Тема 1.1. Забруднення навколишнього середовища, пов’язані з роботою паливної та добувної промисловості.

Основні терміни теми: нафтова і газова промисловість, нафта, природний газ, попутний газ, способи добування, вугільна промисловість, вплив на довкілля, зменшення впливу на довкілля.

ІНФОРМАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ТЕМИ

Забруднення навколишнього середовища, пов’язані з роботою паливної та добувної промисловості

Техноекологія – це розділ практичної екології, який займається вивченням різних видів технічної діяльності людини, технологічних процесів промисловості, займається визначенням впливу різних видів діяльності, а також заходами по зниженню впливу технічної діяльності на довкілля.

Техноекологія розглядає наступні види технічної діяльності: паливна, добувна, вугільна промисловість, теплоенергетичний комплекс, сільськогосподарську діяльність, наукову діяльність, військову діяльність, транспорт.

Поряд з розвитком і вдосконаленням технології видобування та використання природних ресурсів розвиваються заходи по зменшенню викидів шкідливих речовин, методи і способи їх уловлювання,

Паливна промисловість.

Характеристика сировини нафтової і газової  промисловості

Нафта і газ є важливими джерелами енергії. Газ поділяють на природний (видобувається самостійно) та попутний (знаходиться у нафті в розчинному стані на 1 т нафти попутно отримують 100-150 м³ газу)

Нафта це масляниста темно-коричнева рідина з червоним чи зеленуватим відливом, інколи чорна, синя чи світла, іноді майже прозора.

За своїм складом нафта - суміш вуглеводів (парафіни, нафтени, ароматичні вуглеводи). Основні види нафти містять 80-87% вуглецю, 10-14% водню, 0-5% сірки, 0-3% кисню, 0-2 % азоту.

У сирому стані нафту майже не використовують. Її використовують після очищення (видалення води, шкідливих домішок) та термічної перегонки на фракції: при нагріванні до 40-180°С виділяються пари авіабензину, при 200-300°С - гасу, 270-350°С - газойлю.

Після світлих нафтопродуктів виділяють спочатку мазут, потім гудрон. Всього з нафти виробляють більше 560 різних нафтопродуктів .

Нафта широко використовується в хімічній промисловості для виробництва пластмас, синтетичного каучуку, синтетичних волокон, жирів, спирту, органічних кислот, розчинників, мастильних матеріалів, білка та іншого.

Відомі лікувальні якості нафти, багатої нафтовими та ароматичними вуглеводнями з незначним вмістом в ній легких фракцій.

Попутний та природний газ складається з вуглеводнів з домішками азоту, вуглекислого газу, сірководню, в невеликій кількості аргону та гелію. Газ - найбільш економічний вид палива. Його теплотворна здатність становить до 41,8 МДж/м³. Він використовується як паливо підприємствами чорної та кольорової металургії, цементної промисловості, енергетики та в комунальному господарстві. Газ використовується як сировина для виробництва синтетичних волокон, каучуку, пластмас, спиртів, жирів, азотних добрив, аміаку, ацетилену, вибухових речовин, ліків.

Застосування газу в енергетиці дозволяє значно скоротити витрати на транспортування палива та використовувати більш дешеве та низькоякісне вугілля.

Україна має відносно невеликі запаси нафти і газу, які не можуть задовольнити її потреб. Відомі три нафтогазові провінції: Дніпропетровсько-донецька западина, Карпатська і Кримсько-причорноморська. Перша, відкрита ще у 1937 році (Ромни), включає близько 50 нафтогазових родовищ, які дають близько 80% видобутку нафти і газу. Карпатська провінція охоплює Закарпаття, Українські Карпати, Прикарпаття з частиною Волині. Останньою була відкрита Кримсько-Причорноморська провінція з шельфом Чорного та  Азовського морів. Сьогодні це найбільш перспективна територія.

Видобування нафти і газу

Розвідка родовищ. Виявлення, оцінка запасів та підготовка до промислової розробки покладів нафти і газу провадяться за допомогою нафторозвідки. Процес нафторозвідки складається з двох етапів: пошукового та розвідувального. В ході пошукового етапу здійснюються геологічна, аеромагнітна та гравіметрична зйомки місцевості, геохімічне дослідження порід і вод, складання карт. Потім проводиться розвідувальне буріння пошукових свердловин. Результатом пошукового етапу є попередня оцінка запасів нових родовищ. Головні цілі розвідувального етапу - позначити (оконтурити) поклади, визначити потужність і нафтогазонасиченість пластів та горизонтів. Після завершення розвідувального етапу обчислюються промислові запаси нафти і розробляються рекомендації щодо введення родовища в експлуатацію.

Буріння. Видобування нафти спершу здійснювалося збиранням з поверхні відкритих водойм, добуванням з колодязів піску чи вапняку, просоченого нафтою. Збирання нафти у водоймах проводили до нашої ери в Мідії, Вавилонії, Сирії.

Видобування нафти. Добування нафти з надр землі здійснюється за рахунок енергії двох видів - природної енергії пласта та енергії, яка подається у свердловину тим чи іншим способом. Спосіб експлуатації нафтової свердловини, при якому використовується енергія пласта, називається фонтанним. Фонтанний спосіб застосовується у початковий період експлуатації, коли пластовий тиск покладу досить великий. Фонтанний спосіб найбільш економічний. Свердловини, що експлуатуються фонтанним способом, обладнують спеціальною арматурою, яка дає змогу герметизувати гирло свердловини, регулювати та контролювати режим її роботи, забезпечувати повне закриття свердловини під тиском.

Способи добування, при яких нафта підіймається на земну поверхню за рахунок підведеної ззовні енергії, називають механізованими. Існують два різновиди механізованого способу експлуатації - компресорний і насосний.

При компресорному або газліфтному методі у свердловину компресором закачують газ, який змішується з нафтою. Щільність нафти знижується, забійний тиск стає нижчим за пластовий, що викликає рух рідини до поверхні землі. Іноді у свердловину подають газ під тиском з розташованих поблизу газових пластів (метод без-компресорного газліфта). На деяких старих родовищах існують системи ерліфта, в котрих як робочий агент використовують повітря. Недоліки цього методу - необхідність спалювання попутного нафтового газу, змішаного з повітрям, підвищена корозія трубопроводів. Газліфтний метод застосовується на родовищах Західного Сибіру, Туркменії, Західного Казахстану.

При насосному способі експлуатації на визначену глибину спускають насоси, які приводяться в дію за рахунок енергії, що передається різними способами. На більшості нафтодобувних підприємств світу набули поширення штангові насоси.

Збір і підготовка нафти до транспортування. Нафта, яка надходить з надр на поверхню землі, містить попутний газ (50-100 м³/ т), воду (200-300 кг/т), мінеральні солі (до 10-15 кг/т), механічні домішки. Перед транспортуванням та подачею на переробку гази, механічні домішки, основна частина води і солей мають бути видалені з нафти.

Добування природних газів. Родовища горючих газів поділяють на власне газові, в яких скупчення газів не пов'язане з іншими корисними копалинами; газонафтові, де газоподібні вуглеводні розчинені в нафті або знаходяться над нафтовим покладом у вигляді так званої газової шапки; газоконденсатні, у яких газ збагачений рідкими вуглеводнями. Добування горючих газів включає їх видобування з землі, збір, облік, підготовку до транспортування споживачу.

Газ, як і нафту, видобувають із землі через мережу свердловин. Оскільки він знаходиться в земних надрах під високим тиском, для його добування застосовують, як правило, фонтанний спосіб. Щоб газ почав надходити на поверхню, досить відкрити свердловину, пробурену в газоносному пласті. При вільному витіканні газу нераціонально витрачається енергія пласта, можливе руйнування свердловини. Тому на голівці свердловини встановлюють штуцер (місцеве звуження труби), обмежуючи надходження газу. Розробка газового покладу триває 15-20 років, за цей час видобувається 80-90% запасів.

Газ, що надійшов із свердловини, безпосередньо на промислі підготовляють до транспортування. З нього видаляють механічні домішки, водяні пари, важкі вуглеводні, в разі необхідності очищають від сірковмісних сполук.

Технології добування нафти з морських та океанічних родовищ

На відносно неглибоких ділянках в арктичних морях експлуатуються стаціонарні металеві платформи високої міцності, серед яких виділяються платформи зі склад пою багато колонною системою опори об дно та одноопорні платформи  моноподи. Останні вважаються перспективними, тому що створюють більш безпечні умови експлуатації за рахунок кращої взаємодії циліндричної колони з рухомим льодовим полем, яке завдяки невеликій площі контакту розколюється і обходить платформу, не викликаючи торошіння льоду. Останнє дуже важливо, бо висота торосів досягає 30 метрів, що становить надзвичайно серйозну небезпеку для споруди (торошіння виникає у тих випадках, коли значення відношення ширини споруди до товщини льоду перевищує 15).

Методи розділення компонентів нафти і газу

Для полегшення очищення нафт і нафтопродуктів використовують різноманітні методи їх попереднього розділення як за молекулярними масами, так і за хімічним складом. Для розділення нафти і виділення різних груп вуглеводнів та гетероатомних компонентів застосовують хімічні й фізичні методи. Хімічні методи грунтуються на неоднаковій реакційній здатності відокремлюваних компонентів, а фізичні (або фізико-хімічні) - на відмінності концентрацій компонентів у співіснуючих рівноважних фазах (табл. 1.1).

Таблиця 1.1. Фізичні методи розділення компонентів нафти

 

Фазові стани	Прості методи	Складні методи
Газ - газ	Дифузія через мембрану	Дифузія з газом-носієм
Газ - рідина	Перегонка і ректифікація	Перегонка з водяною парою Абсорбція Азеотропна ректифікація Екстрактивна ректифікація
Газ - тверда фаз;	Сублімація	Адсорбція
Рідина - рідина	Дифузія через мембрану Термічна дифузія	Екстракція
Рідина – тверда фаза	Кристалізація	Адсорбція Екстрактивна кристалізація Адуктивна кристалізація

 

Простими умовно названі методи розділення, при яких зміна концентрації відокремлюваних компонентів у співіснуючих фазах досягається лише завдяки наданню системі енергії, а складними - методи із застосуванням додаткових розділяючих агентів (селективних розчинників, адсорбентів тощо), які збільшують відмінність складів фаз.

До фізико-хімічних методів розділення відносять також різноманітні види хроматографії, які відрізняються агрегатним станом рухомої та нерухомої фаз.

Поєднання ефективних прийомів розділення з сучасними інструментальними методами аналізу дало змогу створити інформативні експрес-методики визначення якісного та кількісного складу нафт і нафтопродуктів.

Перегонка і ректифікація. Перегонка - найдавніший метод розділення нафти на фракції, що містять компоненти з близькими молекулярними масами, яким

вдалося виділити з нафт ряд індивідуальних сполук. Так, ще наприкінці XIX століття дрібною перегонкою було виділено та ідентифіковано пентан, ізопентан, 2-метилпентан, 2, 3-диметилбутан, 2- і 3-метилгексани та ряд інших низькокиплячих вуглеводнів.

Різні види перегонки та ректифікації широко використовуються і сьогодні - жодна схема аналізу нафт не обходиться без фракціонування при атмосферному тиску чи під вакуумом.

Фракційний склад нафти визначають за допомогою перегонки при атмосферному тиску без ректифікації на стандартному апараті. При цьому оцінюють вихід фракцій, що википають до 300°С;

переганяти більш висококиплячі нафтові фракції та нафтопродукти при атмосферному тиску не рекомендується, бо вони при цьому можуть розкладатися.

Для визначення групового вуглеводневого та структурно-групового складу збезводнену нафту розділяють ректифікацією при атмосферному тиску на уніфікованих апаратах (типу ЦИАТИМ-58а або АРН-2) на стандартні фракції: температура кипіння - 60, 60-95, 95-122, 122-150, 150-200°С. Потім під вакуумом при залишковому тиску 666,5-133,3 Па (5-1 мм рт.ст.) відбирають середні фракції: 200-250, 250-300 та 300-350°С. Для приведення температур кипіння у вакуумі до температур кипіння при атмосферному тиску користуються спеціальними перерахунковими формулами чи номограмами, найчастіше номограмою ІЮР.

Для фракціонування масляних фракцій замість насадкових апаратів можна застосовувати колонки з обертовим ротором, які мають менший гідравлічний опір і забезпечують одержання фракцій без розкладу аж до 550°С.

Для виділення висококиплячих масляних фракцій можливе використання молекулярної перегонки. Процес протікає в глибокому вакуумі (залишковий тиск < 0,1 Па) при невеликій відстані між поверхнями випаровування та конденсації (10-30 мм), меншій, ніж довжина вільного пробігу молекул. У зв'язку з цим молекули, що випарувалися, не зіштовхуються і досягають конденсатора з мінімальними затратами енергії. Сучасні роторні плівкові апарати дають змогу відганяти фракції з температурою кипіння до 650°С практично без розкладу.

Вуглеводневі системи можна розглядати в першому наближенні як ідеальні, що підкоряються закону Рауля:

Значення коефіцієнтів активності вуглеводнів різних гомологічних рядів (за однакової кількості вуглецевих атомів у молекулах) у полярних розчинниках змінюються, як правило, в послідовності:

Алкани > циклоалкани > алкени > алкадієни > алкіни > арени.

Саме в цій послідовності зростають сили притягання між молекулами вуглеводнів та розчинника.

Екстрактивна ректифікація відрізняється використанням порівняно висококиплячих розчинників, які, як правило, не утворюють азеотропів з відокремлюваними компонентами. Для цього температура кипіння розчинників має на 50°С і більше перевищувати температури кипіння компонентів суміші.

Одна з переваг екстрактивної ректифікації порівняно з азеотропною полягає у можливості створення високої концентрації розчинника в колоні (75-90 %), що підвищує селективність та ефективність розділення. При азеотропній же ректифікації вміст розчинника в системі визначається складом азеотропів і часто недостатньо великий, що знижує ефективність розділення. Крім того, розчинники, які застосовують при екстрактивній ректифікації, характеризуються більш високою селективністю, ніж азеотропотвірні компоненти,

Екстрактивна ректифікація рідко використовується при розділенні нафтових фракцій для наступного їх аналізу, але широко застосовується в промисловості для виділення та очистки алкенів, алкадієнів (бутадієну, ізопрену), а також для виділення аренів (бензолу та його гомологів, стиролу) з продуктів піролізу та каталітичного риформінгу нафтових фракцій.

Найважливіша вимога до розчинників для екстрактивної ректифікації - поєднання високої селективності з досить великою розчинною здатністю: на тарілках колони не повинно відбуватися розшарування рідкої фази. Ці вимоги задовольняють УУ-метилпіролідон, диметилформамід та УУ-формілморфолін. Про високу розчинну здатність цих розчинників свідчать порівняно низькі значення коефіцієнтів активності вуглеводнів.

Для розділення вуглеводнів можна використовувати і процес екстрактивно-азеотропної ректифікації, який проводять у присутності двох селективних розчинників - азеотропотворного компонента та екстрактивного агента. Ці функції може виконувати й один селективний розчинник, тобто екстрактивний агент у цьому випадку утворює гомогенні або гетерогенні азеотропи з одним з компонентів чи з групою компонентів суміші, яка розділяється, і потрапляє як у кубовий залишок, так і в дистилят.

Екстракція застосовується у нафтопереробній промисловості для виділення аренів з каталізаторів риформінгу бензинових фракцій, а також для селективної очистки мастил від компонентів з низькими індексами в'язкості - поліциклічних ароматичних та гетероатомних сполук. Перевага процесу екстракції полягає в можливості сумісного виділення аренів С4 – С8 з фракції каталізату риформінгу 62-140°С. У процесі ж екстрактивної ректифікації необхідне попереднє розділення сировини на вузькі фракції - бензольну,

толуольну та ксилольну з наступним виділенням аренів у різних колонах. Останнє необхідно у зв'язку з тим, що, як випливає з рівняння (1.4), коефіцієнт відносної леткості вуглеводнів у процесі екстрактивної ректифікації залежить не тільки від коефіцієнтів активності, але й від тисків насиченої пари. Тому висококиплячі насичені вуглеводні, наприклад С6 – С10 і в присутності селективного розчинника можуть мати меншу леткість, ніж бензол, тобто чіткого групового розділення вуглеводнів не відбудеться.

Забруднення навколишнього середовиша нафтопродуктами. Припустима норма вмісту нафтопродуктів у воді 0,005 мг/л, при більш високій цифрі все живе може загинути.

Зараз використовують ефективні методи боротьби з нафтою, розлитою на поверхні води. Оскільки нафта являє собою рідину, що не змішується з водою, а розтікається тонкою плівкою, її можна прибрати за допомогою спеціальних суден." Нафту збирають у спеціальні ємкості, відсмоктують, а чисту воду зливають у море. Суміш піску з крейдою, попадаючи на нафтову пляму, сорбує нафту. Потім ця маса осідає на дно. Поверхнево-активні речовини перешкоджають розтіканню нафтової плями і сприяють її видаленню. Піднявши нафту на поверхню Землі, людина не порушила природної рівноваги - пустоти в покладах заповнилися водою і структура планети не зазнала змін. Але, приступивши до переробки нафти і до її використання, людина завдала природі великої шкоди. Для прикладу оцінимо витрати США на зниження різноманітних забруднень. За чистотою вод здійснюється міжнародний контроль із супутників і кораблів.

Не меншу небезпеку для навколишнього середовища являють газові викиди при переробці нафтопродуктів. При згорянні нафтопродуктів, що містять сірку, утворюється оксид сірки (IV), який слугує причиною виникнення дощів, що містять сірчану кислоту, сульфіти і сульфати амонію. Поряд з очищенням димових газів зараз велика увага приділяється процесам гідрознесірчування нафт. Це не тільки сприяє охороні навколишнього середовища, але і покращує наступну переробку нафти. Сутність цього процесу полягає в каталітичному гідрогенолізі зв'язку С-8 у сполуках, які мають в собі сірку:

Вплив газу на довкілля. При спалюванні вугілля, дров та інших видів твердого, а також рідкого палива в атмосферу викидається велика кількість диму, сажі, часток палива, що не згоріли, сірчистого ангідриду та інших шкідливих речовин. Околиці засмічуються золою, шлаками і пилом від них. Надходження в повітря великої кількості продуктів згоряння, особливо в великих промислових центрах, різко змінює його склад, часто наближаючи концентрацію токсичних речовин до межі допустимих норм у значенні впливу їх на здоров'я людини.

Максимальні гранично допустимі концентрації токсичних речовин в атмосфері обмежені суворими санітарними нормами, наприклад, окису вуглецю до 3,0 г, сірчистого ангідриду до 0,5 г, окислів азоту до 0,08 г, нетоксичного пилу до 0,5 г, сажі до 0,15 г у 1 м³ повітря.

Основним споживачем палива, а отже, і головним "винуватцем" забруднення повітряного басейну є промислові підприємства, електростанції і транспорт.

Заміна твердого і рідкого палива газоподібним різко скорочує у відхідних газах котельних установок вміст шкідливих речовин -сажі, сірчистого ангідриду, окису вуглецю. Так, якщо прийняти забруднення атмосфери при спалюванні вугілля за 100%, то при спалюванні мазуту забруднення складе 60%, а при спалюванні газу тільки 20%.

Вміст шкідливих речовин у продуктах згоряння, що викидаються в атмосферу котлами великої продуктивності при спалюванні різноманітних видів палива, наводиться в табл. 1.2. (у г/м³).

Табл.1.2. Вміст шкідливих речовин у продуктах

 

Згоряння в котлах	Вугілля	Рідке паливо	Природний газ
Сажа, пил	0,6-3	0,07-0,35	0,07-0,0035
Сірчистий	1,07-7,7	07-4,0	Сліди
Окисли азоту	0,25-2,2	0,2-1,1	0,8-1,7
Окис вуглецю	0,004	0,056	0,015

 

Переведення електростанцій, котельних, промислових підприємств і печей житлових будинків на газове опалення різко зменшує забруднення повітря і навколишнього середовища населених пунктів. За кольором диму з труби відразу можна визначити вид спалюваного палива - влітку при газовому паливі диму взагалі не видно, а взимку із труби виходить дим білого кольору.

Істотно знижується забруднення атмосфери в районах розташування підприємств кольорової металургії при переведенні їх на газове паливо.

Кольорова металургія добуває і переробляє мільйони тонн сульфідних руд, що виділяють при виплавці багато сірчистого ангідриду. При використанні природного газу як паливо в продуктах згоряння відсутній сірчистий ангідрид, і в такий спосіб загальна кількість викидів ангідриду знижується.

Варто додати, що застосування газу виключило необхідність у складах вугілля і коксу, які також були джерелами запиленості повітря, що у свою чергу поліпшило умови праці на цих підприємствах.