Презентация на тему «Нефть и её переработка»

Слайд 1. Нефть и её переработка

• Состав, происхождение, добыча и промышленные процессы получения топлив и нефтехимического сырья

Доклад: Тема нашей презентации — «Нефть и её переработка». Мы разберём, из чего состоит эта природная смесь, как она образовалась и какими способами её превращают в бензин, керосин, дизельное топливо и сырьё для полимеров. Материал опирается на школьный курс органической химии и на реальные технологические схемы нефтеперерабатывающих заводов.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Что такое нефть
• Происхождение нефти
• Классы углеводородов нефти
• Элементный состав нефти
• Физические свойства
• Классификация нефтей
• Разведка месторождений
• Способы добычи нефти
• Подготовка нефти к переработке
• Ректификационная колонна
• Фракции прямой перегонки
• Вакуумная перегонка мазута
• Крекинг: два пути
• Каталитический риформинг
• Гидроочистка топлив
• Октановое число
• Продукты нефтехимии
• Экологические последствия
• Ликвидация разливов
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Логика изложения простая: сначала знакомимся с самим веществом — его происхождением, составом и свойствами, затем проходим весь путь от разведки месторождения до готового топлива. Завершим разговором об октановом числе, продуктах нефтехимии и экологических последствиях добычи и переработки.

Слайд 3. Введение

• Нефть остаётся основой мировой энергетики: на неё приходится около трети всего потребляемого человечеством топлива и почти весь транспортный бензин, керосин и дизельное топливо.
• Из нефти получают более тысячи веществ — от полиэтилена и синтетического каучука до лекарств, красителей и удобрений, поэтому её называют «чёрным золотом».
• Переработка нефти — наглядный пример применения школьной химии: разделение смесей перегонкой, реакции крекинга, изомеризации и каталитического риформинга.
• Понимание нефтехимии необходимо и для оценки экологических рисков: разливы, выбросы серы и парниковых газов напрямую связаны с качеством переработки.

Доклад: Нефть по-прежнему обеспечивает около трети мирового потребления энергии и практически весь транспорт. Но её ценность далеко не только в топливе: из неё получают более тысячи веществ — от пластиковых пакетов до лекарств и удобрений. А для химика переработка нефти — это ещё и живая иллюстрация школьных тем: разделения смесей, крекинга и катализа.

Слайд 4. Что такое нефть

• Нефть — природная горючая маслянистая жидкость, представляющая собой сложную смесь жидких углеводородов с растворёнными в ней газообразными и твёрдыми углеводородами, а также сернистыми, азотистыми и кислородсодержащими соединениями.
• ≈4,4 млрд т — мировая добыча за год
• ≈30% — доля в мировом энергобалансе
• более 1000 — продуктов на основе нефти

Доклад: Строгое определение звучит так: нефть — природная горючая маслянистая жидкость, сложная смесь жидких углеводородов с растворёнными в них газами, твёрдыми углеводородами и соединениями серы, азота и кислорода. Обратите внимание на слово «смесь»: у нефти нет формулы и нет постоянной температуры кипения. Масштабы впечатляют — около четырёх с половиной миллиардов тонн добычи в год.

Слайд 5. Происхождение нефти

• Единой общепризнанной теории образования нефти до сих пор нет: конкурируют органическая (биогенная) и неорганическая (абиогенная) гипотезы. Первая объясняет подавляющее большинство месторождений, вторая объясняет отдельные находки в кристаллическом фундаменте.
• Исходное вещество — остатки планктона и водорослей, накопившиеся в морских илах
• Под давлением осадочных толщ и при 60–150 °C органика превращается в кероген, затем в нефть
• Процесс занимает миллионы лет в «нефтяном окне» на глубине 2–5 км
• Подтверждается порфиринами и оптической активностью нефти — «биологическими метками»
• Выдвинута Д. И. Менделеевым: вода проникает к раскалённым карбидам металлов в недрах
• При взаимодействии карбидов с водой образуются углеводороды, поднимающиеся по трещинам
• Современный вариант — синтез углеводородов из метана в мантии при высоких давлениях
• Не объясняет наличие в нефти биологических молекул и приуроченность к осадочным породам

Доклад: Единой теории образования нефти нет до сих пор. Органическая, или биогенная, гипотеза считает исходным материалом остатки планктона, которые под давлением осадочных толщ при шестидесяти-ста пятидесяти градусах превращались в нефть миллионы лет. Неорганическую версию выдвигал ещё Менделеев: вода проникает к карбидам металлов в недрах и даёт углеводороды. Сегодня подавляющее большинство месторождений объясняет именно органическая теория — в нефти находят биологические молекулы-метки.

Слайд 6. Классы углеводородов нефти

• По строению углеродного скелета все углеводороды нефти делят на три больших класса; их соотношение определяет сорт нефти и то, какие продукты из неё выгоднее получать.
• метан
• пропан
• гексан
• октан
• твёрдые парафины
• циклопентан
• циклогексан
• метилциклогексан
• бициклические нафтены
• бензол
• толуол
• ксилолы
• нафталин

Доклад: Все углеводороды нефти делятся на три класса. Алканы, или парафины, — насыщенные соединения с открытой цепью, от метана до твёрдых парафинов. Циклоалканы, они же нафтены, — замкнутые кольца вроде циклогексана. Арены — ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилолы. Соотношение этих классов определяет сорт нефти и то, какие продукты выгоднее из неё получать.

Слайд 7. Элементный состав нефти

• Основу нефти составляют всего два элемента — углерод и водород, на которые приходится до 97–98 % массы.
• Сера, азот и кислород содержатся в малых количествах, но именно они определяют качество сырья и стоимость его очистки.

Доклад: Если разложить нефть по элементам, картина окажется на удивление простой: около восьмидесяти пяти процентов углерода и двенадцати процентов водорода, то есть почти всё вещество — это два элемента. Оставшиеся два-три процента приходятся на серу, кислород и азот. Но именно эта малая доля, прежде всего сера, решает, сколько будет стоить очистка сырья и какое качество топлива мы получим.

Слайд 8. Физические свойства

• Плотность — 0,73–1,04 г/см³; нефть легче воды и не смешивается с ней, поэтому растекается плёнкой.
• Вязкость — от подвижной, как керосин, до густой смолистой массы, что определяет способ добычи и перекачки.
• Температура кипения — постоянной точки нет: нефть кипит в широком интервале от 30 до 600 °C, что и позволяет разделять её перегонкой.
• Температура застывания — от +30 до −60 °C в зависимости от содержания твёрдых парафинов.
• Теплота сгорания — 41–44 МДж/кг, заметно выше, чем у каменного угля и древесины.

Доклад: Плотность нефти — от 0,73 до 1,04 грамма на кубический сантиметр, то есть почти всегда легче воды, поэтому при разливе она растекается плёнкой. Вязкость меняется от почти керосиновой подвижности до густой смолы. Самое важное свойство для переработки — отсутствие постоянной точки кипения: нефть кипит в интервале от тридцати до шестисот градусов, и это позволяет разделять её перегонкой.

Слайд 9. Классификация нефтей

• Товарные сорта различают по плотности и содержанию серы: чем нефть легче и чище, тем она дороже.
• Российский экспортный сорт Urals относится к средним сернистым нефтям, эталонный Brent — к лёгким малосернистым.

Доклад: Товарные сорта различают по двум признакам — плотности и содержанию серы. Лёгкая малосернистая нефть даёт максимум светлых фракций и стоит дороже всего; тяжёлая высокосернистая требует крекинга и деасфальтизации. Российский экспортный сорт Urals относится к средним сернистым, а эталонный Brent — к лёгким малосернистым, отсюда и разница в цене между ними.

Слайд 10. Разведка месторождений

• Нефть залегает не «озёрами», а в порах песчаников под непроницаемой покрышкой
• Каждая поисковая скважина стоит десятки миллионов рублей, поэтому геофизика идёт первой
• Геологическая съёмка — изучение выходов пород и построение карты перспективных структур
• Сейсморазведка — отражение искусственных упругих волн выявляет ловушки нефти на глубине
• Поисковое бурение — скважина подтверждает наличие залежи и даёт керн для анализа
• Подсчёт запасов — по данным испытаний определяют объём залежи и рентабельность разработки

Доклад: Путь к скважине начинается задолго до бурения. Сначала геологическая съёмка очерчивает перспективные структуры, затем сейсморазведка отражением упругих волн находит ловушки нефти на глубине в несколько километров. Только после этого бурят поисковую скважину и подсчитывают запасы. Важно понимать: нефть залегает не подземными озёрами, а в порах песчаников под непроницаемой покрышкой.

Слайд 11. Способы добычи нефти

• Фонтанный способ применяют, пока пластового давления хватает, чтобы нефть сама поднималась по стволу скважины на поверхность.
• При падении давления переходят на механизированную добычу: станки-качалки со штанговыми насосами и погружные электроцентробежные насосы.
• Для поддержания давления в пласт закачивают воду или газ — это вторичные методы, дающие основную часть современной добычи.
• Третичные методы повышения нефтеотдачи — закачка пара, углекислого газа, полимеров и растворов поверхностно-активных веществ — извлекают до 50–60 % запасов вместо обычных 30 %.

Доклад: Пока пластового давления достаточно, нефть поднимается сама — это фонтанный способ. Когда давление падает, включают механизированную добычу: знакомые всем станки-качалки и погружные электроцентробежные насосы. Чтобы поддержать давление, в пласт закачивают воду или газ. А третичные методы — пар, углекислый газ, полимеры, поверхностно-активные вещества — поднимают нефтеотдачу с обычных тридцати процентов до пятидесяти-шестидесяти.

Слайд 12. Подготовка нефти к переработке

• Сырая нефть из скважины содержит до 50 % воды и минеральные соли
• Норма для завода — не более 0,1 % воды и 3 мг солей на литр
• Дегазация — из нефти отделяют попутный нефтяной газ, который направляют на газоперерабатывающий завод
• Обезвоживание — разрушают водонефтяную эмульсию нагревом и деэмульгаторами, отделяя пластовую воду
• Обессоливание — остаточные хлориды вымывают пресной водой, иначе они разъедают аппаратуру завода
• Стабилизация — отгоняют лёгкие углеводороды, чтобы нефть не теряла массу при хранении и перевозке

Доклад: Сырая нефть из скважины на завод в таком виде не пойдёт: в ней бывает до половины воды и растворённые соли. Сначала отделяют попутный газ, затем нагревом и деэмульгаторами разрушают водонефтяную эмульсию, промывают нефть пресной водой от хлоридов и отгоняют самые лёгкие углеводороды. Норма для завода жёсткая — не более одной десятой процента воды и трёх миллиграммов солей на литр.

Слайд 13. Ректификационная колонна

• Нефть нагревают в трубчатой печи до 350–380 °C и подают в колонну высотой до 50 метров
• Пары поднимаются вверх и постепенно охлаждаются, конденсируясь на тарелках
• На каждой тарелке собирается фракция со своим интервалом кипения
• Это физический процесс: разделение смеси, а не химическое превращение
• Такая перегонка называется первичной переработкой нефти
• Верх колонны, до 40 °C — углеводородные газы и пары бензина уходят на конденсацию
• Верхние тарелки, 35–200 °C — отбор бензиновой фракции, самой лёгкой и ценной
• Средняя часть, 180–300 °C — отбор керосиновой фракции для авиационного топлива
• Нижние тарелки, 270–350 °C — отбор дизельной фракции (газойля)
• Низ колонны, выше 350 °C — остаётся тяжёлый мазут, который стекает вниз

Доклад: Сердце любого нефтеперерабатывающего завода — ректификационная колонна высотой до пятидесяти метров. Нефть нагревают в трубчатой печи до трёхсот пятидесяти-трёхсот восьмидесяти градусов и подают внутрь; пары поднимаются вверх, охлаждаются и конденсируются на тарелках. Наверху собирается газ и бензин, ниже — керосин, ещё ниже — дизельная фракция, а внизу остаётся мазут. Подчеркну: это чисто физический процесс разделения смеси.

Слайд 14. Фракции прямой перегонки

• Каждая фракция — это не индивидуальное вещество, а смесь углеводородов с близкими температурами кипения.
• Прямая перегонка даёт всего 15–25 % бензина, поэтому одной ректификации современному рынку недостаточно.

Доклад: Вот как выглядят фракции прямой перегонки в цифрах. Газовая уходит до сорока градусов, бензиновая — от тридцати пяти до двухсот, керосиновая — от ста восьмидесяти до трёхсот, дизельная — до трёхсот пятидесяти, всё тяжелее — мазут. Каждая фракция это не отдельное вещество, а смесь близкокипящих углеводородов. И главная проблема: бензина прямая перегонка даёт всего пятнадцать-двадцать пять процентов, а рынку нужно куда больше.

Слайд 15. Вакуумная перегонка мазута

• При атмосферном давлении мазут нельзя перегнать: выше 350 °C углеводороды начинают разлагаться и коксоваться.
• Снижение давления до 5–8 кПа понижает температуру кипения, и мазут удаётся разделить без разрушения молекул.
• Из него получают вакуумный газойль — сырьё каталитического крекинга, а также базовые смазочные масла, вазелин и парафин.
• Тяжёлый остаток — гудрон — идёт на производство дорожного и строительного битума, кровельных материалов и нефтяного кокса.

Доклад: Разогнать мазут дальше при обычном давлении невозможно: выше трёхсот пятидесяти градусов молекулы начинают разрушаться и коксоваться. Выход нашли простой и изящный — снизить давление до пяти-восьми килопаскалей, тогда температура кипения падает и перегонка идёт без разложения. Получают вакуумный газойль для крекинга, смазочные масла, парафин, а из остатка-гудрона — дорожный битум и нефтяной кокс.

Слайд 16. Крекинг: два пути

• Крекинг — расщепление крупных молекул тяжёлых фракций на более лёгкие. Именно он превращает малоценный мазут в бензин и позволяет довести выход светлых продуктов до 60–70 % вместо 20 %.
• Условия: 470–540 °C и давление до 5 МПа, без катализатора
• Открыт В. Г. Шуховым в 1891 году, промышленно освоен в начале XX века
• Даёт много непредельных углеводородов, бензин нестабилен и быстро окисляется
• Сегодня применяется в виде висбрекинга и коксования тяжёлых остатков
• Условия: 480–540 °C при почти атмосферном давлении на цеолитном катализаторе
• Идёт с изомеризацией: образуются разветвлённые алканы и арены
• Бензин получается высокооктановым и стабильным при хранении
• Основной процесс современного завода, даёт до половины всего автобензина

Доклад: Крекинг — это уже химия: расщепление крупных молекул на мелкие. Термический вариант, открытый Владимиром Шуховым ещё в 1891 году, идёт при 470–540 градусах без катализатора и даёт нестабильный бензин с непредельными углеводородами. Каталитический крекинг на цеолитах при почти атмосферном давлении даёт разветвлённые алканы и арены, то есть высокооктановое и стойкое топливо. Именно он сегодня даёт до половины всего автомобильного бензина.

Слайд 17. Каталитический риформинг

• Молекулы не разрушаются, а перестраиваются: нафтены превращаются в арены
• Побочный продукт — дешёвый водород, который тут же идёт на гидроочистку
• Прямогонная бензиновая фракция — низкооктановое сырьё с октановым числом всего 45–55
• Платино-рениевый катализатор при 480–520 °C — ускоряет дегидроциклизацию и ароматизацию
• Давление водорода 1–4 МПа — предотвращает закоксовывание катализатора
• Риформат с октановым числом 95–100 — высокооктановый компонент бензина и источник бензола, толуола, ксилолов

Доклад: Риформинг решает другую задачу: не разрушить молекулы, а перестроить их. Низкооктановую прямогонную фракцию с октановым числом 45–55 пропускают над платино-рениевым катализатором при 480–520 градусах в среде водорода. Нафтены превращаются в ароматические углеводороды, и на выходе получается риформат с октановым числом 95–100. Приятный бонус — попутно образуется дешёвый водород, который тут же идёт на гидроочистку.

Слайд 18. Гидроочистка топлив

• Сера в топливе при сгорании даёт оксид серы(IV) — источник кислотных дождей и яд для автомобильных катализаторов.
• При 300–400 °C и давлении водорода сернистые соединения превращаются в сероводород, из которого затем получают товарную серу.

Доклад: Сера — главный враг современного топлива: при сгорании она даёт оксид серы, а это кислотные дожди и отравленный катализатор в выхлопной системе автомобиля. Гидроочистка при 300–400 градусах в водороде переводит сернистые соединения в сероводород, из которого получают товарную серу. График показывает, как ужесточались нормы: от пятисот миллиграммов на килограмм в классе Евро-2 до всего десяти в Евро-5 — снижение в пятьдесят раз.

Слайд 19. Октановое число

• За 100 принята стойкость изооктана, за 0 — н-гептана
• Разветвлённые и ароматические углеводороды повышают октановое число, нормальные алканы — понижают
• Марка АИ-95 означает: топливо ведёт себя как смесь из 95 % изооктана и 5 % гептана
• 95 — Премиум
• Низкооктановое — ниже 80
• Регуляр — 80–92
• Премиум — 93–98
• Гоночное — выше 98

Доклад: Октановое число измеряет стойкость бензина к детонации — преждевременному взрывному сгоранию. Шкалу построили на двух веществах: изооктану присвоили сто, нормальному гептану — ноль. Марка АИ-95 означает, что топливо ведёт себя как смесь девяноста пяти процентов изооктана с пятью процентами гептана. Запомните закономерность: разветвлённые и ароматические углеводороды октановое число повышают, а нормальные алканы понижают.

Слайд 20. Продукты нефтехимии

• Полимеры — полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид из этилена и пропилена пиролиза
• Синтетические каучуки — бутадиеновый и изопреновый каучук для шин и резинотехники
• Синтетические волокна — лавсан и капрон из ксилолов и бензола
• Растворители и поверхностно-активные вещества — основа лаков, красок и моющих средств
• Азотные удобрения — аммиак и карбамид из водорода попутного газа

Доклад: Сжигать нефть — самое простое и далеко не самое выгодное её применение. Из продуктов пиролиза — этилена и пропилена — делают полиэтилен, полипропилен и поливинилхлорид. Бутадиен и изопрен дают синтетические каучуки для шин, бензол и ксилолы — капрон и лавсан. Добавьте сюда растворители, моющие средства и азотные удобрения из водорода попутного газа — и станет ясно, почему нефть называют сырьём номер один.

Слайд 21. Экологические последствия

• Одна тонна разлитой нефти покрывает плёнкой до 12 км² водной поверхности и перекрывает доступ кислорода к воде.
• Плёнка толщиной в доли миллиметра губит планктон, склеивает оперение птиц и лишает морских млекопитающих теплоизоляции.
• Крупнейшая техногенная катастрофа отрасли — авария на платформе Deepwater Horizon в 2010 году, когда в Мексиканский залив попало около 5 млн баррелей нефти.
• Дополнительный вред наносят факельное сжигание попутного газа, выбросы оксидов серы и загрязнение почв при порывах трубопроводов.

Доклад: Обратная сторона отрасли — экологические риски. Одна тонна разлитой нефти покрывает плёнкой до двенадцати квадратных километров воды и перекрывает доступ кислорода: гибнет планктон, склеивается оперение птиц, морские млекопитающие теряют теплоизоляцию. Самый тяжёлый пример — авария на платформе Deepwater Horizon в 2010 году, когда в Мексиканский залив попало около пяти миллионов баррелей нефти.

Слайд 22. Ликвидация разливов

• Локализация пятна боновыми заграждениями, которые не дают нефти растекаться дальше
• Механический сбор нефти с поверхности скиммерами и нефтесборными судами
• Применение сорбентов — торфа, перлита, полипропиленовых матов, впитывающих нефть
• Обработка диспергентами, дробящими плёнку на капли для ускорения биоразложения
• Биоремедиация — внесение нефтеокисляющих бактерий, разлагающих остатки углеводородов

Доклад: Борьба с разливом идёт по отработанному алгоритму. Сначала пятно локализуют боновыми заграждениями, чтобы оно не расползалось. Затем нефть собирают механически — скиммерами и нефтесборными судами. Остатки впитывают сорбентами: торфом, перлитом, полипропиленовыми матами. Тонкую плёнку дробят диспергентами, а завершает дело биоремедиация — нефтеокисляющие бактерии, которые разлагают оставшиеся углеводороды.

Слайд 23. Выводы

• Нефть — сложная смесь алканов, циклоалканов и аренов, поэтому она не имеет постоянной температуры кипения и разделяется перегонкой на фракции.
• Первичная переработка (ректификация) — физический процесс разделения; вторичная (крекинг, риформинг, гидроочистка) — химические превращения, повышающие выход и качество топлив.
• Именно вторичные процессы позволяют довести глубину переработки до 80–90 % и получать бензин с октановым числом 95 при содержании серы не выше 10 мг/кг.
• Нефть — не только топливо, но и сырьё для полимеров, каучуков, волокон и удобрений, поэтому её рациональное использование важнее простого сжигания.
• Экологическая цена ошибок в отрасли очень высока, что делает совершенствование очистки и технологий ликвидации разливов обязательным условием её развития.

Доклад: Подведём итог. Нефть — смесь алканов, циклоалканов и аренов, и именно поэтому она разделяется перегонкой, а не кипит при одной температуре. Первичная переработка физическая, вторичная — химическая, и только она позволяет довести глубину переработки до восьмидесяти-девяноста процентов и получить топливо класса Евро-5. При этом нефть слишком ценна как химическое сырьё, чтобы просто сжигать её в двигателях.

Слайд 24. Список литературы

• Ахметов, С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа : учебное пособие / С. А. Ахметов. — Уфа : Гилем, 2002. — 672 с.
• Габриелян, О. С. Химия. 10 класс. Базовый уровень : учебник / О. С. Габриелян. — Москва : Дрофа, 2019. — 192 с.
• Капустин, В. М. Технология переработки нефти : учебное пособие / В. М. Капустин, А. А. Гуреев. — Москва : Химия, 2015. — 400 с.
• Рудзитис, Г. Е. Химия. 10 класс : учебник / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. — Москва : Просвещение, 2020. — 224 с.
• Эрих, В. Н. Химия и технология нефти и газа : учебник / В. Н. Эрих, М. Г. Расина, М. Г. Рудин. — Ленинград : Химия, 1985. — 424 с.

Доклад: В основу презентации легли классические учебники по технологии переработки нефти — работы Ахметова, Капустина с Гуреевым и Эриха с соавторами, а также школьные учебники химии Габриеляна и Рудзитиса для десятого класса. Эти источники можно рекомендовать для более глубокого изучения темы.

Слайд 25. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад завершён. Мы прошли весь путь нефти — от органических остатков на дне древнего моря до бензина в баке и полиэтилена в упаковке. Спасибо за внимание, готов ответить на ваши вопросы.