книги / Химия нефти и газа

Предисловие

Химия нефти как наука получила свое развитие в конце XIX в. и по мере накопления знаний о нефти, ее составе и свой­ ствах окончательно сформировалась в первые десятилетия XX в.

Как учебная дисциплина «Химия нефти» была впервые в мире включена в учебные планы подготовки инженеров-техно- логов по переработке нефти С. С. Наметкиным в 1927 г. в Мос­ ковской горной академии, а затем в Московском нефтяном ин­ ституте им. И. М. Губкина. С 1930 г. преподавание «Химии неф­ ти» было начато также в Ленинградском технологическом институте им. Ленсовета А. Ф. Добрянским. По мере развития и дифференциации химии вообще и химии нефти в частности из­ менялись ее цели, задачи и содержание. В первой половине XX в. химия нефти занималась не только вопросами изучения химического состава нефтей, свойств углеводородов и других компонентов нефти, но также проблемами переработки нефти — первичной, термокаталитической, химической; вопросами хими­ ческой очистки нефтепродуктов. В соответствии с этим и со­ ставлялись учебные программы и готовились учебные пособия по химии нефти.

После создания учебных курсов «Технология переработки нефти» (с 1933 г.) и «Технология нефтехимического синтеза» (в 60-х гг.) из программы курса «Химия нефти» были исключены вопросы технологии переработки нефти и нефтехимического синтеза. В связи с развитием инструментальных физико-химиче­ ских методов исследования потеряли значение многие химиче­ ские методы выделения, количественного определения и иден­ тификации компонентов нефти, которые раньше излагались в курсе «Химия нефти».

В настоящее время «Химия нефти и газа» как наука решает следующие задачи:

1. Исследование химического состава нефтей, нефтепродук­ тов, газоконденсатов и газов с помощью современных физи­ ко-химических методов анализа.

2.Исследование физико-химических свойств углеводородов

идругих компонентов нефти и их влияния на свойства нефте­ продуктов, установление связи между строением молекул и над­ молекулярных структур компонентов нефти и свойствами неф­ тепродуктов.

3.Исследование химизма и механизма термических и ката­ литических превращений компонентов нефти, в том числе вза­ имных превращений углеводородов как высокотемпературных (в процессах переработки нефти), так и низкотемпературных, что важно как с аналитической, так и с геохимической (превраще­ ние нефтей в природе) точек зрения.

4.Исследование проблемы происхождения нефти.

В соответствии с этим находится и содержание курса «Химия нефти и газа» как учебной дисциплины.

На рис. 1 приведена логическая схема и структура курса «Хи­ мия нефти и газа» в связи с другими дисциплинами учебного плана.

Во вводной части курса приводятся краткие сведения о роли нефти и газа в современном мире, об основных нефтедобываю­ щих странах и нефтяных месторождениях, предварительные дан­ ные о химическом и фракционном составе нефтей, химической классификации нефтей. Эти данные необходимы при изучении I главы «Физико-химические методы исследования нефти и газа». На основании этой главы рассматривается материал II гла­ вы «Углеводороды нефти и продуктов ее переработки». Из хими­ ческих свойств компонентов нефти рассматриваются только те, которые имеют либо аналитическое значение, либо необходимы при изучении процессов термической и каталитической перера­ ботки нефтяного сырья.

Методы определения состава различных фракций нефти и нефтепродуктов обобщены в отдельном разделе II главы курса.

В III главе «Гетероатомные соединения и минеральные ве­ щества нефти» рассматриваются данные о составе, строении, свойствах и анализе кислородных, сернистых, азотистых, смоли- сто-асфальтеновых, минеральных компонентов нефти.

IV глава посвящена термическим и каталитическим превра­ щениям углеводородов и других соединений нефти в условиях основных процессов термокаталитической переработки нефтя­ ного сырья. В этой главе приводятся также данные о превраще­ ниях углеводородов в условиях реакций алкилирования и сту-

пенчатой полимеризации и изомеризации с целью получения высокооктановых компонентов моторных топлив.

ВV главе рассматриваются вопросы происхождения нефти,

ееотдельных компонентов и проблемы превращения нефтей в природе.

Логическая схема и структура курса показывает также связь отдельных разделов курса между собой и с другими дисциплина­ ми учебного плана.

Настоящему учебнику предшествовал ряд учебных пособий, подготовленных автором и изданных в РГУНГ им. И. М. Губки­ на в разные годы. Это конспект лекций по курсу «Химия нефти и газа» (1976), «Физико-химические методы исследования угле­ водородов и других компонентов нефти» (1979; 1996), «Химиче­ ский состав, свойства и анализ углеводородов и других соедине­ ний нефти» (1983; 1997), «Термические и каталитические пре­ вращения углеводородов и других компонентов нефти» (1982), «Химия нефти и газа» (1998; 2004).

Вводная часть

Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным углем, бурым углем и сланцами. В отличие от других горючих ископаемых нефть — жидкость и содержит очень мало мине­ ральных негорючих примесей, что обусловливает ее высокую те­ плотворную способность 42 000 кДж/кг (10 000 ккал/кг).

Несмотря на высокую теплотворную способность, сырая нефть не используется в качестве топлива, так как представляет собой богатый источник углеводородов — ценного сырья для получения нефтепродуктов (бензина, дизельных топлив, смазоч­ ных масел и т. д.) и продуктов нефтехимического синтеза1.

Нужно отмстить, что другие горючие ископаемые также представляют собой потенциальные ресурсы углеводородов. Их природные запасы значительно превосходят запасы нефти. Так, в 1958 г. мировые запасы каменного угля были равны 7500 млрд т, тогда как мировые разведанные2 запасы нефти — 33 млрд т. В 1964 г. мировые разведанные запасы нефти в зарубежных стра­ нах составляли 40 млрд т, в 1971 г. — 60 млрд т. В настоящее вре­ мя мировые разведанные запасы нефти равны 100 млрд т. Про­ гнозные запасы нефти в мире оцениваются в 250 млрд т. Следо­ вательно, увеличение разведанных запасов нефти невелико. В 1964 г. добыча нефти составила 1,4 млрд т. В 1970 г. мировая добыча нефти увеличилась почти вдвое — 2,3 млрд т, в 1971 г. — 2,5 млрд т. В настоящее время мировая добыча нефти стабилизи­ ровалась на уровне ~3,5 млрд т.

В табл. 1 представлено распределение добычи нефти по ос­ новным нефтедобывающим странам.

Если принять условно, что добыча нефти в мире стабилизи­ руется в ближайшие 10 лет на уровне 3—4 млрд т в год, то запа­ сы нефти истощатся через несколько десятков лет.

1 В настоящее время только 5—7 % добываемой нефти и газа ис­ пользуется для получения продуктов нефтехимического синтеза.

2 По зарубежным странам.

Таблица 1. Крупнейшие нефтедобывающие страны

* Объединенные Арабские Эмираты.

Так как мировые запасы других горючих ископаемых, в част­ ности каменного угля, велики, то на первый взгляд истощение запасов нефти не должно бы вызывать особой тревоги. Но на са­ мом деле это не так. Дело в том, что нефть состоит из готовых углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твер­ дых горючих ископаемых (уголь, сланцы) необходима их специ­ альная термическая обработка — нагревание без доступа воздуха, в результате получается смесь жидких продуктов углеводородно­ го характера и значительные количества остатка. Общий выход углеводородов при их получении из нефти намного выше, чем из других горючих ископаемых. Это объясняется различием эле­ ментного состава нефти и других горючих ископаемых (табл. 2).

Из табл. 2 видно, что нефть значительно богаче водородом; следовательно, выход углеводородов из нефти выше. Таким об­ разом, нефть является более ценным сырьем для химической пе­ реработки, и в связи с ограниченными запасами нефти большое значение приобретает исследование путей ее наиболее рацио­ нальной переработки1. Например, предположим, что открыто новое месторождение нефти, сразу же возникает проблема ее пе­ реработки. Что можно получать из этой нефти? Топлива, или масла, или то и другое? Представляет ли эта нефть интерес как источник углеводородов — сырья для химической переработки?

Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо деталь­ ное исследование химического состава нефти с применением со­ временных методов физико-химического анализа. Таким обра­ зом, изучение состава нефтей является одной из важнейших за­ дач химии нефти.

В разработке научных основ исследования нефтей выдаю­ щаяся роль принадлежит трудам российских и советских ученых: Ф. Ф. Бейльштейна, Д. И. Менделеева, А. А. Курбатова, В. В. Мар -

на — по исследованию состава ряда нефтей и природных газов нашей страны; А. М. Бутлерова, В. Н. Ипатьева, Н. Д. Зелинско­ го, С. С. Наметкина, Б. А. Казанского, А. Ф. Платэ — в области каталитических превращений углеводородов. Существенный

1Важное значение имеет также решение проблемы уменьшения по­ терь нефти при транспортировке; эти потери составляют около 2 % в год от мировой добычи нефти (Экология. 1999. 19—20 окт.).

10 Вводная часть

вклад в развитие химии углеводородов нефти внесли работы за­ рубежных исследователей. Это прежде всего работы немецкого химика К. Шорлеммера по исследованию алканов нефтей, уче­ ных Американского нефтяного института: Э. Вошборна, Ф. Рос­ сини, Б. Мейра, А. Стрейфа, а также исследования Г. Вотермана, К. ван Неса и X. ван Вестена.

Рассмотрим теперь кратко понятие о нефти как природном объекте. Нефть представляет собой сложную смесь углеводоро­ дов и органических соединений серы, азота, кислорода. Это маслянистая жидкость, обычно темно-бурого цвета, хотя встре­ чаются нефти и светлые. Относительные плотности нефтей ко­ леблются обычно между 0,8 и 0,9, а молекулярная масса в пре­ делах 200—300. Нефть обычно залегает в пористых породах — песках, песчаниках, известняках (коллекторы). Часто в нефтя­ ном месторождении вода и большие количества газа сопутству­ ют нефти (рис. 2).

Вода, имеющая большую плотность, чем нефть, занимает в нефтяном месторождении нижнюю часть, а газ — верхнюю. Нефть обычно залегает на больших глубинах — от 2 до 5 км, ино­ гда и на большей глубине, и вследствие этого она находится в до­ вольно жестких условиях. Температура в пласте может достигать больших значений — 200 °С и более. Давление в нефтяном пласте зависит от глубины залегания и температуры (упругость паров уг­ леводородов); оно обычно составляет 10,0—15,0 МПа, но может достигать и более высоких значений.

В газовых месторождениях значения температуры и давления также высоки. В некоторых газовых месторождениях с высокими давлением и температурой (20,0—40,0 МПа и 100—200 °С), соот­ ветствующими надкритической области, в газе может содержать­ ся значительное количество углеводородов, являющихся жидки­