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.