Без преувеличения можно сказать, что нефть — это кровь современной экономики. Ее добыча и переработка представляет собой одно из важнейших направлений современной промышленности. Это природное сырье было знакомо человечеству еще с античных времен. В местах неглубокого залегания нефтеносных пластов она может изредка выливаться на поверхность. Раскопки на берегу Евфрата установили существование нефтяного промысла за 6000–4000 лет до н.э.

В то время природное сырье применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы — в строительном и дорожном деле. Нефть была хорошо известна и в Древнем Египте, где в качестве одного из компонентов ее использовали для бальзамирования тел. В Древнем Китае нефть применяли, главным образом, для освещения. Ее наливали в плоские керамические или медные светильники с фитилем. Плутарх и Диоскорид (см. т. 1, глава 2, п. 2.1) упоминают о нефти, как о разновидности топлива, довольно популярной в Древней Греции. К началу нашей эры относятся источники, свидетельствующие об открытии ее залежей в Сураханах около Баку (Азербайджан).

В Древней Греции, а затем и в Византии нефть в смеси с серой, селитрой и другими ингредиентами применяли в военном деле для изготовления «греческого огня». Есть сведения о том, что нефть использовали и в лечебных целях^{604}.

На территории современной России нефть добывали в Тьмутараканском княжестве. Сохранились фрагменты амфор, используемых для хранения и транспортировки этого жидкого топлива. Византийская империя проявляла к Тьмутаракани повышенный интерес именно в связи с добычей нефти, которая в те времена была важным стратегическим сырьем. К концу XVI в. относится сообщение о «горючей воде — густе», привезенной с р. Ухты в Москву при Борисе Годунове.

До середины XIX в. единственным способом добычи нефти в больших масштабах было рытье колодцев. Обычно их глубина не превышала 25 м. Тем не менее, есть данные об использовании в Китае технологии бурения на глубину до 500 м уже в VI–III в. до н.э. В провинции Сычуань в 221 г. до н.э. из скважины на соленую воду получили нефть и газ^{605}.

В 1846 г. на Апшеронском полуострове в местечке Биби-Эйбат для разведки нефти была пробурена первая скважина глубиной 45 м. В июле 1848 г. наместник на Кавказе князь М.С. Воронцов докладывал императору Николаю I: «Я разрешил провести новые разведки на нефть в Бакинском уезде на берегу Каспийского моря в урочище Бей-Бат посредством земляных буров. Директор Бакинских и Ширванских минеральных промыслов доносил, что пробурена на Биби-Эйбате буровая скважина, в которой найдена нефть»^{606}.

Первая нефтяная скважина на американском континенте была пробурена 27 августа 1859 г. В этот день жидкое топливо получили на участке Ойлкрик (шт. Пенсильвания), принадлежавшем предпринимателю Эдуарду Дрейку. Добыча нефти с глубины 20 м составила более 4 т в сутки.

Несмотря на то, что, начиная с XVIII в., некоторые химики-технологи предпринимали настойчивые попытки очищать нефть, все же до второй половины XIX столетия ее использовали практически в натуральном виде. Пристальное внимание нефть вызвала только после того, как в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823 г.), а в Америке химиком Б. Силлиманом (1855 г.) было доказано, что из нее можно выделить керосин — осветительное масло. До этого момента широкое распространение получил фотоген[68], вырабатываемый из некоторых видов каменных углей и сланцев. В России продукт под названием «фотоген» был представлен на выставке мануфактурных производств в Москве в 1865 г., где получил малую серебряную медаль. Его производили в Жиздринском уезде Калужской губернии на заводе, принадлежавшем отставному генерал-майору С. Мальцеву, из местного бурого угля^{607}.

В XIX в., до массового распространения двигателей внутреннего сгорания, наиболее важными продуктами переработки нефти были осветительный керосин для ламп и смазочные масла.

^{Нефтяные вышки в районе Лос Анжелеса,  США. Начало XX столетия}

В 1852 г. впервые высококачественный керосин из нефти получили фармацевт Львовской аптеки Игнаций Лукасевич и его лаборант Ян Зех (см. цв. иллюстрации к данной главе). В следующем году примерно в одно и то же время И. Лукасевич и американский инженер Роберт Эдвин Дитц усовершенствовали конструкцию керосиновой лампы. Она была предназначена для горения нефтяных фракций, кипящих при 200–250 °С. В отличие от бензина, низкое давление паров керосина при комнатных условиях требует определенных усилий для его воспламенения. Чтобы зажечь керосин, его нужно либо нагреть, либо увеличить площадь поверхности испарения (за счет использования фитиля).

Новый осветительный прибор был снабжен механизмом, поднимающим плетеный плоский фитиль на нужный уровень. Его расположение обеспечивало подачу воздуха снизу. Поскольку керосин поднимался по фитилю, резервуар, в который его заливали, можно было размещать ниже горелки. Сверху горелки устанавливается ламповое стекло — для обеспечения тяги, а также для защиты пламени от ветра (см. цв. иллюстрации к данной главе).

Во второй половине XIX в. керосиновое освещение покорило весь мир: большие города и маленькие поселки. Первая срочная операция по удалению аппендикса была сделана ночью 31 июля 1853 г. в операционной на окраине Львова при освещении керосиновой лампой^{608}. В течение десятилетий новый прибор оставался самым распространенным источником света. C керосиновой лампой ездили в поездах, спускались в шахты, ею освещали улицы и дома.

Керосин стали использовать как растворитель, а также как средство для очистки различных поверхностей в технике и медицине^{609}. Потребность в керосине стремительно возрастала. Развитие машиностроения и железнодорожного транспорта, увеличение количества станков, паровозов, вагонов и других агрегатов повышало спрос на смазочные масла. Эти потребности стало невозможно удовлетворить с помощью масел растительного и животного происхождения. Производство керосина и синтетических смазочных материалов могла обеспечить только высокоразвитая нефтяная промышленность.

Для получения различных фракций нефти стали применять принципы, отработанные ранее при перегонке спиртов и других легкокипящих жидкостей (см. т. 1, глава 7, п. 7.7.2). В 1879 г. под Ярославлем при участии создателя Периодического закона был построен завод, где из нефти вырабатывали несколько органических веществ. В числе продуктов перегонки был мазут, который использовали для отопления.

В 1882 г. Д.И. Менделеев сконструировал и установил на Кусковском нефтеперегонном заводе под Москвой первый куб для непрерывной перегонки. Изобретение русского химика получило широкое распространение не только в нашем Отечестве, но и за его пределами. В 1883 г. на заводе Нобеля в Баку ввели в эксплуатацию первую батарею, состоящую из нескольких кубов непрерывного действия. К 1900 г. такие установки заняли господствующее положение в нефтепереработке. Занимаясь проблемой перегонки нефти, Д.И. Менделеев предвидел огромное значение этого природного сырья для будущего развития химической промышленности. Ученому принадлежит знаменитое выражение: «Нефть — не топливо, топить можно и ассигнациями»^{610}.

Увеличение объемов добычи и переработки нефти поначалу породило определенную проблему — легкие фракции, например, бензин, не могли найти применения. Долгое время бензин считали вредным побочным продуктом. Способы его утилизации наносили вред окружающей среде. Например, в Грозном только в 1902 г. было сожжено 70 тыс. тонн бензина^{611}.

Только с изобретением двигателя внутреннего сгорания, с появлением автомобилей, а затем и самолетов, произошло изменение характера химической переработки нефти. К 1910 г. бензин становится наиболее важным продуктом нефтеперегонных заводов. C тех пор уже несколько поколений химиков стремятся увеличить выход именно легких фракций. Одновременно с повышением спроса на бензин стала снижаться потребность в керосине.

Первый «бензиновый кризис» разразился в 1912–1913 гг.: цена на бензин в США поднялась втрое за несколько лет. Справиться с возникшими трудностями помогло изобретение американского химика Уильяма Бертона, который получил патент на промышленный метод крекинга нефти. Первоначально в установках Бертона крекингу подвергались пары нефти при атмосферном давлении. В результате выход бензина оказался невысоким, да и к тому же продукт был плохого качества. Американский инженер усовершенствовал процесс: он стал проводить крекинг жидкой нефти при высоких температурах (350–450 °С) и давлениях, а также применил катализаторы. Значительные усилия, затраченные на усовершенствование технологии, не оказались напрасными — к концу 1913 г. удалось наладить производство горючего высокого качества с хорошим практическим выходом. К 1922 г. 1600 установок У. Бертона ежедневно давали 2 млн. галлонов бензина^{612}.

^{Владимир Григорьевич Шухов (1853–193 9)}

В том же 1922 г. Верховный суд США разбирал тяжбу двух американских компаний относительно приоритета в изобретении установок для перегонки нефти под давлением. В процессе судебного разбирательства юристы выяснили, что еще в 1891 г. патент на аналогичный процесс получили русские инженеры: В.Г. Шухов и его помощник С.П. Гаврилов изобрели промышленный процесс получения автомобильного бензина — непрерывно действующую трубчатую установку термического крекинга нефти (патент Российской империи № 12926[6] от 27 ноября 1891 г.). Установка состояла из печи с трубчатыми змеевиковыми нагревателями, испарителя и ректификационных колонн^{613}. Модель этой установки, выполненная по подлинным чертежам русского инженера, находится в Политехническом музее в Москве.

Эта разработка российских специалистов практически на два десятилетия опередила проекты инженеров других стран, в том числе и США. Однако в России того времени еще не существовало спроса на продукты, которые можно было получить с помощью технологии В.Г. Шухова. Поэтому идеи великого российского инженера не получили в нашей стране должной поддержки и дальнейшего развития. Однако в США — стране-лидере стремительно развивающегося автомобилестроения — получение бензина новым способом было поставлено на поток.

В 1923 г. в Москву прибыла делегация компании «Синклер Ойл», чтобы получить информацию о методе крекинга нефти, изобретенном Шуховым. Русский инженер, сравнив свои разработки 1891 г. с американскими патентами 1912–1916 гг., доказал, что американские крекинг-установки копируют его замысел и не являются оригинальными.

В 1931 г. по проекту и при техническом руководстве В.Г. Шухова в Баку был построен нефтеперерабатывающий завод «Советский крекинг». На этом предприятии впервые в России был использован шуховский патент на крекинг-процесс при создании установок для получения бензина^{614}.

Широкую известность В.Г. Шухову, почетному члену АН СССР, принесли другие его инженерные проекты. Многие здания, построенные при его участии, до сих пор являются достопримечательностями столицы нашего государства[69].

Увеличение мощности двигателей для автомобилей и самолетов поставило перед нефтяной промышленностью новую задачу — повысить качество бензина, его октановое число. Сгорание предельных углеводородов с линейной цепочкой в двигателях сопровождается детонацией, вызывая снижение мощности и ранний износ агрегата. Для повышения детонационной стойкости технологи используют два пути: повышение в бензине доли разветвленных и циклических углеводородов, а также введение специальных добавок.

^{Установка В.Г. Шухова для термического крекинга нефти, 1931 г.}

В 30-е гг. XX столетия в качестве стандарта приняли два вещества: н-гептан и 2,2,4-триметилпентан (изооктан). Изооктан, имея разветвленную углеродную цепочку, весьма устойчив к детонации, и его качество принимают за 100. Детонационные свойства бензина сопоставляют с эталонированной смесью н-гептана и изооктана. Так определяется октановое число горючего.

Бензин, получаемый путем простой перегонки нефти (прямогонный), обладает низким значением октанового числа (ОЧ) — в пределах 41–56. У горючего, образующегося в результате термического крекинга, ОЧ повышается до 65–70. В ходе каталитического крекинга, который ведут в присутствии алюмосиликатного катализатора, ОЧ бензина может достигать 75–81.

У горючего, получаемого путем риформинга[70], ОЧ еще выше и достигает значений ~ 86. Экспериментально-теоретическую основу современных процессов каталитического риформинга заложили исследования выдающегося российского химика-органика Н.Д. Зелинского^{615}.

Чтобы повысить ОЧ бензина, широко используют и второй метод: добавляют специальные вещества — антидетонаторы. Одним из наиболее распространенных антидетонаторов является токсичный тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄. Бензин с такими добавками называют этилированным и подкрашивают, чтобы отличить от обычного горючего.

^{Николай Дмитриевич Зелинский (1861–1953)}

Роль ОЧ хорошо демонстрируют уроки Второй мировой войны. Исход многих сражений на всех фронтах величайшей битвы народов решала мощность моторов танков, самоходных артиллерийских установок и самолетов. Определенную роль в поражении гитлеровской Германии сыграла нехватка горючего в 1944–1945 гг. Менее известным, но не менее важным фактором явилось наличие у стран антигитлеровской коалиции бензина лучшего качества^{616}. Немецкая и японская авиация располагала горючим с ОЧ ~ 87–90, в то время как британские и американские самолеты заправляли бензином с ОЧ = 100. Эта сравнительно небольшая разность позволяла заметно повысить мощность авиационного двигателя, увеличить дальность и высоту полета, нести больший боезапас без снижения скорости. Во время воздушных боев эти факторы оказывались решающими. Как отмечал британский министр Дэвид Ллойд Джордж, его страна в 1940 г. не смогла бы выиграть воздушную «битву за Британию», если бы у английских летчиков не было авиационного бензина марки «100»^{617}.

В массовых количествах «бензин–100» стали производить в США в конце 30-х гг. XX столетия. В это время американская нефтеперегонная промышленность перешла на технологию, основанную на каталитическом крекинге, который разработал французский инженер Эжен Гудри. C помощью метода Гудри удавалось получать бензин из тяжелых нефтяных фракций. Процесс, предложенный французским инженером, позволил вдвое снизить количество дорогих добавок, необходимых для получения бензина с высоким ОЧ. В 1941–1942 гг. установки, работающие на технологии Гудри, производили 90% всего авиационного бензина стран антигитлеровской коалиции.

И в настоящее время нефть остается основой современной энергетики. Однако запасы ее постоянно истощаются: добыча нефти ведется быстрыми темпами. Хотя, как показали исследования ученых Института нефтехимического синтеза РАН, медленное образование нефти происходит и в наши дни^{618}.

Современные разведанные запасы нефти оцениваются в несколько сотен миллиардов тонн. Максимальными богатствами этого минерального сырья обладают страны Ближнего Востока. В последние годы геологи сообщили о больших запасах нефти на Арктическом шельфе. К началу XXI в. наметились две четкие тенденции: ухудшение качества добываемой нефти и повышение ее себестоимости, поскольку извлекать ее приходится со все больших глубин. Поэтому на рубеже веков наиболее актуальной задачей стала проблема рациональной переработки тяжелого углеводородного сырья.

Отечественные ученые детально исследовали структуру тяжелых нефтей, что послужило началом создания технологии их глубокой переработки. Были предложены такие нетрадиционные методы как озонолиз и радиолиз. Обработка озоном тяжелых нефтяных фракций приводит к протеканию перспективных процессов: присоединению молекул O₃ к атомам серы, азота и тяжелым ароматическим соединениям. Озон атакует также и металлорганические соединения, разрушая их и облегчая последующую деметаллизацию^{619}.

В соответствии с требованиями природоохранных законов стран Евросоюза и России, нацеленных на пропаганду экологически чистого топлива, содержание серы в нем не должно превышать сотых долей процента. Еще перед Второй мировой войной советские химики доказали принципиальную возможность удаления серы из легких нефтяных фракций с помощью озона.

Еще одним способом глубокой переработки нефти является ее обработка частицами с высокой энергией. Такое воздействие имеет избирательный характер и протекает в относительно мягких условиях: при невысокой температуре и атмосферном давлении. Как установили сотрудники химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, процессы, инициированные воздействием частиц с высокой энергией, приводят к заметному увеличению наиболее ценных светлых фракций нефти.

В XX столетии нашли практическое применение и тяжелые фракции нефти. При добавлении к нефтяным битумам тонкоизмельченных минеральных наполнителей получают искусственный асфальт. В смеси с песком, гравием и щебнем искусственный асфальт широко используется в дорожном строительстве.