"Нефть и ее переработка"
Нефть.
Содержание :
1. Химический состав нефти 1.1 Общий состав нефти 1.2 Углеводородный состав 1.3 Классификация нефти по углеводородному составу
2. Физические свойства нефти
3. Основные способы переработки нефти o 3.1 Общие сведения o 3.2 Физический метод (перегонка нефти). o 3.3 Химические способы переработки нефтепродуктов.
4. Использование основных продуктов переработки нефти o 4.1Области применения основных нефтепродуктов первичной перегонки o 4.2 Бензины. Детонационная стойкость бензинов o 4.3 Другие сферы применения.
5. Исторические сведения о нефти
6. Мировые запасы нефти
7. Нефтяные войны
8. Залежи нефти в зоне экономического влияния Мурманской области
9. Охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами
Общий состав нефти.
Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250), азотистые (> 30) и кислородные (около 85), 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 (частицы глины, песка, известняка). Углеводородный состав
В основном в нефти представлены парафиновые (алканы) (обычно 30—35, реже 40—50 % по объему) и нафтеновые (циклоалканы) (25—75 %). В меньшей степени — соединения ароматического ряда (10—20, реже 35 %) нефтьсодержание углеводородов в %
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 %.
Физические свойства нефти.
Нефть —маслянистая жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти черного) цвета (хотя бывают экземпляры даже изумрудно-зелёной нефти) с характерным запахом, не растворимая в воде и немного её легче, поэтому образует на ее поверхности пленку не пропускающую воздух. 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. Нефть — легко воспламеняющаяся жидкость. Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.
Основные способы переработки нефти.
Сырая нефть непосредственно не применяется. Для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке. Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводов, различных по молекулярному весу и температуре кипения. Для производства многочисленных продуктов различного назначения и со специфическими свойствами применяют методы разделения нефти на фракции и группы углеводородов, а также изменения ее химического состава. Различают первичные и вторичные методы переработки нефти: к первичным относят процессы разделения нефти на фракции– перегонка нефти; ко вторичным относят процессы деструктивной переработки нефти, предназначенные для изменения ее химического состава путем термического и каталитического воздействия (крекинга). При помощи этих методов удается получить нефтепродукты заданного качества и в больших количествах, чем при прямой перегонке нефти. Нефть перерабатывают на нефтеперерабатывающих заводах. Способы переработки нефти: физический метод (первичная переработка самой нефти)- фракционная перегонка нефти основана на разнице температур кипения углеводородов; химический метод (вторичная переработка, т. к. перерабатывается не сама нефть, а фракции, полученные в процессе первичной переработки). Физический метод (перегонка нефти). Ректификация (фракционная переработка) – это физический способ разделения смеси компонентов, основанный на различии их температур кипения.
Перегонку нефти осуществляют в установке, которая состоит из трубчатой печи и ректификационной колонны.
По трубопроводу подается нефть, где она нагревается до t=320-3500 и в виде смеси жидкости и паров поступает в колонну. Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки. Пары нефти подаются в колонну через отверстия, поднимаются вверх, при этом они постепенно охлаждаются и сжижаются. Менее летучие получаются на первых тарелках, более летучие поднимаются вверх. При этом выделяют следующие фракции: бензиновая, собираемая от 40 до 200о С—содержит углеводороды от С5Н12 до С11Н24; лигроиновая, собираемая в пределах от 150 до 250оС—содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30; керосиновая включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения от 180 до 300оС; газойль—дизельное топливо (выше 275оС) содержит углеводороды от С16Н34 до С25Н52 Остаток после перегонки (мазут) также подвергают вакуумной перегонке (при пониженном давлении) и получают: солярные масла (дизельное топливо), смазочные масла (машинные, цилиндровые), оставшаяся часть гудрон. Недостаток перегонки- малый выход бензина (20%). Химические способы переработки нефтепродуктов.
Выход бензина из нефти можно значительно увеличить (до 70%) путём расщепления углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом. Крекинг- слово произошло от «тухрек»- раскалывать, расщеплять. Способ изобретен русским инженером в 1891 г., в России начал осуществляться только после Октябрьской революции. Цель- получение бензинов, а также непредельных углеводородов. Сырье- мазут или соляровые фракции. Процесс крекинга заключается в расщеплении молекул углеводородов с длинной углеродной цепью на более короткие с меньшим числом атомов углерода в молекуле, например: Различают два основных вида крекинга термический и каталитический. При термическом крекинге расщепление молекул углеводородов протекает при сравнительно высокой температуре (470-550оС). Процесс протекает медленно, образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов. В бензине, полученном в процессе термического крекинга, наряду с предельными углеводородами, содержится много непредельных углеводородов. Поэтому этот бензин обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. Непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются, поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. Полученный бензин низкого качества. В мире всего 10% бензина получают термическим крекингом. Каталитический крекинг, при нем расщепление углеводородов происходит при более низкой температуре (450-5000) с применением катализаторов, процесс происходит с большой скоростью. Бензин более высокого качества, т. к. наряду с реакциями расщепления идет реакции изомеризации, и образуются разветвленные углеводороды. Непредельных углеводородов содержится меньше, поэтому он более устойчив при хранении. Получают преимущественно авиационный бензин. Использование основных продуктов переработки нефти Автозаправочная станция Области применения основных нефтепродуктов первичной перегонки.
Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости добычи. В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. 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.
Бензин применяется в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от назначения он подразделяется на два основных сорта: авиационный и автомобильный. Бензин используется также в качестве растворителя масел, каучука, для очистки тканей от жирных пятен и т. п.
Керосин применяется как горючее для реактивных и тракторных двигателей, а также для бытовых нужд. Он используется также для освещения.
Соляровое масло применяется в качестве горючего для дизелей. Смазочные масла для смазки различных механизмов. После перегонки мазута остаётся нелетучая тёмная масса – гудрон, идущая на асфальтирование улиц.
Лигроин служит топливом для дизельных двигателей, а также растворителем в лакокрасочной промышленности.
Парафин применяют для получения высших карбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей, для изготовления свечей, гуталина и т.д.
Бензины. Детонационная стойкость бензинов Бензины применяются в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, а также в качестве растворителей и промывочных жидкостей. Основные эксплуатационные характеристики бензинов, применяемых как горючее: испаряемость, горючесть, воспламеняемость, химическая стабильность, склонность к образованию отложений, коррозионная активность. Детонация – чрезмерно быстрое сгорание топливной смеси в цилиндре карбюраторного двигателя. Наименьшей стойкостью к детонации обладают парафины нормального строения. Углеводороды разветвленные, а так же непредельные и ароматические устойчивы к детонации. Мера детонационной стойкости бензина, т.е. способности нормально сгорать в двигателе при различных условиях, – октановое число. Октановое число определяется содержанием изооктана и н-гептана (детонация изооктана равна 100, а н-гептана – 0). Например, бензин 76 марки содержит 76% изооктана и 24% н-гептана. Полученные бензиновые и лигроиновые фракции нефти, обладающие низким октановым числом, подвергают переработке с целью повышения октанового числа. Сейчас в России существуют различные марки бензинов: летние и зимние. Также бензины подразделяются на авиационные и автомобильные. Ученые постоянно работают над проблемой улучшения качества автомобильных бензинов: запрещаются вредные компоненты, рекомендуются добавки к бензинам, улучшающие их качество и экологическую чистоту, продолжается разработка современных устройств для получения бензинов из углеродного сырья различного происхождения. Другие сферы применения. 1 – взрывчатые вещества 2,7 – антифризы 3,4 – мази 5 – лавсан (синтетическое волокно) 6,8,11 – растворители 9,10 – синтетический каучук 12 – горючее для двигателей
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, 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.
Из истории происхождения и применения нефти
Залежи нефти находятся в недрах Земли на разной глубине. О происхождении нефти ученые утверждают, что это "планктон древних морей”, образовавшийся из растительных и животных остатков в течение долгих веков под действием микроорганизмов без доступа воздуха при повышенных температуре и давлении. Нефть часто называют "черным золотом”. В глубокой древности славяне называли ее ропанкой, греки – петролеумом. Считается, что современное название – нефть – родилось от арабского "нафта” – вытекать. Нефть известна людям очень давно. Более 6000 лет назад шумерам, населявшим территорию между Тибром и Евфратом, был известен вязкий нефтяной битум. В то время нефть использовали как вяжущее и уплотняющее вещество в строительном деле для изготовления кирпича. Битумными мазями лечили чесотку и нарывы, а длительными "ваннами” в нефтяных лужах пытались избавиться от боли в суставах, при болезнях желудка жевали пилюли из нефтяного битума. Жидкую нефть использовали как горючее для светильников, для военных целей. Нефть добывали уже в эпоху раннего средневековья из колодцев, затем возникают первые скважины глубиной 200 – 300 м в Италии. В Китае бурение известно еще до нашей эры. В ХV веке в Париже появляются первые асфальтированные улицы. Главное, нефть стали использовать для керосиновых ламп. Уже в 1745 г. на реке Ухта на севере России архангельский промышленник Ф.С. Прядунов построил первый в мире нефтеперегонный завод. В день он получал из 27 т нефти 16 т керосина. Затем нефть понадобилась для двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей. После изобретения инженером В.Г. Шуховым метода перегонки нефти она стала универсальным топливом. Первая нефтяная скважина в мире была пробурена в 1848 г. в Баку, с нее началась эпоха промышленной добычи нефти.
Нефть меряют баррелями. Один баррель составляет около 136 кг. Транспортировка нефти по суше в настоящее время осуществляется путем нефтепроводов, железнодорожных цистерн, между континентами – с помощью танкеров Мировые запасы нефти Как видно по карте (рисунок 2), большая часть месторождений нефти располагается на Ближнем Востоке (67%). Латинская Америка имеет 9% мировых запасов, Западная Африка – 7%, Россия, Каспий, Средняя Азия – 6%, Северная Америка – 5%, Западная Европа, Китай и Юго-Восточная Азия – по 3%. Рис. 2 Причем при нынешних темпах добычи нефти ее запасов должно хватить (рисунок 3): в Канаде на 6 лет, Норвегии – на 8, в США – на 11, России – 19, в Казахстане – 27, Мексике – 21, в Нигерии – 30, в Катаре – 55, в Саудовской Аравии – 85, в ОАЭ – 114, в Кувейте – 127, в Ираке – на 128 лет (12). Такое неравномерное распределение природных ресурсов часто становится причиной борьбы за нефтяные месторождения и рынки сбыта. Рис. 3 Нефтяные войны Нефть и война идут рядом уже не одно тысячелетие. Ещё задолго до нашей эры древние греки взяли на вооружение нефть-сырец. Во время осады крепостей и во время морских сражений они забрасывали противника глиняными горшками с горящей нефтью. Поскольку нефть имеет свойство не гаснуть даже на поверхности воды, это оружие устрашало врага, его так и назвали – "греческий огонь”. Долгое время нефть широко не использовалась человеком (до появления первых паровых машин), затем она стала быстро вытеснять другие природные энергоносители: уголь, торф, лес. Именно в этот период нефть стала синонимом богатства и власти. Первыми жертвами нефтяных войн стали народы Америки – индейцы (первая нефть была добыта в Северной Америке в 1682 г.), изгнанные колонистами с плодородных земель в пустыни и полупустыни Америки. Они были истреблены нефтяными королями в течение очень короткого времени, велась охота за скальпами индейцев. С открытием промышленного способа переработки нефти, нефтяной бизнес получил новый импульс, и практически весь ХХ век и начало XXI прошли под знаком борьбы за нефтяные месторождения и нефтяные рынки сбыта. Приведем наиболее яркие примеры войны за нефть: Гражданская война 1917-1920 гг. в России на южных её рубежах; Сталинградская операция в годы Великой Отечественной войны, когда Адольф Гитлер главной задачей считал отрезать промышленные города России от нефти Каспия; Ирано-Иракская война, унесшая около миллиона человеческих жизней; Ирако-Кувейтская война, в которой Садам Хусейн напрямую задел интересы американских нефтяных компаний. Последняя нефтяная война еще не закончена. Пока не найдена альтернатива нефти, международные и локальные конфликты неизбежны. Залежи нефти в зоне экономического влияния Мурманской области На шельфе Баренцева и Печорского морей в зоне экономического влияния Мурманской области открыты богатые залежи нефти и газа, в числе которых получившее мировую известность Штокмановское газоконденсатное месторождение, с запасами более 3,0 трл. м3 газа. В Баренцовом море расположены 3 газовых (Мурманское, Северо-Кильдинское, Лудловское) и два газоконденсатных (Штокмановское и Ледовое) месторождения. Суммарные геологические ресурсы углеводородов шельфа Баренцева и Печорского морей оценивают более чем 35 млд.т. В настоящее время идет разработка этих месторождений, что позволит вывести экономику Мурманской области на новый уровень развития (11).
Охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами
К числу наиболее вредных химических загрязнителей относят нефть и нефтепродукты. Нефтепродукты оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Например, аварии нефтяных судов стали настоящим бичом Мирового океана, нефтеперерабатывающие заводы являются источниками выбросов многочисленных вредных веществ. При сжигании нефтепродуктов большая часть токсичных выбросов уходит в атмосферу. Ежегодно в океан попадают более 10 млн. тонн нефти. Поверхность Мирового океана загрязняется танкерами, имеет место утечка нефти при подводном бурении. Например, в 1981 году в порту Клайпеда потерпел аварию танкер "Глобе Асими”, в море вылилось 1600 тонн мазута. Нефтяные пленки на поверхности морей и океанов могут нарушать обмен энергией, теплом, влагой и газами между океаном и атмосферой. В конечном итоге они влияют на климат Земли, на баланс кислорода в атмосфере. Даже осевшие на дно нефтепродукты долгое время вредят всему живому. В 1973 году было принято мировое соглашение по мерам безопасности танкерных перевозок, а также по ограничению выбросов от судовых двигателей. Раньше танкеры мыли просто горячей водой, которую просто сливали за борт вместе с отмытой нефтью. Но ученые создали препараты для мойки танкеров, которые выполняют двойную задачу. Прежде всего, они значительно ускоряют мойку. Затем нефть самопроизвольно отделяется от моющего раствора, который можно использовать снова и снова, а собранную нефть можно утилизировать. Наиболее часто применяемые способы борьбы с пролитой нефтью: 1. Самоликвидация.
2. Химическое рассеивание.
3. Метод осаждения.
4. Поглощение
5. Ограждение. Все эти способы не идеальны. Поэтому самый верный способ борьбы с загрязнениями – не допускать аварий.
