Сергаева М.Ю. История эксплуатации нефтегазовых объектов в России и за рубежом - файл n1.doc

приобрести
Сергаева М.Ю. История эксплуатации нефтегазовых объектов в России и за рубежом
скачать (1535.1 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc

2009kb.

22.12.2008 20:31

скачать

n1.doc

1 2 3 4 5 6

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»
М. Ю. Сергаева

ИСТОРИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

НЕФТЕГАЗОВЫХ ОБЪЕКТОВ

В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ
Конспект лекций

Омск

Издательство ОмГТУ

2008
УДК 622.276

ББК 33.361

С 32

Рецензенты:

С. В. Кононов, канд. техн. наук,

начальник технического отдела ОАО «Транссибнефть»;

М.О. Мызников, канд. техн. наук,

начальник отдела технологических режимов ОАО «Транссибнефть»

Сергаева, М.Ю.

С 32 История эксплуатации нефтегазовых объектов в России и за рубежом: консп. лекций / М.Ю. Сергаева. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 88 с.
ISBN 978-5-8149-0641-0
Конспект лекций по дисциплине «История эксплуатации нефтегазовых объектов в России и за рубежом» посвящен изучению истории развития нефтегазовых объектов как в России, так и за рубежом, с древних времен до наших дней, рассказывается о роли нефти и газа в жизни человека, развитии способов транспортировки и хранения нефти, нефтепродуктов и газа, распределении и добыче мировых запасов нефти и газа, перспективах развития нефтегазовой отрасли.

Предназначен для студентов специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» дневной и заочной форм обучения.
Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета

УДК 622.276

ББК 33.361

© Омский государственный

ISBN 978-5-8149-0641-0 технический университете, 2008

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Тема 1. Нефть, газ и уголь – не только источники энергии
Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является одной из основ экономики России. Сотни тысяч специалистов трудятся во всех уголках нашей страны, обеспечивая её нефтью и газом. Магистральные трубопроводы являются неотъемлемой частью топливно-энергетического комплекса, связующим звеном между добычей и переработкой углеводородов. По ним транспортируются нефть и газ. Нужно отметить, что трубопроводы используются и по другому назначению – по ним транспортируются твердые и сыпучие материалы. В ряде случаев это выгоднее, чем использовать традиционные виды транспорта. Для подобных материалов используются следующие виды транспортировки: гидравлический, пневматический и капсульный (или контейнерный).

Кроме того, не просто сырьё, но и продукты нефтепереработки и природный газ необходимо доставить до потребителей. Для этого служит система их распределения, в которую входят газохранилища, нефтебазы, нефтепродуктопроводы, газораспределительные сети, автозаправочные, газонаполнительные и газораспределительные станции.

Нефтепровод – сооружение для транспортировки нефти и нефтепродуктов. В состав нефтепровода входят: трубопровод, перекачивающие насосные станции, хранилища. Первый магистральный нефтепровод в России (Баку-Батуми) был сооружен в 1897–1907 гг.

Нефтепродукты – смеси углеводородов и некоторых их производных, а также индивидуальные химические соединения, получаемые из нефти и нефтегазов. Используются в качестве топлив, смазочных материалов, электроизоляционных сред, растворителей и как нефтехимическое сырьё.

Нефтехимическая промышленность – промышленность, охватывающая производство синтетических материалов и изделий главным образом на основе продуктов переработки нефти и природного газа (синтетический каучук, продукты основ органического синтеза, сажа, резино-, асбестотехнические и другие изделия).

Если говорить о потреблении и потребителях в энергии в современных условиях, то можно сделать такое яркое сравнение: если первобытному человеку было достаточно 300 г условного топлива в день, которое он получал вместе с пищей (210 ккал), то сегодня в развитых странах на одного человека в год тратится до 13 т условного топлива. Вследствие научно-технического прогресса расход энергии во всех её видах растет, удваиваясь каждые 10 лет.

Различают следующие виды источников энергии:

1) возобновляемые;

2) невозобновляемые.

К возобновляемым относятся Солнце, ветер, геотермальные источники, приливы и отливы, реки. Невозобновляемыми источниками энергии являются уголь, нефть и газ.
Уголь как источник энергии
Большая часть всех ресурсов угля на Земле сосредоточена севернее 30⁰ северной широты. 75 % мировых ресурсов находятся в недрах трех государств: России, США и Китая.

Уголь широко применялся в энергетике вплоть до второй половины XX века. В XIX веке в мире добыто 17,8 млрд т угля.

Если к 1810 г. уголь добывали лишь в 5 странах мира, то к 1970г. – в 54 странах. Только с 50-х годов ХХ века началась добыча новых более дешевых и эффективных энергоносителей – нефти и газа, в энергобалансе всего мира началось сокращение доли угля.
Нефть и газ как источники энергии
Нефть и газ обладают высокой теплотой сгорания и относительно просты в использования с технологической точки зрения.

Так, при полном сгорании 1 кг нефти выделяется 46 МДж тепла, 1 м³ природного газа – 36 МДж, 1 кг антрацита – 34 МДж, 1 кг дров – 10,5 МДж. Аналогичным достоинством обладает и газ.

Нефть и газ транспортируются в основном по нефтепроводам, работающим в любое время года и суток. Чтобы перекачать нефть (газ) и затем подать в топку, достаточно включить насос или компрессор или открыть задвижку, тогда как транспортировка твердого топлива связана с погрузочно-разгрузочными работами, движением поездов или другого транспорта, затратами ручного труда.

Применение газа вместо угля дает большую экономию времени и средств, улучшает санитарное состояние городов, жилых домов и промышленных предприятий. Поэтому проводится большая работа по переводу тепловых станций на газ.

В основе энергетики в ближайшем будущем останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, но структура её изменится. Начнется использование гигантских запасов угля в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в России намного превосходят запасы в других странах. К сожалению, запасы нефти, газа и угля не бесконечны. Следовательно, необходимо предотвратить хищническое разграбление земных богатств. Ведь лишь при этом условии их хватит на века. Многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют нефтяные запасы.

Использование нефти и газа в качестве источника энергии и топлива необходимо сократить и потому, что они являются ценным сырьём для химического производства. Крылатое выражение Дмитрия Ивановича Менделеева гласит: «Сжигать нефть в топках – это всё равно, что топить печь ассигнациями».

Для выхода из этой ситуации необходимы:

- наращивание разведанных запасов нефти и газа;

- рациональное использование ископаемых;

- разработка новых, безопасных технологий возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и термоядерная, искусственное получение водорода и др.

К 1990 г. более 1/3 продукции мировой химической промышленности вырабатывалось из нефтегазового сырья, при этом расход добываемой нефти составлял около 10 %.

В нефтяных природных газах содержится несколько сотен различных углеводородов, а число продуктов их переработки исчисляется тысячами.

Раздел 2. ИСТОРИЯ ДОБЫЧИ, ПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА
Тема 2. История добычи и применения нефти и газа
По-гречески «нафта» – горная смола, «петролеум» по-латыни означает каменное масло (петрос – камень, олеум – масло), нефть называют также «черное золото» (земляное масло) и др.

На заре цивилизации на первобытного человека сильное впечатление производило пламя, появляющееся из нефтяных источников. Причиной возгорания могли быть удары молний, искры костра. Когда из расщелин поступала непрерывная струя газа, тогда вспыхивал «вечный огонь», вокруг которого воздвигались города и храмы. В военных действиях нефть использовали в качестве сжигающего средства: горящие стрелы, горшки, наполненные нефтью, сбрасывали с городских стен на головы атакующих. В XII–XIII вв. завоевание крупных городов таким образом приводило к многочисленным пожарам.

Как исторический факт известно изобретение «греческого огня». Эта смесь воспламенялась от контакта с воздухом. Залить водой было невозможно: вода лишь усиливала его горение, способствуя растеканию смеси. Когда арабы попытались захватить Константинополь, греки вылили в море огромное количество зажигательной смеси. В результате пожара арабский флот был полностью сожжен. Флот князя Игоря в 941г. был тоже полностью сожжен. Причиной конфликта была такая удаленная провинция, как Тмутараканское княжество, где располагались источники нефти.

В быту люди применяли нефть для освещения жилищ. Тогда как в основном в древних Египте, Риме, Греции светильники заправлялись оливковым маслом, в Прикаспии местные жители применяли нефть.

Использовалась нефть и как лекарственное средство. Во время войны за независимость в 1783г. солдаты революционных войск Б. Линкольна собирали с поверхности ручья в Западной Пенсильвании нефть и прикладывали к суставам, таким образом они снимали ревматическую боль.

В те далекие времена люди пользовались нефтью, выходящей на поверхность Земли из расщелин и трещин. Затем для добычи нефти в местах её неглубокого залегания начали использовать колодезный способ. Для поднятия на поверхность скопившейся в колодцах нефти применяли бадьи или бурдюки, поднимали вручную или конной тягой. Хранили нефть в глиняных сосудах или бурдюках и в них же транспортировали гужевым транспортом. В XVII в. появляются первые хранилища нефти. Нефть хранилась в земляных ямах-амбарах глубиной 4–5 м, устроенных в глинистых грунтах, позднее нефть хранилась в подземных каменных амбарах, зацементированных особым цементом.

История нефтяной промышленности нашей страны тесно связана с Бакинскими месторождениями нефти. В первых столетиях нашей эры бакинская нефть была известна арабам и персам. Бакинская нефть доставлялась даже в Багдад.

В 1723 г. в Москве по приказу Петра I Бакинская нефть в Главной
Московской аптеке была подвергнута перегонке для изготовления лекарственных бальзамов. В 1745 г. купец Фёдор Прядунов из Архангельска построил первый в мире нефтеперегонный завод на реке Ухте, на котором получали осветительную жидкость (керосин). Завод проработал до 1782 г., перерабатывая ежегодно 2000 пудов нефти. До 1000 пудов керосина в год отправляли в Москву. В 1823 г. на Кавказе вблизи крепости Моздок крепостные крестьяне братья Дубинины соорудили завод по перегонке нефти, просуществовавший 25 лет. На этом перегонном заводе получили светлую прозрачную осветительную жидкость – фотоген (от греческого «фотос» – свет, «гениао» – произвожу), а в остатке получили грязно-черную жидкость. За остатком закрепилось арабское слово «макзулат» – отброс, которое со временем преобразовалось в «мазут».

Изобретение Игнатием Лукасевичем керосиновой лампы и её широкое распространение по всему миру резко увеличило спрос на керосин (от английского «керозен» – под этим названием позднее из Америки доставляли в Россию керосин).

В 1846–1847 гг. производство осветительного масла из каменного угля организовал в США А. Геснер. Он назвал полученную жидкость «керосин ойл» (греч. «керос» – воск, восковое масло). Когда в 50-х годах XIX в. осветительное масло в США начали получать из нефти, то его также назвали керосином.

В настоящее время керосином называют фракцию нефти, которая выкипает в температурных пределах от 175 до 300 ^оС. Различают керосин:

1) для освещения;

2) применяемый в качестве горючего для тракторов;

3) керосин авиационный – топливо для реактивных двигателей.

Теплота сгорания нефти больше, чем у других видов топлива: антрацита – в 1,5 раза, торфа – в 2 раза, дров – в 4 раза. Её не умели, да и не могли сжигать в обычных топках. Только великое изобретение Владимира Григорьевича Шухова в 1888 г. (тогда Шухов 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. Позднее были изобретены: двигатель внутреннего сгорания (изобретатель – француз Этьен Ленуар, 1860 г.), дизель (немецкий инженер Рудольф Дизель, 1897 г.), реактивные двигатели (Константин Эдуардович Циолковский, 1883 г.), работающие на продуктах переработки нефти.
Тема 3. Начало нефтяной промышленности
Начало нефтяной промышленности связывают с появлением механического бурения скважин на нефть (впервые применили в США в 1859 г.). В России годом рождения отечественной нефтяной промышленности считают 1864 г. Именно в этом году на Северном Кавказе были пробурены первые нефтяные скважины с применением ударного бурения. В 1866 г. одна из этих скважин дала фонтан с начальным дебитом нефти около 200 т/сут (дебит – объем нефти, поступающей из бурения скважины в единицу времени, выражается в л/с, м³/ч, м³/сут). Бурение нефтяных скважин в России получает развитие начиная с 70-х годов XIX в. Об этом можно судить по следующим данным: если в 1872 г. в районе Баку эксплуатировались только две нефтяные скважины, то в 1873 г. с внедрением механизированных способов бурения растет и глубина скважин. Так, средняя глубина скважин составляла: в 1873 г. – 22 м, 1883 г. – 59 м, 1893 г. – 114 м. К началу XX века в этом же районе бурили скважины глубиной до 300 м. В связи с этим росла и добыча нефти. В 1837 г. нефтеперегонный завод недалеко от Баку построил горный инженер Н. И. Воскобойников. В 1869 г. в Баку существовало уже два завода, в 1872 г. – 57, в 1876 г. – 146.

Говоря о нефти, нельзя не сказать о газе и асфальте. Первым нефтепродуктом, с которым познакомилось человечество, был асфальт. Он представляет собой вязкое смолистое вещество, получаемое в результате длительного выветривания нефти (выветривание – процесс разрушения горной породы под воздействием внешних факторов с изменением физического состояния горной породы и химического состава). Асфальт получил своё название в древней Греции, по-гречески означает прочный, крепкий. Ещё в 460…450 гг. до н.э. Геродот в «Истории Греко-персидских войн» описал персидские и месопотамские асфальтовые месторождения. В настоящее время определение «асфальт» трансформировалось и означает смесь битума с измельченными материалами. История применения природной смолы уходит глубоко в древность. Широко известен библейский миф о Ное и его ковчеге, который был осмолён снаружи и внутри.

Асфальт в древности играл значительную роль при строительстве самых разнообразных сооружений. Археологи находят его в каменной кладке развалин дворцов, храмов и триумфальных арок. Им покрывали основания водоемов и скрепляли потолки туннелей.

На Среднем Востоке, на берегу Евфрата в местечке Иди, существовал смоляной промысел, где добывалась нефть и получали асфальт. В 700–500 гг. до н.э. в Вавилоне асфальт использовали как водонепроницаемое вещество при создании этого одного из семи чудес света – «висячих садов» Семирамиды. 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, битум всё еще не утратил своих гидроизоляционных свойств.

Как же транспортировали битум для строительства? Археологи утверждают, что речники Евфрата пользовались нефтеналивными суднами. Это были судна, похожие на лукошко, сплетенное из прутьев и обмазанное густым битумом, которые приводились в движение веслами.

Вторая экспедиция «Ра-2» ученого и путешественника Тура Хейердала закончилась благополучно, 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 широко использовался и как связующее вещество. В Библии рассказывается, что при строительстве легендарной Вавилонской башни вместо цемента при кладке использовалась «Земляная смола», то есть асфальт. Наиболее старые участки Великой Китайской стены за 400 лет до н.э. сооружены на природном битуме.

Асфальт применялся и для получения твердых покрытий. В Древнем Египте в амбарах для хранения зерна (3000 г. до н.э.) пол и стены покрывали асфальтом.

Асфальт в качестве дорожного покрытия археологи обнаружили на отрезках примитивных асфальтовых дорог, построенных вавилонянами, ассирийцами. Неизвестна дата создания дорог в Новом Свете, но когда после открытия Америки испанцы проникли в 1532 г. в Перу, они обнаружили там прекрасные асфальтовые дороги.

Европейцы применили битум в качестве дорожно-строительного материала лишь в начале XVIII века по воле случая. Асфальт, падая с телег, смешиваясь с пылью и щебнем, превращался в отличное дорожное покрытие. К тому же в Швейцарии было открыто асфальтовое месторождение в Юрских горах.

Широко асфальт начинает применяться только в XIX веке. В 1832–1835 гг. в Париже были выполнены работы по мощению городских улиц и тротуаров асфальтом. В России первые попытки асфальтирования тротуаров были сделаны в Одессе в 1839 г. владельцем первого в стране асфальтового завода К. И. Борно. Позднее, в 1865 г. заасфальтировали террасы Зимнего дворца в Петербурге, а с 1866 г. стали асфальтировать дворы, тротуары, улицы и площади. Асфальт ввозили из-за рубежа, так как первый завод в Одессе закрылся из-за начавшейся Крымской войны. И только в 1874 г. в России был построен асфальтовый завод вблизи г. Сызрань.

Современные дороги покрыты асфальтом, изготовленным на базе нефтяных битумов, получаемых в результате окисления воздухом тяжелых остатков перегонки нефти при температуре 239–340 ^оС. Этот процесс был разработан в 1896 г., а внедрен лишь в 1914 г.
Тема 4. Краткая история добычи и переработки нефти
Нефть в России в начале XX века добывалась главным образом в районе города Баку и на Северном Кавказе (Грозный, Майкоп). Эксплуатация месторождений конкурирующими фирмами велась хищническим путем, а хранение нефти в открытых ямах-амбарах вело к большим потерям и частым пожарам.

В то время добыча нефти велась двумя методами: фонтанным и с помощи желонки. Желонка – это длинное ведро малого диаметра с открывающимся внутри донным клапаном, свободно проходящее в скважину. При подъеме желонки клапан плотно закрывал вход, и порция нефти поднималась на поверхность. В 1913 г. таким способом в России было добыто 95% всей нефти.

В начале при перегонке нефти применение находил только керосин (фотоген). Однако при этом получали два побочных продукта: один из них – более легкая фракция нефти получил название «бензин» (от арабского «любензави» - горючее вещество), а другой – густая грязно-черная жидкость, получаемая в остатке и названная «мазут» (от арабского – отброс). Долгое время они оставались ненужными продуктами.

В 1866 г. А. И. Шпатаковский изобрел первую форсунку для сжигания мазута. В результате чего мазут начал применяться в топках как топливо. Затем из мазута стали вырабатывать смазочные масла. Позже выдающийся русский инженер В. Г. Шухов форсунку значительно усовершенствовал. В этой форсунке мазут вытекает по узкому каналу и распыляется водяным паром в мельчайшую пыль. Распыленный мазут в топке испаряется, хорошо смешивается с воздухом и полностью сгорает. Распыление жидких топлив при помощи пара оказалось очень эффективным, такие форсунки используются в наше время наряду с воздушными и механическими.

По предложению Д. И. Менделеева в 1887 г. на нефтяное топливо были переведены первые суда морского флота – миноносцы «Сова» и «Лука», в Первую мировую войну – английский военный флот. Это на треть повысило боевую мощь английского флота.

Сжигание мазута в топках – это не лучшее его применение. При консультации Д. И. Менделеева около Ярославля строится первый завод по получению смазочных масел из мазута (1879 г.). В 1890 г. В. Г. Шухов предложил способ расщепления тяжелых углеродов мазута с целью получения светлых нефтепродуктов. В 1891 г. В.Г. Шухов и С. Гаврилов изобрели способ получения легких углеводородов расщеплением тяжелых углеводородов при высоких температуре и давлении. Этот способ получил название «термический крекинг» (от англ. крекинг – расщепление) и успешно применяется в наше время. В 1926 г.
В. Г. Шуховым в содружестве с инженером М. А. Капелюшниковым, изобретателем турбобура, была создана крекинговая установка.

Чтобы промышленность развивалась успешно, нужна не только совершенная техника, но и талантливые организаторы производства. Расцвет российской нефтяной индустрии начался с появлением на промыслах в Баку братьев Нобель. А началось всё с неудачной поездки одного из братьев, Роберта, на Кавказ в поисках орехового дерева для ружейных прикладов. Подходящего товара он не нашел, но, возвращаясь в Петербург, заехал в Баку и загорелся новой идеей…

Семья шведских изобретателей и предпринимателей Нобель к тому времени была хорошо известна в России. Эммануэль Нобель (1801–1872 гг.), инженер и промышленник, с тремя малолетними сыновьями – Робертом (1829–
1896 гг.), Людвигом (1831–1888 гг.) и Альфредом (1833–1896 гг.) переехал на жительство в Россию в начале сороковых годов девятнадцатого столетия по приглашению великого князя Михаила Павловича, брата императора Николая I. Великий князь по достоинству оценил подводные мины, изобретенные Нобелем. Российское правительство вручило шведскому инженеру 25 тысяч рублей золотом и предложило наладить производства этого оружия в Петербурге. Эммануэль Нобель обосновал здесь механический завод.

В 1859 году семья Нобель вернулась на Родину. Только Людвиг, средний сын Эммануэля, решил остаться и открыть собственное литейно-механическое дело. Его начинанию сопутствовал успех. Вскоре Людвигу понадобился надежный помощник, и он уговорил брата Роберта снова переехать в Петербург.

Такова предыстория возникновения в 1879 году знаменитого «Товарищества братьев Нобель», совершившего в нефтяной индустрии России революцию. В создании товарищества вместе с Людвигом и Робертом участвовал и третий брат – Альфред Нобель, изобретатель динамита и учредитель Нобелевской премии, ставшей самой престижной наградой ХХ века, а также их друг детства Петр Бильдерлинг.

Необычность подхода к делу проявилась уже на первых этапах организации работ. Как правило, забота новоиспеченного владельца нефтяного поля – максимально быстро получить прибыль, а значит, нужно качать нефть из недр, извлечь ее как можно больше и продать в кратчайший срок. Нобели поступили по-иному. Их интересовали не количественные показатели, а качество конечного продукта, которым тогда был керосин. Братья приобрели вместе с промыслами небольшой керосиновый завод и вложили в его реконструкцию дополнительные деньги. В итоге керосин получился такой высокой степени очистки, что превзошел по качеству американский, наиболее популярный тогда на российском рынке. Затраты на создание принципиально новой системы непрерывной перегонки нефти вскоре полностью окупились. В честной конкурентной борьбе Нобели одержали верх над Дж. Рокфеллером, американским нефтяным королем, и вынудили его искать новые рынки сбыта продукции.

Но керосин, сколь бы хорош он ни был, нужно ещё доставить потребителю. И Нобели начинают создавать по всей стране перевалочные базы и складские помещения. Едва развернув своё дело, имея в Баку лишь восемь маломощных скважин да небольшой нефтеперегонный завод, они уже тогда думали о завтрашнем дне. В Царицыне (Волгоград) был построен современный складской комплекс. Здесь керосин, доставлявшийся баржами по морю и по Волге, перегружали в громадные резервуары и затем развозили по железной дороге.

Средства транспортировки нефтепродуктов – ещё одна постоянная забота. Первое в мире нефтеналивное металлическое судно «Зороастр», первые в России железнодорожные вагоны-цистерны, металлические баржи, первый нефтепровод – всё это результат цивилизованного хозяйствования товарищества. Тогда же появились и металлические резервуары для хранения нефтепродуктов (спроектированы известным инженером В. Г. Шуховым). Это было удобно и экономически выгодно, поскольку ранее нефть заливали в деревянные бочки и оставляли в земляных ямах, что вело к её потерям и загрязнению окружающей среды.

На нобелевских промыслах (опять же впервые) стали использовать попутные нефтяные газы: их сжигали в топках паровых машин. Позднее, по мере развития техники, на скважинах появились газовые и нефтяные двигатели. Первые электродвигатели и эффективные методы борьбы с нефтяными выбросами из скважин – тоже достижения «Товарищества братьев Нобель».

Эммануэль Людвигович Нобель (1859–1932 гг.), ставший после смерти отца руководителем товарищества, наладил на Петербургском механическом заводе массовое производство дизельных моторов и, опережая время, оснастил ими свой нефтеналивной флот. Именно он предложил называть суда с дизельным двигателем теплоходами.

Недалеко от шоссе Энтузиастов в Москве, в проезде завода «Серп и Молот», именовавшемся раньше Проломным проездом, до революции располагались склады Московского отделения Товарищества. В 1994 году, в день 115-летия учреждения «Товарищества братьев Нобель», в соответствии с постановлением правительства Москвы там был установлен памятный знак. Потомки с благодарностью вспоминают об огромном вкладе семейства Нобель в экономику России.

Эти примеры показывают, что нефтяная промышленность развивалась не только за счет увеличения объемов добычи нефти, но и за счет более полной её переработки. На протяжении почти всего XIX века целью перегонки нефти было в основном получение керосина, и около 100 лет бензин оставался опасным и ненужным продуктом. Его качество и выход зависели от природы нефти, технологии её перегонки и других факторов. Основными характеристиками товарного керосина были удельный вес (0,79…0,85 т/м³), температурный интервал кипения (170… 320 ^оС) и цвет. Поскольку выход керосиновой фракции был относительно невелик (из бакинской нефти он составлял 25…30 %), нефтепромышленники пытались получить дополнительные объёмы жидкости, похожей на керосин по удельному весу, смешивая при этом легкие и тяжелые фракции. Такой продукт при употреблении в лампах часто взрывался. Поэтому годность керосина для безопасного освещения стали определять по температуре вспышки (то есть воспламенения паров над поверхностью жидкости) и температуре воспламенения (то есть возгорания жидкости). Изобретение двигателя внутреннего сгорания положило начало промышленному использованию бензина.

Г. Форд построил первые автомобили с карбюраторным двигателем. Топливо в карбюраторе распыляется, перемешивается вместе с воздухом, после чего подается в цилиндры. Карбюраторный двигатель – двигатель внутреннего сгорания, в котором горючая смесь готовится карбюратором вне камеры сгорания (то есть двигатель с внешним смесеобразованием) и воспламеняется в камере сгорания свечой зажигания. Свеча зажигания – прибор для воспламенения горючей смеси при помощи искры (электрод с напряжением 10–30 кВ). Если в мире в 1886 г. было 4 автомобиля, то к 1940 г. их число возросло до 10 млн.

Развитие сначала автомобильной промышленности, несколько позже – морского и речного флота, а затем – авиации оказало влияние на рост потребления нефти.

Накануне Первой мировой войны в 1914 году 30 % военного флота Великобритании использовало нефтяное топливо. Во время войны кайзеровская Германия оказалась отрезанной от нефтяных промыслов. Дефицит нефти послужил одной из причин поражения войск Кайзера. Германия учла это при подготовке ко Второй мировой войне и прежде всего постаралась обеспечить себя запасами жидкого топлива. Перед нападением на СССР Германия захватила Румынию с её богатыми нефтяными промыслами, а во время войны стремилась овладеть нефтью Кавказа. Гитлеровцы смогли захватить только часть нефтяных промыслов Кавказа, но восстановить скважины, разрушенные перед отступлением нашими войсками, и получить кавказскую нефть им не удалось.
Тема 5. Нефть и газ – не только источники энергии, но и ценное

сырье для химической промышленности
Основные продукты переработки нефти и газа
Нефть подвергается переработке и все получаемые из сырой нефти продукты можно разделить на две группы: 1) идущие на непосредственное потребление; 2) используемые как исходное сырье для химической промышленности. То же можно сказать и о газе. После переработки природного газа получают исходное сырье для химической промышленности.

Полимеризация – основной процесс получения синтетических веществ и материалов из промежуточных продуктов переработки нефти и газа.

Промышленное производство синтетического каучука, который смог заменить естественный каучук для потребностей резиновой промышленности, впервые в нашей стране началось в 1932 г. по методу С. В. Лебедева. Вначале сырьём для получения синтетического каучука служил этиловый (винный) спирт, вырабатываемый в то время из пшеницы, кукурузы, картофеля, сахарной свеклы. На одну тонну синтетического каучука расходовалось 2,3 т этилового спирта. На выработку 1 т этилового спирта тратилось 3,7 т зерновых злаков или
9,1 т картофеля. Позднее и сейчас этиловый (винный) спирт получают из этана.

Путем полимеризации из углеводородов нефти и газа получают также смолы, пластмассы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, органическое стекло, фторопласт и другое), синтетические волокна (капрон, нейлон, лавсан и другое), кожезаменитель и т.п. Получают из нефти и газа путем различных способов переработки: органические кислоты, лекарственные и душистые вещества, моющие средства, минеральные удобрения и ядохимикаты, спирты и красители.

Сейчас нельзя назвать ни одной отрасли промышленности, где бы ни использовались продукты нефтехимии.

Продукты переработки нефти и газа, которые идут на непосредственное потребление, применяются в топливно-энергетической промышленности. Широко используются высокооктановые бензины, керосиновое, дизельное и реактивное топлива, мазутные масла и смазки, антифриз, изоляция и т.д. Природный газ в качестве топлива зачастую более эффективен и удобен в использовании.

Потребность нашей страны в энергии на три четверти удовлетворялась за счет нефти и газа. В соответствии с Энергетической программой нефть и газ все в меньшей степени будут использоваться в качестве котельного и печного топлива и в большей мере – как технологическое сырье в химической промышленности. К сожалению, сегодня более 30 % добытых нефти и газа сжигаются в промышленных топках и двигателях машин.

Итак, основными продуктами нефти и газа в качестве сырья для химической промышленности являются:

масла и смазки, столь необходимые любому механизму;

синтетический каучук, который является основой для изготовления всевозможных резиновых изделий. Основной потребитель каучука – автомобильная промышленность: например, на покрышки одного «Москвича» его требуется 24 кг, а на шины самосвала «БелАЗ» – 2т;

пластмассы – ещё один широко применяемый продукт переработки нефти. Они используются при изготовлении автомобилей, в самолето- и ракетостроении, в машиностроении и в быту. В самолётах гражданской авиации из пластмассы изготовлено около 60 тыс. различных деталей. На каждый автомобиль «Форд» расходуется более 100 кг пластмасс;

нефть служит основой для производства синтетических волокон. Из них изготавливают разные предметы одежды. Синтетические ткани широко используются как электроизоляционный и облицовочный материал в автомобилях, железнодорожных вагонах, морских и речных судах;

из нефти получают, кроме того, как было уже сказано, гербициды, взрывчатые вещества, медицинские препараты, серную кислоту и многое другое;

углеводородные газы также являются сырьём. Из метана, например, получают сначала метанол и далее – формальдегид, используемый для производства пластмасс, обработки семян, дезинфекции. Из метана получают и хлороформ, используемый в медицине, и четыреххлористый углерод, применяемый для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве;

нефтехимия начинается с этилена. Самый известный продукт его переработки – полиэтилен, впервые полученный в 1933 г. Из этилена также вырабатывают уксусную кислоту, этиленгликоль (спирт, применяемый для осушки газов), поливинилхлорид – полимер, молекулы которого состоят из большого числа звеньев, это позволяет веществу существовать в высокоэластичном состоянии (пленки, пластмассы, резины – используются для изготовления изоляционных материалов). Раньше этилен получали при переработке нефти. Из 1 тонны легкого бензина выход этилена составляет 300 кг. Значительно больше этилена получают из углеводородных газов. Из 1 тонны этана выход этилена составляет до 500 кг, а из 1 тонны пропана – 420 кг. В США, Канаде и ряде других стран действуют мобильные установки, перерабатывающие газ непосредственно на промысле;

ещё одно направление переработки нефти и газа – это получение на их основе белковой биомассы. Делают это специально подобранные микроорганизмы. Получаемые белки безвредны для животных, а также для человека, употребляющего мясо этих животных.
Газ как моторное топливо
Современный мир характеризуется резким ростом числа автомобилей. Возросла потребность в значительном увеличении объемов выработки бензина. Ученые и инженеры во всем мире стали активно искать ему замену.

Специалисты разных стран обращают внимание прежде всего на те ресурсы, которые имеются на их Родине с избытком. Так, в Германии убеждены, что наилучшей заменой бензину является метанол (метиловый спирт) и прогноз таков: в будущем каждый четвёртый автомобиль в мире будет работать на нем. Российские специалисты остановили свой выбор на природном газе. Объясняется это следующим:

ресурсы газа значительно превосходят ресурсов нефти, поэтому есть время разрабатывать сгорание и даже новые типы двигателей;

в выхлопах газового двигателя нет сернистого газа (так как в природном газе серы, как правило, нет), а концентрация окиси углерода в несколько раз меньше (благодаря большей полноте сгорания газа);

среднее октановое число природного газа равно 105, что выше, чем у лучших марок бензина. Октановое число – условная количественная характеристика стойкости к детонации моторных топлив. Октановое число численно равно процентному содержанию изооктана (марки автобензинов – с 76 до 98, авиабензинов – выше 95);

двигатели на газовом топливе работают в 1,5…2 раза дольше, чем на бензине, так как при сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих абразивный износ цилиндров и поршней двигателя; кроме того, газ не смывает масляную пленку с поверхности цилиндров, как бензин, и не вызывает коррозию металла.

Для заправки автомобилей газ может применяться в двух видах: газообразном (используется природный газ, который сжимают до 20–25 МПа) и жидком (используется пропан-бутановая смесь, которую охлаждают до –162⁰С и хранят под давлением 1,6 МПа).

Экономически целесообразней использование сжатого газа, так как затраты на сжигание в 2…3 раза больше, чем на сжатие.

Итак, основными продуктами переработки нефти являются: бензин, керосин и мазут.

Познакомимся с остальными продуктами переработки нефти.

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 – (C₂H₅)₄ Pb – присадка, летучая, тяжелая, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде, легко растворимая в спиртах и эфирах, легко горит и воспламеняется, высокотоксична, отличный антидетонатор, добавляется в бензин для повышения октанового числа (процесс называют этилированием, а бензины – этилированными).

Бензины газовые – смесь углеродов (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 ^оС, применяются чаще в резиновой и лакокрасочной промышленности.

Эфир – легкий бензин, выкипающий в пределах 65–95 ^оС, получаемый отгонкой легкой фракции из бензинов прямой перегонки при повышенных температуре и давлении в присутствии катализаторов. Применение – как растворитель и в медицине.

Автомобильный бензин – предназначен для карбюраторных двигателей, состоит из легких фракций, выкипающих при температуре 40–205 ^оС.

В марке бензина указано октановое число – показатель интенсивности детонации. Чем выше октановое число бензинов, тем более «мягкую» работу двигателя можно обеспечить.

Авиационный бензин – нефтепродукт с температурой кипения 50–105 ^оС, является топливом самолетов и вертолетов.

Реактивное топливо – керосиновая фракция первичной перегонки с температурой начала кипения 150–195 ^оС, характеризуется высокой теплотой сгорания, химической стабильностью, малой плотностью и низким содержанием серы.

Лигроин – фракция, выкипает при температуре 120–240 ^оС.

Керосин осветительный – фракции, выкипающие в интервале 200–250 ^оС, используется как растворитель, осветительное топливо, удобен для промывки металлических деталей.

Газойль – фракция с температурой кипения 230–360 ^оС, занимает промежуточное положение между керосином и маслом. Применяют как дизельное топливо и сырьё для каталитического крекинга.

Дизельное топливо – смесь, содержащая бензиновую, лигроиновую, керосиновую фракцию.

Базовое масло (автол) – масляная фракция, применялась для смазки автомобильных и тракторных двигателей, в настоящее время является основным составляющим масел совместно с присадками.

Известные присадки следующих типов: вязкостные, антиокислительные, термоокислительные, антикоррозионные, противоизносные, противозадирные, противопенные, многофункциональные, антиобледенительные и другие – отсюда и такое многообразие выпускаемых масел.

Смазки – нефтепродукты, обладающие пластичными свойствами (консистентностью). Получают путем загущения минеральных масел (или на синтетических жирных кислотах).

Назначение разнообразное: смазывание подшипников, узлов трения, для шариков, газовых кранов, для герметизации и консервации, смазывание тросов. Представитель – солидолы.

Добавки – твердые вещества (добавленные к смазкам), наиболее распространенные из них: графит, слюда, асбест, порошок свинца, меди и т.д.

Мазут – остаточная фракция после атмосферной перегонки нефти, составляющая около 50 % нефти. Все ещё используется как топливо в энергетике, металлургии, быту.

Гудрон – черная смолистая масса, остающаяся после отгонки, составляет обычно от 10 до 30 % от нефти.

Битумы – твердые или жидкие водорастворимые органические материалы, смесь углеводородов с остатками от перегонки нефти. Использование битумов: например, асфальт – смесь битумов с минеральными материалами.

Парафин – смесь твердых углеводородов метанового ряда C₁₈H₃₈-C₃₅H₇₂, белого цвета, без запаха, кристаллического строения, с температурой плавления 40–60 ^оС, используется для получения вазелина, смазок, в медицине, в кожевенной, бумажной, парфюмерной промышленности.

Кокс – пористая твердая масса высокомолекулярных тугоплавких и высокоароматизированных углеводородов, образуется при нагревании, например, масла или гудрона до высоких температур (900–1100 ^оС) без доступа воздуха. Используется для получения электродов.

Ацетон – (CH₃COCH₃) – 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. По числу OH-групп различают: одноатомные (алкоголи), двухатомные (гликоли), трехатомные (глицерина) и многоатомные.

Глицерин (C₃H₅/OH/₃) – сиропообразная бесцветная жидкость сладкого вкуса, хорошо растворима в воде, применяется в парфюмерии, медицине, для производства взрывчатых веществ.

Метиловый спирт (метанол) – СH₃OH – прозрачная жидкость с характерным алкогольным запахом. Был открыт в 1661 г. Является сильным ядром. Внешне невозможно отличить от этилового (винного) спирта (C₂H₂OH).

Все нефтепродукты получают из нефти при её переработке, которую называют перегонкой. Суть всех способов так называемой прямой гонки следующая. Любой жидкий углеводород нефти имеет температуру кипения, выше которой он испаряется (по мере увеличения числа атомов углеводорода в молекуле температура кипения увеличивается). Например, бензол C₆H₆ кипит при
80 ^оС, а толуол C₇H₈ – при 111 ^оС.

И наоборот, если пары бензола охладить ниже температуры кипения, он снова превратится в жидкость. Рассмотрим одну из перегонок. При перегонке типичной нефти можно получить: 3 % бензина (углероды 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), близкие между собой по углеродному составу и, следовательно, по свойствам. Из этих фракций, иначе называемых базовыми нефтепродуктами, 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 углеводородов (которые являются низкокипящими). По преимущественному содержанию в природной нефти тех или иных фракций нефть можно классифицировать как бензиновую, керосиновую или масляную.

Фракции, получаемые путем перегонки или ректификации, характеризуются температурными пределами: температурой начала кипения и температурой окончания кипения.

На рис. 1 представлена схема использования нефти и процессов в нефтепереработке.

Рис. 1. Схема использования нефти

Раздел 3. ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ И ОБЩИЕ ПОДХОДЫ

К ЕЕ КЛАССИФИКАЦИИ

1 2 3 4 5 6