Тема № 1

Тема 1: Нефть и нефтепродукты

МДК 1. Оборудование и эксплуатация заправочных станций

Происхождение нефти

В XVIII веке один богослов утверждал, что Земля в райский период ее существования состояла из жира. После того как планета погрязла во грехе, жир частично испарился, а частично ушел в землю. Там, смешавшись с разными веществами, под действием вод Всемирного потопа жир и превратился в темную густую субстанцию, которую мы называем нефтью.

Как на Земле образовалась эта темная жидкость, люди не понимают до сих пор. Какие-то гипотезы, конечно, отсеялись. Кроме «жировой», люди отказались еще от весьма популярной среди нефтепромышленников середины позапрошлого века «уриновой», по которой нефть была не чем иным. как… загустевшей мочой китов, причем не простых, а полярных. Сегодня умы ученых, кроме множества мелких, борются за две главные теории происхождения нефти: органическая и неорганическая.

Основоположником первой можно считать Михаила Васильевича Ломоносова. Наш ученый-академист считал, что нефть — это что-то вроде «сока», выжимаемого из угля, а тот, в свою очередь, получается из обугленных останков разных растений. В дальнейшем органическая теория происхождения нефти была во многом подтверждена и доказана на куда более прочной научной базе.

Самое сильное признание «органические» нефтяники получили в СССР. Уже потому, что органическую гипотезу происхождения нефти очень любил академик Иван Михайлович Губкин — самый главный советский нефтяник. В СССР инакомыслие не поощрялось, и губкинская гипотеза стала почти законом. Кто-то даже пустил фразу: «Плохой губкинец - плохой большевик»».

Но органическую, или биотическую, теорию подтверждают не только губкинская теория и марксистско-ленинское учение. В нефти найдены части молекул, похожие на следы хлорофилла — вещества, которое на нашей планете синтезируется только растениями. В структуре нефти есть стераны и гопаны — углеводородные структуры, присущие живому веществу. В ней же обнаружены изотопы углерода, характерные для живых организмов. Нефть вообще похожа на продукт живого — и по составу, и по свойствам. Более того, нефть обладает уникальным качеством, свойственным всему живому, и только лишь живому, — она оптически активна, то есть поляризует пропускаемый через нее свет лишь в одном направлении.

Поэтому во всех советских учебниках про образование нефти было написано примерно следующее. Миллионы лет тому назад жили и погибали животные и растения, в основном морские. Их останки оседали на дне океана, становясь постепенно илом. На них наслаивались все новые отмершие водоросли и рыбы, а также продукты деятельности вулканов и песок, который приносили с собой реки. Со временем все мертвые рыбы были погребены под споем отложений. Под действием их тяжести и без доступа воздуха отложения начали изменяться и со временем превратились в нефть и газ.

Неорганичная органика.

Но многие ученые даже в советские времена, несмотря на партийные установки, отказывалось видеть в нефти продукт разложения водорослей и рыб. По их мнению, это была скорее «кровь земли» — результат высокотемпературных реакций в недрах планеты. Исходные компоненты нефти — водород и углерод — есть во всей Вселенной, а условия реакции обеспечиваются сложным строением недр.

Великий российский химик Дмитрий Менделеев изначально тоже считал, что нефть — продукт живого. Но изучение нефтяных месторождений привело его к противоположному убеждению. Нефть — химическое вещество, получаемое в недрах, как в химическом реакторе, заявил он. И взялся доказать это опытом.

В 1877 году Менделеев пригласил к себе в лабораторию несколько «нефтяных людей», тогдашних нефтедобытчиков, и вручил им склянку с темной жидкостью. «Что это, по-вашему?» — спросил химик. Нефтяники долго изучали пробирку, смотрели на просвет, нюхали, растирали между пальцами. Но вердикт вынесли однозначный: это нефть. Даже заспорили, из какого месторождения.

Но в склянке была не нефть. Это была жидкость, синтезированная Менделеевым. Значит, в природе могут идти точно такие же реакции, как и в реторте. Нефть не обязательно должна быть «останками водорослей и рыб»!

Сегодняшние исследования отчасти подтверждают догадки Менделеева. Так, в нефтяных отложениях Мексиканского залива американские ученые нашли миниатюрные алмазы. Конечно, никакой ценности они не представляют, да и алмазами их назвать нельзя — они состоят всего из нескольких десятков атомов углерода. Ученые дали им имя диамондоиды. Однако как они образовались в нефти, непонятно: для этого нужно очень высокое давление. Возможно, это косвенное подтверждение абиогенной (неорганической) теории происхождения нефти.

Еще одно подтверждение состоит в том, что нефть часто находится там, где живого нет и быть не может. В 70-е годы прошлого века люди научились бурить очень глубоко и добурились до таких глубин, где никаких осадочных пород не могло быть в принципе. К удивлению ученых, в недрах планеты, в совершенно неживом базальте, тоже обнаружилась нефть. Причем в промышленных количествах — сотни миллионов тонн. Самые известные из «невозможных» месторождений — «Ла-Пас» в Венесуэле, «Белый тигр» во Вьетнаме и «Ренгин» в Китае. Глубина «Белого тигра», например, более 4км. Никакой органики там быть не может, а нефть есть! Более того, следы нефти обнаружены в образцах Кольской сверхглубокой скважины, а это, между прочим, 11 км глубины. Ничего живого в такой толще, понятно, существовать не может.

Биогенная теория противоречит и физике. Ученые шутят: «Если бы это было правдой, утка разогревалась бы в холодильнике сама». Составляющие нефти имеют в 5-7 раз меньшую теплотворную способность, чем сама нефть. То есть нефть не может быть продуктом распада, а только синтеза, на который откуда-то надо было взять дополнительную энергию. Как такая энергия могла самопроизвольно накопиться, непонятно.

Классические химики тоже не согласны с губкинцами. Им не известны «идеальные» реакции синтеза — всегда должна оставаться масса не прореагировавших веществ, которых в нефти нет. Не все просто и с оптической активностью нефти: она ярко выражена в месторождениях близ поверхности, а в глубоких слоях постепенно сходит на нет.

Но самый коварный вопрос для «органиков» — проблема месторождений. По биогенной теории, для того чтобы нефть собралась в одном месте, она должна каким-то образом сползаться туда под землей, как жидкий металл, из которого состоял Т-1000 в фильме «Терминатор-2». Ученые не могут представить себе условий, при которых такое было бы возможно.

Так что же, теория о происхождении нефти из мертвых рыб опровергнута? Как бы не так! Ученые до сих пор не могут сказать наверняка, какая из теорий правильнее. Ведь у неорганической теории тоже не все в порядке с доказательствами. Опять протестуют химики: да, реакция в недрах земли идти может, только вот ближе к поверхности нефть тогда не может существовать. При температуре ниже той, при которой идет реакция, она должна опять разложиться на составляющие вещества! А про хлорофилл в нефти, который мог попасть в нее лишь благодаря живым организмом, мы уже сказали выше.

Целенаправленные поиски промышленных месторождений по неорганической теории не дают результата. Швеция даже решила пробурить скважину в кратере Сильян-Ринг — по неорганической теории, в этом месте должна была быть нефть. По данным геофизиков, на глубине 500м находилась гранитная «крышка» нефтяного резервуара, а ниже лежали пористые породы, которые могли задерживать нефть. Однако вложенные $60млн так и не дали отдачи. Пробурив скважину глубиной более 5 км, промышленных запасов нефти и газа не обнаружили. Только следы нефти в древних битумах, и то скорее органического происхождения…

В результате приходится констатировать: мы не знаем, что такое нефть, не понимаем толком, где ее искать, а главное — не можем точно определить, сколько ее осталось.

А ведь этот спор не просто научный диалог. Оттого, какая теория победит, зависит то, где нам искать новые месторождения. Если нефть действительно образовалась из «мертвой рыбы», то искать ее надо на том месте, где когда-то давно был древний океан. Если же это «кровь земли», которая в некоторых местах поднимается близко к поверхности, то искать нужно в местах крупных разломов земной коры.

Но удивительнее всего, что, похоже, срабатывает и тот и другой способ поисков. Поэтому некоторые ученые считают, что есть два вида нефти — органического и неорганического происхождения, и если первая — у нас под ногами, то запасы второй лежат глубоко в недрах. Зато там их, возможно, очень много: при потреблении нынешними темпами месторождений нефти в глубине земли (если она там, конечно, есть) должно хватить примерно на 50тыс. лет. Примерно столько же на Земле существует человек разумный.

Сегодня нефтяники не любят говорить «месторождение нефти». Они говорят «месторождение жидких углеводородов», потому что так правильнее. Ведь нефть — это очень сложная смесь, коктейль из массы разнообразных химических соединений. Часть из них ученым пока даже не удалось выделить, не говоря уже о том, чтобы синтезировать настоящую нефть в лаборатории. У Менделеева тогда получилось лишь «что-то похожее» на нефть, но «настоящую» нефть синтезировать еще долго не удастся. Тем более что в разных месторождениях — разная нефть, и не ясно, какую считать «настоящей». А по свойствам нефть из разных мест может различаться значительно: может быть бурой, темной и почти прозрачной, иметь резкий запах или почти не пахнуть.

Да что там нефть, самый обычный бензин, который плещется в баках наших автомобилей, еще не до конца исследован. Мы в полном смысле слова ездим на «неизвестной горючей жидкости» — доля выделенных из бензина углеводородных цепочек составляет пока около 80%. Остальные 20% — неизвестная субстанция.

В общем, похоже, что проблему образования нефти — а вместе с ней и ключ к энергетическим запасам Земли — мы оставляем нашим потомкам. Нынешние нефтяники-практики шутят: «Нет смысла задумываться, как в недрах земли образовалась нефть. Считайте, что ее кто-то налил туда лишь для того, чтобы человечеству жилось немного лучше».

Общие сведения о нефтепродуктах

Нефть - это маслянистая жидкость темного красно-коричневого, иногда почти черного, цвета. В ее состав входит около 1000 веществ! Наибольшую часть из них (80-90%) составляют углеводороды, то есть органические вещества, состоящие из атомов углерода и водорода. Нефть содержит порядка 500 углеводородных соединений - парафиновых (алканов), составляющих половину всех углеводородов нефти, нафтеновых (цикланов) и ароматических (бензол и его производные). Имеются в нефти и высокомолекулярные соединения в виде смол и асфальтовых веществ.

Суммарное содержание углерода и водорода в нефти - около 97—98% (по весу), в том числе углерода 83—87% и водорода 11-14%.

В зависимости от количества атомов углерода и водорода в молекуле углеводороды могут быть газами, жидкостями или твердыми веществами. Углеводороды с числом атомов углерода, равным 1-4, в нормальных условиях — газы. Углеводороды, содержащие от 5 до 15 атомов углерода, — жидкости, а углеводороды, содержащие в молекуле более 15 атомов углерода, — твердые вещества. Газообразные парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и бутан) присутствуют в нефти в растворенном состоянии и при выходе нефти на поверхность выделяются из нее в виде попутных газов. Жидкие парафиновые углеводороды составляют основную жидкой часть нефти. Твердые парафиновые углеводороды растворены в нефти и могут быть выделены из нее.

Кроме углеводородной части, в нефти содержатся небольшая не углеводородная часть - соединения серы, азота и кислорода. Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

В незначительных количествах в нефтях встречаются ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и другие химические элементы. Сырую нефть практически не применяют. Ее подвергают очистке и переработке.

Различают первичную и вторичную переработку нефти. Процесс разделения нефти на фракции, имеющие разную температуру кипения, называется ректификацией.

Первичная переработка нефти - это перегонка, в результате которой нефтепродукты разделяются на составные части (их называют фракциями):

· сжиженный газ;

· бензины (автомобильный и авиационный),

 

· реактивное топливо,

· керосин,

· дизельное топливо (солярка),

· мазут.

Первые пять видов нефтепродуктов являются топливом. А мазут перерабатывают для получения:

· парафина,

· битума,

· жидкого котельного топлива,

· масел.

При смешивании битума с минеральными веществами получается асфальт (асфальтобетон), используемый в качестве дорожного покрытия. Жидкое котельное топливо используют для обогрева домов.

Из нефти выпускают широкий ассортимент смазочных материалов:

· смазочное масло;

· электроизоляционное масло;

· гидравлическое масло;

· пластичную смазку;

· смазочно-охлаждающую жидкость;

· вазелин.

Масла, получаемые из нефти, идут на приготовление мазей и кремов. Оставшийся после перегонки нефти концентрат называется гудроном. Он идет на дорожные и строительные покрытия.

Вторичная переработка нефти включает в себя изменение структуры ее компонентов - углеводородов. Она дает сырье, из которого получают:

• синтетические каучуки и резины;

• синтетические ткани;

• пластмассы;

• полимерные пленки (полиэтилен, полипропилен);

• моющие средства;

• растворители, краски и лаки;

• красители;

• удобрения;

• ядохимикаты;

• воск;

и многое другое.

Даже отходы переработки нефти имеют практическую ценность. Из отходов перегонки нефти производится кокс. Его используют в производстве электродов и в металлургии. А сера, которую извлекают из нефти в процессе переработки, идет на производство серной кислоты.

Видео-2. Продукты нефтепереработки – 14 мин.

 

Топливо для бензиновых двигателей

Топливом для бензиновых автомобильных двигателей служит бензин.

Основными свойствами бензина являются:

· испаряемость,

· теплотворная способность

· антидетонационная стойкость.

Антидетонационная стойкость является очень важным свойством бензина и определяет возможную степень сжатия двигателя. Детонация — это взрывное сгорание рабочей смеси в камере сгорания. При нормальном сгорании фронт пламени распространяется со скоростью 20...40 м/с, а давление в цилиндре составляет 3...4 МПа (30...40 кгс/см2). При детонации скорость распространения горения достигает 2500 м/с, а давление — 10... 15 МПа (100... 150 кгс/см2).

 

Причиной возникновения детонации рабочей смеси может быть применение низкооктанового топлива, сильный перегрев двигателя, перегрузка, установка раннего зажигания. Детонацию можно устранить путем уменьшения подачи топлива или переходом на более низкие передачи.

При детонационном сгорании смеси в двигателе слышны резкие металлические стуки и звон, объясняемые ударами волн высокого давления о стенки камер сгорания, цилиндров и днищ поршней и возникновением вибрации в деталях. При детонации рабочей смеси под действием очень больших давлений на днище поршней создаются ударные нагрузки и начинают стучать поршневые пальцы, поршневые кольца в канавках, поршни о зеркало цилиндров, коренные и шатунные подшипники. Вибрируют все детали двигателя. При детонации наблюдается дымный выпуск с искрами вследствие неполного сгорания топлива и закипания воды в системе охлаждения из-за усиленной теплоотдачи стенкам камер сгорания и цилиндрам. В результате резко снижаются мощность и экономичность двигателя. Длительная работа при детонационном сгорании может привести не только к повышенному износу деталей двигателя, но и к их поломке или образованию крупных дефектов в виде трещин и изгиба деталей с последующим их разрушением.

 

Показателем, характеризующим антидетонационные свойства бензина, является его октановое число. Чем больше октановое число бензина, тем меньше он детонирует и тем большая степень сжатия может быть принята для двигателя. Для повышения октанового числа и уменьшения опасности возникновения детонации в двигателях, имеющих повышенные степени сжатия, к бензину подмешивают антидетонаторы.

 

Наиболее сильным антидетонатором является этиловая жидкость, которую добавляют к бензину в объеме не более 1,5...3,0 мл на 1 л бензина. Этилированные бензины ядовиты, поэтому обращаться с ними нужно осторожно (применяются в основном в сельском хозяйстве).

 

Детонационная стойкость определяется на специальном двигателе с использованием чистых углеводородов изооктана и гептана. Октановое число изооктана условно равно 100, а у нормального гептана стойкость принимают равной нулю. На двигателе определяют моменты детонации используемого топлива, а затем из изооктана и нормального гептана подбирают такую смесь, которая будет детонировать так же, как и испытуемое топливо. Процент содержания изооктана в этой смеси и дает октановое число испытуемого бензина.

 

Промышленность вырабатывает бензины марок АИ--80, -92, -95 и -98. Буква А в маркировке означает, что бензин автомобильный. Цифры показывают октановое число. Чем выше октановое число, тем больше стойкость бензина к детонации. Буква И указывает, что октановое число определено исследовательским способом. У остальных бензинов октановое число определяется по моторному методу

Топливо для дизельных двигателей

Отличительной чертой процессов, происходящих в дизельном двигателе, является особенность приготовления и воспламенения рабочей смеси. В дизельном двигателе воздух и топливо подаются в камеру сгорания раздельно. Топливо под давлением впрыскивается непосредственно в среду сжатого нагревшегося в цилиндре двигателя воздуха, где за очень небольшой период образуется топливно-воздушная смесь, которая самовоспламеняется. Более высокая экономичность дизельных двигателей в сравнении с карбюраторными определяется своевременным воспламенением и полным сгоранием впрыснутого топлива благодаря увеличенной степени сжатия и до­статочному количеству кислорода для сгорания.

В качестве топлива для дизельных двигателей используются дизельные топлива различных марок, которые должны отвечать следующим требованиям:

1. Дизельное топливо должно отличаться высокой самовоспламеняемостью. Самовоспламеняемость — это характеристика тех свойств дизельного топлива, которые оказывают влияние на мягкость или жесткость работы двигателя. Определяют самовоспламеняе­мость, сравнивая работу стандартного двигателя на испытуемом топливе и на соответствующим образом подобранной смеси эталонных топлив.

Оценочным показателем самовоспламеняемости дизельного топлива служит его цетановое число. Оно равно процентному (по объему) содержанию цетана в такой смеси его с α-метилнафталином, которая обладает той же самовоспламеняемостью, что и испытуемое топливо в стандартном двигателе.

Условия пуска и работы дизельного двигателя удовлетворены, если цетановое число летних сортов топлива 40—45, а зимних — 45—50 единиц.

2. Дизельное топливо должно обеспечивать нормальное смесеобразование, которое зависит от следующих факторов:

· температуры и давления в камере сгорания,

· надежности подачи топлива,

· степени распыливания топлива при впрыске,

· физико-химических свойств топлива.

Температура и давление в, камере сгорания зависят в первую очередь от степени сжатия, охлаждения двигателя, частоты вращения коленчатого вала, наддува и др. В рабочем режиме особое влияние, на эти факторы оказывает частота вращения коленчатого вала. Ее уменьшение сопровождается падением температуры, снижением давления впрыска топлива, увеличением времени на цикл, что в целом ухудшает условия смесеобразования и сгорания топлива.

 

Надежность подачи топлива является необходимым условием для его нормального смесеобразования и сгорания. Решающим фактором обеспечения надежной работы приборов системы питания дизельного двигателя служит чистота дизельного топлива. Существенное влияние оказывает наличие в дизельном топливе механических примесей, которые вызывают интенсивный износ прецизионных деталей приборов системы питания, что приводит к нарушению работы двигателя (подтекание топлива из-под иглы распылителя форсунки, падение давления впрыска топлива и др.).

Степень распыливания топлива во многом определяет условия смесеобразования и испарения. Образование мелких частиц топлива способствует быстрейшему смесеобразованию. Размеры образующихся частиц топлива в большой степени зависят от давления впрыска; с его увеличением возрастает скорость струи и уменьшается диаметр капелек. На тонкость и однородность распыливания влияют также противодавление в цилиндре, диаметр сопла, вязкость, плотность, поверхностное натяжение топлива и др.

 

Физико-химические свойства топлива (вязкость, испаряемость, поверхностное натяжение, плотность, температура застывания и др.) сильно влияют на процесс смесеобразования. Важнейшим эксплуатационным требованием, предъявляемым к дизельному топливу, является его хорошая прокачиваемость через приборы системы питания при различных температурах окружающей среды.

Прокачиваемость дизельного топлива зависит от его вязкости, температуры застывания, склонности к образованию твердых пара­финовых углеводородов. На вязкость дизельного топлива значитель­но влияет температура. С уменьшением температуры вязкость увеличивается, что приводит к ухудшению распыливания.

Не менее важен показатель дизельного топлива — его нижний температурный предел, при котором парафиновые углеводороды могут переходить в твердое состояние. Образовавшиеся парафиновые кристаллы забивают топливные фильтры и нарушают или прекращают подачу топлива в камеру сгорания. Применять топливо, в котором идет образование твердой фазы, нельзя. Такое состояние топлива можно оценивать по температуре помутнения, при которой теряется фазовая однородность топлива.

Температурой застывания топлива, которая характеризует его низкотемпературные свойства, называется такая, при которой топливо теряет подвижность. С целью понижения температуры помутнения и застывания топливо подвергается депарафинизации, т. е. из него удаляют часть парафиновых углеводородов.

Температура застывания дизельных топлив зимних сортов составляет минус 35—45° С, а летние минус 10° С, что отвечает требованиям эксплуатации. Температура помутнения обычно на 5—10 ° С выше температуры застывания.