Химия и технология нефти и газа

-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
С.В. Вержичинская, Н.Г. Дигуров, С.А. Синицин
ХИМИЯ 
И ТЕХНОЛОГИЯ НЕФТИ 
И ГАЗА
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
3-е издание, исправленное и дополненное
Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации 
в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений 
среднего профессионального образования
Москва                                        2022
ИНФРА-М

УДК 54(075.32)
ББК 24я723
 
В31
Р е ц е н з е н т ы:
Ю.П. Сучков — доцент кафедры «Химическая технология основного органического и нефтехимического синтеза» Российского химикотехнологического университета имени Д.И. Менделеева; 
Б.П. Туманян — профессор кафедры «Технология переработки 
нефти» Российского государственного университета нефти и газа имени 
И.М. Г
убкина
Вержичинская С.В.
В31 
 
Химия и технология нефти и газа : учебное пособие / С.В. Вержичинская, Н.Г. Дигуров, С.А. Синицин. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : 
ФОРУМ : ИНФРА-М, 2022. — 416 с. — (Среднее профессиональное 
образование).
ISBN 978-5-91134-512-7-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013576-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102368-6 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии рассмотрены вопросы химического состава нефтей 
и газов, механизмы основных химических реакций их переработки, теоретические основы технологических процессов, типичные технологические 
схемы, оборудование и методики его технологического расчета и подбора. 
Даны понятия о проектировании установок, рассказано о применении информационных технологий при расчетах и проектировании, об общезаводских хозяйствах нефтеперерабатывающих заводов.
Пособие предназначено для учащихся средних специальных учебных 
заведений, изучающих дисциплину «Химия и технология нефти и газа», 
также может быть полезно бакалаврам, обучающимся по направлению 
«Химическая технология», и специалистам, работающим в области нефтепереработки.
УДК 54(075.32)
ББК 24я723
ISBN 978-5-91134-512-7-0 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013576-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102368-6 (ИНФРА-М, online)
© Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г., 
Синицин С.А., 2007, 2009, 2014
© ФОРУМ, 2007, 2009, 2014

От авторов
Образование современного химика-технолога в области нефтепереработки должно базироваться на знаниях химизма и механизмов химических реакций превращений веществ, входящих в
состав нефтей и газов, химической термодинамики и кинетики
этих процессов, физических основ процессов массо- и теплообмена, математического моделирования и расчета аппаратов нефтепереработки, современных технологических схем; на понятии
о проектировании нефтеперерабатывающих предприятий и применении для этого современных информационных технологий.
Учебное пособие написано сотрудниками Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева с учетом
опыта курсов, читаемых бакалаврам и инженерам по специальности «Химическая технология природных энергоносителей и
углеродных материалов».

Введение
С давних времен человек добывал из недр Земли природные
горючие ископаемые (уголь, нефть, газ). С развитием химической промышленности, энергетики, транспорта особое значение
приобрели добыча и переработка нефти и газа с целью получения многих веществ, необходимых в народном хозяйстве.
Месторождения нефти и газа расположены практически на
всей территории нашей страны, но более всего ими богата Западная Сибирь. Основные самые информативные методы разведки
нефтяных месторождений — геологические, геофизические и геохимические, основанные на изучении структуры и характера залегания горных пород, их электропроводности и магнитных
свойств, химическом и микробиологическом анализах проб подземных вод и грунтов. Добычу нефти осуществляют из нефтяных
пластов с глубины до 7000 м и более, вскрытых при помощи буровых станков. При проведении буровых работ широко применяется двухствольное бурение, т. е. бурение одновременно двух скважин с одной буровой вышки. Из скважины нефть поступает на
стабилизацию, где из нее выделяется газ, который подается на газоперерабатывающий завод. Эксплуатация газовых скважин по
технологии разработки аналогична фонтанному способу нефтедобычи. Природный газ и газы газоконденсатных месторождений
после добычи подаются на газоперерабатывающий завод. Нефть и
газовый конденсат газоконденсатных месторождений поступают
на нефтеперерабатывающий завод.
Базируется химическая технология нефти и газа на процессах физического разделения компонентов нефти и газа, их химических превращениях. Первым этапом работы с нефтью является
ее подготовка, заключающаяся в обезвоживании и обессоливании, т. е. удалении воды и различных солей. Далее следует ее
разделение на фракции. Вначале выделяют бензиновую фракцию, затем светлые дистилляты (керосин, дизельное топливо) и
мазут. Мазут разделяют на фракции под вакуумом на вакуумные
фракции: вакуумный газойль и гудрон. Разделение нефти на

Введение
5
фракции (ректификация) является физическим этапом переработки нефти.
Далее начинается собственно химическая переработка нефти. Следовательно, на первый план выходят представления о химической природе и составе нефти и газа, их поведение при повышенных температурах и давлении. Этому в пособии посвящено несколько глав.
Современные процессы переработки направлены на использование богатейшего химического потенциала нефти, обусловленного широким групповым составом углеводородов и гетероатомных соединений. Для получения нужных органических веществ, повышения качества моторных топлив и их очистки от
вредных примесей в промышленности нефтяные фракции и индивидуальные углеводороды подвергают термическому (термический крекинг, пиролиз, коксование), термокаталитическому
(каталитический крекинг, каталитический риформинг, изомеризация, алкилирование) воздействию и гидрогенизации (гидрокрекинг, гидроочистка).
Чаще всего прямогонные нефтяные фракции (топливные
фракции) нельзя сразу использовать на транспорте, так как они
являются низкокачественными, с большим числом вредных (например, сернистых) соединений. Кроме того, прямогонные нефтяные фракции обладают низким октановым числом. Поэтому
после ректификации бензиновые фракции поступают на риформинг, где происходит превращение парафиновых и нафтеновых углеводородов в ароматические. Керосиновую и дизельную
фракции подвергают гидроочистке от гетероатомных соединений
(органических соединений, скелет молекулы которых, помимо
атомов углерода, чаще всего содержит атомы O, N и S). Вакуумный газойль, гудрон и мазут, содержащие значительное количество ароматических углеводородов, поступают на установки каталитического крекинга, гидрокрекинга и коксования. В результате
получается некоторое количество светлых нефтепродуктов и газов, а также может образовываться твердый материал, называемый коксом.
Изомеризация и алкилирование служат для переработки газов и низкомолекулярных жидких углеводородов для получения
высокооктановых топлив и их компонентов.
В нефтепереработке существуют три основных способа переработки нефти: по топливному, масляному и нефтехимическому
варианту. В первом случае основным продуктом является топли

Введение
во, во втором — масла и смазочные материалы, в третьем — сырье для нефтехимического синтеза. Производство масел и парафинов имеется не на каждом заводе, что обусловлено качеством
перерабатываемой нефти. Чтобы получить высококачественные
масла, необходимо вакуумные фракции нефти направить на установки экстракции и депарафинизации для выделения базовых
масел, которые затем смешивают с присадками, получая товарные смазочные масла.
Все химические процессы переработки нефти связаны с перераспределением водорода между молекулами углеводородов.
Это может быть выражено соотношением Н/С в молекулах углеводородов. При повышенных температурах в присутствии катализатора или без него углеводороды распадаются на составляющие. Одна часть из них обогащена водородом, другая обеднена
им. Таким образом, при термической или термокаталитической
переработке сырья получаются углеводороды с различным соотношением Н/С. Реакции углеводородов с водородом приводят к
росту соотношения Н/С в продуктах их переработки. Следовательно, если в реакционную зону вводить водород, то можно из
твердых веществ, богатых ароматическими соединениями (уголь,
кокс и пр.), получить набор углеводородов, по своему составу
близкий к составу исходной нефти или нефтяных фракций. Так,
оперируя отношением Н/С довольно легко выбрать пути переработки сырья и понять суть процессов, происходящих на нефтеперерабатывающем заводе.
Количественное описание технологических процессов нашло
свое отражение в главах пособия, посвященных проектированию
и расчету нефтехимического оборудования (массо- и теплообменные аппараты, печи, реакторы и пр.).
Знание таких разделов науки, как высшая математика, процессы и аппараты, коллоидная, органическая и неорганическая
химия поможет читателю лучше понять излагаемый материал.

1. ХИМИЯ НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА
Нефть и газ — это природные горючие ископаемые. К природным горючим ископаемым относятся все находящиеся в земной коре органические материалы, которые могут служить источником тепловой энергии.
Рассмотрим соотношение различных природных горючих ископаемых в земной коре (в % мас.):
Угли и сланцы . . . . . . . . . . . . . . . 95,8
Торф . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,4
Нефть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,7
Газ природный . . . . . . . . . . . . . . . 0,1
Из приведенных данных становится очевидным, что нефти
на Земле значительно меньше, чем углей. Следовательно, условия, благоприятные для образования нефти и газа, возникали в
природе гораздо реже, чем для образования углей.
1.1. Теория происхождения нефти
Нефть — природная дисперсная система жидких углеводородов, в которой растворены газообразные и твердые вещества.
Наряду с углеводородами, в нефти присутствуют гетероорганические гетероатомные соединения, содержащие, помимо углерода и водорода, азот, серу, кислород и другие элементы.
Иными словами, нефть — это широкий комплекс газообразных, жидких и твердых углеводородных соединений.
Основной трудностью, стоящей перед исследователями происхождения «природной нефти», является недостаток прямых и
убедительных фактов ее образования — отсутствие в ней самой
остатков исходной органической ткани. Исследователь может
лишь оперировать предположениями и косвенными фактами,
что допускает их различное толкование. Большинство геологов

1. Химия нефти и природного газа
поддерживают гипотезу об образовании нефти из живой материи. В защиту гипотезы неорганического происхождения нефти
также можно привести веские соображения как геологического,
так и химического характера.
В современном научном мире существуют две основные гипотезы о происхождении нефти. Рассмотрим каждую из них в
отдельности.
Сущность биогенной (органической) теории заключается в следующем. Все горючие углеродистые ископаемые (нефть, газ,
уголь, горючие сланцы) являются генетически родственными образованиями. Все они возникли из отмерших остатков живых организмов, обитавших на Земле в разные геологические эпохи. Источником образования нефти являются органические остатки
преимущественно низших растительных (планктон, водоросли
и др.) и животных организмов (рачки, бактерии и др.), обитавших
в толще воды и на дне водоемов. Под действием окружающей среды водоемов происходило разложение отмерших организмов.
В результате нефть содержит соединения с унаследованной структурой исходного растительного материала и соединения, полученные в результате его дальнейших превращений.
Впервые гипотеза об органическом происхождении нефти
была высказана М. В. Ломоносовым еще в 1763 г. По мнению
М. В. Ломоносова, нефть образовалась под воздействием «подземного огня на окаменелые уголья», в результате чего возникли
асфальты, нефти и «каменные масла».
Позже было проведено множество экспериментальных работ
в подтверждение этой гипотезы. В 1932 г. И. М. Губкин, казалось бы, окончательно сформулировал положения о биогенном
происхождении нефти. В качестве исходного вещества для образования нефти он рассматривал сапропель. Сапропель — органические илы, состоящие из разложившихся остатков преимущественно низших водорослей и микроорганизмов водоемов. По
мере погружения сапропелевого пласта, обогащенного органическими остатками, в глубину земных недр в нем возрастают давления и температуры. В результате термокаталитических процессов органическое вещество превращалось в нефть.
И. М. Губкин считал процесс нефтеобразования длительным,
непрерывным и постадийным. Он выделял следующие этапы образования нефти и газа: накопление органического материала в
осадках, образование рассеянной нефти, вытеснение этой нефти
из материнских отложений в пористые породы (пески, песчани

1.1. Теория происхождения нефти
9
ки, известняки). Под материнскими отложениями И. М. Губкин
понимал породы, которые первоначально были обогащены органическими веществами, а в дальнейшем послужили источником
нефти и газа. Такими породами могут быть глинистые или известняковые толщи. Обоснованность данной гипотезы о происхождении нефти подтверждается расположением природных месторождений нефти, которые представляют собой пласты проницаемых пород (пески, песчаники, известняки), заключенные
между слоями непроницаемых пород (например, глин).
Взгляды И. М. Губкина на образование нефти лежат в основе
современной органической теории с той лишь разницей, что в
качестве исходного вещества теперь рассматривают не только
сапропелитовые, но и сапропелито-гумусовые вещества. Гумусовые вещества образуются в результате разложения органических
остатков преимущественно высших (наземных) растений.
Академик И. М. Трофимук, дополнив и уточнив основополагающие взгляды академика И. М. Губкина, предложил выделить
пять основных стадий образования нефти.
Первая стадия — осадконакопление: после отмирания остатки
растительных и животных организмов выпадают на дно морских
или озерных бассейнов и накапливаются в илах, рассеиваясь
среди привнесенных или образуемых на месте минеральных
осадков.
Вторая стадия — биохимическая: накопленный на дне бассейнов органический осадок медленно преобразуется, уплотняется,
частично обезвоживается за счет протекания биохимических
процессов в условиях ограниченного доступа кислорода.
Третья стадия — протокатагенез: пласт органических осадков медленно опускается на глубину, покрываясь сверху слоем
новых молодых осадков. По мере погружения в пласте медленно
повышаются давление и температура. Биохимические процессы
вследствие гибели микроорганизмов полностью затухают.
Четвертая стадия — мезокатагенез: осадок погружается на глубину 3—4 км, температура возрастает до 150 °C. Органическое вещество подвергается активной термокаталитической деструкции
с образованием значительного количества подвижных битуминозных веществ (нефти и нефтепродуктов), содержащих практически весь комплекс углеводородов нефтяного ряда. При дальнейшем погружении осадочных пород процесс генерации углеводородов затихает.

1. Химия нефти и природного газа
Пятая стадия — апокатагенез — протекает на глубине более
4,5 км, где температура 180—250 °C. С ростом глубины осадочных пород нефть становится более легкой с преобладанием доли
алканов, обогащается низкокипящими углеводородами. Залежи
нефти постепенно замещаются сначала газовыми конденсатами — смесью легкокипящих нефтяных углеводородов, находящихся в земных недрах в газообразном состоянии, а при охлаждении и снижении давления до атмосферного распадающихся на
жидкую (конденсат) и газовую составляющие. Затем газоконденсаты сменяются природным газом, состоящим преимущественно
из метана.
В процессе образования нефть способна перемещаться в
земной коре по проницаемым породам не только в глубину. При
эмиграции к поверхности нефть теряет легкие фракции, окисляется и утяжеляется. Она характеризуется повышенной плотностью, низким содержанием бензиновых фракций и высоким содержанием тяжелых высокомолекулярных веществ.
В свете новейших мировых достижений науки о нефти гипотеза академика И. М. Трофимука о происхождении нефти кажется наиболее правдоподобной.
Наравне с биогенной теорией развивалась и абиогенная (неорганическая) теория происхождения нефти.
Гипотезу
абиогенного
происхождения
нефти
высказал
Д. И. Менделеев в 1877 г. В основе этой теории лежит возможность образования углеводородов при взаимодействии расплавленных карбидов металлов с водой.
СаС2 
 2Н2О  С2Н2 
 Са(ОН)2.
К сожалению, эта гипотеза не объясняла причин многообразия состава нефтей даже в одном месторождении, а также того,
что нефть обнаруживают в осадочных породах, содержащих остатки живых организмов.
В 1892 г. В. Д. Соколов предложил «космическую» гипотезу
неорганического происхождения нефти. Согласно этой гипотезе
нефть образовалась из первичных углеводородов космоса, попавших на Землю вместе с другими формами космической материи в
эпоху формирования Земли и других планет Солнечной системы.
Это предположение не лишено смысла, поскольку в хвостах комет замечено присутствие углеводородных газов и атомов углерода, а водород довольно широко распространен в космосе.