Нефтехимия

НЕФТЕХИМИЯ, область химии, изучающая состав, св-ва и хим. превращения компонентов нефти и прир. газа, а также процессы их переработки.

Историческая справка. Начало исследований по нефтехимии относят к последней четверти 19 в. (примерно 1880), когда пром. добыча нефти в мире (в осн. Россия и США) достигла 4-5 млн.т/год. Трудами Д. И. Менделеева, Ф. Ф. Бейльштейна, В. В. Марковникова, К. Энглера были развернуты исследования углеводородного состава нефтей разл. месторождений, гл. обр. кавказских, разработка приборов и методов для анализа нефтей, синтез модельных углеводородов. В кон. 19-нач. 20 вв. были выполнены первые работы по хлорированию и гидрохлорированию углеводородов нефти (Марковников), их нитрованию (М. И. Коновалов, С. С. Наметкин) и жидкофазному окислению (К. В. Харичков, Энг-лер), а также по каталитич. превращениям высококипящих углеводородов (В. Н. Ипатьев, Н. Д. Зелинский).

Первым пром. нефтехим. продуктом был изопропиловый спирт, синтезированный из отходящих газов термич. крекинга нефти (1920, США). Массовый переход пром. орг. синтеза с угольного сырья на нефтегазовое, происшедший в 1950-60-е гг., стимулировал выделение нефтехимии в самостоят. направление научных исследований в химии.

В научно-техн. литературе термин "нефтехимия" начал появляться в 1934-40, а после 1960 стал применяться для обозначения научного направления и дисциплины. Предшествующий термин "химия нефти" с этого времени употребляется только в узком значении-для обозначения направления нефтехимии, занимающегося изучением состава и св-в нефти.

Основные задачи и направления. Главная задача нефтехимии -изучение и разработка методов и процессов переработки компонентов нефти и прир. газа, гл. обр. углеводородов, в крупнотоннажные орг. продукты, используемые преим. в качестве сырья для послед. выпуска на их основе товарных хим. продуктов с определенными потребит. св-вами (разл. топлива, смазочные масла, мономеры, р-рители, ПАВ и др.). Для достижения этой цели нефтехимия изучает св-ва углеводородов нефти, исследует состав, строение и превращения смесей углеводородов и гетероатомных соед., содержащихся в нефти, а также образующихся при переработке нефти и прир. газа. Нефтехимия оперирует преим. многокомпонентными смесями углеводородов и их функцией, производных, решает задачи управления р-циями таких смесей и осуществляет целенаправленное использование компонентов нефти.

Задача поисковых исследований - изыскание принципиально новых р-ций и методов, к-рые при послед. реализации в виде технол. процессов могут качественно изменить техн. уровень нефтехим. произ-в.

Конкретные задачи прикладных исследований и разработок определяются требованиями нефтехим. и нефтеперерабатывающей пром-сти, а также диктуются логикой развития всей хим. науки.

Для решения своих задач нефтехимия комплексно использует методы и достижения орг. и физ. химии, математики, теплотехники, кибернетики и др. наук. В связи с четко выраженной прикладной направленностью исследований при разработке нефтехим. процессов широко практикуется моделирование и проверка их на опытных установках разл. масштаба (см. Масштабный переход). Научные исследования в нефтехимии развиваются по след. осн. направлениям: изучение хим. состава нефтей, взаимопревращения углеводородов нефти, синтез функцион. производных углеводородов из нефтяного и газового сырья.

Изучение химического состава нефтей выявляет закономерности распределения углеводородов, гетероатомных и металлсодержащих соед. в нефтях и их фракциях в зависимости от месторождения, глубины залегания и условий добычи нефти (см. Нефть). Знание таких закономерностей дает возможность создавать банки данных по нефтям, рекомендовать наиб. рацион. пути переработки и использования нефти, нефтяных фракций и компонентов. Для более глубокого изучения состава нефти интенсифицируют существующие методы анализа и разрабатывают новые, используя комплексные хим. и физ.-хим. методы анализа (хроматография, оптич. спектроскопия, ЯМР и др.).

Исследование в з а и м о п р е в р а щ е н и й у г л е в о д о р од о в нефти обеспечивает научную основу процессов нефтепереработки-получения моторных топлив, их высокооктановых компонентов (изопарафины С₆-С₉, ароматич. углеводороды), мономеров и полупродуктов (этилен, пропилен, бутилены, бензол, толуол, изопрен, бутадиен, ацетилен, ксилолы) из др. компонентов нефти, гл. обр. неразветвленных парафинов и нафтенов. Для этой цели исследуют закономерности и механизм термич. и каталитич. превращений индивидуальных углеводородов и их смесей, осуществляют поиск, разработку и применение новых и модифицир. катализаторов, изучают взаимное влияние компонентов реакц. смеси на направление р-ции при крекинге, пиролизе, дегидрировании, изомеризации, циклизации и др. Такое изучение позволяет усовершенствовать существующие и разрабатывать новые процессы нефтепереработки с целью ее углубления до 75-85%, получать высококачеств. нефтепродукты, утилизировать гетероатомные компоненты нефти. Перспективно также изучение и использование новых для нефтехимии био-хим., плазмохим., фотохим. и др. методов стимулирования р-ций.

С и н т е з ф у н к ц и о н. п р о и з в о д н ы х у г л е в о д о р о д о в (нефтехим. синтез)-разработка научных основ эффективных прямых или малостадийных методов получения важнейших функцион. производных (спирты, альдегиды, карбоновые к-ты, эфиры, гликоли, амины, нитрилы, галоген- и серосодержащие производные) на основе углеводородов нефти и прир. газа, полупродуктов и отходов нефтепереработки. Примером может служить создание новых перспективных процессов селективного синтеза кислородсодержащих соед. с использованием одностадийных р-ций окисления разл. углеводородов кислородом и карбонилирования оле-финов оксидов углерода.

Нефтехимическое производство. Результаты научных исследований и достижений в области нефтехимии находят практич. применение в произ-ве мн. крупнотоннажных орг. полупродуктов. Преимущество нефтегазового сырья перед др. видами (уголь, сланцы, торф, растит. и животные жиры и т.п.) состоит в том, что его комплексная переработка дает возможность одновременно получать широкий ассортимент полупродуктов для разл. хим. произ-в.

Нефтехим. произ-во начинается с получения первичных нефтехим. продуктов, частично поставляемых нефтепереработкой, напр. прямогонный бензин, высокоароматизир. бензины с установок каталитич. риформинга и пиролиза, низшие фракции парафинов и олефинов, керосин, газойль, мазут и выделяемые из них жидкие и твердые парафины. На основе первичных нефтехим. продуктов (гл. обр. непредельных и ароматич. углеводородов) производятся вторичные продукты, представленные разл. классами орг. соединений (спирты, альдегиды, карбоновые к-ты, амины, нитрилы и др.); на основе вторичных (и частично первичных)-конечные (товарные) продукты (см. схему). Жидкие, твердые или газообразные углеводороды нефти и газа (гл. обр. н-алканы) являются сырьем для микробиол. синтеза кормовых продуктов (см. Микробиологический синтез).

Нефтехим. произ-во характеризуется выпуском продуктов нетопливного назначения, ограниченным и стабильным ассортиментом продуктов (ок. 50 наименований), крупными масштабами произ-ва. Состояние и развитие нефтехим. произ-ва определяющим образом влияет на темпы и масштабы химизации всего народного хозяйства и, в первую очередь, на произ-во синтетич. и лакокрасочных материалов, резинотехн. изделий, кормовых в-в и др. Благодаря этому развитие нефтехимии определяет прогресс мн. др. отраслей народного хозяйства, где и реализуется в осн. прибыль и экономия сырья и энергии от вовлеченных в использование нефтепродуктов.

Нефтехим. произ-ва, как правило, являются поточно-непрерывными, осуществляются на агрегатах большой единичной мощности, при повыш. т-рах и давлениях и широком использовании разл. катализаторов. Для совр. произ-в типичен высокий уровень автоматизации, применение ЭВМ и анализаторов на потоке для контроля и управления технол. процессом. Для нефтехим. пром-сти в целом характерны также специализация и централизация произ-ва, развитые функцион. связи (кооперирование) по сырью и продукции с нефтепереработкой и произ-вом полимеров.

В большинстве своем нефтехим. произ-ва-материале-, ка-питало- и энергоемкие объекты. В пересчете на сырую нефть выпуск 1 т нефтехим. продукта требует затраты от 1,5 до 3 т ее как сырья и еще 1 -3 т как энергоисточника (в сумме от 2,5 до 6 т). В связи с этим доля сырья в себестоимости велика (65-85%), издержки произ-ва и прибыль относительно невысокие. Актуальная задача интенсификации и повышения экономич. эффективности нефтехим. произ-в решается за счет химико-технол. (использование новых, более селективных р-ций и катализаторов, оптимизация рабочих условий, привлечение более доступных и дешевых видов сырья и более эффективных способов осуществления операций и т.п.) и организационно-экономич. факторов (концентрация произ-ва и укрупнение агрегатов, кооперирование и комбинирование процессов, установок и произ-в).

Нефтехим. произ-ва обычно сопровождаются образованием побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Решение экологических вопросов достигается путем повышения селективности процессов, создания малоотходных технологий, комплексной переработки сырья и отходов.

На хим. переработку сейчас тратится во всем мире более 8% добываемой нефти. По отдельным странам эти цифры колеблются и составляют для СССР ок. 7%, для США 12%. В соизмеримых по тоннажу с общим кол-вом нефтепродуктов, расходуемых на нефтехим. цели, используется прир. газ. Доля его добычи, поступающая на хим. переработку, составляет в мире 12%, в СССР 11%, в США 15%.

Общий объем выпуска нефтехим. продуктов в мире м.б. оценен в 300 млн. т/год (1987-88). В табл. приведены оценочные данные по мировому произ-ву наиб. крупнотоннажных нефтехим. продуктов.

СССР является крупным производителем этилена, метанола, пропилена, фенола, соотв. 3,1, 3,2, 1,42 и 0,5 млн.т (1988). За 1980-88 объем произ-ва нефтехим. продукции в СССР увеличился почти в 1,5 раза.

ОБЪЕМЫ И МОЩНОСТИ МИРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА НЕКОТОРЫХ НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ (1986-88, МЛН. Т/ГОД)

Хотя в последние десять лет мировая добыча нефти не растет (с 3,11 млрд.т в 1980 она снизилась до 2,6 млрд.т в 1983, а затем возросла до 3,07 млрд.т в 1989), основной ассортимент нефтехим. продуктов будет сохраняться, а объемы их произ-ва расти на 4-6% в год. В связи с этим следует ожидать значительного (по абс. кол-ву и в процентном отношении) роста расхода нефти на хим. переработку. К кон. 20 в. последний показатель может достичь 20-25%. В обозримый период нефтегазовое сырье сохранит приоритетное значение в орг. синтезе, но будет сталкиваться с конкуренцией более доступного, а иногда и более дешевого альтернативного (ненeфтяного) сырья: уголь, сланцы, биомасса и др.

Лит.: Справочник нефтехимика, под ред. С. К. Огородникова, т. 1-2, Л., 1978; Шелдон Р. А., Химические продукты на основе синтез-газа, пер. с англ., М., 1987; Пэрэушану В., Коробя М., Муска Г., Производство и использование углеводородов, пер. с рум., М., 1987; Лебедев Н. Н., Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза, 4 изд., М., 1938; "Ж. Всес. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева", 1989, т. 34, № 6.

С. М. Локтев.