Основные отрасли химической промышленности условно подразделяются на следующие:
- газоперерабывающая промышленность;
- нефтеперерабатывающая промышленность;
- нефтехимическая промышленность (сырье - нефтяные и газовые фракции);
- коксохимическая промышленность (сырье - уголь);
- микробиологическая промышленность (углеводородное и другое сырье);
- промышленность тяжелого и тонкого органического синтеза (сырье нефтяного, газового и угольного происхождения);
- промышленность неорганического синтеза (неорганическое и органическое сырье);
- химико-фармацевтическая промышленность.
Современные комплексы химической промышленности часто объединяют на одной промышленной территории разные отрасли химической технологии, чаще всего газопереработку, нефтепереработку и нефтехимию, что способствует достижению наиболее высокой рентабельности совместного производства.
Нефтехимия дает продукцию, представляющую основу потребления общества. Рентабельность современных нефтехимических производств в передовых странах обычно выше, чем отраслей, поставляющих сырье для нефтехимии, и других отраслей химической индустрии; она лишь немного уступает наиболее рентабельным отраслям современного бизнеса. Производительность труда в нефтехимической промышленности на 30-40 % выше, чем в нефтегазодобывающих отраслях.
Нефтехимические производства в передовых странах относятся к технически зрелым. Это проявляется в высоких выходах готовой продукции из сырья, в постоянном значительном улучшении качества и расширении функциональных свойств продукции, в применении энерготехнологических схем, реально приводящих к заметному энергосбережению, в использовании гибких технологий, универсальных по отношению к разным видам сырья. Сегодня о степени технологической развитости страны судят (естественно, наряду с другими факторами и показателями) по доле пластмасс среди конструкционых материалов, синтетических волокон среди текстильного сырья, синтетических каучуков среди эластомеров. Современные информационные технологии уже невозможно представить себе без специальных материалов, полученных на основе нефтехимических продуктов, как и новые материалы для новых и старых технологий, в частности, для ядерной, космической, лазерной, оптической и другой специальной техники. Новые материалы с заранее заданными свойствами для изготовления электронного оборудования, новые композиционные материалы, керамические, оптические, магнитные, биологически активные и биологически нейтральные материалы изготавливаются сейчас на основе последних достижений нефтехимической науки и техники.
С 2002 по 2012 мировой ВВП вырос в 2,25 раза, цены на нефть - в 4,2 раза. К 2010 г. потребление нефтехимической продукции в Азии превысило уровень потребления в США и Западной Европе, вместе взятых. Спрос на базовые полупродукты нефтехимии распределяется следующим образом: олефины - 66 %, ароматические соединения - 21 %, метанол и прочие - 13 %.
В настоящее время в мире при помощи более 100 основных нефтехимических процессов производят 95-98 % продукции органического синтеза. На основе нефти, газового конденсата и попутного нефтяного и природного газов получают более 80 тысяч химических продуктов, однако среди них только несколько десятков представляют собой крупнотоннажные производства. Внутри нефтехимической отрасли потребляется около половины ее продукции. В целом в мире нефтехимия потребляет около 10-12 % добытой нефти.
На 1 т нефтехимической продукции (в том числе и полупродуктов) расходуется 1,5-4,0 т сырья (этан, пропан, бутаны, прямогонный бензин - нафта, бензин каталитического риформинга, газойли и др.), а также около 1,6 т условного топлива в виде водяного пара, горячей воды и электроэнергии, что составляет 60-80 % себестоимости продукции. По укрупненным оценкам, реализация 60 % продукции нефтехимии осуществляется в регионе радиусом до 1000 км, межрегиональный обмен составляет 15 % и экспорт продукции - до 25 %.
Нефтехимические предприятия представляют собой источники повышенного загрязнения окружающей среды, поэтому в отрасли достаточно высоки затраты на природоохранные мероприятия, в том числе на создание безотходных и экологически чистых технологий, при этом минимум 5-10 % капиталовложений приходятся на объекты по охране окружающей среды.
Достижение технической зрелости для крупных производителей означает прежде всего убыстрение темпов (роста) научно-технического прогресса и расширение его направлений, из которых наиболее актуальными для нефтехимии являются разработка новых катализаторов и каталитических систем, развитие химии метана и технологий по переработке алканов; создание новых материалов, в том числе с заранее заданными свойствами, биотехнология.
Практически ни одно из ведущих направлений научно-технического прогресса в нефтегазопереработке и нефтехимии, как и в химии в целом, не достигает дальнейшего успеха без совершенствования теории катализа, создания новых более эффективных катализаторов и каталитических систем. Технический катализ первостепенно важен для оценки состояния современного химического комплекса любой страны. Например, около 60 % всех химических производств США и 90 % новых технологических процессов основано на применении каталитического синтеза. Только широкое применение научно-технических успехов современного катализа служит одним из основных показателей экономической безопасности государства. Кроме того, каталитические методы представляют широкие возможности для модернизации существующих и создания новых производств в направлении ресурсо-и энергосбережения и уменьшения отходов.
Развитие химии метана позволяет создать более эффективные технологии получения синтез-газа, метанола, аммиака, жидких углеводородов (в частности, альтернативных синтетических моторных топлив) и др. Новейшие процессы синтеза на основе метана протекают не через известные промежуточные продукты (как синтез-газ, метанол и др.), а непосредственно приводят к получению известных базовых нефтехимических полупродуктов: этилена, бензола, бутадиена, стирола и др. В последнее время проводят интенсивные исследования возможностей производства этилена из природного газа. Например, разработаны технология фирмы «Dow Chemical» (США) по превращению синтез-газа в олефины по реакции Фишера-Тропша на промоти-рованных молибденовых катализаторах; технология фирмы «Mobil» (США) получения этилена из метанола на цеолитсодержащих катализаторах; технология фирм «Norsk Hydro» (Норвегия) и «UOP» (США) получения этилена и пропилена из природного газа через метанол. Промышленное широкое внедрение таких технологий возможно уже в первой четверти XXI в., тогда можно будет говорить о наступлении новой «эры метана» в нефтехимии и в переработке и использовании углеводородных газов.
Разработка промышленных технологий по переработке алканов также расширит сферу взаимных превращений углеводородов. Например, новые технологии позволят превращать этан в винилхлорид, пропан - в нитрил акриловой кислоты, изобутан - в метилметакрилат и др.
Биотехнологическое направление в нефтехимии позволяет уменьшать материалоемкость и энергоемкость основного оборудования, увеличивать эффективность технологических процессов применением возобновляемых видов сырья и облегчать решение проблем охраны окружающей среды. В ряде стран с большими запасами биомассы применяется технология ферментативного превращения биомассы в этиловый спирт и его последующего разложения в этилен. Уже достигнуты успехи в биотехнологических синтезах кормового белка, микробных полисахаридов, ксилита, получены первые полимерные пленки и волокна, разработаны технологии биокатализа в химии и нефтехимии, в частности биокаталитического процесса получения оксида пропилена (США), ксилита (Россия) и других продуктов. Биокатализ может обеспечить процессы деления цепочек углеводородов за счет деятельности ферментов при снижении производственных затрат чуть ли не вдвое, тогда как в нефтехимии такие процессы требуют чаще всего высоких температур и давлений. Биотехнологические процессы также соединяют нефтехимию с агрохимией и фармацевтическими технологиями.
История становления нефтехимии. Около 80 лет назад начиналось становление нефтехимии. Первой промышленной нефтехимической установкой считают установку получения изопропилового спирта из нефтяного сырья (1920 г., фирма «Union Carbide», США). В 1925 г. эта же фирма запустила первую этиленовую установку, в 1929 г. пущена установка производства ацетона из нефтяного сырья (ранее его получали брожением продукции сельского хозяйства). Технология получения оксида этилена была разработана в 1932 г., а получения поливинилхлорида - в 1935 г. В 1931 г. запатентован синтез полиэтилена (фирма «1С1», Великобритания), а в 1939 г. эта фирма на промышленной установке получила полиэтилен низкой плотности. В начале 1930-х годов в СССР начали производить синтетический каучук из этилового спирта, в 1940 г. синтетический каучук был получен и в США. В начале 50-х годов получен полиэтилен высокой плотности по технологии К. Циглера, в конце 1950-х годов пущены установки по производству полипропилена, оксида этилена и этиленгликоля. В начале 1960-х годов промышленно синтезируется циклогексан из бензола, в начале 1970-х годов уже производят высокочистый параксилол и метанол под низким давлением. С конца 1970-х годов промышленно получают линейный полиэтилен низкой плотности и винилацетат из этилена и уксусной кислоты. В 1990-х годах промышленно внедрены синтез малеинового ангидрида из н-бутана и синтез фенола из бензола.
В 50-е годы XX в. ведущие нефтегазовые компании США усиленными темпами начали развивать нефтехимическую отрасль, возникают крупные центры нефтехимии в кооперации с ГПЗ и НПЗ. В это же время в СССР также создаются первые нефтехимические заводы, в том числе по получению синтетического этилового спирта для производства синтетического каучука (Уфа, Куйбышев, Орск, Саратов, Сумгаит и др.), которые в будущем стали крупными нефтехимическими комплексами. Становление и развитие нефтехимии в Японии и западноевропейских странах приходится на 1960-1970-е годы. В 1980-1990-е годы происходит невиданное ранее развитие нефтехимии в Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Иране, Бразилии, Аргентине, Мексике, Саудовской Аравии и др.
Необходимо подчеркнуть необычную значимость современного нефтяного, газового и химического комплекса в жизнедеятельности любой развитой страны. Его нельзя разделять на изолированные отрасли, они тесно взаимосвязаны как достижениями современной науки и техники, так и высокими нефтегазовыми технологиями, взаимной и тесной кооперацией. Среди нанотехнологий (нанотехнологии имеют дело с микросистемами размерами на уровне 10~9 м, т. е. размерами с молекулу, что позволяет создавать или управлять структурой вещества даже на атомном уровне) важным направлением является успешно развиваемая нанохимия. Нанохимия уже помогает извлекать примеси (загрязнения) вредных веществ из атмосферы более эффективно, чем ранее очищать (разделять) промышленные и другие газовые и жидкие смеси, создавать адсорбенты (цеолиты-молекулярные сита) с наноразмерами открытых пор, цеолитосодержащие катализаторы с наноразмерными частицами для многих каталитических процессов нефтепереработки и нефтехимии (каталитический крекинг, каталитическая изомеризация ароматических углеводородов, многочисленные гидрогенизационные процессы углеводородов, в том числе и тяжелых нефтяных остатков, и др.). Открытие фуллеренов и волокнистых углеродных нанотрубок, создание высокоэффективных цеолитов-наноадсорбентов и цеолитных нанокатализаторов, нановолокон, наномембран, ультрадисперсной сажи, порошков других веществ, аэрозолей, тонких пленок и покрытий - это только лишь некоторые этапы развития нанохимии, нанотрибологии и нанотехнологии в целом.
Наиболее важная химическая и нефтехимическая продукция представлена ниже.
Пластические массы (пластмассы, пластики) производят на основе синтетических полимеров: полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, политетрафторэтилена (фторопласта), полиэтилентерефталата и др. Их молекулярная масса составляет от 5 ООО до 1 ООО ООО. Для получения пластмасс к полимерам часто добавляются наполнители (смолы, волокна, ткани, стекло, графит и др.) для придания прочности, термостойкости и других необходимых свойств, пластификаторы (глицерин, масла и др.) для придания пластичности и/или эластичности, красители и разные присадки (например, стабилизаторы). Пластмассы - это не заменители дерева, металла и фарфора. Современные пластмассы превосходят по своим свойствам большинство природных материалов, а многие пластмассы имеют столь ценные качества, что в природе им вообще нет аналогов. Пластмассы представляют собой новый конструкционный материал, которого нет в природе. Область их применения практически не ограничена, они - материал будущего. Основной недостаток - применение пластмасс ограничено температурой 150-200 °С, хотя уже получены дорогие пластмассы, выдерживающие температуры 300-500 °С. Совершенно новые возможности перед полимерами открыло производство композиционных материалов (композитов). В производстве пластических масс используются основные мономеры: этилен, пропилен, стирол, винилхлорид и др.
Синтетические смолы (олигомеры) - полимеры небольшой молекулярной массы, которые в результате затвердевания превращаются в неплавкие и нерастворимые вещества, используемые в производстве пластмасс, лаков, клеев, герметиков, для отделки тканей, бумаги, в деревообрабатывающей промышленности (древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, древеснослоистые пластики) и др. Различают смолы алкидные, полиэфирные, фенолформальдегидные и др.
Синтетические каучуки (СК) стали качественной заменой натуральным каучукам (НК) и уменьшили зависимость любой страны от импорта дорогого и дефицитного НК из стран Юго-Восточной Азии (Индонезия, Вьетнам, Лаос и др.). Впервые в мире промышленное производство СК организовано в СССР в 1931 г. под руководством академика С. В. Лебедева (первая промышленная партия бутадиенового каучука на основе этилового спирта), в 1932 г. введены в эксплуатацию Ярославский и Воронежский заводы СК. Наиболее близок к свойствам НК синтетический изопреновый каучук, одним из ведущих производителей которого был СССР. Основными потребителями СК являются шинная промышленность (до 60 %) и промышленность резинотехнических изделий. Выпускается более 200 типов, марок и сортов латексов и СК, которые делят на каучуки общего назначения и каучуки специальные (высокотемпературные), широко распространены разные их композиции, в том числе в сочетании с НК для особо ответственной продукции. Мировой рынок каучука в 2008 г. составлял 22,7 млн т, из которых синтетический каучук представлял 55,5 %. Для производства СК используют в качестве сырья мономеры: бутадиен (дивинил), изопрен, стирол, изобутен, этилен и пропилен и др.
Синтетические волокна (текстильные) производили в мире (данные 2007 г.) в количестве более 45 млн т/год. Они являются качественным заменителем искусственных волокон (вискозного, ацетатного и др.) и сырьем для получения совершенно новых материалов (пряжа, ткани, мех, специальные волокна промышленного применения, например, для композиционных материалов). Производят следующие синтетические волокна и нити: полиэфирные (лавсан и др.), полиамидные (капрон и др.), полиакрилонитрильные (нитрон и др.), полиолефиновые и т. д. Синтетические волокна получают из полимеров. Для композиционных конструкционных материалов производят специальные органические волокна арамидные на основе ароматических полиамидов, углеродные на основе полиакрилонитрильных и вискозных волокон и углеродных пеков (углеродные волокна могут быть карбонизированные при температуре 900-2 000 °С и/или графитизированные при температуре до 3 000 °С, содержание углерода выше 99 %, удельная поверхность 1 000-2 000 м2/г). Сырьем являются следующие мономеры: этилен, пропилен, бутадиен, фенол, бензол, параксилол и др.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - синтетические моющие вещества, детергенты (термин, обычный для зарубежных стран) - производятся в мире в количестве, превышающем десятки миллионов тонн в год (11 млн т в 2002 г. и прогноз на 2010 г. 14 млн т). Стремительное развитие этой отрасли началось в середине XX в., со временем изменялись структура и качество ПАВ, сейчас основным их качеством стала степень биологической (биохимической) разлагаемости и безвредности. Все органические ПАВ отличаются характерной особенностью их молекулярного строения. В их молекуле имеются как гидрофильная (водорастворимая), так и гидрофобная (масло- и жирорастворяющая) часть (группа). Гидрофобная (липофильная) часть молекулы углеводородного происхождения - производные пропилена, бензола, оксида этилена, жидких и твердых парафинов, фенола и др. Гидрофильная часть молекулы может быть в виде самых разнообразных ионных или полярных групп, которые можно разбить на два класса: ионные и неионогенные. Ионные группы подразделяются на три группы: анионоактивные, катионоактивные и амфолитные. Анионоактивные группы с отрицательно заряженным ионом или радикалом - это карбоксильные, сульфонатные, сульфатные и другие соединения. Катионоактивные группы с положительно заряженным ионом или радикалом - это соли аминов, аммониевые соединения и др. Амфолитные (амфотерные) вещества имеют в одной молекуле как анионные, так и катионные группы. Неионогенные гидрофильные группы содержат неионизирован-ные химические вещества: спирты, гликоли, простые эфиры и др.
Существует практически неограниченное многообразие химических структур, которые можно использовать для разработки новых ПАВ. Уже в 1955 г. промышленность США выпускала на рынок более 1100 разных ПАВ. Все ПАВ обладают общим свойством - способностью концентрироваться на поверхности раздела, по которой они растекаются, образуя сплошную пленку, снижающую поверхностное натяжение, которое вызывает обильное пе-нообразование и активное очищение поверхности материалов от загрязнений. Синтетические моющие вещества производят в виде порошка, получаемого сушкой распылением, а также в виде жидкого моющего средства (гели). Фасованные стиральные порошки и жидкости - продукты бытового назначения составляют наибольшую (более 80 %) долю общего потребления синтетических моющих средств.
В отличие от бытового применения, где используют небольшое количество разных типов ПАВ, в разных отраслях промышленности потребляется чрезвычайно широкий ассортимент различных специальных ПАВ. Текстильная промыленность занимает первое место по применению ПАВ (моющие, смягчающие, противоэлек-тризационные вещества, эмульгаторы для замасливания волокон и др.). Далее по количеству потребления ПАВ следуют: обслуживание зданий и предприятий (очистка стен, окон, полов, посуды и др.); нефтяная промышленность (операции заводнения при вторичных методах добычи нефти, при гидравлическом разрыве нефтяных пластов для увеличения дебита нефти, в качестве эмульгаторов, добавлямых к закачиваемым в скважины растворителям, при кислотной обработке скважин и др.); нефтеперерабатывающая промышленность (получение ПАВ коллоидного типа, широко применяемых как деэмульгаторы при обезвоживании и обессоливании нефтей); стирка и сухая чистка в прачечных предприятиях; строительная промышленность (пенообразователи для производства гипсовых плит, воздухововлекающие добавки к бетону, присадки для улучшения сцепления (адгезии) битума с крупными заполнителями при дорожном строительстве и др.); сельское хозяйство (эмульгаторы и смачивающие вещества, мойка посуды и инвентаря и др.); транспорт (мойка автомобилей, автобусов, самолетов, железнодорожных вагонов и др.); металлообрабатывающая промышленность (эмульгаторы для приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), моющие средства для очистки металлов при их обработке и др.). ПАВ применяются также для производства полимеров, пестицидов, ингибиторов коррозии, экстрагентов редких элементов, присадок к топливам и маслам и т. д.
Минеральные удобрения, производимые в мире в середине 1980-х годов, составили более 120 млн т/год, в том числе более 20 % в СССР. В 2005 г. мировое производство и потребление минеральных удобрений было равно соответственно 207 и 157 млн т (в том числе 60 % азотных удобрений). Для получения синтетического аммиака в настоящее время используют в основном (до 92 %) природные газы и в меньшей мере бензиновые и тяжелые нефтяные фракции, а доля угля в получении водорода для синтеза аммиака с 1960-х годов резко сократилась.
Ниже приводится краткое описание некоторых технологических процессов и технологий получения наиболее значимой химической продукции на основе углеводородов нефти и газа и их производных.