил внимание на наличие в нефти азотистых соединений,встречающихся в органическом мире.
Предшественникиакадемика И.М. Губкина, русские геологи Андрусов и Михайловский также считали,что на Кавказе нефть образовалась из органического материала. По мнению И.М.Губкина, родина нефти находится в области древних мелководных морей, лагун изаливов. Он считал, что уголь и нефть – члены одного и того же генетическогоряда горючих ископаемых.
Угольобразуется в болотах и пресноводных водоёмах, как правило, из высших растений.Нефть получается главным образом из низших растений и животных, но в других условиях.Нефть постепенно образовывалась в толще различных по возрасту осадочных пород,начиная от наиболее древних осадочных пород – кембрийских, возникших 600 млн.лет назад, до сравнительно молодых – третичных слоёв, сложившихся 50 млн. летназад. Накопление органического материала для будущего образования нефтипроисходило в прибрежной полосе, в зоне борьбы между сушей и морем.
Повопросу об исходном материале существовали разные мнения. Некоторые учёныеполагали, что нефть возникла из жиров погибших животных (рыбы, планктона),другие считали, что главную роль играли белки, третьи придавали большоезначение углеводам. Теперь доказано, что нефть может образоваться из жиров,белков и углеводов, т.е. из всей суммы органических веществ.
И.М.Губкин дал критический анализ проблемы происхождения нефти и разделилорганические теории на три группы: теория, где преобладающая роль в образованиинефти отводится погибшим животным; теория, где преобладающая роль отводитсяпогибшим растениям, и, наконец, теория смешанного животно-растительногопроисхождения нефти.
Последняятеория, детально разработанная И.М. Губкиным, носит название сапропелитовой отслова “сапропель” – глинистый ил – и является господствующей. В природе широкораспространены различные виды сапропелитов.
Различиев исходном органическом веществе является одной из причин существующегоразнообразия нефтей. Другими причинами являются различие температурных условийвмещающих пород, присутствие катализаторов и др., а также последующиепреобразования пород, в которых заключена нефть.
ВСССР были проведены исследования, в результате которых удалось установить рольмикроорганизмов в образовании нефти. Т.Л. Гинзбург-Карагичева, открывшаяприсутствие в нефти разнообразнейших микроорганизмов, привела в своих исследованияхмного новых, интересных сведений. Она установила, что в нефтях, ранеесчитавшихся ядом для бактерий, на больших глубинах идёт кипучая жизнь, непрекращавшаяся миллионы лет подряд.
Целыйряд бактерий живёт в нефти и питается ею, меняя, таким образом, химическийсостав нефти. Академик И.М. Губкин в своей теории нефтеобразования придавалэтому открытию большое значение. Гинзбург-Карагичевой установлено, что бактериинефтяных пластов превращают различные органические продукты в битуминозные.
Поддействием ряда бактерий происходит разложение органических веществ и выделяетсяводород, необходимый для превращения органического материала в нефть.
IV. Состав нефти.
1. Состав нефти и химические свойства.
Нефть – это горная порода. Она относится к группеосадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др.Мы привыкли считать, что порода – это твердое вещество, из которого состоитземная кора и более глубокие недра Земли. Оказывается, есть и жидкие породы, идаже газообразные. Одно из важных свойств нефти – способность гореть.В зависимости от месторождения нефть имеет различныйкачественный и количественный состав. Нефти состоят главным образом из углерода– 79,5-87,5% и водорода – 11,0-14,5% от массы нефти. Кроме них в нефтяхприсутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. Их общее количествообычно составляет 0,5-8%. В незначительных концентрациях в нефтях встречаютсяэлементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций,марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий. Их общее содержание непревышает 0,02-0,03% от массы нефти. Указанные элементы образуют органические инеорганические соединения, из которых состоят нефти. Кислород и азот находятсяв нефтях только в связанном состоянии. Сера может встречаться в свободномсостоянии или входить в состав сероводорода.
В состав нефти входит около 425 углеводородныхсоединений. Главную часть нефтей составляют три группы УВ: метановые,нафтеновые и ароматические. По углеводородному составу все нефти подразделяютсяна: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые,4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6)метаново-ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этойклассификации ставится название углеводорода, содержание которого в составенефти меньше.
Метановые УВ (алкановые или алканы) химически наиболееустойчивы, они относятся к предельным УВ и имеют формулу CnH2n+2. Если количество атомов углерода в молекулеколеблется от 1 до 4 (СН4-С4Н10), то УВ представляетсобой газ, от 5 до 16 (C5H16-C16H34) то это жидкие УВ, а если оно выше 16 (С17Н36и т.д.) – твердые (например, парафин).
Нафтеновые (циклановые или алициклические) УВ (CnH2n) имеют кольчатоестроение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями. Все связиуглерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти обладаютустойчивыми свойствами.
Ароматические УВ, или арены (СnНn),наиболее бедны водородом. Молекула имеет вид кольца с ненасыщенными связямиуглерода. Они так и называются – ненасыщенными, или непредельными УВ. Отсюда ихнеустойчивость в химическом отношении.
Наряду с углеводородами в нефтях присутствуютхимические соединения других классов. Обычно все эти классы объединяют в однугруппу гетеросоединений (греч. “гетерос” – другой). В нефтях также обнаруженоболее 380 сложных гетеросоединений, в которых к углеводородным ядрамприсоединены такие элементы, как сера, азот и кислород. Большинство изуказанных соединений относится к классу сернистых соединений – меркаптанов. Этоочень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами они образуютсолеобразные соединения – меркаптиды. В нефтях меркаптаны представляют собойсоединения, в которых к углеводородным радикалам присоединена группа SH./> />
Метилмеркаптан.
Меркаптаны разъедают трубы и другое металлическоеоборудование буровых установок и промысловых объектов.
В нефтях так же выделяют неуглеводородные соединения:асфальто-смолистую части, порфирины, серу и зольную часть.
Асфальто-смолистая часть нефтей – это темноокрашенноевещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называетсяасфальтеном, нерастворившаяся – смолой. В составе смол содержится кислород до93 % от общего его количества в нефтях.
Порфирины– особые азотистые соединения органического происхождения. Считают, что ониобразованы из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре200-250оС порфирины разрушаются.
Сера широко распространена в нефтях и в углеводородномгазе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений(сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5%, но бывает изначительно больше. Так, например, в газе Астраханского месторождениясодержание Н2S достигает 24 %.
Зольная часть – остаток, получающийся при сжиганиинефти. Это различные минеральные соединения, чаще всего железо, никель,ванадий, иногда соли натрия.
Кислород в нефтях встречается в связанном состояниитакже в составе нафтеновых кислот (около 6%) – CnH2n-1(COOH),фенолов (не более 1%) – C6H5OH, а также жирных кислот и их производных – C6H5O6(P). Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основнаяего масса содержится в смолах. Содержание смол в нефтях может достигать 60% отмассы нефти, асфальтенов – 16%.
Асфальтеныпредставляют собой черное твердое вещество. По составу они сходны со смолами,но характеризуются иными соотношениями элементов. Они отличаются большимсодержанием железа, ванадия, никеля и др. Если смолы растворяются в жидкихуглеводородах всех групп, то асфальтены нерастворимы в метановых углеводородах,частично растворимы в нафтеновых и лучше растворяются в ароматических. В“белых” нефтях смолы содержатся в малых количествах, а асфальтены вообщеотсутствуют.
2. Физическиесвойства.
Нефть – это вязкая маслянистая жидкость, темно-коричневого илипочти черного цвета с характерным запахом, обладающая слабой флюоресценцией,более легкая (плотность 0,73-0,97г/см3), чем вода, почтинерастворимая в ней. Нефть сильно варьирует по плотности (от легкой 0,65-0,70г/см3, до тяжелой 0,98-1,05 г/см3). Нефть и еепроизводные обладают наивысшей среди всех видов топлив теплотой сгорания. Теплоемкостьнефти 1,7-2,1 кДж/кг, теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина – 42 МДж/кг.Температура кипения зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов иколеблется от 50 до 550°С.
Различныекомпоненты нефти переходят в газообразное состояние при различной температуре.Легкие нефти кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.
Различиетемператур кипения углеводородов используется для разделения нефти натемпературные фракции. При нагревании нефти до 180-200°С выкипают углеводородыбензиновой фракции, при 200-250°С – лигроиновой, при 250-315°С –керосиново-газойлевой и при 315-350°С – масляной. Остаток представлен гудроном.В состав бензиновой и лигроиновой фракций входят углеводороды, содержащие 6-10атомов углерода. Керосиновая фракция состоит из углеводородов с C11-C13,газойлевая – C14-C17.
Важнымявляется свойство нефтей растворять углеводородные газы. В 1 м3 нефти может раствориться до 400 м3 горючих газов. Большое значение имеетвыяснение условий растворения нефти и природных газов в воде. Нефтяныеуглеводороды растворяются в воде крайне незначительно. Нефти различаются поплотности. Плотность нефти, измеренной при 20°С, отнесенной к плотности воды,измеренной при 4°С, называется относительной. Нефти с относительной плотностью0,85 называются легкими, с относительной плотностью от 0,85 до 0,90 – средними,а с относительной плотностью свыше 0,90 – тяжелыми. В тяжелых нефтях содержатсяв основном циклические углеводороды. Цвет нефти зависит от ее плотности:светлые нефти обладают меньшей плотностью, чем темные. А чем больше в нефтисмол и асфальтенов, тем выше ее плотность. При добыче нефти важно знать еевязкость. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамическойвязкостью называется внутреннее сопротивление отдельных частиц жидкостидвижению общего потока. У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. Придобыче и дальнейшей транспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематическойвязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности среды. Большоезначение имеет знание поверхностного натяжения нефти. При соприкосновении нефтии воды между ними возникает поверхность типа упругой мембраны. Капиллярныеявления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горнойпородой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелкихтрещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов используютсяспециальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Нефти имеют неодинаковыеоптические свойства. Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способнасветиться. При этом легкие нефти светятся голубым светом, тяжелые – бурым ижелто-бурым. Это используется при поиске нефти. Нефть является диэлектриком иимеет высокое удельное сопротивление. На этом основаны электрометрическиеметоды установления в разрезе, вскрытом буровой скважиной, нефтеносных пластов.
V.Методы и способы переработки нефти.
1. Подготовка нефти к переработке.
Добываемая напромыслах нефть, помимо растворенных в ней газов, содержит некоторое количествопримесей – частицы песка, глины, кристаллы солей и воду. Содержание твердыхчастиц в неочищенной нефти обычно не превышает 1,5%, а количество воды можетизменяться в широких пределах. С увеличением продолжительности эксплуатацииместорождения возрастает обводнение нефтяного пласта и содержание воды вдобываемой нефти. В некоторых старых скважинах жидкость, получаемая из пласта,содержит 90% воды. В нефти, поступающей на переработку, должно быть не более0,3% воды. Присутствие в нефти механических примесей затрудняет еетранспортирование по трубопроводам и переработку, вызывает эрозию внутреннихповерхностей труб нефтепроводов и образование отложений в теплообменниках,печах и холодильниках, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи,повышает зольность остатков от перегонки нефти (мазутов и гудронов),содействует образованию стойких эмульсий. Кроме того, в процессе добычи итранспортировки нефти происходит весомая потеря легких компонентов нефти(метан, этан, пропан и т.д., включая бензиновые фракции) – примерно до 5% отфракций, выкипающих до 100°С.
С целью понижения затрат на переработку нефти,вызванных потерей легких компонентов и чрезмерным износом нефтепроводов иаппаратов переработки, добываемая нефть подвергается предварительной обработке.
Для сокращения потерь легких компонентов осуществляютстабилизацию нефти, а также применяют специальные герметические резервуарыхранения нефти. От основного количества воды и твердых частиц нефть освобождаютпутем отстаивания в резервуарах на холоду или при подогреве. Окончательно ихобезвоживают и обессоливают на специальных установках.
Однако вода и нефтьчасто образуют трудно разделимую эмульсию, что сильно замедляет или дажепрепятствует обезвоживанию нефти. В общем случае эмульсия есть система из двухвзаимно нерастворимых жидкостей, в которых одна распределена в другой вовзвешенном состоянии в виде мельчайших капель. Существуют два типа нефтяныхэмульсий: нефть в воде, или гидрофильная эмульсия, и вода в нефти, илигидрофобная эмульсия. Чаще встречается гидрофобный тип нефтяных эмульсий.Образованию стойкой эмульсии предшествуют понижение поверхностного натяжения награнице раздела фаз и создание вокруг частиц дисперсной фазы прочногоадсорбционного слоя. Такие слои образуют третьи вещества – эмульгаторы. Кгидрофильным эмульгаторам относятся щелочные мыла, желатин, крахмал.Гидрофобными являются хорошо растворимые в нефтепродуктах щелочноземельные солиорганических кислот, смолы, а также мелкодисперсные частицы сажи, глины,окислов металлов и т.п., легче смачиваемые нефтью чем водой.
Существуют триметода разрушения нефтяных эмульсий:
· механический:
отстаивание –применяется к свежим, легко разрушимым эмульсиям. Расслаивание воды и нефтипроисходит вследствие разности плотностей компонентов эмульсии. Процессускоряется нагреванием до 120-160°С под давлением 8-15 атмосфер в течение 2-3ч, не допуская испарения воды.
центрифугирование –отделение механических примесей нефти под воздействием центробежных сил. Впромышленности применяется редко, обычно сериями центрифуг с числом оборотов от350 до 5000 в мин., при производительности 15-45 м3/ч каждая.
· химический:
разрушение эмульсийдостигается путем применения поверхностно-активных веществ – деэмульгаторов.Разрушение достигается а) адсорбционным вытеснением действующего эмульгаторавеществом с большей поверхностной активностью, б) образованием эмульсийпротивоположного типа (инверсия ваз) и в) растворением (разрушением)адсорбционной пленки в результате ее химической реакции с вводимым в системудеэмульгатором. Химический метод применяется чаще механического, обычно всочетании с электрическим.
· электрический:
при попаданиинефтяной эмульсии в переменное электрическое поле частицы воды, сильнеереагирующие на поле чем нефть, начинают колебаться, сталкиваясь друг с другом,что приводит к их объединению, укрупнению и более быстрому расслоению с нефтью.Установки, называемые электродегидраторами (ЭЛОУ – электроочистительныеустановки), с рабочим напряжением до 33000В при давлении 8-10 атмосфер,применяют группами по 6-8 шт. с производительностью 250-500 т нефти в суткикаждая. В сочетании с химическим методом этот метод имеет наибольшеераспространение в промышленной нефтепереработке.
Важным моментом является процесс сортировки и смешениянефти.
2. Сортировка и смешивание нефти.
Различные нефти ивыделенные из них соответствующие фракции отличаются друг от другафизико-химическими и товарными свойствами. Так, бензиновые фракции некоторыхнефтей характеризуются высокой концентрацией ароматических, нафтеновых илиизопарафиновых углеводородов и поэтому имеют высокие октановые числа, тогда какбензиновые фракции других нефтей содержат в значительных количествахпарафиновые углеводороды и имеют очень низкие октановые числа. Важное значениев дальнейшей технологической переработке нефти имеет серность, масляничностьсмолистость нефти и др. Таким образом, существует необходимость отслеживаниякачественных характеристик нефтей в процессе транспортировки, сбора и храненияс целью недопущения потери ценных свойств компонентов нефти.
Однако раздельныесбор, хранение и перекачка нефтей в пределах месторождения с большим числомнефтяных пластов весомо осложняет нефтепромысловое хозяйство и требует большихкапиталовложений. Поэтому близкие по физико-химическим и товарным свойствамнефти на промыслах смешивают и направляют на совместную переработку.
3. Выборнаправления переработки нефти.
Выбор направленияпереработки нефти и ассортимента получаемых нефтепродуктов определяетсяфизико-химическими свойствами нефти, уровнем технологии нефтеперерабатывающегозавода и настоящей потребности хозяйств в товарных нефтепродуктах. Различаюттри основных варианта переработки нефти:
· топливный,
· топливно-масляный,
· нефтехимический.
По топливномуварианту нефть перерабатывается в основном на моторные и котельные топлива.Топливный вариант переработки отличается наименьшим числом участвующихтехнологических установок и низкими капиталовложениями. Различают глубокую инеглубокую топливную переработку. При глубокой переработке нефти стремятсяполучить максимально возможный выход высококачественных и автомобильныхбензинов, зимних и летних дизельных топлив и топлив для реактивных двигателей.Выход котельного топлива в этом варианте сводится к минимуму. Таким образом, предусматриваетсятакой набор процессов вторичной переработки, при котором из тяжелых нефтяныхфракций и остатка – гудрона получают высококачественные легкие моторныетоплива. Сюда относятся каталитические процессы – каталитический крекинг,каталитический риформинг, гидрокрекинг и гидроочистка, а также термическиепроцессы, например коксование. Переработка заводских газов в этом случаенаправлена на увеличение выхода высококачественных бензинов. При неглубокойпереработке нефти предусматривается высокий выход котельного топлива.
Потопливно-масляному варианту переработки нефти наряду с топливами получаютсмазочные масла. Для производства смазочных масел обычно подбирают нефти свысоким потенциальным содержанием масляных фракций. В этом случае для выработкивысококачественных масел требуется минимальное количество технологическихустановок. Масляные фракции (фракции, выкипающие выше 350°С), выделенные изнефти, сначала подвергаются очистке избирательными растворителями: фенолом илифурфуролом, чтобы удалить часть смолистых веществ и низкоиндексныеуглеводороды, затем проводят депарафинизацию при помощи смесей метилэтилкетонаили ацетона с толуолом для понижения температуры застывания масла.Заканчивается обработка масляных фракций доочисткой отбеливающими глинами.Последние технологии получения масел используют процессы гидроочистки взаменселективной очистки и обработки отбеливающими глинами. Таким способом получаютдистиллятные масла (легкие и средние индустриальные, автотракторные и др.).Остаточные масла (авиационные, цилиндровые) выделяют из гудрона путем егодеасфальтизации жидким пропаном. При этом образуется деасфальт и асфальт.Деасфальт подвергается дальнейшей обработке, а асфальт перерабатывают в битумили кокс.
Нефтехимическийвариант переработки нефти по сравнению с предыдущими вариантами отличаетсябольшим ассортиментом нефтехимической продукции и в связи с этим наибольшимчислом технологических установок и высокими капиталовложениями.Нефтеперерабатывающие заводы, строительство которых проводилось в последние двадесятилетия, направлены на нефтехимическую переработку. Нефтехимический вариантпереработки нефти представляет собой сложное сочетание предприятий, на которыхпомимо выработки высококачественных моторных топлив и масел не толькопроводится подготовка сырья (олефинов, ароматических, нормальных иизопарафиновых углеводородов и др.) для тяжелого органического синтеза, но иосуществляются сложнейшие физико-химические процессы, связанные смноготоннажным производством азотных удобрений, синтетического каучука,пластмасс, синтетических волокон, моющих веществ, жирных кислот, фенола,ацетона, спиртов, эфиров и многих других химикалий.
4. Принципы первичной переработки нефти.
Нефть представляетсобой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводов,различных по молекулярному весу и температуре кипения. Кроме того, в нефтисодержатся сернистые, кислородные и азотистые органические соединения. Дляпроизводства многочисленных продуктов различного назначения и со специфическимисвойствами применяют методы разделения нефти на фракции и группы углеводородов,а также изменения ее химического состава. Различают первичные и вторичныеметоды переработки нефти:
· к первичным относят процессыразделения нефти на фракции, когда используются ее потенциальные возможности поассортименту, количеству и качеству получаемых продуктов и полупродуктов –перегонка нефти;
· ко вторичным относят процессыдеструктивной переработки нефти и очистки нефтепродуктов, предназначенные дляизменения ее химического состава путем термического и каталитическоговоздействия. При помощи этих методов удается получить нефтепродукты заданногокачества и в больших количествах, чем при прямой перегонке нефти.
5. Перегонканефти.
БратьяДубинины впервые создали устройство для перегонки нефти. Завод Дубининых был очень прост. Котёл в печке, изкотла идёт труба через бочку с водой в пустую бочку. Бочка с водой –холодильник, пустая бочка – приёмник для керосина.
Различают перегонкус однократным, многократным и постепенным испарением. При перегонке соднократным испарением нефть нагревают до определенной температуры и отбираютвсе фракции, перешедшие в паровую фазу. Перегонка нефти с многократнымиспарением производится с поэтапным нагреванием нефти, и отбиранием на каждомэтапе фракций нефти с соответствующей температурой перехода в паровую фазу.Перегонку нефти с постепенным испарением в основном применяют в лабораторнойпрактике для получения особо точного разделения большого количества фракций.Отличается от других методов перегонки нефти низкой производительностью.
Процесс первичнойпереработки нефти (прямой перегонки), с целью получения нефтяных фракций,различающихся по температуре кипения без термического распада, осуществляют вкубовых или трубчатых установках при атмосферном и повышенном давлениях или ввакууме. Трубчатые установки отличаются более низкой достаточной температуройперегоняемого сырья, меньшим крекингом сырья, и большим КПД. Поэтому насовременном этапе нефтепереработки трубчатые установки входят в состав всех нефтеперерабатывающихзаводов и служат поставщиками как товарных нефтепродуктов, так и сырья длявторичных процессов (термического и каталитического крекинга, риформинга).
В настоящее время перегонку нефти в промышленности производят нанепрерывно действующих трубчатых установках.У них устраивается трубчатая печь, для конденсации и разделения паровсооружаются огромные ректификационные колонны, а для приёма продуктов перегонкивыстраиваются целые городки резервуаров.
Трубчатая печь представляет собой помещение,выложенное внутри огнеупорным кирпичом. Внутри печи расположен многократноизогнутый стальной трубопровод. Длинатруб в печах достигает километра. Когда заводработает, по этим трубам непрерывно, с помощьюнасоса, подаётся нефть с большой скоростью – до двух метров в секунду. Печь обогревается горящим мазутом, подаваемым в неё припомощи форсунок. В трубопроводе нефть быстро нагревается до 350-370°. Притакой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.
Так как нефть – это смесь углеводородовразличного молекулярного веса, имеющих разные температуры кипения, топерегонкой её разделяют на отдельные нефтепродукты. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:бензин (tкип 90-200°С),лигроин (tкип 150-230°С), керосин (tкип 180-300°С), легкийгазойль – соляровое масло (tкип230-350°С), тяжелый газойль (tкип350-430°С), а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут (tкип выше 430°С). Мазут подвергают дальнейшей переработке.Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) ивыделяют смазочные масла.
При перегонке соднократным испарением нефть нагревают в змеевике какого-либо подогревателя дозаранее заданной температуры. По мере повышения температуры образуется всебольше паров, которые находятся в равновесии с жидкой фазой, и при заданнойтемпературе парожидкостная смесь покидает подогреватель и поступает вадиабатический испаритель. Последний представляет собой пустотелый цилиндр, вкотором паровая фаза отделяется от жидкой. Температура паровой и жидкой фаз вэтом случае одна и та же.
Перегонка смногократным испарением состоит из двух или более однократных процессовперегонки с повышением рабочей температуры на каждом этапе.
Четкость разделениянефти на фракции при перегонке с однократным испарением хуже по сравнению сперегонкой с многократным и постепенным испарением. Но если высокой четкостиразделения фракций не требуется, то метод однократного испарения экономичнее:при максимально допустимой температуре нагрева нефти 350-370°С (при болеевысокой температуре начинается разложение углеводородов) больше продуктовпереходит в паровую фазу по сравнению с многократным или постепеннымиспарением. Для отбора из нефти фракций, выкипающих выше 350-370°С, применяютвакуум или водяной пар. Использование в промышленности принципа перегонки соднократным испарением в сочетании с ректификацией паровой и жидкой фазпозволяет достигать высокой четкости разделения нефти на фракции, непрерывностипроцесса и экономичного расходования топлива на нагрев сырья.
6. Устройствои действие ректификационной тарельчатой колонны.
/>В зависимости от внутреннего устройства,обеспечивающего контакт между восходящими парами и нисходящей жидкостью(флегмой), ректификационные колонны делятся на насадочные, тарельчатые,роторные и др. В зависимости от давления они делятся на ректификационныеколонны высокого давления, атмосферные и вакуумные. Первые применяют впроцессах стабилизации нефти и бензина. Атмосферные и вакуумныеректификационные колоны в основном применяют при перегонке нефтей, остаточныхнефтепродуктов и дистилляторов.
Принципиальнаясхема для промышленной перегонки нефти приведена на рисунке. Исходная нефтьпрокачивается насосом через теплообменники 4, где нагревается под действиемтепла отходящих нефтяных фракций и поступает в огневой подогреватель (трубчатуюпечь) 1. В трубчатой печи нефть нагревается до заданной температуры и входит виспарительную часть (питательную секцию) ректификационной колонны 2. В процессенагрева часть нефти переходит в паровую фазу, которая при прохождении трубчатойпечи все время находится в состоянии равновесия с жидкостью. Как только нефть ввиде парожидкостной смеси выходит из печи и входит в колонну (где в результатеснижения давления дополнительно испаряется часть сырья), паровая фазаотделяется от жидкой и поднимается вверх по колонне, а жидкая перетекает вниз.Паровая фаза подвергается ректификации в верхней части колонны. Вректификационной колонне размещены ректификационные тарелки, на которыхосуществляется контакт поднимающихся по колонне паров со стекающей жидкостью(флегмой). Флегма создается в результате того, что часть верхнего продукта,пройдя конденсатор-холодильник 3, возвращается на верхнюю тарелку и стекает нанижележащие, обогащая поднимающиеся пары низкокипящими компонентами.
Для ректификациижидкой части сырья в нижней части ректификационной части колонны под нижнюютарелку необходимо вводить тепло или какой-либо испаряющий агент 5. Врезультате легкая часть нижнего продукта переходит в паровую фазу и тем самымсоздается паровое орошение. Это орошение, поднимаясь с самой нижней тарелки ивступая в контакт со стекающей жидкой фазой, обогащает последнюю высококипящимикомпонентами.
В итоге сверхуколонны непрерывно отбирается низкокипящая фракция, снизу – высококипящийостаток.
Испаряющий агентвводится в ректификационную колону с целью повышения концентрации высококипящихкомпонентов в остатке от перегонки нефти. В качестве испаряющего агентаиспользуются пары бензина, лигроина, керосина, инертный газ, чаще всего –водяной пар.
В присутствии водяногопара в ректификационной колонне снижается парциальное давление углеводородов, аследовательно их температура кипения. В результате наиболее низкокипящиеуглеводороды, находящиеся в жидкой фазе после однократного испарения, переходятв парообразное состояние и вместе с водяным паром поднимаются вверх по колонне.Водяной пар проходит всю ректификационную колонну и уходит с верхним продуктом,понижая температуру в ней на 10-20°С. На практике применяют перегретый водянойпар и вводят его в колонну с температурой, равной температуре подаваемого сырьяили несколько выше (обычно не насыщенный пар при температуре 350-450°С поддавлением 2-3 атмосферы).
Влияние водяногопара заключается в следующем:
· интенсивно перемешивается кипящаяжидкость, что способствует испарению низкокипящих углеводородов;
· создается большая поверхностьиспарения тем, что испарение углеводородов происходит внутрь множествапузырьков водяного пара.
Расход водяногопара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы и условий внизуколонны. Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобыпримерно 25% ее переходило в парообразное состояние.
В случае примененияв качестве испаряющего агента инертного газа происходит большая экономии тепла,затрачиваемого на производство перегретого пара, и снижение расхода воды,идущей на его конденсацию. Весьма рационально применять инертный газ приперегонке сернистого сырья, т.к. сернистые соединения в присутствии влагивызывают интенсивную коррозию аппаратов. Однако инертный газ не получилширокого применения при перегонке нефти из-за громоздкости подогревателей газаи конденсаторов парогазовой смеси (низкого коэффициента теплоотдачи) итрудности отделения отгоняемого нефтепродукта от газового потока.
Удобно в качествеиспаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции –лигроино-керосино-газойлевую фракцию, т.к. это исключает применение открытоговодяного пара при перегонке сернистого сырья, вакуума и вакуумсоздающейаппаратуры и, в то же время, избавляет от указанных сложностей работы синертным газом.
Чем нижетемпература кипения испаряющего агента и больше его относительное количество,тем ниже температура перегонки. Однако чем легче испаряющий агент, тем большеего теряется в процессе перегонки. Поэтому в качестве испаряющего агентарекомендуется применять лигроино-керосино-газойлевую фракцию.
В результатеперегонки нефти при атмосферном давлении и температуре 350-370°С остаетсямазут, для перегонки которого необходимо подобрать условия, исключающиевозможность крекинга и способствующие отбору максимального количествадистилляторов. Самым распространенным методом выделения фракций из мазутаявляется перегонка в вакууме. Вакуум понижает температуру кипения углеводородови тем самым позволяет при 410-420°С отобрать дистилляты, имеющие температурыкипения до 500°С (в пересчете на атмосферное давление). Нагрев мазута до 420°Ссопровождается некоторым крекингом углеводородов, но если получаемыедистилляторы затем подвергаются вторичным методам переработки, то присутствие следовнепредельных углеводородов не оказывает существенного влияния. При получениимасляных дистилляторов разложение их сводят к минимуму, повышая расход водяногопара, снижая перепад давления в вакуумной колонне и др. Существующиепромышленные установки способны поддерживать рабочее давление вректификационных колоннах 20 мм рт. ст. и ниже.
Рассмотренныеметоды перегонки нефти дают достаточно четкие разделения компонентов, однакооказываются непригодными, когда из нефтяных фракций требуется выделить индивидуальныеуглеводороды высокой чистоты (96-99%), которые служат сырьем длянефтехимической промышленности (бензол, толуол, ксилол и др.)
7. Устройстворектификационных тарелок.
/>В тарельчатых колоннах 1 для повышения площадисоприкосновения потоков пара и флегмы применяют большое число (30-40) тарелокспециальной конструкции. Флегма стекает с тарелки на тарелку по спускным трубам3, причем перегородки 4 поддерживают постоянный уровень слоя жидкости натарелке. Этот уровень позволяет постоянно держать края колпаков 2 погруженнымиво флегму. Перегородки пропускают для стока на следующую тарелку лишь избытокпоступающей флегмы. Принципом действия тарельчатой колонны является взаимноеобогащения паров и флегмы за счет прохождения под давлением паров снизу вверхсквозь слой флегмы на каждой тарелке. За счет того, что пар проходит флегму ввиде мельчайших пузырьков площадь соприкосновения пара и жидкости очень высока.
Конструкции тарелокразнообразны. Применяют сетчатые, решетчатые, каскадные, клапанные, инжекционныеи комбинированные тарелки. Конструкцию тарелок выбирают исходя из конкретныхтехнологических требований (степень четкости разделения фракций, требование кинтенсивности работы, необходимость изменения внутренней конструкции колонны,частота профилактических и ремонтных работ и др.)
8. Крекинг нефти.
Припервичной перегонке нефть подвергается только физическим изменениям. От неёотгоняются лёгкие фракции, т. е. отбираются части её, кипящие при низкихтемпературах и состоящие из разных по величине углеводородов. Сами углеводородыостаются при этом неизменёнными. Выход бензина, вэтом случае, составляет лишь 10-15%. Такое количество бензина не можетудовлетворить всё возрастающий спрос на него со стороны авиации иавтомобильного транспорта.
При крекинге нефтьподвергается химическим изменениям. Меняется строение углеводородов. Ваппаратах крекинг-заводов происходят сложные химические реакции. Выход бензинаиз нефти значительно увеличивается (до 65-70 %) путем расщепления углеводородовс длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшейотносительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом (от англ.crack – расщеплять).
Крекинг изобрёлрусский инженер Шухов в 1891 г. В 1913 г. изобретение Шухова начали применять в Америке. Крекингом называется процесс расщепления углеводородов,содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшимчислом атомов углерода в молекуле.
Процессведётся при более высоких температурах (до 600о), часто приповышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородовраздробляются на более мелкие.
Аппаратуракрекинг-заводов в основном та же, что и для перегонки нефти. Это – печи,колонны. Но режим переработки другой. Сырье тоже другое – мазут.
Мазут– остаток первичной перегонки – густ и тяжёл, его удельный вес близок кединице. Это потому, что он состоит из сложных и крупных молекул углеводородов.Когда на крекинг-заводе мазут снова подвергается переработке, частьсоставляющих его углеводородов раздробляется на более мелкие. А из мелкихуглеводородов как раз и составляются лёгкие нефтяные продукты – бензин,керосин, лигроин.
9.Термический крекинг.
Расщепление молекулуглеводородов протекает при более высокой температуре (470-550°С) и давлении 2-7МПа. Процесс протекает медленно,образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов углерода. Таким способомполучают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает70%.
В бензине,полученном в результате термического крекинга, наряду с предельнымиуглеводородами, содержится много непредельных углеводородов. Поэтому этотбензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки.
В бензинетермического крекинга содержится много непредельных углеводородов, которыелегко окисляются и полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив прихранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя. Дляустранения этого вредного действия к такому бензину добавляют окислители.
Если в нагреваемую на сильном пламенитрубку (заполненную железными стружками для улучшения теплопередачи) пускать изворонки по каплям керосин или смазочное масло, очищенные от непредельныхуглеводородов, то в U-образной трубке вскоре будет собиратьсяжидкость, а в цилиндре над водой – газ. Полученная жидкость, в отличие отвзятой для реакции, обесцвечивает бромную воду, т.е. содержит непредельныесоединения. Собранный газ хорошо горит и также обесцвечивает бромную воду.
Результаты опыта объясняются тем, что принагревании произошёл распад углеводородов, например:
C16H34 → C8H18 + C8H16
гексадекан октан октилен
Образовалась смесь предельных инепредельных углеводородов с меньшими молекулярными массами, аналогичнаябензину.
Получившиеся жидкие вещества частичномогут разлагаться далее, например:
C8H18 – C4H10 + C4H8
октан бутан бутилен
C4H10 – C2H8 + C2H4
бутан этан этилен
Эти реакции приводят к образованию большого количества газообразныхвеществ. Выделившийся в процессе крекинга этилен широко используется дляв качестве сырья для химической промышленности: производства полиэтилена иэтилового спирта.
Расщепление молекулуглеводородов протекает по радикальному механизму. Вначале образуются свободныерадикалы:
CH3 – (CH2)6 – CH2:CH2 – (CH2)6 – CH3 → CH3 – (CH2)6– CH2 + CH2 – (CH2)6– CH3
Свободные радикалыхимически очень активны и могут участвовать в различных реакциях. В процессекрекинга один из радикалов отщепляет атом водорода (а), а другой – присоединяет(б):
а) CН3– (СН2)6 – СН2 → СН3 – (СН2)5 – СН=СН2+ Н
1-октен
б) CH3 – (CH2)6 – CH2 + H →CH3 – (CH2)6 – CH3
октан
При температурах 700-1000°С проводят пиролиз(термическое разложение) нефтепродуктов, в результате которого получают главнымобразом легкие алкены – этилен, пропилен и ароматические углеводороды. Припиролизе возможно протекание следующих реакций:
CH3 – CH3 → CH2 = CH2 +H2
CH3 – CH2 – CH(CH3)– CH3 → CH2 – CH(CH3) – CH3 +CH4 и т.д.
10.Каталитический крекинг.
Расщеплениемолекул углеводородов протекает в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) и при температуре (450-500° С)и атмосферном давлении. Одним из катализаторов является специально обработаннаяглина. Эта глина в мелком раздробленном состоянии – в виде пыли – вводится ваппаратуру завода. Углеводороды, находящиеся в парообразном и газообразномсостоянии, соединяются с пылинками глины и раздробляются на их поверхности.Такой крекинг называется крекингом с пылевидным катализатором. Этот видкрекинга теперь широко распространяется. Катализатор потом отделяется отуглеводородов. Углеводороды идут своим путём на ректификацию и в холодильники,а катализатор – в свои резервуары, где его свойства восстанавливаются.
Главное внимание уделяют бензину. Его стараютсяполучить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появилсяименно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышениекачества бензина. По сравнению с термическим крекингом процесс протекаетзначительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекулуглеводородов, но и их изомеризация, т.е. образуютсяпредельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, чтоулучшает качество бензина.
Этим способом получают авиационный бензин с выходом до80%. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлеваяфракции нефти.
Бензинкаталитического крекинга по сравнению с бензином термического крекинга обладаетеще большей детонационной стойкостью, т.к. в нем содержатся углеводороды сразветвленной цепью углеродных атомов.
В бензинекаталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, ипоэтому процессы окисления и полимеризации в нем не протекают. Такой бензинболее устойчив при хранении.
11.Риформинг.
Риформинг – (отангл. reforming – переделывать, улучшать) промышленный процесспереработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высококачественныхбензинов и ароматических углеводородов. При этом молекулы углеводородов восновном не расщепляются, а преобразуются. Сырьем служит бензинолигроиноваяфракция нефти.
До 30-х годов 20века риформинг представлял собой разновидность термического крекинга ипроводился при 540°С для получения бензина с октановым числом 70-72.
С 40-х годовриформинг – каталитический процесс, научные основы которого разработаны Н.Д. Зелинским, атакже В.И. Каржевым, Б.Л. Молдавским. Впервые этот процесс был осуществлен в 1940 г в США.
Его проводят впромышленной установке, имеющей нагревательную печь и не менее 3-4 реакторовпри t 350-520°С, в присутствии различных катализаторов:платиновых и полиметаллических, содержащих платину, рений, иридий, германий идр. во избежание дезактивации катализатора продуктом уплотнения коксом,риформинг осуществляется под высоким давлением водорода, который циркулируетчерез нагревательную печь и реакторы. В результате риформинга бензиновыхфракций нефти получают 80-85 % бензин с октановым числом 90-95, 1-2% водорода иостальное количество газообразных углеводородов. Из трубчатой печи поддавлением нефть подается в реакционную камеру, где и находится катализатор,отсюда она идет в ректификационную колонну, где разделяется на продукты.
Для улучшения свойств бензиновых фракций нефти ониподвергаются каталитическому риформингу, который проводится в присутствиикатализаторов из платины или платины и рения. При каталитическом риформингебензинов происходит образование ароматических углеводородов (бензола, толуола,ксилола и др.) из парафинов и циклопарафинов, например:
CH3 – (CH2)5 – CH3 → C6H5CH3 + 4H2
Циклоалканы превращаются в ароматические соединения,подвергаются изомеризации, гидрированию. Ароматические углеводороды теряют пририформинге боковые цепи, например:
C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4 и т.д.
Ранее основнымисточником получения ароматических углеводородов была коксовая промышленность.
VI.Использование продуктов переработки нефти.
Внастоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являютсяжидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс),смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматическиесоединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты.
Наибольшее применение продукты переработки нефтинаходят в топливно-энергетической отрасли. Например, мазут обладает почти вполтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Онзанимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Заменатвердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водномтранспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитиюосновных отраслей промышленности и транспорта.
Бензин применяется в качестве горючего длядвигателей внутреннего сгорания. В зависимости от назначения он подразделяетсяна два основных сорта: авиационный и автомобильный. Бензин используется также вкачестве растворителя масел, каучука, для очистки тканей от жирных пятен и т.п. Керосин применяетсякак горючее для реактивных и тракторных двигателей, а также для бытовыхнужд. Он используется также для освещения. Соляровоемасло применяется в качестве горючего для дизелей. Смазочные масла для смазкиразличных механизмов. После перегонки мазута остаётся нелетучая тёмная масса – гудрон,идущая на асфальтирование улиц. Лигроин служит топливом для дизельныхдвигателей, а также растворителем в лакокрасочной промышленности. Большиеколичества его перерабатывают в бензин. Парафин применяют для получения высшихкарбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей,для изготовления свечей, гуталина и т.д.
Энергетическоенаправление в использовании нефти до сих пор остается главным во всем мире.Доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46%.
Однаков последние годы продукты переработки нефти все шире используются как сырье дляхимической промышленности. Около 8% добываемой нефти потребляются в качествесырья для современной химии. Например, этиловый спирт применяется примерно в150 отраслях производства. В химической промышленности применяютсяформальдегид, пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак,этиловый спирт и т.д.
Продуктыпереработки нефти применяются и в сельском хозяйстве. Здесь используются стимуляторыроста, протравители семян, ядохимикаты, азотные удобрения, мочевина, пленки дляпарников и т.д. В машиностроении и металлургии применяются универсальные клеи,детали и части аппаратов из пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применениенашел нефтяной кокс, как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажаидет на огнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяютсяполиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин,производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем для которых служатметиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и парфюрмернойпромышленности из производных переработки нефти изготовляют нашатырный спирт,хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные нефтесинтеза находятширокое применение и в деревообрабатывающей, текстильной, кожевенно-обувной истроительной промышленности.
VII. Заключение.
В последние годы (наряду с увеличением выработкитоплива и масел) углеводороды нефти широко используют как источник химическогосырья. Различными способами из них получают вещества, необходимые дляпроизводства пластмасс, синтетического текстильного волокна, синтетическогокаучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств, взрывчатых веществ,ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.
Нефтьостанется в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйстваи сырьем нефтехимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успеховв области поисков, разведки и разработки месторождений. Но ресурсы нефти вприроде ограничены. Бурное наращивание в течение последних десятилетий ихдобычи привело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятнорасположенных месторождений.
VIII. Список литературы:
1) Энциклопедия для детей “Аванта+”, том 17, химия,Москва 2000г.
2) В.А. Динков, “Нефтяная промышленность вчера, сегодня,завтра”, Москва, ВНИИОЭНГ 1988г.
3) “Нефтяная промышленность”, Москва, ВНИИОЭНГ №1 1994г
4) Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г.(электронная энциклопедия на 2 CD)
5) Газета “Новости недели”, №4, 29.01.03-04.02.03, стр.21
Приложение 3.
Наглядное изображение лабораторныхприборов для перегонки и крекинга нефти.
Перегонка нефти (лабораторный опыт).
/>
Крекинг керосина (лабораторный опыт).
/>