Нефть принадлежит к числу сложных органических веществ. Она представляет собой различные химические соединения углерода и водорода (углеводороды). В зависимости от количества атомов углерода и водорода в молекуле углеводороды могут быть газами, жидкостями или твердыми веществами. Углеводороды с числом атомов углерода, равным четырем (С4Н10), в нормальных условиях — газы. Углеводороды, содержащие от 5 до 15 атомов углерода (С5Н12-С15Н32), — жидкости, а углеводороды, содержащие в молекуле более 15 атомов углерода (С16Н32), — твердые вещества.
Нефть состоит преимущественно из трех основных групп углеводородов: парафиновых, нафтеновых и ароматических.
Парафиновые углеводороды, часто называемые метановыми, или алкановыми, в тех или иных количествах содержатся во всех нефтях. Эти углеводороды нормального строения. Их свойства во многом зависят от величины молекулярного веса. С ростом молекулярного веса парафиновых углеводородов повышается плотность, вязкость, температура плавления и кипения.
Все парафиновые углеводороды обладают наиболее высокой стойкостью против окисления, разложения, полимеризации и обеспечивают большую химическую стабильность нефтепродуктов при хранении и применении. Отрицательным свойством парафиновых углеводородов является высокая температура их застывания. При разгонке нефти твердые парафины попадают в топливные и масляные дистилляты, ухудшают их низкотемпературные свойства (повышается температура застывания). Для понижения температуры застывания топлива и масла требуется проводить депарафинизацию (удалениепарафина) или ограничивать возможность использования топлива и масла в холодное время года.
Нафтеновые углеводороды являются основной составной частью нефтей. В масляных дистиллятах нафтеновые углеводороды составляют 50-75%. Считается, что наиболее ценны нафтеновые углеводороды с длинными боковыми цепями, которые обеспечивают получение масел с хорошей химической стабильностью, низкой температурой застывания и большим индексом вязкости. Нафтеновые углеводороды были открыты русским ученым В. В. Морковниковым, который назвал их так потому, что он впервые обнаружил нафтены в нефти.
Ароматические углеводороды, содержащиеся в некотором количестве во всех фракциях нефти, наименее устойчивы против окисления кислородом воздуха. Они проявляют большую склонность к нагарооб-разованиям по сравнению с нафтеновыми и парафиновыми углеводородами. Поэтому при очистке масел все наименее стойкие ароматические углеводороды удаляются (такое ‘название они получили потому, что имеют специфический запах-аромат).
В нефти имеется небольшое количество кислородных соединений, так называемых асфальтосмолистых веществ и нафтеновых кислот. Последние представляют собой жидкие маслянистые, а иногда твердые вещества, плохо растворимые в воде, обладающие неприятным запахом. Присутствие нафтеновых кислот в нефтепродуктах нежелательно, так как они, реагируя с металлами, образуют соли, что приводит к коррозии деталей двигателя. Асфальтосмолистые-вещества относятся к сложным химическим соединениям, в молекулу которых, кроме углерода и водорода, может входить кислород и сера. Они легко изменяются на воздухе, а также при воздействии температуры. От наличия асфальтосмолистых веществ в нефтепродуктах увеличивается нагарооб-разование.
В нефти содержится небольшое количество серы. Она встречается в ней в свободном состоянии и в виде органических соединений, так называемых меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и т. д. При определенных условиях сернистые соединения могут вызвать коррозию деталей двигателя и других узлов трения.
Кроме углеводородов, кислородных, сернистых и азотистых соединений, нефть содержит 0,1-0,3% минеральных примесей. В небольшом количестве в ней находится и вода. Однако при добыче нефти, а также во время ее транспортировки вода может попасть в большом количестве. Обычно основная масса воды легко осаждается при отстаивании нефти, но в некоторых случаях вода способна образовывать эмульсию, для отделения которой требуются специальные приемы.
Нефть залегает в недрах земли. Глубина ее залегания различна и колеблется от сотен до нескольких тысяч метров. Добывают ее из земли при помощи бурения скважин, откуда ее извлекают фонтанным, компрессорным, глубиннонасосным способами.
При фонтанном (естественном) способе нефть вытесняется из залежи пластовым давлением газов. Чем больше в ее составе газа, тем легче происходит естественное фонтанирование. По мере уменьшения давления в нефтеносном пласте фонтанирование прекращается, и тогда нефть добывают механическими способами, к которым относятся компрессорный и глубиннонасосный.
Компрессорный способ эксплуатации скважин носит также название газлифтного. Газ или воздух под давлением полается в скважину, из которой затем гонят нефть по трубам на поверхность.
Глубиннонасосный способ добычи нефти осуществляется при помощи специальных поршневых глубинных насосов, опускаемых в нижнюю часть скважины на штангах. Этот метод применяется тогда, когла естественной энергии пласта недостаточно для фонтанирования скважин, а компрессорная эксплуатация нецелесообразна вследствие высокого удельного расхода воздуха.
В 1964 г. исполнилось 100 лет отечественной нефтяной промышленности. За это время из недр земли на территории СССР извлечено 2 300 000 000 г нефти, в том числе за последние 10 лет- 1 300 000 000 т.
Для получения различных нефтепродуктов, в том числе дизельного топлива и минеральных смазочных масел, нефть подвергают перегонке. При этом способе переработки из общей смеси многочисленных углеводородов выделяются отдельные группы, которые называют фракциями.
Разделение на фракции основано на том, что углеводороды, входящие в состав нефти, имеют различную температуру кипения. Наиболее легкие фракции нефти выкипают при нагреве до температуры 40-50°С, а наиболее тяжелые — при температуре свыше 400°С*.
Перегоняют нефть в специальных ректификационных колоннах 4 (рис. 1). Технологический процесс перегонки заключается в следующем.
Сырую нефть (обезвоженную и обессоленную) в специальной установке 1 насосами прокачивают через теплообменник 2, подвергая дополнительному подогреву. Из теплообменника она поступает в трубчатую печь 3, где нагревается до температуры 320-330°С. При этой температуре большая часть ее превращается в пары. Пары и неиспарившийся остаток нефти непрерывно поступают в нижнюю часть ректификационной колонны 4. Затем пары поднимаются вверх, постепенно охлаждаются и начинают конденсироваться, а неиспарившийся остаток оседает на дно колонны. Ректификационная колонна имеет внутри ряд полок-тарелок с отверстиями, накрытыми специальными колпачками. Пары более легких углеводородов (бензина) поднимаются вверх колонны, а пары более тяжелых (лигроина, керосина и дизельного топлива) располагаются ниже в порядке возрастания температуры их кипения.
Выделившийся в парообразном состоянии бензин, лигроин, керосин и дизельное топливо конденсируются, т. е. превращаются в жидкость, которая на соответствующих уровнях отводится из колонны. На нижние тарелки стекает неиспарившийся остаток нефти — мазут, служащий для получения смазочных масел. Такой процесс испарения жидкости и конденсации ее паров называется прямой перегонкой, или дистилляцией, а продукт перегонки — дистиллятом. Бензин, лигроин, керосин и дизельное топливо получают из фракций, которые выкипают соответственно при температурах: 35-200, 125-230, 150-315 и 200-360°С.
Из нефти прямой перегонкой получают, как правило, высококачественное дизельное топливо, которое является в настоящее время как бы эталоном. К такому эталону относится прямогонное малосернистое дизельное топливо (содержащее серы не более 0,2%), вырабатываемое по ГОСТ 4749-49. При прямой перегонке выход бензина составляет 13-17%, а дизельного топлива 18-20%- Для получения из нефти большего процента бензина и дизельного топлива применяют крекинг-процесс (термический и каталитический).
Термический крекинг-процесс переработки нефти осуществляется в специальных трубчатых печах при высоких температурах (450-600°С) и высоких давлениях (50-80 кГ/см). Сырьем для крекинг-процесса служит мазут и другие тяжелые фракции, получаемые при прямой перегонке нефти. В основе этого процесса лежит расщепление (распад молекул с большим числом атомов под действием высоких температур) и образование новых молекул с меньшим числом углеродных атомов.
Дизельное топливо, полученное при термическом крекинг-процессе, содержит большое количество непредельных углеводородов. Это снижает цетановое число, вызывает повышенное лако- и нагарообразование в двигателях. Поэтому применение такого топлива для дизелей тепловозов нежелательно.
Каталитический крекинг-процесс в настоящее время получил широкое распространение. При этом процессе обеспечивается получение более высоких качеств бензина и легкого газойля. Каталитический крекинг в отличие от термического производится в присутствии катализатора (алюмосиликата), который ускоряет процесс расщепления тяжелых углеводородов. Сырьем для такого крекинга служат наиболее тяжелые фракции продуктов от прямой перегонки нефти (солярово-газой-левые и лигроиновые).
В применяемое на тепловозах дизельное топливо вводятся незначительные добавки (10-15%) продуктов каталитического крекинга, выкипающего в пределах температур дизельного прямогонного топлива. Полученное указанными способами дизельное топливо подвергают очистке от вредных примесей (сернистых и кислых соединений, смол и т. п.). Очистку производят серной кислотой, отбеливающими глинами и другими реагентами. Для удаления сернистых соединений применяютщелочную очистку, но такой метод не обеспечивает полного снижения сернистых соединений в топливе.
Наиболее совершенным способом удаления серы из дизельного топлива является г и д р о о ч и с т к а (т. е. обработка водородом или гидрирование в специальных стальных реакторах в присутствии алюмокобальт.молиб-денового катализатора) под давлением 50 кПсм2 и температуре 350-400°С. При этих условиях происходит разложение сернистых соединений и образование сероводорода, который затем путем сепарации (отделения) удаляется. Оставшийся после сепарации сероводород обрабатывают раствором едкого натра в щелочном смесителе, промывают водой и после соответствующих анализов сдают потребителям как готовый продукт.
Выход очищенного бессернистого товарного дизельного топлива составляет 96-98%.
Вырабатываемое из нефти топливо по преимущественному использованию классифицируется на следующие виды:
карбюраторное (бензин), предназначенное для авиационных и автомобильных двигателей, работающих от искрового зажигания смеси в камере сгорания;
авиационный керосин марок ТЭ-1, ТС-1, Т-2 и др., используемый в турбореактивных и турбовинтовых авиационных двигателях;
тракторный керосин и лигроин;
дизельное, моторное и соляровое топливо, предназначенное для двигателей, работающих с воспламенением от сжатия;
топочный мазут, иопользуемый в котельных установках, топках паровозов, судах и т. д.;
керосин осветительный, применяемый для бытовых нужд.
Кроме того, из нефти как смеси самых различных углеводородов вырабатывают масла различного ассортимента и самого разнообразного качества. Сырьем для получения масел служит мазут, который перегоняют в трубчатых вакуумных установках.
Во избежание крекинга (разложения углеводородов) перегонку мазута ведут под вакуумом. Вакуумная перегонка основана на законе физики: чем меньше давление, тем ниже температура кипения. Так, например, вода кипит под нормальным атмосферным давлением 760 ммрт. ст. при температуре 100°С, а под давлением примерно 20 мм рт. ст. — при температуре около 20°С. Это дает возможность перегонять мазут для смазочных масел при более низких температурах и избегать его разложения. При таком способе перегонки пары мазута в ректификационной колонне 6 (см. рис. 1) также разделяются на фракции, но только с той разницей, что здесь колонна работает не при атмосферном давлении, а под вакуумом.
При нагревании мазута в трубчатой печи 5 (см. рис. 1) и конденсации паров в колонне 6 вначале получают веретенный дистиллят, затем машинный, автоловый и цилиндровый. После перегонки мазута в остатке получается тяжелый масляный концентрат — гудрон или полугудрон. Последние являются полуфабрикатами для получения остаточных масел, к которым относятся авиационные, цилиндровое 52, брайтсток.
Остаточные авиационные масла имеют более высокие качества по сравнению с дистиллятными, поэтому они применяются для тяжело нагруженных и ответственных механизмов и машин. Кроме того, авиационные масла используются как присадки к некоторым дистил-лятным маслам. Из смеси индустриального (дистиллят-ного) и авиационного масел получают дизельные (Д-11, М-12, М-12Б и М-12В), компрессорные и другие масла, имеющие достаточно высокие смазочные свойства.
Полученные при вакуумной перегонке масляные дистилляты и остатки после их отгона — это еще не масла, а лишь полупродукты, которые содержат, кроме углеводородов, различные асфальтосмолистые вещества, органические кислоты и прочие вредные примеси, ухудшающие качество масла. Для удаления асфальтосмолистых и других вредных веществ из дистиллятных и остаточных масел применяют в основном сернокислотный и селективный способы очистки.
При сернокислотной очистке масло обрабатывают серной кислотой, при этом асфальтосмолистые и другие вредные вещества, вступая в химическую реакцию с серной кислотой, образуют смолистую густую массу, называемую кислым гудроном, которая осаждается на дно мешалки, а затем удаляется.
Селективная очистка масел заключается в обработке их специальными растворителями (пропаном, фенолом форфуролом и другими), которые обладают свойствами извлекать вредные примеси, не уничтожая ценных составных частей масла. Такой способ все более находит широкое применение, так как, обрабатывая масло селективными растворителями, удается значительно улучшить его качество.
⇐ | От автора | | Г. Д. Меркурьев. Тепловозной бригаде о топливе и смазке | | Классификация масел и смазок | ⇒