книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

К инга посвящается светлой памяти моих учителей:

1993), Н иколая Ивановича Чериожукова (1894—1971) — авторовщн-дыдущнхучебников по технологиинефтии газа,

ипрофессораЗапщ уллы Исхаковича Сюняева (1992—2001)

—моего научного руководит еля по кандидатской и докторской диссертациям, автора многих монографий и учебны х пособий по глубокой переработке нефти

ПРЕДИСЛО ВИЕ

После выхода в свет учебника «Технология переработки нефти и газа» в трех частях (часть 1, Гуревич И.Л.; часть 2, Смидович Е.В.; часть 3, Черножуков Н.И.) прошло более 20 лет. За это время отече­ ственная и мировая нефтепереработка претерпела значительные изменения: появились новые высокопроизводительные технологи­ ческие процессы, в т.ч. глубокой переработки нефтяных остатков; широкое применение получили комбинированные технологические установки; разработаны и внедрены новые активные и селективные катализаторы; возникли новые экологические требования к качеству нефтепродуктов; в области рационального использования нефтепро­ дуктов возникла новая отрасль знаний, названная химмотологией; значительно расширились теоретические представления о физико­ химической сущности нефтетехнологических процессов; изменился государственно-политический строй бывшего СССР. В этой связи возникла необходимость подготовки нового учебного пособия, отра­ жающего современный научно-технический уровень развития ми­ ровой и отечественной нефтепереработки.

В отличие от предыдущих устаревших изданий в данном посо­ бии нефтетехнологические процессы рассматриваются в соответ­ ствии с научно обоснованной их классификацией: сначала фи­ зические процессы (первичной переработки нефти и процессы мас­ ляных производств), далее химические процессы в следующей пос­ ледовательности: термодеструктивные, затем каталитические, раз­

11

Глава 1

СОВРЕМ ЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТОПЛИВНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МИРА И РОССИИ

1.1.Значение горючих ископаемых

вмировой экономике

Различные виды горючих ископаемых (природных энергоно­ сителей) - уголь, нефть и природный газ - известны человечеству с доисторических времен. Археологическими раскопками установлено, что на берегу Евфрата нефть добывалась за 6—4 тыс. лет до н.э. Ис­ пользовалась она для различных целей, в т.ч. и в качестве лекар­ ства. Еще строители Вавилонской башни, Великой Китайской стены использовали для скрепления кирпичей между собой «земляную смолу». Применялся асфальт и при сооружении висячих садов Се­ мирамиды, и при строительстве древнейших дамб на реке Евфрат. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошед­ шего в историю под названием «греческий огонь». У народов, насе­ лявших южные берега Каспийского моря, нефть издавна применялась для освещения жилищ. Об этом свидетельствует, в частности, древ­ неримский историк Плутарх, описавший походы Александра Маке­ донского. Упоминания о нефти встречаются в средние века у писа­ телей Ближнего и Среднего Востока, Средней Азии и Западной Ев­ ропы. Состояние бакинского нефтяного промысла в XIII в. описано Марко Поло. Он указывает, что бакинская нефть применялась для освещения и в качестве лекарства от кожных болезней. В централь­ ные районы России в XVI-XVII вв. нефть привозилась из Баку. Ее применяли в медицине, живописи в качестве растворителя при изго­ товлении красок, а также в военном деле для изготовления гранат, не гасимых ветром свечей и «светлых» ядер для «огнестрельных по­ тешных стрельб».

13

Начало использования угля археологи относят к каменному веку (т.е. до 2 млн лет назад). Греческий философ Аристотель описал не­ которые физические свойства угля, сравнивая его с древесным уг­ лем. В 325 г. до н.э. ученик Аристотеля Теофаст называет угли «го­ рячими камнями» - антраксом (откуда и появилось название «ант­ рацит») - и описывает свойства, а также известные в то время мес­ торождения угля. Уголь применяли в качестве бытового топлива с ХШв. сначала в Бельгии, а затем и в других европейских странах.

В 30 - 40-х гг. XVIII в. английский инженер-металлург К. Дерби предложил заменить древесный уголь каменноугольным коксом в доменном процессе. Выделяющийся при коксовании газ стали исполь­ зовать для освещения и бытовых нужд (отсюда название «светиль­ ный газ»).

А из каменноугольной смолы стали выделять такие химические вещества, как бензол, ксилол, антрацен и пек. Петр I придавал боль­ шое значение использованию каменного угля, издав в 1722 г. указ об открытии Донецкого угольного бассейна. «Черным великаном» име­ новал уголь Д.И. Менделеев.

До настоящего времени горючие ископаемые использовали и продолжают использовать главным образом как энергетическое топ­ ливо, т.е. как первичные энергоресурсы. В XX в. к источникам энер­ горесурсов добавились еще гидроресурсы и ядерное топливо. Сово­ купность отраслей промышленности, занятых добычей, тран­ спортировкой и переработкой различных видов горючих ископаемых, а также выработкой, преобразованием и распределением различных видов энергии (тепловой, электрической и др.), называют топливноэнергетическим комплексом (ТЭК). ТЭК включает топливную (не­ фтяную, газовую, угольную, торфяную, сланцевую), нефтеперера­ батывающую, нефтехимическую и энергетическую (тепло-, гидро- и атомную) промышленности.

ТЭК является основой современной мировой экономики. Уровень развития ТЭК отражает социальный и научно-технический прогресс в стране. Действительно, трудно представить жизнь современного человека без топлива, энергии, света, тепла, связи, радио, телевиде­ ния, транспорта и бытовой техники и т.д. Без энергии невозможно развитие кибернетики, средств автоматизации, вычислительной и космической техники. Естественно, поэтому потребление энергии и соответственно энергоресурсов непрерывно возрастало и особенно

14

бурно в XX в. Так, потребление энергии в мире в 1950 г. выросло по сравнению с началом века в 2 раза. Следующее удвоение произош­ ло к 1975 г. При этом потребление нефти и электроэнергии удвои­ лось за 10 -1 2 лет. Такой рост обусловливался не только увеличени­ ем численности населения Земли, но и прежде всего быстрым рос­ том удельной энерговооруженности. В 1980 г. среднее душевое по­ требление энергии в мире составило 2,4 т условного топлива (т у.т.). В конце XX в. 6-миллиардное население Земли потребляло около 15 млрд т у.т. энергии, т.е. примерно 2,0 т у.т. энергии на душу в год.

Около 70 % мае. извлекаемых запасов органических горючих ископаемых мира составляют твердые горючие ископаемые (камен­ ные и бурые угли, антрацит, сланцы, битумы, торф и др.). Роль и значение их по сравнению с жидкими и газообразными горючими были преобладающими до середины нынешнего столетия и остают­ ся весьма значительными в современной мировой экономике. Основ­ ная доля добываемых твердых горючих ископаемых продолжает ис­ пользоваться как энергетическое топливо. Наиболее массовый про­ дукт химической переработки угля - кокс - является основой чер­ ной и цветной металлургии. А из жидкой части - смолы - получают большой ассортимент ценных коксохимических продуктов: краси­ тели, лаки, удобрения, взрывчатые вещества, лекарства, пропиты­ вающие и связующие пеки и углеродные электродные и графитовые изделия и др.

Особенно велико современное экономическое значение нефти и газа. Нефть и газ - уникальные и исключительно полезные ископа­ емые. Продукты их переработки применяют практически во всех отраслях промышленности, на всех видах транспорта, в военном и гражданском строительстве, сельском хозяйстве, энергетике, в быту и т.д. За последние несколько десятилетий из нефти и газа стали вырабатывать в больших количествах разнообразные химические материалы, такие, как пластмассы, синтетические волокна, каучу­ ки, лаки, краски, моющие средства, минеральные удобрения и мно­ гое другое. Не зря называют нефть «черным золотом», а XX век - веком нефти и газа. Нефть и газ определяют не только экономику и технический потенциал, но часто и политику государства.

Однако необходимо отметить, что топливно-энергетический ком­ плекс оказывает и негативное воздействие на природу:

15

-механическое загрязнение воздуха, воды и земли твердыми частицами (пыль, зола);

-химическое, радиоактивное, ионизационное, тепловое, элект­ ромагнитное, шумовое и другие виды загрязнений;

-расход больших количеств воды, земли и кислорода воздуха;

-глобальный парниковый эффект, постепенное повышение сред­ ней температуры биосферы Земли и опасность катастрофы на планете.

1.2. География месторождений и запасы горючих ископаемых в мире

Запасы горючих ископаемых, имеющих различную энергоем­ кость, удобно выражать эквивалентной единицей условного топли­ ва, энергоемкость которого принята за 29 ГДж/т (7000 ккал/кг). Зна­ чения коэффициентов перевода различных видов горючих ископае­ мых в условное топливо, а также в нефтяной эквивалент, приведены в табл. 1.1.

По последним оценкам, извлекаемые мировые запасы горючих ископаемых в мире распределены следующим образом (табл. 1.2).

Основная доля горючих ископаемых в мире представлена твер­ дыми видами топлив (= 70 % экв.). На долю нефти и газа приходится соответственно = 16 и 14 % экв. от извлекаемых запасов органичес­ ких топлив. Распределение извлекаемых запасов горючих ископае­ мых по странам мира приведено в табл. 1.3.

Т аблица 1.1 Энергетические эквиваленты горючих ископаемых

16

Доля отдельных регионов и стран в мировых запасах энергоресурсов (%) и обеспеченность текущей их добычи запасами (лет) (по состоянию к 1.01.1998 г.)

17

Окончание табл. 1.3

*АТР - Азиатско-Тихоокеанский регион.

1.2.1. Ресурсы и месторождения нефти

Мировые извлекаемые запасы нефти оцениваются в 139,5 млрд т (т.е. 208,5 млрд т у.т.). Этих запасов при нынешних объемах добычи нефти хватит на 40,1 лет. Из них 66,4% расположено в странах Ближ­ него и Среднего Востока. Для этого региона характерно не только наличие огромных запасов нефти, но и концентрация их преимуще­ ственно на уникальных (более 1 млрд т) и гигантских (от 300 млн т до 1 млрд т) месторождениях с исключительно высокой продуктив­ ностью скважин. Среди стран этого региона первое место в мире за­ нимает Саудовская Аравия по этому показателю, где сосредоточено более четверти мировых запасов нефти. Огромными запасами не­ фти в этом регионе обладают Ирак, Иран, Кувейт и Абу-Даби - араб­ ские страны, каждая из которых владеет почти десятой частью ми­ ровых ее запасов.

Второе место среди регионов мира занимает Американский кон­ тинент15,3 %мировых извлекаемых запасов нефти. Наиболее круп-

18

ными запасами нефти обладают Венесуэла, Мексика, США, Арген­ тина и Бразилия. Извлекаемые запасы нефти в Африке составляют 6,3%, в т.ч. Ливии - 2,9, Нигерии - 1,5 и Алжире - 0,9%.

До недавнего времени считалось, что Западная Европа бедна нефтью и газом. Но в последние три десятилетия были открыты круп­ ные их месторождения в акватории Северного моря, главным обра­ зом в британских (0,5 млрд т) и норвежских (1,5 млрд т) территориях.

ВАзиатско-Тихоокеанском регионе промышленными запасами нефти обладают Китай (2,35%), Индонезия (0,5), Индия, Малайзия и Австралия (в сумме 1% от мировых).

Восточно-Европейские бывшие социалистические страны и быв­ ший СССР владеют 5,8% извлекаемых запасов нефти, в т.ч. бывший

СССР - 5,6, Россия - 4,76%, т.е. 6,64 млрд т.

Вмире насчитывается в настоящее время более 25 тыс. нефтя­ ных месторождений, имеющих промышленное значение, 29 из них являются уникальными сверхгигантами (монстрами) (табл. 1.4). Сре­ ди них в четырех месторождениях сконцентрировано почти 30 млрд т (22 %) извлекаемых запасов. Большинство уникальных и гигантс­ ких (их 45 в мире) месторождений нефти находится в странах Сред­ него Востока и Латинской Америки.

Самыми крупными из уникальных нефтяных месторождений мира являются Гавар и Большой Бурган. Месторождение Гавар Са­ удовской Аравии с извлекаемым запасом нефти 10,2 млрд т (что пре­ вышает суммарные запасы всех месторождений бывшего СССР) от­ крыто в 1948 г. Длина еш 225 км, ширина от 16 до 25 км, глубина залегания пластов 1550-1750 м. Дебит скважин достигает 1500 т/сут. Большой Бурган (Кувейт) с начальным извлекаемым запасом нефти

в9,9 млрд т выявлен в 1938 г. Глубина залегания пластов 1700 - 2300 м. Суточный дебит скважин достигает 1500 - 2000 т. Эти два монстра представляют собой как бы гигантский подземный резервуар с не­ фтью и являются баснословным богатством для этих маленьких араб­ ских стран.

Если посмотреть на географию месторождений нефти и газа, то нетрудно заметить, что многие из них морские. Считается, что по­ тенциальные морские ресурсы углеводородного сырья составляют более половины общемировых. В наши дни нефть и газ обнаружены на дне всех 5 океанов, в т.ч. Антарктиде. Сегодня добыча морской нефти достигла примерно одной трети от общей ее добычи. Ожида­ ется, что в начале нового века половину нефти и газа будут полу-

19

Таблица 1.4

Уникальные нефтяные месторождения мира (с запасом более 1 млрд т)

чать из недр морей и океанов. Основная часть начальных разведан­ ных запасов и современная мировая добыча углеводородного сырья на шельфе принадлежит пяти регионам: Персидский залив, озеро Маракайбо (принадлежит Венесуэле и Колумбии), Мексиканский залив), Каспийское и Северное море.

20