Энергетические ресурсы играют ведущую роль в современной экономике. Уровень развития производительных сил каждого государства определяется в значительной степени масштабам», потребления энергоресурсов. О важной роли энергоресурсов свидетельствует то обстоятельство, что более 70 % добываемых в мире полезных ископаемых относится к источникам энергии.
Основные виды энергоресурсов - уголь, нефть, природный газ, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия..
В настоящее время нефть - основной источник энергии в большинстве стран мира. На топливах, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного и воздушного транспорта, поднимаются космические ракеты, вырабатывается электроэнергия на тепловых электростанциях.
Современный уровень цивилизации и технологии был бы немыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть. Сегодня она имеет несколько значений для народного хозяйства страны:
· сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей;
· источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт);
· сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста.
Природный газ, открытый тысячи лет назад, стал незаменимым энергоносителем в большей части промышленно развитого мира. В самом благоприятном положении находятся страны, имеющие хотя бы небольшие собственные запасы природного газа, в то время как некоторые страны, например Япония, должны импортировать практически весь требующийся газ. В районах, богатых нефтью, обычно имеются и значительные запасы природного газа. К таким регионам относятся Россия, США, Ближний Восток, Мексика, некоторые районы Южной Америки, а также европейские страны, прилегающие к Северному морю.
Промышленное использование природного газа – в качестве различных видов технологического топлива – стимулируется возможностями более точного регулирования генерируемого теплового потока по сравнению с другими видами топлива. В силу этого природный газ находит все более широкое применение в тех отраслях промышленного, для которых строго регламентирована подача тепла, имеет важное практическое значение: в пищевой, стекольной, керамической и цементной промышленности, при производстве кирпича, фарфора и других хрупких материалов. Потребление природного газа приобретает все более широкие масштабы и в современной нефтехимии, использующей углеводородный газ в качестве сырья для получения аммиака, азотных удобрений и т.п.
Широкое использование газообразного топлива в жилищно-коммунальном хозяйстве и сфере услуг обусловлено такими потребительскими свойствами, как высокая калорийность, удобство применения и чистота сгорания.
Все большее распространение получает использования газа в качестве топлива на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Говоря о потреблении газообразного топлива, следует подчеркнуть, что наряду с природным газом, в качестве технологического и коммунально- бытового топлива, а также химического сырья, используются искусственные газы: заводской, нефтезаводской, коксовый, доменный и т.д.
В настоящее время на долю различных видов искусственного газа в целом приходится около 15% совокупного потребления газообразных углеводородов.
1. Состав нефти.
Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь веществ, а раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.
Нефть – не просто растворённое вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряжённым раствор назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.
Собственно нефть представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных породах земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и т.п.)
Нефть представляет собой тёмно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую чёрный цвет жидкость.
1.1. Химический состав нефти.
В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть нефтей составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические. По углеводородному составу все нефти подразделяются на: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6) метаново-ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этой классификации ставится название углеводорода, содержание которого в составе нефти меньше.
1.1.1. Углеводороды нефти и нефтепродуктов
Углеводороды – наиболее простые по составу органические соединения. Их молекулы построены из атомов только двух элементов – углерода и водорода. Общая формула C n H m . Они различаются по строению углеродного скелета и характеру связей между атомами углерода (схема 1).
По первому признаку их делят на ациклические (алифатические) углеводороды, молекулы которых построены из открытых углерод – углеродных цепочек, например, гексан и изогексан:
СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 2 -СН 3 СН 3 -СН-СН 2 -СН 2 -СН 3 ,
гексан изогексан
и циклические (карбоциклические) углеводороды.
Карбоцикличекие углеводороды, обладающие особыми свойствами («ароматический характер»), получили название ароматических, например:
Другие карбоциклические углеводороды, например, циклогексан, называются алициклическими:
По характеру связей между углеродными атомами углеводороды могут быть насыщенные, или предельные (алканы), и ненасыщенные (непредельные). Последние могут содержать разное количество двойных (алкены, алкадиены, циклоалкены и др.), тройных (алкины, циклоалкины и др.) связей или те и другие одновременно:
Схема 1. Классификация углеводородов
1.1.1.1.Алканы.
Алканы – алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (σ-связь). Осюда и другое их название – предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов – метан СН 4 . В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp 3 - гибридизации. Общая формула соединений этого ряда С n H 2 n +2 . Каждый последующий
Алканы занимают исключительно важное место среди углеводородов нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами.
Лёгкие фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200-300 0 С, их содержится обычно не более 55-61%, а к 500 0 С количество этих углеводородов снижается до 19-5% и менее.
Жидкие алканы. Содержание жидких алканов в зависимости от месторождения нефти колеблется от 10 до 70 %. Наиболее богаты ими мангышлакские, сибирские, татарские, башкирские нефти. При фракционной разгонке эти углеводороды попадают в бензиновый (С 5 -С 10) и керосиновый (С 11 -С 16) дистилляты. В настоящее время в нефтях найдены все возможные изомеры пентана, гексана и гептана.
Обычно нефть содержит, главным образом, два-четыре десятка индивидуальных нормальных и изомерных алканов, остальные присутствуют в незначительных количествах.
Наиболее характерно содержание алканов нормального и слаборазветвлённого строения. Причём из последних наиболее часто встречаются метилзамещённые.
В табл. 5 приведены усреднённые данные о содержании индивидуальных алканов в бензиновых фракциях нефтей.
Из 18 изомеров октана обнаружено 17. Из 35 возможных изомеров нонана обнаружено 24.
Декан и его десять изомеров выделены, а большая часть обнаружены спектроскопическим методом.
Из углеводородов С 11 -С 16 найдены ундекан, додекан, три- и тетрадекан, пентадекан и гексадекан.
Таблица 5
Относительное содержание алкановых углеводородов
во фракциях различных нефтей
| Углеводороды |
|||
| для нефтей СНГ |
для зарубежных нефтей |
||
| Фракция 60-95 0 С |
|||
| 2-метилпентан |
|||
| 3-метилпентан |
|||
| 2,2-диметилпентан |
|||
| 2,4-диметилпентан |
|||
| 2,3-диметилпентан |
|||
| 3,3-диметилпентан |
|||
| 2-метилгексан |
|||
| 3-метилгексан |
|||
| 3-этилпентан |
|||
| Фракция 95-122 0 С |
|||
| 2,2-диметилгексан |
|||
| 2,3-диметилгексан |
|||
| 2,4-диметилгексан |
|||
| 2-метилгептан |
|||
| 3-метилгептан |
|||
| 4-метилгептан |
|||
В некоторых нефтях обнаружены изопреноидные углеводороды -разветвлённые алканы с правильным чередованием метильных заместителей в цепи через три метиленовые группы:
Изопреноидные углеводороды представляют особенный интерес для геохимии нефти, поскольку обладают специфической структурой, характерной для биохимических компонентов. Особенности их строения и высокая концентрация в различных нефтях свидетельствуют в пользу их биогенной природы.
При изучении распределения в нефтях нормальных алканов и алканов изостроения обнаружены закономерности, связанные с типом нефти. В нефтях метанового типа преобладают нормальные алканы (до 50 %). В нефтях нафтенового типа содержатся преимущественно изоалканы (до 75 % и более). Они могли образоваться в нефтях из фитола - ненасыщенного алифатического спирта растительного происхождения, который является составной частью хлорофилла.
Так как нефти метанового типа относятся к старым нефтям, преобладание в них алканов нормального строения объясняют протеканием реакций отщепления боковых цепей у углеводородов изостроения. Преимущественное содержание изоалканов в нафтеновых нефтях свидетельствует, что они относятся к молодым, не претерпевшим ещё значительных превращений.
Жидкие алканы имеют большое значение в жидких топливах. Установлено, что нормальные алканы являются носителями детонирующих свойств, в результате чего их присутствие в бензинах нежелательно.
Напротив, они желательны в дизельном топливе, т. к. с увеличением длины цепи повышается так называемое цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к воспламенению.
Алканы разветвлённого строения придают бензинам антидетонационные свойства, характеризуемые октановым числом.
Жидкие алканы, входя в состав бензина, керосина и других продуктов переработки нефти, используют в первую очередь как топлива. Значительное количество нормальных алканов используют для получения синтетических жирных кислот, спиртов и поверхностно-активных веществ. Кроме того, они являются сырьём для микробиологической промышленности, производящей белково-витаминные концентраты.
Твёрдые алканы. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях. Для всех твёрдых алканов укрепилось техническое название “парафины ”. Парафинов в нефтях содержится мало (0,1-5%). Однако встречаются высокопарафинистые нефти с содержанием 7-27% твёрдых парафинов.
Основная их масса содержится в мазуте, при перегонке которого углеводороды с числом углеродных атомов от 17 до 35 попадают в масляные дистилляты, а С 36 -С 55 остаются в гудроне. По химическому составу углеводороды, выделенные из масляных фракций, составляют более 75% нормальных алканов и небольшие количества циклоалканов и разветвлённых углеводородов. Они имеют температуру плавления 45-54 0 С, температуру кипения до 550 0 С, плотность 0,860-0,940 и молекулярную массу 300-500. Твёрдые углеводороды с числом углеродных атомов от 36 до 55 носят название церезины . В состав церезинов входят алканы нормального и изостроения, которые могут содержать в молекуле циклоалкановые и ароматические структуры. Церезины имеют температуру плавления 65-88 0 С, температуру кипения выше 600 0 С, молекулярную массу 500-750. По внешнему виду похожи на воск.
Парафины легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент. Церезины же кристаллизуются в виде мелких игл, поэтому они не образуют прочных застывающих систем, как парафины.
В нефти парафины находятся в растворённом и взвешенном состоянии. На холоде растворимость их в нефти и нефтяных фракциях невелика, но при нагревании около 40 0 С парафины неограниченно растворяются в них. Так как в недрах Земли повышенная температура, то в нефтях парафины находятся в растворённом состоянии, выделяясь из них в виде твёрдой фазы при подъёме нефти на поверхность. Поэтому при содержании их в нефти в пределах 1,5-2 % парафины отлагаются в скважинах и промысловых нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию скважин и транспорт нефти.
Парафины и церезины имеют разнообразное применение в химической промышленности, в производстве вазелина, в пропитке древесины, аппретировании тканей, в качестве изолирующего материала в электро- и радиотехнике.
Парафины применяют в качестве загустителя в производстве пластических смазок. Особенно большое значение они имеют, также как и жидкие алканы, для производства синтетических жирных кислот и спиртов.
1.1.1.2. Циклоалканы.
Циклоалканы или цикланы – углеводороды, содержащие в молекуле циклы (кольца), построенные из атомов углерода (карбоциклические соединения), связанные между собой σ-связью. Из рассмотренной ранее классификации (см. с. 17) следует, что цикланы входят в состав алициклических соединений. Общая формула циклоалканов C n H 2 n . Следовательно, молекулы цикланов, не имеющие заместителей, состоят из связанных между собой и замкнутых в кольца групп СН 2 (метиленовая группа); отсюда и другое их название – полиметиленовые соединения.
В технической литературе (в том числе и в нефтяной) циклоалканы называют нафтенами. Последнее название им дал В.В. Марковников, впервые открывший эти углеводороды в 1833 году в бакинских нефтях.
Циклоалканы по числу циклов в молекуле подразделяются на моноцикланы (общая формула С n Н 2 n), бицикланы (С n Н 2 n -2) и полицикланы (С n Н 2 n -4 , С n Н 2 n -6 и т.д.).
Моноциклические циклоалканы являются преобладающими компонентами нефти. Они представлены преимущественно метилзамещёнными циклопентанами и циклогексанами. Преобладают соединения, замещённые в положении 1,3 и 1,2,3. Циклогексановые гомологи более распространены, чем циклопентановые. Аномально высокое содержание этих углеводородов связано с происхождением нефти. В небольшом количестве в нефтях найдены алкилциклогептаны.
Из бициклоалканов в нефтях найдены конденсированные
и их гомологи. Наиболее широко распространены имеющие практическое значение декалины. Кроме конденсированных бициклоалканы могут быть представлены в нефтях гомологами дициклопентила и циклогексила, циклопентилциклогексила и дициклогексилметана:
Из трициклических циклоалканов в нефтях обнаружен лишь трицикло (3.3.1.1. 3,7)декан (адамантан) и его гомологи:
Молекула адамантана очень устойчивая. Кристаллическая решётка у него такая же, как у алмаза.
В высших фракциях нефти содержатся полициклические алканы, молекулы которых представляют системы конденсированных 4,5 и 6-ти циклов с короткими боковыми цепями (терпаны, стераны), происхождение которых связывается со стероидами, широко распостранёнными в живой природе.
Моноциклические циклоалканы с длинными боковыми цепями, а также циклоалканы сложной конденсированной структуры представляют собой при обычной температуре твёрдые вещества. Они являются компонентами парафинов и церезинов.
В настоящее время из нефтей выделяют лишь циклогексан, который используют в нефтехимическом синтезе, и производные адамантана, применяемые в различных областях (лекарственные вещества, полимеры и др.). Другие циклоалканы нефтей используют в качестве добавок к бензинам, либо перерабатывают с целью получения ароматических углеводородов.
Чем больше циклоалканов содержат бензины и керосины, тем более высококачественными топливами они являются. По отношению к детонационной стойкости они занимают среднее положение между алканами нормального строения и аренами. Наиболее высокими антидетонационными свойствами обладают циклопентан и циклогексан.
В дизельных топливах желательны моноциклоалканы с длинными боковыми цепями. Для реактивных топлив особенно желательны малоразветвлённые моноциклоалканы, поскольку при сгорании они выделяют много тепла и обладают низкой температурой застывания.
Для смазочных масел предпочтительнее моно- и бициклические циклоалканы с длинными боковыми цепями. Они имеют хорошую вязкость, смазывающую способность, низкую температуру застывания.
Непредельными или ненасыщенными углеводородами называются соединения, содержащие двойные или тройные связи. Непредельные углеводороды образуют несколько гомологических рядов, состав которых выражается одной из следующих формул: С n H 2 n , C n H 2 n -2 , C n H 2 n -4 и т. д.
1.1.1.3. Арены и углеводороды смешанного строения .
Арены, или ароматические углеводороды, - соединения, содержащие в молекуле особую циклическую группировку из шести атомов углерода, которая называется бензольной группировкой (бензольное ядро):
бензольное ядро
Название углеводородов этой группы «ароматические соединения» - случайное и сегодня потеряло свой первоначальный смысл. Действительно, первые открытые соединения или обладали специфическим, иногда приятным запахом, или были выделены из природных сильно пахнущих продуктов. Но количество «ароматных» веществ среди многочисленных известных соединений этой группы невелико. В то же время наблюдается ряд особенностей в строении, физических свойствах и химическом поведении этих веществ, связанных с наличием в молекуле бензольных группировок.
Различают одноядерные (одна бензольная группировка в молекуле) и многоядерные ароматические углеводороды, содержащие две или более бензольные группировки. В молекулах аренов в качестве боковых цепей могут находиться углеводородные радикалы с неразветвлённой или разветвлённой углеродной цепочкой, а также содержащие двойные или тройные связи и циклические группировки:
Следовательно, арены могут содержать в молекуле наряду с ароматическими ядрами разнообразные по строению алифатические цепи, а также включать в состав молекулы другие (не содержащие ядер бензола) циклические группировки.
Первый и один из наиболее важных представителей гомологического ряда одноядерных ароматических углеводородов – бензол С 6 Н 6 . Отсюда и общее название гомологического ряда – ряд бензола.
Высококипящие фракции нефти главным образом состоят в основном из углеводородов смешанного (гибридного) строения. Это полицикличекие углеводороды, молекулы которых содержат циклоалкановые структуры, конденсированные с аренами.
В керосино-газойлевых фракциях содержатся простейшие гибридные бициклические углеводороды и их гомологи:
Ареновые циклы гибридных углеводородов имеют преимущественно короткие (метильные или этильные) заместители, циклоалкановые кольца – один или два довольно длинных алкильных заместителя. Особенно много гибридных углеводородов в масляных фракциях. Строение их изучено мало.
Гибридные углеводороды являются нежелательными компонентами смазочных масел, поскольку они ухудшают вязкостные свойства и уменьшают стабильность их против окисления.
Общим для всех нефтей является повышение содержания аренов с температурой выкипания нефтяных фракций.
В этих фракциях присутствуют все метилзамещённые изомеры бензола до С 10 включительно. Толуол, м-ксилол и 1,2,4 - триметилбензол представляют основные компоненты нефти. Среди дизамещённых гомологов бензола преобладают 1,3-, среди триалкилбензолов -1,3,5 и 1,2,4-изомеры.
В керосиновых и газойлевых фракциях содержится от 15 до 35 % аренов. Кроме гомологов бензола здесь обнаружены нафталин, бифенил, бифенилэтан и их метилпроизводные. Нафталин присутствует в очень небольших количествах, подтверждая общую закономерность, в соответствии с которой первые члены гомологических рядов всегда находятся в нефтях в меньших концентрациях по сравнению с вышестоящими гомологами. В более высококипящих фракциях присутствуют полициклические арены, такие как антрацен, фенантрен, пирен, флуорен, хризен, перилен и их алкильные (главным образом, метильные) производные.
Среднее содержание аренов, характерное для нефтей СССР различных типов (в % масс, в расчёте на арены): бензольные - 67%, нафталиновые - 18%, фенантреновые - 8%, хризеновые и бензофлуореновые - 3%, пиреновые - 2%, антраценовые 1%, прочие арены - 1. Гомологи фенантрена присутствуют в значительно большем количестве, чем гомологи антрацена, что согласуется с относительным содержанием этих структур в растительных и животных тканях.
Арены являются желательными компонентами карбюраторных топлив, так как обладают высокими октановыми числами (толуол -103, этилбензол - 98).
Присутствие аренов в значительных количествах в дизельном и реактивном топливах ухудшает условие сгорания, и поэтому крайне нежелательно.
Полициклические арены с короткими боковыми цепями ухудшают эксплуатационные свойства масел и поэтому они из них удаляются.
Арены являются ценным сырьём для нефтехимического синтеза, при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов. Наибольшее значение имеют бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, нафталин.
1.1.1.4. Непредельные углеводороды.
Ранее считалось, что алкены либо не содержатся в нефтях, либо содержатся в незначительных количествах. В конце 80-х годов было показано, что в ряде нефтей Восточной Сибири, Татарии и других районов России содержание алкенов может доходить до 15-20% от массы нефти.
В небольших количествах они найдены и в канадской нефти. Из неё выделены углеводороды от С 6 Н 12 до С 13 Н 26 . В небольших количествах непредельные углеводороды присутствуют в продуктах простой перегонки нефти. Значительное количество непредельных углеводородов содержится в газах термической и каталитической переработки нефтяных фракций (до 25 %). Большое количество газообразных алкенов содержится и в жидких продуктах крекинга - бензинах. В них присутствуют алкены нормального и изостроения, циклоалкены (циклопентен, циклогексен и их гомологи), арены с двойной связью в боковой цепи (стирол, инден и их гомологи).
Непредельные углеводороды повышают октановое число топлив. Однако вследствие высокой реакционной способности они легко окисляются кислородом воздуха (особенно диены). В результате окисления образуются осадки и смолы, которые могут привести к нарушению работы двигателей. Поэтому для получения стабильных к окислению нефтепродуктов их либо подвергают очистке от непредельных углеводородов, либо добавляют антиокислители.
Непредельные углеводороды являются важнейшим сырьём для нефтехимической промышленности. На их основе производят большую часть всех нефтехимических продуктов.
1.1.2. Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти.
Гетероатомными называют соединения, в которых кроме атомов углерода содержатся гетероатомы (O, S, N). Во всех нефтях присутствуют гетероатомные соединения: кислородные, сернистые, азотистые. В нефтях содержатся гетероатомные соединения как циклического, так и в значительно меньшей степени ациклического характера. Содержание и соотношение их зависит от возраста и происхождения нефти.
Количество гетероатомных соединений в низкомолекулярной части нефти невелико (до 10%). Основная их масса концентрируется в высокомолекулярной части (до 40%) нефти и особенно в смолисто-асфальтовом остатке (до 100%).
Смолисто-асфальтовых веществ больше в молодых нефтях, и поэтому они обычно содержат больше гетероатомных соединений.
Присутствие определённых гетероатомных соединений и их содержание в нефтях имеет большое значение для решения вопроса об исходном материале нефти и процессов её преобразования в период созревания.
1.1.3. Кислородные соединения
1.1.4. Сернистые соединения
Существуют и смешанные серу- и кислородсодержащие соединения - сульфоны, сульфоксиды.
В настоящее время в нефтях обнаружено более 250 серусодержащих соединений.
Элементарная сера содержится в нефтях в растворённом состоянии. Количество её может колебаться от 0,0001 до 0,1 % (масс.) и, как правило, пропорционально содержанию серы в нефти.
Элементарная сера содержится лишь в нефтях, связанных с известняковыми или сульфатно-доломитовыми отложениями. При хранении таких нефтей элементарная сера собирается в отстое на дне нефтехранилищ.
При нагревании нефти (в процессе перегонки) сера частично реагирует с углеводородами:
Сера попадает в дистилляты из исходной нефти, а также образовывается в них за счёт термического распада сераорганических соединений.
Сероводород в пластовых условиях может содержаться как в газах, так и в растворённом состоянии в нефтях. Количество растворённого в нефтях сероводорода может доходить до 0,02% масс. При нагревании нефти в процессе её переработки сероводород образуется за счёт разложения нестабильных сераорганических соединений. Образование сероводорода происходит и при взаимодействии элементарной серы с углеводородами.
В зависимости от природы нефти содержание серы в нефтях может изменяться от десятых долей до нескольких процентов.
Распределение сернистых соединений по фракциям нефти различно. С повышением температуры кипения фракций содержание сернистых соединений увеличивается.
Таблица 11
Распределение сернистых соединений в высокосернистых нефтях
различных месторождений России
Большая часть (70-90% масс.) их сосредоточена в тяжёлых нефтяных остатках (мазуте и гудроне) и особенно в асфальто-смолистой части.
Распределение сернистых соединений по нефтяным фракциям зависит от типа нефти (табл. 12).
Таблица 12
Распределение серы по фракциям сернистых и
высокосернистых нефтей, % масс.
М - молекулярная масса фракции.
В табл. 13 для примера приведён групповой состав сернистых соединений двух нефтей с общим содержанием серы в одной около 1 % (Сызранская нефть), в другой около 5% (Чусовская нефть).
Таблица 13
Групповой состав сернистых соединений некоторых нефтей
| Температура выкипания фракций |
Количество серы, % масс. |
Количество серы в % масс. на общее содержание серы в данной фракции в виде: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| на фракцию |
сероводорода |
элементарной серы |
меркаптанов |
сульфидов |
дисульфидов |
* остаточное |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Сызранская нефть |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Чусовская нефть |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
При лабораторном техническом контроле от начала кипения до 300 0 С отбирают 10-градусные, а затем 50-градусные фракции.На промышленных перегонных установках выделяют фракции, выкипающие в более широких температурных интервалах. Такие фракции обычно называют дистиллятами . Перегонку на таких установках вначале проводят при атмосферном давлении, отбирая следующие дистилляты:- бензиновый (н.к. ÷ 170-200 0 С);- лигроиновый (160 ÷ 200 0 С);- керосиновый (180 ÷ 270-300 0 С);- газойлевый (270 ÷ 350 0 С).Промежуточные:- керосино - газойлевый (270 ÷ 300 0 С);- газойле - соляровый (300 ÷ 350 0 С);- кубовый остаток - мазут.Из фракций, выкипающих до 350 0 С, смешением (компаундированием) составляют так называемые светлые нефтепродукты:бензины авиационные и автомобильные; бензины и лигроины - растворители; керосины - реактивное и тракторное топливо; осветительный керосин; газойли - дизельное топливо.Кубовый остаток (более 350 0 С) - мазут, перегоняют в вакууме для предотвращения разложения компонентов, входящих в его состав, получая масляные дистилляты: соляровый, трансформаторный, веретённый, автоловый, цилиндровый и кубовый остаток - гудрон (или полугудрон). Масляные дистилляты идут на приготовление смазочных масел и пластичных смазок.Из гудрона (полугудрона) получают наиболее вязкие смазочные масла и битум.В зависимости от месторождения нефти имеют отличие по фракционному составу, выражающееся в различном выходе бензиновых, керосиновых и других фракций .1.4. Элементный и изотопный состав нефтей.Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах. Он характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов - углерода, водорода, серы, кислорода и азота при резком количественном преобладании первых двух. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 83-87%, в природных газах 42-78%. Водорода в нефтях 11-14%, в газах 14-24%. Из других элементов в нефтях чаще всего встречается сера. Её содержание в отдельных нефтях достигает 6-8%. В природных газах сера обычно содержится в виде сероводорода, количество которого иногда достигает 23% (Астраханское месторождение) и даже более 40% (Техас). В природных газах присутствуют гелий, аргон и другие инертные газы. Содержание гелия в газах обычно менее 1-2%, хотя в некоторых случаях оно достигает 10%. Концентрация аргона в газах, как правило, не превышает 1 %, и лишь в некоторых случаях достигает 2 %. В составе нефти в очень малых количествах присутствуют и другие элементы, главным образом металлы: алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, хром, кобальт, германий, титан, натрий, калий и др. Обнаружены также фосфор и кремний. Содержание этих элементов не превышает нескольких долей процента, определяется геологическими условиями залегания нефти. Так, основным элементами мезозойских и третичных нефтей является железо. В палеозойских нефтях Волго-Уральской области повышенное содержание ванадия и никеля. Считается, что часть микроэлементов находится в нефти с момента её образования в осадочных породах, а другая часть накапливается в последующий период существования нефтей. Элементный состав некоторых нефтей приведен в табл. 1. Таблица 1 Элементарный состав некоторых нефтей (% масс.)
Большой интерес для выяснения геохимической истории нефтей представляет изотопный состав нефтей, т.е. соотношение в них изотопов углерода, водорода, серы и азота. По имеющимся данным, отношение масс различных изотопов в нефтях составляет: 12 С/ 13 С 91-94, Н/Д (1 Н/ 2 Н) 3895-4436, 32 S/ 34 S - 22-22,5, 14 N/ 15 N - 273-277. Различные компоненты одной и той же нефти имеют неодинаковый изотопный состав элементов. Низкокипящие фракции характеризуются облегчённым составом углерода. Различие в протонном составе наблюдается и для отдельных классов соединений (например, ароматические углеводороды богаче изотопом 13 С, чем парафиновые углеводороды). 1.5. Определение содержания воды.Вода относится к минеральным примесям нефти наряду с золой, песком и т.д. Сырая нефть- сырье с содержанием воды до 200 - 300 кг/т. Вода является нежелательной примесью и по техническим нормам не допускается в нефтепродуктах. При охлаждении образует кристаллы льда, которые забивают топливные фильтры; при разогреве нефтепродуктов образуется пар, увеличивается давление в трубопроводе, что ведет к их разрыву. Присутствуя в карбюраторных топливах, вода снижает их теплотворную способность. Засоряет карбюратор, вызывает закупорку распыляющих форсунок. Т.о., наличие воды усложняет переработку нефти и вредно сказывается на эксплуатационных свойствах нефтепродуктов. Качественный метод определения воды для темных нефтепродуктов - проба на потрескивание: продукт нагревают в пробирке до 150 o С в масляной бане. Если наблюдается потрескивание, вспенивание, вздрагивание продукта, то это указывает на наличие воды в нефтепродукте. Количественный метод определения воды в нефтепродукте - метод Дина и Старка. Метод основан на дистилляции смеси воды, содержащейся в пробе, и органического растворителя, не смешивающегося с водой. Дистиллят собирают в калиброванный приемник и измеряют объем перегнанной воды. 2. Состав газа.Природный газ - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 20 °С) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в виде естественных газогидратов. 2.1. Химический состав.Природные газы состоят преимущественно из предельных углеводородов, но в них встречаются также сероводород, азот, углекислота, водяные пары. Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана. Газ и нефть в толще земли заполняют пустоты пористых пород, и при больших их скоплениях целесообразна промышленная разработка и эксплуатация залежей. Давление в пласте зависит от глубины его залегания. Практически через каждые 10 м глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см 2). В состав газообразного топлива входят горючая и негорючая части. Чем больше горючая часть топлива, тем больше удельная теплота его сгорания. Различия в физико-химических и теплотехнических харак теристиках газового топлива обусловлены разным количеством в составе газа горючих и негорючих газообразных компонентов (балластов), а также вредных примесей. К горючим компонентам относятся следующие вещества: · Водород Н 2 . Бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м 3 которого равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха. Удельная теплота сгорания водорода составляет: Q B - 12 750 кДж/м 3 , 33 850 ккал/кг и 68 260 ккал/моль; Q н - соответственно 10 800 кДж/м 3 , 28640 ккал/кг и 57 740 ккал/моль и превышает на теплоту, затрачиваемую на испарение воды, образующейся при сгорании водорода; 1 м 3 водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88 м 3 продуктов горения. Водородно-воздушные смеси легко воспламенимы в весьма пожаро - и взрывоопасны. · Метан СН 4 . Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75 % углерода и 25 % водорода; масса 1 м 3 метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре -162 °С метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства. Вследствие содержания в метане 25 % водорода (по массе) имеется большое различие между его высшей и низшей удельной теплотой сгорания. Высшая удельная теплота сгорания метана Q в составляет 39 820 кДж/м 3 , 13 200 ккал/кг и 212 860 ккал/моль; низшая - Q н - соответственно 35 880 кДж/м 3 , 11 957 ккал/кг и 191 820 ккал/моль. Природные и попутные газы, состоящие в основном из метана, представляют собой не только высококалорийное топливо, но ценное сырье для химической промышленности. Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это объясняется тем, что на разрыв четырех связей С-Н в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан C 2 H 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 и др. Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу С n Н 2n+2 , где п - углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана и 3 для пропана. С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают ее плотность и удельная теплота сгорания. · Оксид углерода СО. Бесцветный газ без запаха и вкуса масса 1 м 3 которого составляет 1,25 кг; удельная теплота сгорания 13 250 кДж/м 3 , 2413 ккал/кг или 67 590 ккал/моль, Увеличение содержания оксида углерода за счет снижения балласта (CO 2 + N 2) резко повышает удельную теплоту сгорания и температуру горения низкокалорийных газов. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает удельную теплоту сгорания газа. При этом образуется 2,88 м 3 продуктов горения. Вследствие малого их объема на каждый кубический метр оксида углерода приходится больше теплоты, чем на 1 м 3 продуктов горения углеводородов. Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04 % СО примерно 30 % гемоглобина крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, при 0,1 % СО - 50%, при 0,4 %-более 80%. Оксид углерода относится к высокотоксичным газам, и находиться в помещении, воздух которого содержит 0,2 % СО, в течение 1 ч вредно для организма, а при содержании 0,5 % СО находиться в помещении даже в течение 5 мин опасно для жизни. В негорючую часть газообразного топлива входят азот, углекислый газ и кислород. · Азот N 2 . Бесцветный газ без запаха и вкуса. Плотность азота равна 1,25 г/м 3 Атомы азота соединены между собой в молекуле тройной связью N = N , на разрыв которой расходуется 170,2 тыс. ккал/моль теплоты. Азот практически не реагирует с кислородом, поэтому при расчетах процесса горения его рассматривают как инертный газ. Содержание азота в различных газах колеблется в значительных пределах. · Углекислый газ СО 2 . Бесцветный газ, тяжелый, малореакционный при низких температурах. Имеет слегка кисловатый запах и вкус. Концентрация СО 2 в воздухе в пределах 4-5 % приводит к сильному раздражению органов дыхания, а в пределах 10 % вызывает сильное отравление. Плотность СО 2 составляет 1,98 г/м 3 . Углекислый газ тяже лее воздуха в 1,53 раза, при температуре - 20 0 С и давления 5,8 МПа (58 кгс/см г) он превращается в жидкость, которую можно перевозить в стальных баллонах. При сильном охлаждении CO 2 застывает в белую снегообразную массу. Твердый СО 2 , или сухой лед, широко используется для хранения скоропортящихся продуктов в других целей. · Кислород О 2 . Газ без запаха, цвета и вкуса. Плотность его составляет 1,43 г/м 3 . Присутствие кислорода в газе пони жает удельную теплоту сгорания и делает газ взрывоопасным. Поэтому содержание кислорода в газе не должно быть более 1 % от объема. К вредным примесям относятся следующие газы. · Сероводород H 2 S . Бесцветный газ с сильным запа хом, напоминающим запах тухлых яиц, обладает высокой токсичностью. Масса 1 м 3 сероводорода равна 1,54 кг. Сероводород, воздействуя на металлы, образует сульфиды. Он оказывает сильное корродирующее воздействие на газопроводы, особенно при одновременном присутствии в газе H 2 S , Н 2 О и О 2 . При сжигании сероводород образует сернистый газ, вредный для здоровья и оказывающий коррозионное воздействие на металлические поверхности. Содержание сероводорода в газе не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа. · Цианистоводородная (синильная) кислота HCN . Представляет собой бесцветную легкую жидкость с тем пературой кипения 26 0 С. Вследствие такой низкой температуры кипения HCN находится в горючих газах в газообразном сос тоянии. Синильная кислота очень ядовита, обладает корродиру ющим воздействием на железо, медь, олово, цинк и их сплавы. Поэтому допускается наличие не более 5 г цианистых соединений (в пересчете на HCN) на каждые 100 м 3 газа. Для того чтобы своевременно обнаружить утечку, все горючие газы, направленные в городские газопроводы, подвергают одоризации, т. е. придают им резкий специфический запах, по которому их легко обнаружить даже при незначительных концентрациях в воздухе помещений. Одоризация газов производится с помощью специальных жидкостей, обладающих сильными запахом. Наиболее часто в качестве одноранта применяют этил меркаптан . При этом запах газа должен ощущаться при концентрации его в воздухе не более 1/5 части нижнего предела взрываемости. Практически это означает, что природный газ, имеющий нижний предел взрываемости, равный 5 %, должен чувствоваться в воздухе помещений при 1 %-ной концентрации. Запах сжиженных газов должен ощущаться при 0,5 %-ной концентрации их в объеме помещения. Заключение.В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов,
подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода. Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть. Список литературы: Сыркин А.М. Основы Химии нефти и газа [Текст]/ А.М.Сыркин, Э. М. Мовсумзаде//2002 Мухаметзянов А.Х. Метрологическое обеспечение методов испытаний и средств контроля состава и свойств нефти и газа и продуктов их переработки/А.Х.Мухаметзянов//1992 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Нефть представляет собой вязкую маслянистую горючую жидкость почти черного цвета с бурым или зеленоватым оттенком и характерным запахом. В воде нефть не растворяется, а при интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно рассасывающиеся эмульсии. Она представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большинство (80-90 %) – жидкие углеводороды, а остальные – растворенные углеводородные газы (до 10%), минеральные соли, растворы солей органических кислот, механические примеси. нефть и продукты ее переработки используются практически во всех отраслях народного хозяйства: на транспорте, в медицине, сельском хозяйстве, строительстве, легкой и пищевой промышленности. Основную массу вещества нефти составляют углеводороды, которые отличаются друг от друга различным содержанием углерода и водорода в молекуле, а также ее строением. Углеводороды нефти относятся к следующим группам: парафиновые, нафтеновые, ароматические.
Сырая нефть - жидкая природная ископаемая смесь углеводородов широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса.
Товарная нефть - нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов, принятых в установленном порядке.
Химический состав нефти.
Качество сырой нефти и получаемых нефтепродуктов зависит от ее состава. В химическом отношении нефть представляет собой сложную смесь углеводородов. Кроме углерода и водорода в нефти содержится: сера, кислород, азот и следы металлов.
Углеводородный состав нефти. Основную массу вещества нефти составляют углеводороды, которые отличаются друг от друга различным содержанием углерода и водорода в молекуле, а также ее строением. Углеводороды нефти относятся к следующим группам: парафиновые, нафтеновые, ароматические.
Парафиновые углеводороды являются насыщенными соединениями.
Нафтеновые (циклопарафины) углеводороды.
Ароматические углеводороды. Называют все соединения, в молекулах которых есть бензольное кольцо.
Сернистые соединения в нефти. Сернистые соединения в том или ином количестве встречаются во всех нефтях. В некоторых случаях их содержание достигает 6%.
Кислородные соединения в нефти. Атомы кислорода в нефти входят в следующие соединения: нафтеновые кислоты, соединения фенольного характера, эфиры, смолистые вещества.
Азотистые соединения в нефти.
Свойства нефти.
Нефть обладает одним важным свойством – способностью гореть и выделять тепловую энергию. В воде нефть не растворяется, а при интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно рассасывающиеся эмульсии.
Плотность нефти и нефтепродуктов зависит от содержания в них легких и тяжелых фракций. Плотность API.
Чем больше величина плотности в API , тем легче соединение.
Молекулярная масса – среднее арифметическое молекулярных масс веществ, входящих в нефть. Зависит от химического и фракционного состава нефти.
Температура кипения – зависит от фракционного состава.
Тепловые свойства – удельная теплоемкость, удельная скрытая температура испарения.
Фракционный состав нефти. Характеристика фракций.
Важным показателем качества нефти является ее фракционный состав.
Фракция – часть нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Каждая фракция характеризуется температурой начала кипения (н.к.) и конца кипения (к.к.).
Разделение нефти на фракции основано на том, что различные углеводороды, входящие в ее состав, кипят при разной температуре. Вначале выкипают легкие углеводороды, входящие в состав бензина, затем более тяжелые компоненты реактивного топлива, керосина, далее – еще более высококипящие углеводороды, из которых вырабатывают дизельное топливо.
Нефтепереработка – многоступенчатый процесс физической и химической обработки сырой нефти, результатом которого является получение комплекса нефтепродуктов. Переработку нефти осуществляют методом перегонки, то есть физическим разделением нефти на фракции.
Фракции , получаемые при прямой перегонке, называют светлыми дистиллятами. Обычно при прямой перегонке получают следующие фракции, название которым присвоено в зависимости от направления их дальнейшего использования:
Бензиновая фракция (газолин) – 50 – 140 °С;
Лигроиновая фракция (тяжелая нафта) – 110 – 180 °С;
Керосиновая фракция – 140 – 280 °С;
Дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят) – 180 – 350 °С.
Выход бензина при прямой перегонке составляет от 5 до 20 % от массы нефти. Остаток после отбора светлых фракций называется мазутом. Мазут и получаемые из него фракции называются темными. Нефти различных месторождений заметно различаются по фракционному составу, содержанию темных и светлых фракций.
Горное масло из . Думаете о продукте питания, или косметическом средстве? Житель Поднебесной подумал бы о другом.
Горным маслом в КНР называют нефть . Ши йоу, — примерно так звучит ее название в оригинале. В 21-ом веке нефть добывают повсюду.
Но, Китай – первая страна, где пробурили скважину. Произошло это еще в 347-ом году. Для бурения применили стволы бамбука.
Запасы нефти использовали в качестве топлива для выпаривания морской воды. Из нее китайцы получали .
Нефтью, так же, снабжали армию Поднебесной. наливали топливо в керамические горшки, поджигали и бросали во врагов.
Как видно, еще в начале нашей эры народ Китая знал и ценил свойства нефти. Но, китайцы затруднялись ответить, чем она является. К 21-му веку ученые детально разобрались в этом вопросе.
Что такое нефть
Нефть – черное золото . Известная всем фраза подчеркивает важность жидкости, ее весомую роль в истории.
Однако, более нефть с ничего не объединяет. Природа драгоценного металла неорганическая.
Же – полезное ископаемое предположительно органического происхождения.
От 80-ти до 90 процентов его состава приходятся на углеводороды. Еще около 9-18-ти процентов занимает простой водород.
На кислород, , и прочие неорганические составляющие приходиться не более 10%.
Однако, углеводороды, считающиеся следствием разложения органики, то есть остатков растений и , могут иметь и неорганическое происхождение.
С этим связаны теории, как нефть образуется . Их три. Подробности в отдельной главе. Пока же, продолжим рассмотрение топлива.
Оно жидкое и, действительно, маслянистое. В зависимости от состава, нефть и нефтепродукты бывают , бурыми, зеленоватыми, желтоватыми.
Встречается даже полностью прозрачное топливо. Такое имеется, к примеру, на Кавказе.
С экономической точки зрения нефть сегодня – это товар сырьевого , от цены которого зависит стоимость другой продукции.
Этому вопросу, так же, будет посвящена отдельная глава. С политической же точки зрения, жидкий энергоноситель – причина масштабных войн и локальных конфликтов.
Все хотят контролировать месторождения нефти, но не у всех они есть. Наличие залежей – еще не гарантия успеха и экономического благополучия.
Формула нефти может быть разная, а значит, будут разниться и свойства. От них зависит эффективность топлива, его качественные параметры, «запросы» на доработку.
Свойства нефти
Есть месторождения нефти текучей, словно вода, и смолистой. Дело в плотности энергоносителя.
Показатель тем выше, чем больше асфальтосмолистых веществ. Это высокомолекулярная органика на основе серы, водорода, кислорода и углерода.
Наличие асфальтосмол способствует образованию водонефтяных эмульсий, то есть смесей взаимнонерастворимых компонентов.
Промышленникам приходиться очищать углеводороды от воды, что увеличивает стоимость переработки. Вывод: смолистая нефть считается низкокачественной.
В смолистых углеводородах повышено содержание серы. Это еще один риск. Сера ускоряет коррозию аппаратуры, а она в нефтепроизводстве, как известно, не из дешевых.
Плотность нефти варьируется в пределах от 8-ми до 9,98 граммов на кубический сантиметр.
Нижняя планка – энергоносители, богатые светлыми фракциями. Именно из них получают бензиновые и дизельные дистилляты.
Получается, менее плотная, светлая нефть ценнее темной, маслянистой. Однако, пользу можно извлечь из обоих типов. Об этом поговорим в главе «Применение».
Светлые фракции нефти выкипают при температуре до 350-ти градусов Цельсия. Желательно 60-процентное присутствие легких компонентов.
Такова норма, к примеру, для производства дизельного топлива. Если содержание светлой фракции меньше, значит, много парафинов. Они негативно влияют на качество топлива.
На свойства нефти влияет и концентрация хлористых . Их наличие в составе – следствие загрязнения сырья при его добыче.
Приходиться проводить обессоливание. В противном случае, как и при избытке серы, увеличивается коррозия оборудования.
Она проявляется особенно «ярко», если ведется переработка нефти , насыщенной водой.
При высокой температуре она растворяет хлористые соли, а значит, образуется хлористый водород. Он-то и разъедает поверхности.
Вода часто входит в состав эмульсий нефти, — тех самых, что в избытке встречаются в смолистых сортах.
Но, встречается и энергоноситель, в котором влага содержится в чистом виде, отдельно.
Вода, кстати, является постоянной спутницей нефти. Если не входит в ее состав, то располагается рядом.
Образование нефти
Наличие рядом с нефтью воды – одно из свидетельств ее органического происхождения. Его, так же, называют биогенным.
Считается, что, энергоресурс формировался в водоемах. Необходимые условия – стоячая вода, ее высокая температура, обилие жизни, а значит, и смерти.
Отмирая, водоросли, рыбы, планктон, опускались на дно, где перегнивали. В стоячей воде мало кислорода, поэтому, процесс не завершался полностью.
При распаде органики выделялись газы. Меж биогенных материалов затесывались песок, вода.
Если водоем располагался среди песчаников и прочих пористых пород, илистые массы со дна просачивались сквозь них.
Встречая на пути непроницаемые , массы останавливались, растекаясь между контрастными по структуре слоями земной коры.
Теперь оставалось закрыть нефть непроницаемым слоем и сверху. Водоем со временем исчезал.
Подвижки литосферных плит, выветривание и прочих камней, содержащих , приводили к наносу и над нефтяными озерами.
Так сырье попадало в ловушку. Снизу и сверху – пласты , по бокам – вода.
Она ведь тоже просачивалась сквозь породы, почти не смешивалась с углеводородами, отходя в стороны от них.
Нефть залегает в ловушках антиклиналях. Они служат свидетельством тектонических процессов, которым местность когда-то подверглась.
Антиклинали – пласты пород, выгнутые вверх. Отложение земной коры формируются горизонтально.
Если появляются волны, значит, что-то давило снизу, а это – магма, прорывающаяся между литосферными плитами при их растрескивании, столкновении.
Получается, нефть стоит искать там, где некогда были моря, озера, и тектоническая активность.
Согласно биогенной теории происхождения энергоносителя, на его формирование требуются миллионы лет.
Некоторые ученые даже считают, что нефть – стадия преобразования антрацита, то есть, .
На его образование уходит примерно 400 000 000 лет. Что уж тогда говорить о жидких углеводорода.
В общем, если придерживаться органической теории, нефть – невосполнимый продукт, поскольку тратиться быстрее, чем образуется.
Вторая теория происхождения жидкого топлива – неорганическая, или минеральная.
Выдвинута в 1805-ом, а к 1877-му ее поддержал даже – приверженец биогенных взглядов на рождение нефти.
Суть гипотезы в формировании сырья на больших глубинах, где «царят» высокие температуры.
Если здесь есть вода и карбиды металлов, они вступят в реакцию. Так и образуется нефть .
К 2016 -му году проведена масса успешных экспериментов по неорганическому синтезу углеводородов.
Первые опыты состоялись в 1870-ых. Пример реакции: 2FeC + 3H 2 O = Fe 2 O 3 + H2COCOCH 4 .
Согласно минеральной теории, нефть может быстро восполняться, и человечество зря бьет в набаты по поводу ее дефицита.
Нужно лишь искать вновьобразовавшиеся месторождения. Со временем, тектонические подвижки, давление, проталкивают их ближе к поверхности.
Биогенная и минеральные теории образования нефти – соперники. Но, есть и третья гипотеза, стоящая особняком, мало кем поддерживаемая.
Выдвинута в конце 19-го века, может считаться подвидом неорганической. Говорится, что нефть сформировалась все из тех же минеральных веществ, но еще на начальном этапе жизни планеты.
На такую мысль натолкнуло наличие углеводородов в хвостах комет, . Сначала углеводороды находились в газовой оболочке Земли.
Но, она остывала, формировались горные породы. Они поглощали углеводороды, накапливали.
Если это правда, то нефть, как и в случае биогенного происхождения – ресурс невосполняемый.
Добыча нефти
Какая нефть в антиклиналях? Конечно, неочищенная. Углеводороды смешаны с газами, водой.
От их количества, температуры в слоях месторождения, зависит давление, образующееся в ловушке.
Оно может быть слабым. В этом случае, промышленникам приходиться устанавливать специальные насосы, чтобы выкачивать жидкость на поверхность.
Но, давление может и зашкаливать. Тогда, сырье самостоятельно устремляется к еще необорудованным скважинам, что создает проблемы.
Движение жидкости к скважине – первый этап добычи. Курс нефти от забоя до устья – вторая стадия.
Сбор сырья и его разделение на фракции – предфинальная стадия. Остается очистить нефть и транспортировать ее к переработчикам.
Применение нефти
При переработке нефти выделяется газ. Но, его не используют из-за несоответствия гостам.
Требуется затратить много сил и средств, чтобы ресурс можно было пускать по трубам.
Начни подавать газ из нефти в необработанном виде, это, в лучшем случае, закончиться копотью в помещениях с газовыми плитами.
Теперь, об используемых углеводородах нефти. Россия , как и другие страны, потребляет около 5-ти основных фракций.
Наиболее легкая – газолиновая. Она идет на производство бензинов, как авиационных, так и автомобильных.
Вторая фракция – лигроиновая, нужна для тракторного топлива. Керосиновые углеводороды закупают для пуска ракет и реактивных самолетов.
Дизельное топливо – это четвертая фракция, называемая газойлем. По сравнению с легкой фракцией, ее температура кипения вырастает минимум в 3,5 раза.
Пятая фракция нефти – мазут. Это самая тяжелая составляющая, состоящая из углеводородов с большим числом атомов.
Отделенный от них баррель нефти – ходовой товар. Но, польза есть и в мазуте. Из него получают соляровые и смазочные масла, вазелин и парафины.
Не стоит забывать, что нефть служит сырьем для производства многих синтетических тканей, резин, пластиков.
В общем, углеводородов в жизни человека гораздо больше, чем имеется в баке личного автомобиля.
Цена на нефть
Эталоном энергоносителя считается нефть «Брент» . Она добывается в Северном море, то есть, является российской.
Продукт – ни один вид топлива, а смесь нескольких. На 22-е июня 2016-го года стоимость нефти марки «Брент» составляет почти 51 рубль.
Для отечественной экономики это лучше установленных среднегодовых прогнозов в 40 рублей за баррель, то есть, примерно за 160 литров.
От цены на нефть, во многом, зависит иностранных валют и стоимость продукции, почти всей.
Даже то, что производится внутри страны, часто содержит импортные комплектующие, составляющие. Так что, «Брент» — главный России и ее главная надежда на светлое будущее.
Полезное ископаемое, представляющее из себя маслянистую жидкость. Это горючее вещество, часто черного цвета, хотя цвета нефти в разных районах различаются. Она может быть и коричневой, и вишневой, зеленой, желтой, и даже прозрачной. С химической точки зрения нефть - это сложная смесь углеводородов с примесью различных соединений, например, серы, азота и других. Ее запах также может быть различным, так как зависит от присутствия в ее составе ароматических углеводородов, сернистых соединений.
Углеводороды , из которых состоит нефть, - это химические соединения состоящие из атомов углерода (C) и водорода (H). В общем виде формула углеводорода - C x H y . Простейший углеводород, метан, имеет один атом углерода и четыре атома водорода, его формула - CH 4 (схематично он изображен справа). Метан - легкий углеводород, всегда присутствует в нефти.
В зависимости от количественного соотношения различных углеводородов, составляющих нефть, ее свойства также различаются. Нефть бывает прозрачной и текучей как вода. А бывает черной и настолько вязкой и малоподвижной, что не вытекает из сосуда, даже если его перевернуть.
С химической точки зрения обычная (традиционная) нефть состоит из следующих элементов:
- Углерод – 84%
- Водород – 14%
- Сера – 1-3% (в виде сульфидов, дисульфидов, сероводорода и серы как таковой)
- Азот – менее 1%
- Кислород – менее 1%
- Металлы – менее 1% (железо, никель, ванадий, медь, хром, кобальт, молибден и др.)
- Соли – менее 1% (хлорид кальция, хлорид магния, хлорид натрия и др.)
Нефть (и сопутствующий ей углеводородный газ) залегает на глубинах от нескольких десятков метров до 5-6 километров. При этом на глубинах 6 км и ниже встречается только газ, а на глубинах 1 км и выше - только нефть. Большинство продуктивных пластов находятся на глубине между 1 и 6 км, где нефть и газ встречаются в различных сочетаниях.
Залегает нефть в горных породах называемых коллекторами. Пласт-коллектор - это горная порода способная вмещать в себе флюиды, т.е. подвижные вещества (это могут быть нефть, газ, вода). Упрощенно коллектор можно представить как очень твердую и плотную губку, в порах которой и содержится нефть.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ
Образование нефти – процесс весьма и весьма длительный. Он проходит в несколько стадий и занимает по некоторым оценкам 50-350 млн. лет.
Наиболее доказанной и общепризнанной на сегодняшний день является теория органического происхождения нефти или, как ее еще называют, биогенная теория. Согласно этой теории нефть образовалась из останков микроорганизмов, живших миллионы лет назад в обширных водных бассейнах (преимущественно на мелководье). Отмирая, эти микроорганизмы образовывали на дне слои с высоким содержанием органического вещества. Слои, постепенно погружаясь все глубже и глубже (напомню, процесс занимает миллионы лет), испытывали воздействие усиливающегося давления верхних слоев и повышения температуры. В результате биохимических процессов, происходящих без доступа кислорода, органическое вещество преобразовывалось в углеводороды.
Часть образовавшихся углеводородов находилась в газообразном состоянии (самые легкие), часть в жидком (более тяжелые) и какая-то часть в твердом. Соответственно подвижная смесь углеводородов в газообразном и жидком состоянии под воздействием давления постепенно двигалась сквозь проницаемые горные породы в сторону меньшего давления (как правило, вверх). Движение продолжалось до тех пор, пока на их пути не встретилась толща непроницаемых пластов и дальнейшее движение оказалось невозможным. Это так называемая ловушка , образуемая пластом-коллектором и покрывающим ее непроницаемым пластом-покрышкой (рисунок справа). В этой ловушке смесь углеводородов постепенно скапливалась, образовывая то, что мы называем месторождением нефти . Как видите, месторождение на самом деле не является местом рождения . Это скорее местоскопление . Но, как бы там ни было, практика названий уже сложилась.
Поскольку плотность нефти, как правило, значительно меньше плотности воды, которая в ней всегда присутствует (свидетельство ее морского происхождения), нефть неизменно перемещается вверх и скапливается выше воды. Если присутствует газ, он будет на самом верху, выше нефти.
В некоторых районах нефть и углеводородный газ, не встретив на своем пути ловушку, выходили на поверхность земли. Здесь они подвергались воздействию различных поверхностных факторов, в результате чего рассеивались и разрушались.
ИСТОРИЯ НЕФТИ
Нефть известна человеку с древнейших времен. Люди уже давно обратили внимание на черную жидкость, сочившуюся из-под земли. Есть данные, что уже 6500 лет назад люди, жившие на территории современного Ирака, добавляли нефть в строительный и цементирующий материал при строительстве домов, чтобы защитить свои жилища от проникновения влаги. Древние египтяне собирали нефть с поверхности воды и использовали ее в строительстве и для освещения. Нефть также использовалась для герметизации лодок и как составная часть мумифицирующего вещества.
Во времена древнего Вавилона на Ближнем Востоке велась довольно интенсивная торговля этим «черным золотом». Некоторые города уже тогда буквально вырастали на торговле нефтью. Одно из семи чудес света, знаменитые Висячие сады Серамиды (по другой версии - Висячие сады Вавилона ), также не обошлись без использования нефти в качестве герметизирующего материала.
Не везде нефть собирали только с поверхности. В Китае более 2000 лет назад при помощи стволов бамбука с металлическим наконечником бурили небольшие скважины. Изначально скважины предназначались для добычи соленой воды, из которой извлекалась соль. Но при бурении на бОльшую глубину из скважин добывали нефть и газ. Неизвестно нашла ли нефть применение в древнем Китае, известно только, что газ поджигали для выпаривания воды и извлечения соли.
Примерно 750 лет назад известный путешественник Марко Поло в описании своих путешествий на Восток упоминает использование нефти жителями Апшеронского полуострова в качестве лекарства от кожных болезней и топлива для освещения.
Первые упоминания о нефти на территории России относятся к XV веку. Нефть собирали с поверхности воды на реке Ухта. Также как и другие народы, здесь ее использовали в качестве лекарственного средства и для хозяйственных нужд.
Хотя, как мы видим, нефть была известна с древнейших времен, она находила довольно ограниченное применение. Современная история нефти начинается с 1853 года, когда польский химик Игнатий Лукасевич изобрел безопасную и удобную в обращении керосиновую лампу. Он же по данным некоторых источников открыл способ извлекать из нефти керосин в промышленных масштабах и основал в 1856 году нефтеперегонный завод в окрестностях польского города Ulaszowice.
Еще в 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Но нефть позволяла получать более дешевый керосин и в гораздо большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся для освещения, породил спрос на исходный материал. Так было положено начало нефтедобывающей промышленности.
По данным некоторых источников первая в мире нефтяная скважина была пробурена в 1847 году в районе города Баку на берегу Каспийского моря. Вскоре после этого в Баку, входящем в то время в состав Российской империи, было пробурено столько нефтяных скважин, что его стали называть Черный город.
Тем не менее, рождением российской нефтяной промышленности принято считать 1864 год. Осенью 1864 года в Кубанской области был осуществлен переход от ручного способа бурения нефтяных скважин к механическому ударно-штанговому с использованием паровой машины в качестве привода бурового станка. Переход к этому способу бурения нефтяных скважин подтвердил свою высокую эффективность 3 февраля 1866 года, когда было закончено бурение скважины 1 на Кудакинском промысле и из нее забил фонтан нефти. Это был первый в России и на Кавказе фонтан нефти.
Датой начала промышленной мировой нефтедобычи , по данным большинства источников, принято считать 27 августа 1859 года. Это день, когда из пробуренной «полковником» Эдвином Дрейком первой в США нефтяной скважины был получен приток нефти с зафиксированным дебитом. Эта скважина глубиной 21,2 метра была пробурена Дрейком в городе Тайтусвиль, штат Пенсильвания, где бурение водяных скважин часто сопровождалось проявлениями нефти.
Новость об открытии нового источника нефти с помощью бурения скважины разнеслась по округе Тайтусвиля со скоростью лесного пожара. К тому времени переработка, опыт обращения с керосином и подходящий тип лампы для освещения уже были отработаны. Бурение нефтяной скважины позволило получить достаточно дешевый доступ к необходимому сырью, дополнив, таким образом, последний элемент в зарождение нефтяной отрасли.
Нефть как природное ископаемое известна всем со школьной скамьи. Но не каждый знает, из чего она состоит, как добывается и где используется. Что такое нефть? Это смесь углеродов в жидком состоянии, имеющая сложную структуру и насыщенная газообразными и прочими веществами. Из нее производят несколько тысяч разновидностей различных продуктов.
Месторождения сырой нефти расположены глубоко под землей. После добычи ее перегоняют, удаляя тем самым из нее ненужные примеси.
Нефть - это маслянистая жидкость, имеющая горючие свойства. Она обладает специфическим запахом. Цвет у нефти может быть разный. Он зависит от ее состава, района добычи и может варьировать от бесцветного до черного. Традиционным для этого ископаемого является коричневый цвет с немного зеленоватым оттенком.
Что такое нефть, мы выяснили, теперь разберем ее состав. Основную долю нефтяной структуры составляет примерно 80-87 процентов. От 11 до 15 процентов в занимает водород. Кроме этого, в ней присутствует сера, азот, кислород, кобальт, никель, алюминий, железо, барий, марганец и некоторые другие химические элементы. Их доля в общей массе незначительна. Все элементы образуют соединения органического и неорганического характера.
Говоря о том, что такое нефть, нельзя не упомянуть о ее свойствах. Самым главным из них, которое человечество использует в большей мере, является способность выделять большое количество тепла при сгорании. Нефть - это один из главных энергоносителей. Продукты, которые производят из нее, имеют наивысший показатель теплоты сгорания.
Используя свойство нефти, как и любой другой жидкости, испаряться при кипении, из нее выделяют различные фракции. Нефть имеет в своем составе различные компоненты, которые переходят в газообразное состояние при различных температурах. При 200 градусах выделяются углеводороды, относящиеся к бензиновой фракции, при 250 - лигроиновые углероды. При 250-315 градусах выделяются углероды керосиново-газойлевой фракции, а при 350 - масляные углероды. После выделения всех главных фракций остается гудрон.
Что такое нефть, люди знали еще за несколько тысяч лет Древние египтяне использовали ее как лекарство и как строительный материал. В средние века из нее научились получать керосин.
Первоначально люди использовали только ту нефть, которая находилась на поверхности. Затем с изобретением двигателя стали бурить скважины и поднимать нефть на поверхность из недр земли.
Современная добыча этого ископаемого полностью автоматизирована. По всему миру проложены тысячи километров нефтепроводов. Так как нефть очень густая, ее прогоняют по трубам специальные насосы.
Есть две Согласно версии биогенного происхождения, нефть - это останки животных и растительных организмов. Они преобразовались в в эту жидкость в течение многих миллионов лет. Сторонники абиогенной версии предполагают неорганическое происхождение этого ископаемого.
Состав нефти и ее качество зависит и от расположения месторождения. Нефть, добытая в районе Баку, имеет много циклопарафинов и мало предельных углеродов. Грозненская нефть, напротив, богата предельными углеродами. Северная нефть содержит ароматические углероды в больших количествах.
Нефть, наряду с газом, остается основным сырьем и источником энергии для человечества. Продукты, производимые из нее, используются во всех отраслях народного хозяйства. В связи с активной разработкой месторождений и спросом на нефть сегодня ее запасы сильно истощены. Поэтому следует более рационально использовать добытые ресурсы, повышать эффективность переработки этого ископаемого, искать новые месторождения и пути с больших глубин.
