История развития технологий нефтегазового производства
Конец XIX и начало XX в. ознаменовались возникновением ряда новых химических производств. В это время зародилась и достигла довольно высокого уровня такая важная отрасль, как нефтеперерабатывающая промышленность. Если в 1870 г. добыча нефти составляла 0,7 млн. т, то в 1913 г. она достигла 52,3 млн. т. Вначале из нефти получали керосин, затем керосин и масла и, наконец, керосин, масла и бензин. Еще в 1823 г. русским крепостным мастерам братьям Дубининым удалось осуществить перегонку нефти на довольно крупной заводской установке. Заводская установка Дубининых представляла собой железный куб для нефти емкостью в 40 ведер, вмазанный в кирпичную печь. Куб накрывался медной крышкой. От крышки куба отходила медная труба через деревянный резервуар, наполненный водой. Этот резервуар играл роль холодильника, из которого труба выводила продукт перегонки в деревянное ведро. Процесс перегонки осуществлялся следующим образом: куб, наполненный нефтью, нагревался от печей; образовавшиеся при этом пары нефти устремлялись по медной трубе. При прохождении трубы через холодильник пары в ней конденсировались, и в результате выходил новый продукт — осветительное масло, нечто вроде современного керосина. В процессе перегонки использовалось свойство нефти разлагаться под влиянием нагревания на составляющие ее компоненты. При этом из 40 ведер нефти получалось 16 ведер керосина. Способ Дубининых был крайне примитивен, однако он имел все данные, чтобы в дальнейшем развиться в так называемый термофизический способ разделения нефти. Установка братьев Дубининых была первым нефтеперегонным заводом, прототипом нефтеперегонных заводов, появившихся в России и в США в 60—70-х годах XIX в.
В начале второй половины XIX в. быстро совершенствуется техника добычи нефти, что послужило мощным толчком к развитию техники нефтепереработки. В конце 50-х годов XIX в. В Европе и Америке уже работал ряд предприятий по производству керосина, предназначенного главным образом для освещения. В 1858 г. близ Баку был построен большой завод для получения керосина из нефти. Оборудование этих заводов мало чем отличалось от установки Дубининых. Конечно, при строительстве новых перегонных заводов вводился ряд усовершенствований в перегонную систему, увеличивалась емкость перегонных кубов, однако принципиально в основе перегонки оставался тот же куб периодического действия с весьма низкой производительностью и с крайне неблагоприятным тепловым балансом.
Конец XIX в. характеризуется все возрастающим спросом на нефтяные продукты. Необыкновенно быстрый рост парка машин и станков, а также бурное развитие железнодорожного дела привели к резкому увеличению спроса на смазочные минеральные масла. Перед нефтеперерабатывающей промышленностью встала проблема более глубокого разделения нефти с целью выделения технически ценных продуктов, и в первую очередь масел. Проблемой глубокого разделения нефти с конца 70-х годов занимались во многих странах Европы и в США. В этот период были созданы самые различные аппараты, улучшающие оборудование нефтеперерабатывающих заводов. Однако русским инженерам здесь принадлежит первенство. Один из первых нефтеперегонных аппаратов создал русский инженер А. Тавризов в 1874 г.
В 1882 г. Д. И. Менделеев сконструировал и установил на Кусковском нефтеперегонном заводе под Москвой первый куб непрерывного действия, который отличался несложной конструкцией и поэтому быстро нашел заводское применение. Это был, в сущности говоря, простой куб, оборудованный устройством для непрерывной подачи нефти и отвода нефтяных остатков (рис. 1).
В 1883 г. на заводе Нобеля в Баку вводится первая кубовая батарея, состоящая из ряда кубов непрерывного действия, работающих по принципу куба Менделеева. Вскоре эта кубовая батарея была значительно усовершенствована инженерами Шуховым, Инчиком, Хохловым, Кушелевским, в результате чего производительность батареи резко возросла. Кубовая батарея под названием Нобелевской получила очень широкое распространение не только в России, но и во всем мире. К 1900 г. кубы непрерывного действия заняли господствующее положение в нефтепереработке, вытеснив кубы периодического действия. Это был поистине технический переворот, позволивший не только резко повысить производительность нефтеперегонных заводов, но и более глубоко производить разделение нефти, т. е. намного повысить степень ее использования. Кубовая батарея давала не только керосин превосходного качества, в ней утилизировались и нефтяные остатки. Мазут в батарее подвергался дальнейшей перегонке с целью выделения смазочных масел различных сортов. Из отбросов керосинового производства в результате перегонки мазут превратился в ценное сырье для получения нового продукта — смазочных масел, которые были значительно ценнее керосина и употреблялись исключительно для технических целей — для смазывания трущихся частей машин.
В XX в. перед нефтеперерабатывающей промышленностью встала новая сложная проблема — получение бензина. С изобретением и распространением двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе, бензин, считавшийся до тех пор Отходом нефтепереработки, стал ценнейшим продуктом. С 1902 по 1912 г. мировое потребление бензина возросло с 3276 т до 376,8 тыс. т, т. е. в 115 раз. В период 1900—1913 гг. бензин в основном производился путем простой перегонки нефти. При получении бензина применялся физический способ разделения — последовательное испарение с последующей конденсацией и отбором более легких фракций нефти, что позволило выделять содержащиеся в нефти продукты только в известных температурных пределах (от 780 до 300°). Бензин при этом получался низкого качества и в небольших размерах. Поэтому по мере роста потребностей в нефтяных продуктах стал необходим новый химический способ переработки нефти, который позволил бы значительно повысить выход из нее бензина. Над этой проблемой в течение последней четверти XIX в. и вплоть до первой мировой войны работали ученые всех стран. Соединенными усилиями ученых-химиков и инженеров Европы и Америки к началу первой мировой войны был разработан так называемый крекинг-процесс, т. е. процесс глубокой переработки нефти.
Крекинг-процессом называется процесс получения бензина и вообще легких моторных топлив из нефти путем разложения (расщепления) молекул тяжелых углеводородов под действием высоких температур и давления.
Еще в 1876 г. высокотемпературный крекинг некоторых фракций кавказских нефтей осуществили русские инженеры А. А. Летний, Ф. Ф. Бейльштейн, А. А. Курбатов. В 1887 г. К. М. Лисенко и П. П. Алексеев построили в Баку заводскую установку для получения керосина путем термической переработки масляного гудрона. Большой вклад в разработку крекинг-процесса внес В. Г. Шухов, который в 1891 г. совместно с Гавриловым запатентовал промышленную установку для термического крекинга нефти. Однако в России, несмотря на блестящие и наиболее ранние по времени экспериментальные работы в области освоения крекинг-процесса, внедрение его в промышленность шло весьма медленно. В промышленных масштабах крекинг-процесс был освоен лишь в 1916 г. в США.
Хотя органическая химия возникла еще в первой половине прошлого века, но лишь современный органический синтез, развившийся в важнейшую отрасль химического производства за четыре десятилетия после первой мировой войны, позволил решить многие актуальные задачи, поставленные всем ходом развития новых отраслей техники.
Начиная с 20-х годов наряду с глубокой переработкой нефти развернулись работы по синтезу органических соединений с использованием в качестве сырья твердого топлива и водорода. На основе технического прогресса в переработке и использовании твердого и жидкого топлива благодаря развитию синтеза на основе окиси углерода и водорода в химии сложилось направление тяжелого органического синтеза (рис.2).
Огромные масштабы производства и применения двигателей внутреннего сгорания потребовали коренных качественных изменений самой химической техники. Мотор для своей работы требует огромного количества высококачественного жидкого горючего. Автомобилю, самолету необходимы шины, резиновые прокладки, шланги и т. п., а для этого нужны сотни тысяч тонн каучука и различных изделий из него. Автомобиль, самолет, комбайн, трактор нужно защитить от действия дождя, пыли, сделать устойчивым к коррозии, удобным для пользования, красивым, а для этого необходимы тысячи тонн лаков, растворителей, водонепроницаемых тканей, искусственной кожи, шерсти и волокна, пластических масс и т. п. Чтобы удовлетворить потребности развития автомобильной, авиационной, тракторной и т. п. отраслей промышленности, эти материалы должны изготовляться быстро, дешево, в больших количествах, из широко распространенного и дешевого сырья.
Двигатель внутреннего сгорания открыл новую страницу в химической технологии. Будучи использован в сельском хозяйстве на автомобиле, тракторе, комбайне, этот двигатель способствовал коренному изменению методов работ в сельском хозяйстве. Механизация сельскохозяйственных работ превращает сельскохозяйственный труд в разновидность индустриального труда, сделала деревню новым потребителем целого ряда химических продуктов. Современное земледелие требует использования различных химических соединений, в которые входят до 70 элементов периодической системы. Только за последние 10 лет химики синтезировали более 2 тыс. химических соединений — ядохимикатов, специально предназначенных для борьбы с болезнями растений, паразитами и вредителями сельского хозяйства. Особенно велика потребность современного механизированного сельского хозяйства в удобрениях.
Говоря о развитии химической технологии в XX в., нельзя не связывать ее развитие и с потребностями военной техники, которые резко повысили спрос на химические продукты.
