Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка не

ПЕРЕВОД ВНЕСИСТЕМНЫХ ЕДИНИЦ В ЕДИНИЦЫ СИ

Температура: t(°С) = T(К) – 273;

t(°F) = 1,8t(°С) + 32.

Давление:

1 мм рт. ст. (миллиметр ртутного столба) = 133,322 Па; 1 атм (физическая атмосфера) = 101325 Па =

= 760 мм рт. ст. ≈ 0,1 МПа; 1 ат (техническая атмосфера) = 98066,5 Па = 735,5 мм. рт. ст.;

1 кгс/см2 (техническая атмосфера) = 98066,5 Па = = 735,5 мм. рт. ст.

Вязкость:

1 П (Пуаз) = 0,1 Па с; 1 сП (сантипуаз) = 10–3 Па с = 1 мПа с;

1 Ст (Стокс) = 10–4 м2/с; 1 сСт (сантистокс) = 10–6 м2/с = 1 мм2/с.

Теплота:

1 ккал = 4187 Дж; 1 ккал/ч = 4187/3600 Вт = 1,1630 Вт = 1,1630 Дж/с.

Теплота сгорания:

1кг у.т. (килограмм условного топлива) = 29,31 МДж/кг = = 7000 ккал/кг.

11

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗВИТИИ НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕ- И ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. Краткий обзор мирового и отечественного развития нефтяной, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности

Нефть и природный газ были известны людям еще несколько тысяч лет назад. В трудах древних ученых (Геродот, Плутарх, Пли- ний и др.) приводятся описания источников нефти, расположенных в Индии, Персии, Сирии, островах Средиземного моря, на Амударье, берегу Каспийского моря.

Нефть уже в древности применяли в качестве топлива, для ос- вещения, в военном деле. Так, войска Чингисхана использовали горя- чие горшки с нефтью и стрелы при взятии Бухары.

Русские воины применяли стрелы, обмотанные тряпками, про- питанными нефтью, в войнах с половцами.

Войска царя Даурия шарами из хлопка, пропитанными нефтью, обороняли Вавилон от войск Александра Македонского (331 г. до н.э.).

Первоначально люди использовали только жидкую нефть и про- дукты ее окисления – асфальты и битумы. Добыча нефти при этом проходила из специально вырытых ям и колодцев, глубина которых доходила до 60 м. Нефть извлекали из колодцев с помощью кожаных ведер, разливали ее в ямы и далее развозили на продажу.

Наиболее крупным центром колодезной добычи в Средние века становится Апшеронский полуостров. Как следует из записей аравий- ского ученого Абуль-Хасан-Масуди, в Баку добывали несколько видов нефти: белую, желтую, черную и синюю. О масштабах колодезной до- бычи можно судить по данным немецкого ученого Кемпфера, который подсчитал, что в Баку в 1683 году было добыто 13 тыс. т нефти.

Наряду с нефтью были известны людям и месторождения горю- чих газов. В частности, факелы горючих газов в Дагестане, на Апше-

12

ронском полуострове служили маяками для судов, плавающих по Кас- пийскому морю. Описаны выделения горючих газов в Северной Аме- рике, на островах Малайского архипелага, в Индии и в других местах.

Со временем потребность в нефти возрастала, и колодезная до- быча уже не могла удовлетворить ее в полном объеме, т.к. рыть очень глубокие колодцы было трудно и небезопасно. На смену колодцам пришли нефтяные скважины.

Первые нефтяные скважины были пробурены в России в 1848 г. в Баку, на Кубани и в районе Ухты. Инициатором бурения скважин был чиновник горного управления Семенов. Для сравнения: в США первая нефтяная скважина была пробурена в 1859 г. в штате Пен- сильвания.

Первоначально скважины бурили примитивными станками с ручным приводом, ударяя острым долотом по дну скважины (удар- ное бурение, которое просуществовало до начала XX века). Промыш- ленное применение нефтяных скважин началось в России в 60-х годах XIX века на Апшеронском полуострове.

До середины XVIII века добываемая людьми нефть применялась без дополнительной переработки. Но уже в 1745 г. впервые в мире на реке Ухте была проведена перегонка нефти – начальный момент

вистории мировой и отечественной переработки нефти.

В1823 г. на Северном Кавказе, около г. Моздока, братьями Ду- биниными была построена первая кубовая установка для перегонки нефти. Установка функционировала 20 лет с выработкой нескольких десятков тонн осветительного керосина в год (объем куба был 500 л). При этом бензиновая фракция терялась, а мазут использовали для смазки колес или сжигали в мазутных ямах.

Первая промышленная нефтеперегонная установка была по- строена Воскобойниковым в районе Баку в 1837 г. В 1869 г. таких ус- тановок-«заводов» было уже 23, а в 1874 г. – 123 «завода», на кото- рых было выработано за год 80 тыс. т осветительного керосина.

Для сравнения: в Англии керосин из нефти стали получать в 1848 г., а в США – в 1860 г.

13

Таким образом, переработка нефти в конце XIX века представля- ла собой, по существу, нефтеперегонные заводы, основным продуктом которых был керосин. Заводы являлись частью нефтяного бизнеса и только в сочетании с добычей нефти и маркетингом приносили их хозяевам прибыль. Уровень технического оснащения заводов был невысок, в основном на них использовался тяжелый физический труд.

Начиная с последней четверти XIX века внимание русских уче- ных было привлечено к остаточной фракции перегонки нефти – мазу- ту. После изобретения инженером Шуховым форсунки для сжигания тяжелого жидкого топлива мазут нашел применение в качестве топли- ва. Было начато производство смазочных масел путем перегонки мазу- та под вакуумом и с водяным паром. Большая роль в организации про- изводства масел принадлежала Д.И. Менделееву. Минеральные масла, производимые в России, очень высоко ценились во всем мире.

В1885–86 гг. перегонку нефти начали проводить на кубовых ба- тареях непрерывного действия, позволяющих непрерывно разделять нефть на 3–5 фракций. Создатели батарей – русские инженеры Инчик, Шухов и Елин. Эти установки эксплуатировались на ряде заводов до 40-х годов XX века.

В1890 г. Шуховым и Гавриловым была запатентована трубчатая нефтеперегонная установка непрерывного действия, в которой непре- рывный нагрев нефти осуществлялся в трубном змеевике печи, а раз- деление испарившейся нефти на фракции проводилось в тарельчатых колоннах. Суть этого изобретения лежит в основе всех современных установок прямой перегонки нефти.

Вначале XX века практически вся добыча нефти была сосредо- точена в районе Баку (Россия). В 1913 г. в России было добыто око- ло 13 млн т нефти, из которых 82 % приходилось на Баку, 16 % – на Грозный, остальное – на Урало-Эмбенский район, Майкоп, Фер- гану. В местах добычи была сосредоточена и переработка нефти.

Развитию нефтепереработки значительно способствовало появ- ление разнообразных двигателей и транспортных средств на их осно- ве, использующих как топливо различные фракции нефти.

14

В1884 году немецким инженером Отто был изобретен двига- тель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием, который ис- пользовал в качестве топлива бензиновые фракции нефти.

Вконце XIX века немецким изобретателем Дизелем был сконст- руирован двигатель с воспламенением от сжатия. В нем в качестве то- плива нашли применение фракции дизельного топлива (180–350 ºС).

На базе этих двигателей в ряде стран в конце XIX – начале XX века возникает автомобильная промышленность (основной по- требитель этих фракций нефти).

Еще больший импульс развитию технологии переработки нефти дало появление авиации – сначала с использованием двигателей внутреннего сгорания, а затем и реактивных, которые потребовали использования в качестве топлива керосиновых фракций.

Если рассматривать нашу страну (XX век), то развитие нефтя- ной, газовой и нефтеперерабатывающей промышленности следует разделить на ряд этапов. После гражданской войны были проведены большие работы, позволившие к 1928 г. восстановить разрушенные промыслы и заводы. Большая заслуга в этом принадлежит академику И.М. Губкину.

Вгоды первой пятилетки (1928–32) в области промыслового де- ла ударное бурение было полностью заменено на вращательное, со- оружены новые нефтепроводы. В нефтепереработке началось пере- вооружение установок прямой перегонки нефти: кубовые батареи были заменены на трубчатые установки; мощность заводов по перера- ботке нефти возросла в 2–3 раза. Были построены новые установки термокрекинга, строились заводы по производству автомобильных и авиационных масел.

Во второй пятилетке (1933–37) продолжилось строительство бо- лее мощных установок прямой перегонки нефти, термокрекинга. Бы- ло организовано производство парафина. Начинается наряду с Баку, Грозным строительство заводов в Уфе, Ишимбае, Москве, Одессе, Хабаровске, Саратове.

15

Третья пятилетка (1938–42) пришлась на годы войны. Основное внимание было уделено развитию добычи нефти и нефтепереработки в восточных районах страны, т.к. европейская часть страны была ок- купирована.

Довоенный уровень добычи и переработки нефти был достигнут к 1949 г. К этому времени существенно возросла мощность установок прямой перегонки нефти. С 1966 г. в строй начали вводиться уста- новки прямой перегонки нефти мощностью 6 млн т/год по количеству перерабатываемого сырья.

В 50–60-е годы развитие нефтепереработки шло по пути внедре- ния технологий переработки сернистых и парафинистых нефтей, в связи с чем были разработаны и внедрены такие процессы, как гид- рочистка дистилляционных фракций, гидрокрекинг остаточных фрак- ций, депарафинизация масляных и дизельных фракций. Получили раз- витие процессы нефтехимии на базе нефтеперерабатывающих и газо- перерабатывающих заводов с получением спиртов, альдегидов, синтетических полимерных продуктов.

Вконце 1991 г. распался Советский Союз. Россия перешла на новые пути экономического развития. Первая российская нефтяная компания была создана в 1992 г. на базе крупных нефтяных месторо- ждений Западной Сибири и двух нефтеперерабатывающих заводов – Волгоградского и Пермского – и получила название «ЛУКОЙЛ».

Внастоящее время основная часть добычи нефти приходится на частные компании. В табл. 1.1 приведены объемы добычи нефти вертикально интегрированными нефтяными компаниями России.

При этом экспорт за 1997, 1998 и 1999 гг. составил соответст- венно 105 398, 113 624 и 110 728,5 тыс. т, а поставки на НПЗ России за тот же период – 171 513,7, 151 621,1 и 158 325,9 тыс. т. Объем пер-

вичной переработки нефти в крупнейших компаниях «ЛУКОЙЛ»

и«Юкос» составил примерно 18–20 млн т/год (1998 и 1999).

16

Таблица 1.1

Добыча нефти и газового конденсата в России, тыс. т

Очевидно, что вертикально интегрированные компании наращи- вают в основном добычу нефти, однако рост темпов нефтепереработ- ки внутри страны существенно отстает от добычи.

Для поддержания объема добычи на необходимом уровне, а тем более – повышения нефтеотдачи используют новые физико-хими- ческие методы воздействия на пласт. К таким методам относятся: по- лимерное заводнение, применение новых реагентов: волокнисто- дисперсных систем, суспензий, активированных измельчением тон- кодиспергированных минеральных систем, углеводородных компози- ций поверхностно-активных веществ (ПАВ); микробиологическое воздействие на пласт.

Большое значение имеет разработка экологически чистых мик- робиологических технологий очистки внутрискважинного оборудо- вания от асфальто-смолисто-парафиновых отложений (АСПО), за- трудняющих добычу нефти. Для борьбы с АСПО уже применяется большой ассортимент ингибиторов, удалителей АСПО, соле- и гид-

17

роотложений, а также модифицированный полиэтилен в качестве по- крытия, т.к. его адгезия к отложениям снижена в 1,5–2,0 раза.

Разработка и внедрение этих комплексных мер способны на 1,5–2,0 % и более повысить добычу нефти за счет ее полного из- влечения, сокращения простоя оборудования вследствие образования минеральных и органических отложений.

1.2. Значение нефти и газа в топливно-энергетическом балансе нашей страны и мира

Топливно-энергетические ресурсы – основа развития любого индустриального общества: это и транспорт, и промышленность, и сельское хозяйство, и уровень жизни людей. Что, в свою очередь, предусматривает наличие источников энергии в достаточном ко- личестве.

Примерно половина всей энергии, потребленной человечеством на протяжении 2000 лет, приходится на последнее столетие. И по- требление энергии продолжает расти.

Ежегодное энергопотребление увеличивается быстрее, чем рас- тет население Земли, и составляет в настоящее время в среднем 2,5–3,0 т у.т. на человека. При этом среднее ежегодное потребление энергии по странам мира весьма неравномерно: в экономически раз- витых странах, например в США, эта цифра составляет 12 т у.т., в СНГ – 6 т у.т., а в развивающихся странах – 0,2 т у.т. на человека.

Если в середине XIX века мировое энергопотребление на 3/4 по- крывали дрова и отходы сельского хозяйства, то уже к началу XX ве- ка дрова были вытеснены из мирового топливно-энергетического ба- ланса (ТЭБ) углем.

Таким образом, в начале XX века основным источником энергии в мире было твердое топливо. Нефть и газ играли незначительную роль в мировом ТЭБ.

Срасширением поиска и увеличением добычи нефти и газа,

атакже с развитием трубопроводного транспорта роль этих источ- ников энергии в силу их исключительных достоинств стала неук- лонно расти.

18

Если в 1930 г. уголь обеспечивал 1/2 всей потребности в энер- гии, то начиная с 30-х годов XX века началось снижение его доли

вмировом ТЭБ. Уголь начал вытесняться нефтью и газом. Это было вызвано в первую очередь изобретением двигателя внутреннего сго- рания и развитием транспорта.

В50–60-е годы XX века прирост доли нефти и газа в мировом ТЭБ происходил быстрыми темпами. К середине 60-х годов XX века доля нефти и газа в мировом ТЭБ превысила долю угля. К 1965 году доля угля составила 39 %, нефти – 34 %, газа – 16–17 %.

В80-е годы эти темпы замедлились, и в последующие годы на- блюдалась обратная картина – постепенное снижение доли нефти

вТЭБ. Такая тенденция сохраняется до настоящего времени и на бли- жайшую перспективу (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Изменение доли источников энергии в мировом топливно-энергетическом балансе в 1900–2020 гг., %

Вто же время если в начале XX века мировое энергопотребле- ние не превышало 1 млрд т у.т. в год, то в 2000 году оно вышло на уровень 16–17 млрд т у.т. в год. Это, в свою очередь, заставляет обращать внимание на обеспечение полного удовлетворения потреб- ности в природных энергоресурсах.

Внастоящее время, по сравнению с 80-ми годами XX века, на- лицо некоторое снижение доли нефти и газа в мировом ТЭБ. Это свя- зано, в первую очередь, с мировым энергетическим кризисом 70-х го- дов. До этого времени добыча и потребление нефти происходили

врезком несоответствии с их удельным весом в общем объеме иско- паемых источников энергии.

19

Внастоящее время доля нефти в мировом ТЭБ превышает

еедолю в разведанных запасах источников энергии в 3 раза, газа – в 2 раза. Доля угля в запасах, наоборот, в 2 раза превышает его долю в потреблении.

в 250 млрд т, потребление нефти – 3 млрд т/год. Разведанные запасы газа – 141 трлн м3, потенциальные запасы – около 200 трлн м3, по- требление – 2 трлн м3/год.

Следует отметить, что роль нефти и газа в мировом ТЭБ будет и далее снижаться. Центр тяжести в энергопотреблении начнет сме- щаться в сторону восполняемых источников энергии. Это энергия солнца, ветра, приливов, а также ядерная энергия. В перспективе – термоядерная энергия.

В топливно-энергетическом балансе наблюдается устойчивый рост потребления ядерной энергии. И это не удивительно: 1 кг ура- на-235 имеет теплотворную способность в 3 миллиона раз выше, чем 1 кг условного органического топлива (1 кг у.т. выделяет при сгора- нии 29,3 МДж, или 7000 ккал). Однако экологические проблемы ис- пользования атомных электростанций (возможные аварии, проблемы захоронения отходов) заставляют задуматься о надежности АЭС и пересмотреть прогнозы темпов их развития.

Преобладание того или иного энергоносителя в различных стра- нах определяется наличием запасов природных источников энергии, близостью к странам, богатым теми или иными органическими иско- паемыми, и т.п.

По запасам нефти и природного газа Россия занимает одно из первых мест в мире, однако места их залегания расположены в районах с суровыми климатическими условиями (Крайний Север, Восточная Сибирь, шельфы морей).

Дефицит нефти и газа выдвинул на первый план задачу исполь- зования высоковязких нефтей и природных битумов. Во многих стра-

20