Курс лекций по химии нефти и газа. Предмет химии нефти и газа
РЕСУРСЫ И ДОБЫЧА НЕФТИ
Термин «нефть» включает в себя: жидкие продукты широкого диапазона качества, сюда входят сверхлегкие нефти (газовый конденсат с содержанием светлой фракции более 80%), обычные нефти и сверхтяжелые (высоковязкие и природные нефтебитумы)
Мировые запасы нефти оцениваются следующими цифрами в миллиардах тонн.
1) Газовый конденсат 1-1,5
2) Обычные нефти 220-280
3) Сверхтяжелые нефти 650-750
Запасы обычной нефти распределены так:
1) На ближнем и среднем востоке примерно 60%. Среди стран этого региона первое в мире место занимает Саудовская Аравия, где сосредоточена ¼ мировых запасов нефти. огромными запасами нефти в этом регионе обладает Ирак, Иран, Кувейт и арабские страны, каждая из которых имеет 1/10 всех запасов.
2) Южная и северная Америка примерно 15%. Наиболее крупные запасы в Венесуэле, Мексике, США, Канаде, Аргентине, Бразилии.
3) Африка, примерно 8%. Ливия, Нигерия, Алжир.
4) Россия, примерно 6%. Основными регионами является Урало-Волжский, Западно-Сибирский и Северо-Кавказский.
5) На остальные страны приходится примерно 11%. Месторождение северного моря, Британские и Норвежские владения, Китай, Индонезия, Малайзия, Австралия.
Мировая добыча нефти существенно менялась по годам. Начало добычи относится к 1860 году и резко росла до 1978, а потом стала падать
Разведанных запасов нефти хватит на 100-120 лет.
Углеводородные газы
Мировые запасы природного углеводородного газа оцениваются в триллионах тонн. Из общих запасов примерно 55% приходится на Россию. Ближайший восток – 45%, Америка – 15%, Азия и Тихий океан – 10%, Африка – 10%, западная Европа – 6%(в миллиардах тонн)
Тюменская область – 86%, Оренбургская – 5,6%, Астраханская – 2%.
Современные представления о происхождении нефти, газа и их скоплений в недрах земли.
Существует две основные гипотезы происхождения нефти.
1) Биогенова – производная от растений и животных.
2) Неорганическая – произошла в недрах земли.
Менделеев утверждал, что нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов.
Существует много гипотез происхождения нефти.
1) Магматическая
2) Карбидная
3) Механическая
4) Вулканическая
5) Взрывная
6) Космическая
Существует несколько этапов многостадийного процесса нефтеобразования в природе.
1) Осадконакопление.
После отмирания растительных и животных организмов выпадают на дно морских или пресноводных бассейнов и накапливаются в илах, рассеиваясь в минеральных остатках.
2) Биохимическая.
Накопленный на дне бассейна глубиной в несколько метров органический осадок медленно преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается за счет протекания биохимических процессов в условиях ограниченного доступа кислорода. Этот процесс сопровождается выделением углекислоты, метана, воды, сероводорода и аммиака. Осадок одновременно пополняется за счет биосинтеза и тел бактерий. В осадке возрастает содержание углерода и водорода за счет деструктивных процессов.
3) Протокатогинез.
Пласт органических осадков медленно, со скоростью 50-300 м в миллион лет опускается на глубину 1,5-2 км, а пласт находящийся сверху покрывается слоем новых молодых осадков. По мере поступления медленно повышается температура и давление, биохимические процессы затухают вследствие гибели микроорганизмов.
4) Мезоатогинез.
Осадок опускается на глубину 3-4 км., температура повышается до 150 0 С, органическое вещество подвергается деструкции с образованием битуминозных веществ, которые в своем составе содержат почти весь комплекс нефтяного ряда.
5) Апокатогинез.
глубина нахождения осадка 4,5 км, температура 250 0 С, органическое вещество исчерпало свой нефтегенерирующий потенциал и продолжает реализовываться в метанорегенерирующий потенциал. Чем глубже, тем более легкая нефть содержится.
Классификация товарных нефтепроводов.
1) Газ (бытовой)
2) Бензины (авиабензины, автобензины)
3) Реактивные топлива.
4) Дизельное топливо.
5) Газотурбинные топлива.
6) Котельные топлива.
7) Нефтяные масла (смазочные и несмазочные) Смазочные: моторные, трансмиссионные, индустриальные, энергетические. Несмазочные (специальные): масла предназначенные не для смазки, а в качестве рабочей жидкости, в тормозных системах, насосах, а так же к ним относятся парфюмерные и смазочно-охлаждающие.
8) Нефтяные коксы, битумы, пёки.
9) Нефтехимическое сырье: ароматические углеводороды, парафины, церезины. Парафины бывают жидкие и твердые.
10) продукты специального назначения: водород, присадки, осветительный керосин, консистентные смазки. Смазки могут быть антифрикционные и защитные.
Элементный химический состав нефти.
Нефть – это смесь очень большого числа химических соединений на основе углеводорода. Полный химический состав нефти выражают двумя методами: элементарным химическим составом и групповым химическим составом.
Элементарный химический состав – это количественный состав химических элементов, входящих в нефть и выраженных в мольных долях или процентах. Число химических элементов в составе нефтей очень велико (вся таблица Менделеева), но основными из них являются:
1) углерод, содержится в различных нефтях от 83 до 87%. При чем, чем тяжелее (по плотности и фракционному составу) нефть, тем содержание углерода выше. Углерод входит в состав всех соединений нефти.
2) водород, составляет11-14%, с утяжелением нефти эта величина уменьшается. Углерод и водород являются основными горючими элементами нефти (носителями энергии, но различаются теплотой сгорания)
Водород – 133 МДж/кг
Углерод – 33 МДж/кг
В связи с этим принято характеризовать эти горючие свойство соотношением водорода к углероду (Н:С)
Это соотношение является важнейшей химической характеристикой нефти и ее фракций для расчета процесса горения, классификаций процесса газофикации, гидрогинезации, коксования и т.д.
Групповой углеводородный состав нефти.
Нефть представляет собой маслянистую жидкость, в состав которой входит углерод 87%, водород 15%, сера 0,7%, азот 2,2%, кислород 1,5%.
В нефти найдены металлы:
Вольфрам
Металлы найдены в зале.
В состав нефти входит 4 группы углеводорода. Парафиновые (алканы), непредельные углеводороды (алкены), нафтеновые и ароматические углеводороды.
Относительное содержание этих групп в нефтях весьма различно. Преобладание той или иной группы углеводорода придают нефтям различные свойства и от этого будет зависеть метод переработки и область применения нефтепродуктов.
Парафиновые углеводороды.
Самым низшим является метан. От метана до бутана эти углеводороды газообразны. В нефтях они находятся в растворенном состоянии и являются основной частью природного газа.
Природный газ добывают из газовой скважины, а попутный из нефтяной, вместе с нефтью. Природные газы в основном состоят из метана (до 98%), остальное – это пропан, этан, бутан. Попутные нефтяные газы содержат кроме метана – бутана много производных от пропана и бутана, а так же тяжелые углеводороды. кроме того, в состав природных и попутных газов входит сероводород, азот, двуокись углерода и гелий. Газы, богатые тяжелыми углеводородами называются жирными. Из них получают газовый бензин. Газы, состоящие из метана и этана называются сухими и используются как промышленное и бытовое топливо.
Парафиновые углеводороды от гептана до гепсодекана находятся в жидком состоянии и входят в состав бензиновых, керосиновых и дизельных фракций.
парафиновые углеводороды от С 17 и выше при нормальных условиях находятся в твердом состоянии.
Непредельные углеводороды (олифиновые).
В нефтях они встречаются очень редко, а появляются в процессе диструктивной переработки нефти. Эти углеводороды отличаются высокой реакционной способностью, поэтому они легко полимерезуюься, осмоляются, уменьшая срок хранения нефтепродуктов. они нежелательны в нефтепродуктах. Многие непредельные углеводороды, такие как: ацетилен, этилен, пропилен, бутилен – получили широкое применение в производстве каучука, пластмасс, полиэтилена, полипропилена.
Нафтеновые углеводороды.
они являются важнейшей частью моторных топлив и нефтяных масел, предавая им высокие эксплуатационные свойства. Их применяют для получения бензола, толуола, ксилола. Циклогексан применяется для получения нейлона.
Ароматические углеводороды.
В состав нефтей входят ароматические углеводороды с числом циклов от 1 до 4. Распределение их по фракциям различно. Они обладают наибольшей плотностью и являются ценным компонентом бензина, но снижают качество реактивных и дизельных топлив, так как ухудшают характеристики их сгорания. По сравнению с другими группами углеводородов они обладают высокой растворяющей способностью к органическим веществам, они токсичны. Применяются как компоненты нефтепродуктов при производстве взрывчатых веществ в качестве сырья для нефтехимического синтеза.
НЕУГЛЕРОДОВОДОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ НЕФТИ.
Сернистые соединения.
Сера встречается во всех нефтях. Наименьшее содержание серы озоксуатской нефти (0,1%) и наибольшее в американских нефтях (до 6%). С повышением содержания серы в нефтях возрастает плотность, коксуемость, содержание смол и асфальтенов. Распределение серы по фракциям зависит от природы нефти и типа сернистых соединений. Обычно содержание серы увеличивается от низкокипящих фракций к высококипящим (в остатках). Различают три группы сернистых соединений. К первой относятся сероводород и меркаптаны, обладающие кислотными свойствами (коррозионностью). Ко второй относятся сульфиды и дисульфиды. При температуре от 130 0 до 160 0 С они распадаются на сероводород и меркаптаны. К третьей группе относятся тиофаны и тиофены. Сернистые соединения снижают химическую стабильность топлив, предают неприятный запах и вызывают коррозию двигателей. Основное количество серы содержится в виде производных тиофанов и тиофенов.
Транскрипт
1 Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» Библиотека студента УГНТУ КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА» Под общей редакцией профессора С. С. Злотского и доцента Л.Н. Зориной Уфа 2011
2 УДК 54(0.75.8) ББК 24.1 К93 Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия Авторы: О.Ф.Булатова, С.С.Злотский, Л.Н.Зорина, Н.Н.Михайлова, М.Н.Назаров, Ю.И.Пузин, Л.З.Рольник, Л.Г.Сергеева, Ф.Б.Шевляков, И.Н.Сираева Рецензенты: Директор института нефтехимпереработки, доктор технических наук, профессор Э.Г.Теляшев Старший преподаватель кафедры «Химия» Стерлитамакской государственной педагогической академии, кандидат химических наук Т.П.Мудрик К93 Курс лекций по дисциплине «Химия нефти и газа» /О.Ф.Булатова и др.; под общ. ред. С.С. Злотского и Л.Н.Зориной.- Уфа:Изд-во УГНТУ, с. ISBN Приведены краткие конспекты лекций по дисциплине «Химия нефти и газа». Содержание лекций соответствует государственным образовательным стандартам. В кратком курсе лекций отражен модульный принцип обучения, указано содержание лабораторных занятий, приводится список литературы для дополнительного изучения материала. Краткий курс лекций предназначен для студентов нехимических специальностей направления «Нефтегазовое дело» очной и заочной форм обучения. УДК 54 (0.75.8) ББК24.1 ISBN Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2011 Коллектив авторов, 2011
3 3 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 Содержание дисциплины «Химия нефти и газа» для студентов нехимических специальностей: СТ, ГТ, МТ, БСТ, БМТ, ГБ, ГГ 6 Лекция 1. Общая характеристика нефти и газа 9 Лекция 2. Физические свойства нефтей 12 Лекция 3. Методы разделения углеводородов и определения состава нефти газа 15 Лекция 4. Алканы, содержащиеся в нефтях и газах 18 Лекция 5. Циклоалканы, содержащиеся в нефтях 21 Лекция 6. Ароматические углеводороды, содержащиеся в нефтях 24 Лекция 7. Алкены, алкадиены, алкины, образующиеся при переработке нефти 27 Лекция 8. Кислородсодержащие соединения, содержащиеся в нефтях 30 Лекция 9. Сернистые и азотистые соединения, содержащиеся в нефтях 33 Лекция 10. Смолы, асфальтены, содержащиеся в нефтях 36 Лекция 11. Основы нефтепереработки 39 Лекция 12. Термокаталитические превращения углеводородов нефти 42 Лекция 13. Окисление углеводородов. Основные кислородсодержащие продукты нефтехимии. 45 Лекция 14. Методы очистки нефти газа и нефтепродуктов 48 Контрольные вопросы 51 Список рекомендуемой литературы 52
4 4 ВВЕДЕНИЕ Сравнительно недавно (с 2001 года) в учебную программу студентов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело», включена дисциплина «Химия нефти и газа». Это полностью оправдано и обоснованно, поскольку высококвалифицированные специалисты, в перспективе ответственные руководящие работники ТЭК, обязаны владеть информацией и уверенно разбираться в физических и физико-химических аспектах нефтяного дела, включая получение и применение целевых конечных продуктов и материалов на основе углеводородного сырья. Следует указать, что название данной дисциплины «Химия нефти и газа» несколько устарело и в настоящее время в номенклатуре ВАК заменено на более общее и полное «Нефтехимия». Фактически содержание курса включает вопросы, связанные с химией и технологией нефтяного дела в широком понимании: физикохимия пласта; техническая и прикладная химия бурения; подготовка, транспорт и хранение углеводородного сырья и т.д. Необходимо отметить, что классическому курсу «Химия нефти и газа»- «Нефтехимия» предшествуют такие специальные дисциплины, как «Химия», «Органическая химия», «Аналитическая химия», «Физколлоидная химия». В багаже у студентов нефтегазового направления только базовый курс «Общая и неорганическая химия», в котором органические соединения и углеводороды нефти рассматриваются весьма поверхностно. В этой связи лекционный материал дисциплины «Химия нефти и газа» ориентирован на слушателей, не имеющих углубленные химические знания. Краткий курс лекций наряду со специальными вопросами содержит общеобразовательную информацию (номенклатура, физико-химические свойства и характеристики наиболее распространенных углеводородов и др.). Настоящее пособие, подготовленное коллективом преподавателей кафедры «Общая и аналитическая химия», имеет цель облегчить и упростить понимание физико-химических и химико-технологических аспектов предмета «Химия нефти и газа» - «Нефтехимия» студентам нехимических специальностей. Краткое содержание каждой из 14 лекций включает базовые положения, термины, формулы и определения. Приводятся контрольные вопросы и даны 2 4 источника, где данный раздел изложен более детально и подробно. Имеется расширенный список рекомендуемой учебно-методической литературы и перечислены основные вопросы, выносимые на зачёт или экзамен. Настоящее пособие не заменяет существующие учебники и практикумы, а наоборот, предусматривает более подробное и детальное ознакомление и изучение разделов программы по основным учебникам. В то же время простота и доступность учебного пособия, на наш взгляд, позволяет студентам предварительно познакомиться с тематикой и содержанием лекций, лучше представить схему курса, связать между собой отдельные разделы программы. Авторы - ведущие преподаватели кафедры в краткой, тезисной форме
5 5 обобщили и систематизировали основные параметры, цели и задачи каждой лекции. Это позволяет студентам свести к минимуму непроизводительный расход времени, концентрироваться на ключевых вопросах и положениях данной дисциплины. Мы полагаем, что пособие окажется полезным и интересным всем без исключения студентам, изучающим на 1 курсе дисциплину «Химия нефти и газа», а также будет востребовано молодыми, начинающими преподавателями и научными сотрудниками для подготовки к лекциям, лабораторным и практическим занятиям. Рекомендуем данное пособие учителям, преподавателям средних школ, техникумов, колледжей, а также школьникам - старшеклассникам, заинтересованным в углубленном изучении химии нефти и газа.
6 Содержание дисциплины «Химия нефти и газа» для студентов нехимических специальностей: СТ, ГТ, МТ, БСТ, БМТ, ГБ, ГГ Аудиторные занятия: лекции-28 ч., лабораторные занятия-24 ч. РГР (домашние задания или контрольные работы)-3, зачёт - 0, экзамен 1 Тема Вопросы, изучаемые на лекции Номер лекции no пособию Содержание лабораторных занятий РГР контрольные точки 1 Модуль 1 «Состав и общие свойства нефти» Лекции-6 ч, практические занятия-0 ч, лабораторные занятия-4 ч 1.1 Нефть и газ как природные объекты энергии и сырье для Лекция 1 переработки. Гипотезы происхождения нефти. Элементный и групповой состав нефтей. Классификация нефтей 1.2 Физические свойства нефтей. Плотность, молекулярная масса, Лекция 2 вязкость, температуры застывания, помутнения, кристаллизации. Характеристики пожароопасности нефтей и газов, температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, пределы взрываемости. Октановое и цетановое числа 1.3 Методы разделения нефти и газа: перегонка, ректификация, Лекция 3 1,2 Определение группового состава нефтей и нефтепродуктов. экстракция, абсорбция, адсорбция, кристаллизация, диффузионные методы. Хроматографические методы разделения и анализа нефти и газа Вода в нефтепродуктах. Методы определения состава нефти и газа. Первичная перегонка нефти 2 Модуль 2 «Углеводороды нефти и газа» Лекции-8ч, практические занятия-0ч, лабораторные занятия-8ч, 2.1 Алканы нефти и газа. Состав и строение. Физические и химические Лекция 4 свойства алканов. Парафины и церезины их влияние на процессы нефтедобычи 2.2 Циклоалканы нефти. Состав и строение. Закономерности их Лекция 5 распределения по фракциям нефти. Физические и химические свойства РГР-0 РГР-0 3 Состав, номенклатура и химические свойства органических соединений нефти и газа. Алкановые углеводороды 4 Состав, номенклатура и химические свойства органических соединений нефти и газа. Нафтеновые углеводороды 6 6
7 7 7 Тема Вопросы, изучаемые на лекции Номер лекции no пособию 2.3 Арены. Состав, распределение по фракциям нефти. Строение, физические и химические свойства. Правила ориентации в реакциях электрофильного замещения в ароматическом кольце. Применение аренов в органическом синтезе Лекция 6 Содержание лабораторных занятий 5 Состав, номенклатура и химиические свойства органических соединений нефти и газа. Ароматические углеводороды 2.4 Алкены, диены и алкины, образующиеся при переработке нефти. Лекция 7 6 Состав, номенклатура и химические Выделение и свойства, использование в нефтехимическом синтезе свойства органических соединений нефти и газа. Ненасыщенные углеводороды 3 Модуль 3 «Гетероатомные и неуглеводородные соединения нефти» Лекции-6 ч, лабораторные занятия-4 ч, РГР Кислородсодержащие соединения. Нефтяные кислоты и фенолы. Физико-химические свойства нефтяных кислот, кислотное число. Влияние кислородсодержащих соединений на процессы нефтедобычи и свойства нефтепродуктов Лекция Сернистые соединения. Основные типы сернистых соединений, их Лекция 9 распределение по фракциям нефти. Физические и химические свойства сернистых соединений. Их влияние на процессы нефтедобычи и свойства нефтепродуктов, происхождение сернистых соединений нефти. 3.3 Азотистые соединения. Содержание азота в нефтях и нефтяных фракциях. Азотистые основании, нейтральные соединения, порфирины. Влияние азотистых соединений на процессы добычи нефти и качество нефтепродуктов 3.4 Лекция 9 Смолы, асфальтены. Состав, строение, свойства. Выделение смол и Лекция 10 асфальтенов нефти. Влияние смол и асфальтенов на процессы нефтедобычи и переработки. Неорганические компоненты нефти. Основные металлы, встречающиеся в нефтях, их влияние на процессы добычи и переработки нефти 7 Состав, номенклатура и химические свойства органических соединений нефти и газа. Кислородсодержащие соединения 8 Состав, номенклатура и химические свойства органических соединений нефти и газа. Серусодержащие соединения РГР контрольные точки 8 Состав, номенклатура и химические свойства органических соеди- Номенклатура КР-1. нений нефти и газа. Азотсодержащие соединения нефти и газа углеводородов КР-2.Химические свойства углеводородов нефти и газа
8 8 Тема Наименование вопросов, изучаемых на лекции Номер лекции по пособию 8 Содержание лабораторных занятий РГР контрольные точки 4 Модуль 4 «Процессы подготовки и переработки нефти и газа» Лекции-8 ч, практические занятия -0 ч, лабораторные занятия-8 ч, РГР Основы переработки нефти. Термический крекинг, пиролиз, коксование. Дегидрирование, циклизация, ароматизация 4.2 Термокаталитические превращения углеводородов нефти. Катализ и катализаторы. Каталитический крекинг, каталитический риформинг. Химические основы процессов, катализаторы, применение в промышленности 4.3 Окисление углеводородов нефти и их производных. Основные кислородсодержащие продукты нефтехимии 4.4 Методы очистки нефти, газа и нефтепродуктов. Гидрогенизация и гидрообессеривание Лекция 11 9,10 Термические превращения углеводородов нефти. Химизм термического крекинга алканов, алкенов, циклоалканов и ароматических углеводородов. Лекция,12 Термокаталитические превращения углеводородов нефти. Химизм каталитического крекинга алканов, алкенов, циклоалканов и ароматических углеводородов. Лекция 13 Лекция 14 ДЗ-1. Основы нефтепереработки
9 9 Лекция 1. Общая характеристика нефти и газа М.Н.Назаров Ключевые слова: источники энергии, сырьё для производства, гипотезы происхождения, элементный состав, классификация. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и органических соединений серы, азота и кислорода. В настоящее время нефть и газ являются основными источниками энергии в большинстве стран мира. В России топливно-энергетический комплекс является одной из основ экономики. Из нефти вырабатываются бензины, керосины, дизельное, реактивное и другие виды топлива. Другое важнейшее направление использования нефти и газа в качестве сырья для производства самых разнообразных продуктов нефтехимической, строительной и других отраслей промышленности: полимерных материалов, пластмасс, синтетических волокон и каучуков, смазочных и специальных масел, моющих средств, лаков, красок, растворителей, битумов, кокса и множества других. В этом отношении нефть и газ являются на сегодняшний день незаменимыми природными объектами. Важнейшими задачами нефтеперерабатывающей промышленности являются увеличение глубины переработки нефти и повышение качества нефтепродуктов. Нефть и газ основной экспортный товар и главная статья дохода российской экономики. Гипотезы происхождения нефти 1) неорганическая 2) космическая 3) органическая Автором одной из неорганических теорий является Д.И.Менделеев. Согласно этой теории, первые органические соединения образовались в результате взаимодействия карбидов металлов, находящихся в ядре Земли, с водой, проникшей к ним по трещинам: СаС 2 + 2Н 2 О Са(ОН) 2 + С 2 Н 2 Al 4 C Н 2 O 4А1(ОН) 3 + 3СН 4 Под действием высоких температур углеводороды и вода испарялись, поднимались к наружным частям Земли и конденсировались в хорошо проницаемых осадочных породах. Согласно космической теории, нефть образовалась из углерода и водорода при формировании Земли. По мере понижения температуры планеты углеводороды поглощались ею и конденсировались в земной коре. Наибольшее распространение получила органическая теория. Суть её в том, что нефть является продуктом разложения растительных и животных остатков, отлагающихся первоначально в виде морского ила.
10 10 Основным органическим материалом для нефти служат растительные и животные микроорганизмы, развивающиеся в гидросфере. Отмершие остатки таких организмов скапливаются на дне заливов. Одновременно в море сносятся различные минеральные вещества. В конечном итоге органический материал собирается на дне водоема и постепенно погружается все глубже и глубже. Верхний слой такого ила называется пелоген, а частично превращенный ил в большей своей толще - сапропел. По современным представлениям, органическое вещество, захороненное в морском иле, и является материнским веществом нефти. К так называемым сапропелитовым каустобиолитам относятся также сланцы, сапропелитовые угли и т.д. Торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит - гумусовые каустобиолиты (гумус-остатки наземной растительности). Разложение погибших растительных и животных организмов в морских илах под воздействием О 2 и бактерий приводит к образованию: 1) жидких и газообразных продуктов; 2) осадков, устойчивых к химическому и бактерицидному воздействию. Эти осадки постепенно накапливаются в осадочных слоях. По своей химической природе они представляют собой смесь продуктов превращения белков. Дальнейшие превращения этого исходного органического материала в нефть происходят уже в отсутствие О 2. Образование нефти - это очень медленный процесс, протекающий в течение миллионов лет под воздействием повышенной температуры (С), повышенного давления (атм) и биохимической деятельности микроорганизмов. Элементный состав нефти. Основными элементами, входящими в состав нефти, являются С и Н. Содержание С колеблется в пределах 82-87%, H %, S-0,1-5%. Содержание N и О у большинства нефтей не превышает десятых долей процента. Нефть состоит в основном из смеси метановых (алкановых), нафтеновых (циклоалкановых) и ароматических углеводородов. Кроме этого, в нефтях присутствуют кислородные, сернистые и азотистые соединения. К кислородным соединениям нефти относятся нафтеновые кислоты, фенолы, асфальто-смолистые вещества. Сернистые соединения это H 2 S, меркаптаны, сульфиды, тиофены, тиофаны, азотистые соединения гомологи пиридина, гидропиридина и гидрохинолина. Компонентами нефти являются также растворенные в ней газы, вода и минеральные соли. Содержание газов (С 1 -С 4) в нефти колеблется от десятых долей до 4%, Н 2 О от 0,5 до 10% и выше, минеральных солей от 0,1 до 4000 мг/л и выше. Кроме того, минеральные вещества содержатся в нефтях в виде растворов солей органических кислот, в комплексных соединениях и др. Состав минеральных компонентов определяется в золе, получаемой при сжигании нефти. Содержание золы не превышает десятых долей процента, считая на Н. В золе обнаружено до 20 различных элементов (Са, Fe, Si, Zn, Сu, Al, Mo, Ni, V, Na, Sn, Ti, Mn, Sr, Pb, Co, Ag, Ba, Cr и др.), содержание которых колеблется от до %.
11 11 В тяжелой части нефти содержатся смолисто-асфальтеновые вещества. Это сложная смесь наиболее высокомолекулярных соединений, представляющих собой гетероорганические соединения со сложной гибридной структурой, включающей серу, кислород, азот и некоторые металлы. Наиболее богаты смолисто-асфальтеновыми веществами молодые нефти с высоким содержанием ароматических соединений. Классификация нефтей Нефти могут быть классифицированы по содержанию в них углеводородов различного строения (химическая классификация), по содержанию серы и по качеству получаемых нефтепродуктов (технологическая классификация). В основу химической классификации нефти положен групповой углеводородный состав фракции, выкипающей в пределах С. В зависимости от преобладания в этой фракции углеводородов какого-либо одного класса (выше 50%) нефти делятся на 3 основных типа: метановые (М), нафтеновые (Н), ароматические (А). При содержании в этой фракции более 25% углеводородов других классов нефти делятся на смешанные типы: метанонафтеновые (М-Н), нафтенометановые (Н-М), ароматическонафтеновые (А-Н), нафтеноароматические (Н-А) и т.д. По технологической классификации нефти в зависимости от содержания в ней серы делятся на 3 класса: 1) малосернистые, с содержанием S от 0 до 0,5%; 2) сернистые, с содержанием S от 0,5 до 2%; 3) высокосернистые, с содержанием S более 2%. Кроме того, нефти подразделяют на типы по выходу светлых фракций, перегоняющихся до С; группы по потенциальному содержанию базовых масел; подгруппы по индексу вязкости базовых масел; виды - по содержанию парафинов в нефти. Контрольные вопросы 1 Нефть и газ как источники энергии и сырье для переработки. 2 Гипотезы происхождения нефти. 3 Элементный и групповой состав нефтей. 4 Виды классификации нефтей. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Виржичинская С.В., Дигуров Н.Г., Сиюшин С.А. Химия и технология нефти и газа: учеб. пособие.- М.: ИД «ФОРУМ», C.6-11,
12 12 Лекция 2. Физические свойства нефтей М.Н.Назаров Ключевые слова: плотность, молекулярная масса, вязкость, температуры застывания, помутнения, кристаллизации, температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, пределы взрываемости, октановое и цетановое числа. Физические свойства нефтей и их фракций зависят от их химического состава, структуры и соотношения отдельных компонентов. Так как нефть и её фракции состоят из большого числа различных веществ, их свойства могут выражаться лишь усредненными характеристиками. Практические потребности привели к необходимости характеризовать нефть и её фракции значительным числом показателей. Плотность (ρ) величина, определяемая как отношение массы вещества к занимаемому объему (кг/м 3). Относительная плотность (ρ 20 4) - отношение плотности рассматриваемого вещества к плотности стандартного вещества (чаще всего воды при 4 0 С). Обычно определение плотности проводят при 20 0 С - в России, 15,56 0 С (60 0 F) - в США и в Англии. Если определение плотности проводят при каких-либо других значениях температуры, то используют поправку (γ): р 20 4 = p t 4 + γ(t - 20), где γ - коэффициент объёмного расширения (справочная информация); t - температура, при которой определялась плотность. В среднем относительная плотность нефтей колеблется от 0,82 до 0,90. Обычно плотность уменьшается с ростом температуры, растёт с увеличением геологического возраста и глубины залегания нефти. Плотность парафинов меньше плотности аренов. Содержание в нефти лёгких фракций сказывается на плотности больше, чем содержание смол. Различие в плотности между лёгкими и средними фракциями существеннее, чем между средними и тяжёлыми (смолами). Вязкость - свойство жидкостей (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Различают динамическую (Па с); кинематическую (м 2 /с); условную вязкости. Динамическая вязкость (ν) - это сопротивление, оказываемое жидкостью при перемещении относительно друг друга со скоростью 1 м/с двух её слоев площадью 1 м 2 каждый, находящихся на расстоянии 1 м, под действием приложенной силы в 1Н. Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью (φ). Кинематическая вязкость (η) равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости при температуре определения. Условная вязкость - это величина, которая выражается отношением времени вытекания определённого объёма нефтепродукта и воды из стандартного прибора (вискозиметра). Вязкость существенно зависит от
13 13 температуры - с ростом температуры вязкость понижается, поэтому всегда указывается температура, при которой проведено измерение. Наиболее пологую вязкостно-температурную кривую имеют нормальные алканы, а наиболее крутую - арены. Вязкость разветвлённых алканов незначительно больше вязкости их изомеров нормального строения и мало изменяется при понижении температуры. Наличие в молекулах углеводородов циклических фрагментов увеличивает вязкость и её изменение с изменением температуры. Вязкость алканов имеет наименьшие значения. Молекулярная масса - важнейшая физико-химическая характеристика вещества. Она связана с температурой кипения и входит в состав комбинированных показателей. Молекулярная масса сырых нефтей находится в пределах г/моль. Молекулярная масса фракций возрастает с ростом их температуры кипения. Молекулярную массу нефтепродуктов определяют различными методами: криоскопическим; эбулиоскопическим; осмометрическим. Используют также эмпирические формулы, в которых молекулярная масса связана с другими характеристиками. Наиболее распространённая эмпирическая формула - формула Воинова: Мcp = а + bt cp + ct 2 cp, где a, b, с - постоянные для каждого класса углеводородов. Для алканов она имеет вид Mcp = ,3t cp + 0,001t 2 cp. Температура застывания, помутнения и кристаллизации. Застывание нефтепродуктов или выпадение в осадок отдельных компонентов при охлаждении крайне нежелательно. Температура кристаллизации температура, при которой в одной или многих точках объёма образуются кристаллизационные центры, разрастающиеся за счёт кристаллизации на них материала из окружающей среды. Кристаллизация сопровождается помутнением. Температура помутнения температура, при которой появляются «облака» мелких кристаллов. Температурой застывания считается температура, при которой охлаждаемая в пробирке фракция не изменяет уровня при наклоне пробирки на Характеристики пожароопасности Температурой вспышки называется минимальная температура, при которой пары нефтепродукта образуют с воздухом смесь, способную к кратковременному образованию пламени при внесении в неё внешнего источника воспламенения. Вспышка представляет собой слабый взрыв, который возможен в строго определенных концентрационных пределах в смеси углеводородов с воздухом. Верхний предел взрываемости характеризуется максимальной концентрацией паров органического вещества в смеси с воздухом, выше которой воспламенение и горение при внесении внешнего источника воспламенения невозможно из-за недостатка кислорода.
14 14 Нижний предел взрываемости находится при минимальной концентрации органического вещества в воздухе, ниже которой горение невозможно, так как количество теплоты, выделившейся в месте локального воспламенения, недостаточно для протекания реакции во всем объеме. Температурой воспламенения называется минимальная температура, при которой пары испытуемого продукта при внесении внешнего источника воспламенения образуют устойчивое незатухающее пламя. Температура воспламенения всегда выше температуры вспышки, часто довольно значительно - на несколько десятков градусов. Температурой самовоспламенения называется минимальная температура, при которой пары нефтепродукта в смеси с воздухом воспламеняются без внешнего источника воспламенения. Температура самовоспламенения выше температуры вспышки на несколько сот градусов. Детонация особый ненормальный характер сгорания топлива в двигателе. Детонационная стойкость оценивается октановым числом это условная единица измерения, численно равная процентному (по объёму) содержанию изооктана в его смеси с н-гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания. Моторные свойства дизельных топлив оцениваются цетановым числом процентное содержание (по объёму) цетана в смеси с α-метилнафталином, эквивалентной по самовоспламеняемости испытуемому топливу, при сравнении топлив в стандартных условиях испытания. Контрольные вопросы 1 Плотность нефтей, молекулярная масса, вязкость. 2 Температура кристаллизации, помутнения, застывания. 3 Характеристика пожароопасности нефтей и нефтепродуктов. 4 Октановое и цетановое числа. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Виржичинская С.В., Дигуров Н.Г., Сиюшин С.А. Химия и технология нефти и газа: учеб. пособие.- М.: ИД «ФОРУМ», C.11-31,
15 15 Л.Г.Сергеева Лекция 3. Методы разделения углеводородов и определения состава нефти и газа Ключевые слова: перегонка, ректификация, флегма, экстракция, кристаллизация, молекулярная диффузия, адсорбция, абсорбция, хроматография. Нефть - это сложная смесь жидких органических веществ, в которой растворены различные твердые углеводороды, смолистые вещества и сопутствующие газы. Разделение сложных смесей на более простые называется фракционированием. Методы разделения базируются на различии физических, поверхностных и химических свойств разделяемых компонентов. Для разделения нефти на узкие однородные группы применяются следующие методы: дистилляционные (атмосферная перегонка и ректификация, перегонка под вакуумом и азеотропная перегонка); адсорбционные (адсорбция и хроматография); абсорбционные (экстракция) и кристаллизационные. Наиболее распространенные методы фракционирования дистилляционные. К ним относятся перегонка и ректификация. Сущность атмосферной перегонки заключается в том, что смесь непрерывно нагревают, при этом постепенно отгоняются её компоненты от низкокипящих до высококипящих. По мере повышения температуры кипения компонентов повышают и температуру нагревания разделяемой смеси. Отбирая фракции в заранее заданных температурных интервалах и измеряя их количество, можно получить представление о фракционном составе нефти. Под фракционным составом нефти или нефтепродуктов понимают количественное содержание веществ в нефти, выкипающих в определенных температурных границах. Атмосферная перегонка применяется для грубого разделения на широкие фракции. При заводской переработке нефти отбирают следующие фракции или дистилляты: 1) бензиновые (нач. кипения до С); 2) лигроиновые (С); 3) керосиновые (С); 4) газойлевые (С). Из этих дистиллятов в дальнейшем вырабатывают светлые нефтепродукты. Остаток после отбора фракций до С называется мазутом. Разгонка мазута на масляные фракции осуществляется под вакуумом для предотвращения его термического разложения. Отбор фракций ведется не по температуре кипения, а по вязкости. Масляные дистилляты по мере возрастания вязкости делятся на соляровый, трансформаторный, веретенный, машинный, автоловый, цилиндровый. Остаток после разгонки мазута называется в зависимости от вязкости гудроном или полугудроном. В соответствии с элементным составом основная масса компонентов нефти это углеводороды (RH). В бензиновой фракции практически присутствуют только три класса углеводородов: алканы, циклоалканы и арены
16 16 ряда бензола. В керосиновой и газойлевой фракциях значительную долю составляют би- и трициклические углеводороды. Непредельных углеводородов с ненасыщенными связями в сырых нефтях нет. Помимо RH, в низкомолекулярной части нефти присутствуют гетероатомные органические соединения: кислородные (фенолы), сернистые (сульфиды, меркаптаны) и иногда азотистые (амины). Количество их невелико в низкокипящей части нефти, в основном они сосредоточены во фракциях, кипящих выше С (мазут). Для более точного разделения близкокипящих компонентов применяют перегонку с дефлегматором (ректификация). Сущность ректификации заключается в том, что жидкая и паровая фазы, стремясь к установлению теплового равновесия, обмениваются теплом. Пары жидкости из колбы поступают в дефлегматор-конденсатор, где конденсируются, и часть конденсата возвращается по дефлегматору вниз в колбу. Эта часть конденсата называется флегмой. В результате теплообмена нагретых паров с более холодной флегмой из жидкой фазы испаряются наиболее летучие компоненты, а из паров конденсируются наименее летучие компоненты. Таким образом, происходит многократное повторение процессов испарения и конденсации на поверхностных выступах дефлегматоров, что обеспечивает высокую степень разделения компонентов исходной смеси. К дистилляционным методам относится также азеотропная перегонка. Азеотропными называются смеси двух взаимнорастворимых жидкостей, температура кипения которых либо ниже температуры кипения низкокипящего компонента, либо выше температуры кипения высококипящего компонента. Сущность азеотропной перегонки заключается в следующем: к разделяемой смеси добавляют третий, растворимый в воде, неуглеводородный компонент. В присутствии этого вещества первоначальные компоненты азеотропа по-разному меняют свои упругости паров при нагревании, т.е. имеют разные температуры кипения. Если третий компонент по летучести приближается к разделяемой смеси, то он образует азеотроп с одним из компонентов смеси (азеотропная перегонка). Если летучесть третьего компонента мала, то он остаётся в жидкой фазе и удерживает одно из разделяемых веществ (экстрактивная перегонка). Молекулярная диффузия используется для разделения наиболее высококипящих веществ. Метод основан на различии молекулярных весов и зависит от относительной скорости испарения молекул. Адсорбционные методы. Сущность метода заключается в том, что отдельные компоненты смеси могут избирательно и последовательно сорбироваться на том или ином сорбенте (поглотителе) и таким путем отделяться от общей смеси. Затем эти компоненты десорбируются в неизменном состоянии в виде отдельных фракций и могут исследоваться раздельно. Десорбция происходит в порядке, обратном адсорбции. Хроматография. Адсорбционной хроматографией называется процесс разделения веществ на твердых адсорбентах по окраске. Существуют следующие разновидности методов хроматографического анализа: газо-
17 17 адсорбционный, жидкостно-адсорбционный, газожидкостный. Газоадсорбционная хроматография применяется для анализа газов и основана на адсорбции газовых компонентов смеси на твердых поглотителях. Жидкостная адсорбционная хроматография метод разделения жидких смесей с применением твердых адсорбентов (силикагеля). Газожидкостная хроматография отличается от адсорбционной хроматографии тем, что в качестве неподвижной фазы в разделительной колонне применяется не твердый адсорбент, а какая-либо нелетучая жидкость, нанесенная на инертный крупнопористый носитель, не обладающий адсорбционными свойствами. Абсорбция. Сущность метода заключается в объёмном поглощении газов или паров жидкостью (абсорбентом), приводящем к образованию раствора. Абсорбция используется для разделения газов. Для выделения компонента раствор поглотителя (абсорбента) с растворённым в нём газом направляют на десорбцию. Экстракцией называется процесс извлечения из исходного сырья отдельных компонентов путём обработки избирательно действующим растворителем (экстрагентом). В результате экстракции образуются две несмешивающиеся фазы: экстракт и рафинат. В составе экстракта находится растворитель и хорошо растворимые в нём компоненты сырья. Рафинат содержит оставшуюся часть сырья и растворённую в нём небольшую часть растворителя. Экстракт и рафинат должны легко отделяться друг от друга при отстаивании. Кристаллизация. Этот метод используется для отделения веществ с высокими температурами плавления, т.е. твердых углеводородов, растворимых в нефти. Кристаллизацию проводят путем вымораживания из растворов в подходящем растворителе. Растворитель должен являться одновременно и осадителем для отделяемых кристаллизацией веществ. Он должен растворять высокоплавкие компоненты значительно хуже, чем низкоплавкие. Контрольные вопросы 1 Методы разделения по температурам кипения. 2 Методы разделения по различию в растворимости. 3 Методы разделения по различию температур замерзания. 4 Методы разделения по различию адсорбционной способности. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Виржичинская С.В., Дигуров Н.Г., Сиюшин С.А. Химия и Технология нефти и газа: учеб. пособие.- М.: ИД «ФОРУМ», C
18 18 Лекция 4. Алканы, содержащиеся в нефтях и газах Л.Н. Зорина Ключевые слова: алканы, парафины, церезины, галогенирование, нитрование, сульфохлорирование, окисление, дегидрирование, термическое расщепление, комплексообразование, клатратные соединения. Алканы углеводороды ряда C n H 2n+2. По имени первого члена этого ряда-метана (СH 4) алканы часто называют метановыми углеводородами. Присутствуют во всех нефтях и являются одной из составных ее частей. Распределяются они по фракциям неравномерно, концентрируясь главным образом в нефтяных газах и бензино-керосиновых фракциях, в масляных их содержание резко падает. Алканы обычно представлены в нефти во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Газообразные (C 1 -C 4: метан, этан, пропан, бутан, изобутан, а также 2,2- диметилпропан неопентан) образуют основную массу природного и попутного газа, сопровождающего нефть, находятся в нефти в растворенном состоянии. Жидкие алканы (C 5 - C 15) составляют основную массу бензиновой и керосиновой фракций нефти, представлены в нефтях углеводородами нормального строения и изомерами с разветвленной цепью. Твердые алканы (C 16 и выше) входят в состав нефтяного парафина и церезина. Содержание их в нефтях колеблется от десятых долей до 5%. Находятся в растворенном либо во взвешенном кристаллическом состоянии. На холоде растворимость их в нефти и нефтяных фракциях невелика, поэтому при подъеме на поверхность парафины отлагаются в скважинах и промысловых и нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию и транспорт нефти. Нефтяные парафины - смесь преимущественно алканов разной молекулярной массы, а основной компонент церезинов - нафтеновые углеводороды, содержащие в молекулах боковые цепи как нормального, так и изостроения. При одинаковой температуре плавления церезины отличаются от парафинов большими молекулярными массами, плотностью и вязкостью. Парафины легко кристаллизуются в виде пластинок, церезины- в виде мелких игл. Метановые углеводороды практически нерастворимы в воде, хорошо растворимы в эфире, ароматических углеводородах (бензоле, толуоле и т.п.), плотность их меньше плотности воды. Температуры кипения и плавления зависят от размеров молекул и возрастают в гомологическом ряду с увеличением молекулярной массы. Среди изомеров углеводороды нормального строения имеют наиболее высокие температуры кипения и плотности. Алканы обладают большой теплотворной способностью (ΔН сгор, МДж/кг для СН 4 56, С 4 Н 10 50, С 8 Н 18 48). Алканы относятся к наименее реакционноспособным органическим соединениям, однако они не являются химически инертными. При определенных условиях они вступают в реакции окисления,
19 19 галогенирования, нитрования, сульфохлорирования, дегидрирования. Химические превращения метановых углеводородов могут происходить либо за счет отрыва атомов водорода с последующим замещением их другими атомами или группами, либо за счет разрыва цепи углеродных атомов (реакции замещения и расщепления). Галогенирование одна из наиболее характерных реакций алканов. Свободный фтор взаимодействует с алканами со взрывом, хлор под влиянием света, нагревания (300 0 С) или в присутствии катализатора: CH 4 + Cl 2 Cl + HCl Cl + Cl 2 CH 2 Cl 2 + НCl хлористый метил CH 2 Cl 2 + Cl 2 CHCl 3 + НCl хлороформ хлористый метилен CHCl 3 + Cl 2 CCl 4 + HCl четыреххлористый углерод Хлорпроизводные низших аканов используют в качестве растворителей жиров, смол, каучуков и т.п. Галоидпроизводные алканов широко используются для алкилирования ароматических углеводородов (реакция Фриделя-Крафтса): + C 4 H 9 Cl AlCl 3 C 4 H 9 + HCl Хлорпроизводные алканов используют для получения спиртов: C 5 H 12 + Cl 2 C 5 H 11 Cl + HCl C 5 H 11 Cl + KOH C 5 H 11 OH + HCl амиловый спирт Нитрование. При действии разбавленной азотной кислотой на алканы атомы водорода замещаются на нитрогруппу (жидкофазное нитрование). В промышленности применяют парофазное нитрование (С): R H + HO - NO 2 R - NO 2 + H 2 O Сульфохлорирование и сульфоокисление Сульфохлорирование: R H + SO 2 + Cl 2 R - SO 2 Cl + HCl алкансульфохлорид Сульфоокисление: 2R - H + 2SO 2 + O 2 2R - SO 2 OH алкансульфокислота Реакции протекают на свету или в присутствии катализаторов. Образующиеся соединения используют в синтезе поверхностно-активных веществ (R - SO 2 - ONa). Окисление. Высокотемпературное окисление алканов в избытке кислорода приводит к их полному сгоранию до СО 2 и Н 2 О. Такое окисление происходит в двигателях всех типов. При низкотемпературном жидкофазном окислении кислородом в присутствии солей Mn образуется смесь предельных кислот. Этот процесс используют в промышленности для получения COOH из бутана и низкокипящих фракций нефти, а также при производстве жирных кислот С 12 С 18 окислением твердых алканов.
20 20 При газофазном окислении при низких температурах образуются спирты, альдегиды, кетоны и кислоты: [O] R - RCH 2 OH [O] O [O] O R - C R - C H O OH [O] R - CH 2 - R" R CH(OH)R" [O] R C R" При высоких температурах и в присутствии катализаторов алканы дегидрируются и подвергаются термическому расщеплению. Дегидрирование: C n H 2n+2 H 2 + C n H 2n Термическое расщепление: C n H 2n+2 C m H 2m+2 + C p H 2P (где n = m + p) Комплексообразование. Для метановых углеводородов характерно образование клатратных соединений (соединения включения), в которых «гостями» являются молекулы газов (CH 4, C 3 H 8 и др.), а «хозяевами» - молекулы воды, образующие кристаллический каркас. Молекулы газа размещены в полостях кристаллической решетки из молекул воды и удерживаются в них ван-дер-ваальсовыми силами. Число молекул воды, приходящееся на одну молекулу газа, колеблется от 6 до 17 (C 3 H 8 17 H 2 O). Алканы нормального строения, начиная с гексана, образуют комплексы с мочевиной (NH 2 - CO - NH 2). Молекулы мочевины за счет водородных связей образуют спиралевидные гексагональные каналы диаметром 0,49нм, в которые попадают молекулы н-алканов, диаметр которых 0,38 0,42 нм, что используют в промышленности при карбамидной депарафинизации масел. Контрольные вопросы 1 Общая характеристика алканов. 2 Физические свойства алканов. 3 Химические свойства алканов. Области применения производных алканов. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Химия нефти и газа: учеб.пособие для вузов /под ред. ПроскуряковаА.Е. и Драбкина Е.Е.- СПб.: Химия, Гл.7.
21 21 Лекция 5. Циклоалканы нефти Л.Г.Сергеева Ключевые слова: нафтены, циклоалканы, циклопарафины, реакции замещения, присоединения, окисления. В нефти содержатся нафтеновые углеводороды циклического строения C n H 2n циклоалканы (циклопарафины). Марковников В.В. назвал их нафтенами. Например: CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 H 2 СН2 С CH2 CH 2 CH- CH 2 CH 2 метилциклопентан циклогексан В дальнейшем под нафтенами начали понимать не только моноциклические, но и полициклические углеводороды нефтяного происхождения: H 2 C CH CH 2 H 2 C CH 2 CH 2 H 2 C CH CH 2 бицикло - нонан По общему содержанию нафтены во многих нефтях преобладают над остальными классами углеводородов. В различных нефтях от 25 до 75% циклопарафинов. Нафтены входят в состав всех нефтей и присутствуют во всех фракциях. Их содержание растет по мере утяжеления фракций. Простейшие циклоалканы - циклопропан, циклобутан, и их гомологи - в нефтях не обнаружены. Моноциклические нафтены ряда C n H 2n широко представлены в нефтях циклопентановыми и циклогексановыми производными. Строение их разнообразно, так как для них возможно 4 вида изомеров: изомерия кольца, изомерия местоположения боковых цепей, изомерия строения боковых цепей и стереоизомерия (цис- и транс-): CH C 2 H 5 CH C 2 H 5 CH 2 CH C 2 H 5 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 1,2-диэтилциклопентан CH 2 CH C 2 H 5 1,3-диэтилциклопентан H H H цис-1,4-диметилциклогексан H транс-1,4-диметилциклогексан В настоящее время в бензиновых фракциях различных нефтей обнаружено более 50 индивидуальных представителей этого класса углеводородов. Таким образом, в бензинах и частично в керосинах присутствуют, в основном, моноциклические нафтены рядов циклопентана и циклогексана с короткими
22 22 боковыми цепями. В среднем циклопентановое кольцо преобладает над циклогексановым. Основная масса полициклических нафтенов имеет конденсированное строение. Количество углеродных атомов в боковых цепях нафтенов может быть разнообразным - от 3 до 10 в средних фракциях и от 20 до 28 в высококипящих фракциях нефти. Высокомолекулярные циклические углеводороды с большим числом атомов углерода в боковой цепи правильнее относить не к нафтенам, а к парафино-циклопарафиновым углеводородам. Полициклические нафтены с длинными парафиновыми цепями имеют высокую температуру плавления и поэтому попадают в состав церезинов. Номенклатура. Название циклоалканов образуются присоединением приставки цикло- к названию соответствующего ациклического углеводорода с тем же числом атомов углерода: CH 2 CH 2 CH 2 H 2 C CH 2 H 2 C CH 2 CH 2 H 2 C CH H 2 2 C CH 2 циклопропан циклобутан циклопентен Заместители и положение двойных связей обозначают цифрами так, чтобы получилась минимальная комбинация цифр: CH 2 H 2 C CH 2 H 2 C CH C 2 H этилциклопентен Для удобства кольца обозначают геометрическими фигурами: треугольник, квадрат и т.д. Если в молекуле есть изомеры циклов, название можно получить исходя из номенклатуры алифатических углеводородов СН 2 дициклопропилметан Физические свойства. Температура кипения циклопарафинов больше температуры кипения парафинов. Циклоалканы во многом определяют состав нефти и свойства нефтепродуктов, однако нафтены не выделяют из нефти, а получают синтетически, например по реакции Вюрца, т.е. дегалогенированием дигалогенпроизводных углеводородов: CI CH 2 Zn CH ZnCl 2 CI CH 2 C 1,3 - дихлорпропан циклопропан Химические свойства. Циклопентан и циклогексан в химическом отношении ведут себя аналогично пентану и гексану. Циклопропан и циклобутан более
23 23 активны, они легко вступают в реакции присоединения с раскрытием кольца и образованием ациклических (линейных) продуктов: H 2 Ni, 80 0 C Br 2 CCl 4 HJ CH 2 H CH 2 Br CH 2 H CH 2 CH 2 H CH 2 CH 2 Br CH 2 CH 2 Циклогексан при нагревании на тех же катализаторах, но без водорода дегидрируется в ароматический углеводород - бензол (реакция Зелинского): J -3H 2 Pd, Pb, C Это одна из наиболее важных реакций, протекающих в промышленном процессе ароматизации бензиновых фракций. Для циклоалканов характерны также реакции свободнорадикального замещения в цикле: Br + Br C h + Cl C бромциклопентан + HBr Cl + HCl хлорциклогексан При действии сильных окислителей циклопарафины образуют двухосновные карбоновые кислоты с тем же числом атомов углерода: [O] HOOC(CH 2) 4 COOH адипиновая кислота Продукты окисления используются в производстве синтетических волокон, пластификаторов пластмасс. Контрольные вопросы 1 Строение циклоалканов. Номенклатура. 2 Физические свойства. Содержание в нефтях. 3 Химические свойства. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Виржичинская С.В., Дигуров Н.Г., Сиюшин С.А. Химия и технология нефти и газа: учеб. пособие.- М.: ИД «ФОРУМ», C
24 24 Л.З.Рольник Лекция 6. Ароматические углеводороды, содержащиеся в нефтях Ключевые слова: моноциклические арены, полициклические конденсированные ароматические углеводороды, электрофильное замещение, присоединение, окисление, органический синтез Основная масса моноциклических аренов представлена в нефти полиметилзамещенными бензола. Общее содержание моноциклических аренов в нефтях: во фракции до С %; во фракции С % (наряду с производными бензола, в керосиногазойлевой фракции присутствует нафталин и его гомологи, то есть бициклические конденсированные ароматические углеводороды); во фракции > С небольшое количество (в основном полициклические ароматические углеводороды с 3,4,5-ю конденсированными бензольными кольцами). Строение аренов, присутствующих во фракциях нефти, следующее: Общая формула: CnH 2n-6 CnH 2n-12 CnH 2n-18 R R R производные бензола R R производные нафталина R производные антрацена и фенантрена R 2 Физические свойства По своему агрегатному состоянию моноциклические арены - жидкости с различными температурами кипения. Конденсированные полициклические арены - твердые вещества с различными температурами плавления. Плотности и показатели преломления аренов выше, чем у соответствующих алканов и циклоалканов. Химические свойства I Реакции электрофильного замещения в кольце. Протекают сравнительно легко по следующей схеме:
25 25 Cl 2 -HCl HNO 3,H 2 SO 4 (k) -H 2 O R Cl R R Cl + (галогенирование) R NO 2 + (нитрование) R H 2 SO 4 (k) -H 2 O NO 2 R + R SO 3 H (сульфирование) R"Cl AlCl 3 SO 3 H R + R R" (алкилирование) R"CH=CH 2 Al Cl 3 R" R + R CH R" (алкилирование) CH R" где R=, R"-Alk Существуют определенные правила ориентации в реакциях электрофильного замещения в ароматическом ряду: место вступления второго заместителя в бензольное кольцо определяется природой уже имеющегося заместителя. Заместители бывают двух типов: 1) электронодонорные; 2) электроноакцепторные. К электронодонорным заместителям относятся: -, -OH,-NH 2,-Cl(-F,-Br, -I). Они способствуют электрофильному замещению в орто- и пара- положениях бензольного кольца и называются заместителями I рода: OH К электроноакцепторным заместителям относятся: -NO 2, -SO 3 H, -COH, -COOH. Они способствуют электрофильному замещению в метаположение бензольного кольца и называются заместителями II рода: NO 2
26 26 II Реакции присоединения протекают трудно в жестких условиях по следующей схеме: R R H 2,давление Cl 2,h R Cl III Реакции окисления. Незамещенные бензолы окисляются трудно в жестких условиях. Алкилбензолы окисляются легко, по α-звену боковой цепи, образуя соответствующие карбоновые кислоты по схеме: [O] Cl Cl Cl COOH Cl Cl [O] COOH + СО 2 C 2 H 5 COOH Применение аренов в органическом синтезе Моноциклические арены, а также нафталин и его производные - ценное химическое сырье для нефтехимического и органического синтеза. Из них производят синтетические каучуки, пластмассы, синтетические волокна, взрывчатые, анилино-красочные и фармацевтические вещества. Контрольные вопросы 1 Распределение ароматических углеводородов по фракциям нефти. 2 Основные представители аренов в нефтях. 3 Физические и химические свойства аренов. Список рекомендуемой литературы 1 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М. Основы химии нефти и газа. - Уфа: Изд-во УГНТУ, C Рябов В.Д. Химия нефти и газа.- М.: ИД «ФОРУМ», C Виржичинская С.В., Дигуров Н.Г., Сиюшин С.А. Химия и технология нефти и газа: учеб. пособие.- М.: ИД «ФОРУМ», C
27 27 Лекция 7. О.Ф. Булатова Алкены, алкадиены и алкины, образующиеся при переработке нефти Ключевые слова: ненасыщенные углеводороды, алкены, диены, алкины, крекинг, реакция полимеризации, полимеры, бромное число. Ранее считалось, что алкены либо не содержатся в нефтях, либо содержатся в незначительных количествах. В конце 80-х годов было показано, что в ряде нефтей Восточной Сибири, Татарии и других районов России содержание алкенов может доходить до % от массы нефти. Ненасыщенные углеводороды (алкены и диолефины) содержатся в продуктах термической и термокаталитической переработки нефтяных фракций (в газах и жидких продуктах термического и каталитического крекинга, пиролиза, коксования и т.д.). Алкены - ненасыщенные углеводороды, содержащие двойную связь С=С. Раньше эти соединения называли олефинами. Общая формула алкенов C n H 2n. Простейшим представителем алкенов является этилен С 2 Н 4. Ненасыщенные циклические углеводороды с одной двойной связью называются циклоалкенами или циклоолефинами (общая формула C n H 2n-2). Диеновые углеводороды (диолефины) имеют две двойные связи (общая формула C n H 2n-2). Алкины - ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекуле тройную связь С С. Простейшим представителем алкинов является ацетилен С 2 Н 2, поэтому их часто называют ацетиленовыми углеводородами. Общая формула алкинов С n Н 2n-2. Наименование всех алкенов образуется из названий соответствующего алкана с заменой окончания -ан на -ен. Главной считается цепь, содержащая двойную связь. Положение двойной связи обозначается цифрой, соответствующей углеводородному атому, от которого начинается двойная связь. Нумерацию проводят так, чтобы атом углерода, от которого начинается двойная связь, получил наименьший номер. При наличии двух или трёх двойных связей в молекуле углеводорода в окончании указывается -диен или -триен с указанием положения каждой из этих связей. В названии алкинов окончание -ан заменяется на -ин. Для первого члена гомологического ряда сохраняется тривиальное название ацетилен. Иногда некоторые алкины называют как производные ацетилена: метилацетилен, диметилацетилен. При прочих равных условиях по номенклатуре IUPAC наименьший номер дают атомам при двойной, а не при тройной связи. Физические свойства. Алкены С 2 -С 4 при нормальных условиях - газы, алкены С 5 -С 17 - жидкости, а следующие - твёрдые вещества. Плотность алкенов несколько выше, чем соответствующих алканов. Алкены в воде растворяются мало, но лучше, чем алканы. Хорошо растворяются в органических растворителях.
Способы классификации нефтей. Особенности состава и свойств нефтей основных нефтегазоносных провинций ЛЕКЦИЯ 4 Нефть - это сложная смесь жидких органических веществ, в которой растворены различные твердые
Источники углеводородов Природный газ Попутный нефтяной газ Нефть Каменный уголь } Состав природного газа: СН4 С2Н6 С4Н10 С5Н12 N2 и другие газы 80-97% 0,5-4,0% 0,1-1,0% 0-1,0% 2 13% Преимущества перед
СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ............................................. 3 ВВОДНАЯ ЧАСТЬ............................................ 6 Краткая характеристика компонентов нефти........... 9 Химическая классификация
Лекция 1 Элементный состав нефтей и природных газов Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах. Он характеризуется обязательным
Задания А27 по химии 1. Полимер, имеющий формулу получают из 1) толуола 2) фенола 3) пропилбензола 4) стирола Стирол (винилбензол или фенилэтен) - это производное бензола, у которого есть непредельный
Количественные характеристики нефтей ЛЕКЦИЯ 1 Нефть имеет сложный химический состав и представляет собой смесь углеводородных и других соединений. Основные составляющие нефти метановые, нафтеновые и ароматические
Лекция 6 Алканы нефти Алканы занимают исключительно важное место среди углеводородов нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами. Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50%
Лекция 6 Химические процессы переработки нефти В результате фракционной разгонки нефти из неё удаётся выделить 5-25 % бензина и до 20 % керосина. Сравнительно малый выход этих продуктов и постоянно возрастающая
Тема 4.5. Характерные химические свойства ароматических углеводородов: бензола и толуола План 4.5.1. Характерные химические свойства бензола. 4.5.2. Характерные химические свойства толуола. Методические
2 1. Химия природных энергоносителей Требования, предъявляемые к топливам. Виды топлив. Агрегатное состояние топлив. Понятие условного топлива. Залегание нефти в земных недрах. Извлечение нефти. Подготовка
Химизм процесса каталитического риформинга Каталитический риформинг сложный процесс, включающий разнообразные превращения углеводородов. Прямогонные бензиновые фракции, служащие сырьем каталитического
Алканы Учитель химии МОУ лицея 6 Дробот Светлана Сергеевна Определение Оглавление Гомологического ряд метана Строение молекулы метана Номенклатура Изомерия Получение Физические свойства Химические свойства
Лекция 10 Арены Химические свойства и использование Реакции присоединения Арены вступают в реакции присоединения с большим трудом Для этого требуются высокие температуры, ультрафиолетовое облучение и катализаторы
Лекция 11 Непредельные углеводороды Непредельные или ненасыщенные углеводороды это углеводороды, в молекуле которых имеются углеводородные атомы, затрачивающие на связь с соседними атомами углерода более
ВНМ-15-01,05,07 Защита лабораторных работ 1) Контрольные вопросы к лабораторной работе 1 «Первичная перегонка нефти» 1. Дайте определение понятию «природный газ». Охарактеризуйте состав природного газа.
Задания В6 по химии 1. Взаимодействие 2-метилпропана и брома при комнатной температуре на свету 1) относится к реакциям замещения 2) протекает по радикальному механизму 3) приводит к преимущественному
ПРОГРАММА ПО ХИМИИ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ХИМИИ Теория строения вещества Атом. Молекула. Химический элемент. Вещество. Молекулярные и структурные формулы. Состав атомных ядер. Строение
1. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие. Смещение химического равновесия Химические реакции бывают обратимыми и необратимыми. Обратимая химическая реакция это реакция, которая протекает
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ТЕМА 2. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ 2.2. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 2.2.1. АЛКЕНЫ НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Углеводороды с открытой цепью, в молекулах
Вариант 1 1. Какое свойство указывает на принадлежность углеводорода к предельным соединениям? 1) Углеводород не вступает в реакции присоединения. 2) Молекула углеводорода содержит только s-связи. 3) Углеводород
Четверть 1 Органические вещества это вещества, содержащие углерод. Раздел химии, изучающий соединения углерода, называется органической химией. Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную
Циклоалканы. Номенклатура Строение Изомерия Физические свойства Химические свойств Получение Углеводороды - органические соединения, в состав которых входят только два элемента: углерод и водород. Углеводороды
Задание олимпиады «Линия знаний: Нефть и газ» Инструкция по выполнению задания: I. Внимательно прочтите инструкцию к разделу II. Внимательно прочтите вопрос III. Вариант правильного ответа (только цифры)
Лекция 4 Смолисто-асфальтовые вещества Смолисто-асфальтовые вещества - сложная смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти, содержание которых достигает 10-50 % масс. В высококонцентрированном
ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. ХИМИЯ. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. Углеводороды Углеводороды Углеводороды это органические соединения, которые в своем составе имеют водород и углерод. Общая формула СхНу Существует определенная
Результаты обучения (освоенные умения, усвоенные знания) ПК ОК Наименование темы 1 2 -понятия органическая химия; - природные, искусственные и синтетические органические соединения; -основные положения
Нефть Свойства и состав нефти Переработка нефти Химический Эксперимент Проверочный тест Состав нефти В состав нефти входит около 1000 веществ 80-90% - углеводороды: Алканы (составляющих половину всех углеводородов
Задание класс Вариант Концентрированную серную кислоту добавили к кристаллической поваренной соли, в результате чего образовалась кислая соль и выделился газ. Полученный газ ввели в реакцию с раствором
Номенклатура Строение Изомерия Физические свойства Химические свойств Получение Углеводороды - органические соединения, в состав которых входят только два элемента: углерод и водород. Углеводороды содержатся
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
Непредельные углеводороды Двойная связь является сочетанием σ- и π-связей (хотя она изображается двумя одинаковыми черточками, всегда следует учитывать их неравноценность). σ-связь возникает при осевом
Тюмень 203 2 . Цели и задачи дисциплины.. Цели дисциплины: 3 Дисциплина Нефтепродукты и продукты нефтехимии относится к ЕН.Р.00 национально-региональному (вузовскому) компоненту и имеет своей целью: -
АРОМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Бензол С6Н6 родоначальник ароматических углеводородов. Каждый из шести атомов углерода в его молекуле находится в состоянии sp 2 -гибридизации и связан с двумя соседними атомами
1 Алканы: n 2n+2 Способы получения алканов 1. Природные источники природный газ, уголь, нефть. Метан образуется при действии анаэробных (развивающихся без доступа воздуха) микробов на растительные органические
Календарный план лекций по органической химии для студентов гр. ХЭ-15-08 (группа экологического профиля, направление 08.03.02) в осеннем семестре 2016-2017 учебного года (ч.1 Химия углеводородов.). Объем
Билет 1. 1. Предмет органической химии. Сигма-связь, пи-связь. Первое, второе и третье валентные состояния атома углерода (виды гибридизации) Билет 2. 1. Теория строения органических веществ Бутлерова
1 Алкены (C n H 2n) Физические свойства алкенов Первые три члена газы (это гомолги этилена С 2 С 4) этилен, пропилен, бутилен. Начиная с пектена и по С 17 жидкости, выше твердые вещества. Гомологи нормального
Лекция 4. Основы органической химии Лектор: асс. каф. ОХХТ к.х.н. Абрамова Полина Владимировна еmail: [email protected] ПЛАН ЛЕКЦИИ I. Предмет органическая химия. II. Теория химического строения органических
Примерное тематическое планирование Базовый уровень образования 10 класс (2 ч в неделю, всего 70 ч; из них) урока Дата Название темы Название урока Характеристика основных видов деятельности ученика (на
Программы испытаний по химии Предмет и задачи химии. Место химии среди естественных наук. Атомно-молекулярное учение. Молекулы. Атомы. Постоянство состава вещества. относительная атомная и относительная
Спирты - органические соединения, в состав молекул которых входит одна или несколько гидроксильных групп, соединенных с углеводородным радикалом. Классификация спиртов 1. По числу гидроксильных групп в
2 3 1. Цели освоения дисциплины Целями освоения дисциплины (модуля) являются: фундаментальная подготовка студентов в области химии нефти и газа, которая заключается в формировании у студентов теоретических
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа 37 с углублѐнным изучением отдельных предметов» РАССМОТРЕНО И ПРИНЯТО на заседании МО учителей Протокол 2 от «02»
Лабораторная работа 4 АРЕНЫ Опыт 1. Получение бензола из бензойной кислоты и изучение его свойств 1. Напишите уравнение реакции получения бензола. 2. Какое агрегатное состояние имеет бензол? Сделайте вывод
Билет 1 1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки. 2. Предельные углеводороды,
Рабочая программа Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/06 Министерство образования и науки Республики Казахстан Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова Кафедра химии и химических технологий РАБОЧАЯ
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ТЕМА 4. КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ 4.1. СПИРТЫ И ФЕНОЛЫ 4.1.2. ФЕНОЛЫ ФЕНОЛЫ органические соединения ароматического ряда, в молекулах которых гидроксильные группы связаны с атомами
Экзаменационные вопросы для докторантов по специальности 6D072100 «Химическая технология органических веществ» 1. Сдвиг равновесия. Принцип Ле-Шателье. 2. Фазовое состояние реагентов и продуктов реакции
10. Химические свойства и способы получения углеводородов Алканы C n H 2n+2 В молекулах алканов атомы углерода находятся в sp 3 -гибридном состоянии и образуют только одинарные (простые) σ-связи. Химические
"Непредельные углеводороды" Непредельные углеводороды - это углеводороды, содержащие кратные связи в углеродном скелете молекулы. Кратными называются двойные и тройные связи. К непредельным углеводородам
2. АЛКЕНЫ. ДИЕНОВЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ 2.1. Алкены Физические свойства. Первые три алкена газы, от пентена до его гомолога, содержащего семнадцать атомов углерода, жидкости, далее твердые вещества. Алкены плохо
Минимум по химии для учащихся 10-х классов. Учебник: Габриелян О.С. Химия.10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2013. Виды и формы контроля: 1) предъявление выполненных дома
Дегтярёва М.О. ЛНИП C n H 2n Алкены (этиленовые углеводороды) - непредельные углеводороды, молекулы которых содержат двойную связь SP 2 - гибридизация + S 2 P SP 2 P P Образование связей при SP 2 - гибридизации
10 класс ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Данная рабочая программа учебного предмета «Химия» для обучающихся 10 класса общеобразовательного учреждения разработана на основе авторской программы по химии для общеобразовательных
Рабочая программа по химии 10 «а» класс (базовый уровень) Рабочая программа разработана на основе авторской программы О.С. Габриеляна, соответствующей Федеральному компоненту государственного стандарта
Сырья для производства природными объектами .
Гипотезы происхождения нефти
1) неорганическая
2) космическая
3) органическая
Автором одной из неорганических теорий является Д.И.Менделеев. Согласно этой теории первые органические соединения образовались в результате взаимодействия карбидов металлов, находящихся в ядре земли, с водой, проникшей к ним по трещинам:
СаС 2 + 2Н 2 О → Са(ОН) 2 + С 2 Н 2
Al 4 C 3 + 12Н 2 O → 4А1(ОН) 3 + 3СН 4
Под действием высоких температур углеводороды и вода испарялись, поднимались к наружным частям земли и конденсировались в хорошо проницаемых осадочных породах.
Согласно космической теории , нефть образовалась из углерода и водорода при формировании Земли. По мере понижения температуры планеты углеводороды поглощались ею и конденсировались в земной коре.
органическая теория - нефть является продуктом разложения растительных и животных остатков, отлагающихся первоначально в виде морского ила. Основным органическим материалом для нефти служат растительные и животные микроорганизмы, развивающиеся в гидросфере. Отмершие остатки таких организмов скапливаются на дне заливов. Одновременно в море сносятся различные минеральные вещества. В конечном итоге органический материал собирается на дне водоема и постепенно погружается все глубже и глубже. Верхний слой такого ила называется пелоген , а частично превращенный ил в большей своей толще - сапропел . По современным представлениям, органическое вещество, захороненное в морском иле, и является материнским веществом нефти. К так называемым сапропелитовым каустобиолитам относятся также сланцы, сапропелитовые угли и т.д.
Торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит - гумусовые каустобиолиты (гумус-остатки наземной растительности).
Разложение погибших растительных и животных организмов в морских илах под воздействием О 2 и бактерий приводит к образованию: 1) жидких и газообразных продуктов; 2) осадков, устойчивых к химическому и бактерицидному воздействию. Эти осадки постепенно накапливаются в осадочных слоях. По своей химической природе они представляют собой смесь продуктов превращения белков. Дальнейшие превращения этого исходного органического материала в нефть происходит уже в отсутствии О 2 .
Состав нефтей, физико-химические характеристики и классификация нефтей
Элементный состав нефти
Основными элементами, входящими в состав нефти, являются С и Н.
Нефть состоит в основном из смеси метановых (алкановых), нафтеновых (циклоалкановых) и ароматических углеводородов. Кроме этого в нефтях присутствуют кислородные, сернистые и азотистые соединения.
К кислородным соединениям - нафтеновые кислоты, фенолы, асфальто-смолистые вещества. Сернистые соединения – это H 2 S, меркаптаны, сульфиды, тиофены, тиофаны, азотистые соединения – гомологи пиридина, гидропиридина и гидрохинолина. Компонентами нефти являются также растворенные в ней газы, вода и минеральные соли.
Состав минеральных компонентов определяется в золе, получаемой при сжигании нефти. В золе обнаружено до 20 различных элементов (Са, Fe, Si, Zn, Сu, Al, Mo, Ni, V, Na, Sn, Ti, Mn, Sr, Pb, Co, Ag, Ba, Cr и др В тяжелой части нефти содержатся смолисто-асфальтеновые вещества. Это сложная смесь наиболее высокомолекулярных соединений, представляющих собой гетероорганические соединения со сложной гибридной структурой, включающей серу, кислород, азот и некоторые металлы. Наиболее богаты смолисто-асфальтеновыми веществами молодые нефти с высоким содержанием ароматических соединений.
Классификация нефтей
1. Химическая классификация (преимущественное содержание одно или нескольких классов углеводородов)
Парафиновые
Нафтеновые
Ароматические.
классификация нефтей довольно условна, поскольку углеводородный состав даже нефти одного месторождения меняется при переходе от одного горизонта залегания к другому.
2.Технологическая классификация учитывает плотность нефтей, массовое содержание светлых фракций, массовое содержание серы, смолисто-асфальтеновых соединений, твердых парафинов.
По плотности различают нефти: легкие с плотностью до 0,84 г/см 3 , средние - 0,84-0,88 г/см 3 и тяжелые - 0,88-0,92 г/см 3 и выше.
асфальтено-смолистых веществ.
Рациональная переработка нефти и нефтепродуктов играет важную роль в современной экономике.
Бензин. Требования к нему и методы повышения качества.
Бензи́н - горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность около 0,75 г/см³. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр). Температура замерзания ниже -60 °C.
Бензин получают путем разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определенных температурных пределах; до 100 °C - бензин I сорта, до 110 °C - бензин специальный, до 130 °C - бензин II сорта, до 265 °C - керосин («метеор»), до 270 °C - керосин обыкновенный, примерно до 300 °C - производится отбор масляных фракций. Остаток считается мазутом.
Повысить качество автомобильных бензинов можно за счет следующих мероприятий:
Отказа от применения в составе бензинов соединений свинца;
Нормирования концентрации фактических смол в бензинах на месте применения на уровне не более 5 мг на 100 см³;
Деления бензинов по фракционному составу и давлению насыщенных паров на 8 классов с учетом сезона эксплуатации автомобилей и температуры окружающей среды, характерной для конкретной климатической зоны.
Наличие классов позволяет выпускать бензин со свойствами, оптимальными для реальных температур окружающего воздуха, что обеспечивает работу двигателей без образования паровых пробок при температурах воздуха до +60 °С, а также гарантирует высокую испаряемость бензинов и легкий пуск двигателя при температурах ниже -35 °С;
Введения моющих присадок, не допускающих загрязнения и осмоления деталей топливной аппаратуры.
Требования, предъявляемые к качеству топлива
1.Высокие энергетические и термодинамические характеристики продуктов сгорания. При горении бензина должно выделяться максимальное количество тепла, продукты сгорания должны иметь малую молекулярную массу, небольшие теплоёмкость и теплопроводность, высокое значение произведения удельной газовой постоянной на температуру горения (RT).
2.Хорошая прокачиваемость. Бензины должны надёжно прокачиваться по топливной системе машин, трубопроводам, насосам, системам регулирования и другим агрегатам и коммуникациям при любых условиях окружающей среды – низкой и высокой температурах, различных давлениях, запылённости и влажности.
3.Оптимальная испаряемость. В условиях хранения и транспортирования испарение должно быть минимальным. При применении в двигателе бензина должны иметь такую испаряемость, чтобы обеспечить надёжное воспламенение и горение топлива с оптимальной скоростью в камерах сгорания двигателей.
4.Минимальная коррозионная активность. Топлива не должны содержать компоненты, которые разрушают конструкционные материалы двигателя, средства хранения и транспортирования.
5. Высокая стабильность в условиях хранения и применения. Топлива в течение длительного времени не должны изменять физико-химические и эксплуатационные свойства.
6.Нетоксичность. Продукты сгорания также должны быть нетоксичными.
Основными показателями бензина являются детонационная стойкость, давление насыщенных паров, фракционный состав, химическая стабильность и др.
октановое число – условный показатель, характеризующий стойкость бензинов к детонации и численно соответствующий детонационной стойкости модельной смеси изооктана и н-гептана.
Дизельное топливо и керосин. Требования к ним и способы повышения качества.
Дизельное топливо является сложной смесью парафиновых (10-40%), нафтеновых(20-60%) и ароматических (14-30%) углеводородов и их производных средней молекулярной массы 110-230, выкипающих в пределах 170-380 градусов по Цельсию. Температура вспышки составляет 35-80 градусов по Цельсию, застывания – ниже 5 градусов.
Для того чтобы обеспечить надежную, экономичную и долговечную работу дизельного двигателя, топливо для него должно отвечать следующим требованиям:
· хороший распыл топлива и оптимальное смесеобразование;
· полное сгорание топлива с малой задержкой самовоспламенения и минимальным образованием сажистых и токсичных веществ (оксида азота NOx, оксидов серы SO2, SОз, сероводорода H2S, бенз-а-пирена С20Н12) и др.;
· хорошая прокачиваемость топлива для обеспечения надежной и бесперебойной работы топливной аппаратуры;
· низкое нагарообразование в камере сгорания;
· отсутствие коррозии топливопроводов и деталей топливной аппаратуры;
· достаточная стабильность свойств при длительном хранении.
Химические свойства.
1.Реакции присоединения с раскрытием кольца и образованием ациклических (линейных) продуктов:
2. Дегидрирование (реакция Зелинского):
3.Реакция свободнорадикального замещения в цикле :
4. Окисление (образуются двухосновные карбоновые кислоты)
Ароматические углеводороды – это непредельные углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей. Общая формула C n H 2 n -6 Молекулы находятся в sp 2 – гибридизации. Атомы углерода располагаются в одной плоскости (цикл имеет плоское строение).
Физические свойства
Агрегатное состояние - жидкость с различными температурами кипения. Конденсированные полициклические арены - твердые вещества с различными температурами плавления.
Химические свойства
Из-за повышенной устойчивости ароматической системы, несмотря на ненасыщенность, склонна к реакциям замещения, а не присоединения.
1. Реакции электрофильного замещения в кольце .
Нитрование
Сульфирование бензола с получением сульфокислоты:
галогенирование
2. Присоединения.
3. Окисление.
Алкены - ациклические непредельные углеводороды, содержащие одну двойную связь между атомами углерода, образующие гомологический ряд с общей формулой CnH2n. Атомы углерода при двойной связи находятся в состоянии sp² гибридизации.
Физические свойства.
Температуры плавления и кипения алкенов (упрощенно) увеличиваются с молекулярной массой и длиной главной углеродной цепи.
При нормальных условиях алкены с C2H4 до C4H8 - газы; с C5H10 до C17H34 - жидкости, после C18H36 - твёрдые тела. Алкены не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях.
Химические свойства
1 Гидрирование.
2. Галогенирование.
3. Гидратация.
4. Алкилтрование.
Гидрогалогенирование, гидратация и сульфирование протекают по правилу Марковникова , по которому в реакциях присоединения полярных молекул (галогенводородов, воды, серной кислоты и др.) к несимметричным алкенам атом водорода присоединяется к наиболее гидрогенизированному атому углерода двойной связи:
Ароматические соединения
Ароматические соединения - циклические органические соединения, которые имеют в своём составе ароматическую систему. Основными отличительными свойствами являются повышенная устойчивость ароматической системы и, несмотря на ненасыщенность, склонность к реакциям замещения, а не присоединения.
Получение
1.Каталитическая дегидроциклизация алканов, то есть отщепление водорода с одновременной циклизацией. Реакция осуществляется при повышенной температуре с использованием катализатора, например оксида хрома.
2.Каталитическое дегидрирование циклогексана и его производных. В качестве катализатора используется палладиевая чернь или платина при 300 °C. (Н. Д. Зелинский)
3.Циклическая тримеризация ацетилена и его гомологов над активированным углем при 600 °C. (Н. Д. Зелинский)
4.Алкилирование бензола галогенопроизводными или олефинами. (Реакция Фриделя - Крафтса)
Осн. источником получения ароматических углеводородов служат продукты коксования кам. угля. Большое значение имеет производство ароматических углеводородов из нефтяных углеводородов жирного ряда.
Ароматизация нефтепродуктов, химическая переработка нефтяных продуктов с целью увеличения содержания в них ароматических углеводородов путём превращения углеводородов с открытой цепью в углеводороды циклического строения. Ароматизация нефтепродуктов происходит в различных процессах переработки нефти и её фракций - крекинге, каталитаx. риформинге, гидрогенизации деструктивной, пиролизе. Для промышленного получения ароматических углеводородов применяют главным образом каталитический риформинг бензино-лигроиновых фракций нефти. Получаемый продукт, содержащий до 60% ароматических углеводородов, используют как высокооктановый компонент моторного топлива или для получения чистых ароматических углеводородов.
Этим путём получают 80-90% лёгких ароматических углеводородов, используемых для производства взрывчатых веществ, красителей, моющих средств, пластических масс и др.
Для некоторых ароматических углеводородов имеют практическое значение чисто синтетические методы. Так, из бензола и этилена производят этилбензол, дегидрирование которого приводит к стиролу:
Полипропилен. Получение
Полипропилен получают полимеризацией пропилена в присутствии металлокомплексных катализаторов.
nCH2=CH(CH3) → [-CH2-CH(CH3)-]n
Параметры, необходимые для получения полипропилена близки к тем, при которых получают полиэтилен низкого давления. При этом, в зависимости от конкретного катализатора, может получаться любой тип полимера или их смеси.
Полипропилен выпускается в виде порошка белого цвета или гранул с насыпной плотностью 0,4-0,5 г/см³. Полипропилен выпускается стабилизированным, окрашенным и неокрашенным.
По типу молекулярной структуры можно выделить три основных типа: изотактический, синдиотактический и атактический.
В отличие от полиэтилена, полипропилен менее плотный, более твёрдый (стоек к истиранию), более термостойкий, почти не подвергается коррозионному растрескиванию. Обладает высокой чувствительностью к свету и кислороду.
Поведение полипропилена при растяжении ещё в большей степени, чем полиэтилена, зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры. Чем ниже скорость растяжения полипропилена, тем выше значение показателей механических свойств. При высоких скоростях растяжения разрушающее напряжение при растяжении полипропилена значительно ниже его предела текучести при растяжении.
Полиэтилен - термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …-CH2-CH2-CH2-CH2-…,
Представляет собой воскообразную массу белого цвета. Химически- и морозостоек, изолятор, не чувствителен к удару, при нагревании размягчается (80-120°С), при охлаждении застывает, адгезия (прилипание) - чрезвычайно низкая. Иногда в народном сознании отождествляется с целлофаном - похожим материалом растительного происхождения.
Общие свойства
Устойчив к действию воды, не реагирует с щелочами любой концентрации, с растворами нейтральных, кислых и основных солей, органическими и неорганическими кислотами, даже концентрированной серной кислоты, но разлагается при действии 50%-ой азотной кислоты при комнатной температуре и под воздействием жидкого и газообразного хлора и фтора.
При комнатной температуре нерастворим и не набухает ни в одном из известных растворителей. Со временем, деструктурирует с образованием поперечных межцепных связей, что приводит к повышению хрупкости на фоне небольшого увеличения прочности. Нестабилизированный полиэтилен на воздухе подвергается термоокислительной деструкции (термостарению). Термостарение полиэтилена проходит по радикальному механизму, сопровождается выделением альдегидов, кетонов, перекиси водорода и др.
Полиэтилен низкого давления (HDPE) применяется при строительстве полигонов переработки отходов, накопителей жидких и твёрдых веществ, способных загрязнять почву и грунтовые воды.
Поливинилхлорид - бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью.
Растворяется в циклогексаноне, тетрагидрофуране, диметилформамиде (ДМФА), дихлорэтане, ограниченно - в бензоле, ацетоне. Не растворяется в воде, спиртах, углеводородах; стоек в растворах щелочей, кислот, солей.
Устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, бензина, керосина, жиров, спиртов, обладает хорошими диэлектрическими свойствами.
Получается суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида, а также полимеризацией в массе.
Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб, пленок, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т. д. Также применяется для производства грампластинок, профилей для изготовления окон и дверей.
Поливинилхлорид также часто используется в одежде и аксессуарах для создания подобного коже материала, отличающегося гладкостью и блеском. Поливинилхлорид используют как уплотнитель в бытовых холодильниках, вместо относительно сложных механических затворов. Это дало возможность применить магнитные затворы в виде намагниченных эластичных вставок, помещаемых в баллоне уплотнителя.
Синтетические каучуки - синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров. Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, неопрена, хлорпрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.
Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий - синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют - термоэластопласты.
Некоторые виды синтетических каучуков представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук. По области применения синтетические каучуки разделяют на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств, пригодных для массового изготовления широкого круга изделий. К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.
Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.
Каучуки специального назначения: бутилкаучук, этиленпропиленовые, хлорпреновые, фторкаучуки, уретановые и др.
В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолётов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также производства промышленных товаров и медицинских приборов.
Предмет химии нефти и газа. Нефть и газ как природные объекты, источники энергии и сырье для переработки. Происхождение нефти.
Природные источники углеводородов являются основой промышленности органического синтеза, задачей которой является получение необходимых человеку веществ, в том числе и не встречающихся в природе.
Основными источниками сырья для промышленности органического синтеза являются природный газ, попутные нефтяные газы, нефть.
Нефть – сложная смесь углеводородов, в которой преобладают предельные углеводороды, в молекулах которых от 5-50 атомов C, а также циклоалканы и арены, и органических соединений серы, азота и кислорода.
Сырья для производства нефтехимической, строительной и других отраслей промышленности. В этом отношении нефть и газ являются на сегодняшний день незаменимыми природными объектами .
|
Введение | |
|
1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ | |
|
1.1. Гипотезы минерального происхождения | |
|
1.2. Развитие представлений об органическом происхождении нефти | |
|
1.3. Современные представления об образовании нефти игаза | |
|
1.4. Образование основных классов углеводородов нефти | |
|
2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ И ГАЗА | |
|
2.1. Углеводородные соединения | |
|
2.2. Гетероорганические соединения | |
|
2.3. Микроэлементы | |
|
3. НЕФТЯНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ | |
|
3.1. Парафиновые углеводороды | |
|
3.2. Нафтеновые углеводороды | |
|
3.3. Ароматические углеводороды | |
|
3.4. Смолисто-асфальтеновые вещества | |
|
4. физико-химические свойства нефти | |
|
4.1. Плотность нефти | |
|
4.2. Вязкость нефти | |
|
4.3. Реологические свойства нефтей | |
|
4.5. Давление насыщения нефти газом | |
|
4.6. Сжимаемость нефти | |
|
4.7. Объемный коэффициент нефти | |
|
4.8. Тепловые свойства нефтей | |
|
4.9. Электрические свойства нефтей | |
|
4.10. Молекулярная масса | |
|
4.11. Температура кристаллизации, помутнения, застывания | |
|
4.12. Температура вспышки, воспламенения и самовоспламенения | |
|
4.13. Оптические свойства | |
|
4.14. Различие свойств нефти в пределах нефтеносной залежи | |
|
5. СВОЙСТВА НЕФТЯНОГО ГАЗА | |
|
6. кЛАССИФИКАЦИИ НЕФТЕЙ | |
Введение
Нефть давно известна человечеству. Её использовали в Вавилоне и Византии как зажигательную смесь. В древнем Египте, Риме и междуречьи Тигра и Евфрата её применяли как вяжущий и гидроизоляционный материал при строительстве дорог, акведуков и других сооружений. С конца XVIII века продукт переработки нефти керосин стал использоваться для освещения жилищ и улиц, а с XIX века, с изобретением двигателей внутреннего сгорания нефтепродукты стали основным видом топлива для различных транспортных средств.
В отличие от других видов горючих ископаемых, нефть относительно легко добывается, транспортируется (по трубопроводам) и довольно просто перерабатывается в широкую гамму продуктов различного назначения. Поэтому неудивительно, что в большинстве стран мира на нефть приходится более половины топливно-энергетического комплекса.
Экономика государств зависит от нефти больше, чем от любого другого продукта. Поэтому нефть с начала ее промышленной добычи и до настоящего времени является предметом острой конкурентной борьбы, причиной многих международных конфликтов и войн. Природный газ, как и нефть, в первую очередь является энергетическим топливом. Большая часть добываемой в мире нефти (80 - 90 %) перерабатывается в различные виды топлива и смазочных материалов. Лишь около 10 % его идет на нужды химической промышленности.
История развития химии нефти связана с работами Д. И. Менделеева, Н. Д. Зелинского, В. В. Марковникова, К. В. Харичкова, В. Н. Ипатьева, А, А. Летнего и др., которые способствовали рождению химии нефти как науки. Становление ее произошло в конце 20-х - начале 30-х годов в стенах Московской горной академии, где профессор (позже академик) С. Н. Намёткин читал курс "Химия нефти". В 1932 г. вышла книга с таким же названием.
Основные, традиционные исследования в области химии нефти включают следующие направления. Первое - аналитическое направление, изучающее состав нефтей с целью практического применения нефтяных фракций и отдельных компонентов, а также решения геохимических задач по поиску новых месторождений нефти и газа. Знание потенциального химического состава нефти имеет определяющее значение для выбора оптимальной технологической схемы ее переработки. С помощью современных методов аналитической и органической химии в нефтях по данным Ал. А. Петрова было идентифицировано около 1000 индивидуальных соединений.
Второе направление исследований заключается в изучении свойств нефтяных систем в зависимости от Р, V, Т-условий и химического взаимодействия отдельных компонентов нефти. В условиях добычи, транспортировки, переработки и применения нефтяные системы могут находиться при повышенных температурах и давлениях, когда возможны химические превращения нефтяных компонентов.
Следует обратить внимание на то, что в химии нефти достаточно долго господствовал и сохранился до сих пор подход к нефтяным системам как к молекулярным растворам. До сих пор многие явления в нефтяных системах и технологические расчеты трактуются на основе физических законов, установленных для молекулярных растворов (законов Рауля-Дальтона, Генри, Ньютона, Дарси и т.д.). Однако представления о молекулярной структуре нефтяных систем не всегда описывает реальное поведение нефтяных систем и соответствует действительности.
С позиций коллоидной химии – нефть это сложная многокомпонентная смесь, проявляющая в зависимости от совокупности внешних условий свойства молекулярного раствора или дисперсной системы. К нефтяным дисперсным системам (НДС) относятся практически все виды природного углеводородного сырья, а также разные типы нефтепродуктов - от моторных топлив до коксов. Такой подход, основанный на рассмотрении дисперсной структуры различных НДС, позволяет оптимизировать без существенных материальных затрат те технологические процессы добычи, транспортировки и переработки нефти, а также свойства нефтепродуктов, которые не удавалось интенсифицировать другими способами.
Накопленный к настоящему времени экспериментальный материал убедительно доказывает, что дальнейшее игнорирование дисперсного строения нефти существенно ограничивает возможности по регулированию нефтеотдачи пласта. Конечно, нельзя не отметить исключительную сложность такого подхода. Она заключается в том, что специалисты в области химии нефти до сих пор не пришли к единому мнению о строении нефти, исследуя ее при нормальных условиях. А чаще всего контакт нефти с породой происходит при иных условиях: в присутствии внутрипластовой воды, в зоне повышенных температур и давлений.
При транспортировке в результате изменения внешних условий (например, температуры, давления, концентрации присадок) могут происходить многократные изменения макромолекулярной организации нефти вплоть до изменения агрегатного состояния, что, естественно, влияет на изменение ее гидродинамического сопротивления при движении по трубе. Желательно снизить гидродинамическое сопротивление нефти, что обычно достигается с помощью полимерных присадок, однако в научном плане взаимодействия присадок с компонентами НДС еще не изучены.
При переработке нефти и применении нефтепродуктов происходят фазовые превращения с изменением как агрегатного состояния, так в ряде случаев и химического состава фаз. Регулирование фазовых переходов в НДС с помощью внешних факторов: силовых полей и добавок разнообразной природы, включая прием оптимального компаундирования нефтепродуктов, оказывается эффективным способом воздействия на параметры нефтетехнологических процессов и свойства нефтепродуктов. днако запасы нефти, к сожалению, ограничены, а разрабатываемые месторождения через некоторое время истощаются. Невозобновляемость и ограниченность ресурсов углеводородного сырья, которыми располагает человечество, усиливает остроту энергетической проблемы. По прогнозам производство сырой нефти достигнет пика во втором - третьем десятилетии будущего века, а дефицит запасов сопутствующих нефти природного газа и газоконденсатов начнет ощущаться уже с 2010 г.
Исчерпание нефтяных запасов ведет к необходимости более экономичного использования нефти путем увеличения коэффициента нефтеотдачи, оптимизации процессов транспортировки и увеличения глубины переработки нефти, рационального применения нефтепродуктов с учетом их экологических свойств, что невозможно без всесторонних физико-химических исследований состава, структуры и свойств нефти.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина __________________________________________________ Р.З. Сафиева Нефтяные дисперсные системы: состав и свойства (часть 1) Допущено Учебно-методическим отделом по высшему нефтегазовому образованию в качестве учебного пособия для студентов по направлению подготовки бакалавра 553600 НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО и направ- лению подготовки дипломированного специ- алиста 650700 НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО. Москва 2004 2 ББК УДК 665.6 Р.З. Сафиева. Химия нефти и газа. Нефтяные дисперсные системы: состав и свойства (часть 1). Учебное пособие. М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина. 2004. В учебном пособии по курсу «Химия нефти и газа» изложены основные вопросы лекционного материала, даны контрольные вопросы и задачи для закрепления теоретического материала. Данное пособие предназначено для студентов, изучающих в соответствии с государственным образовательным стандартом в цикле общепрофессиональных дисциплин (ОПД.12) курс «Химия нефти и газа» по направлению подготовки бакалавра 553600 Нефтегазовое дело и направлению подготовки дипломированного специалиста 650700 Нефтегазовое дело. Пособие рекомендуется использовать для подготовки к междисциплинарному государственному экзамену студентам факультета разработки нефтяных и газовых месторождений (ФРНГМ) и факультета проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта (ФПС и ЭСТТ). 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение 5 Глава 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕФТЯНЫХ СИСТЕМАХ 10 1.1. Общие данные об углеводородном сырье 10 1.2. Краткие сведения о составе и некоторых свойствах нефтей 19 по пути от скважины до НПЗ 1.3. Различные варианты переработки нефти 23 1.4. Основные методические подходы к 28 исследованию нефтяных систем Контрольные вопросы и задачи 31 Глава 2. УГЛЕВОДОРОДЫ НЕФТЕЙ. 33 2.1. Алканы и циклоалканы. Геохимическая классификация 34 нефтей 2.2. Алкены 49 2.3. Арены 53 Контрольные вопросы и задачи 60 Глава 3. ГЕТЕРООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ НЕФТЕЙ 63 3.1. Кислородсодержащие соединения 63 3.2. Серосодержашие соединения 65 3.3. Азотсодержащие соединения 68 3.4. Смоло-асфальтеновые вещества. Классификация 69 полезных ископаемых с углеводородной основой 3.5. Микроэлементы 76 Контрольные вопросы и задачи 77 Глава 4. НЕФТЯНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. 79 4 4.1. Классификация НДС 79 4.2 Устойчивость НДС 92 4.3. Реологические свойства НДС 94 Контрольные вопросы и задачи: 104 Заключение 106 Литература 107 Приложения 108 5 Введение Студент − это не сосуд, который надо наполнить, а факел, который надо зажечь. Л. Арцимович Объектом внимания будущих специалистов нефтяного дела на любой его стадии: от скважины до бензоколонки являются углеводородные системы (нефть, газ и продукты их переработки). Студентам различных специальностей, изучающим в рамках общих и специальных дисциплин на соответствующих факультетах, многообразные явления, возникающие при геофизических исследованиях, бурении и освоении скважин, при добыче, подготовке и транспортировке нефти, а также при переработке нефти и применении нефтепродуктов, необходимо знание состава и физико-химических свойств углеводородных систем, а также методов их исследования и регулирования. Поэтому в первой части учебного пособия по курсу «Химия нефти и газа» излагаются сведения о составе и основных свойствах углеводородных систем, рассматриваемых как нефтяные дисперсные системы (НДС). Вторая часть учебного пособия будет посвящена современным методам исследования и регулирования свойств НДС. Естественно ожидать, что студенты-химики, освоившие органическую химию и познакомившиеся с основными аналитическими приемами разделения многокомпонентных систем и химическими превращениями одних углеводородных соединений в другие, по сравнению со студентами других специальностей более подготовлены к изучению дисциплины «Химия нефти и газа». Впервые именно вниманию студентов-химиков и была предложена более 70 лет назад эта дисциплина. Курс «Химия нефти и газа» в конце 20-х - начале 30 гг. начал читать профессор (позже всемирно известный академик) Сергей Семенович Наметкин в стенах Московской горной академии. В 1932 году из-под его пера 6 вышла книга с таким же названием . Он писал: «Химия нефти представляет собой особую отрасль прикладной химии с разнообразнейшими задачами теоретического и практического содержания». Появлению химии нефти как науки способствовали работы Д.И. Менделеева, Н.Д. Зелинского, В.В. Марковникова, К.В. Харичкова, В.Н. Ипатьева, А.А. Летнего, Л. Г. Гурвича и других ученых. Кратко охарактеризуем некоторые особенности современного этапа развития нефтяной отрасли, которые напрямую связаны с вопросами, изучаемыми в курсе «Химия нефти и газа». В нефтегазопоисковой геохимии для исследования нефте- и газопроявлений пород широко используют физико-химические методы (спектральные, термические, хроматографические и др.). С конца прошлого века до настоящего времени не прекращаются многочисленные опыты по термическому лабораторному моделированию нефтегазообразования керогена (органического вещества различных типов), являющегося вероятным источником нефтяных и газовых углеводородов. Для оценки способности горных пород генерировать углеводороды был предложен комплексный метод «Рок-Эвал», сочетающий термический анализ и хроматографию. Этот метод сегодня является основным при исследованиях преобразования органического вещества керогена в геохимических лабораториях мира. Заметим, что давно преподаваемая на факультете разработки нефтяных и газовых месторождений (ФРНГМ) дисциплина «Физика пласта» без изучения дисциплины «Химия нефти» по определению не может создать цельную картину восприятия студентами физико-химических процессов в единой системе под названием нефтеносный пласт. Это относится прежде всего к таким процессам как: формирование остаточной нефти в пласте; проявление структурно-механических и реологических свойств нефтей; влияние состава нефти на смачиваемость пород, изменение межфазных характеристик при обработке пласта химическими реагентами и т.д. Понимание этих явлений особенно актуально для будущих 7 специалистов в области нефтедобычи, где после интенсивного освоения скважин наступил период активного применения физико-химических методов увеличения дебита скважин, в том числе, с помощью различных химических реагентов. Кроме того, при подготовке проектов по освоению новых месторождений нефти и газа неотъемлемыми являются вопросы защиты окружающей среды от возможного нефтяного загрязнения. При этом в основе оценки рисков при возможных аварийных ситуациях и мер по ликвидации последствий таких аварий лежит знание физико-химических закономерностей взаимодействия нефти с водой и почвой. В области транспортировки нефти существуют различные проблемы, решение которых предполагает знание основ химии нефти. Одни проблемы связаны с тем, что различные нефти перекачиваются единым потоком независимо от их качества в системе трубопроводного транспорта АК «Транснефть», что, естественно, для компаний, поставляющих высококачественную нефть, оборачивается убытками. Поэтому ставится задача государственного уровня по созданию Банка качества нефтей . Иные проблемы связаны с перекачкой нефтей и нефтепродуктов. Для интенсификации их транспортировки используют комплексный физико-химический подход, предполагающий применение волновых технологий и химических реагентов – депрессаторов (веществ, понижающих температуру застывания высокозастывающих нефтей), противотурбулентных присадок. В нефтепереработке осваивают физико-химические технологии нового поколения, способствующие углублению переработки нефти. В области применения нефтепродуктов используют современные методы анализа их физико- химических и эксплуатационных свойств, а также разрабатывают новые нефтепродукты, удовлетворяющие более жестким требованиям экологии и современной техники. Возможность поиска практических решений физико-химических проблем, возникающих на различных стадиях нефтяной цепочки, зиждется на теоретических 8 знаниях. Такие знания, в свою очередь, можно получить в курсе «Химия нефти и газа». Следовало бы предусмотреть в учебных программах для студентов факультетов нехимических специальностей нефтегазовых вузов чтение данного курса после изучения дисциплины «Физическая и коллоидная химия». Заметим, что на рынке труда в нефтяной отрасли прежде всего будет востребован специалист, который отличается знанием существа вопросов не только в своей специальной области, но и обладающий широким кругозором в смежных отраслях нефтяного дела. Об этом свидетельствует, в частности, опыт приема выпускников вузов на работу в нефтяные компании. Сегодня студенты нехимических специальностей, постигающие основы химического знания согласно соответствующим учебным планам, также имеют реальную возможность изучать и дисциплину «Химия нефти и газа» в третьем семестре. Каждый раздел лекционного курса построен по схеме: от изложения кратких общеизвестных сведений из области органической, физической и коллоидной химии к освещению существа разнообразных явлений, протекающих в нефтяных системах. В конце раздела приводится перечень наиболее важных вопросов, позволяющий студентам при самостоятельной подготовке уяснить суть изложенного материала, а также предлагаются для решения типовые задачи и задачи повышенного уровня сложности, способствующие развитию химического мышления (они помечены звездочкой). В связи с широким проникновением химических знаний о нефти в далекие, только на первый взгляд, от химии отрасли нефтяного дела дисциплина «Химия нефти и газа» вошла составной частью в число дисциплин, сдаваемых студентами ряда факультетов (ФРНГМ, ФПС и ЭСТТ), в рамках междисциплинарного экзамена, имеющего статус государственного. Данное пособие предназначено также для самостоятельной подготовки студентов к междисциплинарному экзамену. Необходимую информацию по данной дисциплине (вопросы для подготовки к контрольным работам, практическим занятиям и зачету; схемы и 9 иллюстрации к лекционному материалу) студенты также могут найти на сайте кафедры в разделе “учебно-методическая работа” по электронному адресу: www.him.gubkin.ru. С вопросами и пожеланиями можно обратиться к автору этого учебного пособия по электронной почте:[email protected] Обучение по курсу «Химия нефти и газа» проводится преподавателями кафедры органической химии и химии нефти, основателем которой и был академик С.С. Наметкин. Именно его имя присвоено открытому 17 апреля 2003 года на базе нашей кафедры учебно-просветительскому музею. Цель создания этого музея заключалась и в том, чтобы отдать историческую дань памяти ученым, работавшим в области химии нефти. Благодаря их трудам был сформирован тот уровень знаний, который является отправной точкой изложения этой дисциплины на настоящий момент. При этом данный музей не является собранием экспонатов, а является своеобразной действующей учебной и научной лабораторией. В экспозиции музея- лаборатории представлены образцы углеводородного сырья из различных регионов мира. Подчеркнем значимость этой экспозиции, которая постоянно пополняется, для создания реального вышеупомянутого Банка качества нефтей. Кафедра активно сотрудничает с рядом коммерческих фирм: «Химеко- ГАНГ», Группой Компаний «Лаверна», «Люмэкс». Формы сотрудничества многообразны: обеспечение практикума по химии нефти лабораторным оборудованием и химическими реагентами, предоставление приборов во временное пользование, информационная поддержка, проведение учебных занятий в научных лабораториях фирм и т.д. Кафедра выражает большую признательность руководству и коллективам этих фирм, которые придают важное значение современной организации учебного процесса и видят перспективы взаимного сотрудничества в области подготовки высококвалифицированных кадров для нефтяной отрасли. 10 ГЛАВА 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕФТЯНЫХ СИСТЕМАХ Сначала Вы берете факты, а потом меняете их как Вам угодно. М. Твен Предметом исследования химии нефти являются различные типы углеводородного сырья, относящиеся к невозобновляемым источникам энергии в отличие от возобновляемых таких, как энергия солнца, ветра и растительного сырья. Прежде чем изучать состав и физико-химические свойства этих уникальных природных объектов - нефтей и других углеводородных систем, бегло ознакомимся с представлениями из других областей знания об исследуемом предмете. 1.1. Общие данные об углеводородном сырье Краткий экскурс в историю ранних упоминаний о нефти и ее использовании. Нефть известна человечеству более 4 тысяч лет до н.э. Уже в древних рукописях описываются вечные огни и храмы огнепоклонников (как мы сейчас знаем, в местах выхода нефтяного газа на дневную поверхность). Из колодцев добывали вместо воды жидкость, возгорающуюся при соприкосновении с горячими камнями, этому событию придавали мистический характер. Видимо, с этим явлением связан известный на востоке обычай очищения огнем. Нефть использовали в военных целях. Смесь нефти, серы и селитры, вызывавшую возгорание кораблей, называли греческим огнем (напалм древности). Нефть применяли как вяжущий и гидроизоляционный материал при строительстве дорог, акведуков и других сооружений. Издавна нефть использовали в медицинских целях (для заживления ран) и для освещения жилищ. В наши дни известен курорт Нафталан (Азербайджан), где больных лечат нафталанской нефтью.
