Нефть

Нефть относится к большой группе ископаемых, известных под общим названием битуминозных.

Все битуминозные вещества можно подразделить на три большие группы.

Из всех битумов для нас интереснее всего нефть и неразрывно с ней связанный естественный газ.

Битуминозные ископаемые и, в частности, нефть известны человечеству с незапамятных времен.

Нефтяная промышленность в том виде, как она известна теперь, появилась и развилась сравнительно очень недавно. Первая буровая скважина для добычи нефти была заложена американцем, инженером Дрэком в Пенсильвании в 1 859 году

Нефть разбросана по всему земному шару, но не все месторождения можно считать выгодными для разработки. Главные европейские месторождения находятся в СССР на Южном и Северном Кавказе и по северному побережью Каспийского моря, в районе реки Эмбы. Кроме того в СССР имеется целый ряд известных, но еще не разрабатываемых месторождений, по левому берегу р. Волги в Самарской губернии и Татреспублике и, кроме того, по рекам Ухте и Печоре.

Большие месторождения нефти находятся в Румынии и Галиции.

В Америке находятся самые богатые нефтяные месторождения из всех доселе известных; они разбросаны по Соединенным Штатам в штате Пенсильвания, по западному берегу, в Калифорнии, и по штатам, расположенным на берегу Мексиканского залива. Имеются также залежи в Канаде и Мексике и недавно открытые в Южной Америке. Из азиатских месторождений наиболее известны таковые в Индии, Японии и Персии. Как быстро шло развитие нефтяной промышленности видно из следующих цифр, выражающих добычу нефти по годам в тоннах.

1. Газы	Естественные газы
2. Жидкие вещества	Нефть (жидкая, прозрачная бесцветная или окрашенная). Горный деготь, земляной деготь, смола
3. Твердые вещества	Горный воск, эластичный, твердый от желтого до черного цвета. Горная смола, эластичная черная. Асфальт, хрупкий, черный

Год	тонн	Год	тонн	Год	тонн
1860	31 200	1890	10 729 000	1913	53 854 000
1870	812 000	1900	20 879 000	1922	119 673 000
1880	4 201 000	1910	45 886 000	1923	141 439 000

Такой необыкновенно быстрый рост нефтяной промышленности объясняется удобством применения продуктов, получаемых из нефти. Сильное развитие автомобильного Транспорта и авиации потребовали огромных количеств высокого качества топлива—бензина, единственным источником которого в настоящее время является нефть. Кроме бензина, из нефти получаются осветительные и смазочные масла.

Нефть может служить также сырьем для добывания целого ряда химических продуктов, но до сих пор в этом направлении она используется очень мало.

Состав нефти

Нефть по своему составу относится к так называемым углеводородам с небольшим количеством сернистых, кислородных и азотистых соединений. Углеводсфоды нефти не все одинаковы по своим свойствам. Ксли взять нефть бакинскую и сравнить ее с нефтью, взятой из Пенсильвании, то мы увидим, что одна нефть будет отличаться от другой по целому ряду свойств.

Такое различие нефти обусловливается различием отдельных групп углеводородов, входящих в состав той или другой нефти.

Физические свойства

Большинство нефтей в сыром состоянии представляют собой подвижные жидкости от коричневого до черного цвета; очень редко встречаются бесцветные или желтые нефти. Нефти легче воды. Важным свойством нефти является ее легкая испаряемость на воздухе. У различных нефтей способность испаряться не одинакова. Чем быстрее испаряется нефть, тем больше она теряет во время своего хранения, тем опаснее она в пожарном отношении. Испаряемость нефти характеризуется до некоторой степени ее начальной температурой кипения, которая колеблется от 82 до 170° Ц. Наши Биби-Эйбатские и Балаханская нефти закипают соответственно при 91—105° Ц.

Химические свойства

Химические свойства нефтей обусловливаются углеводородными группами, которые входят в их состав. Одни нефти отличаются очень большой устойчивостью по отношению к воздействию химических реактивов и воздуха, другие же отличаются сравнительно малой устойчивостью и под влиянием кислорода воздуха подвергаются целому ряду изменений, в результате которых в них происходит накопление смолистых веществ.

Физиологические свойства

Физиологически действие нефти сказывается на нервной системе и долгое вдыхание нефтяных паров вызывает явления отравления: головную боль, рвоту и раздражение слизистых оболочек.

Происхождение нефти

Вопрос о происхождении нефти является одним из наиболее трудно разрешимых; над ним работали и работают много крупных ученых. Все существующие теории о происхождении нефти можно подразделить на космическую, минеральную и органическую.

Космическая теория происхождения нефти заключается в допущении существования нефтяных углеводородов на раскаленных планетах, которые при охлаждении накапливались в определенных местах. В доказательство правдоподобности этой теории приводится присутствие нефтеподобных масс в метеоритах (падающие звезды).

Теория минерального происхождения нефти появилась давно, но была фундаментально разработана великим ученым Д. И. Менделеевым и французским химиком Муассаном. В основу этой теории положено предположение, что внутри нашей планеты существуют углеродистые соединения различных металлов, называемые карбидами, и, в частности, карбиды железа. Если при высокой температуре на карбиды железа действовать соленой водой, то выделяются углеводороды и водород, которые, под влиянием высокой температуры и давления, дают продукт, очень близко напоминающий нефть. Экспериментальные работы различных ученых над действием воды на углеродистое железо при высоких температурах и под давлением вполне подтвердили возможность образования нефти таким путем.

Теория органического происхождения нефти насчитывает в настоящее время самое большое число последователей. Главными учеными, разработавшими эту теорию, были химик Энглер и геолог Гефер. Они доказывают, что нефть произошла от разложения без доступа воздуха животных организмов, главным образом, рыб. Энглеру в лабораторных опытах удалось получить при разложении рыб жидкость, по своему виду очень сходную с нефтью.

Присутствие азота в нефти, по их мнению, является также доказательством того, что нефть произошла из остатков животных организмов.

Есть ученые, как геологи, так и химики, которые приписывают нефти растительное и животно-растительное происхождение. Эта теория в последнее время начинает приобретать все больший интерес.

Рисунок 34. Нефтяной фонтан.

Добыча нефти

В древности нефть добывалась из колодцев, откуда она вычерпывалась кожаными ведрами — бурдюками, и только в середине прошлого столетия появляются первые буровые скважины для добывания нефти. Буровые скважины делаются особыми орудиями, имеющими вид долота или бура. В зависимости от характера почвы применяют тот или другой вид инструмента. В начале бурения вырывают колодезь и начинают вести буровую скважину; по мере углубления бура ведут вместе с ним так называемые обсадные трубы, назначение которых—предупредить обсыпание стенок буровой скважины. Буровые скважины в настоящее время достигают глубины около 1 000 метров. Иногда из буровой скважины вырывается газ вместе с нефтью или водой, захватывая с собой песок и выкидывал все буровые инструменты из скважины; таким образом получается нефтяной фонтан (рисунок 34), который бьет с большей или меньшей силой, в зависимости от характера залегания нефти. Иногда же нефть не выбрасывается наверх, и ее приходится доставать или выкачивать снизу тонн поверхность земли. У нас до настоящего времени применяют для целей добычи нефти желонки (рисунок 35), прибор очень несовершенный.

Рисунок 35. Желонка для извлечения нефти.

В Америке широко используется природный нефтяной газ, который обычно выделяется из нефтяных скважин для целей отопления, освещения, а также для извлечения из него легкого бензина. Добыча нефти производится при помощи особых насосов, которые выкачивают нефть из скважин; верх скважины герметически закрывается, и от нее делается газоотводная труба, по которой газ поступает сначала на извлечение из него легкого бензина, а далее—в газгольдер.

Рисунок 36. Перегонный куб для нефти.

Нефть, выходящая из скважин, поступает в особые резервуары, представляющие собою огромные бет.ые бассейны, где она отстаивается от воды и грязи. Отстоенная нефть перекачивается на нефтеперегонные заводы.

Переработка нефти

Нефть, в зависимости от ее состава и свойств различных погонов, перерабатывается или на бензин, керосин и мазут для отопления, или же на бензин, керосин и смазочные масла. Некоторые нефти, содержащие большое количество парафина, перерабатываются и на парафин. Переработку нефти ведут перегонкой, разделением ее на фракции.

Существуют два способа перегонки— периодический и непрерывный.

Получение керосина и бензина

Перегонку нефти ведут в так называемых перегонных кубах, которые имеют цилиндрическую форму и лежат вроде паровых котлов; кубы другого типа— вертикальные цилиндры с волнистым дном—называются вагонными кубами.

На рисунке 36 изображен лежачий цилиндрический перегонный куб A, с дефлегматором в верхней части В. Котел отапливается нефтью в топке С. Горячие газы проходят под сводом и возвращаются обратно по дымоходу C₁, находящемуся непосредственно под дном перегонного куба, и уходят через боковые дымоходы C₂—C₂, в боров и дымовую трубу. Из рисунка видно, что боковые дымоходы куба располагаются возможно ниже; это делается для того, чтобы избежать нагрева стенок куба, не закрытых нефтью. Если допустить такой нагрев, то это вызовет более быстрое изнашивание стенок, с одной стороны, и возможное разложение и перегрев нефти—с другой; оба эти явления крайне нежелательны. Работа вагонных кубов ничем не отличается от лежачих кубов.

Рисунок 37. Дефлегматор.

Устройство дефлегматора 1) ясно из рисунка 37. Стрелка показывает направление движения паров. Пары должны пройти по зигзагообразной линии, несколько раз ударяясь о перегородки и меняя свой путь. Благодаря ударам и постоянной перемене направлений, мелкие капли нефти, унесенные парами, собираются в более крупные и стекают вниз, откуда по особой трубке поступают обратно в кубических

Пары нефти, пройдя дефлегматор, проходят через подогреватель в холодильник. Холодильники имеют различное устройство и делаются в виде змеевиков.

После отгонки бензина и керосина в перегонном кубе остается мазут, нагретый до высокой температуры; если перегонка шла без пара, то температура его поднимается до 350° Ц. Спуск разогретого до такой температуры мазута далеко не безопасен, и поэтому, прежде чем спускать из куба мазут, необходимо его охлаждать до температуры в 100—150° Ц.

1) Прибор, назначение которого улавливать капельки жидкости и конденсировать высоко кипящие составные части.

Перегонка с водяным паром

Описанная перегонка ведется непосредственным нагреванием нефти при помощи сжигаемого под котлом топлива. Такой способ имеет ряд недостатков, причем одним из самых главных надо считать возможность перегрева нефти с последуюпщм ее разложением. При перегонке на голом огне обычно циркуляция нефти в кубе бывает недостаточна, и нефть остается довольно долгое время в соприкосновении с сильно нагретыми стенками котла.

Для устранения этого недостатка и для отгонки очень высоко кипящих составных частей нефти ведут перегонку с водяным паром, с естественным газом или инертными газами, вроде азота и углекислоты. В последнее время гонку на керосин почти всегда ведут с водяным паром, что обусловливает получение дестиллатов, которые требуют меньщей затраты материалов при очистке. Недостаток перегонки с водяным паром—увеличение поверхности охлаждения в холодильниках и повышение расхода воды на охлаждение дестиллата.

Непрерывная перегонка

Периодическая перегонка нефти имеет большой недостаток, заключающийся в том, что куб приходится после окончания перегонки охлаждать для спуска из него мазута или гудрона и снова нагревать для перегонки. Чтобы избежать таких остановок и непроизводительных затрат топлива, были предложены установки, в которых перегонка ведется непрерывно. В СССР непрерывная перегонка производится по системе Нобеля.

Вообще при непрерывных перегонках устанавливается несколько перегонных кубов, из которых каждый служит для получения из него дестиллатов с определенным удельным весом. Число кубов в батарее зависит от количества получаемых дестиллатов, а также и от производительности батарей. Батарея по системе Нобеля устанавливается следующим образом: первый куб стоит выше всех других, а остальные кубы идут уступами, приблизительно каждый на 15—20 сантиметров ниже предыдущего. Все кубы соединяются одной трубой, по которой поступает нефть.

В Америке перегонку ведут с „крэкингом“. Крэкинг, в переводе на русский язык, значит расщепление, растрескивание. Особенность этого способа заключается в том, что при нем явления перегрева и разложения нефти желательны.

Этот способ в Америке широко применяется при переработке нефтей, мазут которых нельзя переработать на хорошие смазочные масла. Так как у американцев большая потребность в легком топливе, то они и ведут гонку так, чтобы получить возможно больший выход легких погонов, что и достигается разложением более тяжелых составных частей нефти на легкие. У нас этот способ не применяется.

Нефтяные продукты, получающиеся при перегонке нефти, можно разделить на бензин, осветительные масла (сюда относится керосин, остралин, пиронафт и другие), смазочные масла (соляровые, веретенные, машинные, цилиндровые) и остаток в кубе—нефтяной гудрон.

Бензин

Бензином называется первая фракция перегонки сырой нефти. Бензины разделяются на легкие, средние и тяжелые. Легкие бензины часто называются петролейным эфиром и должны перегоняться нацело до 100° Ц. Средние бензины должны перегоняться до 120° Ц (90%), а остальное представляет собою тяжелые бензины. Главное применение этих продуктов находят в авиационных и автомобильных моторах и в качестве растворителей при экстракции жиров, канифолей и других продуктов.

Осветительные масла

Осветительные масла разделяются на целый ряд продуктов, в зависимости от их свойств и назначения. Главным продуктом является керосин, который широко применяется для освещения жилых помещений и городских улиц; керосин характеризуется температурой вспышки ¹), которая должна быть не ниже 28° Ц и отсутствием смол и кислот. Хороший русский керосин обычно имеет температуру вспышки 30—32° Ц. Остралин имеет температуру вспышки 48—58° Ц, а пиронафт выше 100° Ц.

Оба последние продукта в обыкновенных лампах гореть не могут и употребляются при различных работах, где происходит освещение открытыми фитилями.

Смазочные масла

Смазочные масла получаются из мазута (остаток после отгонки бензина и керосина при перегонке с перегретым водяным паром или нефтяными газами). Отбирание фракций при перегонке с водяным паром производится по удельным весам получаемых продуктов.

Удельные веса отдельных фракций могут меняться в зависимости от их характеристики, и поэтому удельные веса не могут служить достаточной характеристикой при определении свойства и назначения масла. Смазочные масла достаточно точно могут быть охарактеризованы температурой вспышки и их вязкостью. Температура вспышки дает возможность определить предельные температурные условия, в которых может быть применяемо данное масло; например температура вспышки цилиндрового масла от 240° до 300° Ц, в зависимости от условий его применения; если цилиндровое масло назначается для смазки паровых машин, работающих перегретым паром, то в этих случаях требуется особого сорта масло, обладающее очень высокой температурой вспышки и большой вязкостью. Вязкость до некоторой степени может характеризовать, смазывающую способность масла; чем выше вязкость, тем более пригодно масло для смазки тяжелых частей машин.

1) Температурой вспышки называется температура, когда при поднесении пламени керосин вспыхивает и тотчас же тухнет. Определение ее производится в особом аппарате.

Под вязкостью понимается отношение скорости истечения определенного объёма масла через узкое отверстие при температуре 20—50° Ц или 100° Ц к скорости истечения такого же объёма воды при 20° Ц. Для определения вязкости употребляется особый прибор, называемый вискозиметром.

Очистка продуктов перегонки

Продукты перегонки нефти, получаемые как при перегонке без пара, так и при перегонке с паром никогда не бывают устойчивы по отношению к воздействию воздуха. Если взять, например, совершенно прозрачный дестиллат керосина или бензина и выставить его в открытой чашке на воздух, то через некоторое время он начнет окрашиваться, и в некоторых случаях цвет его может дойти до бурого.

Для того чтобы удалить соединения, обусловливающие неустойчивость свойств дестиллатов, последние подвергают обработке химическими реактивами, в качестве которых применяются купоросное масло, едкий натр и жидкая сернистая кислота (сжиженный сернистый газ).

Купоросное масло осмоляет все способные окисляться соединения, находящиеся в дестиллате; последние в виде смолы осаждаются на дно мешалки, и только очень небольшое количество смолы остается в растворе. Для удаления остатков смолы из масла, его промывают водой и после этого раствором каустической соды. Такая обработка иногда производится несколько раз. После очистки получается продукт, отличающийся большой устойчивостью, который может храниться очень долго, не меняя своих свойств.

В случае нефтей, содержащих большое количество способных окисляться соединений, в последнее время применяют для очистки жидкую сернистую кислоту. Этот способ очистки основан на том, что жидкая сернистая кислота обладает способностью растворять такие соединения с образованием мало устойчивых веществ. Раствор смолистых веществ в сернистой кислоте отделяется отстаиванием. Сернистая кислота может быть легко получена обратно при нагревании. Этот способ обладает, тем недостатком, что все операции должны производиться при очень низкой температуре (около 16° Ц).

Получение бензина крэкинг-процессом

В связи с развитием автомобильного транспорта в Америке, там стал ощущаться недостаток в бензине. Для пополнения этого недостатка американцы прибегают к другим методам его получения. Бензин можно получить и из более высоких нефтяных фракций, разлагая сложные углеводороды на более простые при повышенной температуре.

Такой способ называется крэкинг-процессом. Другой путь получения бензина—конденсация углеводородов из газов, выделяющихся из скважин.

Предложен был целый ряд способов получения бензина по крэкинг-процессу, но из всех их наиболее широкое распространение получил способ Буртона. Этот способ заключается в том, что тяжелые погоны нефти нагревают под давлением до температуры 350—450° Ц. При этом происходит разложение тяжелых погонов с образованием более легких бензинов, которые тотчас же отводятся из аппарата, где происходит крэкинг, в конденсационную систему, где они и сгущаются.

Получение бензина из естественного газа

Естественные газы, выделяющиеся из нефтяных скважин, всегда содержат в себе большее или меньшее количество легких углеводородов, которые при обыкновенной температуре представляют собой жидкости. Эти углеводороды имеют особую ценность, как топливо для аэропланных двигателей. Выделение жидких углеводородов из природного газа появилось только в самое последнее время и производится по двум совершенно разным способам.

Первый способ — адсорбционный—основан на свойстве некоторых веществ (как, например, животный или активированный уголь) поглощать некоторые вещества, отделяя их от других из смесей или растворов. Для поглощения бензиновых углеводородов из газа его пропускают через особую поглотительную башню (абсорбер), наполненную поглощающим веществом. Иногда в качестве поглотителя применяются различные фракции нефтей.

Второй способ—конденсационный—заключается в том, что газ подвергается давлению вместе с охлаждением; при этих условиях бензиновые углеводороды сгущаются и таким образом отделяются от газообразных.