Природные источники углеводородов

Природные источники углеводородов

Защита реферата

См. также № 41/2004

Цель. Обобщить знания о природных источниках органических соединений и их переработке; показать успехи и перспективы развития нефтехимии и коксохимии, их роль в техническом прогрессе страны; углубить знания из курса экономической географии о газовой отрасли промышленности, современных направлениях переработки газа, сырьевой и энергетической проблемах; развивать самостоятельность в работе с учебником, справочной и научно-популярной литературой.

ПЛАН

Природные источники углеводородов. Природный газ. Попутные нефтяные газы. 
Нефть и нефтепродукты, их применение. 
Термический и каталитический крекинг. 
Коксохимическое производство и проблема получения жидкого топлива. 
Из истории развития ОАО «Роснефть – КНОС». 
Производственные мощности завода. Выпускаемая продукция. 
Связь с химлабораторией. 
Охрана окружающей среды на заводе. 
Планы завода на будущее. 

Природные источники  углеводородов. 
Природный газ. Попутные нефтяные газы

До Великой Отечественной войны  промышленные запасы природного газа были известны в Прикарпатье, на Кавказе, в Заволжье и на Севере (Коми АССР). Изучение запасов природного газа было связано только с разведкой нефти. Промышленные запасы природного газа в 1940 г. составляли 15 млрд м³. Затем месторождения газа были обнаружены на Северном Кавказе, в Закавказье, на Украине, в Поволжье, Средней Азии, Западной Сибири и на Дальнем Востоке. На 
1 января 1976 г. разведанные запасы природного газа составляли 25,8 трлн м³, из них в европейской части СССР – 4,2 трлн м³ (16,3%), на Востоке – 21,6 трлн м³ (83,7%), в том числе 
18,2 трлн м³ (70,5%) – в Сибири и на Дальнем Востоке, 3,4 трлн м³ (13,2%) – в Средней Азии и в Казахстане. На 1 января 1980 г. потенциальные запасы природного газа составляли 80–85 трлн м³, разведанные – 34,3 трлн м³. Причем запасы увеличились главным образом благодаря открытию месторождений в восточной части страны – разведанные запасы там были на уровне около 
30,1 трлн м³, что составляло 87,8% от общесоюзных. 
На сегодняшний день Россия обладает 35% от мировых запасов природного газа, что составляет более 48 трлн м³. Основные районы залегания природного газа по России и странам СНГ (месторождения):

• Западно-сибирская нефтегазоносная  провинция: 
Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье, Надымское, Тазовское – Ямало-Ненецкий АО; 
Похромское, Игримское – Березовская газоносная область; 
Мельджинское, Лугинецкое, Усть-Сильгинское – Васюганская газоносная область. 
• Волго-Уральская нефтегазоносная провинция: 
наиболее значительное – Вуктылское, в Тимано-Печорской нефтегазоносной области. 
• Средняя Азия и Казахстан: 
наиболее значительное в Средней Азии – Газлинское, в Ферганской долине; 
Кызылкумское, Байрам-Алийское, Дарвазинское, Ачакское, Шатлыкское. 
• Северный Кавказ и Закавказье: 
Карадаг, Дуванный – Азербайджан; 
Дагестанские Огни – Дагестан; 
Северо-Ставропольское, Пелачиадинское – Ставропольский край; 
Ленинградское, Майкопское, Старо-Минское, Березанское – Краснодарский край.

Также месторождения природного газа известны на Украине, Сахалине и Дальнем Востоке. 
По запасам природного газа выделяется Западная Сибирь (Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье). Промышленные запасы здесь достигают 14 трлн м³. Особо важное значение сейчас приобретают ямальские газоконденсатные месторождения (Бованенковское, Крузенштернское, Харасавейское и др.). На их основе идет осуществление проекта «Ямал – Европа». 
Добыча природного газа отличается высокой концентрацией и ориентирована на районы с наиболее крупными и выгодными по эксплуатации месторождениями. Только пять месторождений – Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Медвежье и Оренбургское – содержат 1/2 всех промышленных запасов России. Запасы Медвежьего оцениваются в 1,5 трлн м³, а Уренгойского – в 5 трлн м³. 
Следующая особенность заключается в динамичности размещения мест добычи природного газа, что объясняется быстрым расширением границ выявленных ресурсов, а также сравнительной легкостью и дешевизной вовлечения их в разработку. За короткий срок главные центры по добыче природного газа переместились из Поволжья на Украину, Северный Кавказ. Дальнейшие территориальные сдвиги вызваны освоением месторождений Западной Сибири, Средней Азии, Урала и Севера.

После распада СССР в России происходило  падение объема добычи природного газа. Спад наблюдался в основном в Северном экономическом районе (8 млрд м³ в 1990 г. и 4 млрд м³ в 1994 г.), на Урале (43 млрд м³ и 35 млрд м³), в Западно-Сибирском экономическом районе (576 и 
555 млрд м³) и в Северо-Кавказском (6 и 4 млрд м³). Добыча природного газа оставалась на прежнем уровне в Поволжском (6 млрд м³) и в Дальневосточном экономических районах. 
В конце 1994 г. наблюдалась тенденция к росту уровня добычи. 
Из республик бывшего СССР Российская Федерация дает больше всего газа, на втором месте – Туркмения (более 1/10), далее идут Узбекистан и Украина. 
Особое значение приобретает добыча природного газа на шельфе Мирового океана. В 1987 г. на морских месторождениях было добыто 12,2 млрд м³, или около 2% газа, добытого в стране. Добыча попутного газа в том же году составила 41,9 млрд м³. Для многих районов одним из резервов газообразного топлива служит газификация угля и сланцев. Подземная газификация угля осуществляется в Донбассе (Лисичанск), Кузбассе (Киселевск) и Подмосковном бассейне (Тула). 
Природный газ был и остается важным продуктом экспорта в российской внешней торговле. 
Основные центры переработки природного газа расположены на Урале (Оренбург, Шкапово, Альметьевск), в Западной Сибири (Нижневартовск, Сургут), в Поволжье (Саратов), на Северном Кавказе (Грозный) и в других газоносных провинциях. Можно отметить, что комбинаты газопереработки тяготеют к источникам сырья – месторождениям и крупным газопроводам. 
Важнейшее использование природного газа – в качестве топлива. Последнее время идет тенденция к увеличению доли природного газа в топливном балансе страны.

Наиболее ценится природный  газ с высоким содержанием  метана – это ставропольский (97,8% СН₄), саратовский (93,4%), уренгойский (95,16%). 
Запасы природного газа на нашей планете очень велики (примерно 1015 м³). У нас в России известно более 200 месторождений, они находятся в Западной Сибири, в Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе. По запасам природного газа первое место в мире принадлежит России. 
Природный газ является ценнейшим видом топлива. При сгорании газа выделяется много теплоты, поэтому он служит энергетически эффективным и дешевым топливом в котельных установках, доменных, мартеновских и стекловаренных печах. Использование на производстве природного газа дает возможность значительно повысить производительность труда. 
Природный газ – источник сырья для химической отрасли промышленности: получение ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.

Попутный нефтяной газ – это газ, существующий вместе с нефтью, он растворен в нефти и находится над ней, образуя «газовую шапку», под давлением. На выходе из скважины давление падает, и попутный газ отделяется от нефти. Этот газ в прошлые времена не использовался, а просто сжигался. В настоящее время его улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. Возможности использования попутных газов даже шире, чем природного газа, т.к. состав их богаче. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но в них значительно больше гомологов метана. Чтобы использовать попутный газ более рационально, его разделяют на смеси более узкого состава. После разделения получают газовый бензин, пропан и бутан, сухой газ. Извлекают и индивидуальные углеводороды – этан, пропан, бутан и другие. Дегидрированием их получают непредельные углеводороды – этилен, пропилен, бутилен и др.

Нефть и нефтепродукты, их применение

Нефть – это маслянистая жидкость с резким запахом. Она встречается во многих местах земного шара, пропитывая пористые горные породы на различной глубине. 
По мнению большинства ученых, нефть представляет собой геохимически измененные остатки некогда населявших земной шар растений и животных. Эта теория органического происхождения нефти подкрепляется тем, что в нефти содержатся некоторые азотистые вещества – продукты распада веществ, присутствующих в тканях растений. Есть и теории о неорганическом происхождении нефти: образовании ее в результате действия воды в толщах земного шара на раскаленные карбиды металлов (соединения металлов с углеродом) с последующим изменением получающихся углеводородов под влиянием высокой температуры, высокого давления, воздействия металлов, воздуха, водорода и др. 
При добыче из нефтеносных пластов, залегающих в земной коре иногда на глубине нескольких километров, нефть либо выходит на поверхность под давлением находящихся на нем газов, либо выкачивается насосами.

Нефтяная отрасль промышленности сегодня – это крупный народно-хозяйственный комплекс, который живет и развивается по своим законам. Что значит нефть сегодня для народного хозяйства страны? Нефть – это сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей; источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт); сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста. 
Нефть – наше национальное богатство, источник могущества страны, фундамент ее экономики. Нефтяной комплекс России включает 148 тыс. нефтяных скважин, 48,3 тыс. км магистральных нефтепроводов, 28 нефтеперерабатывающих заводов общей мощностью более 300 млн т/год нефти, а также большое количество других производственных объектов. 
На предприятиях нефтяной отрасли промышленности и обслуживающих ее отраслей занято около 900 тыс. работников, в том числе в сфере науки и научного обслуживания – около 20 тыс. человек. 
За последние десятилетия в структуре топливной отрасли промышленности произошли коренные изменения, связанные с уменьшением доли угольной отрасли промышленности и ростом отраслей по добыче и переработке нефти и газа. Если в 1940 г. они составляли 20,5%, то в 1984 г. – 75,3% от суммарной добычи минерального топлива. Теперь на первый план выдвигается природный газ и уголь открытой добычи. Потребление нефти для энергетических целей будет сокращено, напротив, расширится ее использование в качестве химического сырья. В настоящее время в структуре топливно-энергетического баланса на нефть и газ приходится 74%, при этом доля нефти сокращается, а доля газа растет и составляет примерно 41%. Доля угля 20%, оставшиеся 6% приходятся на электроэнергию. 
Переработку нефти впервые начали братья Дубинины на Кавказе. Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения нефтяных газов.

Из нефти выделяют разнообразные  продукты, имеющие большое практическое значение. Сначала из нее удаляют растворенные газообразные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в парообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. Таким образом можно собрать отдельные смеси (фракции) нефти. Чаще всего при такой перегонке получают четыре летучие фракции, которые затем подвергаются дальнейшему разделению. 
Основные фракции нефти следующие. 
• Газолиновая фракция, собираемая от 40 до 200 °С, содержит углеводороды от С₅Н₁₂ до С₁₁Н₂₄. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (t_кип = 40–70 °С), бензин 
(t_кип = 70–120 °С) – авиационный, автомобильный и т.д. 
• Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина перерабатывают в бензин. 
• Керосиновая фракция включает углеводороды от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ с температурой кипения от 180 до 300 °С. Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет. 
• Газойлевая фракция (t_кип > 275 °С), по-другому называется дизельным топливом. 
• Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции перегонкой под уменьшенным давлением, чтобы избежать разложения. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и др.), вазелин (технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических средств и в медицине). Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве. Кроме переработки на смазочные масла мазут также используют в качестве жидкого топлива в котельных установках. Бензина, получаемого при перегонке нефти, не хватает для покрытия всех нужд. В лучшем случае из нефти удается получить до 20% бензина, остальное – высококипящие продукты. В связи с этим перед химией стала задача найти способы получения бензина в большом количестве. Удобный путь был найден с помощью созданной А.М.Бутлеровым теории строения органических соединений. Высококипящие продукты разгонки нефти непригодны для употребления в качестве моторного топлива. Их высокая температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов представляют собой слишком длинные цепи. Если расщепить крупные молекулы, содержащие до 18 углеродных атомов, получаются низкокипящие продукты типа бензина. Этим путем пошел русский инженер В.Г.Шухов, который в 1891 г. разработал метод расщепления сложных углеводородов, названный впоследствии крекингом (что означает расщепление).

При крекинге нефть или остающийся после первичной разгонки мазут  подвергают сильному нагреву (до 600 °С) без доступа воздуха. В этих условиях происходит разрыв длинных углеродных цепей и образуются молекулы с меньшим числом атомов углерода; в результате получают низкокипящие моторное топливо (бензин) и другие ценные продукты.

Коренным усовершенствованием  крекинга явилось внедрение в  практику процесса каталитического  крекинга. Этот процесс был впервые  осуществлен в 1918 г. Н.Д.Зелинским. Каталитический крекинг позволил получать в крупных  масштабах авиационный бензин. На установках каталитического крекинга при температуре 450 °С под действием катализаторов происходит расщепление длинных углеродных цепей.

Термический и  каталитический крекинг

Основным способом переработки  нефтяных фракций являются различные виды крекинга. Впервые (1871–1878) крекинг нефти был осуществлен в лабораторном и полупромышленном масштабе сотрудником Петербургского технологического института А.А.Летним. Первый патент на установку для крекинга заявлен Шуховым в 1891 г. В промышленности крекинг получил распространение с 1920-х гг. 
Крекинг – это термическое разложение углеводородов и других составных частей нефти. Чем выше температура, тем больше скорость крекинга и больше выход газов и ароматических углеводородов. 
Крекинг нефтяных фракций кроме жидких продуктов дает первостепенно важное сырье – газы, содержащие непредельные углеводороды (олефины). 
Различают следующие основные виды крекинга: 
жидкофазный (20–60 атм, 430–550 °С), дает непредельный и насыщенный бензины, выход бензина порядка 50%, газов 10%; 
парофазный (обычное или пониженное давление, 600 °С), дает непредельно-ароматический бензин, выход меньше, чем при жидкофазном крекинге, образуется большое количество газов; 
пиролиз нефти (обычное или пониженное давление, 650–700 °С), дает смесь ароматических углеводородов (пиробензол), выход порядка 15%, более половины сырья превращается в газы; 
деструктивное гидрирование (давление водорода 200–250 атм, 300–400 °С в присутствии катализаторов – железа, никеля, вольфрама и др.), дает предельный бензин с выходом до 90%; 
каталитический крекинг (300–500 °С в присутствии катализаторов – AlCl₃, алюмосиликатов, МоS₃, Сr₂О₃ и др.), дает газообразные продукты и высокосортный бензин с преобладанием ароматических и предельных углеводородов изостроения. 
В технике большую роль играет так называемый каталитический риформинг – превращение низкосортных бензинов в высокосортные высокооктановые бензины или ароматические углеводороды. 
Основными реакциями при крекинге являются реакции расщепления углеводородных цепей, изомеризации и циклизации. Огромную роль в этих процессах играют свободные углеводородные радикалы.