Природные источники углеводородов

Введение

Бурный научно-технический прогресс и высокие  темпы  развития  различных отраслей науки и мирового хозяйства  в  XIX  –  XX  вв.  привели  к  резкому увеличению потребления различных полезных  ископаемых,  особое  место  среди которых заняла нефть. Нефть начали добывать на берегу Евфрата за 6 – 4 тыс. лет до  нашей  эры. Использовалась она и в качестве  лекарства.  Древние  египтяне  использовали асфальт   (окисленную   нефть)   для   бальзамирования.   Нефтяные    битумы  использовались для приготовления строительных  растворов.  Нефть  входила  в состав «греческого огня». В средние века нефть использовалась для  освещения в ряде городов на Ближнем Востоке, Южной Италии и др.  В  начале  XIX  в.  В России, а в середине XIX в. в Америке из нефти путем  возгонки  был  получен керосин. Он использовался в лампах. До середины XIX в.  нефть  добывалась  в небольших количествах из глубоких колодцев вблизи  естественных  выходов  ее на поверхность. Изобретение  парового,  а  затем  дизельного  и  бензинового двигателя привело к бурному развитию нефтедобывающей промышленности.  Нефть  –  это  маслянистая  горючая  жидкость,  обладающая  специфическим запахом, обычно  коричневого  цвета   с  зеленоватым  или  другим  оттенком, иногда почти черная, очень редко бесцветная. Нефть — первичный энергоноситель, на основе которого получают в качестве вторичных ряд облагороженных (т.е. подвергшихся целевой переработке) продуктов для конечного потребления: бензин; осветительный керосин; реактивное и дизельное топливо; мазут; гудрон; различные нефтяные масла — смазки, смазочно-охлаждающие, гидравлические, изоляционные и т.д. Газообразные и жидкие фракции нефти — основные углеводородные полупродукты для широкого использования в нефтехимической промышленности (олефины — этилен, пропилен и др., ароматические — бензол и др.). Получаемые из нефти виды топлива, а из углеводородного сырья органические химикаты и полимеры в 10—50 раз превышают по стоимости саму использованную нефть. Это определяет экономическое значение нефтяной промышленности и связанных с ней  производств по переработке нефти. Еще три века назад слова “газ” не существовало. Его впервые ввел в XVII веке голландский ученый Ван-Гельмонт. Оно определяло вещество, в отличии от твердых и жидких тел способное распространятся по всему доступному ему пространству (в обычных условиях) без скачкообразного изменения своих свойств. С тех пор слово “газ” во все основные языки мира. Среди известного комплекса естественных полезных ископаемых, относящихся к топливно-энергетичесской группе, одно из основных по использованию в народном хозяйстве странны занимают природные горючие газы. Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Также природный газ лучший вид топлива. Его отличают полноте сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения. Запасы природного газа на нашей планете очень велик. Он является источником сырья для химической промышленности. Помимо природного газа существует искусственный газ. Впервые он был получен в лабораторных условиях в конце XVIII века. Искусственным газом сначала освещались улицы и помещения, поэтому его и назвали “светильным газом”. Помимо названных газов существуют также попутные нефтяные газы. По своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью – он растворен в ней и находится над нефтью, образовывая газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого давления отделяется от нее.

Природные источники углеводородов – переработка

Добытые из недр земли углеводороды имеют неоднородный состав, вследствие чего использование их в чистом виде связанно со многими трудностями. Необходимость переработки углеводородов связанна с желанием мировых компаний повышать объем добычи полезных компонентов из нефти и газа, а также создавать высокооктановые бензины для новейших ДВС и смазочные материалы высокого качества. Переработка осуществляется такими методами:

• перегонка – самый первый этап переработки нефти, заключается в простом разделении на легкокипящие, средние и тяжелые фракции. Результатом этого процесса является получение бензинов, керосинов и мазута
• крекинг – это переработка нефти в условиях высокой температуры. Результатом этого процесса является синтез моторного масла, топлива и другого сырья для химической и нефтяной отрасли
• коксование – это получение кокса из тяжелых фракций, который впоследствии применяют для создания электродов и коррозионностойкой аппаратуры
• риформинг является каталитическим облагораживанием синтезированных ранее видов бензина с низким октановым числом. Конечные продукты — высокооктановый бензин, ароматические углеводороды (бензол, толуол) 
• гидроочистка. В процессе риформинга нефтяных производных наблюдается выделение водорода, который далее поступает на очистку нефтепродуктов от серы и азота.

Во время добычи нефти получают и природный газ, находящийся как в самой нефти, так и в виде газовой шапки внутри месторождения. Область его использования в последние годы существенно расширилась:

• энергетика
• тепловые электростанции
• бытовое топливо
• автомобилестроение.

По этой причине переработка метана в жидкие углеводороды находится под наблюдением. В процессе разработки месторождений, при отсутствии подготовленной инфраструктуры для сбора, перевозки и переработки попутного нефтяного газа и природного газа, их попросту сжигают в факеле. Однако, данный продукт является ценным топливом и бюджетным вариантом электро- и тепловой энергии.Можно сделать вывод, что технологии добычи и переработки углеводородов имеют непосредственную взаимосвязь. Высокий уровень разработки месторождений в несколько раз повышает объем добываемого сырья для последующего синтеза очень важных для человечества химических веществ.Ученые не сидят сложа руки, им нужны дешевое топливо и мощные двигатели. В связи с этим они находятся в постоянном поиске новых методов получения полезных веществ из природных ресурсов.

Образование нефти и природного газа

Нефть и природный газ являются результатом процессов, происходящих в горных породах Земли. Эти полезные ископаемые формируются в результате различных геологических процессов и могут находиться в различных типах пород.

Нефть и газ могут образовываться как в горных породах, так и в негорных породах. Однако, главным образом, они формируются в горных породах, таких как сланец, песчаник и известняк. Горные породы являются основными месторождениями нефти и природного газа.

Основным процессом образования нефти и газа является биологическое разложение органических веществ, таких как растительные остатки и организмы микроорганизмов. В течение миллионов лет эти органические вещества подвергаются тепловому и геологическому давлению, превращаясь в нефть и природный газ.

Органические материалы поступают в горные породы через биомассу, осадочные отложения или вулканическую активность. Под воздействием тепла и давления они претерпевают химические превращения, которые приводят к образованию нефти и газа.

Подземные резервуары нефти и газа могут находиться на большой глубине или быть ближе к поверхности Земли. Они часто сосуществуют вместе и могут быть обнаружены через геологические исследования и бурение скважин.

В заключение, нефть и природный газ формируются в горных породах Земли в результате биологического разложения органических материалов под воздействием высоких температур и давления. Они являются ценными ресурсами, используемыми в различных сферах деятельности человека.

Процесс образования нефти

Нефть — это сложный углеводородный минерал, который образуется в результате длительного процесса превращения органического материала. Процесс образования нефти связан с геологическими процессами и требует наличия определенных условий.

Образование нефти начинается с накопления остатков растений и микроорганизмов на дне морей или океанов. Эти органические остатки со временем погружаются под слои горных пород и подвергаются высокому давлению и температуре.

Под воздействием этих условий происходит термическое разложение органического материала. В результате процесса термокатагенеза происходит превращение органических веществ в углеводороды, из которых и образуется нефть. Вещества, такие как углерод, водород и некоторые примеси, становятся основными компонентами нефти.

После образования нефть остается под землей, заключенной в пористых горных породах, таких как песчаник или известняк. Эти пористые породы действуют как резервуары, содержащие нефть.

Углеводороды могут сосуществовать с природным газом в резервуаре. При добыче нефти буровыми вышками нефть поднимается на поверхность, а природный газ, если есть, отделяется и используется отдельно.

Нефть

Следующий природный углеводород – нефть, известен людям с древних времён. На берегах реки Евфрат ее добывали еще 6-7 тыс. лет до н. э. Применяли нефть для освещения жилищ, готовили из нее строительные растворы, а также использовали как лекарства и мази в процессе бальзамирования. Кроме этого, нефть была главным компонентом зажигательного средства, называемого “греческим огнем”.На сегодняшний день разведано свыше 600 нефтегазоносных бассейнов. Разработки ведутся в 450 из них. При этом ученые считают, что всего в мире около 50 тысяч нефтяных месторождений.Бывает легкая и тяжелая нефть. Извлечение легкой нефти происходит при помощи насосов или фонтанным методом. Из такого продукта создают главным образом бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти часто разрабатывают шахтным способом (к примеру, в Республике Коми). Из нее создают битум, мазут, разные масла.Нефть можно назвать самым универсальным топливом. Добывать ее довольно легко, поскольку для этого не нужно опускать под землю людей. Основным недостатком такого топлива можно назвать невысокую ресурсообеспеченность (примерно 50 лет). Каждая капля нефти содержит свыше 900 разных химических соединений, больше половины Периодической системы элементов. Примечательно, что в сыром виде нефть совершенно не используют, применяют исключительно продукты нефтепереработки.Переработка природных углеводородов, а именно нефти дает возможность получить большое количество крайне ценных продуктов. Результатом отгонки из нефти светлых продуктов является получение мазута. Его подвергают второй перегонке с целью получения смазочных масел. Неперегоняемая часть мазута – гудрон. Его применяют в строительной отрасли, а также в процессе асфальтирования дорог. Объем бензина не превышал 17-20% от массы сырой нефти. Однако, Владимир Шухов в 1891 году предложил вариант промышленного крекинга керосиновой фракции нефти. Таким образом, удалось повысить выход бензина до 65-70% (в перерасчёте на сырую нефть).Добыча нефти связана с загрязнением окружающей среды. В результате аварий нефтеналивных танкеров, которые периодически происходят, берега покрываются слоем мазута, задыхаются рыбы и млекопитающие, гибнут птицы, когда их крылья вымазываются в мазут. К примеру, в 2007 году в Керченском проливе в воду вылились 2 тысячи тонн нефтепродуктов и почти 7 тысяч тонн серы. Затронутая аварией экосистема сможет восстановиться не раньше, чем через 10 лет. В результате разлива нефти в проливе погибли свыше 15 тысяч птиц. Только представьте, что литр нефти, дающий воду, образует на ее поверхности пятно площадью 100 кв.м. Экологи заявили, что на сегодняшний день почти 20% площади мирового океана покрыты нефтяными пятнами.

Нефть

Является главным источником углеводородов. Нефть представляет собой многокомпонентную жидкость маслянистого характера, состоящую преимущественно из жидких и газообразных углеводородов. В зависимости от преобладания в ее составе алканов, циклоалканов или аренов различают нефть парафиновую, нафтеновую и ароматическую. В чистом виде тот или иной вид встречается редко. В состав нефти входит много прочих соединений, механических примесей и вода.

Месторождения нефти располагаются глубоко в недрах земли, как правило, между слоями породы. Добыча осуществляется с помощью нефтяной вышки, которая выкачивает горючее ископаемое через пробуренную скважину.

Для получения топливных продуктов нефть доставляют на перерабатывающие заводы. Перед транспортировкой горючее ископаемое проходит сепарацию — первичную очистку, в процессе которой удаляются сопутствующие газы, вода и неорганические примеси.

Крекинг, коксование — основной этап переработки. Под воздействием атмосферного давления нефть делится на тяжелые и легкие фракции для выделения компонентов разных видов топлива.

Риформинг, изомеризация, гидроочистка заключаются в смешении продуктов вторичной переработки, обогащении их различными компонентами или дополнительной очистке для повышения качественного состава.

Примером может служить повышение октанового числа бензина.

Из нефти производится множество разной продукции для различных сфер применения, к которым относятся: бензин, дизельное топливо, мазут, реактивное топливо, смазочные масла, асфальт, удобрения, спирты, ацетон.

Вторичная переработка нефти

Крекинг

Бензиновая фракция составляет лишь небольшую долю от всей добываемой нефти, и получаемый в процессе перегонки бензин не может удовлетворить спрос на него. Поэтому одной из задач вторичной переработки нефти является превращение тяжёлых углеводородов в углеводороды бензиновой фракции. Для этого молекулы с большим числом атомов углерода расщепляются на более мелкие. Этот процесс называется крекингом.

При высоких температурах происходит расщепление химических связей углерод-углерод, в результате чего молекулы углеводородов с длинной цепью атомов углерода превращаются в углеводороды с более короткой цепью, например:

Как видно из приведённого примера, из углеводорода состава C₁₂H₂₆ образовалась смесь алкана и алкена с числом атомов углерода в молекулах, равным 6, что соответствует бензиновой фракции. Следует отметить, что расщепление молекулы исходного вещества может происходить по любой связи углерод-углерод, например:

В результате образуется смесь предельных и непредельных углеводородов преимущественно неразветвлённого строения. Описанный процесс называется термическим крекингом. Термический крекинг проводится при температурах до 800 °С. Чем выше температура крекинга, тем сильнее дробятся молекулы исходных веществ. Так, при температурах около 800 °С образуется большое количество газообразных алкенов (этена, пропена и бутенов), которые используются для получения полимеров.

Недостатком термического крекинга является большое содержание в его продуктах углеводородов неразветвлённого строения. Поэтому полученный таким способом бензин имеет невысокое октановое число (обычно не выше 70). Бензин с более высоким октановым числом можно получить в результате каталитического крекинга. Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (400–500 °С) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация получающихся углеводородов (§ 10), то есть образуются углеводороды разветвлённого строения.

Риформинг

Ещё более эффективным способом получения бензина с высоким октановым числом является риформинг — процесс превращения алканов в ароматические углеводороды при нагревании на катализаторе. Например, при нагревании гексана на платиновом катализаторе он превращается в бензол:

В аналогичных условиях гептан превращается в толуол:

Как видно, в ходе описанных реакций от молекул алканов отщепляются четыре молекулы водорода и образуются циклические ароматические углеводороды, поэтому данные процессы называют дегидроциклизацией, или ароматизацией, алканов. Дегидроциклизация алканов используется не только для повышения октанового числа бензина, но и с целью получения бензола и его гомологов.

Основные преимущества перед нефтепродуктами

Во-первых, его запасов на Земле больше, чем нефтяных или угольных. Следовательно, их хватит на более длительное время.

Во-вторых, технологии извлечения энергии на основе газа постоянно совершенствуются.

В-третьих, этот вид ископаемого источника получения энергии является одним из самых  экономичных при использовании его при отоплении жилья, приготовлении пищи, а также для других бытовых нужд. Переход на существующие  современные системы отопления, основанные на использовании газа, дает по сравнению с другими (нефтяными и угольными) системами экономию до 30-ти процентов.

Кроме того, к основным  преимуществам газа относятся:

• газ – единственный вид первичного топлива, для обеспечения подачи которого конечному  потребителю не нужны дорогостоящие  переделки существующей  системы;
• газ является самое экологически чистым среди всех углеводородов (к примеру, при его использовании в атмосферу выделяется меньше всего парниковых газов, чему он обязан своим вторым названием – «зеленое топливо»);
• газовое отоплении любых населенных пунктов (вплоть до мегаполисов) значительно полезнее с точки зрения экологии, так как уменьшается загрязнение атмосферы;
• высокие температуры, которые создаются при сгорании  газа  (больше двух тысяч градусов) и высокая удельная теплота горения дают возможность очень эффективно его использовать в самых разных сферах человеческой жизни.

Отдельно стоит сказать о преимуществах газа перед бензином и соляркой  для автотранспорта.

• Во-первых, сжатый метан значительно дешевле бензина и солярки.
• Во-вторых, его применение увеличивает  ресурс двигателя.
• В третьих, он –  значительно экологичнее (экостандарт Евро-4).

Газовый автомобильный баллон занимает мало места и может использоваться как самостоятельно, , так и совместно с традиционными бензином или соляркой.

Список используемой литературы:

• Нефть и Нефтепродукты — Википедия
• Хаустов, А. П. Охрана окружающей среды при добыче нефти/ Хаустов, А. П., Редина, М. М. Издательство: «Дело», 2006. 552 с.
• Алекперов, В.Ю. Нефть России: прошлое, настоящее и будущее /Алекперов В.Ю. М.: Креативная экономика, 2011. – 432 с.
• Издательство: «Нефть и газ», 2006. 352 с. Сургутнефтегаз.

Переработка нефти

Перед процессом ректификации нефть специальным образом подготавливают, а именно, избавляют от примесной воды с растворенными в ней солями и от твердых механических примесей. Подготовленная таким образом нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры (320-350 оС). После нагревания в трубчатой печи нефть, обладающая высокой температурой, поступает в нижнюю часть ректификационной колонны, где происходит испарение отдельных фракций и подъем их паров вверх по ректификационной колонне. Чем выше находится участок ректификационной колонны, тем его температура ниже. Таким образом, на разной высоте отбирают следующие фракции:

1) ректификационные газы (отбирают в самой верхней части колонны, в связи с чем их температура кипения не превышает 40 оС);

2) бензиновая фракция (температуры кипения от 35 до 200 оС);

3) лигроиновая фракция (температуры кипения от 150 до 250 оС);

4) керосиновая фракция (температуры кипения от 190 до 300 оС);

5) дизельную фракцию (температуры кипения от 200 до 300 оС);

6) мазут (температуры кипения более 350 оС).

Следует отметить, что средние фракции, выделяемые при ректификации нефти, не удовлетворяют стандартам, предъявляемым к качествам топлив. Кроме того, в результате перегонки нефти образуется немалое количество мазута — далеко не самого востребованного продукта. В связи с этим после первичной переработки нефти стоит задача повышения выхода более дорогих, в частности, бензиновых фракций, а также повышения качества этих фракций. Эти задачи решаются с применением различных процессов вторичной переработки нефти, например, таких как крекинг и риформинг.

Следует отметить, что количество процессов, используемых при вторичной переработке нефти, значительно больше, и мы затрагиваем лишь одни из основных. Давайте теперь разберемся, в чем же заключается смысл этих процессов.

Крекинг (термический или каталитический)

Данный процесс предназначен для повышения выхода бензиновой фракции. Для этой цели тяжелые фракции, например, мазут подвергают сильному нагреванию чаще всего в присутствии катализатора. В результате такого воздействия длинноцепочечные молекулы, входящие в состав тяжелых фракций, рвутся и образуются углеводороды с меньшей молекулярной массой. Фактически это приводит к дополнительному выходу более ценной, чем исходный мазут, бензиновой фракции. Химическую суть данного процесса отражает уравнение:

Риформинг

Данный процесс выполняет задачу улучшения качества бензиновой фракции, в частности повышения ее детонационной устойчивости (октанового числа). Именно эта характеристика бензинов указывается на бензозаправках (92-й, 95-й, 98-й бензин и т.д.).

В результате процесса риформинга повышается доля ароматических углеводородов в бензиновой фракции, имеющих среди прочих углеводородов одни из самых высоких октановых чисел. Достигается такое увеличение доли ароматических углеводородов в основном в результате протекания при процессе риформинга реакций дегидроциклизации. Например, при достаточно сильном нагревании н-гексана в присутствии платинового катализатора он превращается в бензол, а н-гептан аналогичным образом — в толуол:

Виды

Выделяют несколько разновидностей природного газа.

Сухой

В составе сухого газа преобладает метан, и в относительно небольших количествах содержатся этан и тяжелые углеводороды. Сухой газ также называют нефтяным, так как он является попутным на месторождениях нефти.

Бедный

Бедный газ получают на каждой стадии гидрогенизации. Его очищают от сероводорода и углекислого газа. В нем содержится около 55 % водорода, 30 % метана, до 6 % этана.

Полученная фракция отправляется на установку глубокого охлаждения и разделения газа.

Жирный

Это нефтерастворенный газ, в составе которого присутствует большое количество гомологов метана и тяжелых углеводородов (от С3 и выше). Жирный газ в естественном виде не подходит в качестве топлива: он подлежит переработке на заводах.

Сырой

Сырой газ — природное горючее вещество, относящееся к группе углеводородных. Отличительная особенность — повышенное содержание тяжелых углеводородов (более 15 %). К сырым газам относятся попутные газы нефтяных залежей, а также газоконденсатных.

Сырой газ подлежит осушке, отбензиниванию и последующей очистке на газоперерабатывающих заводах.

Стратегия в добыче нефти

Развитие нефтяного бизнеса является одной из стратегических задач «Газпрома». Основу нефтедобычи в Группе «Газпром» составляет ПАО «Газпром нефть».

Ключевая задача ПАО «Газпром нефть» до 2030 года — выстроить компанию нового поколения, стать ориентиром для других компаний мировой нефтяной отрасли по эффективности, технологичности и безопасности.

Отгрузка нефти с  морской ледостойкой платформы «Приразломная» на нефтеналивной танкер «Михаил Ульянов»

Увеличенная фотография (JPG, 7,5 МБ)

Для достижения этих целей «Газпром нефть» будет стремиться к максимально рентабельному извлечению остаточных запасов на текущей ресурсной базе за счет распространения применяемых лучших практик оптимизации разработки, снижения себестоимости опробованных технологий, а также привлечения и массового внедрения новых технологий.

Мессояхское месторождение

Увеличенная фотография (JPG, 1,8 МБ)

Переработка природного газа

После того, как природный газ извлечен из коллектора с помощью скважин и месторождений, расположенных в подвале или на шельфе, обычно на глубине от 1,5 до 4 км, он должен быть переработан таким образом, чтобы его можно было транспортировать и продавать (для этого добавляется метил меркаптан, чтобы обнаружить утечки и предотвратить их самопроизвольное сгорание).

Как при транспортировке, так и при распределении и сбыте природного газа на объектах инфраструктуры и в пунктах доставки должны соблюдаться стандарты безопасности и качества (например, фильтрация примесей или определенная теплотворная способность).

Кроме того, для удобства транспортировки в жидком состоянии из газовой смеси следует удалять природные компоненты, которые могут мешать процессу охлаждения газа, а для транспортировки по трубопроводу желательно и удобно удалять агрессивные соединения, которые могут его повредить. Для этого необходимо уменьшить содержание воды и удалить газы, кислоты (сульфиды и углекислый газ), азот и ртуть.

После очистки газ закачивается непосредственно из резервуаров-хранилищ по трубопроводам или трубам или транспортируется судном в виде сжиженного газа, если расстояние превышает вместимость трубопроводов.

Выводы по происхождению нефти

Считается, что в доисторический период, например в каменноугольный период около 360-286 миллионов лет назад, в болотах скопилось огромное количество животных, особенно первичных производителей и растений, превышающих потребление. Это было похоронено и сжато, чтобы сформировать уголь, нефтяные залежи и газ, через действия бактерий и мега-дистилляцию при подходящих условиях высокого давления и температуры.

Таким образом, происхождение нефти обязано доисторическим живым существам.

Сегодня мы бурим через слои ила, песчаников и скальных пород, чтобы добраться до резервуаров, содержащих нефть и газ. Нефть или сырая нефть состоит почти полностью из жидких углеводородов, а также некоторых твердых углеводородов и небольших количеств газов, азота и соединений серы.