Краткие сведения о нефтехимических производствах
Нефтехимической промышленностьюпринято называть производство химических продуктов на основе нефти и газа. К нефтехимическим производствам относятся:
1) производство сырья — олефинов, диенов, ароматических и наф
теновых углеводородов;
2) производство полупродуктов — спиртов, альдегидов, кетонов, ан
гидридов, кислот и др.;
3) производство поверхностно-активных веществ;
4) производство высокомолекулярных соединений — полимеров.
Производство нефтехимического сырья.Нефтяные фракции и
газы не могут быть прямо переработаны в товарные химические продукты. Для такой переработки нужно предварительно получить химически активные углеводороды, к которым относятся в первую оче-редь непредельные углеводороды (олефины): этилен С2Н4, пропилен С3Н6 бутилен С4Н8 и др. Основным промышленным методом получения олефинов является пиролиз различного газообразного и жидкого нефтяного сырья.
184 Часть I. Основы нефтегазового дела
Еще одним видом сырья для нефтехимического производства служит ацетилен С2Н2, получаемый при высокой температуре путем электрокрекинга (в условиях вольтовой дуги) метана. Ацетилен является одним из исходных материалов для производства синтетических волокон и пластмасс.
Производство спиртов.Спирты применяют в производстве синтетических полимеров, каучуков, моющих веществ, в качестве растворителей, экстрагентов и для других целей. Одним из важнейших методов производства спиртов является гидратация олефинов, в ходе которой вырабатывают этиловый, изопропиловый, изобутиловый и другие спирты. Метиловый спирт получают гидрированием окиси углерода (соединение СО и водорода в условиях высоких давлений и температур в присутствии катализатора). Высшие спирты образуются при гидрировании высших жирных кислот и их эфиров, альдегидов и др.
Производство поверхностно-активных веществ.Для производства синтетических материалов необходимы ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилол, нафталин и др. Бензол применяется главным образом для производства стирола и фенола. При взаимодействии с низкомолекулярными олефинами (этилен, пропилен, бутилен) из фенола получают промежуточные продукты, необходимые для производства моющих веществ, смол и присадок к маслам. Толуол в основном используется как высокооктановая добавка к моторным топливам и как растворитель. Ксилол применяется при производстве синтетических волокон («лавсан»).
Долгое время единственным промышленным методом получения ароматических углеводородов из нефти был пиролиз. В настоящее время их получают также при каталитическом риформинге узких бензиновых фракций.
Производство полимеров.К высокомолекулярным соединениям (полимерам) относят вещества с молекулярной массой 5000 и более. Полимеры состоят из многократно повторяющихся элементов — остатков мономеров.
Основными методами синтеза полимеров являются полимеризация и поликонденсация. Полимеризациейназывается реакция образования высокомолекулярных веществ путем соединения нескольких молекул мономера, которая не сопровождается изменением их состава. При поликонденсацииобразование полимеров сопровождается выделением какого-либо низкомолекулярного вещества (воды, спирта, аммиака и др.). Поэтому состав элементарного звена полимера в данном случае не соответствует элементарному составу исходного мономера.
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 185
Многообразие вырабатываемых полимеров обусловливает различные технологии их производства.
Простейший технологический процесс производства синтетического каучукавыглядит следующим образом. Из этилена путем гидратации получают этиловый спирт. Испаряя его в герметически закрытых сосудах и нагревая пары до нескольких сот градусов в реакторе в присутствии специального катализатора, получают бутадиен. После очистки бутадиен подвергают каталитической полимеризации, вырабатывая каучук-сырец. Перемешивая его при пониженном давлении, из каучука-сырца удаляют газы. Из полученного продукта получают полотнища каучука, которые в рулонах доставляют на заводы по производству резины для последующего изготовления различных изделий.
К группе пластмассотносятся винипласт, пенопласт, полиэтилен, тефлон и другие материалы. Винипласт получают в результате химической переработки поливинилхлоридной смолы, образуемой при реакции этилена с хлором. Винипласт используется для производства электроизоляционных материалов, изготовления труб и арматуры для химической промышленности и т. д.
Кроме того, добавляя к винипласту специальное вещество, выделяющее большое количество газов при нагревании (порофор), получают пенопласт. Промышленный пенопласт в 7... 10 раз легче воды.
Широкое распространение получил полиэтилен — высокомолекулярный продукт полимеризации этилена. Различают полиэтилен высокого давления и полиэтилен низкого давления. Первый получают при давлении 100...300 МПа и температуре 100...300 °С в присутствии кислорода. Для этого процесса требуется этилен высокой частоты. Полиэтилен низкого давления получают путем полимеризации этилена при давлении до 1 МПа и температуре 60...80 "С в присутствии специального катализатора.
Тефлон (полифторэтилен) получают путем полимеризации мономера — тетрафторэтилена. Такие мономеры обычно получают из этилена, заменяя в его молекулах атомы водорода атомами фтора.
Из синтетических волоконв настоящее время наиболее широкое распространение получили капрон, лавсан, нитрон и др.
Исходным материалом для выработки капрона является капролак-там. Его получают в результате сложной химической переработки фенола или бензола. Подвергая капролактам полимеризации при температуре 250 °С в присутствии азота, получают капроновую смолу, из которой впоследствии вырабатывают капроновое волокно.
Лавсан вырабатывают из пара-ксилола, который, в свою очередь, получают путем каталитической переработки бензиновых фракций на установках каталитического риформинга.
186 Часть I. Основы нефтегазового дела
4.3.2. Основные продукты нефтехимии
Поверхностно-активные вещества(ПАВ) широко применяются в различных отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту.
В нефтедобыче (см. главу 2) ПАВ применяют для разрушения водо-нефтяных эмульсий, образующихся в ходе извлечения нефти на поверхность земли и ее движения по промысловым трубопроводам. ПАВ добавляют в воду при мойке резервуаров и отсеков танкеров, чтобы ускорить процесс. Одним из способов перекачки высоковязкой нефти является ее совместный транспорт с водой, обработанной раствором ПАВ: в этом случае вода хорошо смачивает металл и нефть движется как бы внутри водяного кольца.
Кроме того, ПАВ используют при изготовлении синтетических моющих веществ, косметических препаратов, лосьонов, зубных паст, туалетного мыла, при дублении кожи, крашении меха, при хлебопечении, получении противопожарных пен, при изготовлении кондитерских изделий и мороженого, в качестве пенообразователя при производстве бродящих напитков (квас, пиво) и др.
Несмотря на большое многообразие ПАВ, все они могут быть разделены на две группы: ионогенные ПАВ, которые при растворении в воде диссоциируют на ионы) и неионогенные ПАВ, которые на ионы не диссоциируют.
В зависимости от того, какими ионами обусловлена поверхностная активность ионогенных веществ, — анионами или катионами, ионогенные вещества подразделяются на анионоактивные, катионоак-тивные и амфолитные. Последние отличаются тем, что в кислом растворе ведут себя как катионоактивные ПАВ, а в щелочном растворе — как анионоактивные.
По растворимости в тех или иных средах ПАВ бывают водорастворимые, водомаслорастворимые и маслорастворимые.
Синтетические каучукипришли на смену каучуку натуральному. Термин «каучук» происходит от слова «каучу», которым жители Бразилии обозначали продукт, получаемый из млечного сока (латекса) гевеи, растущей на берегах р. Амазонки. Натуральный каучук выделяли из латекса коагуляцией с помощью муравьиной, щавелевой или уксусной кислоты. Образующийся рыхлый сгусток промывали водой и прокатывали на вальцах для получения листов. Затем их сушили и коптили в камерах, наполненных дымом, с целью придания натуральному каучуку устойчивости против окисления и микроорганизмов.
В качестве исходных материалов для производства синтетического каучука в настоящее время используются, в основном, бутадиен,
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 187
стирол, изопрен и другие мономеры, получаемые из углеводородных газов природного и промышленного происхождения.
Производятся различные виды синтетического каучука, подразделяемые на две группы: каучуки общего назначения (-80% от общемирового производства) и специальные. Первые применяют там, где необходима только характерная для каучуков эластичность при обычных температурах. Специальные каучуки используются в производстве изделий, которые должны обладать стойкостью к действию растворителей, масел, тепло- и морозостойкостью.
Пластическими массаминазывают конструкционные материалы, полученные на основе полимера и обладающие способностью формироваться и в обычных условиях сохранять приданную им форму в виде готовых изделий. Кроме полимеров, в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители и другие добавки.
Наполнители вводят для улучшения физико-механических свойств пластмасс, уменьшения усадки и снижения их стоимости. В качестве наполнителей используют древесную муку, бумагу, хлопчатобумажную ткань, слюду, тальк, каолин, стекловолокно.
Пластификаторы придают пластмассам гибкость и эластичность, уменьшают жесткость и хрупкость. В качестве пластификаторов используют дибутилфталат, стеарин, камфору, глицерин и др.
Стабилизаторы (противостарители, антиокислители, термостабилизаторы и др.) способствуют длительному сохранению пластмассами своих свойств в условиях эксплуатации.
Красители вводят в пластмассу с целью придания ей нужного цвета.
В зависимости от поведения при нагревании пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные пластмассы (термопласты) при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова затвердевают. Размягчение и отверждение можно производить многократно. К термопластам относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, фторопласты и др. Термореактивные пластмассы (реактопласты) в начале термообработки размягчаются, становятся пластичными и принимают заданную форму. Однако при дальнейшем нагревании они теряют пластичность и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. К реактопластам относятся фенопласты, аминопласты и др.
Пластические массы известны человечеству с древних времен. Изготовляли их на основе природных смол — канифоли, битумов и др. Старейшим пластическим материалом, приготовленным из искусст-
188 Часть I. Основы нефтегазового дела
венного полимера — нитрата целлюлозы, является целлулоид, производство которого было начато в США в 1872 г. В 1906... 1910 гг. в России и Германии были изготовлены первые реактопласты на основе феноло-формальдегидной смолы. В 1930-х гг. в СССР, Германии и других промышленно развитых странах было организовано производство термопластов — поливинилхлорида, полистирола и др. Однако бурное развитие промышленности пластмасс началось только после второй мировой войны. В 50-х годах во многих странах был начат выпуск «пластика номер один» — полиэтилена.
Сегодня представить нашу жизнь без пластмасс невозможно. В строительстве их используют при отделочных работах, в виде стеновых панелей, оконных переплетов, дверей и т. п. В машиностроении из пластмасс изготовляют зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, трубы и т. д. В авиастроении с использованием реактопластов изготовляют реактивные двигатели, крылья, фюзеляжи самолетов, несущие винты вертолетов, топливные баки и др. В автомобилестроении из пластмасс изготовляют детали двигателя, трансмиссии, шасси, кузова, элементы отделки салона. В медицине используют пластмассовый инструмент, сердечные клапаны, протезы конечностей, хрусталики глаза и др. Этот перечень можно было бы продолжить.
Синтетические волокнанаряду с натуральными и искусственными широко используются для бытовых и технических целей.
Возможность получения химических волокон из различных веществ (клей, смолы) предсказывалась еще в XVII—XVIII вв. Однако их производство впервые в промышленных масштабах было организовано во Франции в 1891 г.
Производство синтетических волокон началось с выпуска в 1932 г. поливинилхлоридного волокна (Германия). В 1942 г. в промышленном масштабе было выпущено наиболее известное полиамидное волокно — капрон (США).
В настоящее время, кроме полиамидного волокна, производят также полиэфирное (лавсан), полиакрилонитрильное (нитрон), поливи-нилхлоридное и полипропиленовое волокна. Их выпускают в виде текстильных и кордных нитей, а также в виде штапельного волокна.
Синтетические волокна обладают высокой разрывной прочностью, хорошей формоустойчивостью, несминаемостью, стойкостью к воздействию света, влаги, плесени, температуры. Разнообразие свойств исходных синтетических полимеров, а также возможность модификации как исходного сырья (мономера), так и самого волокна позволяет получать продукцию с заданными свойствами и высокого каче-
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 189
ства. В связи с этим синтетические волокна во многих случаях вытесняют натуральные и искусственные.
Ткани из синтетических волокон применяются не только в быту. Они используются как электрооблицовочные и изоляционные материалы в автомобилях, железнодорожных вагонах, морских и речных судах. Синтетическим волокнам отдают предпочтение при изготовлении канатов, рыболовных сетей, парашютов и других изделий, где требуются материалы, отличающиеся высокой прочностью на разрыв.
РЕЗЮМЕ
При переработке нефти в настоящее время получают: 1) топливо; 2) нефтяные масла; 3) парафины, церезины, вазелины; 4) нефтяные битумы; 5) осветительные керосины; 6) растворители; 7) прочие нефтепродукты (нефтяной кокс, сажу, консистентные смазки и др.). Переработка нефти осуществляется на нефтеперерабатывающих заводах.
Природные горючие газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах, которые строят вблизи крупных нефтяных и газовых месторождений. Предварительно газы очищают от механических примесей (частиц пыли, песка, окалины и т. д.), осушают и очищают от сероводорода и углекислого газа. Продуктами первичной переработки природных горючих газов являются газовый бензин, сжиженные и сухие газы, технические углеводороды: этан, пропан, бутаны, пен-таны.
Нефтехимической промышленностью принято называть производство химических продуктов на основе нефти и газа, к которому относятся:
1) производство сырья — олефинов, диенов, ароматических и наф
теновых углеводородов;
2) производство полупродуктов — спиртов, альдегидов, кетонов, ан
гидридов, кислот и др.;
3) производство поверхностно-активных веществ;
4) производство высокомолекулярных соединений — полимеров.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
1. Назовите основные продукты переработки нефти.
2. Охарактеризуйте основные этапы переработки нефти.
3. Назовите и охарактеризуйте основные типы нефтеперерабаты
вающих заводов.
190 Часть I. Основы нефтегазового дела
4. Каковы основные процессы, применяемые на газоперерабаты
вающих заводах?
5. В чем состоят различия нефтепереработки и нефтехимического
производства?
6. Что является сырьем для нефтехимического производства?
ЛИТЕРАТУРА
1. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и при
родного газа: Учеб. пособие для студентов вузов. — М.: Химия, 2001.
2. Основы нефтегазового дела: Учебник / А.А. Коршак, А.М. Шам-
мазов. — 2-е изд., доп. и испр. —Уфа: ДизайнПолиграфСервис, 2002.
3. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии:
Учебник для вузов / А.И. Скобло, Ю.К. Молоканов, АИ. Владимиров,
В.А. Щелкунов. —3-е изд., перераб. и доп. — М.: Недра, 2000.
4. Шарафиев Р.Г. Техника сбора, подготовки и переработки нефти
и газа (конструкция, расчеты и испытания): Учеб. пособие. —Уфа:
Уфим. гос. нефт. техн. ун-т, 1997.
ГЛАВА 5. ХРАНЕНИЕ НЕФТИ, НЕФТЕПРОДУКТОВИ ГАЗА
5.1. Хранение и распределение нефти и нефтепродуктов
5.1.1. Классификация нефтебаз
5.1.2. Операции, проводимые на нефтебазах
5.1.3. Объекты нефтебаз и их размещение
5.1.4. Сливо-наливные устройства для железнодорожных цистерн
5.1.5. Нефтяные гавани, причалы и пирсы
5.1.6. Установки налива автомобильных цистерн
5.1.7. Подземное хранение нефтепродуктов
5.1.8. Автозаправочные станции
5.2. Хранение и распределение газа
5.2.1. Неравномерность газопотребления и методы ее компенсации
5.1.1. Хранение газа в газгольдерах
5.2.1. Подземные газохранилища
5.2.2. Газораспределительные сети
5.2.3. Газорегуляторные пункты
5.2.4. Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции
5.2.5. Использование сжиженных углеводородных газов в системе газоснабжения
5.2.6. Хранилища сжиженных углеводородных газов
Резюме
Контрольные вопросы и задания
Литература
5.1. ХРАНЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ