Краткая история нефтепереработки

И. В. Мозговой, Г. М. Давидан, Л.Н. Олейник

Химия и физика нефти и газа

 

Курс лекций

 

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 240401 «Химическая технология органических веществ»

 

Омск 2005

УДК 665.6 (075)

ББК 35я73

М 74

Рецензенты:

С. П. Шалыгин,
канд. хим. наук, доц. каф. «Органическая химия и методика
преподавания химии» ОмГПУ,

Н.Н. Панюшкина,
канд. техн. наук ИППУ СО РАН

Мозговой И. В., Давидан Г. М., Олейник Л. Н.

 

М 74 Химия и физика нефти и газа: Курс лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 199 с.

 

 

ISBN 5-8149-0262-0

 

 

Представлена география мировых запасов нефти и газа, история мировой нефте- и газодобычи и нефтепереработки.

Курс лекций включает информацию о составе, химических и физических свойствах нефти и газа, а также составляющих их компонентов; класс­сифи­кацию нефтей и нефтепродуктов, методах оценки их качества, краткие сведения о технологии производства некоторых нефтепродуктов. Дана подроб­ная характеристика эксплуатационных свойств товарных нефте­продуктов.

Курс лекций предназначен для преподавателей, инженеров, аспирантов и студентов, занимающихся вопросами теории и практики производства и применения органических веществ, в частности нефтепродуктов различного назначения.

 

 

© Авторы, 2005

ISBN 5-8149-0262-0 © Омский государственный

технический университет, 2005

Предисловие

Дисциплина «Химия и физика нефти и газа» является одной из основных специальных дисциплин при подготовке инженеров-технологов по специальности 240401 «Химическая технология органических веществ». Именно с этого предмета начинается знакомство студентов с общепрофессиональными дисциплинами их будущей профессии.

Содержание предмета базируется на знании таких дисциплин, как «Общая и неорганическая химия». «Органическая химия», «Физическая химия», «Аналитическая химия», «Физика» и ряда разделов предмета «Высшая математика».

Изучение предмета «Химия и физика нефти и газа» заключается в том, что знания, полученные в процессе обучения, являются необходимыми в последующем усвоении стержневого предмета специализации «Технология переработки нефти и газа», а также дисциплины «Химия и технология органических веществ» и др.

Программа курса «Химия и физика нефти и газа» включает лекции, лабораторные и практические занятия и завершается сдачей итогового экзамена.

Издаваемый курс лекций поможет студентам получить и усвоить знания о природе нефти, ее происхождении, месторождениях нефти и газа в России и за рубежом. Кроме того, курс лекций включает информацию о составе, классификации нефтей и нефтепродуктов, химических и физических свойствах нефти и газа, о физических, химических и физико-химических методах оценки их качества, а также сведения об эксплуатационных свойствах нефтепродуктов и научных основах главных технологических процессов нефтепереработки.

Порядок построения курса лекций имеет системный характер, логическую последовательность тем, каждая тема завершается контрольными вопросами, что окажет действейнную помощь при самостоятельной проработке лекционного материала.

Темы 1,2 разработаны Мозговым И.В., темы 8-15 – Давиданом Г.М. и темы 3-7 – Олейник Л.Н.

 

 

 

 

ТЕМА 1.

Краткая историческая справка
о происхождении, добыче и переработке нефти

Нефти и продукты ее естественного выхода на поверхность Земли известны человечеству издавна. Асфальтены, битумы применялись в Вавилоне в качестве зажигательной смеси. В Древнем Египте, Риме, государствах Междуречья и Ближнего Востока они применялись как вяжущие и гидроизоля­ционные материалы при строительстве дорог, акведуков и других сооружений.

Само название «нефть» восходит к персидскому «нафата», что значит просачивающаяся, вытекающая. Английское название нефти (petroleum) происходит от латинских слов petra (камень)и oleum (масло). Оно обозначает смесь жидких углеводородов – сырую нефть.

 

Краткая история нефтепереработки

Промышленное значение нефть приобретает с 18-го века, когда в
1745 г. на реке Ухта на территории нынешней Республики Коми в России был построен первый нефтеперегонный завод. Второй завод в России был построен только в 1823 г. братьями Дубиниными на Северном Кавказе в районе г. Моздок. На этих примитивных заводах из нефти отгоняли лишь осветительный керосин, а более легкие фракции – бензин и тяжелые – мазут сжигали в «мазутных» ямах, как не находящих применения. Первые установки за рубежом были построены в Англии в 1848 г., а в США в 1860 г. Первые уста­нов­ки первичной переработки нефти были выполнены в виде кубовперио­дического действия. Целевым продуктом этих установок являлся осветитель­ный керосин. Остальные продукты сжигались.

Но уже в 80-х гг. ХIХ в. на смену кубам пришли батареи кубов, обеспечивающие непрерывность перегонки нефти. Они были созданы известными российскими инженерами А.Ф. Инчиком, В.Г. Шуховым и Н.И. Ели­ным. С изобретением в 1976 г. форсунки для жидкого топлива было найдено применение мазуту как топливу для котельных агрегатов. Еще одно применение мазуту нашел Д.И. Менделеев, который предложил использовать его в качестве смазки взамен растительных и животных жиров.

Новым в нефтепереработке следует считать изобретение В.Г. Шухо­вым и С.П. Гавриловым в 1890 г. трубчатой нефтеперерабаты­вающей установки непрерывного действия, включающей огневой змееви­ковый подогреватель, испаритель, ректификационную колонну и тепло­обменную аппаратуру. После 10-х гг. ХХ в. подобные установки распространились по всему миру.

Вплоть до 1913 г., когда в США была пущена первая в мире установка термического крекинга, на нефтеперерабатывающих установках производи­лась только первичная перегонка нефти, продукты которой – газ, бензин, керосин, солярка, мазут и другие – являлись товарными продуктами. С этого времени началась эпоха вторичных процессов в нефтепереработке. Сырьем для вновь введенной установки являлись газойлевые фракции первичной перегонки нефти, крекинг которых проводился при повышенных темпе­ратурах и давлениях. В связи со все возрастающими требованиями к качеству моторных топлив, в первую очередь к детонационным свойствам, в 20–30 гг. ХХ в. происходит стремительное развитие вторичных процессов переработки нефти. Были освоены промышленные процессы каталитиче­ского крекинга средних дистиллятов, алкилирования алкенов, полимерии­зации низших алкенов.

В СССР первые после гражданской войны нефтеперерабатывающие заводы начали строиться в конце 20-х гг. Были введены в строй предприятия в Уфе, Ишимбае, Сызрани, Новокуйбышевске. За 10 лет (с 1927 по 1937 гг.) объем переработки нефти в СССР возрос втрое и составил 26,4 млн.т.

Стремительный рост переработки нефти наблюдался во всем мире после 2-й мировой войны (табл.1.1).

Таблица 1.1

Динамика объема переработки нефти в мире после 2-й мировой войны

Страны	Годы
США
Япония	27,5
Франция	33,3
Италия	30,7
Вепикобритания	43,7
ФРГ	27,8
Канада			83,5
СССР (Россия)					282,5
Китай	Нет данных
Испания	Нет данных
Нидерланды	Нет данных	63,5	64,5
Бразилия	Нет данных	83,5
Венесуэла	Нет данных
Саудовская Аравия	Нет данных	82,5
Иран	Нет данных		73,5
Всего в мире

 

В послевоенное время в СССР было построено много новых нефтеперерабатывающих заводов, в т. ч. Омский, Киришинский, Ангар­ский, Нижнекамский, Пермский, Волгоградский – в России; Кремен­чугский, Лисичанский – на Украине; Чимкентский, Павлодарский, Мангышлакский – в Казахстане; Красноводский и Чарджоуский – в Туркмении; Ферганский – в Узбекистане; Новополоцкий и Мозырский – в Белоруссии;. Мажейкский – в Литве.

 

1.2. Происхождение нефти

Происхождение нефти всегда интересовало человечество и до сих пор является одной из сложных проблем современной науки.

Одним из первых выдвинул гипотезу неорганического происхождения нефти Д. И. Менделеев в 1877 г. Согласно его гипотезе, углеводороды нефти образовались при взаимодействии воды с находящимися в глубинах земной коры карбидами металлов. И хотя теоретически такие реакции вероятны, но с помощью карбидной теории невозможно объяснить появление в составе нефти огромного разнообразия углеводородов; непонятно также, как вода из области низкого давления на поверхности Земли могла попасть в область высоких давлений недр Земли. Другие ученые в разное время выдвигали гипотезы космического, магнетического и вулканического происхождения нефти. Однако они не получили широкой поддержки.

В настоящее время наибольшее число сторонников имеет гипотеза органического происхождения нефти. Особенно убедительной выглядит генетическая связь между компонентами нефти, живого вещества и органи­ческого вещества древних осадочных пород и современных осадков. Что же касается количества углеводородов органического происхождения, то оно исключительно велико и вполне обеспечивает образование залежей нефти и другого органического топлива.

Сущность органической теории заключается в том, что нефть и газ образуются из органического вещества, находящегося в рассеянном состоя­нии в осадочных породах. Считается, что основным органическим материалом, накапливающимся в осадочных породах, являются отмершие остатки микрофлоры и микрофауны (планктон, бентос и др.), развиваю­щиеся в морской воде, к которым примешивались остатки биомассы животных и растений.

По данной гипотезе захороненная в верхних слоях осадочных пород органическая масса подвергается воздействию кислорода и бактерий и в значительной мере разлагается с образованием простых газообразных молекул (таких как СО₂, N₂, CH₄, NH₃, H₂O и др.) и растворимых в воде жидких продуктов.

В дальнейшем при погружении в толщу осадочной породы эти органические вещества в течение многих миллионов лет на глубине
1,5 – 3 км и ниже подвергаются уже в восстановительной среде действию высоких температур (150–200 ^оС) и давлений (10–30 МПа), а также каталити­ческому воздействию вмещающих пород, прежде всего глин. По современным взглядам именно в этой стадии в результате термических процессов органические вещества, и главным образом липиды (жиры, воски, масла), превращаются в углеводороды нефти. Далее нефть и газ, перво­начально рассеянные в нематеринской глинистой породе, вследствие процессов миграции в конечном счете скапливаются в ловушках.

Условия скопления нефти в ловушках таковы, что нефть, а также газ заполняют поры вмещающей породы, и чем больше пористость такой породы, тем больше она насыщается нефтью. Покрытия пористых пород, образованные глинами, непроницаемыми для нефти и/или газа, хорошо предохраняют их от дальнейшей миграции. Вместе с глинами почти всегда присутствует вода, также заполняющая поры этих пород.

 

Мировые запасы нефти

Изученные запасы нефти оцениваются в размере свыше 100 млрд. т, а прогнозные – в 300 млрд. т. Наибольшие объемы добычи нефти принад­лежат странам Ближнего и Среднего Востока: Саудовской Аравии, Кувейту, Ираку, Объединенным Арабским Эмиратам, Бахрейну, Ирану, Ливии, Египту, Алжиру. Другие нефтедобывающие страны – США, Венесуэла, Мексика, Индонезия, Китай, Норвегия, Великобритания, Румыния. Среди нефтедобывающих стран бывшего СССР следует отметить Казахстан, Турк­мению, Узбекистан, Азербайджан.

Наибольшие начальные запасы нефти находятся в месторождениях Гавар(Саудовская Аравия) – 10,1 млрд. т, Бурган(Кувейт) – 9,9 млрд. т, Боливар(Венесуэла) – 4,4 млрд. т,Сафания-Хафджи(Саудовская Аравия) – 4,1 млрд. т,Румайла(Ирак) – 2,7 млрд. т, Ахваз(Иран) – 2,4 млрд. т, Киркук(Ирак) и Марун(Иран) – по 2,2 млрд. т и др.

В России крупнейшие месторождения нефти находятся в Западной Сибири, междуречье Волги и Урала, Республике Коми, на Северном Кавказе, а также в Восточной Сибири, на Сахалине и т. д.

Промышленная добыча нефти в мире началась в середине XIX-го века. В 1900 г. она составила 20 млн. т и с тех пор стремительно росла, достигнув в 1950 г. 500 млн. т. В 2004 г. она составила 4,057 млрд. т.

В бывшем СССР в 1920 г. добывалось всего 3,8 млн. т нефти. К 1950 г. добыча ее достигла уже 40 млн. т., в 1960 – около 150 млн. т, в 1970 – свыше 350 млн. т. Максимум добычи нефти был достигнут в 1986 г. (615 млн. т).

После распада СССР добыча нефти в новой России ежегодно сокра­щалась: в 1993 г. она составила 350 млн.т, в 1995г. – 325 млн. т. Примерно на том же уровне она сохраняется и поныне.

Мировые разведанные запасы природного газа составляют более
60 трлн. м³, прогнозные – 200 трлн. м³. В природе существуют месторождения собственно природного газа и так называемые газоконденсатные, в которых в газе растворены жидкие углеводороды. Крупнейшие в мире месторождения природного газа находятся в Западной Сибири – это Уренгойское, Хорасавейское, Ямбургское и Медвежье место­рож­дения. Другие крупные месторождения газа в России расположены в Республике Коми – Вуктыльское и др. Из зарубежных стран богато природным газом Газлинское месторождение в Узбекистане, Панхандл-Хьюготон в США, Слохтерен в Голландии, Хасси-Рмель в Алжире, Парс и Канган в Иране. По добыче природного газа Россия занимает первое место в мире с объемом свыше 500 млрд. м³ в год.

 

Добыча нефти

Извлечение нефти из продуктивного пласта производится за счет двух видов энергии: естественной энергии самого пласта и энергии, подаваемой в пласт тем или иным способом извне. Первый способ называют фонтанным. Его применяют в начальный период эксплуатации скважины, когда внутрипластовое давление скважины достаточно велико. Этот способ наиболее экономичен, т. к. не требует дополнительных энергозатрат. По мере выработки скважины давление внутри пласта падает и наступает момент, когда самостоятельный выход нефти на поверхность почти прекращается. Тогда приступают к механизированному способу добычи нефти. Есть две основные разновидности этого способа – компрессорный и насосный.

При компрессорном или газлифтном, как его еще называют, способе в скважину компрессором закачивают газ, смешивающийся с нефтью. При этом понижается плотность нефти, забойное давление становится ниже пластового, что вызывает подъем нефти к поверхности земли. Иногда в скважину подают газ из близлежащих газовых пластов (метод беском­прессорного газлифта). Этот метод применяют на месторождениях Западной Сибири в России, а также прикаспийских месторождениях Казахстана и Туркмении.

При насосном способе на заданную глубину опускают насосы, приводимые в действие энергией, передаваемой извне.

Важнейшим показателем эффективности эксплуатации скважины является коэффициент нефтеотдачи, который равен отношению коли­чества добытой нефти за весь период ее использования к первоначальному запасу. Он зависит от геологического строения залежи, свойств породы, пластовой жидкости, самой нефти, показателей разработки месторождения (числа эксплуатируемых скважин, порядка их ввода в эксплуатацию и др.), приемов добычи и т. д.

Существуют различные режимы нефтедобычи: упругий, растворенного газа, газонапорный, водонапорный и др. Последний дает наибольшую нефтеотдачу. Но и этот метод позволяет извлекать меньше половины запасов пласта, т.е. коэффициент нефтеотдачи не превышает значения 0,5. На месторождениях вязких нефтей он и того меньше и составляет 0,15. Применяя закачку вместе с водой ПАВ, полимеров, растворителей, эмульсий, нефтеотдачу повышают на 10–30 %.

ДобавкаПАВснижает поверхностное натяжение на границе раздела фаз нефть-вода, повышается подвижность нефти и эффективность ее вытеснения водой. Добавкаполимеров, в частности полиакриламида к воде, также позволяет улучшить вытеснение нефти из пласта.

Одним из самых эффективных является способ нагнетания в пласт СО₂. Растворяясь в нефти, этот газ снижает ее вязкость, повышает объем, создавая тем самым благоприятные условия для движения нефти к поверхности земли.

Для увеличения нефтеотдачи применяют также методы теплового воздействия на залежь: закачку в пласт горячей воды, пара и внутри­пластовое горение. Основным фактором, определяющим в этом случае эффек­тив­ность вытеснения нефти из скважины, является соотношение вязкостей нефти и воды.Чем оно выше, тем больше нефтеотдача. Тепловое воздействие на высоковязкие нефти повышает это соотношение в 30 – 50 раз.

Выходящая на поверхность земли нефть содержит попутный газ
(до 100 м³/т), воду (200–300 кг/т и более), механические примеси. Эти компоненты перед транспортировкой и дальнейшей переработкой удаляют из нефти. Очистку нефти от вредных включений ведут на установках предварительной подготовки нефти (ППН). Кроме того, подготовка нефти предполагает доведение в ней концентрации воды до 1,5 – 2 %, а солей – до 50 мг/л. После такой подготовки нефть транспортируют в основном по трубопроводам.