8.4. Практическое использование нефти и газа

Нефть – это исключительно полезное ископаемое, которое имеет как высокие энергетические характеристики, так и уникальные особенности сырья для органического синтеза. Она отличается от других горючих ископаемых относительной простотой переработки в высококачественные топливные и смазочные материалы и сегодня остается основным сырьем для их производства.

Нефть, получаемая непосредственно из скважин, называется сырой. В различных отраслях промышленности применяются как сырая нефть, так и продукты ее переработки.

С давних пор люди стремились получить из сырой нефти вещества, необходимые для тех или иных целей. Согласно некоторым источникам, первую перегонку нефти осуществил римский врач Кассий Феликс. В 1723 г. в Москву по приказу Петра I доставили светлую бакинскую нефть. Она была подвергнута перегонке в Главной московской аптеке с целью изготовления лекарственных бальзамов.

В 1745 г. архангельский купец Федор Прядунов построил на Ухте первый в мире нефтеперегонный завод. На нем в результате примитивной перегонки из сырой нефти получали осветительную жидкость (керосин). До 1000 пудов ее ежегодно отправляли в Москву. Но в то время она не нашла широкого спроса.

В 1823 г. завод по перегонке нефти соорудили недалеко от крепости Моздок на Кавказе братья Дубинины. Они получали светлую прозрачную осветительную жидкость – фотоген (греч. «фотос» – свет, «геннао» – рождать, производить), а в остатке после перегонки оставалась густая грязно-черная жидкость. Ее называли арабским словом «макзулат» (отброс), которое со временем преобразовалось в «мазут». За светлой осветительной жидкостью впоследствии укрепилось название «керосин» (от английского «кересин»), под которым его позднее стали доставлять в Россию из Америки. Перегонка нефти на заводе братьев Дубининых осуществлялась следующим образом. В печь был вмазан котел с медной крышкой. Из крышки выходила медная трубка в бочку с водой. При подогреве нефти выделялись пары. Попадая через медную трубку в бочку с водой, пары oxлаждались и превращались в керосин. Как только керосин темнел, топку тушили, а густой остаток – мазут – выбрасывали. Из 40 ведер нефти получали 16 ведер керосина. 20 ведер оставалось в котле в виде мазута, четыре ведра «угорали» – терялись в процессе переработки.

Более совершенный и крупный нефтеперегонный завод по производству керосина был построен в 1859 г. В.А. Кокаревым недалеко от Баку. В 1863 г. на завод для консультации был приглашен Д. И. Менделеев. Под его наблюдением были налажены очистка нефти и производство из нее керосина. В 1880 г. в районе Баку было уже около 200 керосиновых заводов. На базе этих заводов в 1898–1906 гг. был построен самый крупный в то время в мире керосинопровод Баку – Батуми протяженностью 883 км, с диаметром труб 200 мм и пропускной способностью 0,9 млн. т. в год.

В 1879 г. при консультации Д.И. Менделеева недалеко от Ярославля был построен первый в мире завод по производству смазочных масел из мазута. А в 1882 г. под Москвой по проекту Д.И. Менделеева была построена установка непрерывного действия по переработке нефти.

Первый нефтеперерабатывающий завод в Украине был построен в 1859 году в г. Дрогобич. Он сгорел, а на этом самом месте в 1863 году построили новый. Именно 1863 год считают началом промышленной переработки нефти в Украине.

Вначале при перегонке нефти оставалась неиспользованной и более легкая, чем керосин, фракция. Большая доля ее выпускалась в атмосферу, в море, сжигалась или сливалась в специальные поглощающие колодцы. Эта более легкая фракция нефти получила название «бензин» (искаженное арабское слово «любензави» – горючее вещество). Например, в 1902 г. только на нефтеперегонных заводах Грозного было сожжено около 70 000 т бензина. На протяжении почти ста лет легко воспламеняющийся бензин оставался опаснейшим отбросом переработки нефти. Частично он примешивался к керосину, вследствие чего последний взрывался и воспламенялся в светильниках. Поэтому во второй половине XIX в. нефтепромышленники тратили большие суммы на организацию конкурсов по разработке способов уничтожения «дьявольской примеси к керосину».

В настоящее время из нефти и природного газа путем сложной многоступенчатой переработки извлекается множество составных частей.

Начинается этот многостадийный процесс с первичной переработки нефти. При первичной переработке сырую нефть очищают от пластовой воды, примеси неорганических веществ и др. Затем очищенную нефть подвергают прямой перегонке на современных установках (рис. 8.18).

На первом этапе перегонка осуществляется в условиях атмосферного давления. При нагревании нефти до 250°С выкипают углеводороды, относящиеся к бензиновой и лигроиновой фракциям. В пределах температур 250–315°С выделяются керосино-газойлевые фракции, а при 300–350°С – масляная (соляровая) фракция.

Рис. 8.18. Технологическая установка на современном нефтеперерабатывающем заводе

Остаток – мазут – долго считался бесполезным отходом перегонки нефти. Затем его стали использовать как топливо. А позднее из него путем дальнейшей перегонки научились извлекать бензиновые, керосиновые и масляные фракции. Для выделения из мазута масляных фракций требуется довольно высокая температура – до 400–500°С, при которой масла начинают разлагаться. Во избежание этого перегонку мазута проводят в вакуумных установках при давлении 8–18,6 кПа. В условиях вакуума жидкости кипят при более низкой, чем в нормальных условиях, температуре. Чтобы выделить масляные фракции в вакууме, достаточно подогреть мазут (или нефть) до 300–400°С. После выделения из мазута масел остается гудрон. Содержащиеся в нем наиболее тяжелые масла извлекаются затем с помощью растворителей, а остаток перерабатывают для получения дорожных и других битумов.

Методы переработки тяжелых остатков перегонки нефтей развивались и совершенствовались по мере расширения спроса на керосин, бензин и другие нефтепродукты. Еще в 1875 г. ассистент Петербургского технологического института А.А. Летний установил, что при воздействии на тяжелые нефти высокой температуры образуются летучие продукты (бензин). В 1885 г. в Баку была построена установка для получения керосина путем нагрева нефтяных остатков.

По мере бурного развития автомобилестроения во всем мире быстро возрастал спрос на бензин. То количество бензина, которое получали простой перегонкой, уже не удовлетворяло потребности в нем. В сырой нефти, получаемой из скважин, содержание бензиновых фракций невелико в (среднем 10–15%). Поэтому ученые исследовали возможность получения дополнительного бензина из мазута.

В 1890 г. знаменитый русский изобретатель В.Г. Шухов предложил оригинальный способ расщепления углеводородных составных частей мазута и получения светлых нефтепродуктов, благодаря чему сегодня около 60% всего бензина добывается из мазута. Этот способ получил название «термический крекинг» (англ. «крекинг» – расщепление). Он основан на переработке мазута и тяжелой нефти при высокой температуре (450–550°С) без доступа воздуха. При такой температуре начинают расщепляться высокомолекулярные углеводороды, имеющие длинные цепочки углеводородных радикалов. Молекулы предельных (парафиновых) углеводородов разрываются преимущественно в середине цепи с образованием одного предельного и одного непредельного углеводородов.

Владимир Григорьевич Шухов (1853–1939) гениальный инженер ХХ века, чьи изобретения и исследования намного опережали свое время и на десятилетия вперед изменяли направление развития научно-технического прогресса. В наше время он включен в список ста выдающихся инженеров всех времен и народов и даже в этом списке он по праву может занимать первые строки. Поражает воображение простое перечисление сфер его деятельности. По системе Шухова были созданы паровые котлы, нефтеперегонные установки, трубопроводы, резервуары для хранения нефти, керосина, бензина, спирта, кислот и пр., насосы, газгольдеры, водонапорные башни, нефтеналивные баржи, доменные печи, металлические перекрытия цехов и общественных сооружений, хлебные элеваторы, железнодорожные мосты, воздушно-канатные дороги, маяки, трамвайные парки, заводы-холодильники, дебаркадеры, ботопорты, мины и т.д. В 1880 году В.Г. Шухов впервые в мире осуществил промышленное факельное сжигание жидкого топлива с помощью усовершенствованной им форсунки, позволявшей эффективно сжигать и мазут, считавшийся ранее отходом нефтепереработки. Он произвел расчеты и руководил строительством первого в России нефтепровода от Балаханских нефтепромыслов до Баку. В 1891 году Шуховым разработана и запатентована промышленная установка для перегонки нефти с разложением на фракции под воздействием высоких температур и давлений; установка впервые предусматривала осуществление крекинга в жидкой фазе.

Рис. 8.19. Установка каталитического риформинга на Кременчугском нефтеперерабатывающем заводе

В результате указанных реакций в процессе крекинга происходит обогащение нефти более легкими углеводородами, входящими в бензиновую фракцию. Получаемый таким образом бензин получил название «крекингбензин». Он несколько отличается по составу от бензина прямой перегонки, но вполне пригоден как моторное топливо для автомобилей.

При термическом крекинге получают не только дополнительное количество бензина, но и другие ценные нефтепродукты, которые идут на дальнейшую переработку для получения различных нефтехимических продуктов.

Термический крекинг проводится при температуре 450–550°С и повышенном давлении (от 2 до 7 МПа.). В 1918 г. академик Н.Д. Зелинский разработал способ получения бензина из тяжелых остатков нефти, названный «каталитическим крекингом». Катализаторы – вещества, ускоряющие протекание реакций,

но не участвующие в них. Ускорение крекинга нефти в присутствии катализатора позволило получать бензин при более низкой температуре, чем в условиях термического крекинга, и давлении, близком к 0,1 МПа.

Моторное топливо карбюраторных двигателей внутреннего сгорания при сгорании испытывает детонацию (от лат. «детонаре» – греметь). Это чрезвычайно быстрый, приближающийся к взрыву процесс горения топливной смеси, нарушающий нормальную работу мотора. Стойкость бензинов к детонации принято оценивать условным показателем – октановым числом. Для его определения испытываемый бензин сравнивается по устойчивости к детонации с эталонным образцом топлива – изооктаном. Детонационная стойкость изооктана принята за 100. Октановое число топлива численно равняется процентному (по объему) содержанию изооктана в такой его смеси с гептаном (легко детонирующим), которая эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу.

Обычный автомобильный бензин, получаемый при прямой перегонке нефти, обладает невысокими антидетонационными свойствами. Его октановое число составляет 60–70. Для улучшения антидетонационных свойств бензинов прямой перегонки их перерабатывают в условиях каталитического крекинга. Такая переработка бензина называется риформингом. С помощью каталитического риформинга низкооктановые бензины превращаются в высокооктановые (рис. 8.19).

При прямой перегонке нефти, термическом и каталитическом крекинге, помимо бензина, керосина и масел, образуются также тяжелые остатки. Они представлены различными сортами мазута, гудрона и крекинг-остатками. Часть этих остатков используется как котельное топливо, а также для получения битумов. Другая часть подвергается дополнительной переработке с целью получения бензина и других легких фракций. Для переработки тяжелых остатков применяется способ, называемый коксованием. Тяжелый нефтяной остаток расщепляется при высокой температуре, в результате чего образуются газ, бензиновая и газойлевая фракции и в остатке – нефтяной кокс, представляющий собой твердое пористое вещество серебристо-серого цвета, состоящее из чистого углерода и зольной части угля.

Переработка керосиновых и других фракций прямой перегонки нефти и крекинга при температуре 650–700°С и выше называется пиролизом (греч. «пирос» – огонь, «лизис» – разложение). Пиролиз протекает при атмосферном давлении. В результате этого процесса получают газ пиролиза, а также ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.) и смоляной остаток. В настоящее время пиролиз имеет значение как способ получения газообразных непредельных углеводородов, и в пеpвую очередь этилена – исходного сырья для полимеров, а также пропилена и ацетилена.

Природный газ также сначала подвергается очистке от паров воды и примеси сероводорода. Затем из него извлекаются пары бензина, то есть наиболее летучих жидких углеводородов – пентана, гексана, гептана и др. Этот процесс называется отбензиниванием газа. В отличие от бензина, получаемого из нефти, такой бензин стали называть газолином. Затем из природных газов извлекают предельные газообразные углеводороды, используемые в дальнейшем как сырье для получения различных нефтехимических продуктов.

Некоторые непредельные углеводороды – этилен, пропилен и др. – получают также путем пиролиза этана и других предельных газообразных углеводородов. Углеводородные газовые смеси, выделяющиеся при крекинге или пиролизе природных газов, называются пирогазом.

Все получаемые из сырой нефти нефтепродукты разделяются на две группы: 1) направляемые на непосредственное потребление (бензин, керосин, дизельное топливо, масла, котельно-печное топливо, кокс и др.);

2) используемые как сырье для нефтехимии и направляемые на дальнейшую переработку.

Роль нефти и природного газа в качестве исходного сырья для химической промышленности уникальна. В настоящее время более трети общего объема продукции мировой химической промышленности вырабатывается из нефтегазового сырья. На основе нефтяных углеводородов возникло производство синтетического каучука, этилового спирта, пластмасс, синтетических волокон и материалов, моющих средств и ряда других продуктов.

Наибольшее применение в настоящее время продукты переработки нефти и природного газа находят в топливно-энергетической отрасли промышленности. Широко используются высокооктановое бензиновое топливо, керосиновое, дизельное, реактивное жидкое топливо, мазут, газообразное и твердое топливо, добавки к моторному топливу, масла и консистентные смазки, антифриз, изоляция и др.

Керосин, использовавшийся раньше лишь в керосиновых лампах, керосинках и примусах, сейчас идет в основном на приготовление реактивного топлива.

В первые годы появления перегонки нефти, как уже указывалось, долго не находили применения мазут и бензин. Мазут сжигался в специальных земляных амбарах как ненужный отход. В редких случаях его использовали для смазки осей и колес телег и повозок. В 70-х годах XIX в. были сделаны попытки сжигать мазут в топках паровых котлов, но они не дали ощутимых результатов, так как он очень плохо горел, давал мало тепла и слишком много сажи.

В 1866 г. А. И. Шпаковский изобрел форсунку с паровым распылением для сжигания мазута. Ее существенно усовершенствовал в 1880 г. В. Г. Шухов. В результате уже в конце XIX в. мазут получил широкое применение в качестве топлива в паровых котлах фабрик и заводов. Д. И. Менделеев первым предложил перевести на нефтяное топливо и морской флот. В 1887 г. на Черном море были проведены испытания такого топлива на миноносцах «Сова» и «Лука», которые дали весьма положительные результаты.

Использование мазута вместо угля на флоте имело много важных преимуществ. Вопервых, мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Во-вторых, он занимает мало места при хранении и, сгорая, не дает никаких твердых остатков. Перевод флота на мазут позволил значительно увеличить время пребывания судов в море без захода в порты благодаря сокращению массы и объема топлива. Если на угольном топливе корабль мог быть в плавании только 15 дней, то при использовании мазута тот же корабль стал плавать, не заходя в порт, 50 дней. Накануне первой мировой войны англичане перевели с угля на мазут около половины своего флота. Только благодаря этому мощь британского флота увеличилась на одну треть, хотя не было построено ни одного нового корабля. С тех пор мазут широко применяется как топливо в судовых, котельных, стационарных газотурбинных и других установках.

Промышленное использование бензина было предопределено появлением карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, был изобретен в 1879 г. русским изобретателем Огнеславом (Игнатием) Костовичем. Первые автомобили с карбюраторным двигателем построены Г. Фордом в 90-х годах XIX столетия. С широким распространением автомобильного, а затем и воздушного транспорта ранее никому не нужная «дьявольская примесь к керосину» превратилась в незаменимый и ценнейший продукт. Бензин характеризуется очень высокой теплотой сгорания. Потребление его стало исключительно быстро возрастать. В 1914–1915 гг. бензина было использовано уже больше, чем керосина. В 1896 г. в мире было четыре автомобиля, а ныне только количество легковых автомобилей исчисляется сотнями миллионов. Сегодня автомобильный бензин составляет почти половину мирового расхода нефтепродуктов.

Природный газ в качестве топлива во многих сферах потребления вполне может заменить нефть, а зачастую он более эффективен и удобен в использовании. Впервые природный газ стал применяться как топливо для паровых котлов и кухонных очагов в 70-х годах прошлого столетия в штате Пенсильвания (США). Затем его стали использовать в металлургии при доменных процессах.

Широкое применение природного газа началось около полувека назад. Ныне ни одна отрасль не развивается так быстро, как газовая. Природный газ используется для выработки электроэнергии на электростанциях, а также в качестве топлива в металлургической промышленности, в котельных, в быту и т. д. В черной металлургии 1 м 3 природного газа экономит 0,9 –1,3 кг более дорогого кокса. Перевод теплоэлектростанций, котельных и промышленных предприятий на природный газ является более предпочтительным, чем использование для этих целей нефти и тем более угля, с точки зрения загрязнения окружающей среды.

Сейчас с использованием природного газа производится основной объем чугуна, стали, цемента и минеральных удобрений. Сравнительно новой сферой использования природного газа есть автомобильный транспорт, где он используется как моторное топливо вместо традиционных нефтяных (рис. 8.20).

Любой горючий материал при сгорании выделяет определенное количество тепла. Нефть обладает самой высокой теплотой сгорания: 1 кг нефти при сжигании дает столько же тепла, сколько можно получить при сжигании 1,3 кг антрацита или 3,1 кг бурого угля, или 3,3 кг торфа, или 3,4 кг дров, или 7 кг горючих сланцев.

Энергетическое направление в использовании нефти и природного газа до сих пор остается главным во всем мире. Нефть и горючие газы являются основой топливно-энергетических балансов промышленно развитых стран. Доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 38%, природного газа – 24%.

Рис. 8.20. Автомобильная газонаполняющая компресорная станция, г. Киев