О нефти и газе простым языком

uchebnik

Вступление
1.1 Происхождение нефти
1.2 Абиогенная теория происхождения нефти
1.3 Строение месторождений
1.4 Мировые запасы нефти
1.5 Потребление нефти в мире
1.6 Ценообразование и торговля нефтью

Добыча
2.1 Поиск и разведка нефтяных месторождений
2.2 Строительство скважин
2.3 Крепление и испытание скважин
2.4 Каротаж и отбор керна
2.5 Типы скважин
2.6 Фонтаны и насосы
2.7 Промысловый сбор и подготовка нефти
2.8 Интенсификация добычи нефти
2.9 Трудноизвлекаемые запасы
2.10 Добыча нефти и газа в море

Переработка
3.1 Химический состав нефти и газа
3.2 Первичная переработка нефти
3.3 Повышение выхода светлых нефтепродуктов
3.4 Производство бензина
3.5 Получение компонентов бензина
3.6 Производство дизельного топлива
3.7 Переработка тяжёлых остатков
3.8 Производство масел и смазок
3.9 Нефтехимия

Нетрадиционное моторное топливо
4.1 Газомоторное топливо
4.2 Альтернативное топливо

Статистика
5.1 Занимательная статистика

[Н5.1] Занимательная статистика

Как выглядит нефтяной сектор России в цифрах? Вкратце так — нефтяные компании добывают немногим более 500 млн тонн нефти в год, половина поставляется на экспорт в сыром виде, половина идёт на нефтеперерабатывающие заводы. Примерно половина произведённых нефтепродуктов используется внутри страны, половина уходит на экспорт. Таким образом, за границу направляется 3/4 добываемой нефти, частично в сыром, частично в переработанном виде.

По данным Центрального диспетчерского управления топливно-энергетического комплекса России, в 2014 году добыто 526,7 млн тонн нефти с газовым конденсатом. Больше всех нефтяного сырья добыла «Роснефть» (190,1 млн тонн), за ней идут ЛУКОЙЛ (86,6 млн тонн), «Сургутнефтегаз» (61,4 млн тонн), «Газпром нефть» (33,6 млн тонн), «Татнефть» (26,5 млн тонн), «Башнефть» (17,9 млн тонн) «Газпром» (16,2 млн тонн), «Славнефть» (16,2 млн тонн), РуссНефть (8,6 млн тонн), НОВАТЭК (4,3 млн тонн). Ещё 50,0 млн тонн добыли «прочие производители» и 14,4 млн тонн — операторы СРП.

companies

Внимательные читатели заметят, что приведённые цифры заметно отличаются от тех, что озвучивают сами компании. Например, в отчёте «Роснефти» за 2014 год приводится суточный уровень добычи нефти — 4,2 млн баррелей. Если умножить на 365 (число суток в году) и поделить на 7,3 (число баррелей в тонне), то получится 210 млн тонн в год. Такое расхождение возникает из-за сложной акционерной структуры нефтяных компаний. Как учитывать добычу предприятия, если долями в нём владеют несколько компаний, да ещё и через цепочку посредников и оффшоров? ЦДУ ТЭК включает в суммарный показатель только те добывающие предприятия, принадлежность которых не вызывает сомнений. Из-за этого в официальной государственной статистике приводятся заметно меньшие показали по сравнению с учётом самих компаний.

Сложность учёта акционерных долей заметно искажает суммарную добычу «прочих производителей». В этот раздел ЦДУ ТЭК суммирует порядка 180 добывающих предприятий, которые не получается однозначно отнести к какой-либо нефтяной компании. Однако, не стоит полагать, что в России 50 млн тонн нефти в год добывают малые независимые компании. В «прочих» числятся «Томскнефть» (10,0 млн тонн нефти в год, владельцы — «Роснефть» и «Газпром нефть»), Салым Петролеум (6,6 млн тонн, Shell и «Газпром нефть»), Арктикгаз (2,0 млн тонн, НОВАТЭК и «Газпром нефть»), Нортгаз (1,5 млн тонн, «Газпром») и даже госкомпания «Зарубежнефть» (3,2 млн тонн). Сколько нефти добывают действительно независимые малые предприятия — достоверно неизвестно, оценочно — порядка половины от величины «прочие производители».

В 2014 году нефтеперабатывающие предприятия России переработали 288,9 млн тонн нефтяного сырья. Произведено 38,3 млн тонн автомобильного бензина, 10,9 млн тонн авиационного керосина, 77,3 млн тонн дизельного топлива и 78,4 млн тонн топочного мазута. Первое место по объёму первичной переработки ожидаемо занимает «Роснефть» (77,0 млн тонн), далее идут ЛУКОЙЛ (45,1 млн тонн), «Газпром нефть» (32,1 млн тонн), «Башнефть» (21,7 млн тонн), «Славнефть» (15,3 млн тонн), «Газпром» (5,8 млн тонн). На перечисленные компании приходится почти весь объём производимого в стране автомобильного бензина. Заводам, не входящим в состав нефтяных компаний, сложно профинансировать создание комплекса технологических установок, требуемых для получения бензина, соответствующего нормам «Евро». Антипинский, Афипский, Ильский, Марийский, Новошахтинский, Яйский и Ярославский им.Менделеева нефтеперерабатывающие заводы, а также ТАНЕКО и НОВАТЭК-Усть-Луга переработав вместе 34,5 млн тонн нефти, в 2014 году произвели 0 тонн товарного автомобильного бензина и столько же авиакеросина. Мини-НПЗ переработали 8,7 млн тонн нефти и произвели всего 0,25 млн тонн бензина и 0,16 млн тонн авиакеросина.

По данным Федеральной таможенной службы России, за границу в 2014 году вывезено 223,4 млн тонн сырой нефти на сумму $153,9 млрд. Экспорт нефтепродуктов составил 164,8 млн тонн в натуральном выражении и $115,6 млрд в денежном. Поделив выручку на объём, получим, что тонна сырой нефти в среднем стоила $689, тонна нефтепродуктов — $701. Столь невысокая разница в цене объясняется тем, что в структуре экспортируемых нефтепродуктов на дорогой бензин приходится совсем небольшая доля, а основу составляют «топлива жидкие», которых вывезено 87,3 млн тонн на сумму $49 млрд. Эта продукция реализовывалась по средней цене $561 за тонну, что заметно дешевле, чем стоит сырая нефть.

opr_export

Рентабельность поставок за рубеж низкосортных нефтепродуктов поддерживается льготной ставкой экспортных пошлин на вывоз этой группы товаров. Поставки автомобильного бензина облагаются специальной повышенной пошлиной, что делает его экспорт малоэффективным.

[Н4.2] Альтернативное топливо

Стремительно истощающиеся запасы нефти заставляют искать альтернативные источники топлива для автотранспорта. Причём, учитывая большое число находящихся в эксплуатации транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и налаженную структуру их производства и обслуживания, было бы очень желательно, чтобы альтернативное топливо по своим характеристикам приближалось к традиционным нефтепродуктам.

woodforsale

«- А твоя машина тоже на газированной воде? — спросил Незнайка.
— Нет, моя на спирту. В цилиндр, понимаешь, засасываются пары спирта и поджигаются электрической искрой. Пары, сгорая, расширяются и толкают поршень, а поршень вертит колеса. Машина может работать и на бензине, но от бензина в воздухе остается не очень приятный запах. От спирта же никакого запаха не остается.»
(Николай Носов, «Незнайка в Солнечном городе»)

В качестве заменителей бензина могут использоваться спирты, полученные в результате брожения различной сельскохозяйственной продукции — зерна, сладких плодов, сахарного тростника. Технология производства этилового спирта из растительного сырья хорошо отлажена, к тому же он обладает высоким октановым числом (105 ОЧИ, 100 ОЧМ). Главная проблема заключается в нехватке посевных площадей для выращивания растений, предназначенных для переработки в топливо. К тому же, теплота сгорания этанола значительно меньше, чем у традиционного бензина, что приводит к снижению запаса хода автомобиля и снижению мощности двигателя.

Производство топливного метанола не требует использования дефицитных пахотных земель. Метанол возможно получать из водорослей по двухступенчатой технологии — вначале осуществляется метановое брожение фитопланктона, потом — превращение метана в метанол. Однако, вырастить объём водорослей, достаточный для того, чтобы выработанное из них топливо обеспечило значительную долю потребления, очень сложно. Кроме того, остаётся та же проблема, что и у этанола — низкая теплота сгорания.

Существует и третий вариант — получение бутилового спирта путём ацетоно-бутилового брожения крахмалосодержащего сырья. По теплоте сгорания бутанол близок к традиционному бензину. Большим плюсом является его своеобразный резкий запах, что практически исключает случайное использование в виде напитка (такая проблема актуальна для топливного этанола, и, что намного хуже, метанола). Но для производства биобутанола требуется пищевое сырьё, что ограничивает возможности для его производства.

В настоящее время спирты, полученные путём сбраживания растительного сырья, используются только в качестве добавок к традиционному бензину. Их доля в готовом топливе обычно не превышает 5%.

Заменители дизельного топлива производятся из растительных масел. Любое растительное масло представляет собой смесь триглицеридов (сложных эфиров глицерина и жирных кислот). Глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу, поэтому его необходимо удалить, заместив на спирт. Растительное масло (рапсовое, соевое, пальмовое) смешивается с этиловым либо метиловым спиртом и катализатором (используется гидроксид натрия или гидроксид калия). После нагрева до 45-65°С смесь расслаивается — более легкий биодизель поднимается на поверхность, а глицерин оседает на дно. Остаётся лишь очистить готовое топливо от катализатора путём промывки водой. По потребительским свойствам биодизель представляет собой хорошую замену нефтяному топливу, но его производство сдерживается из-за нехватки растительного сырья.

Автомобильное топливо также возможно производить из угля, который хоть и является невозобновляемым полезным ископаемым, но исчерпание его запасов не столь актуально, как в случае с нефтью. Технология получения из угля жидкого топлива основана на процессе, разработанном в 20-е годы прошлого века германскими исследователями Францем Фишером и Гансом Тропшом, работавшими в Институте кайзера Вильгельма. На первом этапе уголь подвергается воздействию водяного пара, в результате чего образуется так называемый синтез-газ — смесь монооксида углерода с водородом. Из синтез-газа возможно получать углеводороды или спирты. Конечные продукты зависят от применяемых катализаторов.

Рентабельность получения бензина из угля весьма сомнительна. Эта технология применялась в тех случаях, когда экономические показатели имели второстепенное значение. Во время Второй Мировой войны процесс Фишера-Тропша использовала нацистская Германия и находящаяся в ней в союзе Япония, позже — ЮАР времён апартеида. Рентабельность можно поднять за счёт государственных дотаций, но переработка угля в бензин вызывает опасения у экологов из-за значительного расхода пресной воды и выброса углекислого газа и загрязняющих веществ.

[Н4.1] Газомоторное топливо

В пересчёте на теплотворную способность газ стоит дешевле, чем нефтепродукты, что обеспечивает привлекательность использования газомоторного топлива на транспорте. Кроме того, при сгорании газа образуется меньше вредных веществ, что особенно важно для крупных городов, в которых основная часть вредных выбросов приходится на выхлопы автотранспорта.

propanНаиболее популярный вид газомоторного топлива — пропан-бутан (ПБА). Он также называется сжиженным газом, в англоязычном варианте — LPG (Liquified Petroleum Gas). Пропан-бутан легко сжижается, для этого требуется совсем небольшое давление — 16 атм. Другим положительным свойством этого вида топлива является лёгкая установка газового оборудования на обычные бензиновые двигатели. Однако, цена сжиженного газа относительно высока, поскольку в качестве сырья для его производства используется дорогостоящая нефть или газовый конденсат. Продажа ПБА осуществляется на автомобильных газозаправочных станциях (АГЗС).

metanНамного дешевле стоит метан (природный газ), но использовать его на транспорте сложнее. В обычном диапазоне температур окружающего воздуха даже при очень сильном сжатии метан продолжает оставаться газообразным. По этой причине в баллон его вмещается меньше, чем жидкого пропан-бутана. Стандартный баллон для сжатого метана рассчитан на давление до 300 атм. Несмотря на такое высокое давление, запас газа получается небольшим и приходится использовать несколько баллонов, занимающих почти всё свободное место в багажнике автомобиля. Продажа сжатого метана осуществляется на газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС), а само топливо называется КПГ (компримированный природный газ), CNG (Compressed Natural Gas). АГНКС весьма немногочисленны, поскольку к каждой заправочной станции нужно подвести газопровод. Обычно сжатый метан используется на коммерческом автотранспорте, когда снижение расходов важнее, чем удобство эксплуатации.

m-eel-lng-tank-1Для того, чтобы перевести метан в жидкое состояние, его требуется охладить до минус 160°С. Такое топливо называется СПГ (сжиженный природный газ), LNG (Liquified Natural Gas). Процесс сжижения природного газа весьма энергозатратен, при этом расходуется до четверти энергии, содержащейся в газе. Но результат того стоит — при сжижении объём газа уменьшается в 600 раз, что позволяет поместить в относительно небольшой баллон значительный запас топлива. Баллон для хранения жидкого метана устроен по принципу термоса, но любая теплоизоляция неидеальна. Поддержание низкой температуры обеспечивается за счёт постепенного испарения газа из баллона. Не исключена вероятность того, что при длительной стоянке автомобиля весь запас топлива постепенно уйдёт в атмосферу. Из-за сложности применяемого оборудования использование сжиженного метана на автотранспорте пока является редкостью. Изучается возможность применения СПГ в качестве топлива для тепловозов, морских судов и самолётов. Изготовлены и испытаны опытные образцы.

rzdlng

Одно из перспективных направлений — использование в качестве моторного топлива биогаза, получаемого за счёт метанового брожения различных отходов. Несмотря на то, что после очистки биогаз химически идентичен природному газу, добытому из недр Земли, для него обычно используется отдельное обозначение — CBG (Compressed Biogas) или LBG (Liquified Biogas). Скорее всего, это связано с налоговыми льготами, предоставляемыми производителям и потребителям топлива, полученного из возобновляемых источников. В Западной Европе реализуются экспериментальные проекты по заправке биогазом городских автобусов.

agnks

В 2015 году в России действует 3,5 тыс. АГЗС и 200 АГНКС. Коммерческие продажи сжиженного метана для использования на автотранспорте не осуществляются. Для сравнения, бензин и дизельное топливо предлагают 20-25 тыс. АЗС.

[Н3.9] Нефтехимия

Нефтехимия — это весьма обширная тема. Нефтехимические предприятия выпускают сотни различных полупродуктов (этилен, пропилен, бензол, толуол, изопрен) и тысячи наименований конечных продуктов (каучуки, пластмассы, синтетические волокна, моющие средства, лакокрасочные материалы, смолы). Данная статья не претендует на охват всех промышленных процессов и их классификацию. Тем не менее, говоря о переработке нефти, невозможно обойти стороной производство нефтехимической продукции.

rezinaИнтересно, что производство такого важнейшего нефтехимического продукта, как синтетический каучук, когда-то осуществлялось совсем без использования нефти. В начале прошлого века спрос на каучук значительно вырос. Нехватка каучука особенно остро ощущалась в Советском Союзе, не располагавшем тропическими зарубежными колониями и имевшего напряженные отношения со многими странами мира, что осложняло импорт сока гевеи. В 1926 году Высший совет народного хозяйства СССР объявил конкурс на разработку технологии получения синтетического каучука, и уже через 2 года году учёный-химик Сергей Васильевич Лебедев представил готовую технологию и план работ по созданию промышленного предприятия. Летом 1931 года в Ярославле началось строительство завода СК-1, а 7 июля 1932 года был получен первый в мире искусственный каучук.

Технология основывалась на выработке этилового спирта путём брожения и последующей перегонки массы измельчённого картофеля. На следующем этапе спирт подвергался одновременному дегидрированию и дегидратации в присутствии оксидов цинка и алюминия, в результате чего получался бутадиен-1,3. В присутствии натриевого катализатора бутадиен-1,3 подвергался полимеризации с получением бутадиенового каучука. Позже в качестве сырья для производства каучука стали использоваться нефтяные фракции, что позволило высвободить большие объёмы ценного пищевого сырья. Достаточно быстро синтетические каучуки превзошли по потребительским свойствам натуральный каучук и вытеснили его с рынка.

tyres

Учёные прилагали много усилий для изучения свойств каучуков. В частности, был обнаружен и исследован необычный эффект — в отличие от большинства прочих материалов, каучуковая лента при нагревании сжимается, а при охлаждении увеличивается в длине. Но больше всего учёных заботило не это, а неприятная способность каучука твердеть на холоде и размягчаться на жаре. В 1839 году американский изобретатель Чарльз Нельсон Гудьир нашёл способ температурной стабилизации эластичности каучука путём добавления к нему серы. Этот процесс получил название вулканизации, а полученный продукт стал называться резиной.

ebonitДля получения мягкой резины в каучук нужно внести 1-3% серы. Разумеется, учёные не остановились на этом пределе и попробовали добавит больше серы. С ростом содержания серы полученный продукт становился всё более твердым и менее эластичным, а при достижении уровня 30-50% каучук превращался в твёрдую массу, хорошо поддающуюся механической обработке. Продукт был назван эбонитом, из него стали делать различные бытовые и технические предметы — расчёски, кружки, электрические изоляторы.

Популярность эбонита пошла вниз после того, как нефтехимическая промышленность освоила выпуск пластмасс — полиэтилена, полипропилена, полистирола и других. Благодаря низкой стоимости производства полимеры получили широчайшее распространение в качестве конструкционных и упаковочных материалов.

Nylon by DuPont 1940s USA nylons stockings hosieryНекоторые полимеры способны вытягиваться в тонкие и прочные нити, например капрон (нейлон) — продукт полимеризации капролактама. Для обеспечения сырьём предприятий по производству синтетических волокон были разработаны несколько процессов получения капролактама — из фенола, бензола, толуола. Также получили распространение полиэфирные волокна (лавсан, синтепон), полиуретановые (лайкра), полиакрилонитрильные (нитрон).

Многих интересует вопрос — какая доля нефти от общего объёма переработки направляется на нефтехимические предприятия? Точного ответа на этот вопрос статистика не даёт. Причина вот в чём — нефтехимические предприятия не используют в нефть в качестве сырья. Нефть перерабатывается исключительно на НПЗ, в то время как на нефтехимические заводы поставляется прямогонная бензиновая фракция и различные газы — этан, пропан, бутан. В качестве химического сырья также применяются продукты переработки «жирного газа» и конденсата, что ещё сильнее путает статистику. По экспертным оценкам, на нужды химии сейчас расходуется около 10% добываемой нефти.

[Н3.8] Производство масел и смазок

Промышленность выпускает огромный ассортимент смазочных материалов нефтяного происхождения (моторные, трансмиссионные, гидравлические, судовые, трансформаторные, канатные, приборные, консервационные и т.д.). Основой для изготовления смазочных материалов служат базовые масла, в которые добавляются различные компоненты для достижения требуемых эксплуатационных свойств.

dosing

Минеральное базовое масло производится из фракций, отбираемых в ходе вакуумной перегонки нефти. Масляный дистиллят проходит многоступенчатую очистку от нежелательных соединений и подвергается депарафинизации для удаления парафинов, повышающих температуру застывания масла. Главное достоинство минерального масла — низкая себестоимость производства. Характеристики полученного продукта в значительной степени зависят от показателей исходного сырья.

5w40Качественное моторное масло должно оставаться жидким на холоде, чтобы двигатель можно было запустить зимой и одновременно сохранять вязкость при высокой температуре, чтобы в достаточном количестве удерживаться на смазываемых поверхностях. Высокие эксплуатационные свойства в широком диапазоне температур имеют синтетические базовые масла. Они производятся на основе полиальфаолефинов либо сложных эфиров (эстеров). Синтетическое масло стоит в несколько раз дороже минерального.

Масло, полученное при помощи гидрокрекинга, занимает промежуточное положение между минеральным и синтетическим. В ходе гидрокрекинга из дистиллята удаляется сера, а также происходит насыщение водородом ненасыщенных соединений. По эксплуатационным свойствам масло гидрокрекинга уступает синтетическому, но это отчасти решается за счёт добавления комплекта присадок. Себестоимость такого продукта значительно ниже, чем синтетического масла на основе полиальфаолефинов или эстеров. Большинство популярных марок синтетических масел представляют собой масло, полученное путём гидрокрекинга.

Другой способ достижения компромисса между ценой и качеством продукта — смешивание минеральной и синтетической основы. Такое масло называется полусинтетическим. Как правило, оно содержит 20-40% синтетического масла.

Litol-24Пластичные смазки изготавливаются путём смешивания масляной основы с загустителем. Популярная смазка литол представляет собой смесь минерального масла со стеаратом лития (литиевым мылом). В качестве загустителей применяются также натриевое, кальциевое и алюминиевое мыло, полимочевина. Другая не менее популярная смазка — вазелин — получается путём загущения минерального масла церезином и парафином. Высококачественные смазки для применения в сложных условиях выпускаются на синтетической основе.

[Н3.7] Переработка тяжёлых остатков

Несмотря на все старания нефтепереработчиков получить из нефти как можно больше светлых нефтепродуктов, в итоге всё равно остаётся некоторое количество тяжёлых остатков. Из них можно получить битум, кокс или котельное топливо.

bitumНефтяной битум представляет собой тёмное вязкое или твёрдое вещёство. Он состоит из крупных молекул, образующих сложные пространственные структуры. Битум имеет интересную особенность — он ведёт себя как неньютоновская жидкость, то есть его вязкость зависит от градиента скорости воздействия. На практике это означает, что при быстром нажатии или ударе битум проявляет себя как твёрдое тело, а при медленном воздействии предметы могут погружаться в него, как в жидкость.

Главные характеристики битумов — температура размягчения и глубина проникновения иглы. Температуру размягчения определяют при помощи стального шара, который помещают на поверхность битума. При нагревании шар начинает погружаться — это и есть температура размягчения. Дорожные битумы популярных марок размягчаются при температуре 35-51°С. Глубина проникновения иглы показывает твёрдость битума. Она определяется при помощи иглы диаметром 0,1 мм при температуре 25°С.

bitum2

Цифры в названии популярного дорожного битума БНД 90/130 показывают диапазон глубины погружения иглы в миллиметрах — от 91 до 130. Битум БНД 60/90, соответственно, более твёрдый — в него игла погружается на меньшую глубину. Увеличение твёрдости битума достигается при помощи продувки его горячим воздухом. Такой битум называется окисленным.

charkПроцесс коксования — это, пожалуй, последняя попытка получить ещё немного светлых нефтепродуктов. На установке коксования тяжёлые нефтяные остатки подвергаются термическому крекингу в жёстких условиях. При этом получается кокс, углеводородные газы, бензиновая и газойлевая фракции. Нефтяной кокс бывает двух видов — губчатый и игольчатый. Второй вариант стоит дороже, но более сложен в производстве.

Ещё один вариант переработки тяжёлых остатков — легкий термический крекинг (висбрекинг). Если при коксовании происходит полное разрушение тяжёлых остатков, то висбрекинг лишь позволяет сделать тяжёлое сырьё более жидким. Продукт, получаемый в процессе висбрекинга, используется как котельное топливо.

* В оформлении использованы изображения технологических установок из компьютерной игры «ЛУКОЙЛ-Менеджер НПЗ».

[Н3.6] Производство дизельного топлива

Сырая нефть содержит природные соединения серы, присутствие которых в готовом топливе крайне нежелательно. В результате сгорания высокосернистого топлива образуются ядовитые оксиды серы. Взаимодействуя с атмосферной влагой, они превращаются в серную и сернистую кислоты. Падающая с неба кислота («кислотные дожди») негативно отражается на здоровье людей и вызывает усиленную коррозию металлических конструкций. По мере роста потребления топлива нормы по содержанию серы в топливе пересматривались в сторону понижения, чтобы снизить негативное влияние выхлопных газов на окружающую среду. В современном моторном топливе содержание серы не может превышать 10 ppm (0,001%).

Сера неравномерно распределяется по нефтяным фракциям. Действует простое правило — чем тяжелее дистиллят, получаемый в ходе первичной перегонки нефти, тем больше в нём серы. Лёгкий прямогонный бензин содержит, как правило, не более 0,1% серы. Чтобы довести его до установленной нормы, содержание серы в ходе переработки требуется понизить всего в 100 раз. Сложнее обстоит дело с дизтопливом — средние дистилляты в зависимости от исходного сырья могут содержать до 2% серы! Какая бы нефть не поступала на завод, в готовом топливе должно остаться не более 0,001% серы, что требует серьёзных усилий по его очистке.

hdrУдаление серы из нефтяных фракций осуществляется на установке гидроочистки. Сырьё смешивается в водородом, нагревается до 260-425°С и подаётся в реактор, где в присутствии кобальтомолибденового или никельмолибденового катализатора происходит образование сероводорода. Газообразный сероводород легко отделить от жидких нефтепродуктов, но по своим свойствам он даже хуже природных соединений серы, содержащихся в нефти — весьма зловонен и сильно ядовит. Сероводород направляется на установку получения элементарной серы. В чистом виде сера безвредна и выглядит весьма красиво, поэтому её хранят на открытом воздухе в виде огромных куч.

sulfur

Одна из важных характеристик дизельного топлива — цетановое число, показывающее задержку воспламенения топлива после его впрыска в цилиндр двигателя. Показатель цетана (гексадекана) принят за 100 единиц, α-метилнафталином — за 0. Цетановое число дизельного топлива означает тот же период задержки воспламенения, что и соответствующая смесь цетана и α-метилнафталина. Высокое цетановое число имеют алканы, низкое — ароматические соединения. Специальных установок для изменения цетанового числа не предусмотрено, оно подгоняется под норму путём смешивания различных дизельных фракций. Согласно действующему Техрегламенту, цетановое число дизельного топлива класса Евро-5 должно быть не ниже 51 (для арктического — не ниже 47).

У дизельного топлива есть неприятное свойство — на холоде оно мутнеет, а если мороз сильный, то может полностью затвердеть. В зависимости от сезона на АЗС продаётся летнее дизтопливо (ДТл), применяемое при температурах окружающего воздуха от 0°С и выше или зимнее дизтопливо (ДТз), применяемое при температурах до -30°С. Зимнее топливо более стойко к морозу за счёт повышенного содержания лёгких фракций. В межсезонье допустимо применение летнего дизтоплива с депрессорной присадкой (ДЗп). Для регионов с холодным климатом выпускается арктическое дизтопливо (ДТа), пригодное для использования при температурах до -50°С. Continue reading

[Н3.5] Получение компонентов бензина

Бензиновые фракции, получаемые с установки атмосферно-вакуумной перегонки, имеют октановое число около 60 единиц. Чтобы поднять октановое число топлива до уровня 92-98 единиц, на нефтеперерабатывающем заводе реализуется ряд технологических процессов, наиболее распространённые из которых будут рассмотрены в этой статье.

Углеводороды обладают интересным свойством — они могут менять пространственное строение молекулы, сохраняя число входящих в неё атомов. Это явление широко распространено среди органических веществ. Например, фруктоза и глюкоза отличаются только пространственным строением, а химические формулы у них одинаковы — C6H12O6.

Среди алканов только три самых простых (метан, этан, пропан) не могут образовывать изомеров. Чем сложнее устроена молекула, тем больше у неё возможностей для создания различных пространственных фигур. Бутан имеет один изомер, пентан — два, гексан — четыре. Изомеры отличаются не только плотностью и температурой кипения, но, что особенно важно при производстве бензина — октановым числом. К примеру, октановое число нормального пентана по исследовательскому методу равно 61,7, а у двух его изомеров этот показатель намного выше — 85,5 для 2,2-диметилпропана и 92,3 для 2-метилбутана.

izoВ качестве сырья для установки изомеризации используется лёгкая прямогонная бензиновая фракция (C5-С6). В зависимости от применяемой технологии, процесс протекает при температуре от 180 до 410°С в присутствии платиносодержащего катализатора. На выходе из реактора стоит ректификационная колонна, на которой осуществляется отбор готового изомеризата, а непрореагировавшие вещества вновь возвращаются в реактор. Изомеризат имеет октановое число более 90 единиц. Он направляется на установку компаундирования для получения товарного топлива.

rifТяжёлая бензиновая фракция с установки АВТ направляется на установку риформинга. Повышение октанового числа происходит за счёт превращения аренов и нафтенов в ароматические углеводороды. Процесс протекает в присутствии алюмо-платино-рениевого катализатора при температуре 500-530°С. Сырьё проходит через 3-4 реактора, в которых созданы условия для протекания конкретной реакции. Основные реакции риформинга идут с поглощением тепла, поэтому перед каждым реактором смесь углеводородов подвергается нагреву в трубчатых печах. В качестве побочного продукта получается водород, который нужен для установок гидроочистки и гидрокрекинга.

Риформат имеет очень высокое октановое число (100 и выше по исследовательскому методу) и является ценным компонентом бензина. Однако, ароматические углеводороды способствуют образованию нагара в двигателе, поэтому их содержание в готовом топливе не должно превышать 35%. Хуже обстоит дело с самым известным ароматическим веществом — бензолом. Он ядовит сам по себе, а при сгорании образует ещё более опасные для здоровья вещества. Техрегламент ограничивает содержание бензола в бензине на уровне 1%.

alkВ ходе реакции крекинга образуется достаточно много газообразных углеводородов, в то время как наибольшая эффективность работы НПЗ достигается при максимальном выходе бензина. Для превращения легких углеводородов (С3-С4) в компонент бензина используется установка алкилирования. Катализатором реакции служит серная или фтороводородная кислота. Процесс проходит при пониженной температуре (0-10°С для сернокислотного алкилирования и 25-30°С для фтороводородного алкилирования), поэтому требуется охлаждение реактора. Октановое число получаемого продукта — около 95 единиц. В составе алкилата значительная доля приходится на изооктан (2,2,4-триметилпентан) — то самое вещество, которое было выбрано в качестве эталона для шкалы октановых чисел. Октановое число 2,2,4-триметилпентана всегда равно 100, вне зависимости от способа определения (исследовательский или моторный). Это полезное свойство используется для сокращения разницы между ОЧИ и ОЧМ производимого бензина, что повышает его потребительские свойства.

В качестве высокооктанового компонента бензина часто используется метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Его октановое число по исследовательскому методу — 117 единиц, а октановое число смешения может достигать 135 единиц. Благодаря таким высоким показателям увеличение октанового числа бензина может быть достигнуто путём небольшой добавки МТБЭ. Полезные свойства МТБЭ не исчерпываются высоким октановым числом — он малотоксичен, а за счёт содержания кислорода способствует более полному сгоранию топлива. Сырьём для МТБЭ служит бутан-бутиленовая фракция, получаемая в процессе каталитического крекинга. Эта же фракция  же нужна для установки алкилирования. Выбор направления использования бутан-бутиленовой фракции зависит от технологической схемы НПЗ.

Полученные компоненты смешиваются таким образом, чтобы готовый бензин соответствовал всем нормам Технического регламента «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту». Continue reading

[Н3.4] Производство бензина

Описание процесса получения автомобильного бензина обычно фокусируется на разборе принципов функционирования установок риформинга, изомеризации, алкилирования… Читатель смотрит и недоумевает — зачем всё это нужно? Дело в том, что для повышения потребительских и экологических свойств топлива были разработаны стандарты и регламенты, устанавливающие строгие требования по ряду параметров. Производство современного бензина похоже на сборку головоломки по замысловатым правилам.

Наиболее известный параметр бензина — октановое число. Оно определяет детонационную стойкость бензина, то есть его способность противостоять самопроизвольному воспламенению при сжатии. При нормальной работе двигателя пары бензина сначала сжимаются в цилиндре, после чего в нужный момент воспламеняются искрой от свечи зажигания. Чем сильнее будут сжаты пары, тем эффективнее работа двигателя. Считается, что шкалу для изменения детонационной стойкости бензина придумал американский химик Эдгар Грэхем в 1927 году, хотя его первенство оспаривалось другими учёными. В качестве нижней границы он взял характеристики нормального гептана (0 единиц), в качестве верхней — изооктана (100 единиц). Бензин с октановым числом 92 ведёт себя как смесь 8% н-гептана и 92% изооктана, а бензин с октановым числом 60 соответствует смеси 40% н-гептана и 60% изооктана.

azs

Определение октанового числа топлива проводится на стенде, имитирующем работу одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Детонационная стойкость не является постоянным параметром, она зависит от условий измерения. Применяются два варианта: мягкий (частота вращения коленвала 600 об/мин, температура 52°С, угол опережения зажигания 13 градусов) и жёсткий (частота вращения коленвала 900 об/мин, температура 149°С, переменный угол опережения зажигания). Октановое число, измеренное по первому варианту, называется исследовательским октановым числом (ИОЧ), по второму — моторным октановым числом (МОЧ).

Отраслевое сообщество не смогло прийти к единому мнению относительно того, какой способ считать правильным. С одной стороны, моторное число точнее соответствует работе нагруженного двигателя, с другой — исследовательское обычно больше, что нравится потребителю. В России согласно ГОСТ 2084-77 для низкооктанового бензина указывалось октановое число по моторному методу (А-76), для высокооктанового — по исследовательскому (Аи-92, Аи-95). Присутствие буквы «и» в названии говорило о том, что приведено ИОЧ, отсутствие этой буквы означало МОЧ. По новым правилам (ГОСТ Р 51105–97) бензины стали называться Нормаль-80, Регуляр-92, Премиум-95, Супер-98. Бензин А-76 превратился в Нормаль-80, Аи-92 — в Регуляр-92. Аналогичный способ маркировки топлива применяется в Европе.

usafuelstationВ США и Канаде проблему с разными методами определения октанового числа решили по-своему. В этих странах используется антидетонационный индекс (АДИ), представляющий собой среднее арифметическое из ИОЧ и МОЧ. Величина АДИ не имеет физического смысла, но достаточно удобна.

Существует множество веществ, позволяющих довести октановое число до заданного уровня, но почти все они чему-нибудь вредят (природе, здоровью людей, деталям машин). Если потенциальный вред очень высок, то использование вещества запрещается, если умеренный — то ограничивается верхний предел содержания этого вещества в готовом топливе. Например, очень легко поднять октановое число путём добавки тетраэтилсвинца, но современный техрегламент запрещает присутствие в топливе ядовитых свинцовых соединений. Также из-за ядовитости запрещено использование метилового спирта. Недороги и эффективны присадки на основе марганца и железа, но они быстро выводят из строя свечи зажигания. Высокое октановое число имеет бензол, но его пары ядовиты, поэтому содержание бензола в бензине не может превышать 1%. Сплошные ограничения! Очень похоже на рецепты здорового питания — как приготовить вкусное блюдо без соленого, перчёного, острого, жареного и копчёного.

Процесс приготовления бензина дополнительно осложняется нелинейностью воздействия добавок на октановое число смеси. Например, чистый этиловый спирт в малых дозах весьма полезен для повышения октанового числа, но когда его в смеси становится более 5%, то положительный эффект заметно снижается. Ну и в качестве «вишенки на торте» — ИОЧ и МОЧ не подчиняются правилам аддитивности, то есть октановое число смеси не соответствует среднему, рассчитанному с учётом объёмных долей компонентов. Чтобы обойти эту проблему, для расчётов применяются так называемые октановые числа смешения. Способы измерения октановых чисел смешения не найдены, они определяются методом подбора.

Кроме октанового числа, бензин нормируется по содержанию легкоиспаряющихся углеводородов. Если бензин образует недостаточно паров, то пуск холодного двигателя станет невозможен. Слишком много летучих компонентов — тоже плохо, в жаркую погоду это может привести к образованию паровых пробок в топливной системе автомобиля. Согласно Техническому регламенту, давление насыщенных паров бензина в летний период должно составлять 45-80 кПа, в зимний период — 50-100 кПа. Почти все компоненты бензина характеризуются меньшим давлением насыщенных паров, до нормы этот показатель доводится путём добавления н-бутана или изобутана. Это очень летучий углеводород. При заправке автомобиля можно наблюдать, как он в виде паров утекает из горловины бензобака, образуя в воздухе достаточно заметные переливающиеся струи. Добавление бутана влияет на итоговое октановое число, что требуется заранее учитывать.

Смешивание компонентов бензина и получение товарной продукции осуществляется на установке компаундирования. Технологии производства различных компонентов бензина будут рассмотрены в следующей статье.