Въглеводородна епоха – технологичният път, който изминава петролната индустрия за 160 години

(Продължение на I част, публикувана на 12 януари) Добивът, транспортът и преработка на нефта изминават дълъг път преди да достигнат днешните технологични нива – от повърхностните изкопи до дълбоководните сондажи, от малките дървени бурета до огромните танкери, от простата дестилация до рафинериите за сложна дълбочинна преработка на въглеводородната суровина. Голямата нефтена индустрия бележи началото си

(Продължение на I част, публикувана на 12 януари)

Добивът, транспортът и преработка на нефта изминават дълъг път преди да достигнат днешните технологични нива – от повърхностните изкопи до дълбоководните сондажи, от малките дървени бурета до огромните танкери, от простата дестилация до рафинериите за сложна дълбочинна преработка на въглеводородната суровина.

Голямата нефтена индустрия бележи началото си в САЩ и дълги години е доминирана изцяло от американците. Автомобилът е създаден в Европа, но ако САЩ е това което е, то в голяма степен се дължи на прогресивния дух успял да съчетае по този удивителен начин фактори като нефтената промишленост и автомобилната индустрия. Сериозни съперници на отвъдокеанските актьори на нефтената сцена в края на XIX век са европейските фамилии Ротшилд, Нобел и Самюел, като представителите на последната създават небезизвестната компания Shell. Техният бизнес без изключение е свързан с добива и преработката на нефт в Русия и в частност в нефтените полета на Баку. Братя Нобел са известни шведски технократи и бизнесмени, които имат сериозен принос в развитието на нефтената преработка. Лудвиг Нобел проектира (сам) първите нефтоналивни танкери и за първи път използва нефт като гориво за котлите на парните машини на същите тези кораби благодарение на специални дюзи. Синът му пък създава първите дизел-електрически подводници. Делът на Америка като източник на течното злато започва да намалява в началото на XX век след като английски ентусиасти откриват нефт в тогавашна Персия и поставят основите на днешния гигант British Petroleum.

Следват открития от страна на големите петролни компании и на други места в Латинска Америка и Персийския залив – през 20-те години първоначално в Ирак, Мексико и Венецуела, а през 30-те и в Саудитска Арабия и Кувейт. Изглежда че нефт ще има в изобилие, но всъщност сметките не излизат точни.   Още преди тези държави да се превърнат в съществен фактор в добива на нефт, през 20-те години на XX век автомобилът се превръща в все по насъщна част от живота на американците. Освен Ford в значими играчи на автомобилната сцена се превръщат и корпорации като GM и Chrysler. Само за статистиката – през 1900 година в САЩ има регистрирани едва 8000 автомобила. През 1916 година те са 3,4 милиона, а след малко повече от десетилетие броят им достига 23 милиона! Така проблемът с недостига на нефт отново излиза наяве и съгласно една публикувана още през 1919 година статия в списание Scientific American „автомобилната индустрия няма право да игнорира плашещи факти като намаляващите нефтени запаси”. Бремето пада и върху двигателя, който трябва да „изгаря горивото с по-малко остатъци”. Автомобилните инженери трябва да се насочат към париране на подобно бедствие като поемат своята част от отговорността и си поставят за цел да конструират по-ефективни и икономични двигатели. Но как да стане това. Горивата още не са изучени достатъчно и сред конструкторите битуват куп погрешни тези

Големият взрив

В  началото на XX век двигателите сгъстяват сместа от бензин и въздух не повече от 2,5 до 3,0 пъти и за да осигурят така необходимото нарастване на мощността им, конструкторите прибягват до създаване на мотори с все по-големи и големи работни обеми. Естествено те вече са достигнали до извода, че същия ефект би могъл да се постигне и чрез увеличаване на оборотите и повишаване на компресията, защото тези способи спомагат за нарастване на ефективността на моторите. Всеки опит да извършат това обаче на практика води до едно неприятно явление – от цилиндрите на моторите с по-висока от обичайното компресия започва да се чува невъобразимо хлопане, тропот наподобяващ удари с чук по буталата. Двигателите работят зле, бързо прегряват и се износват необратимо за броени часове. Неприятното явление, наречено впоследствие „детонация”, поставя в потрес конструкторите, които нямат ни капка представа за неговия произход. Доказателство че зад това необяснимо явление стоят качествата на горивата е намерено в лабораториите на General Motors в Щатите и Ricardo в Англия. След интензивни изследвания и хиляди опити хората на шефа на лабораториите на GM Чарлз Кетеринг откриват и че известното съединение тетраетилолово (ТЕО) значително намалява детонациите. По-късно ще ви разкажем защо е така.

Засега е важно, че с един удар е постигнат двоен ефект – не само се решава проблема с недостига на нефт чрез увеличаване на ефективността на двигателите, но и подложените на детонации двигатели могат да бъдат облекчени и да се увеличи надеждността им. И все пак – това решение е изключително екстензивен начин за подобряване на процесите в двигателя, а и, както се оказва е доста токсичен. Въпреки всичко то ще функционира безотказно в продължение на десетилетия и единствено стандартите за емисии през 70-те и 80-те години ще съумеят да подпишат смъртната му присъда. Жалък опит в началото на века да се намеси като заместител на част от бензина прави високооктановият етилов алкохол, но дори силните пристрастия на автомобилния крал Хенри Форд към това гориво не могат да го освободят от лапите на неумолимата финансова логика – гореспоменатите находища превръщат бензина във все по-евтин продукт. По това време неговото октаново число варира между 40 и 50 единици, но въоръжен със сериозен аргумент като ТЕО той продължава победоносния си ход. Луксозните автомобилите постепенно увеличават компресията и мощността си, а колонките с надпис Ethyl се превръщат в неизменна част от автомобилния фолклор.

Началото на дълбочинната преработка на нефта

И все пак това не спира химиците да търсят по-високотехнологични методи за облагородяване на горивата чрез дълбока преработката на самата „нефтена суровина”. Все пак като изключим дестилацията, която си е чисто физически процес единствената съществена химическа преработка извършвана до този момент си остава термичният крекинг. До края на 20-те години той вече и достатъчно усъвършенстван и развиван, а натрупаните знания водят до това че през 1930 година се ражда процеса на термичен реформинг, вече позволяващ промяна на химическата структура на молекулите на някои от субстанциите в бензиновата фракция с цел създаване на по-стабилни съединения респективно с по-високо октаново число. Пет години по-късно – през  1935 г. се ражда и каталитичната полимеризация която позволява синтезирането на бензини с по-високо октаново число чрез полимеризиране на молекулите на газове получени от атмосферната дестилация. Така се ражда процес обратен на крекинга.

Самият крекинг също е заменен скоро от друг значително по-евтин и ефективен процес. Създаден от френският химик Южен Одри метод при който ефектът на крекиране може да бъде осъществен при по-ниска температура и наличие на катализатор заработва като промишлен едва след като идеите на Одри са приети от шефа и собственик на малката американска нефтена компания Sun Oil. През 1937 този фундаментален процес е официално обявен пред света. Малко след това факт стават и процесите алкилиране и изомеризация – първият от които създава високооктанов бензин чрез химическа реакция на  газове продукти на крекинг и атмосферна дестилация, а вторият повишава октановото число чрез превръщането на нискококтановите парафинови въглеводороди във високооктанови с разклонена верига. Така газовете също заемат своето важно място в преработката на нефта като осигуряват суровина за полимеризация и алкилиране, а тежките фракции от своя страна се разбиват до бензин и дизелово гориво чрез крекиране.

По същото време все повече се разширява и сферата на употреба и на дизеловите двигатели, факт който довежда до определено балансиране на използването на продуктите от атмосферна дестилация – дизеловото гориво се добива основно чрез пряка атмосферна дестилация, на фракция малко по-тежка от бензиновата и за разлика от много сложните процеси за облагородяване използвани при бензина, тук те са насочени повече към пречистване на различни субстанции като сярата и подбор на парафинови въглеводороди с по-голямо цетаново число.

През 30-те години Америка и Светът изпадат в най-зловещата икономическа криза, а пазарите са заляти с нефт. Не само за света, но и нефтената индустрия това са шокиращи събития.  Колкото и да звучи странно когато самоукият геолог, но небивал ентусиаст с артистичното име „Папа Джойнър“ открива първият нефтен „слон” (така нарицателно в индустрията наричат големите нефтени находища) в Източен Тексас, нефтената индустрия е пред колапс. Нефтеният поток залива всичко, а цените на барела се сгромолясват до няколко цента. Фирмите в Тексас не спират да добиват нефт, а поради липсата на капацитет за преработка повечето от тях се връщат към добрата стара атмосферна дестилация и производството на нискокачествен бензин. С обявяването на Втората Световна война обаче излишъкът отново се трансформира в дефицит, който от своя страна се материализира под формата на една от най-гениалните химически разработка в производствена реалност. Безспорен факт е че голяма част от неуспехите на германската армия се дължат на липсата на достатъчно гориво, в немалка степен заради неуспеха с превземането на стратегическите залежи в района на Баку.

Прочети още:
Как ще оцелее дизелът при навлизането на Евро 7?

Германската военна машина оцелява толкова дълго в голяма степен благодарение на произвежданите от концерна I.G. Farben висококачествени синтетични горива на основата на създадени от немските химици Фишер и Тропш процес още през 20-те години с използване на въглища като изходна суровина. Усъвършенствана версия на този процес днес позволява на различни компании да произвежда така наречените GTL дизелови горива, само че използвайки като изходна суровина природен газ. Така се произвеждат и новите E-горива и E-газове, с процес на получаване на водород от вода с помощна на електролиза, обикновено с електричество от възобновяеми източници. Водородът се съединява с въглероден окис чрез органичен синтез базиран на Фишер-Тропш процес, а след това се композират различни видове горива за които вече ви разказахме в предишни броеве на това списание. На практика липсата на горива е един от основните фактори за спиране не само на добре смазаната хитлерова военна машина, но и на армията и флота на Япония. Съществена причина за окончателния колапс на Германия е фактът че съюзническите бомбардировки разрушават и последните инсталации за производство на синтетичен бензин от въглища.

Модерни двигатели, модерни горива

Въпреки че 30-те и 40 те години химиците и от двете страни на Атлантика водят неистова научна надпревара по съвсем разбираеми причини, краят на войната не намалява интензивността на процесите за облагородяване на горивата. Впечатляващото икономическо развитие на САЩ и възстановяването на Европа е съпроводено с бърз прираст на автомобилите, който няма как да не повлияе на нефтопреработката и през 50-те и 60- те години са създадени и усъвършенствани методи като хидрокрекинг (разновидност на крекинга с участието на водород за създаване на висококачествен бензин и дизелово гориво), хидродесулфатизацията (която позволява намаляването на сярата и е особено важно за обработката на дизеловото гориво) и още по-съвършени методи за облагородяване на бензина като каталитичен реформинг и каталитична изомеризация. Така кръговратът от оперативни процеси на една съвременна рафинерия по това време включва голяма част от процесите  използвани и до днес. Междувременно в действие отново влиза и керосиновата фракция, оказала се изключително подходяща като гориво за реактивните самолети.

В началото на 70-те става ясно, че доскоро изглеждалите нескончаемо големи находища в Тексас започват да дават признаци на изтощаване. Случайно или не, точно по това време напрежението в Близкия Изток достига критична точка и през 1973 година избухва поредната арабско-израелска война, която впоследствие става причина за нефтено ембарго от страна на арабските износители на петрол, последвано от драстично увеличение на цените от страна на OPEC. Скоро след войната износителите на петрол започват процес на национализация на имуществото на компаниите и находищата и през 70-те години започва умело манипулиран от OPEC процес на рязко нарастване на цените. Кризата си отива, но идва поредната такава през 1979 година. През 1981 година цените на барел удрят таван от около 35 долара, която е една нечувана дотогава стойност.

Тези процеси поставят нова ера и в нефтопреработката, а ценовите флуктуации карат Америка първоначално да потърси убежище в дизеловия двигател. САЩ не само започват да внасят дизелови автомобили, но и да произвеждат свои собствени. Създадените през 70-те и 80-те години на базата на бензинови модели на GM обаче се оказват крайно ненадеждни и заедно със затруднения старт и пушеците отблъсват американците от тези продукти. Скоро американците отхвърлят дори дойените в областта в лицето на модели на VW и Mercedes, макар че именно американския пазар провокира щутгартската компания за първи да постави дизелов двигател в луксозна лимузина в лицето на Mercedes 300 SD от серията W 116. Неуспехите на дизеловия двигател обаче не се дължат само на това стечение на обстоятелствата. Все пак и двете кризи не траят дълго, през осемдесетте години нефтът вече е в изобилие защото ограниченията на OPEC, предизвикват откриването и вкарване в експлоатация на алтернативи като находищата в Северно море, Аляска, Нигерия и Мексико, а и търканията в рамките на самата организация, води до отварянето на крановете на нефтопроводите.

Огромният автомобилен поток в страната на неограничените възможности обаче започва да се превръща в един от основните виновници на все по-интензивното замърсяване на градовете и логично води до своите последствия. Първите законови ограничения за емисиите стават факт през 70-те години и довеждат не само до драстично усъвършенстване на бензиновите двигатели с масовото въвеждане на системи за впръскване на гориво, но и до изобретяването на каталитичния неутрализатор. Ограниченията бързо се възприемат и в Западна Европа и Япония. Вътрешнодвигателните мерки и катализаторът са в основата на драстични промени и в процесите на рафиниране. ТЕО не само е токсично, но уврежда катализаторите и вече няма място под слънцето. Понеже до този момент петролните компании са разчитали основно на него като средство за повишаване на октановото число, то постепенното му отстраняване от сцената води до рязкото намаляване на въпросното октаново число. Конструкторите на автомобили създават лоби което от своя страна притиска нефтените компании бързо да започнат да въвеждат методите си за облагородяване на бензина. Тъй като в основната си част методите за това вече са създадени всъщност идва времето за практическото въвеждане на този арсенал от технологии в производство. Тази преломна точка вече принуждава рафинериите да инвестират във високотехнологични процеси – производството на евтини нискооктанови горива с много тетраетилолово постепенно отива към своя край.  Азиатската финансова криза от 1998 година предизвиква рязък спад в цените на петрола и инициира множество сливания на кампании.

Междувременно обаче либерализацията в китайската икономика отприщва индустриалното и развитие, а производството на автомобили започва да расте с невиждани дотогава темпове. Постепенно, в резултат от това и развитието на значителната по своите мащаби индийска икономики, потреблението на петрола и цените му започват неистово да растат.

(следва)

Източник: AMS.bg

Свързани публикации

Оставете коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителни полета са маркирани с *