I. Технологические данные.

I. Технологические данные.

Существует много теорий о происхождении нефти. В основном эти теории могут быть разделены на две группы: а) неорганического происхождения, б) органического происхождения нефти. Сторонники первой теории доказывают, что нефть образовалась от взаимодействия углеродных соединений металлов с водой в глубинах земли под влиянием господствующей там высокой температуры при которой выделяются углеводороды, составляющие главную массу нефти. Органическая теория приписывает происхождение нефти химическим процессам, которые происходят при участии организмов из разлагающегося растительного или животного вещества. Некоторые ученые предложили комбинированную теорию — органического и неорганического происхождения нефти.

Имея все признаки минерального топлива, нефть отличается от других его видов, например, от каменного угля, тем, что она представляет собою жидкость; в связи с этим залежи нефти не носят такого устойчивого характера, как месторождения каменного угля: нефть может уходить из мест своего первичного образования в трещины, может перемещаться по пластам и т. д. Наиболее благоприятные вместилища для нефти представляют песок, песчаник и трещиноватые породы. Обыкновенно типичное нефтяное месторождение состоит из нескольких лежащих один над другим нефтяных пластов, разделенных пластами пород, не содержащих нефти. Нефть представляет собой большею частью темную, дегтеобразную жидкость с более или менее сильным запахом. Нефть не является веществом постоянного состава; она состоит из смеси очень большого числа жидких, твердых и газообразных частей, главным образом углеводородов. Цвет нефти изменяется от темно-зеленого до буро-черного; в некоторых местах встречаются нефти светло-желтого цвета и даже почти белые. В зависимости от того, в какой пропорции соединяются между собою углерод и водород, получаются газообразные, жидкие и твердые углеводороды. В зависимости от пропорции, в которой входят в нефть твердые, жидкие и газообразные вещества, самые свойства нефти могут быть различны: изменяется цвет, вес, густота и другие свойства. В нефти кроме углеводородов содержатся еще другие соединения: смолы, нефтяные кислоты и т. п. Хотя главная масса нефти состоит из углеводородов, присутствие даже небольших количеств других соединений может значительно изменить технические свойства нефти. Поэтому классификация нефти может основываться как на химическом составе этих посторонних примесей (нефти сернистые, азотистые, смолистые и т. п.), так и на признаках, определяющих ее техническую ценность (нефти парафинистые и беспарафиновые, густые или подвижные, легкие или тяжелые, бензиновые, керосиновые, масляные и т. д.).

К классу природных нефтяных продуктов обыкновенно относят еще ряд других веществ, обладающих составом, сходным в химическом отношении с самой нефтью. Из этих продуктов отметим нефтяной газ, содержащийся в нефтяных месторождениях частью в свободном состоянии, частью в растворенной в нефти виде. Нефтяной газ обрабатывается для получения из него бензина, лучших сортов сажи и т. д. Родственными нефти продуктами являются кир и асфальт — черная плавкая масса, которая образуется в результате потери нефтью своих летучих составных частей и постепенного затвердения остатка нефти под влиянием кислорода воздуха. Озокерит, или горный воск, представляющий вещество, содержащее очень много твердого парафина, тоже относится к классу природных нефтяных продуктов.

Удельный вес нефти обычно ниже воды и колеблется от 0,750 до 0,950. Поэтому нефть плавает на поверхности воды, распространяясь по ней тонким слоем. Лишь в редких случаях встречаются нефти более тяжелые, чем вода. Нефть имеет большую вязкость, чем вода: частицы ее крепче сцеплены между собою, чем частицы воды, Поэтому продвижение нефти по пустотам в горной породе совершается с трудом, и одной силы тяжести здесь недостаточно. Нефтяной пласт обыкновенно прикрыт другими пластами и не имеет сообщения с поверхностью земли. В таком закрытом помещении более легкие, выделяющиеся из нефти природные газы скопляются вверху нефтяного пласта. Давление этих газов очень велико и достигает нескольких десятков атмосфер. Стоит только провести в такой пласт скважину с дневной поверхности, как нефть устремляется в эту скважину, проталкиваемая давлением скопившихся газов. Давление это бывает так велико, что нефть иногда выбрасывается из скважины фонтаном. Нефтяные пласты перемежаются в земляной толще с другими пластами, иногда насыщенными водою. Разработка нефтяных пластов должна вестись так, чтобы вода из водоносных пластов не получала доступа в нефтяные и чтобы нефтяной газ не выпускался из пласта.

В прежнее время нефть добывалась упрощенными способами. Эксплуатировались только случайные нефтяные источники; в местах залегания нефти близко от поверхности земли рылись колодцы; собиралась также нефть, плавающая на поверхности воды. Более совершенные способы добычи нефти ведут свое начало с 1859, когда в САСШ, в штате Пенсильвании, на реке Ойл-Крик Дрэком была пробурена первая скважина глубиною всего в 70 футов. Чтобы добыть нефть в большом количестве, надо углубиться на десятки метров до глубоко лежащих и совершенно закрытых нефтяных пластов, а затем поднять тем или иным способом нефть из пласта на поверхность земли. В соответствии с этим работа на нефтяных промыслах подразделяется на бурение скважин и на добычу нефти, или так называемую эксплуатацию скважины. Скважиной называется цилиндрическое отверстие, пробуриваемое в земле и представляющее вертикальный круглый канал, по которому из нефтяного пласта нефть может подниматься на поверхность земли. Бурение скважин может быть подразделено на ручное и механическое (паровая машина, нефтемотор или электродвигатель). Современное бурение, при помощи которого ежегодно во всех нефтепромышленных районах мира проводятся десятки тысяч скважин, — исключительно механическое. Техника бурения сделала огромные успехи. Глубина скважин в настоящее время уже превысила 2,5 км. Бурение сводится к разрушению породы и удалению ее из скважины. В зависимости от того, каким способом осуществляется этот процесс, бурение разделяется на следующие основные группы: ударно-штанговое, ударно-канатное и вращательное. Наиболее технически совершенным является вращательное бурение, применяемое в последнее время в широких размерах в САСШ, в СССР и в других странах, где добывается нефть. В последнее время становится популярным турбинное бурение[1], преимущество которого заключается в том, что двигатель для вращения долота при вращательном бурении перенесен с поверхности земли в самую скважину, в виде небольшой турбины у забоя скважины (дно скважины, где работает буровой инструмент), соединенной в своей нижней части с долотом. Применение того или иного способа бурения обусловливается свойствами проходимых скважиной горных пород, предполагаемой глубиной скважины, необходимым диаметром ее, целью, для которой она проводится, и наконец причинами экономического характера.

Нефть состоит из очень большого числа таких веществ, которые химия называет чистыми химическими соединениями и выделение которых составляет одну из основных задач химии. Но техника в чистых составных частях нефти пока не особенно нуждается. То, что технике нужно от нефти и что делает нефть материалом такой огромной ценности, — это не отдельные химические соединения, а смеси тех из них, которые обладают достаточно близкими между собою свойствами, делающими их пригодными к тому или иному практическому применению. Задача заводской переработки нефти и заключается в том, чтобы разбить сырую нефть на ряд таких смесей-продуктов. Основным же способом, дающим возможность осуществить эту задачу, служит т. н. перегонка нефти. Переработка нефти построена на различном отношении составных ее частей к нагреванию; для превращения в парообразное состояние того или иного углеводорода надо его нагреть до определенной для каждого углеводорода температуры. Поэтому при постепенном нагревании нефти из нее сперва испаряются только легчайшие углеводороды (смесь которых представляет общеизвестный бензин), по мере усиления нагрева будут улетучиваться все более и более тяжелые группы углеводородов (керосин, соляровые и смазочные масла и т. д.). Смолы, содержащиеся в нефти, весьма мало летучи и при перегонке будут накапливаться в остатке. Улетучивающиеся при подогреве группы углеводородов в виде паров по охлаждении в холодильнике сгущаются в жидкости, называемые дестиллатами, и отбираются отдельно. Эти дестиллаты не являются рыночными продуктами, т. к. содержат в себе некоторые составные части (сера, смола, нефтяные кислоты), оказывающие вредное влияние при использовании. Поэтому дестиллаты подвергаются очистке при помощи серной кислоты и едкого натра.

Помимо перегонки (в кубах и трубчатках) существует еще способ “расщепления”, или, иначе “крэкинг-процесс”. Крэкинг отличается от перегонки тем, что при крекинге происходит изменение химического строения частиц нефти, тогда как при перегонке химическое строение ее не изменяется. При перегонке происходит простое отделение друг от друга различных частей нефти по степени их летучести; при крэкинге сложные и крупные молекулы нефти под влиянием высокой температуры и давления подвергаются разложению и расщеплению на более простые и мелкие, т. е. происходит изменение их химического строения. Чем меньше величина молекулы, тем ниже ее температура кипения. На этом и основан крэкинг-процесс. Продукты, которые до расщепления — крэкирования — состояли из сложных и крупных молекул и имели поэтому высокую температуру кипения — не ниже 300°С, при крэкинге расщепляются на более мелкие молекулы и поэтому закипают при более низкой температуре — до 100°С. Таким образом тяжелые нефти и нефтепродукты, не содержащие более или менее легких погонов (кипящих ниже 300°С), изменяя при крэкинге свое химическое строение, дают возможность получать легкие низкокипящие фракции — бензин. Получение бензина при помощи крэкинга за последние 10‑15 лет в САСШ приобрело огромное распространение. Исходным материалом (сырьем для крэкирования могут служить любая нефть и нефтяной продукт. Температура нагрева при крэкинг-процессе применяется в пределах примерно от 350° до 500°С и даже выше. Давление в различных системах от 5 до 50 атмосфер. Продукты, получаемые в результате переработки нефти, могут быть разбиты на следующие основные группы: бензин, осветительные масла (керосин, пиронафт и др.), смазочные масла, специальные продукты, продукты толуоловые и топливо.

Бензины имеют широкое распространение; они применяются для автомобильных и авиационных двигателей, в резиновом производстве, для извлечения растительных масел из семян, для приготовления лаков, для медицинских целей и т. д. Но несмотря на такое широкое его применение более всего (около 95%) бензина поглощают автотранспорт и авиация. Бензины, применяющиеся для различных целей, должны обладать разными свойствами. Поэтому на рынок и выпускаются различные сорта бензинов. Главное отличие этих сортов друг от друга заключается в температурах, при которых они начинают и кончают кипеть. Керосин применяется для освещения и нагревательных приборов и как топливо для двигателей внутреннего сгорания. В небольших размерах керосин применяется как растворитель жиров для чистки заржавленных железных и стальных предметов, для стирки белья, в домашней медицине и т. д. Керосин менее огнеопасен, нежели бензин, так как температура его вспышки значительно выше, чем у бензина. Обычно керосин отличается низкой температурой застывания (не теряет подвижности даже при 70°С ниже нуля), что делает из него хороший смазочный материал. Из других продуктов, применяемых для целей освещения, укажем еще на пиронафт, который имеет температуру вспышки много выше, чем керосин (100°С), благодаря чему он менее огнеопасен. Пиронафт применяется для маяков, судового освещения и вообще в тех случаях, когда в целях особенной безопасности надо избегать керосинового освещения. Смазочные масла применяются для смазки трущихся поверхностей частей машин. Соответственно многообразию машин, смазочные масла отличаются большим разнообразием. Масло, прекрасно смазывающее одну поверхность, не годится для другой. Для медленно вращающихся валов и вообще медленно движущихся частей машин нужны масла с большой вяжущей способностью (густые), для быстро вращающихся частей машин нужно пользоваться маслами с небольшой вязкостью. Для работ при высоких температурах во избежание коксования требуются масла с высокой температурой вспышки. Из специальных продуктов, вырабатываемых на нефтеперегонных заводах, особенного внимания заслуживает искусственный асфальт, получаемый из кислого и масляного гудронов. Помимо этого способа искусственный асфальт получается из нефти непосредственно путем ее окисления. Из других специальных продуктов следует отметить: а) мылонафт, применяемый в мыловарении; б) нафтеновые кислоты, идущие для пропитывания железнодорожных шпал и для смачивания шерсти при ее обработке; в) парафин, получаемый из парафинистой нефти и применяемый для изготовления свечей и спичек, приготовления непромокаемых тканей и кабельной массы, которая употребляется как изоляционный материал при проводке кабелей; г) различные мази, например колесная мазь и другие. При перегонке нефти с разложением при очень высоких температурах (500‑600°С), значительно превосходящих температуру, необходимую для крэкинг-процесса, получается целый ряд продуктов, среди которых прежде всего следует отметить: а) бензол, употребляемый в красильной промышленности, б) толуол, идущий для изготовления взрывчатых веществ; в) нафталин, г) зеленое масло, из которого дальнейшей переработкой получается типографская сажа; д) лак-олифу, заменяющую в малярном деле натуральную олифу, и др. В качестве топлива применяются т. н. нефтяные остатки — мазут, а равно различного рода смеси мазута из керосиновой батареи, масляного гудрона, черно-солярового масла и негодной для переработки тяжелой нефти.

Сравнительные данные о тепло-производительной способности 1 кг разных топлив таковы: дрова (при 25% влажности) — 3.100 кал., торф (хороший, сухой) — 3.500, каменный уголь и антрацит — 7.000‑7.500, нефть — 10.500 и природный газ — 11.500 кал. Эти цифры показывают, какими ценными свойствами как топливо обладает нефть, как велика ее тепло-производительная способность. Помимо этого нефть имеет еще целый ряд ценнейших качеств, а именно: дешевизна обслуживания нефтяного отопления, простота и легкость регулирования горения, сгорание получается наиболее полное и совершенное, без дыма и золы, простота доставки и погрузки, экономия помещения для хранения нефтяного топлива, чистота котельной и т. п. Достоинства нефтяного топлива еще более увеличиваются в двигателях внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания в современную эпоху является наиболее совершенной машиной-двигателем, в котором лучше всего используется теплота, заключенная в топливе. Несмотря на все совершенства современной паровой машины, коэффициент полезного действия топлива доходит максимум до 18%. В паровой турбине этот коэффициент доходит до 22%, в наиболее же совершенных двигателях внутреннего сгорания — дизелях — до 35‑37%.

Одним из основных свойств, с которым приходится считаться при пользовании нефтяным топливом, является его вязкость и способность застывать (t° замерзания) в известных условиях. Последнее свойство имеет большое значение в странах, имеющих суровый климат. Температура вспышки нефтяного топлива не должна быть ниже 50°С, так как иначе оно будет опасно в пожарном отношении. Что касается удельного веса нефтетоплива, то он не имеет большого значения при сжигании; обычный удельный вес топочного мазута — 0,890‑0,920. Нефтяное отопление отвоевывает себе все большее и большее место. В настоящее время свыше ⅓ всего мирового торгового флота работает на нефтяном топливе. Что же касается военных флотов различных стран, то все они целиком работают на нефтетопливе. В железнодорожном транспорте в самые последние годы нефтяное топливо получило еще применение на начинающих появляться тепловых локомотивах, снабженных дизелями. В стационарных установках нефтяное топливо помимо паровых котлов и двигателей внутреннего сгорания сжигается еще в топках перегонных кубов; оно используется также в различного рода печах в железоделательной и металлургической промышленности и кроме того для отопления жилых помещений. Отопление печей нефтью, а также применение нефтяного топлива для отопления жилых помещений имеет в общем довольно небольшое применение.

Примечание:

[1] Изобретение советского инженера Капелюшникова.