Нефтегазовая промышленность и топливно-энергетический комплекс



жүктеу 3.85 Mb.
бет11/22
Дата29.08.2018
өлшемі3.85 Mb.
түріУчебно-методический комплекс
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   22


Контрольные вопросы


  1. Определение условного топлива.

  2. Тенденции изменения структуры энергопотребления.

  3. Достоинства и недостатки видов топлива.

  4. Будущее атомной энергии.

  5. Энергетическая политика зарубежных государств.

  6. Структура ТЭК России.

  7. Энергетическая стратегия РФ.

  8. Пути реализации энергосбережения в энергетике и промышленности.

  9. Примеры энергосбережения в быту.



ГЛАВА 3. Нефтегазовая промышленность

и топливно-энергетический комплекс
3.1. Нефть в истории цивилизации
Керосин - это свет бедняков.

/И.М. Губкин/


Нефть - чудесный дар природы. Роль и значение ее в современной жизни трудно переоценить. По-настоящему удивительные ее свойства бы­ли раскрыты только в недавнее время и то далеко не полностью, хотя человек познакомился с ней в глубокой древности - на заре цивили­зации. Особенно сильное впечатление производило на первобытного че­ловека пламя, появляющееся в различных местах нефтяных источников Оно вспыхивало иногда от случайных причин: при ударах молний, от искр костра, от зажженного факела. Если загоралось скопление неболь­шого количества, то пламя было кратковременным. Другое дело, когда из расщелин поступала непрерывная струя газа. Тогда вспыхивал "веч­ный огонь", вокруг которого воздвигались храмы, к нему стекались паломники, создавались религиозные культы, как, например, близ се­ления Сураханы на Апшеронском полуострове.

Горючесть нефти и трудность борьбы с возникающими пожа­рами привели в древности к использованию ее в качестве зажигающего и сжигающего средства при военных действиях. Факелы, горящие стре­лы, горшки, наполненные нефтью, метались со специальных машин на осаждаемые крепости и города.

Уже в седьмом веке нефть стала составной частью военного ору­жия под названием "греческий огонь", изобретенного сирийским греком Каллиником. История помнит, как нападавший на Византийскую империю арабский флот был полностью сожжен. Это настолько ошеломило напа­давших, что, сняв осаду Константинополя в 678 г., арабы более 30 лет не нападали на Византию. Правда, несколько позже, киевский князь Олег все-таки прибил свой щит на вратах Царьграда. А вот флот преемника Олега князя Игоря в 941 г. был вновь полностью сожжен. Причиной конфлик­та была такая удаленная провинция, как Тмутараканское княжество - для нас и сейчас символ глуши, а для Византии - нефть Кубани и Керченско­го полуострова. Наши предки тоже применяли это оружие. Рассказывает Ипатьевская летопись о событиях 1184 г.: "Пошел Кончак, со множеством половцев на Русь, пасутся яря пленити града русски и пожещи огнем, а бяще обрек такового бусурманина иже стреляща живым огнем".

В дальнейшем стали применять специальные светильники, конкурирующие с восковыми, сальными, масляными и тем более с лучинами. Теплота сгорания нефти больше, чем у других видов топлива: антрацита - в полтора раза, торфа - в два раза, дров - в четыре ра­за. Ее не умели сжигать в обычных топках. Только ве­ликое изобретение В.Г. Шухова позволило сжигать нефть в особого рода горелках-форсунках. Идея форсунки Шухова лежит в основе всех современных горелок для жидкостей и газов, и даже твердых веществ. Здесь можно было бы уместно вспомнить еще о двигателях внутреннего сгорания (I860 г.), дизелях (1897 г.), реактивных двигателях Э.К. Циалковского (1883 г.), работающих на продуктах переработки нефти, однако, желающим лучше воспользоваться специальной литературой.

Вернемся к нефти. Слово "нефть" происходит от иранского "нефа­та" - просачиваться, и от греческого "нафта" - горная смола. В Ла­тинских странах нефть называется "петролеум", что означает каменное (горное) масло. Существует еще целый ряд подобных определений, нап­ример, ойл, чудесный сок земли, земляное масло, "черное золото", "кровь индустрии" и т.д.

Говоря о нефти, вспоминаем еще о двух ее "родственниках-братьях" - газе и асфальте. Блестящим достижением XVII в. в области химии яви­лось доказательство материальности того, что не считалось веществом. Голландец Жан Батист ван Гельмонт дал название этому невидимке - "дух". Значительно позже появилось название "газ".

Асфальт получил свое название в древней Греции. "Асфалось"- по-гречески означает "вечный". Латинское название этого вещества - "битумен" - смола. Оба названия в значительной степени оправдывают себя. В настоящее время определение "асфальт" несколько трансформи­ровалось и означает смесь битума с тонко измельченными материалами, придающими битуму повышенную устойчивость при изменении температуры.

Асфальт в древности играл значительную роль при сооружении са­мых разнообразных строений. Археологи находят его в каменной кладке развалин дворцов, храмов и триумфальных арок. Им покрывали основания водоемов и крепили потолки туннелей.

На Среднем Востоке, на берегу Евфрата в местечке Иди, существовал смоляной промысел, где добывалась нефть и получали асфальт (это знаем достоверно). Всем известно одно из семи чудес света - ви­сячие сады Семирамиды. Однако вряд ли кто знает, что висячими они могли быть лишь благодаря асфальту. Земля поднятых на колонны са­дов, пруды и фонтаны покоились на основании с асфальтом. С тех, древних пор, уже разрушены дворцы, уничтожены сады, а некоторые пру­ды сохранились и поныне, а природный полимер - битум - все еще не ут­ратил своих гидроизоляционных свойств. Он служит и в километровом туннеле под дном реки Евфрат, где сухо, как в обычной квартире. Впечатление (по словам очевидцев) такое, будто тун­нель закончили строить вчера, а не 3000 лет назад. Как же перевози­лись или, может быть, переносились такие большие объемы битума? Ар­хеологи утверждают: речники Евфрата пользовались нефтеналивными су­дами. Это были суда, похожие на лукошко, сплетенное из прутьев и обмазанное густым битумом. Конечно, грузоподъемностью (около 5 тонн), да и быстроходностью протанкер не отличался (приводился в движение веслами). Первая нефтеналивная баржа была спроектирована и построе­на В.Г. Шуховым в конце прошлого века.

Ученый и путешественник Тур Хейердал после первого неудачного путешествия на папирусной лодке "Ра-1" получил много замечаний по строению своей лодки. Коллеги утверждали, что Ноев ковчег был об­работан битумом, и что библейский герой Моисей в младенчестве спасся тоже в папирусной лодке, обмазанной битумом. Вторая экспедиция "Ра-2" закончилась удачно, потому что торцы папирусных стеблей были пропитаны природным битумом.

Первая в России гидроизоляционная конструкция из асфальта нахо­дится в Петербурге, в Зимнем дворце. Она была применена в 1867 г. для устройства зимнего сада и надежно служит до сих пор.

Асфальт в качестве дорожного покрытия - не новейшее изобретение. Археологи обнаружили немало отрезков примитивных асфальтовых дорог, построенных шумерами, вавилонянами, ассирийцами. Неизвестна дата соз­дания таких дорог в Новом Свете на территории нынешнего Перу. Первые конкистодоры из Европы были немало удивлены прекрасными асфальтовыми дорогами в 1532 г. А вот сами европейцы применили битум в качестве дорожно-строительного материала лишь в начале XVIII века и то по воле случая, когда в Швейцарии было открыто асфальтовое месторождение в Юрских горах. Асфальт, падая с телег, смешиваясь с пылью и щебнем, превращался в отличное покрытие. Тем не менее, первый асфальтовый тротуар был сделан лишь в 1935 г. в Париже. В России при постройке Полицейского моста в Петербурге попытались покрыть его асфальтом в виде прямоугольных кусков, как это делалось при мощении мостовых диабазом, но - неудачно. В последнем десятилетии прошлого века толь­ко одна улица Российской столицы - Большая Конюшенная - была заас­фальтирована.

И все-таки применение нефти в качестве строительного материала не столь удивительно, как находка (в 1936 г.) австрийского археолога В. Кенига. На территории современного Ирака в слоях, возраст которых насчитывает тысячелетия, он обнаружил странный фаянсовый сосуд дли­ной 15 см, в котором находился залитый асфальтом медный цилиндрик. Пробкой сосуду служит тоже асфальт. Из пробки на сантиметр торчал железный стержень, нижний конец которого не касался дна сосуда и то­же был обмазан асфальтом. Торчащий конец стержня был покрыт слоем окислившегося металла, видимо, свинца. А это похоже на гальванический эле­мент открытый итальянским физиологом Л. Гальвани (I737÷I798 гг.) применяемый в качестве автономных источников пита­ния электрическим током. Как ни трудно представить себе, что электричество служило людям уже 2 тысячи лет назад, вероятнее всего, это так. Подобная находка является не единичной, кроме того, в Ираке были обнаружены аналогичные сосуды с несколькими соединенными вместе железными и мед­ными стержнями. Изготовленные по их образцу модели, залитые электро­литом в виде 5%-го раствора уксуса, вырабатывали ток напряжением 0,5 В на протяжении 20 дней, достаточно для серебрения нес­кольких медных сосудов.

Так кто же изобрел гальванический элемент? Тайна, может быть, не раскроется никогда, и мы без всякого удивления пользуемся электри­ческими батарейками, где изолирующим слоем, как и 2 тысячи лет на­зад, служит битум.



3.2. Происхождение нефти
Нефтяные частицы разбросаны по всему земному шару, то рассеян­ные мельчайшими каплями, то собранные в многомиллионотонные залежи. А где же родилась нефть, кто ее "родители", где та кузница, в кото­рой выковывались углеводородные метановые цепочки, нафтеновые и бензольные - кольца?

История сохранила много довольно забавных и нелепых рассуждений по этому поводу, начиная с самых примитивных версий до беско­нечно фантастических предположений. Возникло много теорий, которые проверялись и подтверждались экспериментально. До сих пор ведется эта исследовательская работа, и она настолько интересна и поучи­тельна, что здесь просто невозможно, хотя бы кратко, не отметить главнейшие ее направления.

Впервые научную и для того времени законченную схему происхож­дения нефти в 1763 г. предложил М.В. Ломоносов. По его представлениям, нефть образовалась из органического материала растительного проис­хождения. Он считал, что имеется аналогия между происхождением нефти и других многочисленных горючих ископаемых, например, угля. Полезные ископаемые получились разными потому, что условия образования каждо­го из них были различными. Им было подчеркнуто значение повышенной температуры, больших давлений подземных глубин и миграции нефти в пористых породах. Многие идеи М.В. Ломоносова не потеряли своего зна­чения до настоящего времени, став основой гипотезы органического происхождения нефтей.

Органических гипотез много; основное различие их касается вопро­са, из какого органического материала произошла нефть. Некоторые ученые принимают идею животного происхождения, другие – растительного, третьи - животно-растительного. Известный геолог прошлого века Ганс Гефер, химик К. Энглер, осуществивший перегонку китового жира в 1888 г. и получивший в результате нафтеновые и ароматические углеводороды, и твердый парафин, создали гипотезу, по которой "черное золото" образуется из жиров погибших животных, а растения дают нефти воск и смолы. Гибель больших масс водной фауны действительно может происходить в природе. Буровые скважины на Каспии вскрывали отдель­ные прослойки, сплошь состоящие из погибшей рыбы.

Предметом исследований академика Н.Д. Зелинского стал сапропельдонный ил озера Балхаш. В 1919 г. путем перегонки из него была по­лучена искусственная нефть. Она содержала бензин, керосин и тяжелые масла, в составе которых были все известные тогда нефтяные углево­дороды.

Объяснение образования нефти заключалось в том, что растения, перекрытые слоями наносов и опущенные на глубину, в результате под­вижек земной коры подвергаются воздействию повышенной температуры. Для образования нефти, в данном случае в присутствии перегретого па­ра, достаточно температуры около 200°С.

По гипотезе М.В. Ломоносова, нефть рождается из наземных расте­ний, захороненных в болотах, дельтах рек и прибрежных лагунах, в результате сухой перегонки. В своих трактатах он писал: "Нефть приготавливается из торфа и каменного угля действием подземного жа­ра, и если он слабый, то она получается светлая, а если сильный - то густая и черная".

Идея об органическом происхождении нефти была коренным образом переработана создателем отечественной геологии академиком И.М. Губки­ным и академиком В.И. Вернадским. По их версии, происхождение нефти следует рассматривать в тесной связи с другими природными процесса­ми: биологическими, химическими и геологическими. Нефть и другие горючие ископаемые (уголь, озокерит и др.) взаимосвязаны с цикличес­кими процессами круговорота углерода в природе. Атмосфера всегда со­держит углекислый газ (около 0.03%) за счет жизнедеятельности живых организмов, разложения карбинатов и действия вулканов. Растения же усваивают двуокись углерода из воздуха, причем углерод идет на построение тел растений и животных. Кислород возвращается в атмосферу. Нефть - продукт сложнейших превращений животных и рас­тительных остатков. В ней содержатся также различные соединения азо­та, кислорода и серы, которые не являются случайными примесями. Ха­рактер азотистых соединений в различных нефтях тождественен. А это свидетельствует о том, что они являются продуктами разложения азо­тистых веществ животных и растений и находятся в генетической связи с нефтью. При разрушении нефти и окислении ее углеводородов углерод снова возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, и таким об­разом цикл замыкается. Сторонники этой схемы подсчитали, что в осадочных породах на­шей планеты в составе рассеянного органического вещества содержит­ся около (60÷80) тыс. млрд. т. углеводородов. Это более чем в 100 раз превышает известные сегодня запасы нефти. Способность такой массы рассеянных углеводородов образовывать скопления промышленной нефти не вызывает сомнений у сторонников этой биогенной гипотезы.

В 1888 г. французский химик М. Бертло проделал комплекс опытов, чтобы доказать, что нефть образовалась из минеральных веществ.

На чугун с 4%-ным содержанием углерода воздействовали соляной и серной кислотой. В итоге были получены водород и смесь углеводо­родов, имеющих запах нефти. Когда на железистый марганец действова­ли горячей водой при температуре (100÷200) °С, также получалась нефтеподобная смесь. Химики П. Сабатьев и Ж. Сандэбран брали для опытов уже не металл, а смесь ацетилена с водородом и нагревали ее в при­сутствии никеля. И у них получалось вещество, богатое ароматическими углеводородами. Так рождалась и развивалась параллельно с органичес­кой гипотезой еще одна - гипотеза неорганического происхождения неф­ти, называемая впоследствии - минерального или абиогенного происхожде­ния.

Первая научно обоснованная теория абиогенного происхождения неф­ти была предложена Д.И. Менделеевым. По его представлениям источником углерода и водорода могут быть вода и углекислый газ. Проникая в глубь Земли на (100÷150) км, где давление составляет 50000 ат, а тем­пература превышает значение 1800°С, вода реагирует с карбидами металлов, образовывая углеводороды (ненасыщенные):

Русский геолог В.Л. Соколов, учтя находки битума в метеоритах и наличие углеводородов в хвостах некоторых комет, предложил в 1892 г. космическую гипотезу возникновения нефтяных углеводородов в коре нашей планеты. По его мнению, углеводороды находились в составе газовой фазы до планетного облака. По мере его охлаждения углеводоро­ды растворялись в жидкой магме, и после образования твердой земной оболочки поднимались по трещинам в осадочные породы.

В соответствии с гипотезой О.Й. Шмидта, газопылевое облако, из которого возникли планеты Солнечной системы, включало в себя не толь­ко простые элементы, но и воду, метан, углекислоту и более сложные углеводороды. Моделируя условия атмосферы нашей планеты, какими они были (предположительно) миллиарды лет назад, американские ученые по­лучили из метаново-водородной среды, насыщая ее электрическими раз­рядами, аналогичными грозовым, сложнейшие углеводородные соединения и нуклеиновые кислоты.

Кстати, приборы космических станций регистрируют наличие метана в атмосфере Венеры, и существует мнение, что углеводороды входят в состав межпланетной материи.

Критикуя противников, сторонники неорганической гипотезы, спрашивают, почему месторождения нефти и газа часто находятся в зо­нах глубинных разломов, то есть там, где твердая земная скорлупа приоткрывается, как крышка над глубинным огнедышащим варевом? Почему вулканическая сера встречается вместе с нефтью? Почему, наконец, и сама нефть встречается в кристаллах, которые никак не попадали в круговорот жизни?

Взгляды на происхождение нефтей продолжают оставаться дискус­сионными, несмотря на существенное изменение и уточнение, а то и полное разрушение многих их них. Другими словами, генеалогия нефти еще ждет своих исследователей. И данные о "предках" нефти, возмож­но, будут получены при развитии наук, далеких от нефтяной: физики и химии высоких температур, космотологии (при изучении планет, нахо­дящихся на той стадии эволюции, которую наша Земля давно прошла), а, может быть, ответ на этот вопрос "лежит где-то рядом" - достаточно только внимательно присмотреться.

Вопрос о происхождении нефти далеко не празд­ный. При этом особенно сейчас, когда добыча всех полезных ископаемых становится дается все труднее, следует тщательно вглядеться в те сокро­вища, которые мы уже извлекли. Должным ли образом мы их используем, так ли уж их много содержит земная кора и есть ли спо­собы их пополнить или заменить? А если задуматься чуть больше, то и сама-то кора не очень велика и требует внимательного и бережного отношения ко всему, что сама и "дарит".
3.3. Нефть под микроскопом
Первой была изучена пенсильванская нефть (Североамериканский бассейн), в которой немецкий ученый К. Шорлеммар (I834÷I892) обнаружил предельные углеводороды метанового ряда. Исчерпывающее объяснение строения углеводородов дал А.М. Бутлеров (1861 г.), а вот отцом науки о нефти принято считать Д.И. Менделеева.

Нефть и газ – это горные породы. Они относятся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Мы привыкли счи­тать, что порода – это твердое вещество, из которого со­стоит земная кора и более глубокие недра Земли. Оказы­вается, есть и жидкие породы, и даже газообразные. Одно из важных свойств нефти и газа — способность гореть. Таким же качеством обладает и ряд других осадочных пород: торф, бурый и каменный уголь, ан­трацит. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греческих слов «каустос» — горючий, «биос» жизнь, «литое» – камень, т. е. горючий органический ка­мень). Среди них различают каустобиолиты угольно­го ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним-то и относятся нефть и газ.

Все каустобиолиты содержат углерод, водо­род и кислород, но в разном соотношении. В табл. 14 приведены основные составные элементы горючих пород.
Таблица 14

Основные элементы горючих пород.


Типы каустобиолитов


Порода

Содержание основ­ных элементов, %

С/Н

С

Н

О
Угольные
Антрацит

94,0

1,6

1,0

63,0,

Каменный уголь

86,4

5,0

8,6

17,0

Бурый уголь


69,9

6,4

23,7

10,9

Торф

63,8

6,й

29,7

9,8

Нефтяные (битумы)

Нефть тяжелая

86,4

13,1

0,5

6,6

Нефть легкая

84,3

14,0

1,7

6,0

В химическом отношении нефть – это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержащая также другие элементы. Она состоит из следующих основных элементов: углерод (84÷87)%, водород (12÷14%), кислород, азот и сера (1÷2)%, содержание серы возрастает иногда до (3÷5)%. В нефтях выделяют углеводородную часть, асфальто-смолистую, парафины, серу и зольную часть.

Исследования ученых показали, что в нефтях содержатся три боль­шие группы углеводородов.

Предельные - наиболее простые по строению, получившие свое имя от самого простейшего из всех углеводородов - метана. Часто такие углеводороды называют метановыми, а вот в химии называют их алканами. Структурная формула метана напоминает простейшее из живых существ - амебу, только у метана вместо ядра - атом углерода, а про­топлазму образуют 4 атома водорода. Каждый следующий углеводород имеет на I атом углерода больше, то есть формулу алканов можно представить так: СnН2n+2, и как бы не вытягивалась углеродная це­почка, она всегда будет окружена водородной оболочной. В нефти встре­чаются почти все члены этого ряда: газы - первые 4 члена; следующие 12, то есть от С5Н12 до С16Н34 - это жидкости; начиная с 17-го - мо­гут находиться в нефти в твердом состоянии в виде кристаллов и вхо­дят в состав парафинов. Отсюда еще одно название углеводородов - па­рафиновые. Начиная с четвертого углеводорода - бутана (назва­ния первых десяти по порядку - метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан), все имеют несколько разновид­ностей - изомеров. Молекулы их построены по-разному, хотя химическая формула одинакова. Если основной член ряда имеет вид простой цепочки, то у изомеров цепь ветвится. Различаясь по структуре, по прочности связей, изомеры, естественно, различаются по свойствам; например, температура плавления и кипения у них ниже, чем у нормальных. Вооб­ще лучшие бензины для современных бесшумных автомобилей состоят не из истинных бензинов, а из их изомеров.

Следует заметить, что многие изомеры все еще не изучены, и в первую очередь потому, что, как посчитали ученые,11-ый член ряда может иметь 159 изомеров, у 18-го (октодекана) их может быть 60523, а уже у 40-го (тетроконтана) – трудно представляемое число - 62 491 178 805 831.

Постоянно поддерживающийся интерес к изучению физико-химичес­ких свойств таких углеводородов (причем, на самом высоком уровне) объясняется не только желанием создать новые сорта топлива, а еще и тем, что некоторые из них своим строением напоминают органические вещества. В частности, структурная формула пристана почти идентична формуле фитола - основной части хлорофилла. Сразу возникает желание поговорить о возможной связи нефтей с древними формами жизни и ци­вилизации, однако, это отдельная интересная тема.

Нафтеновые (цикланы) - циклические насыщенные углеводороды со структурной формулой СnН2n. В их молекулах не "хватает" двух атомов водорода, поэтому такие углеводороды называют еще непредельными или алкенами, в природной нефти их нет, они образуются при ее вторич­ной переработке. У нафтенов может быть не одно, а несколько колец - отсюда названия: моноциклические, би- или полициклические, со структурными формулами CnH2n-2 и СnН2n-4.

Еще одно название – циклопарафины - происходит от способности их колец удерживать при себе цепочку метановых углеводородов. Это свойство определяет и другие: большая плотность, чем у метановых; выше тем­пература кипения и плавления; легко взаимодействуют с галогенами, с серной кислотой; присоединяют кислород; в нормальных условиях - это всегда жидкости и т.д.

Ароматические углеводороды получили свое название из-за четко выраженных (далеко не всегда приятных) запахов, ведь по-гречески "арома" означает пахучее вещество. Структурная формула СnН2n-m, где m - четные числа. Представлены такие углеводороды бензолом C6H6 и его производными (гомологами). Ароматические углеводороды сильно недонасыщены водородом, однако, химически малоактивны. В нормальных ус­ловиях - это жидкости, имеющие очень низкую температуру застывания: от -25 до -88°С.

В зависимости от преобладания в нефти одного из трех представите­лей углеводородов (более 50%) нефти именуются метановыми, нафтеновыми или ароматическими. В случае, когда к доминирующему присоединяется другой углеводород в количестве не менее 25%, то им дают комбиниро­ванное название, например, метано-нафтеновые.

Приведенная выше классификация нефтей по углеводородному сос­таву позволяет дать новое определение нефти: нефть представляет со­бой раствор чистых углеводородов и гетероатомных органических сое­динений, то есть углеводородов, содержащих в молекуле атомы кислорода или азота, или серы. Именно раствор, а не смесь, причем не обыч­ный раствор, как сахара в воде, а раствор различных соединений друг в друге.

Углеводородный состав нефти является важной характеристикой, тем не менее, целесообразно внести еще две - элементарный и фракцион­ный составы.

Несмотря на многообразие углеводородов, элементарный состав неф­ти колеблется в небольших пределах: углерод – (83÷87)%, водород – (11÷14)%. На долю других элементов, объединяемых группой смолисто-асфальтовых веществ, приходится от 2 до 6%. Смолисто-асфальтовые ве­щества представляют собой высокомолекулярные органические соединения, содержащие углерод, водород, серу, азот и металлы. К ним относятся: нейтральные смолы, растворимые в бензинах; асфальтены, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в горячем бензоле; карбены, растворимые в сероуглероде; карбоиды, вообще; не растворимые. При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента), состоящая из окислов кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия и вана­дия. Кстати, соединения последнего являются переносчиками кислорода и способствуют интенсивной коррозии.

Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и суль­фидов, иногда в свободном виде. Сера и ее соединения активно взаи­модействуют с металлами, также вызывая сильную коррозию. Обнаружи­вают их по резкому запаху и действию на растворы свинцовых солей. По содержанию серы нефти делят на группы: несернистые (менее 0,2%), малосернистые (0,2÷1,0%), сернистые (1,0÷3,0%), высокосернистые (более 3,0%).

Азот, как примесь нефти безвреден и инертен, доля его в нефтях обычно не превышает 1,7%. Углево­дородных соединений азота довольно много ÷ пиридин, хинолин и т.д.

Особое место занимают порфирины, то есть тетрациклические азо­тистые соединения, по структуре похожие на живое вещество гемин (красящее вещество крови). Порфирины считались раньше прямым дока­зательством органического происхождения, хотя обнаруживаются не во всех нефтях. И вот еще тема для дополнительного обсуждения - пор­фирины обнаруживают в веществах космических тел, назы­ваемых хондритами.

Вообще, в нефтях можно обнаружить более половины элементов таб­лицы Менделеева. Элементарный (часто говорят химический) состав неф­ти полностью не известен. Уже сейчас обнаружено 425 индивидуальных углеводородов и 380 углеводородов, содержащих серу, азот и кислород. Трудность определения состава заключается в том, что выделить из нефти соединения можно лишь путем перегонки; ну, а при этом состав нефти может значительно измениться в результате различных реакций.

Твердых углеводородов, родственников нефти, довольно много. Коротко о некоторых из них:

Мальты - очень вязкие, полужидкие смолистые нефти. Плотность-0,97÷1,0, то есть они едва-едва не тонут в воде.

Кериты - еще более плотные вещества, на которые органические растворители почти не действуют, практически не содержат ни серы, ни азота и ни кислорода.

Элькериты и антраксолиты - очень разнообразная группа минералов неясного происхождения, состоящая почти из чистого углерода.

Асфальты - твердые аморфные углеводородные вещества различной степени плавкости и твердости, содержащие неодинаковое количество серы, кислорода и азота. Структура и групповой состав их неизвестны, Они отличаются невысокой температурой плавления и поддаются действию сильных растворителей, таких как бензин и бензол. Плотность их боль­ше, чем у воды. Месторождение асфальта в Восточной Сибири было отк­рыто Устьянской экспедицией в 1820 г. на реке Оленек. Самое большое месторождение чистого асфальта открыто в Восточной Венесуэле - смоляное озеро Бермудез. Его площадь - более 440 га, глубина залегания – 6м.

Принципиальная разница в составе нефтей и асфальтов заключается в том, что в нефтях всегда есть доля парафина (например, нефти Ставропольского края содержат до 28% парафина), а в асфальтах их нет совсем. Куда и как "пропал" парафин - загадка.

Многие специалисты отмечают, что будущее у асфальтов не такое уж далекое, тем более что искусственные бензины, получаемые из асфальта, по качеству превосходят натуральные. Запасы нефти, которые человечество может извлечь из недр современными методами, легко могут уместиться на одном асфальтовом месторождении на р. Атабаске в Канаде.



3.4. Переработка нефти
Конечно, не самый лучший выход - сжигать нефть в топках элект­ростанций, и даже в цилиндрах автомобилей, турбинах самолетов. Но пока индустрия планеты не может отказаться от такого, относительно дешевого вида топлива и с этим следует считаться. В дополнение необходимо сказать: для всех названных выше механизмов, как и для других, нужны смазочные масла разного качества. Смазка необходима не только автомобилям, самолетам. Она требуется и вентиляторам в окнах и мото­рам в стиральных машинах. Все нефтепродукты получают из нефти при ее переработке, которую называют перегонкой.

Есть несколько способов, так называемой прямой гонки, но суть их одна. Любой жидкий углеводород нефти имеет свою температуру кипе­ния, то есть температуру, выше которой он испаряется (температура ки­пения возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле, например, бензол C6H6 кипит при 80°, а толуол C7H8 при 111°C). И наоборот, если пары бензола охладить ниже температуры кипения, он снова превратится в жидкость. Предположим, перегоняется типичная нефть. При ее перегонке можно получить: 31% бензина (углеводороды С4÷С10), 10% керосина (С11÷С12), 15% дизельного топлива (С13÷С20), 20% смазочных масел (С21÷С40), 24%остатка - мазута (С40 и выше). Таким образом, из сложной многокомпонентной нефти по­лучаются новые вещества (фракции), более близкие по углеводородному составу и, следовательно, по свойствам. Из этих фракций (базовых неф­тепродуктов) можно получить продукты с заданными качествами. Автомо­бильные бензины А-76, А-92, АИ-93, А-95 имеют, практически один и тот же фракционный состав, но существенно отличаются по значению октанового числа, характеризующего устойчивость топлива к детонации. Авиацион­ные бензины отличаются от автомобильных повышенным содержанием лег­коиспаряющихся (низкокипящих) углеводородов. Содержание в природных нефтях тех или иных фракций позволяет классифициро­вать нефти, например, как бензиновые, керосиновые или масляные. Фрак­ции, получаемые путем перегонки или ректификации (разработано мно­жество способов), принято характеризовать температурными пределами, то есть температурой начала кипения и температурой конца кипения фракции.

Конечно же, в пределах данного пособия, мы не в состоянии расс­казать о всех секретах, применяемых в нефтехимии при получении неф­тепродуктов. На рис.10 представлена упрощенная схема использова­ния нефти, позволяющая систематизировать знания о про­цессах в нефтепереработке. Ниже будут даны пояснения свойств нефтепродуктов, с которыми часто приходится встречать­ся в повседневной жизни.


Рис.10. Схема использования нефти

3.5. Физические свойства углеводородов
Физические свойства нефти и нефтяных газов, их качественная характеристика зависят от преобладания в них отдельных углеводородов или их различных групп (фракций). Физические свойства нефти определяются свойствами входящих в нее компонентов (табл. 15). Нефти, содержащие значительное количество тяжелых углеводородов, дают меньшие выходы бензиновых фракций и имеют большую плотность.

Под плотностью принято понимать отношение массы вещества при температуре 200С к занимаемому объему. В системе СИ плотность измеряется в кг/м3, а удельный вес γ - в Н/м3. На практике также пользуются относительной плотностью, которая численно равна отношение плотности нефти к плотности дистиллированной воды при температуре 40С. Обычно нефть легче воды, плотность ее составляет от 750÷950 кг/м3. Нефти, плотностью менее 900 кг/м3, принято называть легкими, а более 900 кг/м3 - тяжелыми.

Учет количества нефти и нефтепродуктов в объемных единицах вы­зывает некоторые неудобства, так как объем жидкости меняется с изме­нением температуры. Поэтому, зная объем и плотность, можно при прие­ме, отпуске и учете нефти выражать их количество в массовых единицах, ведь масса не зависит от температуры. Без знания точного значения плотности не представляется возможным обеспечить должный уровень технологии, например, отстойные процессы в системах промысловой подготовки нефти.

Загадок у нефти много, Вот первая: чем ближе к центру Земли, тем меньше минерализация подземных вод и во­да становится легче, а нефть тяжелее. Видимо, не все еще свойства и особенности нефти выяснены до конца.

Одним из основных физических свойств нефти, имеющем большое значение при проектировании и эксплуатации транспортных систем, является вязкость. Под вязкостью принято понимать свойство нефти оказывать сопротивление перемещению частиц относительно друг друга, т.е. она характеризует подвижность жидкости. Различают вязкость динамическую µ, измеряемую в [Па·с] и кинематическую ν, [м2/с]. Вязкость нефти обычно ниже 1Па·с, поэтому в практике часто пользуются дробными единицами, например МПа·с, или внесистемной единицей вязкости, называемой Стоксом (1Ст=10-4 м2/с). Кинематическую вязкость можно определить через отношение динамической вязкости нефти к ее плотности, т.е. ν=μ/ρ.

С повышением температуры вязкость нефти уменьшается, а с повышением давления, наоборот, увеличивается. Высокомолекулярные углеводороды повышают значение вязкости, поэтому вязкость легких нефтей меньше, чем тяжелых. Вязкость пластовой нефти может быть существенно меньше вязкости дегазированной. Например, эта разница у Ромашкинской нефти составляет до 600%.

Для измерения вязкости нефти применяют специальные приборы - вискозимеры капиллярного и ротационного типов. В первом случае вязкость определяется как отношение времени истечения через калибровочное отверстие исследуемой нефти ко времени истечения воды. Вискозиметры ротационных типов основаны на измерении сопротивления при относительном вращении двух коаксиальных цилиндров, зазор между которыми заполняется исследуемой нефтью.

Довольно часто случается, особенно в условиях Тюменского Севе­ра ситуации, когда нефть при низких температурах становится настоль­ко вязкой, что транспорт ее оказывается невозможным. Тогда приходит­ся подогревая нефть. Прямой смысл известного афо­ризма: "Не подмажешь - не поедешь", - указывает на один из самых древних способов борьбы с трением. Издревле для этой цели использо­вали вязкие (липучие) животные жиры. Химики выяснили, что смазочные масла можно получать из тех фракций, которые выкипают при температу­ре выше 350°С, правда содержащихся далеко не во всех нефтях, а как правило в тех, которые так "не любят" трубопроводчики, из-за сложной перекачки. Кстати, по­лучение масел - очень сложный процесс (особенно сверх вязких), ведь по температуре кипения они близки с твердыми углеводородами - парафинами.

В пластовых условиях в нефти всегда растворено какое-то количество газа, иногда даже до 1000 м3/т (в среднем около 100 м3/т). Способность газа растворяться в нефти характеризуется величиной коэффициента растворимости или газовым фактором, под которым понимают количество газа (растворенное или выделенное), приведенное к атмосферному давлению, приходящееся на 1 т нефти.

Компоненты нефтяного газа обладают различной растворимостью в нефти. С увеличением молекулярного веса коэффициент растворимости газов возрастает. Так, растворимость этана почти в 5 раз больше, чем метана, а пропана - более чем в 20 раз. С повышением температуры растворимость уменьшается.

На практике чаще сталкиваются не с растворимостью газов, а с обратным явлением - выделением газа из нефти. Давление, при котором начинают выделяться первые пузырьки растворенного газа, называют давлением насыщения Рн. Давление насыщения характеризует термодинамическое равновесие газа с пластовой нефтью. Нефть, находящаяся в пласте при давлении выше давления насыщения, обычно называют недонасыщенной. Давление Рн зависит как от углеводородных газов, так и неуглеводородных, например, азота, обладающего наиболее низкой растворимостью в нефти. В случае, когда давление в пласте ниже Рн, газ не весь будет растворен в нефти и часть его займет возвышенные участки пласта, образуя газовую шапку.

Выделение растворенного газа из нефти происходит при движении ее по стволу скважины, в нефтегазосборных трубопроводах и окончательно завершается на концевых ступенях сепарации после подготовки товарной нефти.

В Западной Сибири в 1989 году попутного газа добыто около трех десятков миллиардов кубометров. Это значитель­но больше, чем добывается на таких гигантах, как Газлинское и Ставро­польское газовые месторождения вместе взятые. Долгое время попутный газ сжигался на факелах, сейчас научились его ис­пользовать, хотя еще не полностью.

Рассмотрим физико-химические свойства нефти. Давление насыщения не следует отождествлять с давлением насыщенных паров товарной нефти, при котором газовая и жидкая фазы нефти находятся в термодинамическом равновесии при фиксированном отношении фаз. Обычно это давление не превышает 500 мм рт.ст.

Цвет - обычно нефть темно-коричневого или черного цвета, но встречается всех оттенков палитры, в том числе и белая. Чистые угле­водороды бесцветны, цвет же нефти обусловлен содержанием серы и смолистых веществ.

Флуоресценция - способность тонких пленок нефти переливаться всеми цветами радуги. Бакинская нефть имеет синеватый оттенок, пен­сильванская - зеленоватый, а после очистки - фиолетовый.

Стабильность - способность продукта сохранять свой состав и основные качества в условиях транспорта, хранения и эксплуатации.

Регенеративность - способность продукта к восстановлению ис­ходных свойств и качеств.

Для наиболее рационального использования нефтей с разными свойствами и составом были созданы различные классификации нефти, а именно: химическая, геохимическая, товарная и технологическая.

Химическая классификация предусматривает выделение классов нефтей по преобладанию в них той или иной группы углеводородов. Согласно этой классификации выделяют метановые, нафтеновые и ароматические нефти, а также переходные (метано-нафтеновые, нафтено-метановые и др.).

Геохимическая классификация учитывает не только химический состав нефтей, но и геологический возраст отложений, из которых нефть получена, глубину залегания этих отложений и другие признаки.

Товарная и технологическая классификации строятся по таким показателям, как содержание фракций, выкипающих при t до 350 градусов Цельсия, а также парафина, масел и др.

Согласно действующей классификации все нефти по содержанию серы делятся на три класса:

I - малосернистые (не более 0,5%);

II - сернистые (0,51 ÷2%);

III - высокосернистые (более 2%).



По содержанию фракций, перегоняющихся до 350 градусов, нефти делятся на три типа:

Т1 – не менее 45%;

Т2 – 30,0÷44,9%;

Т3 – менее 30%.



По потенциальному содержанию масел различают 4 группы нефтей:

М1 – не менее25% в расчете на нефть;

М2 – 15÷25% в расчете на нефть и не менее 45% в расчете на мазут;

М3 – 15÷25% в расчете на нефть и 30÷45% в расчете на мазут;

М4 – менее 15% в расчете на нефть.

Все нефти делятся по качеству получаемых масел, оцениваемому индексом вязкости, на две группы:

И1 – индекс вязкости выше 85;

И2 – индекс вязкости 40÷85,



а по содержанию парафина – на 3 вида:

П1 – малопарафиновые (не более 1,5%);

П2 – парафиновые (1,51÷6,00%);

П3 – высокопарафиновые (более 6%).

Используя эту классификацию для любой промышленной нефти, легко составить представление о наиболее выгодных путях ее переработки и возможности замены ею ранее применявшейся в данном технологическом процессе нефти.

Таблица 15

Свойства компонентов, входящих в состав нефтяных газов и нефти


Компонент

Относи-тельная молеку-лярная масса

Давле-ние, МПа

Темпе-ратура,

оС

Плот-ность* газа,

кг/м3



Относи-тельная плот-ность газа по воздуху

Темпе-ратура ки-пения, оС

Метан (СН4)

16,04

4,49

-82,1

0,7168

0,5545

-162

Этан (С2Н6)

30,07

4,47

32,3

1,356

1,049

-89

Пропан (С3Н8)

44,09

4,12

96,8

2,019

1,562

-42

Изобутан(1-С4Н10)

58,12

3,57

134,9

2,668

2,066

-0,5

Бутан (С4Н10)

58,12

3,67

152,0

2,703

2,091

0,5

Изопентан(1-С5Н12)

72,15

3,22

187,7

3,216

2,48

36

Пентан (С5Н12)

72,15

3,24

197,2

3,22

2,49

36

Гексан (С6Н14)

86,17

2,93

234,7

3,86

2,97

69

Гептан (С7Н16)

100,2

2,65

267,0

4,47

3,46

98

Сероводород (Н2S)

34,9

8,71

100,4

1,539

1,19

-

Азот (N2)

28,02

3,28

147,1

1,25

0,97

-

Кислород (02)

32,0

4,87

118,8

1,43

1,1

-

Углекислый газ (СО2)

44,0

7,14

31,1

1,976

1,53

-

Водород (Н2)

2,016

1,25

239,9

0,09

0,07

-

Гелий (Не)

4,0

2,21

268,0

0,1785

0,138

-

Каталог: wp-content -> uploads -> umk2
uploads -> Шжқ «Павлодар қаласының №5 емханасы» кмк байқау кеңесі отырысының №2 хаттамасы павлодар қ. 2015 жылғы 12 қазан Өткізу формасы
umk2 -> Тюменская областная дума тобольско-тюменская епархия
umk2 -> Социальная эффективность управления региональной системой образования
umk2 -> Тюменская область
umk2 -> Разработка и исследование технологических жидкостей для добычи и транспортировки нефти
umk2 -> Практическое занятие 1
umk2 -> 1 Обсадные трубы отечественного производства
umk2 -> Исследование и разработка способов, повышающих нефтеотдачу в низкопроницаемых коллекторах хохряковской группы месторождений


Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   22


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет