Контргайка. ПоПулярнаянефтехимияПоПулярнаянефтехимияПоПулярная
 Скачать 2.73 Mb.
|
|
ПоПулярная нефтехимия ПоПулярная нефтехимия ПоПулярная нефтехимия Увлекательный мир химических процессов Современный человек живет в окружении огромного количества материалов и предметов, которые являются продуктами нефтехимии. Но лишь немногие имеют представление о том, откуда берется пластик, синтетический каучук для автомобильных шин, полиэтилен и другие привычные атрибуты цивилизации. Популярная нефтехимия Москва, 2011 3 «Популярная нефтехимия» ЧТО ТАКОЕ НЕФТЕХИМИЯ Нефтехимическая промышлен ность, или попросту нефтехи мия, – одна из важнейших отрас лей обрабатывающей индустрии, но остающаяся очень далекой от общественного понимания и об суждения. Между тем, продукта ми, которые она производит, мы пользуемся практически каждую минуту. Говорят, что из любых пяти предметов, которые нас окружают в любой момент времени, четыре созданы благодаря нефтехимии. Это отрасль, которая производит синтетические материалы, прочно вошедшие в жизнь современного человека. Полиэтиленовые пакеты, бытовая техника, автомобильные шины, пластиковые окна, непро мокаемая обувь, подвесные потол ки, одноразовая посуда – список можно продолжать бесконечно. Благодаря нефтехимии с давних пор используемые человеком предметы изменились до неузна ваемости, возникли новые отрасли промышленности, а некоторые ис чезли. Каким бы было колесо, если бы не было резины? Хватило бы на планете хлопчатника и шерсти жи вотных, если бы не было синтети ческих волокон и тканей? Многие виды спорта существуют в своем сегодняшнем виде исключительно I 4 ЧТО ТАКОЕ НЕФТЕХИМИЯ I благодаря нефтехимическим продуктам, например, футбол или большой теннис. Если отвечать на вопрос «что такое нефтехимия?», можно сказать, что это отрасль, которая из ископаемых углеводородов создает осязаемый мир вокруг нас. То, что нас окружает. Как же это происходит? Сначала ископаемые углеводороды (нефть, попутный нефтяной газ и природный газ) добываются нефтегазовыми компаниями из недр зем ли. Эти виды сырья являются смесью различных веществ. Для нефтехимии важно выделить из этих смесей важные и ценные компоненты. Так, нефть поступает на нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ). Там ее разделя ют на несколько составных частей, отличающихся по своим свойствам. Для нефтехимии целевой является группа, которая называется прямогонный бензин (или нафта – это синонимичные термины). Это легко испаряющи еся жидкие компоненты нефти, они же являются основой при создании ав томобильных бензинов. Нафту нефтехимики используют в качестве сырья. Попутный нефтяной газ (ПНГ), который добывают вместе с нефтью, собирается и направляется на газоперерабатывающий завод (ГПЗ). Там попутный неф тяной газ тоже разделяют на группы компонентов. Их всего две. Одна группа содержит самые легкие газы (метан и этан), которые отправляются потребителям и, например, сгорают в конфорках домашних плит или на тепловых электростанциях. Вторая группа пред ставляет собой смесь других газов. Она называется широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ), наряду с прямогонным бензином неф техимики используют ее как сырье. Природный газ отличается от попутного нефтяного газа тем, что зале гает в недрах самостоятельно, в то время как попутный – растворен в неф ти. Кроме того, составы этих газов различаются. Впрочем, не качественно, а только количественно. Поэтому переработка природного газа во многом похожа на переработку ПНГ. Выделяются наиболее легкие газы – метан и этан – и отправляются в магистральные трубопроводы для доставки потребителям. Иногда при переработке природного газа этан всетаки 5 «Популярная нефтехимия» выделяют – когда его содержание велико. Этан – ценное нефтехимиче ское сырье. Остальные компоненты природного газа тоже носят название ШФЛУ, они собираются и поставляются в нефтехимию. Таким образом, переработка ископаемых углеводородов дает нефтехимии три вида сырья: прямогонный бензин с НПЗ, ШФЛУ с газоперерабатыва ющих заводов и этан. Поскольку ШФЛУ – это смесь газов, ее могут дополнительно разделять. Так получаются сжиженные углеводородные газы (СУГ)– это чистые газы или специальные технические смеси (например, «пропанбутан»), которые используются для отопления, например, загородных домов и дач или же как автомобильное топливо – это так называемый «автогаз». Но СУГ также ис пользуются и как сырье для нефтехимии. Следующий этап переработки является ключевым. Сырье (прямогонный бензин, этан, ШФЛУ, СУГ) в различных соотношениях подвергают слож ному высокотемпературному процессу – пиролизу (от др.греч. πΰρ – огонь, жар и λύσις – разложение, распад). Важно осознавать, что в этом процессе исходные вещества превращаются в другие виды и классы хи мических соединений, а значит, свойства исходных веществ кардинально отличаются от свойств продуктов. Трансформация сырья в новые виды веществ с новыми уникальными свойствами делает пиролиз самым от ветственным этапом нефтехимии. Важнейшая группа продуктов пиролиза – это так называемые олефины. Под этим термином обычно подразумевают этилен и пропилен. Чем же эти вещества отличаются от исходных, почему их нужно получать? Во первых, олефины практически невозможно найти на земле в естественном свободном виде. Их искусственное получение из ископаемых углеводоро дов – первая и самая важная задача нефтехимической промышленности. Вовторых, эти вещества способны при определенных условиях соеди няться сами с собой в очень длинные молекулярные цепочки – полиме ры. Этой способностью не обладают практически никакие исходные со единения, содержащиеся, например, в нафте или ШФЛУ. 6 ЧТО ТАКОЕ НЕФТЕХИМИЯ I Между тем, полимеры – наиболее важные продукты нефтехимии. После определенных превращений, уникальных для каждого вида полимера, об разуются: полиэтилен (из него делают пакеты и пленки), полипропилен (автомобильные детали, пленки, техника), поливинилхлорид (оконные профили, линолеум, подвесные потолки), синтетические каучуки (рези на, автомобильные шины, подош вы обуви) и многие другие полимеры. Но в ходе пиролиза образуются не только олефины, а также и другие клас сы продуктов. Они тоже используются в нефтехимии и превращаются, на пример, в растворители, топливные присадки, компоненты лакокрасочных изделий и смазочных материалов, антифризы, парфюмерные основы и во множество других важных продуктов. В этой брошюре мы попытаемся более подробно описать весь каскад неф техимических превращений углеводородов от их добычи до получения пластиков, синтетических каучуков и других продуктов. Кроме того, здесь вы найдете рассказ об этих материалах, их структуре, истории возникнове ния, об особенностях производства и применения. 7 «Популярная нефтехимия» ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ II. 1. Введение Сырьевой базой нефтехимической промышленности являются ископа емые углеводороды: нефть, раство ренный в ней газ (он также носит на звание попутный нефтяной газ), природный газ и газовый конден сат. Эти ископаемые более при вычны нам как участники простей шей химической реакции – горения. Природный газ мы сжигаем в кон форках бытовых плит. Тот же самый газ горит на электростанциях, вы рабатывая тепло и электроэнергию. Продукты переработки нефти ис пользуются в автомобильных двига телях внутреннего сгорания – бен зиновых и дизельных, в реактивных двигателях самолетов и энергетиче ских установках судов и кораблей. Попутный газ растворен в нефти, когда она находится в недрах, и вы деляется при ее добыче. II 8 ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ II Но ископаемые углеводороды представляют собой смеси большого ко личества различных веществ, которые могут быть вовлечены и в более сложные химические превращения. И если задача нефтепереработки, по большому счету, разделение нефтяного сырья на компоненты для их более эффективного сжигания, то задача нефтехимии – создание из этих компонентов синтетических материалов с заданными свойствами. Важнейшими продуктами нефтехимии являются вещества, относящиеся к классу полимеров. Это, например, полиэтилен, полипропилен, поливи нилхлорид, полистирол, синтетические каучуки и т. д. Слова эти на слуху у большинства современных людей. Однако что же это такое? Полимеры представляют собой длинные молекулярные цепочки, полу чаемые из одинаковых звеньев, которые носят название мономеров (на рисунке 1 – в зеленом окне). Их число может варьироваться от нескольких тысяч до миллионов. Важ ность полимеров в современном мире и, стало быть, важность нефтехи мической промышленности объясняется их уникальными свойствами. Рис. 1 9 «Популярная нефтехимия» Вопервых, полимерные материалы и изделия из них обладают достаточной для большинства сфер применения прочностью, малой хрупкостью, термо и морозоустойчивостью. Почти все крупнотоннажные полимеры не под вержены негативному влиянию окружающей среды. Если, например, ме таллическое изделие оставить долго на открытом воздухе, оно проржавеет и, в конечном счете, разрушится. А такое же изделие из полимеров сохранит свои свойства на десятки лет. Полимерные материалы в большинстве сво ем не подвержены влиянию агрессивных сред: кислот, масел и растворите лей. Большое разнообразие типов полимерных материалов обуславливает и широкий спектр присущих им свойств. Например, синтетические каучуки являются прочными, но в то же время эластичными: каучуковый шарик вос становит свою форму, если его сжать, а потом снять нагрузку. Вовторых, большинство производимых нефтехимической индустрией по лимеров относится к классу термопластов. Иными словами, являются термопластичными веществами. Это означает, что полимеры зачастую не имеют ярко выраженной точки плавления. Если, например, лед плавится точно при 0 °С, то полимеры с ростом температуры переходят сначала в вы сокоэластичное сос тояние. В таком состоянии полимер по консистен ции похож на пластилин или воск и легко деформируется. С еще большим увеличением температуры термопласт переходит в вязкотекучее состо яние – по консистенции становится похож на мед или густой клейстер. При охлаждении происходит обратный процесс, и полимер вновь затвердевает. Это обстоятельство сильно упрощает обработку термопластов. Их можно расплавив заливать в формы, растягивать в пленки и листы, штамповать, выдувать, продавливать через отверстия различного профиля (экстру дировать) и т. д. Простота в обработке позволяет изготавливать из по лимеров широчайший спектр изделий различной формы, цветов и харак теристик. Кроме того, простота обработки сильно удешевляет стоимость изделий из полимеров: залить расплав в форму значительно проще, чем выковать то же изделие из металла или выточить на станке. А малый вес делает полимеры практически безальтернативными материалами для из готовления корпусных элементов автомобилей, бытовой техники, мебе ли – там, где масса имеет значение. 10 ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ II Но для того чтобы ископаемые углеводороды превратились в привычные нам пластики и резину, они должны пройти несколько стадий переработки. Условно можно выделить три стадии: сначала из ископаемого углеводород ного сырья (нефти, попутного нефтяного газа, природного газа или газового конденсата) получают сырье для дальнейшей нефтехимической переработки. Затем его превращают в мономеры – звенья будущих поли мерных цепочек. На заключительном этапе мономеры собираются в про дукты нефтехимии – полимеры. 11 «Популярная нефтехимия» Нефть добывают из земных недр, прямо на промысле очищают от воды, твердых примесей (песка, частиц грунта, нерастворимых осадков и т. п.), а также от попутного нефтяного газа 1 (ПНГ), после чего транспорти руют на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Здесь нефть проходит мно гостадийный каскад обработок. Мы уже говорили о том, что нефть – это смесь различных веществ. Далеко не все из них пригодны, например, для сжигания в двигателе внутреннего сгорания. Суть нефтепереработки за ключается в разделении сырой нефти на группы составляющих ее компо нентов, а также повышение топливных качеств этих составляющих. Поступая на НПЗ, нефть подвергается атмосферной ректификации, или, другими словами, перегонке (дистилляции) при атмосферном давлении. Суть этого процесса довольно проста: компоненты нефти имеют различ ную температуру кипения и могут быть разделены по этому принципу. Максимально упрощая, можно сказать, что при нагревании нефти сначала будут испаряться те компоненты, которые имеют наименьшую температу ру кипения (так называемые летучие или легкие компоненты). С ростом температуры начнут испаряться вещества с более высокой температурой кипения (высококипящие, тяжелые) и т. д. В итоге исходную смесь можно разделить на фракции – группы веществ, температура кипения которых лежит в определенных диапазонах. Например, типичными фракциями при 1. Подробнее см. II. 2. 2. II. 2. Сырьевая база нефтехимии II. 2. 1. Переработка нефти 12 ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ II атмосферной перегонке нефти являются (по порядку роста температуры кипения): газы (метан, этан, пропан, бутаны), прямогонный бензин (наф та), промежуточные дистилляты (керосин, газойль, компоненты дизель ного топлива) и атмосферные остатки (мазут). В этом ряду важнейшим для нефтехимии продуктом является прямогон ный бензин. Это смесь компонентов нефти с температурой кипения от точки начала кипения до примерно 180 °С, состоящая из углеводородов – коротких цепочек атомов углерода, к которым присоединены атомы водо рода: В состав прямогонного бензина входят такие цепочки, в которых число атомов углерода колеблется от 5 до 9. Более тяжелые фракции (керосин, дизельное топ ливо) содержат более длинные цепочки с более высокой температурой кипения. Важной особенностью углеводородов прямо гонного бензина является то, что они имеют линейное строение, без от ветвлений. Такие углеводороды носят название нормальных. На рисун ке 2 изображен нормальный пентан или, как принято писать, нпентан (название образовано от др.греч. πέντε – пять, то есть по числу атомов углерода). Именно прямогонный бензин в настоящее время составляет около 50% сырья для нефтехимического производства в России. Однако на НПЗ нефтехимики берут в качестве сырья не только нафту. По лезные для дальнейшей химической переработки вещества и смеси полу чаются и в таких «вторичных» процессах нефтепереработки, как катали тический крекинг и каталитический риформинг. H H H H H H H H H H H — C — C — C — C — C — H — — — — — — — — — — Рис. 2 13 «Популярная нефтехимия» Назначение процесса каталитического крекинга – превращать высо кокипящие, тяжелые фракции нефти 2 , состоящие из длинных углеводоро дов, в более легкие – бензиновые фракции. Само название этого процесса происходит от английского cracking – расщепление. Суть его с точки зре ния химии и заключается в дроблении длинных углеводородных цепочек на более короткие. В итоге из тяжелого сырья, самого по себе непригод ного для применения в бензиновых двигателях, получаются более легкие компоненты, которые становятся составной частью бензинов для автомо билей. При каталитическом крекинге образуется достаточно большое (до 20% от массы сырья) количество газов, часть из которых является ценным неф техимическим сырьем. Так, при крекинге, например, гидроочищенного вакуумного газойля 3 выход фракции С 4 (газообразные углеводороды с че тырьмя атомами углерода в структуре) составляет 7,6% от массы сырья. Эта фракция носит название бутанбутиленовая (ББФ). Также образует ся фракция С 3 (три атома углерода), ее выход составляет 3,6%, из которых большая часть – пропилен. Эта фракция называется пропанпропиле новая (ППФ). ББФ и ППФ являются важным сырьем для нефтехимической промышленности. Например, ППФ с установок каталитического крекинга Московского НПЗ используется для выделения пропилена и производства полипропилена на ООО «НПП «Нефтехимия» – совместном предприятии СИБУРа и «Газпром нефти». Установка выделения пропилена из ППФ мощ ностью 250 тыс. тонн в год строится в Омске и должна будет обеспечивать сырьем комплекс по производству полипропилена. А фракции С 4 исполь зуются в промышленности синтетических каучуков. 2. Как правило, это вакуумные газойли – продукты вакуумной перегонки остатков атмосферной дистилляции (мазута). 3. Название одной из промежуточных технологических смесей при переработке нефти. Получается при вакуумной перегонке остатков атмосферной ректифи- кации (мазута). Вакуумная перегонка производится при пониженном давлении, что позволяет снизить температуры кипения веществ. Продуктами вакуумной перегонки являются газойли и вакуумные остатки, например гудрон. Именно вакуумные газойли являются основным сырьем для процесса каталитического крекинга. 14 ПРОЦЕССЫ НЕФТЕХИМИИ II Наряду с каталитическим крекингом, обеспечивающим нефтехимию сырьевыми газовыми смесями, важным является процесс |