Нефть: происхождение, состав, методы и способы переработки

предполагал, что когда земля была в огненно-жидком состоянии, то

углеводороды из газовой оболочки проникли в массу земного шара, а

впоследствии при остывании выделились на его поверхности. Эта гипотеза не

объясняет ни географического, ни геологического распределения нефтяных

месторождений.

Академик В.И. Вернадский обратил внимание на наличие в нефти азотистых

соединений, встречающихся в органическом мире.

Предшественники академика И.М. Губкина, русские геологи Андрусов и

Михайловский также считали, что на Кавказе нефть образовалась из

органического материала. По мнению И.М. Губкина, родина нефти находится в

области древних мелководных морей, лагун и заливов. Он считал, что уголь и

нефть – члены одного и того же генетического ряда горючих ископаемых.

Уголь образуется в болотах и пресноводных водоёмах, как правило, из

высших растений. Нефть получается главным образом из низших растений и

животных, но в других условиях. Нефть постепенно образовывалась в толще

различных по возрасту осадочных пород, начиная от наиболее древних

осадочных пород – кембрийских, возникших 600 млн. лет назад, до

сравнительно молодых – третичных слоёв, сложившихся 50 млн. лет назад.

Накопление органического материала для будущего образования нефти

происходило в прибрежной полосе, в зоне борьбы между сушей и морем.

По вопросу об исходном материале существовали разные мнения. Некоторые

учёные полагали, что нефть возникла из жиров погибших животных (рыбы,

планктона), другие считали, что главную роль играли белки, третьи придавали

большое значение углеводам. Теперь доказано, что нефть может образоваться

из жиров, белков и углеводов, т.е. из всей суммы органических веществ.

И.М. Губкин дал критический анализ проблемы происхождения нефти и

разделил органические теории на три группы: теория, где преобладающая роль

в образовании нефти отводится погибшим животным; теория, где преобладающая

роль отводится погибшим растениям, и, наконец, теория смешанного животно-

растительного происхождения нефти.

Последняя теория, детально разработанная И.М. Губкиным, носит название

сапропелитовой от слова “сапропель” – глинистый ил – и является

господствующей. В природе широко распространены различные виды

сапропелитов.

Различие в исходном органическом веществе является одной из причин

существующего разнообразия нефтей. Другими причинами являются различие

температурных условий вмещающих пород, присутствие катализаторов и др., а

также последующие преобразования пород, в которых заключена нефть.

В СССР были проведены исследования, в результате которых удалось

установить роль микроорганизмов в образовании нефти. Т.Л. Гинзбург-

Карагичева, открывшая присутствие в нефти разнообразнейших микроорганизмов,

привела в своих исследованиях много новых, интересных сведений. Она

установила, что в нефтях, ранее считавшихся ядом для бактерий, на больших

глубинах идёт кипучая жизнь, не прекращавшаяся миллионы лет подряд.

Целый ряд бактерий живёт в нефти и питается ею, меняя, таким образом,

химический состав нефти. Академик И.М. Губкин в своей теории

нефтеобразования придавал этому открытию большое значение. Гинзбург-

Карагичевой установлено, что бактерии нефтяных пластов превращают различные

органические продукты в битуминозные.

Под действием ряда бактерий происходит разложение органических веществ и

выделяется водород, необходимый для превращения органического материала в

нефть.

IV. Состав нефти.

1. Состав нефти и химические свойства.

Нефть – это горная порода. Она относится 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 – способность гореть.

В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и

количественный состав. Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5-

87,5% и водорода – 11,0-14,5% от массы нефти. Кроме них в нефтях

присутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество

обычно составляет 0,5-8%. В незначительных концентрациях в нефтях

встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний,

барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий. Их

общее содержание не превышает 0,02-0,03% от массы нефти. Указанные элементы

образуют органические и неорганические соединения, из которых состоят

нефти. Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии.

Сера может встречаться в свободном состоянии или входить в состав

сероводорода.

В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть

нефтей составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические. По

углеводородному составу все нефти подразделяются на: 1) метаново-

нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4)

нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6) метаново-

ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этой

классификации ставится название углеводорода, содержание которого в составе

нефти меньше.

Метановые УВ (алкановые или алканы) химически наиболее устойчивы, они

относятся к предельным УВ и имеют формулу CnH2n+2. Если количество атомов

углерода в молекуле колеблется от 1 до 4 (СН4-С4Н10), то УВ представляет

собой газ, от 5 до 16 (C5H16-C16H34) то это жидкие УВ, а если оно выше 16

(С17Н36 и т.д.) – твердые (например, парафин).

Нафтеновые (циклановые или алициклические) УВ (CnH2n) имеют кольчатое

строение, поэтому их иногда называют карбоциклическими соединениями. Все

связи углерода с водородом здесь также насыщены, поэтому нафтеновые нефти

обладают устойчивыми свойствами.

Ароматические УВ, или арены (СnНn), наиболее бедны водородом. Молекула

имеет вид кольца с ненасыщенными связями углерода. Они так и называются –

ненасыщенными, или непредельными УВ. Отсюда их неустойчивость в химическом

отношении.

Наряду с углеводородами в нефтях присутствуют химические соединения

других классов. Обычно все эти классы объединяют в одну группу

гетеросоединений (греч. “гетерос” – другой). В нефтях также обнаружено

более 380 сложных гетеросоединений, в которых к углеводородным ядрам

присоединены такие элементы, как сера, азот и кислород. Большинство из

указанных соединений относится к классу сернистых соединений – меркаптанов.

Это очень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами они образуют

солеобразные соединения – меркаптиды. В нефтях меркаптаны представляют

собой соединения, в которых к углеводородным радикалам присоединена группа

SH.

Метилмеркаптан.

Меркаптаны разъедают трубы и другое металлическое оборудование буровых

установок и промысловых объектов.

В нефтях так же выделяют неуглеводородные соединения: асфальто-смолистую

части, порфирины, серу и зольную часть.

Асфальто-смолистая часть нефтей – это темноокрашенное вещество. Оно

частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется

асфальтеном, нерастворившаяся – смолой. В составе смол содержится кислород

до 93 % от общего его количества в нефтях.

Порфирины – особые азотистые соединения органического происхождения.

Считают, что они образованы из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

При температуре 200-250оС порфирины разрушаются.

Сера широко распространена в нефтях и в углеводородном газе и содержится

либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород,

меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5%, но бывает и

значительно больше. Так, например, в газе Астраханского месторождения

содержание Н2S достигает 24 %.

Зольная часть – остаток, получающийся при сжигании нефти. Это различные

минеральные соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли

натрия.

Кислород в нефтях встречается в связанном состоянии также в составе

нафтеновых кислот (около 6%) – CnH2n-1(COOH), фенолов (не более 1%) –

C6H5OH, а также жирных кислот и их производных – C6H5O6(P). Содержание

азота в нефтях не превышает 1%. Основная его масса содержится в смолах.

Содержание смол в нефтях может достигать 60% от массы нефти, асфальтенов –

16%.

Асфальтены представляют собой черное твердое вещество. По составу они

сходны со смолами, но характеризуются иными соотношениями элементов. Они

отличаются большим содержанием железа, ванадия, никеля и др. Если смолы

растворяются в жидких углеводородах всех групп, то асфальтены нерастворимы

в метановых углеводородах, частично растворимы в нафтеновых и лучше

растворяются в ароматических. В “белых” нефтях смолы содержатся в малых

количествах, а асфальтены вообще отсутствуют.

2. Физические свойства.

Нефть – это вязкая маслянистая жидкость, темно-коричневого или почти

черного цвета с характерным запахом, обладающая слабой флюоресценцией,

более легкая (плотность 0,73-0,97г/см3), чем вода, почти нерастворимая в

ней. Нефть сильно варьирует по плотности (от легкой 0,65-0,70 г/см3, до

тяжелой 0,98-1,05 г/см3). Нефть и ее производные обладают наивысшей среди

всех видов топлив теплотой сгорания. Теплоемкость нефти 1,7-2,1 кДж/кг,

теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина – 42 МДж/кг. Температура

кипения зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и

колеблется от 50 до 550°С.

Различные компоненты нефти переходят в газообразное состояние при

различной температуре. Легкие нефти кипят при 50–100°С, тяжелые – при

температуре более 100°С.

Различие температур кипения углеводородов используется для разделения

нефти на температурные фракции. При нагревании нефти до 180-200°С выкипают

углеводороды бензиновой фракции, при 200-250°С – лигроиновой, при 250-315°С

– керосиново-газойлевой и при 315-350°С – масляной. Остаток представлен

гудроном. В состав бензиновой и лигроиновой фракций входят углеводороды,

содержащие 6-10 атомов углерода. Керосиновая фракция состоит из

углеводородов с C11-C13, газойлевая – C14-C17.

Важным является свойство нефтей растворять углеводородные газы. В 1 м3

нефти может раствориться до 400 м3 горючих газов. Большое значение имеет

выяснение условий растворения нефти и природных газов в воде. Нефтяные

углеводороды растворяются в воде крайне незначительно. Нефти различаются по

плотности. Плотность нефти, измеренной при 20°С, отнесенной к плотности

воды, измеренной при 4°С, называется относительной. Нефти с относительной

плотностью 0,85 называются легкими, с относительной плотностью от 0,85 до

0,90 – средними, а с относительной плотностью свыше 0,90 – тяжелыми. В

тяжелых нефтях содержатся в основном циклические углеводороды. Цвет нефти

зависит от ее плотности: светлые нефти обладают меньшей плотностью, чем

темные. А чем больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность. При

добыче нефти важно знать ее вязкость. Различают динамическую и

кинематическую вязкость. Динамической вязкостью называется внутреннее

сопротивление отдельных частиц жидкости движению общего потока. У легких

нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. При добыче и дальнейшей

транспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематической вязкостью

называется отношение динамической вязкости к плотности среды. Большое

значение имеет знание поверхностного натяжения нефти. При соприкосновении

нефти и воды между ними возникает поверхность типа упругой мембраны.

Капиллярные явления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды

с горной породой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть

из мелких трещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов

используются специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Нефти имеют

неодинаковые оптические свойства. Под действием ультрафиолетовых лучей

нефть способна светиться. При этом легкие нефти светятся голубым светом,

тяжелые – бурым и желто-бурым. Это используется при поиске нефти. Нефть

является диэлектриком и имеет высокое удельное сопротивление. На этом

основаны электрометрические методы установления в разрезе, вскрытом буровой

скважиной, нефтеносных пластов.

V. Методы и способы переработки нефти.

1. Подготовка нефти к переработке.

Добываемая на промыслах нефть, помимо растворенных в ней газов, содержит

некоторое количество примесей – частицы песка, глины, кристаллы солей и

воду. Содержание твердых частиц в неочищенной нефти обычно не превышает

1,5%, а количество воды может изменяться в широких пределах. С увеличением

продолжительности эксплуатации месторождения возрастает обводнение

нефтяного пласта и содержание воды в добываемой нефти. В некоторых старых

скважинах жидкость, получаемая из пласта, содержит 90% воды. В нефти,

поступающей на переработку, должно быть не более 0,3% воды. Присутствие в

нефти механических примесей затрудняет ее транспортирование по

трубопроводам и переработку, вызывает эрозию внутренних поверхностей труб

нефтепроводов и образование отложений в теплообменниках, печах и

холодильниках, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи, повышает

зольность остатков от перегонки нефти (мазутов и гудронов), содействует

образованию стойких эмульсий. Кроме того, в процессе добычи и

транспортировки нефти происходит весомая потеря легких компонентов нефти

(метан, этан, пропан и т.д., включая бензиновые фракции) – примерно до 5%

от фракций, выкипающих до 100°С.

С целью понижения затрат на переработку нефти, вызванных потерей легких

компонентов и чрезмерным износом нефтепроводов и аппаратов переработки,

добываемая нефть подвергается предварительной обработке.

Для сокращения потерь легких компонентов осуществляют стабилизацию

нефти, а также применяют специальные герметические резервуары хранения

нефти. От основного количества воды и твердых частиц нефть освобождают

путем отстаивания в резервуарах на холоду или при подогреве. Окончательно

их обезвоживают и обессоливают на специальных установках.

Однако вода и нефть часто образуют трудно разделимую эмульсию, что

сильно замедляет или даже препятствует обезвоживанию нефти. В общем случае

эмульсия есть система из двух взаимно нерастворимых жидкостей, в которых

одна распределена в другой во взвешенном состоянии в виде мельчайших

капель. Существуют два типа нефтяных эмульсий: нефть в воде, или

гидрофильная эмульсия, и вода в нефти, или гидрофобная эмульсия. Чаще

встречается гидрофобный тип нефтяных эмульсий. Образованию стойкой эмульсии

предшествуют понижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз и

создание вокруг частиц дисперсной фазы прочного адсорбционного слоя. Такие

слои образуют третьи вещества – эмульгаторы. К гидрофильным эмульгаторам

относятся щелочные мыла, желатин, крахмал. Гидрофобными являются хорошо

растворимые в нефтепродуктах щелочноземельные соли органических кислот,

смолы, а также мелкодисперсные частицы сажи, глины, окислов металлов и

т.п., легче смачиваемые нефтью чем водой.

Существуют три метода разрушения нефтяных эмульсий:

. механический:

отстаивание – применяется к свежим, легко разрушимым эмульсиям.

Расслаивание воды и нефти происходит вследствие разности плотностей

компонентов эмульсии. Процесс ускоряется нагреванием до 120-160°С под

давлением 8-15 атмосфер в течение 2-3 ч, не допуская испарения воды.

центрифугирование – отделение механических примесей нефти под

воздействием центробежных сил. В промышленности применяется редко, обычно

сериями центрифуг с числом оборотов от 350 до 5000 в мин., при

производительности 15-45 м3/ч каждая.

. химический:

разрушение эмульсий достигается путем применения поверхностно-активных

веществ – деэмульгаторов. Разрушение достигается а) адсорбционным

вытеснением действующего эмульгатора веществом с большей поверхностной

активностью, б) образованием эмульсий противоположного типа (инверсия ваз)

и в) растворением (разрушением) адсорбционной пленки в результате ее

химической реакции с вводимым в систему деэмульгатором. Химический метод

применяется чаще механического, обычно в сочетании с электрическим.

. электрический:

при попадании нефтяной эмульсии в переменное электрическое поле частицы

воды, сильнее реагирующие на поле чем нефть, начинают колебаться,

сталкиваясь друг с другом, что приводит к их объединению, укрупнению и

более быстрому расслоению с нефтью. Установки, называемые

электродегидраторами (ЭЛОУ – электроочистительные установки), с рабочим

напряжением до 33000В при давлении 8-10 атмосфер, применяют группами по 6-8

шт. с производительностью 250-500 т нефти в сутки каждая. В сочетании с

химическим методом этот метод имеет наибольшее распространение в

промышленной нефтепереработке.

Важным моментом является процесс сортировки и смешения нефти.

2. Сортировка и смешивание нефти.

Различные нефти и выделенные из них соответствующие фракции отличаются

друг от друга физико-химическими и товарными свойствами. Так, бензиновые

фракции некоторых нефтей характеризуются высокой концентрацией

ароматических, нафтеновых или изопарафиновых углеводородов и поэтому имеют

высокие октановые числа, тогда как бензиновые фракции других нефтей

содержат в значительных количествах парафиновые углеводороды и имеют очень

низкие октановые числа. Важное значение в дальнейшей технологической

переработке нефти имеет серность, масляничность смолистость нефти и др.

Таким образом, существует необходимость отслеживания качественных

характеристик нефтей в процессе транспортировки, сбора и хранения с целью

недопущения потери ценных свойств компонентов нефти.

Однако раздельные сбор, хранение и перекачка нефтей в пределах

месторождения с большим числом нефтяных пластов весомо осложняет

нефтепромысловое хозяйство и требует больших капиталовложений. Поэтому

близкие по физико-химическим и товарным свойствам нефти на промыслах

смешивают и направляют на совместную переработку.

3. Выбор направления переработки нефти.

Выбор направления переработки нефти и ассортимента получаемых

нефтепродуктов определяется физико-химическими свойствами нефти, уровнем

технологии нефтеперерабатывающего завода и настоящей потребности хозяйств в

товарных нефтепродуктах. Различают три основных варианта переработки нефти:

. топливный,

. топливно-масляный,

. нефтехимический.

По топливному варианту нефть перерабатывается в основном на моторные и

котельные топлива. Топливный вариант переработки отличается наименьшим

числом участвующих технологических установок и низкими капиталовложениями.

Различают глубокую и неглубокую топливную переработку. При глубокой

переработке нефти стремятся получить максимально возможный выход

высококачественных и автомобильных бензинов, зимних и летних дизельных

топлив и топлив для реактивных двигателей. Выход котельного топлива в этом

Страницы: 1, 2, 3