ВВЕДЕНИЕ

Значение нефти и газа для энергетики, транспорта, обороны страны, для разнообразных отраслей промышленности и для удовлетворения бытовых нужд населения в наш век исключительно велико. Нефть и газ играют решающую роль в развитии экономики любой страны. Природный газ – очень удобный для транспортировки по трубопроводам и сжигания, является дешевым энергетическим и бытовым топливом. Из нефти вырабатываются все виды жидкого топлива: бензины, керосины, реактивные и дизельные сорта горючего – для двигателей внутреннего сгорания, мазуты – для газовых турбин и котельных установок. Из нее получают огромный ассортимент смазочных и специальных масел и консистентных смазок. Из нефти вырабатывают также парафин, сажу для резиновой промышленности, нефтяной кокс, многочисленные марки битумов для дорожного строительства и многие другие товарные продукты.

Вторичная переработка нефтяного и газового сырья получила название нефтехимического синтеза. В настоящее время 25 % мировой химической продукции выпускается на основе нефти и углеводородных газов. Ближайшие перспективы развития нефтехимической промышленности благоприятны как по масштабам производства, так и по безграничному разнообразию промежуточных и конечных продуктов синтеза.

К нефтехимической продукции относятся пластические массы, синтетические каучуки и смолы, синтетические волокна, синтетические моющие средства и поверхностно-активные вещества, некоторые химические удобрения, присадки к топливам и маслам, синтетические смазочные масла, белково-витаминные концентраты, многочисленные индивидуальные вещества: спирты, кислоты и альдегиды, кетоны, хлорпроизводные эфиры, гликоли, полигликоли, глицерин и другие, применяющиеся в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и в быту.

Материал учебного пособия «Химия нефти и газа» изложен в соответствии с Государственным образовательным стандартом профессионального высшего образования направления 130500 «Нефтегазовое дело» специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ», а также рабочей программой данной дисциплины.

Курс «Химия нефти и газа» является весьма важным в подготовке инженеров данного направления. С одной стороны, этой дисциплиной завершается общехимический цикл, с другой – дается база для освоения физико-химической сущности процессов, происходящих при очистке и переработке нефти и нефтепродуктов, а также приводятся методы определения и контроля физико-химических свойств нефтепродуктов, в том числе топлив и масел.

В разделе «Химия нефти» дается характеристика органических соединений, входящих в состав нефти и нефтепродуктов, их строение, физические и химические свойства, способы получения и основные области применения. Кроме того, приводится классификация органических реакций, которые используются в нефтехимических производствах.

Химические и физико-химические аспекты разделения составных частей нефти, ее очистки от присутствующих в ней солей, воды и других примесей, дальнейшей переработки нефтепродуктов с целью получения качественных топлив и масел описаны в разделе «Промышленная переработка нефти».

Важным является раздел «Физико-химические методы исследования нефтепродуктов», так как в нем приводятся методы испытания и контроля основных физико-химических свойств топлив и масел.

Практическую значимость имеет раздел «Эксплуатационные свойства топлив», который подтверждает необходимость предъявления высоких требований к показателям качества топлив.

Раздел «Нефтехимия» показывает конкретные направления использования в химической промышленности органических веществ, содержащихся в нефти и горючих газах.

Последний раздел «Нефтегазовый комплекс и экология» дает представление об экологических проблемах, существующих при нефте- и газодобыче, их переработке, транспортировке, а также эксплуатации.

Раздел I. Общие сведения о нефти

И ГОРЮЧИХ ГАЗАХ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ

ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ

Существует две теории происхождения нефти: биогенная и абиогенная. Сторонники первой – органики – считают, что нефть образовалась в осадочном чехле земной коры в результате глубокого преобразования животных и растительных организмов, живших миллионы лет назад. Другие – неорганики – доказывают, что нефть образовалась в мантии земли неорганическим путем.

1.1. Органическая концепция

Органическая концепция начала развиваться после создания работы М. В. Ломоносова о нефти. Он писал: «Увериться можем о происхождении сих горючих подземных материй из растущих вещей их легкостью». Сторонники органической концепции спорили о том, что явилось исходным веществом для нефти: растения или животные? Начиная с работ А.Д. Архангельского (1927 г.) и П.Д. Траска (1926- 1932 гг.) развернулись исследования органического вещества современных осадков и древних осадочных пород. Значительное влияние на направление исследований оказал И.М. Губкин. Он подчеркивал, что широкое распространение месторождений нефти в осадочных толщах позволяет считать, что источником нефти может быть только широко распространенное в осадочных породах рассеянное органическое вещество (ОВ) смешанного растительно-животного происхождения. 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.

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 идет кипучая жизнь, не прекращавшаяся миллионы лет подряд. Целый ряд бактерий живет 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.

Академиком Н.Д. Зелинским, профессором В.А. Соколовым и рядом других исследователей большое значение в процессе нефтеобразования придавалось радиоактивным элементам. Действительно, доказано, что органические вещества под действием альфа-лучей распадаются быстрее и при этом образуются метан и ряд нефтяных углеводородов.

Академик Н.Д. Зелинский и его ученики установили, что большую роль в процессе нефтеобразования играют катализаторы. В более поздних работах академик Зелинский доказал, что входящие в состав животных и растительных остатков пальмитиновая, стеариновая и другие кислоты при воздействии хлорида алюминия в условиях сравнительно невысоких температур (150-400 °С) образуют продукты, по химическому составу, физическим свойствам и внешнему виду похожие на нефть.

Профессор А.В. Фрост показал, что вместо хлорида алюминия катализатора, отсутствующего в природе, его роль в процессе нефтеобразования играют обыкновенные глины, глинистые известняки и другие породы, содержащие глинистые минералы. Из результатов вышеприведенных исследований становится ясным, что исходным веществом для нефти стали растения и животные.

С позиций современной органической концепции нефть образуется следующим образом. Моря и озера населены планктоном. После его отмирания остатки растений и животных организмов падают на дно, образуя толстый слой ила. После этого начинается биохимическая стадия образования нефти. Микроорганизмы при ограниченном доступе кислорода перерабатывают белки, углеводы и т. д. При этом образуются метан, углекислый газ, вода и немного углеводородов. Данная стадия происходит в нескольких метрах от дна моря. Затем осадок уплотняется, происходит диагенез. Начинаются химические реакции между веществами под действием температуры и давления. Сложные вещества разлагаются на более простые. Биохимические процессы затухают. С увеличением глубины растет содержание рассеянной нефти. Так, на глубине до 1,5 км идет газообразование, в интервале 1,5-8,5 км идет образование жидких углеводородов – микронефти – при температуре от 60 до 160 °С, а на больших глубинах при температуре 150 – - 200 °С образуется метан. По мере уплотнения илов микронефть выжимается в вышележащие песчаники. Это-процесс первичной миграции. Затем под влиянием различных сил микронефть перемещается вверх по наклону. Эта вторичная миграция является причиной формирования самого месторождения.