Реферат Курсовая Конспект
Нефть – ЧУДЕСНЫЙ ДАР ПРИРОДЫ - Конспект Лекций, раздел История, ИСТОРИЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ В РОССИИ Значение Нефти В Современной Жизни Трудно Переоценить. По-Нас...
|
Значение нефти в современной жизни трудно переоценить. По-настоящему удивительные ее свойства были раскрыты только в недавнее время и то еще далеко не полностью, хотя человек познакомился с ней в глубокой древности - на заре цивилизации. Особенно сильное впечатление производило на первобытного человека пламя, появляющееся в различных местах нефтяных источников Оно вспыхивало иногда от случайных причин: при ударах молний, от искр костра, от зажженного факела. Если загоралось скопление небольшого количества, то пламя было кратковременным. Другое дело, когда из расщелин поступала непрерывная струя газа. Тогда вспыхивал "вечный огонь", вокруг которого воздвигались храмы, к нему стекались паломники, создавались религиозные культы, как, например, близ селения Сураханы на Апшеронском полуострове.
Горючесть нефти и трудность борьбы с возникающими пожарами привели в древности к использованию ее в качестве зажигающего и сжигающего средства при военных действиях. Факелы, горящие стрелы, горшки, наполненные нефтью, метались со специальных машин на осаждаемые крепости и города.
Уже в седьмом веке нефть стала составной частью военного оружия под названием "греческий огонь", изобретенного сирийским греком Каллиником. История помнит, как нападавший на Византийскую империю арабский флот был полностью сожжен. Это настолько ошеломило нападавших, что, сняв осаду Константинополя в 678 г., арабы более 30 лет не нападали на Византию. Правда, несколько позже, киевский князь Олег все-таки прибил свой щит на вратах Царьграда. А вот флот преемника Олега князя Игоря в 941 г. был вновь полностью сожжен. Вот как писал о "греческом огне" летописец: "Яко же молния иже небеси, греци имут о себе, пущающе жгут нас, и сего ради одолехом им". Причиной конфликта была такая удаленная провинция, как Тмутараканское княжество - для нас и сейчас символ глуши, а для Византии - нефть Кубани и Керченского полуострова. Наши предки тоже применяли это оружие. Рассказывает Ипатьевская летопись о событиях 1184 г.: "Пошел Кончак, со множеством половцев на Русь, пасутся яря пленити града русски и пожещи огнем, а бяще обрек такового бусурманина иже стреляща живым огнем".
В дальнейшем стали применять специальные светильники, конкурирующие с восковыми, сальными, масляными и тем более с лучинами. Еще бы, теплота сгорания ее больше, чем у других видов топлива: антрацита - в полтора раза, торфа - в два раза, дров - в четыре раза. Ее не умели, да и не могли сжигать в обычных топках. Только великое изобретение В.Г. Шухова (в 1888 г. Шухов В.Г. был студентом 3 курса) позволило сжигать нефть в особого рода горелках-форсунках. Идея форсунки Шухова лежит в основе всех современных горелок для жидкостей и газов, и даже твердых веществ. Здесь можно было бы уместно вспомнить еще о двигателях внутреннего сгорания (I860 г.), дизелях (1897 г.), реактивных двигателях Э.К. Циалковского (1883 г.), работающих на продуктах переработки нефти, однако, желающим лучше воспользоваться специальной литературой.
Вернемся к нефти. Слово "нефть" происходит от иранского "нефата" - просачиваться, и от греческого "нафта" - горная смола. В Латинских странах нефть называется "петролеум", что означает каменное (горное) масло. Существует еще целый ряд подобных определений, например, ойл, чудесный сок земли, земляное масло, "черное золото", "кровь индустрии" и т.д.
Говоря о нефти, вспоминаем еще о двух ее "родственниках-братьях" - газе и асфальте. Блестящим достижением XVII в. в области химии явилось доказательство материальности того, что не считалось веществом. Голландец Жан Батист ван Гельмонт дал название этому невидимке - "дух". Значительно позже появилось название "газ".
Асфальт получил свое название в древней Греции. "Асфалось"- по-гречески означает "вечный". Латинское название этого вещества - "битумен" - смола. Оба названия в значительной степени оправдывают себя. В настоящее время определение "асфальт" несколько трансформировалось и означает смесь битума с тонко измельченными материалами, придающими битуму повышенную устойчивость при изменении температуры.
Асфальт в древности играл значительную роль при сооружении самых разнообразных строений. Археологи находят его в каменной кладке развалин дворцов, храмов и триумфальных арок. Им покрывали основания водоемов и крепили потолки туннелей.
На Средней Востоке, на берегу Евфрата в местечке Иди, существовал смоляной промысел, где добывалась нефть и получали асфальт (это знаем достоверно). Кому неизвестно одно из семи чудес света - висячие сады Семирамиды. Однако вряд ли кто знает, что висячими они могли быть лишь благодаря асфальту. Земля поднятых на колонны садов, пруды и фонтаны покоились на основании с асфальтом. С тех, древних пор, уже разрушены дворцы, уничтожены сады, а некоторые пруды сохранились и поныне, природный полимер - битум - все еще не утратил своих гидроизоляционных свойств. Он служит и в километровом туннеле под дном реки Евфрат, где сухо, как в обычной квартире, не влажен потолок. Впечатление (по словам очевидцев) такое, будто туннель закончили строить вчера, а не 3000 лет назад. Как же перевозились или, может быть, переносились такие большие объемы битума? Археологи утверждают: речники Евфрата пользовались нефтеналивными судами. Это были суда, похожие на лукошко, сплетенное из прутьев и обмазанное густым битумом. Конечно, грузоподъемностью (около 5 тонн), да и быстроходностью протанкер не отличался (приводился в движение веслами). Первая нефтеналивная баржа была спроектирована и построена В.Г. Щуховым в конце прошлого века.
Ученый и путешественник Тур Хейердал после первого неудачного путешествия на папирусной лодке "Ра-1" получил много замечаний по строению своей лодки. Коллеги утверждали, что Ноев ковчег был обработан битумом, и что библейский герой Моисей в младенчестве спасся тоже в папирусной лодке, обмазанной битумом. Вторая экспедиция "Ра-2" закончилась удачно, потому что торцы папирусных стеблей были пропитаны природным битумом.
Первая в России гидроизоляционная конструкция из асфальта находится в Петербурге, в Зимнем дворце. Она была применена в 1867 г. для устройства зимнего сада и надежно служит до сих пор.
Асфальт в качестве дорожного покрытия - не новейшее изобретение. Археологи обнаружили немало отрезков примитивных асфальтовых дорог, построенных шумерами, вавилонянами, ассирийцами. Неизвестна дата создания таких дорог в Новом Свете на территории нынешнего Перу. Первые конкистодоры из Европы были немало удивлены прекрасными асфальтовыми дорогами в 1532 г. А вот сами европейцы применили битум в качестве дорожно-строительного материала лишь в начале ХУШ века и то по воле случая, когда в Швейцарии было открыто асфальтовое месторождение в Юрских горах. Асфальт, падая с телег, смешиваясь с пылью и щебнем, превращался в отличное покрытие. Тем не менее, первый асфальтовый тротуар был сделан лишь в 1935 г. в Париже. В России при постройке Полицейского моста в Петербурге попытались покрыть его асфальтом в виде прямоугольных кусков, как это делалось при мощении мостовых диабазом, но - неудача. В последнем десятилетии прошлого века только одна улица Российской столицы - Большая Конюшенная - была заасфальтирована.
И все-таки применение нефти в качестве строительного материала не столь удивительно, как находка (в 1936 г.) австрийского археолога В. Кенига. На территории современного Ирака в слоях, возраст которых насчитывает тысячелетия, он обнаружил странный фаянсовый сосуд длиной 15 см, в котором находился залитый асфальтом медный цилиндрик. Пробкой сосуду служит тоже асфальт. Из пробки на сантиметр торчал железный стержень, нижний конец которого не касался дна сосуда и тоже был обмазан асфальтом. Торчащий конец стержня был покрыт слоем окислившегося металла, видимо, свинца. Да это же гальванический элемент, скажете Вы! А он открыт итальянским физиологом Л. Гальвани (I737-I798 гг.) и применяется в качестве автономных источников питания электрическим током. И это уже слишком – скажет скептик, ясно - подделка! Как ни трудно представить себе, что электричество служило людям уже 2 тысячи лет назад, вероятнее всего, это так. Подобная находка является не единичной, кроме того, в Ираке были обнаружены аналогичные сосуды с несколькими соединенными вместе железными и медными стержнями. Изготовленные по их образцу модели, залитые электролитом в виде 5%-го раствора уксуса, вырабатывали ток напряжением 0,5 В на протяжении 20 дней, чего хватило бы вполне на серебрение нескольких медных сосудов.
Так кто же изобрел гальванический элемент? Тайна, может быть, не раскроется никогда, и мы без всякого удивления пользуемся электрическими батарейками, где изолирующим слоем, как и 2 тысячи лет назад, служит битум.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ
Нефтяные частицы разбросаны по всему земному шару, то рассеянные мельчайшими каплями, то собранные в многомиллионотонные залежи. А где же родилась нефть, кто ее "родители", где та кузница, в которой выковывались углеводородные метановые цепочки, нафтеновые и бензольные - кольца?
История сохранила много довольно забавных и нелепых рассуждений по этому поводу, начиная с самых примитивных версий до бесконечно фантастических предположений. Возникло много теорий, которые проверялись и подтверждались экспериментально. До сих пор ведется эта исследовательская работа, и она настолько интересна и поучительна, что здесь просто невозможно, хотя бы в кратких чертах, не отметить главнейшие ее направления.
Впервые научную и для того времени законченную схему происхождения нефти в 1763 г. предложил М.В. Ломоносов. По его представлениям, нефть образовалась из органического материала растительного происхождения. Он считал, что имеется аналогия между происхождением нефти и других многочисленных горючих ископаемых, например, угля. Полезные ископаемые получились разными потому, что условия образования каждого из них были различными. Им было подчеркнуто значение повышенной температуры, больших давлений подземных глубин и миграции нефти в пористых породах. Многие идеи М.В. Ломоносова не потеряли своего значения до настоящего времени, став основой гипотезы органического происхождения нефтей.
Органических гипотез много; основное различие их касается вопроса, из какого органического материала произошла нефть. Некоторые ученые принимают идею животного происхождения, другие - растительного. Третьи - животно-растительного. Известный геолог прошлого века Ганс Гефер, химик К.Энглер, осуществивший перегонку китового жира в 1888 г. и получивший в результате нафтеновые и ароматические углеводороды, и твердый парафин, создали гипотезу, по которой "черное золото" образуется из жиров погибших животных, а растения дают нефти воск и смолы. Гибель больших масс водной фауны действительно может происходить в природе. Буровые скважины на Каспии вскрывали отдельные прослойки, сплошь состоящие из погибшей рыбы.
Предметом исследований академика Н.Д. Зелинского стал сапропель донный ил озера Балхаш. В 1919 г. путем перегонки из него была получена искусственная нефть. Она содержала бензин, керосин и тяжелые масла, в составе которых были все известные тогда нефтяные углеводороды.
Объяснение образования нефти заключалось в том, что растения. Перекрытые слоями наносов и опущенные на глубину, в результате подвижек земной коры подвергаются воздействию повышенной температуры. Для образования нефти, в данном случае в присутствии перегретого пара, достаточно температуры около 200°С.
По гипотезе М.В. Ломоносова, нефть рождается из наземных растений, захороненных в болотах, дельтах рек и прибрежных лагунах, в результате сухой перегонки. В своих трактатах он писал: "Нефть приготавливается из торфа и каменного угля действием подземного жара, и если он слабый, то она получается светлая, а если сильный - то густая и черная".
Идея об органическом происхождении нефти была коренным образом переработана создателем отечественной геологии академиком И.М. Губкиным и академиком В.И. Вернадским. По их версии, происхождение нефти следует рассматривать в тесной связи с другими природными процессами: биологическими, химическими и геологическими. Нефть и другие горючие ископаемые (уголь, озокерит и др.) взаимосвязаны с циклическими процессами круговорота углерода в природе. Атмосфера всегда содержит углекислый газ (около 0.03%) за счет жизнедеятельности живых организмов, разложения карбинатов и действия вулканов. Растения же усваивают двуокись углерода из воздуха, причем углерод идет на построение тел растений, а затем и животных. Кислород возвращается в атмосферу. Нефть - продукт сложнейших превращений животных и растительных остатков. В ней содержатся также различные соединения азота, кислорода и серы, которые не являются случайными примесями. Характер азотистых соединений в различных нефтях тождественен. А это свидетельствует о том, что они являются продуктами разложения азотистых веществ животных и растений и находятся в генетической связи с нефтью. При разрушении нефти и окислении ее углеводородов углерод снова возвращается в атмосферу в виде углекислого газа, и таким образом цикл замыкается. Сторонники этой схемы подсчитали, что в осадочных породах нашей планеты в составе рассеянного органического вещества содержится около 60-80 тыс. млрд. т. углеводородов. Это более чем в 100 раз превышает известные сегодня запасы нефти. Способность такой массы рассеянных углеводородов образовывать скопления промышленной нефти не вызывает сомнений у сторонников этой биогенной гипотезы.
В 1888 г. французский химик М.Бертло проделал комплекс опытов, чтобы доказать, что нефть образовалась из минеральных веществ.
На чугун с 4%-ным содержанием углерода воздействовали соляной и серной кислотой. В итоге были получены водород и смесь углеводородов, имеющих запах нефти. Когда на железистый марганец действовали горячей водой при температуре 100-200°С, также получалась нефтеподобная смесь. Химики П.Сабатьев и Ж.Сандэбран брали для опытов уже не металл, а смесь ацетилена с водородом и нагревали ее в присутствии никеля. И у них получалось вещество, богатое ароматическими углеводородами. Так рождалась и развивалась параллельно с органической гипотезой еще одна - гипотеза неорганического происхождения нефти, называемая впоследствии - минерального или абиогенного происхождения.
Первая научно обоснованная теория абиогенного происхождения нефти была предложена Д.И. Менделеевым. По его представлениям источником углерода и водорода могут быть вода и углекислый газ. Проникая в глубь Земли на 100-150 км, где давление составляет 50000 ат, а температура превышает значение 1800°С, вода реагирует с карбидами металлов, образовывая углеводороды (ненасыщенные):
Русский геолог В.Л. Соколов, учтя находки битума в метеоритах и наличие углеводородов в хвостах некоторых комет, предложил в 1892 г. космическую гипотезу возникновения нефтяных углеводородов в коре нашей планеты. По его мнению, углеводороды находились в составе газовой фазы допланетного облака. По мере его охлаждения углеводороды растворялись в жидкой магме, и после образования твердой земной оболочки поднимались по трещинам в осадочные породы.
В соответствии с гипотезой О.Й. Шмидта, газопылевое облако, из которого возникли планеты Солнечной системы, включало в себя не только простые элементы, но и воду, метан, углекислоту и более сложные углеводороды. Моделируя условия атмосферы нашей планеты, какими они были (предположительно) миллиарды лет назад, американские ученые получили из метаново-водородной среды, насыщая ее электрическими разрядами, аналогичными грозовым, сложнейшие углеводородные соединения и нуклеиновые кислоты.
Кстати, приборы космических станций регистрируют наличие метана в атмосфере Венеры, и существует мнение, что углеводороды входят в состав межпланетной материи.
Критикуя противников, сторонники неорганической гипотезы, спрашивают, почему месторождения нефти и газа часто находятся в зонах глубинных разломов, то есть там, где твердая земная скорлупа приоткрывается, как крышка над глубинным огнедышащим варевом? Почему вулканическая сера встречается вместе с нефтью? Почему, наконец, и сама нефть встречается в кристаллах, которые никак не попадали в круговорот жизни?
Взгляды на происхождение нефтей продолжают оставаться дискуссионными, несмотря на существенное изменение и уточнение, а то и полное разрушение многих их них. Другими словами, генеалогия нефти еще ждет своих исследователей. И данные о "предках" нефти, возможно, будут получены при развитии наук, далеких от нефтяной: физики и химии высоких температур, космотологии (при изучении планет, находящихся на той стадии эволюции, которую наша Земля давно прошла), а, может быть, ответ на этот вопрос "лежит где-то рядом" - достаточно только внимательно осмотреться. Как знать, время все расставит по местам.
Смеем утверждать: вопрос о происхождении нефти далеко не праздный. Сейчас, когда добыча всех полезных ископаемых, в том числе и нефти, дается все труднее, следует тщательно вглядеться в те сокровища, которые мы уже извлекли. Должным ли образом их используем, так ли уж их много содержит земная кора, так ли ух много есть способов их пополнить или заменить? А если задуматься чуть больше, то и сама-то кора - не кора, а корочка - не очень велика и требует внимательного и бережного отношения ко всему, что сама и "дарит".
ОБЩИЕ ПОДХОДЫ К КЛАССИФИКАЦИИ НЕФТИ
Первой была изучена пенсильванская нефть (Североамериканский бассейн), в которой немецкий ученый К.Шорлеммар (I834-I892) обнаружил предельные углеводороды метанового ряда. Исчерпывающее объяснение строения углеводородов дал А.М. Бутлеров (1861 г.), а вот отцом науки о нефти принято считать Д.И. Менделеева.
Нефть и газ – это горные породы. Они относятся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Мы привыкли считать, что порода – это твердое вещество, из которого состоит земная кора и более глубокие недра Земли. Оказывается, есть и жидкие породы, и даже газообразные. Одно из важных свойств нефти и газа — способность гореть. Таким же качеством обладает и ряд других осадочных пород: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все вместе горючие породы образуют особое семейство, получившее название каустобиолитов (от греческих слов «каустос» — горючий, «биос» жизнь, «литое» – камень, т. е. горючий органический камень). Среди них различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, последние называются битумами. К ним-то и относятся нефть и газ.
Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении. В табл. 1 приведены основные составные элементы горючих пород.
Таблица 1.
Основные элементы горючих пород.
Типы каустобиолитов | Порода | Содержание основных элементов, % | С/Н | ||
С | Н | О | |||
Угольные | Антрацит | 94,0 | 1,6 | 1,0 | 63,0, |
Каменный уголь | 86,4 | 5,0 | 8,6 | 17,0 | |
Бурый уголь | 69,9 | 6,4 | 23,7 | 10,9 | |
Торф | 63,8 | 6,й | 29,7 | 9,8 | |
Нефтяные (битумы) | Нефть тяжелая | 86,4 | 13,1 | 0,5 | 6,6 |
Нефть легкая | 84,3 | 14,0 | 1,7 | 6,0 |
В химическом отношении нефть – это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержащая также кислород, азот, серу и реже другие элементы. Она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87%), водород (12-14%), кислород, азот и сера (1-2%), содержание серы возрастает иногда до 3-5%. В нефтях выделяют углеводородную часть, асфальто-смолистую, парафины, серу и зольную часть.
Исследования ученых показали, что в нефтях содержатся три большие группы углеводородов.
Предельные - наиболее простые по строению, получившие свое имя от самого простейшего из всех углеводородов - метана. Часто такие углеводороды называют метановыми, а вот в химии называют их алканами. Структурная формула метана напоминает простейшее из живых существ - амебу, только у метана вместо ядра - атом углерода, а протоплазму образуют 4 атома водорода. Каждый следующий углеводород имеет на I атом углерода больше, то есть формулу алканов можно представить так: СnН2n+2, и как бы не вытягивалась углеводородная цепочка, она всегда будет окружена водородной оболочной. В нефти встречаются почти все члены этого ряда: газы - первые 4 члена; следующие 12, то есть от С5Н12 до С16Н34 - это жидкости; начиная с 17-го - могут находиться в нефти в твердом состоянии в виде кристаллов и входят в состав парафинов. Отсюда еще одно название углеводородов - парафиновые. Начиная с четвертого углеводорода (бутана, кстати названия первых десяти по порядку - метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан), все имеют несколько разновидностей - изомеров. Молекулы их построены по-разному, хотя химическая формула одинакова. Если основной член ряда имеет вид простой цепочки, то у изомеров цепь ветвится. Различаясь по структуре, по прочности связей, изомеры, естественно, различаются по свойствам, например, температура плавления и кипения у них ниже, чем у нормальных. Вообще лучшие бензины для современных бесшумных автомобилей состоят не из истинных бензинов, а из их изомеров.
Следует заметить, что многие изомеры все еще не изучены, и в первую очередь потому, что, как посчитали ученые,11-ый член ряда может иметь 159 изомеров, у 18-го (октодекана) их может быть 60523, а уже у 40-го (тетроконтана) – трудно представляемое число - 62 491 178 805 831.
Постоянно поддерживающийся интерес к изучению физико-химических свойств таких углеводородов (причем, на самом высоком уровне) объясняется не только желанием создать новые сорта топлива, а еще и тем, что некоторые из них своим строением напоминают органические вещества. В частности, структурная формула пристана почти идентична формуле фитола - основной части хлорофилла. Сразу возникает желание поговорить о возможной связи нефтей с древними формами жизни и цивилизации, однако, это отдельная интересная тема.
Нафтеновые (цикланы) - циклические насыщенные углеводороды со структурной формулой СnН2n. В их молекулах не "хватает" двух атомов водорода, поэтому такие углеводороды называют еще непредельными или алкенами, в природной нефти их нет, а образуются при ее вторичной переработке. У нафтенов может быть не одно, а несколько колец - отсюда названия; моноциклические, би- или полициклические со структурными формулами CnH2n-2 и СnН2n-4.
Еще одно название – циклопарафины - происходит от способности их колец удерживать при себе цепочку метановых углеводородов. Это свойство определяет и другие: большая плотность, чем у метановых; выше температура кипения и плавления; легко взаимодействуют с галогенами, с серной кислотой; присоединяют кислород; в нормальных условиях - это всегда жидкости и т.д.
Ароматические углеводороды получили свое название из-за четко выраженных (далеко не всегда приятных) запахов, ведь по-гречески "арома" означает пахучее вещество. Структурная формула СnН2n-m, где m - четные числа. Представлены такие углеводороды бензолом C6H6 и его производными (гомологами). Ароматические углеводороды сильно недонасыщены водородом, однако, химически малоактивны. В нормальных условиях - это жидкости, имеющие очень низкую температуру застывания: от -25 до -88°С.
В зависимости от преобладания в нефти одного из трех представителей углеводородов (более 50%) нефти именуются метановыми, нафтеновыми или ароматическими. В случае, когда к доминирующему присоединяется другой углеводород в количестве не менее 25%, то им дают комбинированное название, например, метано-нафтеновые.
Приведенная выше классификация нефтей по углеводородному составу позволяет дать новое определение нефти: нефть представляет собой раствор чистых углеводородов и гетероатомных органических соединений, то есть углеводородов, содержащих в молекуле атомы кислорода или азота, или серы. Именно раствор, а не смесь, причем не обычный раствор, как сахара в воде, а раствор различных соединений друг в друге.
Углеводородный состав нефти является важной характеристикой, тем не менее целесообразно внести еще две - элементарный и фракционный составы.
Несмотря на многообразие углеводородов, элементарный состав нефти колеблется в небольших пределах: углерод - 83÷87%, водород - 11-14%. На долю других элементов, объединяемых группой смолисто-асфальтовых веществ, приходится от 2 до 6%. Смолисто-асфальтовые вещества представляют собой высокомолекулярные органические соединения, содержание углерод, водород, серу, азот и металлы. К ним относятся: нейтральные смолы, растворимые в бензинах; асфальтены, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в горячем бензоле; карбены, растворимые в сероуглероде; карбоиды, вообще; не растворимые. При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента), состоящая из окислов кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия и ванадия. Кстати, соединения последнего являются переносчиками кислорода и способствуют интенсивной коррозии.
Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфидов, иногда - в свободном виде. Сера и ее соединения активно взаимодействуют с металлами, также вызывая сильную коррозию. Обнаруживают их по резкому запаху и действию на растворы свинцовых солей. По содержанию серы нефти делят на группы: несернистые (менее 0,2%), малосернистые (0,2-1,0%), сернистые (1,0-3,0%), высокосернистые (более 3,0%).
Азот, как примесь безвредная и инертная, почти не контролируемая анализами, доля его в нефтях обычно не превышает 1,7%. Углеводородных соединений азота довольно много - пиридин, хинолин и т.д.
Особое место занимают порфирины, то есть тетрациклические азотистые соединения, по структуре похожие на живое вещество гемину (красящее вещество крови). Порфирины считались раньше прямым доказательством органического происхождения, хотя обнаруживаются не во всех нефтях. И вот еще тема для дополнительного обсуждения - порфирины обнаруживают в веществах космических путешественников, называемых хондритами.
Вообще, в нефтях можно обнаружить более половины элементов таблицы Менделеева. Элементарный (часто говорят химический) состав нефти полностью не известен. Уже сейчас обнаружено 425 индивидуальных углеводородов и 380 углеводородов, содержащих серу, азот и кислород. Трудность определения состава заключается в том, что выделить из нефти соединения можно пока лишь путем перегонки; Ну, а при этом состав нефти может значительно измениться в результате различных реакций.
Твердых углеводородов, родственников нефти, довольно много, и коротко о некоторых из них,
Мальты - очень вязкие, полужидкие смолистые нефти. Плотность-0,97÷1,0, то есть они едва-едва не тонут в воде.
Кериты - еще более плотные вещества, на которые органические растворители почти не действуют, практически не содержат ни серы, ни азота и ни кислорода.
Элькериты и антраксолиты - очень разнообразная группа минералов неясного происхождения, состоящая почти из чистого углерода.
Асфальты - твердые аморфные углеводородные вещества различной степени плавкости и твердости, содержат неодинаковое количество серы, кислорода и азота. Структура и групповой состав их неизвестны, Они отличаются невысокой температурой плавления и поддаются действию сильных растворителей, таких как бензин и бензол. Плотность их больше, чем у воды. Месторождение асфальта в Восточной Сибири было открыто Устьянской экспедицией в 1820 г. на реке Оленек. Самое большое месторождение чистого асфальта открыто в Восточной Венесуэле - смоляное озеро Бермудез. Его площадь - более 440 га, глубина залегания – 6м.
Принципиальная разница в составе нефтей и асфальтов заключается в том, что в нефтях всегда есть доля парафина (например, нефти Ставропольского края содержат до 28% парафина), а в асфальтах их нет совсем. Куда и как "пропал" парафин - загадка.
Многие специалисты отмечают, что будущее у асфальтов не такое уж далекое, тем более что искусственные бензины, получаемые из асфальта, по качеству превосходят натуральные. Ну а запасы нефти, которые человечество может извлечь из недр современными методами, легко могут уместиться на одном асфальтовом месторождении на р. Атабаске в Канаде.
СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ
Конечно, не самый лучший выход - сжигать нефть в топках электростанций, и даже в цилиндрах автомобилей, турбинах самолетов. Но пока индустрия планеты не может отказаться от такого, относительно дешевого вида топлива и с этим следует считаться. В дополнение необходимо сказать: для всех названных выше механизмов, собственно как и для других, в которых что-то вращается, что-то движется, нужны смазочные масла разного качества. Смазка необходима не только автомобилям, самолетам. Она требуется и вентиляторам в окнах и моторам в стиральных машинах. Все нефтепродукты получают из нефти при ее переработке, которую называют перегонкой.
Есть несколько способов, так называемой прямой гонки, но суть их одна. Любой жидкий углеводород нефти имеет свою температуру кипения, то есть температуру, выше которой он испаряется (температура кипения возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле, например, бензол C6H6 кипит при 80°, а толуол C7H8 при 111°C). И наоборот, если пары бензола охладить ниже температуры кипения, он снова превратится в жидкость. Предположим, перегоняется типичная нефть. При ее перегонке можно получить: 31% бензина (углеводороды С4÷С10), 10% керосина (С11÷С12), 15% дизельного топлива (С13÷С20), 20% смазочных масел (С21÷С40), 24%остатка - мазута (С40 и выше). Таким образом, из сложной многокомпонентной нефти получаются новые вещества (фракции), более близкие по углеводородному составу и, следовательно, по свойствам. Из этих фракций (базовых нефтепродуктов) можно получить продукты с заданными качествами. Автомобильные бензины А-76, А-92, АИ-93, А-95, имеют практически один и тот же фракционный состав, но существенно отличаются по значению октанового числа, характеризующего устойчивость топлива к детонации. Авиационные бензины отличаются от автомобильных повышенным содержанием легкоиспаряющихся (низкокипящих) углеводородов. Содержание в природных нефтях преимущественно тех или иных фракций позволяет классифицировать нефти, например, как бензиновые, керосиновые или масляные. Фракции, получаемые путем перегонки или ректификации (разработано множество способов), принято характеризовать температурными пределами, то есть температурой начала кипения и температурой конца кипения фракции.
Конечно же, в пределах данного пособия, мы не в состоянии рассказать о всех секретах, применяемых в нефтехимии при получении нефтепродуктов. На рис.1 представлена упрощенная схема использования нефти, тем не менее позволяющая систематизировать знания о процессах в нефтепереработке. Ниже, очень коротко будут даны пояснения свойств нефтепродуктов, с которыми очень часто приходится встречаться в повседневной жизни.
Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Единицей измерения динамической вязкости является давление, необходимое для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с между двумя параллельными слоями жидкости площадью 1 м - находящимися друг от друга на расстоянии 1 м (то есть Па·с). Наибольшей вязкостью обладают высококипящие углеводороды, а из нефтепродуктов - масла и мазуты, вязкость которых может быть в сотни и более раз выше, чем например, у бензинов. Не следует путать (как часто случается) вязкость и текучесть - это две взаимообратные характеристики, то есть чем больше вязкость, тем меньше текучесть. Вязкость, с точки зрения трубопроводного транспорта, очень важная характеристика. Действительно, чем больше текучесть, тем меньше проблем при транспорте. Случается, однако, и довольно часто, особенно в условиях Тюменского севера ситуации, когда нефть при низких температурах становится настолько вязкой, что транспорт ее оказывается невозможным. Здесь приходится хитрить, например, подогревая нефть. Прямой смысл известного афоризма: "Не подмажешь - не поедешь", - указывает на один из самых древних способов борьбы с трением. Издревле для этой цели использовали вязкие (липучие) животные жиры. Химики выяснили, что смазочные масла можно получать из тех фракций, которые выкипают при температуре выше 350°С, правда содержащихся далеко не во всех нефтях, а как правило в тех, которые так "не любят" трубопроводчики. Кстати, получение масел - очень сложный процесс (особенно сверхвязких), ведь по температуре кипения они близки с твердыми углеводородами - парафинами.
Цвет - обычно нефть темно-коричневого или черного цвета, но встречается всех оттенков палитры, в том числе и белая. Чистые углеводороды бесцветны, цвет же нефти обусловлен содержанием серы и смолистых веществ.
Рис.1. Схема использования нефти
Флуоресценция - способность тонких пленок нефти переливаться всеми цветами радуги. Бакинская нефть имеет синеватый оттенок, пенсильванская - зеленоватый, а после очистки - фиолетовый.
Плотность - количество вещества, заключенного в единице объема. Плотность нефтей колеблется в пределах от 0,730 до 1040 кг/м3.
Нефть обычно легче воды и подтверждение тому - радужные круги нефти в самых - различных водоемах, в том числе и на пляжах. Нефть с плотностью ниже 900 кг/м3 называют легкой, выше - тяжелой. Мазут имеет плотность от 900 до 990 кг/м3, керосин - 800÷840, бензины -700÷800, газовые конденсата - 650÷720 кг/м3. Определение плотности нефти и нефтепродуктов весьма облегчает всевозможные расчеты, связанные с нахождением их массового количества при товаро-учетных операциях.
Учет количества нефти и нефтепродуктов в объемных единицах вызывает некоторые неудобства, так как объем жидкости меняется с изменением температуры. Поэтому, зная объем и плотность, можно при приеме, отпуске и учете нефти выражать их количество в массовых единицах, ведь масса не зависит от температуры. Без знания точного значения плотности не представляется возможным обеспечить должный уровень технологии, например, отстойные процессы в системах промысловой подготовки нефти.
Загадок у нефти много, хотите одну? Пожалуйста! Почему, чем ближе к центру Земли, тем меньше минерализация подземных вод и вода становится легче, а нефть тяжелее? Ученые тоже не дают точного ответа. Видимо, не все еще свойства и особенности нефти выяснены до конца. Тем более что наблюдается такое явление не на всех месторождениях, а на таких, как Сураханское.
Углеводороды нефти практически неэлектропроводны, то есть являются диэлектриками, причем сильными, почти как воздух, в 2÷3 раза выше, чем стекло или слюда. Это свойство используется для создания жидких изоляторов, трансформаторных масел, которые при расстоянии между электродами 25 мм выдерживают напряжение 25 кВ. К сожалению, как все диэлектрики, нефтепродукты способны накапливать электрический заряд. При трении о железо в бензине возникает заряд до 2 кВ, в масле, правда, значительно меньше. Недаром у автомобилей-бензовозов на заднем шасси всегда можно увидеть свисающуюся металлическую цепь - заземление. На самом деле заряд электрический в союзе с горючим веществом может привести к неприятностям. При наличии в продукте примесей, особенно растворов солей, электропроводность значительно увеличивается.
Люди давно заметили, что жар от сжигаемой нефти куда сильнее, чем от дров или угля. Сегодня количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива, мы называем теплотой сгорания (ТС). ТС нефти значительно выше, чем у таких взрывчатых веществ, как порох, нитроглицерин и даже тротил. Вероятно, поэтому окончились неудачей попытки изобретателей двигателя внутреннего сгорания использовать в качестве горючего порох. ТС нефтей изменяется в широких пределах, это понятно, по продуктам можно привести следующие данные: метиловый спирт - 2200 кДж/кг, мазут - 41000, авиабензин - 44000, керосин - 45000, ацетилен - 49000. метан - 51000 кДж/кг. Для сравнения - у угля - 31000.
Температура вспышки - температура, при которой смесь паров нефти и воздуха вспыхивает при поднесении к ней открытого источника огня. В соответствии с международными рекомендациями продукты с температурой вспышки ниже 61°С следует относить к легковоспламеняющимся, а выше 61°С - к горючим. Температура вспышки очень важный показатель: он определяет безопасность пользования керосиновыми фонарями и лампами, пригодность смазочного масла для двигателей с нагревающимися и трущимися частями. Для бензинов температура вспышки определяет порог взрывоопасности при определенном соотношении его паров с воздухом.
Температура застывания - температура, при которой продукт теряет текучесть. С увеличением содержания в нефтепродуктах тяжелых углеводородов температура застывания уменьшается. Пренебрежение к знанию данного показателя может оказаться роковым не только для перекачки нефти, но и для судеб целых народов. Как знать, не остановись бронированные чудовища - фашистские танки под Москвой суровой зимой 1941÷1942 гг., не потеряй маневренности всего лишь на неделю, может быть и исход всей Великой войны был бы иным. Военные специалисты утверждают, что применяемые гитлеровцами для танков смазочные материалы не были рассчитаны на работу при температурах ниже -30°, а природа создала как раз такие условий для испытаний, наказав их за невежество.
Стабильность - способность продукта сохранять свой состав и основные качества в условиях транспорта, хранения и эксплуатации.
Регенеративность - способность продукта к восстановлению исходных свойств и качеств.
Газовый фактор - характеризует количество газа, растворенного в единице объема нефти. В нефти, например, может быть растворено почти 1000 объемов газа, причем при более высоком давлении газовый фактор выше. Когда нефть поднимается на поверхность, давление уменьшается и из нее выделяется газ, называемый нефтяным или попутным. Нефтяники называют его "жирным", по составу в нем меньше метана, чем в газах чисто газовых месторождений, больше этана, пропана, бутана. Есть также пентаны и гексаны. В Западной Сибири в 1989 году попутного газа добыто около трех десятков миллиардов кубометров. Это значительно больше, чем добывается на таких гигантах, как Газлинское и Ставропольское газовые месторождения вместе взятые. Долгое время попутный газ сжигался на факелах, были тому причины. Сейчас научились его использовать, хотя все еще не полностью. В Сургуте на нефтяном газе работает одна их крупнейших тепловых электростанций, на газобензиновых заводах научились получать газовы-2 бензин. Нефтяной газ по газопроводу Нижневартовск - Томск - Кузбасс питает крупные предприятия горняков, используют газ металлурги Челябинска и еще очень и очень многие предприятия.
Для наиболее рационального использования нефтей с разными свойствами и составом были созданы различные классификации нефти, а именно: химическая, геохимическая, товарная и технологическая.
Химическая классификация предусматривает выделение классов нефтей по преобладанию в них той или иной группы углеводородов. Согласно этой классификации выделяют метановые, нафтеновые и ароматические нефти, а также переходные (метано-нафтеновые, нафтено-метановые и др.).
Геохимическая классификация учитывает не только химический состав нефтей, но и геологический возраст отложений, из которых нефть получена, глубину залегания этих отложений и другие признаки.
Товарная и технологическая классификации строятся по таким показателям, как содержание фракций, выкипающих при t до 350 градусов Цельсия, а также парафина, масел и др.
Согласно действующей классификации все нефти по содержанию серы делятся на три класса:
I - малосернистые (не более 0,5%);
II - сернистые (0,51 ÷2%);
III - высокосернистые (более 2%).
По содержанию фракций, перегоняющихся до 350 градусов, нефти делятся на три типа:
Т1 – не менее 45%;
Т2 – 30,0÷44,9%;
Т3 – менее 30%.
По потенциальному содержанию масел различают 4 группы нефтей:
М1 – не менее25% в расчете на нефть;
М2 – 15÷25% в расчете на нефть и не менее 45% в расчете на мазут;
М3 – 15÷25% в расчете на нефть и 30÷45% в расчете на мазут;
М4 – менее 15% в расчете на нефть.
Все нефти делятся по качеству получаемых масел, оцениваемому индексом вязкости, на две группы:
И1 – индекс вязкости выше 85;
И2 – индекс вязкости 40÷85,
а по содержанию парафина – на 3 вида:
П1 – малопарафиновые (не более 1,5%);
П2 – парафиновые (1,51÷6,00%);
П3 – высокопарафиновые (более 6%).
Используя эту классификацию для любой промышленной нефти, легко составить представление о наиболее выгодных путях ее переработки и возможности замены ею ранее применявшейся в данном технологическом процессе нефти.
На каждый миллион автомобилей требуется восемь миллионов покрышек. В автомобиле "Жигули" около 400 резиновых деталей. Где взять столько каучуковых деревьев? Да из нефти же можно получить каучук: и бутадиеновый, и бутиловый, и уретановый, и полиуретановый, и хлоропреновый, и изопреновый, и силиконовый, и...
К 2000 году население превысило 7 млрд. человек. Некоторых волнует проблема питания. Не волнуйтесь, уже сейчас готовят искусственные продукты, правда в основном пока для животных и птиц, опять же из нефти и газа.
Проблема с металлом? Нет проблем! Промышленностью уже освоены способы получения пластмассовых магнитов, стеклопластиков, металлопластиков. В США с 1975 г. различных пластмасс производят значительно больше, чем цветных металлов. Пластмассы всюду вытесняют металлы: трубы долговечнее, вес меньше, по химической стойкости (например, тетрафторэтилен или терлон) превосходят и золото, и платину, не растворяются даже в "царской водке" (смесь азотной и соляной кислот).
Американская ракета "Титан-5", доставившая космонавтов на Луну, расходовала 15 тонн топлива в секунду. Практически все двигатели питаются нефтепродуктами: одним нужен бензин, другим солярка, третьим мазут. Мало того, машины стали привередливыми: "Запорожцу" необходим А-76, ну а "Жигулям" подавай высокооктановый АИ-93. Хорошо еще, что гиганты, поглощающие топливо в огромных количествах, равнодушны к его качеству. Теплоходы загружаются мазутом или соляркой, а скоростные лайнеры типа ТУ-154 или "БОИНГ-747" потребляют что-то вроде керосина. Сделаем в этом месте остановку в экскурсии по нефтехимии и познакомимся с нефтепродуктами поближе.
Базовый бензин - наибольшая составная часть промышленных бензинов без высокооктановых компонентов.
Присадки - вещества, добавляемые в незначительных количествах к топливам, маслам и смазкам для улучшения их природных свойств или придания новых.
Тетраэтилсвинец - (С2Н5)4Рb - представитель присадок, летучая, тяжелая, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде, легко растворимая в спиртах и эфирах, легко горит и воспламеняется, высокотоксична, отличный антидетонатор, добавляется в бензина для повышения октанового числа (процесс называют этилированием, а бензины - этилированными).
Бензины газовые - смесь углеводородов (от пентана до октана), полученная компрессионным или абсорбционным способом, применяется в качестве пускового топлива или как присадки.
Бензины-растворители - узкие фракции прямой перегонки с температурой кипения 70÷120°С, применяются чаще в резиновой и лакокрасочной промышленности.
Эфир - легкий бензин, выкипающий в пределах 65÷95°С, получаемый отгонкой легкой фракции (крекинга) из бензинов прямой перегонки в условиях повышенной температуры и давления в присутствии катализаторов. Применяется как растворитель и в медицине.
Автомобильные бензины - предназначены для карбюраторных двигателей, состоят из легких фракций, выкипающих при температуре 40÷205°С. Выпускают бензины следующих марок: А-72, А-76, АИ-93, А-92. Использование этилированных, бензинов в крупных промышленных центрах в последние годы запрещается. Октановое число (указано в марке) - основной показатель, характеризующий интенсивность детонации, обусловленный запаздыванием воспламенения топлива относительно изооктана. Чем выше октановое число бензина, тем более "мягкую" работу двигателя можно обеспечить.
Авиационные бензины - нефтепродукты с температурой кипения 50÷105°С являются топливом самолетов и вертолетов, оборудованных карбюраторными двигателями.
Реактивные- топлива - представляют собой керосиновые фракции первичной перегонки с температурой начала кипения 150÷195°С, характеризуются высокой теплотой сгорания, химической стабильностью, малой плотностью и низким содержанием серы.
Лигроин - нефтяная фракция, 'занимающая по температуре кипения промежуточное положение между бензином и керосином, выкипает при температуре 120÷240°С.
Керосин осветительный - представляет фракции, выкипающие в интервале 200÷280°С, используется в качестве растворителей, топлива и особенно удобен для промывки металлических деталей и стрелкового оружия.
Газойль - нефтяная фракция с пределами кипения от 230 до 360°С, занимает промежуточное положение между керосином и маслом.
Дизельные топлива - смеси, содержащие бензиновые, лигроино-вые, керосиновые фракции, используются в двигателях с воспламенением от сжатия.
Базовое масло (автол) - масляные фракции, применяемые в прошлом для смазки автомобильных и тракторных двигателей, в настоящее время является основным составляющим масел в альянсе с присадками. Известны присадки следующих типов: вязкостные, дипрессорные, антиокислительные, термоокислительные, антикоррозионные, лротивоизносные, противозадирные, противопенные, многофункциональные, ан-тиобледенительные и множество других - отсюда и многообразие масел, выпускаемых промышленностью.
Смазки - нефтепродукты, обладающие пластичными свойствами (консистентностью), получают загущением минеральных масел или на синтетических жирных кислотах. По назначению самые разнообразные: для смазывания подшипников, узлов трения приборов, для карданных шарниров, газовых пробковых кранов, для герметизации и консервации, смазывания тросов. Типичные представители смазок - солидолы.
Добавки - твердые вещества (добавляемые к смазкам), нерастворимые в дисперсионной среде смазки. Наиболее распространенные:
графит, слюда, асбест, порошки свинца, меди и т.д.
Мазут - остаточные фракции после атмосферной перегонки нефти, составляющие около 50% нефти все еще используется в качестве топлива в энергетике, металлургии, в быту.
Гудрон - черная смолистая масса, остающаяся после отгонки, составляет обычно 10-30% от нефти.
Битумы - твердые или жидкие водонерастворимые органические материалы, представляющие собой смесь углеводородов с остатками от перегонки нефти. Использование битумов многогранно, например, при смешении битума с минеральными материалами получала асфальт.
Парафин - смесь твердых углеводородов метанового ряда нормального строения с 18÷35 атомами углерода, белого цвета, без запаха, кристаллического строения, с температурой плавления 40÷60°С. используется для получения вазелина, смазок, в медицине, в кожевенной, бумажной, парфюмерной промышленностях.
Кокс - пористая твердая масса высокомолекулярных тугоплавких и высоко ароматизированных углеводородов - образуется при нагревании продуктов (например, масла или гудрона) до высоких температур 900-11ОО°С без доступа воздуха. Используется для получения электродов.
Ацетон - (СН3СОСН3) - бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость, смешивается со спиртом в любых пропорциях, хорошо растворима с эфиром и водой, растворяет смолы и лаки, образует с воздухом взрывоопасные смеси.
Спирты (алкоголи) - производные углеводородов, содержащие гидроксильную группу насыщенного атома углерода, различают: одноатомные, двухатомные (гликоли), трехатомные (глицерины) и многоатомные.
Глицерин (С3Н5/ОН/3) - сиропообразная бесцветная жидкость сладкого вкуса, хорошо растворима в воде, применяется в парфюмерии, медицине и для производства взрывчатых веществ.
Метиловый спирт (метанол) – СН3ОН - прозрачная жидкость с характерным алкогольным запахом - был открыт еще в 1661 году. Является сильным ядом. По внешнему виду, запаху и плотности невозможно отличить от этилового (эталона винного спирта) C2H2OH.
Далее мы больше не будем утомлять читателя перечислением нефтепродуктов и топлив , которые, слишком многообразны и многие еще не изучены, да и отечественная промышленность производит их более 1000.
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
ИСТОРИЯ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ В РОССИИ Ю Д Земенков Г А Хойрыш В С Торопов Е В Налобина С М Дудин КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ... СОДЕРЖАНИЕ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Нефть – ЧУДЕСНЫЙ ДАР ПРИРОДЫ
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов