Нефть: химический состав и свойства и применение. Значение в международной торговле.
Нефть представляет собой вязкую маслянистую горючую жидкость почти черного цвета с бурым или зеленоватым оттенком и характерным запахом. На свету нефть флуоресцирует. Ее плотность колеблется в пределах 0,73-1,08. В воде нефть не растворяется, а при интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно рассасывающиеся эмульсии. Она представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большинство (80-90 %) – жидкие углеводороды, а остальные – растворенные углеводородные газы (до 10%), минеральные соли, растворы солей органических кислот, механические примеси.
В нормативных документах приведены следующие определения нефти.
Сырая нефть - жидкая природная ископаемая смесь углеводородов широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса.
Товарная нефть - нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов, принятых в установленном порядке.
Углеводородный состав нефти. Основную массу вещества нефти составляют углеводороды, которые отличаются друг от друга различным содержанием углерода и водорода в молекуле, а также ее строением. Углеводороды нефти относятся к следующим группам: парафиновые, нафтеновые, ароматические (Табл. 4.1.).
Во всех основных группах углеводородов существуют ряды молекул, в которых каждый последующий член отличается от предыдущих на метильную группу СН3, например, ряд бензола (метилбензол, этилбензол). Такие ряды носят название гомологических.
Таблица 4.1.
Углеводородный состав нефти
| Предельные УВ (парафины, или алканы) | Циклопарафины (нафтеновые) | Ароматические УВ (арены) |
| CnH2n+2 С1до С4 – газы С5 до С16 – жидкие; С больше 16 – твердые | CnH2n (циклогексан, метилциклопентан) | CnH2n-6 (бензол, толуол, ксилол) |
Парафиновые углеводороды (алканы). Парафиновые углеводороды являются насыщенными соединениями (в них отсутствуют двойные связи). Их общая формула СnH2n+2 (n – число атомов углерода). Каждый последующий углеводород получен из предыдущего заменой крайнего в цепи водорода метильной группой СН3. Это углеводороды нормального строения.
В зависимости от количества атомов углерода парафины могут находиться в разном агрегатном состоянии. Углеводороды от СН4 до С4Н10 – газы (метан, этан, пропан, бутан). Следующие за ними углеводороды – от С5Н12 до С15Н32 представляют собой жидкости. Они входят в состав бензина, керосина и дизельного топлива. Углеводороды от С16Н34 и выше (парафины) в обычных условиях – твердые вещества.
В процессах каталитического и термического воздействия углеводороды нормального строения могут превращаться в изомеры, то есть приобретать разветвленную структуру (реакция изомеризации). Изомеризация – это превращение химического соединения в изомер, у которого при одинаковом количестве атомов изменяется пространственная структура. Углеводороды изостроения отличаются от соответствующих углеводородов нормального строения по своим химическим и физическим свойствам. Иногда это различие может быть очень большим. Например, гептан нормального строения (С7Н16) имеет октановое число, равное нулю, а изомер изооктан (С8Н18) – 100.
Количество алканов в нефтях зависит от месторождения и составляет 25 – 30 %, в некоторых месторождениях их содержание может достигать 50 - 70 %.
Парафиновые углеводороды отличаются высокой температурой застывания, что делает нежелательным их присутствие в зимних сортах топлива. Транспортировка такой нефти сопряжена с большими трудностями. При перекачке нефти по трубам на внутренних стенках накапливается значительное количество парафиновых отложений, что приводит к резкому увеличению затрат на перекачку. Так, отложение толщиной 2 мм в трубопроводе 500 мм повышает себестоимость перекачки нефти на 2,5 %. Осадок парафина в резервуарах, образованный в процессе хранения нефти, снижает показатель вместимости резервуарного парка.
Нафтеновые (циклопарафины) углеводороды. Общая формула СnH2n. Нафтеновые углеводороды представлены моноциклическими нафтеновыми углеводородами – циклопентаном, циклогексаном.
Содержание нафтенов в различных нефтях составляет от 25 до 75 %, а в отдельных фракциях некоторых нефтей – до 80 %. Нафтеновые углеводороды обладают пониженной температурой застывания, поэтому представляют собой ценный компонент топлива и смазочных масел зимних сортов. По химическим свойствам и особенно по устойчивости к окислению нафтены похожи на парафиновые углеводороды. Особенностью нафтенов является их способность к изомеризации, что позволяет получать разнообразные нефтепродукты с заданными свойствами.
Ароматические углеводороды (арены). Ароматическими называют все соединения, в молекулах которых есть бензольное кольцо. Название возникло из-за сладковатого запаха, им присущего. Арены ряда бензола имеют общую формулу СnH2n-6. Арены – это ненасыщенные углеводороды, имеющие в строении двойные связи, которые определяют повышенную реакционную способность этих соединений. Содержание ароматических углеводородов в нефтях различных месторождений может доходить до 35 %. Ароматические углеводороды устойчивы к окислению, имеют более высокую температуру кипения, чем нафтены. Арены обладают повышенной химической активностью по сравнению с алкановыми и нафтеновыми углеводородами и довольно легко могут быть от них отделены. Они обладают высокой растворяющей способностью и неограниченно растворяются друг в друге и других растворителях. Многие ароматические углеводороды являются ценным сырьем для химической и нефтехимической промышленности. Важнейшие представители аренов в нефти - бензол, толуол, ксилол.
Олефины и диолефины. Углеводороды ряда этилена (олефины, или алкены) имеют общую формулу CnH2n. Они характеризуются наличием двойной связи (этилен, пропилен, бутилен и т.д.) и бывают нормального и изостроения. В нефтях они не содержатся, но составляют значительную часть продуктов, получаемых при термических и каталитических процессах. Эти углеводороды обладают большой реакционной способностью и являются хорошим сырьем для производства полиэтилена, полипропилена и их производных. Еще более непредельными углеводородами являются диолефины (алкадиены), имеющие по две двойные связи. Такие углеводороды отличаются крайней нестабильностью и поэтому не должны содержаться в моторных топливах и смазочных маслах. Представителями диолефинов являются бутадиен С4Н6 и изопрен С5Н8, которые специально получают из нефтяного сырья для производства синтетических каучуков и других продуктов.
Сернистые соединения в нефти. Сернистые соединения в том или ином количестве встречаются во всех нефтях. В некоторых случаях их содержание достигает 6 %. Сера особенно отрицательно влияет на эксплуатационные свойства продуктов, получаемых из нефти, поэтому ее содержание является важным критерием для оценки качества нефти. Нефтьсодержит как органические, так и неорганические формы сернистых соединений. Сера, входящая в эти соединения, двухвалентна.
Неорганическими соединениями являются элементарная сера и сероводород (H2S). Элементарная сера присутствует в незначительном количестве, ее доля увеличивается при хранении нефти на воздухе за счет окисления сероводорода. Сероводород – это кислота, обладает способностью соединяться с металлами, вызывая коррозию.
Из органических сернистых соединений в нефти и продуктах, полученных при ее разгонке, обнаружены меркаптаны, сульфиды, дисульфиды и тиофаны.
Меркаптаны (или тиолы) – соединения, в которых группа SH присоединена к углеводородным радикалам (RSH). Меркаптаны обладают отвратительным запахом. Присутствие метилмеркаптана (CH3SH) можно обнаружить по запаху при разбавлении в миллионы раз.
Сульфиды имеют строение R-S-R, где R может быть любым радикалом метанового, нафтенового или ароматического ряда. Сульфиды имеют нейтральную реакцию и слабоэфирный запах. Дисульфиды имеют строение R-S-S-R и представляют собой жидкости с неприятным запахом.
Наиболее корродирующими свойствами из сернистых соединений обладают сероводород и меркаптаны, так как обладают кислотными свойствами.
Кислородные соединения в нефти. Атомы кислорода в нефти входят в следующие соединения: нафтеновые кислоты, соединения фенольного характера, эфиры, смолистые вещества.
Нафтеновые кислоты представляют собой маслянистые жидкости с резким запахом. Нафтеновые кислоты вызывают коррозию, из нефтяных фракций их удаляют выщелачиванием. Нафтеновые кислоты и их соли находят широкое применение в промышленности в качестве деэмульгаторов, составных частей компонентных смазок, для пропитки тканей и обуви.
Фенолы содержатся в нефти в очень небольших количествах и удаляются из нее вместе с нафтеновыми кислотами при выщелачивании дистиллятов.
Смолисто-асфальтеновые соединения присутствуют в нефтях в довольно значительных количествах (от 4 - 5 до 20 % и больше). По содержанию в нефти они занимают второе место после углеводородных соединений. Это высокомолекулярные вещества, содержащие кроме углерода и водорода кислород, серу и азот, при нормальной температуре очень густые и тягучие или совсем твердые, с удельным весом больше единицы. При разгонке нефти смолистые вещества распределяются между всеми фракциями, начиная от керосина, и в большом количестве находятся в остатке от разгонки – гудроне, поскольку имеют большую молекулярную массу (700 и выше). Присутствие смол в нефтепродуктах придает им темный цвет, способствует коксо- и нагарообразованию в цилиндрах двигателей. Однако, если в светлых нефтепродуктах и маслах наличие смолисто-асфальтеновых кислот вредно, то оно весьма полезно для производства таких продуктов, как битум, кокс, изоляционные и пропиточные материалы.
Азотистые соединения в нефти. Содержание азотистых соединений в нефтях очень незначительно и в большинстве случаев не превышает 0,3 %. При перегонке нефти, содержащей азотистые соединения, а также при вторичных процессах переработки такой нефти образуется аммиак, что указывает на разложение азотистых соединений. При некоторых методах очистки, например, гидроочистке, из нефтепродуктов одновременно удаляются значительные количества сернистых соединений (в виде H2S) и азотистых соединений (в виде NH3).
Минеральные вещества в нефти. Минеральные вещества встречаются в нефтях (если они были освобождены от механических примесей на промыслах) в очень незначительных количествах.
Исследование составных частей золы от сжигания нефти показало примерное количество в ней элементов (от большего к меньшему): S – O – N – V – P – K – Ni – J – Si – Ca – Fe – Mg – Na – Al – Mn – Pb – Ag – Cu – Ti – U – Sn – As. В золе некоторых нефтей не обнаружено никеля, но имеется большое количество ванадия (например, в пенсильванской нефти). Общее количество золы колеблется в различных нефтях от тысячных долей процента до 0,8 %.
1. Значение нефти в международной торговле
Обеспечение человечества энергией является одной из главнейших проблем, решение которой определяет устойчивое развитие цивилизации без истощения экологических и социальных ресурсов, без переноса непропорционально тяжелого бремени на будущие поколения.
Уровень развития и благосостояния государства определяется количеством потребляемых энергоресурсов. В 20 веке уровень потребления энергетических ресурсов в мире увеличился в 15 раз (от 0,82 млрд.т условного топлива в 1900 г. до 12,3 млрд.т в 2000 г.; в 2004 г. - 14,3 млрд.т). По расчетам Международного энергетического агентства (МЭА), экономический рост вызовет увеличение мирового потребления энергоресурсов к 2030 г. на 60 % по сравнению с 2000 г.
Сегодня множество источников энергии можно условно разделить на три основные категории:
- возобновляемые (древесина, некоторые зерновые культуры);
- невозобновляемые (уголь, газ, нефть – органические топливные ресурсы; уран и торий – энергия расщепления; тритий и дейтерий – энергия синтеза);
- возобновляемые естественные (энергия солнца, ветра, океанских волн, течения рек, геотермальное тепло, океанские температурные градиенты).
Ведущую роль в мировой энергетике с середины 60-х годов 20 века и по настоящее время играют нефть и газ. К достоинствам нефти и газа как источников энергии относятся сравнительно невысокая стоимость добычи, возможность безотходной переработки.
Кроме источника энергии нефть является уникальным по своим свойствам природным сырьем для химической промышленности. Нефть и продукты ее переработки используются практически во всех отраслях народного хозяйства: на транспорте, в медицине, сельском хозяйстве, строительстве, легкой и пищевой промышленности. Однако ресурсы нефти и газа ограничены и значительно меньше, чем запасы угля, горючих сланцев и битуминозных песков. В то же время добыча нефти и газа значительно превышает добычу других горючих ископаемых. В этих условиях возросло экономическое и политическое значение нефти в современном мире. Наличие собственных ресурсов нефти, возможность организовать экспорт нефти и нефтепродуктов позволяют различным государствам добиваться значительных успехов в экономическом и социальном развитии.
Суммарные объемы мировой торговли сырой нефтью и нефтепродуктами составляют в настоящее время 2,9 млрд.т в год, что равно 75 % мировой нефтедобычи.
Россия обладает большими запасами нефти. Доказанные запасы нефти в настоящее время составляют, по оценкам западных экспертов 10,2 млрд.т, или 6,23 % от общемировых запасов. По объемам добычи нефти Россия занимает второе место в мире после Саудовской Аравии.
На территории России открыто около 2000 нефтяных и нефтегазовых месторождений. Наиболее старыми и истощенными районами нефтедобычи являются Урало-Поволжский район, Северный Кавказ и остров Сахалин. На пике развития находятся месторождения Западной Сибири и Тимано-Печерского региона. Начинают осваиваться месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока, а также шельфы российских морей. Наиболее перспективны при условии крупных капиталовложений Юрубчено-Тахомская нефтегазовая зона (Эвенкийский АО), Среднеобинское и Талаканское нефтегазовые месторождения (Республика Саха), Верхнечонское нефтегазовое месторождение (Иркутская область) и месторождения Красноярского края.
В настоящее время на нефтяную и газовую промышленность приходится примерно 20 % ВВП (внутреннего валового продукта), нефть остается локомотивом экономики страны, на ее долю приходится 55 % экспортной прибыли. Доля нефти и нефтепродуктов в экспорте энергии составляет 61 % (для сравнения, природного газа 31,6 %). Из всей добытой в России нефти перерабатывается только 45 %, а 55 % - экспортируется в сыром виде.
Производителями и экспортерами нефти и нефтепродуктов являются 11 крупных нефтяных компаний, на долю которых приходится 90,8% общего объема нефтедобычи, и 113 мелких компаний. По официальным данным, производством нефтепродуктов занято 65 нефтеперерабатывающих заводов. Крупнейшими российскими компаниям являются «Лукойл», «Сургутнефтегаз», «Татнефть», «Сибнефть», «Роснефть», «ТНК-ВР», «Славнефть», «Сиданко».
В нефтедобывающей отрасли России много проблем. Велика степень износа оборудования (60 %), резко снизилось разведочное бурение нефти. Добыча нефти идет быстрее, чем прирост запасов.
Нефтеперерабатывающие заводы дальнего зарубежья, спроектированные и построенные по проектам ведущих нефтяных и инжениринговых компаний (Шеврон, Эксон, Шелл, Мобил, Бритиш Петролеум, ЮОП и др.), превосходят российские предприятия и предприятия стран СНГ по глубине переработки нефти, выходу светлых продуктов переработки, отличаются меньшей энергоемкостью и, благодаря широкому набору установок, имеют возможность варьировать схемы переработки и номенклатуру товаров в зависимости от рыночной ситуации и требований заказчика.
В структуре производства и потребления РФ большой удельный вес занимают тяжелые остаточныенефтепродукты. Выход светлых нефтепродуктов близок к их потенциальному содержанию в нефти (48 – 49 %), что указывает на низкое использование вторичных процессов глубокой переработки нефти. Глубина переаботки нефти (ГПН) – показатель, характеризующий эффективность использования сырья. Общепринятого определения этого показателя нет. В России ГПН – это суммарный выход (%) светлых нефтепродуктов (бензинов, керосинов, дизельных топлив) от всего объема переработанной нефти. Чем выше ГПН, тем больше нефтепродуктов получают из тонны сырья. Средняя ГПН российскими предприятиями составляет около 70 %. Для сравнения, этот показатель для промышленно развитых стран Европы составляет 80 %, для предприятий США – 90 %.
Анализ положения в отрасли в условиях рыночных отношений показывает необходимость государственного регулирования процессов, направленных на реконструкцию и модернизацию нефтеперерабатывающей промышленности.
Нефть – это биржевой товар. Мировыми ценообразующими торговыми площадками на нефть являются Лондонская и Нью-Йоркская биржи. Лондонская международная нефтяная биржа (International Petroleum Exchenge, IPE) предлагает к торговле стандартную марку нефти – Brent, добываемую на шельфе Северного моря. Нью-Йоркская товарная биржа (New York Merkantile Exchengh, NYMEX) предлагает в качестве базовой легкую малосернистую нефтьмарки West TexasIntermediate и некоторые другие. Обе марки котируются также на Сингапурской бирже SIMEX.
Российские нефтяные компании продают нефть (марок Urals и Siberian Light) в Европе в основном либо нефтепроводом до Новороссийска, Туапсе, Одессы и далее морем в европейские порты, либо по трубе через Польшу в Центральную Европу, либо по трубе через Латвию, далее танкерами в Северную Европу. В 2001 г. были введены в эксплуатацию две новые трубопроводные системы – Каспийский трубопроводный консорциум (КТК) и Балтийская трубопроводная система (БТС). Цена поставляемой российской нефти устанавливается относительно цен на стандартные марки, торгуемые на биржах.
В конце 2006 г. в России появилась новая марка нефти REBCO (Russian Export Blend Crude Oil), которая, по оценкам специалистов, будет более конкурентоспособной на мировом рынке.