Способы добычи и переработки нефти

Конференция на тему

Способы добычи и переработки нефти

Нефть

Горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

       Общие сведения

Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1—3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования — например, битуминозные пески и битумы.

По химическому составу  и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролитов. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также ископаемые твёрдые топлива.

История

В средние века интерес  к нефти, в основном, основывался  на её способности гореть. С VII века н.э. византийцы использовали так называемый греческий огонь (смесь нефти с негашеной известью), которая воспламенялась при увлажнении. Использовалась против вражеских кораблей: ей смазывали наконечники стрел или изготовляли примитивные гранаты. Сохранились сведения о «горючей воде — густе», привезённой с Ухты в Москву при Борисе Годунове.

До начала 18 века нефть  преимущественно использовалась в  натуральном, то есть непереработанном и неочищенном виде. Большое внимание на нефть в качестве полезного ископаемого было обращено только после того, как: было доказано, что из неё можно выделить керосин — осветительное масло, подобное фотогену, уже в то время вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев и получившему широкое распространение. Преимущественное использование переработанной нефти началось только во 2-й половине 19 века, чему способствовал возникший в это время новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев.

Происхождение

Нефть — результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях.

Нефтеобразование — стадийный, весьма длительный (обычно 50—350 млн лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

Осадконакопление — во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;

Биохимическая — процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;

Протокатагенез — опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5—2 км, при медленном подъёме температуры и давления;

Мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) — опускание пласта органических остатков на глубину до 3—4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;

Апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) — опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180—250 °C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает   метаногенерирующий потенциал.

И. М. Губкин выделял также стадию разрушения нефтяных

Физические свойства

Нефть — жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220—300 г/моль (редко 450—470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831—0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления^[9]. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжёлых не́фтей) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450—500 °C (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560—580 °C (90—95 %). Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоёмкость 1,7—2,1 кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7—46,2 МДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2,0—2,5; электрическая проводимость [удельная] от 2∙10⁻¹⁰ до 0,3∙10⁻¹⁸ Ом⁻¹∙см⁻¹.

Нефть — легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от — 35^[10] до +121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

Общий состав

Нефть представляет собой  смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C₁-C₄, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси.

Элементный состав нефти  и гетероатомные компоненты

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие — H₂S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70—90 % концентрируется в остаточных продуктах — мазуте и гудроне); азотсодержащие — преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола,карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие — нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005—0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10⁻⁵ — 10⁻²%), Ni(10⁻⁴−10⁻³%), Cl (от следов до 2·10⁻²%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

Классификация нефти по углеводородному  составу

Класс углеводородов, по которому нефти даётся наименование, должны присутствовать в количестве более 50 %. Если присутствуют углеводороды также и других классов и один из классов составляет не менее 25 %, выделяют смешанные типы нефти: метано-нафтеновые, нафтено-метановые, ароматическо-нафтеновые, нафтено-ароматические, ароматическо-метановые и метано-ароматические; в них первого компонента содержится более 25 %, второго — более 50 %.

Растворители нефти

По способности растворяться в органических жидкостях, в том  числе в:

• сероуглероде,
• хлороформе,
• спиртобензольной смеси

нефть, как и:

• другие петролиты,
• вещества, извлекаемые этими растворителями из торфа,
• вещества, извлекаемые этими растворителями из ископаемых углей

принято относить к группе битумов.

Добыча нефти

По способам современные  методы добычи флюидов или скважинной жидкости^{[источник не указан 936 дней]}(в том числе нефти) делятся на:

— фонтан (выход флюида осуществляется за счёт разности давлений)

— газлифт

— установка электроцентробежного насоса (УЭЦН)

— ЭВН установка электро-винтового  насоса (УЭВН)

— ШГН (штанговые насосы)

— другие

Как только нефть была добыта с  месторождения, ее обрабатывают химикатами и нагревают, чтобы удалить воду и соли, отделить природный газ. После  чего нефть хранится в цистернах  или же в целой системе сообщающихся цистерн, в которых они и переправляются по миру морем, по автодорогам или  по нефтепроводам.

Обычное дистиллирование. Основным звеном переработки нефти считается дистилляция. В США после гражданской войны были запущены более 100 дистилляционных предприятий. Сырая нефть начинает испаряться при температуре, чуть меньшей, чем требуется для кипения воды. Углеводороды, отличающиеся минимальным весом молекул, испаряются еще при низких температурах, тогда как для того, чтобы дистиллировать более крупные молекулы требуется значительно более высокие температуры. Первым продуктом, получающимся при перегонке нефти, является бензин, за ним отделяются нафтены и керосин. Осадок, остающийся в перегонном аппарате, обрабатывают каустической содой и серной кислотой, после чего продолжают дистилляцию паром. Смазочные вещества и дистиллятное нефтяное топливо получаются на верхних отделениях, воска и асфальт - в нижних отделениях дистиллятора.

В конце XIX века газолин и нафтены  считались ненужным побочным продутом, поскольку в них не было потребности. Спрос на керосин тоже стал постепенно снижаться ввиду распространения  электричества и использования  электрического освещения. С появлением автомобиля спрос на бензин подскочил  как никогда, равно как и спрос  на сырье.

Термическое растрескивание. В попытке  увеличить дебит продуктов, получающихся в результате дистилляции, был разработан метод термического растрескивания. В процессе растрескивания большие объемы сырой нефти под высоким давлением нагревались до высоких температур. В результате крупные молекулы углеводорода расщеплялись на более маленькие, тем самым процент бензина, получаемого из сырой нефти, тоже возрастал. Эффективность процесса была ограничена из-за высокой температуры и давления, необходимых для расщепления, кроме этого в реакционном аппарате оставался слишком значительный коксовый остаток. Это в свою очередь требует использования еще более высоких температур и еще более высокого давления, необходимого для того, чтобы заставить сырую нефть растрескаться. Как раз из-за этого был изобретен процесс коксования, суть которого заключается в рециркуляции жидкостей, этот процесс требует куда больше времени и отличается меньшим процентом коксового остатка.

Алкилирование. Алкилирование появилось в 1930 г. В процессе алкилляции маленькие молекулы, полученные методом термического растрескивания, переорганизовываются под действием катализатора. В результате чего образуются молекулы с разветвленной цепью в зоне кипения бензина, обладающие более высокими показателями, например повышенной антидетонационной способность, такой способностью обладает горючее, обеспечивающее работу двигателей современного самолета.

Крекинг. Крекингом называется процесс  расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Выход бензина  из нефти можно значительно увеличить (до 65-70 %) путем расщепления углеводородов  с длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшей  относительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом (от англ. Crack- расщеплять). Крекинг изобрел русский инженер В.Г. Шухов в 1891 г. В 1913 г изобретение Шухова начали применять в Америке. В настоящее время в США 65% всех бензинов получается на крекинг - заводах. На крекинг-заводах углеводороды не перегоняются, а расщепляются. Процесс ведётся при более высоких температурах (до 600^о), часто при повышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородов раздробляются на более мелкие.

Мазут густ и тяжёл, его удельный вес близок к единице. Это потому, что он состоит из сложных и  крупных молекул углеводородов. Когда мазут подвергается крекингу, часть составляющих его углеводородов  раздробляется на более мелкие. А из мелких углеводородов как раз и составляются лёгкие нефтяные продукты - бензин, керосин. Мазут – остаток первичной перегонки. На крекинг-заводе он снова подвергается переработке, и из него, так же как из нефти на заводе первичной перегонки, получают бензин, лигроин керосин.

При первичной перегонки нефть подвергается только физическим изменениям. От неё отгоняются лёгкие фракции, т. е. отбираются части её, кипящие при низких температурах и состоящие из разных по величине углеводородов. Сами углеводороды остаются при этом неизменёнными.

При крекинге нефть подвергается химическим изменениям. Меняется строение углеводородов. В аппаратах крекинг-заводов происходят сложные химические реакции. Эти реакции усиливаются, когда в аппаратуру вводят катализаторы. Одним из таких катализаторов является специально обработанная глина. Эта глина в мелком раздробленном состоянии – в виде пыли – вводится в аппаратуру завода. Углеводороды, находящиеся в парообразном и газообразном состоянии, соединяются с пылинками глины и раздробляются на их поверхности. Такой крекинг называется крекингом с пылевидным катализатором. Этот вид крекинга теперь широко распространяется. Катализатор потом отделяется от углеводородов. Углеводороды идут своим путём на ректификацию и в холодильники, а катализатор – в свои резервуары, где его свойства восстанавливаются. Катализаторы – крупнейшее достижение нефтепереработки.

На крекинг-установках всех систем получают бензин, лигроин, керосин, соляр и мазут. Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появился именно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышение качества бензина.

Риформинг – (от англ. Reforming – переделывать, улучшать) промышленный процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью получения высококачественных бензинов и ароматических углеводородов. При этом молекулы углеводородов в основном не расщепляются, а преобразуются. Сырьем служит бензинолигроиновая фракция нефти. С 40-х годов риформинг – каталитический процесс, научные основы которого разработаны Н.Д. Зелинским, а также В.И. Каржевым, Б.Л. Молдавским. Впервые этот процесс был осуществлен в 1940 г в США. Его проводят в промышленной установке, имеющей нагревательную печь и не менее 3-4 реакторов при t 350-520 ⁰ С, в присутствии различных катализаторов: платиновых и полиметаллических, содержащих платину, рений, иридий, германий и др. во избежание дезактивации катализатора продуктом уплотнения коксом, риформинг осуществляется под высоким давлением водорода, который циркулирует через нагревательную печь и реакторы. В результате риформинга бензиновых фракций нефти получают 80-85 % бензин с октановым числом 90-95, 1-2% водорода и остальное количество газообразных углеводородов. Из трубчатой печи под давлением нефть подается в реакционную камеру, где и находится катализатор, отсюда она идет в ректификационную колонну, где разделяется на продукты. Большое значение имеет риформинг для производства ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола и др.). Ранее основным источником получения этих углеводородов была коксовая промышленность.

Использование нефти

Из нефти выделяют разнообразные  продукты, имеющие большое практическое значение. В начале от нее отделяют растворенные углеводороды (преимущественно  метан). После отгонки летучих  углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в газообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой  температурой кипения. Таким образом, можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой  перегонке получают три основные фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению.

В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты. Эти продукты включают горючие газы, бензин, растворители, керосин, газойль, бытовое топливо, широкий состав смазочных масел, мазут, дорожный битум и асфальт; сюда относятся также парафин, вазелин, медицинские и различные инсектицидные масла. Масла из нефти используются как мази и кремы, а также в производстве взрывчатых веществ, медикаментов, чистящих средств, наибольшее применение продукты переработки нефти находят в топливно-энергетической отрасли. Например, мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта.

Энергетическое направление в  использовании нефти до сих пор  остается главным во всем мире. Доля нефти в мировом энергобалансе  составляет более 46%.

Однако в последние годы продукты переработки нефти все шире используются как сырье для химической промышленности. Около 8% добываемой нефти потребляются в качестве сырья для современной  химии. Например, этиловый спирт применяется  примерно в 150 отраслях производства. В  химической промышленности применяются  формальдегид (HCHO), пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак, этиловый спирт и т.д. Продукты переработки нефти применяются и в сельском хозяйстве. Здесь используются стимуляторы роста, протравители семян, ядохимикаты, азотные удобрения, мочевина, пленки для парников и т.д. В машиностроении и металлургии применяются универсальные клеи, детали и части аппаратов из пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применение нашел нефтяной кокс, как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажа идет на огнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяются полиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин, производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем, для которых служат метиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и парфюмерной промышленности из производных переработки нефти изготовляют нашатырный спирт, хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные нефтесинтеза находят широкое применение и в деревообрабатывающей, текстильной, кожевенно-обувной и строительной промышленности

Заключение

Нефть – ценнейшее природное  ископаемое, открывшее перед человеком  удивительные возможности "химического  перевоплощения". Всего производных  нефти насчитывается уже около 3 тысяч. Нефть занимает ведущее место  в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Ее доля в общем потреблении  энергоресурсов непрерывно растет. Нефть  составляет основу топливно-энергетических балансов всех экономически развитых стран. В настоящее время из нефти  получают тысячи продуктов.

Нефть останется в ближайшем  будущем основой обеспечения  энергией народного хозяйства и  сырьем нефтегазохимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успехов  в области поисков, разведки и  разработки нефтяных месторождений. Но ресурсы нефти в природе ограничены. Бурное наращивание в течение  последних десятилетий их добычи привело к относительному истощению  наиболее крупных и благоприятно расположенных месторождений.

В проблеме рационального использования  нефти большое значение имеет  повышение коэффициента их полезного  использования. Одно из основных направлений  здесь предполагает углубление уровня переработки нефти в целях  обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах и нефтехимическом  сырье. Другим эффективным направлением является снижение удельного расхода  топлива на производство тепловой и  электрической энергии, а также  повсеместное снижение удельного расхода  электрической и тепловой энергии  во всех звеньях народного хозяйства.

Нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Разведанные запасы нефти составляют (на 2004) 210 млрд т (1200 млрд баррелей), неразведанные — оцениваются в 52—260 млрд т (300—1500 млрд баррелей). Мировые разведанные запасы нефти оценивались к началу 1973 года в 100 млрд т (570 млрд баррелей). Таким образом, в прошлом разведанные запасы росли (также растёт и потребление нефти — за последние 35 лет оно выросло с 20 до 30 млрд баррелей в год). Однако, начиная с 1984 г., годовой объем мировой нефтедобычи превышает объём разведываемых запасов нефти.

Мировая добыча нефти в 2006 г. составляла около 3,8 млрд т в год, или 30 млрд баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной — ещё на 10—50 лет.

Несмотря на существование  таких прогнозов, правительство  России в 2009 году планировало увеличение добычи нефти к 2030 году до 530 млн т в год (в рамках Энергетической стратегии России на период до 2030 года)

Список литературы

1. Судо  М. М. Нефть и горючие газы  в современном мире. – М.: Недра, 1984.

2. Тарасенко  Г.В. Образование нефти и тектоника  плит скольжения// Международная  конференция "Геология, поиск  нефтяных и газовых месторождений  Прикаспийской впадины и территорий  Каспийского моря". 18-20 сентября 2007 г. РГУ нефти и газа им. Губкина,  г. Москва.

3. Стадников Г.Л. Происхождение углей и нефти // М.: – третье переработанное и дополненное издание АН СССР, - 1937, - с. 544.