Нафта та нафтопереробка

Славутський спеціалізований  ліцей-інтернат поглибленої підготовки учнів в галузі науки 

Реферат на тему: Нафта та нафтопереробка

Підготувала

ліцеїстка 42 групи

Славутського ліцею-інтернату

Троцюк Галина

2011 рік

ПЛАН

ВСТУП

Нафта – це пальна масляниста рідина зі специфічним запахом, розповсюджена в осадовій оболонці Землі і яка є найважливішою корисною копалиною. [8]

Найголовнішою властивістю  нафти, які принесли їй світову славу  виняткових енергоносіїв, є її здатність  виділяти при згорянні значну кількість  тепла. Нафта і її похідні володіють  найвищою серед усіх видів палив  теплотою згоряння. Теплота згоряння нафти – 41 МДж/кг, бензину – 42 МДж/кг.

Сира нафта звичайно не застосовується. Для одержання з  нафти технічно цінних продуктів  її піддають переробці.

Первинна переробка нафти  полягає в її перегонці. Перегонку  здійснюють на нафтопереробних заводах після відділення з нафти супутніх газів. У процесі перегонки нафти одержують світлі нафтопродукти: бензин, лігроїн, гас, газойль — солярове масло, а в залишку — в'язку чорну рідину — мазут.

Мазут піддають подальшій  переробці. Його переганяють під  зменшеним тиском (щоб попередити розкладання) і виділяють мастила: веретенне, машинне, циліндрове та ін. З мазуту деяких сортів нафти виділяють вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгону називають нафтовим пеком або гудроном.

Продукти перегонки  нафти мають різне застосування.

Бензин у великих кількостях використовують як авіаційне й автомобільне пальне.

Лігроїн служить пальним для дизельних двигунів, а також розчинником у лакофарбовій промисловості. Велику кількість його переробляють на бензин.

Гас застосовують як пальне для реактивних і тракторних двигунів, а також для побутових потреб.

Солярове масло використовують як моторне пальне, а мастила — для змащення механізмів.

Вазелін використовують у медицині.

Парафін застосовують для одержання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників і олівців, для виготовлення свічок, гуталіну і т. д.

Гудрон — нелетка темна маса, після часткового окислення його застосовують для одержання асфальту.

Мазут, крім переробки на мастила і бензин, використовують як котельне рідке пальне.

Мастила, які виділяються під час перегонки мазуту, називають мінеральними (нафтовими) маслами на відміну від синтетичних масел, які одержують штучно (хоча всі масла є сумішами органічних сполук).

Нафтопродукти люди застосовують у всіх сферах життя, тому важливість нафти у повсякденному житті  людини важко переоцінити.

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА НАФТИ

1.1 НАФТА,  ЇЇ ПОХОДЖЕННЯ ТА РОЗПОВСЮДЖЕННЯ 

Нафта – це горюча рідка корисна копалина, складна суміш, головним чином складається з вуглеводів, з домішкою органічних сірчистих, азотних та смолистих речовин. Нафта являє собою маслянисту рідину червоно-коричневого, іноді майже чорного кольору; зустрічається слабозафарбована у жовто-зелений колір та іноді зовсім безкольорова нафта. [11]

Нафта – це продукт природного розкладання органічних залишків живих організмів у товщі земної кори. Під дією температури і тиску в присутності каталізаторів органічні речовини перетворилися на суміш рідких вуглеводнів різної будови і їхніх сполук з іншими елементами. [12]

Нафта – це пальна масляниста рідина зі специфічним запахом, розповсюджена в осадовій оболонці Землі і яка є найважливішою корисною копалиною. [8]

Існує ряд думок як про  вихідні для нафти речовини, так  і про причини і процеси, що обумовлюють її утворення. Більшість  дослідників в прихильниками  гіпотези органічного походження нафти. За цією гіпотезою, нафта — продукт складних перетворень у земній корі рослинних і тваринних залишків, похованих в осадках давніх морів. Припускають, що в процесі ущільнення донних морських осадів розсіяні в материнських породах нафтові вуглеводні видавлюються разом з водою і переміщуються у пористі породи — колектори. Різниця в матеріалі, з якого утворювалась нафта, надалі могла бути однією з причин утворення різних видів нафти. Існують також припущення, що нафта — продукт реакцій неорганічного синтезу, які відбуваються в глибоких зонах земної кори та у верхній частині мантії Землі. За іншими гіпотезами, нафтові вуглеводні належать до первинної космічної субстанції (поряд з залізом, силікатами і водою), яка ввійшла до складу земної кулі під час формування планет сонячної системи.

Т.Л. Гинзбург-Карагічева, що відкрила присутність у нафті  різноманітних мікроорганізмів, привела  у своїх дослідженнях багато нових, цікавих зведень. Вона установила, що в нафтах, що раніше вважалися отрутою  для бактерій, на великих глибинах йде кипуче життя, що не припинялося  мільйони років підряд. Цілий ряд  бактерій живе в нафті і харчується нею, змінюючи, таким чином, хімічний склад нафти.

Академік И.М.Губкін у  своїй теорії нафтоутворення додавав цьому відкриттю велике значення. Т.Л. Гинзбург-Карагічевой установлено, що бактерії нафтових шарів перетворюють різні органічні продукти в бітумінозні. Під дією ряду бактерій відбувається розкладання органічних речовин і виділяється водень, необхідний для перетворення органічного матеріалу в нафту.

Академіком Н.Д.Зелінським, професором В.А.Соколовим поруч з  іншими дослідниками велике значення в процесі нафтоутворення надавалось радіоактивним елементам. Дійсно, доведено, що органічні речовини під дією альфа-променів розпадаються швидше і при цьому  утворюється метан і ряд нафтових вуглеводнів. Академік Н.Д.Зелінський і його учні установили, що велику роль у процесі нафтоутворення грають каталізатори.

У більш пізніх роботах  академік Н.Д. Зелінський довів, що вхідні до складу тваринних і рослинних  залишків пальмитова, стеаринова й  інша кислоти при впливі хлористого алюмінію в умовах порівняно невисоких  температур (150-400о) утворять продукти, по хімічному складі, фізичним властивостям і зовнішньому вигляду схожі  на нафту. Професор А.В. Фрост установив, що замість хлористого алюмінію - каталізатора, відсутнього в природі, - його роль у процесі нафтоутворення грають звичайні глини, глинисті вапняки й  інші породи, що містять глинисті мінерали.

В даний час  установили, що нафта органічного  походження, тобто вона, як і вугілля, виникла в результаті перетворення органічних речовин.

Нафта здатна переміщуватися разом із своїми супутниками (вуглеводневими газами і водою) по тріщинах, розривах і пористих породах. Потрапляючи  в природні пастки (перегини складок, виклинювання пористої верстви тощо), нафта скупчується в них, тобто утворюються її родовища, що можуть бути об'єктом промислової експлуатації. Родовища нафти звичайно містяться в пісках, пісковиках і пористих або кавернозних вапняках (в поровому просторі осадових порід), а також у порожнинах і тріщинах щільних кристалічних та метаморфічних порід. Обов’язковими супутниками нафти є газ і мінералізовані води. В межах окремого родовища можна спостерігати чергування нафтоносних і водоносних верств, перемежованих верствами непроникних, здебільшого глинистих порід. Родовища нафти зустрічаються в будь-яких за віком геологічних формаціях, які містять пористі породи. Промислові поклади нафти трапляються навіть у зонах тріщинуватості кристалічних докембрійських порід. [12]

1.2 ФІЗИЧНІ  ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ НАФТИ  ТА ЇЇ КЛАСИФІКАЦІЯ 

До складу нафти входять  насичені вуглеводні (парафіни), ароматичні вуглеводні, нафтени, а також органічні  сполуки, що містять азот, кисень, сірку, деякі метали (залізо, ванадій, кобальт, мідь тощо). Залежно від геологічних  і геохімічних особливостей родовищ  нафти відносний вміст у ній  вуглеводнів, сірчистих сполук і нафтових смол неоднаковий. Найпростішими природними сумішами вуглеводнів є нафтові гази, у складі яких переважають газоподібні парафіни (метан, етан, пропан, бутан — нормальний та ізобутан). Природна нафта — густа масляниста флуоресціююча рідина, кольору від темно-бурого до чорного.

За складом нафта —  складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, головним чином рідких (в них розчинені тверді і газоподібні вуглеводні). Звичайно ці вуглеводні парафінові, ароматичні, циклоалкани, співвідношення яких в нафтах різних родовищ змінюється в широких межах. Крім вуглеводнів, нафта містить оксиген-, сульфур- і нітрогеновмісні органічні сполуки.

Залежно від переважного  вмісту вуглеводнів того чи іншого класу в нафтовій фракції з температурою кипіння 250-300 °С розрізняють такі основні види нафти:

1) метанова нафта, яка складається переважно з нерозгалужених алканів;

2) нафтенова нафта, яка складається в основному з циклічних неароматичних вуглеводнів — циклоалканів, або нафтенів;

3) змішана нафта, яка включає суміш алканів, нафтенів і ароматичних вуглеводнів. Змішана нафта зустрічається найчастіше.

Усі види нафти  мають домішки нітроген- і сульфурвмісних органічних сполук. [12]

Також існує класифікація нафти, в основу якої покладено такі ознаки:

· щільність;

· груповий склад фракцій, що википають при температурі  до 250-300°С;

· технологічна класифікація за потенційним вмістом основних компонентів.

Щільність нафти, як уже вказувалося, перебуває в межах 780 . 1040 кг/м3. Нафту щільністю нижче 900 кг/м3 називають легкою, вище 900 кг/м3 — важкою. У важких нафтах містяться в основному циклічні вуглеводні.

Колір нафти залежить від її щільності: світлі нафти мають меншу щільність, чим темні. А чим більше в нафті смол і асфальтенів, тим вище її щільність.

При видобутку нафти важливо  знати її в'язкість. Розрізняють динамічну і кінематичну в'язкість. Динамічною в'язкістю називається внутрішній опір окремих часток рідини руху загального потоку. У легкій нафті в'язкість менше, ніж у важкій. При видобутку і подальшому транспортуванні важкі нафти підігрівають.

Речовини, що входять до складу нафти, залежно від хімічної структури  і розмірів молекул, характеризуються різною температурою кипіння, в залежності від якої вони поділяються на фракції-групи речовин, що википають із суміші при визначених температурах.

В основу хімічної класифікації нафти покладений груповий склад  фракцій. Нафту відносять до класу  парафінових, нафтенових або ароматичних, якщо в ній має перевагу відповідний  ряд вуглеводнів.

Технологічна класифікація передбачена стандартом, будується  з урахуванням складу нафти і  потенційного вмісту в ній основних компонентів. [10]

1.3 ВИДОБУТОК  НАФТИ ТА ЇЇ ТРАНСПОРТУВАННЯ 

Видобуток нафти – галузь нафтової промисловості, яка видобуває нафту та газ, що її супроводжує з надр за допомогою бурових свердловин. Це сукупність технологічних прийомів видобування з земних надр нафти та супутніх їй газів, збирання цих продуктів і попереднього очищення їх від води та твердих домішок.

Задачами видобутку  нафти є:

· раціональна розробка нафтових залягань найбільш сучасними засобами, з мінімальними затратами енергії  та праці;

· організація збору та попередньої обробки видобутої  сировини з найменшими втратами нафти  та газу.

Нафта залягає у нафтовмісних пластах (переважно піщаних), які часто містять ще й нафтові води та нафтовий газ. Газ заповнює верхню частину пласта, утворюючи так звану газову шапку, нафта підстеляє газ, вода — нафту. В більшості нафтоносних пластів нафта перебуває під так званим пластовим тиском, який зумовлюється:

а) тиском води, що оточує нафту;

б) тиском газу у газовій  шапці;

в) тиском газу, розчиненого у нафті;

г) вагою нафти.

Відповідно розрізняють  такі режими нафтоносних пластів:

а) водонапірний (найбільш сталий, нафтовіддача 60—90%);

б) газонапірний (нафтовіддача 30—60%);

в) режим розчиненого газу (нафтовіддача 20—40%);

г) гравітаційний (з малою нафтовіддачею).

В природних умовах найчастіше трапляються пласти зі змішаним режимом. Нафтоносні пласти розробляють головним чином буровими свердловинами, до яких нафта надходить внаслідок різниці між пластовим тиском і тиском у вибої свердловини (незначну кількість нафти видобувають шахтним і відкритим способами). Розрізняють три способи експлуатації свердловин: фонтанний, компресорний і глибинонасосний.

При фонтанному способі використовують природне фонтанування нафти з свердловини, яке відбувається тоді, коли пластовий тиск перевищує тиск стовпа газованої нафти у свердловині. Щоб зменшити втрати тиску, устя свердловини герметизують спеціальною арматурою. Арматура має труби з засувками, за допомогою яких струмінь нафти спрямовують у герметизовані баки — трапи, де нафту відділяють від газу. Добовий дебіт свердловини при фонтанному способі іноді становить 400—500 т. Видобування нафти фонтанним способом, найбільш дешевим, простим і продуктивним, становить понад половину світового її видобутку.

З пластів, тиск яких недостатній  для природного фонтанування, нафту  видобувають за допомогою компресорів і насосів. При компресорному способі у свердловину по трубах (ліфтах) нагнітають стиснений до 40—50 атм. нафтовий газ (спосіб газліфт) або повітря (спосіб ерліфт), які, змішуючись з нафтою, зменшують її вагу, і свердловина починає фонтанувати. Найпоширеніші дворядні ліфти (рис. 1.1) з концентричним розміщенням труб.

Компресорний спосіб застосовують головним чином для видобування  нафти з великим вмістом піску, а також при експлуатації викривлених свердловин.

Рис. 1.1. Схема роботи газліфтів.

а – дворядна, б – півтора рядна, в - однорядна 

При глибино-насосному способі  нафту видобувають за допомогою станка-качалки, яка через систему штанг приводить в дію насос, занурений у свердловину. За добу станок-качалка викачує з пласта в середньому до 10 т нафти. Поряд з штанговими застосовують відцентрові занурені насоси з приводом від вибійного електродвигуна. Глибинонасосний спосіб — найпоширеніший (за кількістю свердловин) спосіб нафтовидобуванні.

Щоб підвищити нафтовидобування, застосовують способи штучного підтримування пластового тиску, за якими через нагнітальні свердловини в пласт під тиском накачують воду або газ. Нагнітальні свердловини найчастіше розміщують за схемою так званого законтурного заводнення (за межами нафтових покладів, тобто за контуром нафтоносності, рис. 1.2). Заводнення буває також приконтурне і внутріконтурне. Якщо ширина нафтових покладів перевищує 8—10 км, застосовують комбіноване заводнення. Для збільшення проникності нафтовмісних пластів у привибійній зоні у свердловину накачують в'язку рідину під великим тиском (метод гідравлічного розривання пласта), підривають у вибої вибухову речовину, обробляють вибій кислотами тощо.

На виснажених родовищах  для видобування залишків нафти  застосовують вторинні методи нафтовидобування. Найпоширеніші з них (площове  заводнення і площове накачування газу) полягають у розосередженому нагнітанні води або газу у поклади по всій площі їхньої нафтоносності. Якщо поклади дуже обводнені, тоді застосовують форсоване відбирання пластової рідини потужними насосними агрегатами. Попередньо очищену на нафтопромислах нафту по нафтопроводах перекачують у нафтосховища. Процеси нафтовидобування значною мірою автоматизовані і механізовані.

Рис. 1.2. Схема за контурного заводнення

1 – контур нафтоносності; 2 – експлуатаційні свердловини; 3 – нагнітальні за контурні  свердловини. 

Сира нафта безпосередньо  не використовується. Для отримання  з неї технічно цінних продуктів, головним чином бензину, моторних мастил, сировини для хімічної промисловості, її необхідно переробити. [12]

РОЗДІЛ 2. НАФТОПЕРЕРОБКА

2.1 ОСНОВНІ  ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ ПЕРЕРОБКИ  НАФТИ 

Нафтопереробка – сукупність технологічних прийомів, які застосовуються для отримання товарних продуктів з сирої нафти.

Основні технологічні процеси переробки нафти складаються  з наступних операцій:

1) обезвожування та обезсолювання; 

2) стабілізація;

3) перегонка; 

4) крекінг; 

5) очистка. 

2.1.1 Обезвожування,  обезсолювання та стабілізація  нафти

Видобута з надр нафта  зазвичай містить сильномінералізовану бурову воду. Перегонка такої нафти  складна та невигідна. Від бурової  води та механічних домішок нафта  може бути очищена тривалим відстоюванням  у резервуарі. Підігрів знижує в'язкість  нафти та пришвидшує відстоювання води. У багатьох випадках суміш нафти  та бурової води створює стійку емульсію. Деемульгування нафти успішно відбувається термохімічним чи електричним способами. При термохімічному методі в емульсовану  нафту вводяться при температурі 50о-70 оС деемульгатори, наприклад натрієві солі сульфокислот. Більше застосування отримав електричний метод, заснований на дії електричного поля високої  напруги на емульсію; в результаті чого відбувається швидке відокремлення  води від нафти.

Добута нафта містить  розчинені гази – метан та його гомологи. При транспортуванні нафти  та її зберіганні розчинені гази випаровуються, але забирають із собою і більш  важкі вуглеводні. Для того, щоб  завадити цьому застосовується герметизація нафтосховищ чи обладнуються резервуари з плаваючими кришками тощо. Гази та легкі бензинові фракції в  подальшому переробляються на газобензинових установках з отриманням так званого  газового бензину та зжиженого сухого газу. [11]

2.1.2 Пряма  або фракційна перегонка нафти

Практично вся сира нафта  після попереднього очищення піддається перегонці на фракції, фракційна  перегонка заснована на різниці  в температурі кипіння окремих  фракцій вуглеводнів, близьких за фізичними  властивостями.

Кипіння суміші починається  при температурі, рівній середній температурі  кипіння складових частин. При  цьому в пароподібну фазу переважно  переходять низькокиплячі компоненти, а в рідкій залишаються висококиплячі. Якщо пароподібну фазу, що утворилася, відвести й остудити, з неї конденсується  рідка фаза. У цю фазу перейдуть  переважно висококиплячі компоненти, а в пароподібній фазі залишаться переважно леткі компоненти.

Таким чином з вихідної суміші одержують три фракції. Одна з них, що залишилася рідкою при кипінні, містить переважно висококиплячі  компоненти; друга, що сконденсувалася. має склад, близький до складу вихідної суміші; третя, пароподібна, містить  переважно низькокиплячі компоненти.

За рахунок однократних  або багаторазових процесів кипіння  і конденсації отриманих фракцій  можна домогтися досить повного  поділу низько- і висококиплячих компонентів. Така перегонка дозволяє розділити  нафту на фракції за температурами  їхнього кипіння.

Технологічний процес перегонки складається з чотирьох операцій:

· нагрівання суміші,

· випаровування,

· конденсації,

· охолодження отриманих  фракцій.

Нагрівання нафти і  нафтопродуктів здійснюються в трубчастих печах, поділ сумішей на фракції  проводиться в ректифікаційних  колонах (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Ректифікаційна колона:

1- шолом; 

2- тарілки; 

3- люки для огляду;

4- переливна труба; 

5- з’єднувальна труба; 

6- каскадні тарілки кипіння  105-220 оС 

Нагріту суміш подають  у нижню частину колони. Тиск у  колоні нижче, ніж у трубках печі, тому суміш закипає і розділяється на дві фази: пароподібну і рідку. Рідкі продукти стікають униз, а  нари піднімаються нагору по колоні.

У верхню частину колони подається рідина, що зрошує, флегма — легка фракція, що протікає вниз з тарілки на тарілку по переливних патрубках. Пари, що знизу піднімаються, підходять під ковпак і барботують через шар рідини на тарілці. Зустрічаючись  з гарячими парами, що піднімаються, рідина що зрошує колону, нагрівається і частково випаровується. Пари, віддаючи їй тепло, конденсуються (конденсат  стікає в нижню частину колони). Цей процес багаторазово повторюється по усій висоті колони на кожній тарілці. Таким чином, на кожній тарілці утвориться флегма визначеного фракційного складу, а до верху колони доходять пари найбільш легкої фракції. Внизу колони збирається рідина, що містить найбільш важкі фракції.

Продукти прямої перегонки  нафти умовно розділяють на три групи: паливні фракції, масляні дистиляти  і гудрон. Найбільш цінна масляна  фракція — бензинова (температура  кипіння до 180—200 °С). Вихід бензинів при прямій перегонці нафти становить  тільки 3—15 %. Наступна масляна фракція  — лігроїни.

Звичайно вихід лігроїнової  фракції становить 7—10 %. Вихід керосинів— ще однієї масляної фракції з температурою кипіння 140—330 °С. Далі відокремлюється  газойль (температура кипіння 180—400 °С) з виходом 7—15% і, нарешті, мазут (температура кипіння вище 300 °С, містить, крім вуглеводнів, парафін, маслянисті і смолисті речовини), вихід якого  найбільший — 50—60%.

Масляні дистиляти відокремлюються  при температурі 350— 550 °С і складаються  з вуглеводнів, головним чином, циклічної  будови з нафтеновими або ароматичними ядрами і приєднаними до них парафіновими радикалами. Вихід масляних дистилятів з нафти становить 20—25 %.

Гудрон складається зі смолистих речовин, парафінів і  важких вуглеводнів циклічної будови, вихід його залежить від повноти .відгону мастил і звичайно становить 15—30 %.

Таким чином, первинна переробка  нафти дає лише грубі фракції  порівняно невисокого виходу і низької  якості. Тому більшість з цих фракцій  піддають додатковій вторинній термічній  переробці. [4]

2.1.3 Крекінг  нафтопродуктів

Крекінг нафтопродуктів полягає  в розщепленні довгих молекул  вуглеводів, що входять у висококиплячі  фракції, на більш короткі молекули легких, низько киплячих продуктів.

Термічний крекінг. Первинний прямий перегін нафти дає порівняно мало бензину – 4-25% з різних нафт. Збільшення виходу бензину досягається застосуванням вторинної переробки більш важких нафтових фракцій, а також мазуту за допомогою методів деструкції, що дозволяє підвищити вихід бензину в кілька разів.

У залежності від виду сировини і необхідної якості одержуваної  продукції в нафтопереробній  промисловості застосовують різні  технологічні способи переробки  сировини.

Без застосування каталізаторів: термічний крекінг у рідкій і  паровій фазах, піроліз, коксування, окиснювальний крекінг і окиснювальний  піроліз.

Із застосуванням каталізаторів: каталітичний крекінг, гідрогенізаційний  крекінг (деструктивна гідрогенізація), каталітична ароматизація (дегідрогенізаційний  крекінг).

В основі цих методів лежать процеси перетворення вуглеводнів, що складають нафту чи нафтопродукт, під впливом нагрівання до температур 400-700 °С и вище і при різному  тиску, у результаті чого одержують  газоподібні, рідкі і тверді продукти.

Термічний крекінг здійснюється в двох основних варіантах: у рідкій фазі (тиск 2-7 МПа, температура 450-500 °С) і в паровій фазі (тиск 0,2 - 0,5 МПа, температура 550-600 °С). При рідкофазному крекінгу більший вихід бензину  і менше газу, ніж при парофазному  крекінгу.

Крекінг нижчих алканів і  прямогінних бензинів, у складі яких є рідкі алкани, може служити джерелом одержання ненасичених вуглеводнів, тому що вони піддані в цих умовах в основному реакціям дегідрування. Середні і вищі алкани в умовах крекінгу розщеплюються на граничні і неграничні вуглеводні з меншою молекулярною масою.