Экзамен химия нефти и газа. Химический элементный состав нефтей
 Скачать 38.74 Kb.
|
|
Вопрос 1 Химический элементный состав нефтей. Основными элементами входящими в состав нефти, являются углерод и водород. В большинстве нефтей содержание углерода колеблются от 83 до 87%, содержание водорода редко превышает 12-14%. Так же в составе нефти могут содержаться органические соединения других классов содержащие азот, серу и кислород. В нефти в очень малых количествах присутствуют и другие элементы, главным образом металлы: ванадий, хром, никель, железо, кобальт, магний, титан, натрий, кальций, германий, фосфор и кремний. С элементным составом нефти тесно связана одна из ее основных характеристик – плотность. Чем легче нефть, тем она при прочих различных условиях содержит меньше углерода и больше водорода, и наоборот. Элементный состав нефти определяется обычными методами анализа органических соединений. Вопрос 2 Химическая классификация нефтей. Основные принципы технологической классификации. Нефти подразделяют на: • по содержанию серы в нефти (малосернистые, сернистые и высокосернистые); • по потенциальному содержанию фракций, перегоняющихся до 350 °С (легкая, средняя тяжелая) • 4 группы по потенциальному содержанию базовых масел (М1-М4); • 4 подгруппы по качеству базовых масел, оцениваемому индексом вязкости (И1-И4); • 3 вида по содержанию парафинов (малопарафинистая, парафинистая, высокопарафинистая). Техническая классификация По ГОСТ России Р 51858–2002 нефть подразделяют: • По содержанию общей серы на четыре класса (1–4); • По плотности при 20 °С на пять типов (0–4); • По содержанию воды и хлористых солей на 3 группы (1–3); • По содержанию сероводорода и легких меркаптанов на 3 вида (1–3). Вопрос 3 Основные гипотезы происхождения нефтей Происхождение нефти: Органическое (Остатки животных и растительных организмов под воздействием при высокой температуре и давлении разлагаются. В результате разложения органических остатков образуются углеводороды как основная часть нефти и газа) Неорганическое (углеводороды могут образовываться в недрах земли при воздействии перегретого водяного пара на карбиды тяжелых металлов под действием высоких температур и давлений. Во время горных процессов по трещинам-разломам в земную в земную кору поступает вглубь вода, которая на своем пути встречает карбиды железа и вступает с ними в реакцию. В результате реакций образуются окислы железа и в виде паров - углеводороды. Образовавшиеся углеводороды по тем же трещинам поднимаются в верхние слои земной коры и по проницаемым породам (песчаники известняки и др.) перемещаются к местам образования нефтяных залежей) Вопрос 4 Основные физико-химические свойства нефтей. Плотность и молекулярная масса. Плотность – это масса вещества, приходящаяся на единицу объема. Так как нефть в основном состоит из углеводородов, значение её плотности и плотности её фракций, как правило, меньше единицы. Молекулярная масса - эта характеристика нефти и нефтепродуктов имеет только усредненное значение, которое зависит от их состава и соотношения их компонентов. Первый жидкий углеводород – пентан, имеет значение молекулярного веса 72, а смолистые вещества – от полутора до двух тысяч условных единиц. Как правило, большинство нефтей имеют значение этого параметра в диапазоне от 250-ти до 300-т условных единиц. Вопрос 5 Вязкость нефтей и нефтепродуктов. Виды вязкости. Методы их определения. Вязкость - динамической вязкости – сопротивление, оказываемое жидкостью в случае относительного перемещения двух слоев. Кинематическая вязкость является величиной, которая получается делением значения динамической вязкости на плотности продукта (при одинаковых температурах измерения). Определение вязкости нефти: Стеклянные вискозиметры Вопрос 6 Основные теплофизические свойства нефтей и нефтепродуктов. Температура_самовоспламенения'>Температура_воспламенения'>Температура_вспышки'>Температура вспышки - при этой температуре пары нагреваемого в стандартных условиях нефтепродукта образуют с атмосферным воздухом смесь, которая вспыхивает при наличии источника пламени. Температура воспламенения - при этом температурном значении нагреваемый нефтепродукт не только загорается от пламени, но и продолжает гореть не меньше 5-ти секунд. Температура самовоспламенения - при ней нагреваемый нефтепродукт, находясь в контакте с атмосферным воздухом, вспыхивает самостоятельно, без внешнего источника пламени. Температура застывания - характеризует потерю текучести при низкой температуре. Теплота конденсации – количество тепла, выделяющееся при конденсации пара в жидкость при той же температуре и численно равное скрытой теплоте испарения. Температура кристаллизации – температура, при которой начинается выпадение углеводородов (в основном парафина), сопровождающееся помутнением нефтепродукта и изменением его вязкостных характеристик. Вопрос 7 Основные группы химических соединений в составе нефтей и нефтепродуктов. Представление о фракционном составе нефтей и продуктов ее разделения. В нефти и некоторых ее производных присутствуют три основные группы углеводородов. Парафиновые (метановые) углеводороды, или алканы. СnH2n+2 Нафтеновые (полиметиленовые) углеводороды, или цикланы. СnH2n Ароматические углеводороды (арены). СnH2n-6 В процессе перегонки на нефтеперерабатывающих заводах при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части — фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания. Фракционный состав нефти: Бензиновая фракция (от начала кипения до 180) лигроиновая фракция - 140—180°С керосиновая фракция- 180—220°С дизельная фракция - 220—350°С. Вопрос 8 Алканы в составе нефтей. Основные физические и физико-химические свойства алканов в составе нефтей Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50% (об.), а в некоторых нефтях оно достигает 50-70%. Однако есть нефти, в которых содержание алканов составляет всего 10-15%. Лёгкие фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. Химические свойства алканов: Галогенирование При взаимодействии алканов с хлором и бромом при действии УФ-излучения или высокой температуры образуется смесь продуктов от моно- до полигалогензамещенных алканов Нитрование (реакция Коновалова) . При действии разбавленной азотной кислоты на алканы при 140^{\circ}С и небольшом давлении протекает радикальная реакция. Сульфохлорирование и сульфоокисление. Прямое сульфирование алканов протекает с трудом и чаще всего сопровождается окислением, в результате чего образуются алкансульфонилхлориды. Крекинг – радикальный разрыв связей С-С. Протекает при нагревании и в присутствии катализаторов. При крекинге высших алканов образуются алкены, при крекинге метана и этана образуется ацетилен. Окисление. При мягком окислении метана кислородом воздуха могут быть получены метанол, муравьиный альдегид или муравьиная кислота. На воздухе алканы сгорают до углекислого газа и воды Физические свойства алканов: С1-С4 – газы, С5-С17 – жидкости, начиная с С18 – твердые вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но, хорошо растворимы в неполярных растворителях, например, в бензоле. Вопрос 9. Химические реакции с участием алканов, входящих в состав нефтей и нефтепродуктов. Основные области их применения. Химические реакции с участием алканов: Реакции замещения (галогенирование, нитрование, сульфирование) Реакция окисления (горение, каталитическое окисление) Реакция разложения (крекинг, пиролиз, конверсия метана) Реакции отщепления (дегидрирование, молекулярное дегидрирование, ароматизация) Реакции перегруппировки (изомеризация) Области применения алканов: Энергетическая промышленность Химическая промышленность Косметология Строительство Бумажно-целлюлозная промышленность Пищевая промышленность. Вопрос 10 Циклоалканы в составе нефтей и нефтепродуктов. Классификация, физические и физико-химические свойства. Циклоалканы (нафтены, цикланы) определяют особое место нефтей в ряду природных органических соединений; их массовое содержание в нефтях колеблется от 25 до 75,%. Циклоалканы присутствуют во всех фракциях. Их содержание обычно растет по мере утяжеления фракций, и только в наиболее высококипящих масляных фракциях оно падает за счет увеличения содержания ароматических структур. Особенно богаты циклоалканами бакинские и эмбенские нефти — 40— 60 %, а в отдельных фракциях до 60—80 % в расчете на нефть. В нефтях восточных районов России их значительно меньше. Классификация циклоалканов: · малые циклы (3–4 атома углерода), · средние циклы (5–7 атомов углерода), · макроциклы (8 атомов углерода и более). Физические свойства. Циклопропан и циклобутан – газы, циклопентан и циклогексан – жидкости (они входят в состав некоторых сортов нефти, отсюда еще одно их название – нафтены), высшие циклоалканы – твердые вещества. Температуры кипения и плавления циклоалканов выше, чем у соответствующих алканов. Это связано с более плотной упаковкой и более сильными межмолекулярными взаимодействиями циклических структур. Циклоалканы в воде практически не растворимы, однако растворимы в органических растворителях. Вопрос 11 Химические свойства циклоалканов. Основные области их применения. Химические свойства циклоалканов сильно зависят от размера цикла, определяющего его устойчивость. Трех- и четырехчленные циклы (малые циклы), являются насыщенными, но, несмотря на это резко отличаются от всех остальных предельных углеводородов. Валентные углы в циклопропане и циклобутане значительно меньше нормального тетраэдрического угла. Наиболее устойчивыми являются 6-членные циклы, в которых отсутствуют угловое и другие виды напряжения. В циклах (начиная с С5) угловое напряжение снимается благодаря неплоскому строению молекул. Области применения циклоалканов: Циклопропан используется в медицинской практике в качестве ингаляционного анестезирующего средства. Циклопентан используется в органическом синтезе и как добавка к моторному топливу для повышения качества. Циклогексан используется для синтеза полупродуктов при производстве синтетических волокон нейлона и капрона, для получения циклогексанола, циклогексанона, адипиновой кислоты, а также в качестве растворителя. В нефтехимической промышленности нафтены используются для получения ароматических углеводородов путем каталитического крекинга. Вопрос 12 Непредельные углеводороды, как один из компонентов продуктов переработки нефтей. Классификация, изомерия, физические и химические свойства. Существует две группы процессов получения непредельных соединений из нефти: процессы, в которых они являются побочными продуктами, и специальные, направленные на их максимальную выработку. К первой группе относят термический и каталитический крекинг, риформинг и коксование нефтяных остатков, основное назначение которых — производство топлив и нефтяного кокса. Вторая группа включает пиролиз, полимеризацию низкомолекулярных алкенов, дегидрирование алканов и синтез высших алкенов в присутствии металлорганических катализаторов. Классификация непредельных углеводородов: Алкены Алкины Алкадиены Изомерия непредельных углеводородов: Изомерия углеродного скелета Изомерия положения кратной связи Межклассовая изомерия Физические свойства непредельных углеводородов: Бесцветное вещество С ростом углеводородного скелета возрастает температура кипения и плавления С2-С4 – газы, С5-С15 – жидкости, С16 - … твердые вещества Изомеры разветвленного строения имеют температуры плавления и кипения выше, чем изомеры линейного строения Химические свойства непредельных углеводородов: Галогенирование Реакция замещения Вопрос 13 Арены в составе нефтей и нефтепродуктов. Физические и химические свойства, классификация, изомерия. Арены – с формулой CnH2n-6 – содержися в нефтях обычно в меньших количествах (15-50%), чем алканы и цикланы, и представлены гомологами бензола в бензиновых фракциях. Распределение их по фракциям различно и зависит от степени ароматизированности нефти, выражающееся ее плотности. Физические свойства:Бензол и его ближайшие гомологи – бесцветные жидкие вещества, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющихся во многих органических жидкостях. Легче воды. Огнеопасны. Бензол токсичен. Химические свойства Первое химическое свойство – галогенирование. Замещение атома водорода на атом галогена – хлора или брома. Второе свойство – нитрование бензола, введение нитрогруппы в бензольное кольцо. Третье свойство – алкилирование бензола галогеналканами. Пятое свойство – гидрирование, присоединение водорода Классификация аренов: Одноядерные (бензол и его гамологи) Многоядерные (1. С конденсированными кольцами. 2. С разобщенными кольцами) Изомерия аренов: Изомерия числа и строения заместителей Изомерия положения заместителя (орто-, мета-, пара изомерия) Вопрос 14 Понятие о гетероатомных соединениях в составе нефтей. Кислородсодержащие соединения, состав, свойства, способы их удаления и использования. К гетероатомным соединениям относят органические соединения, в состав которых, кроме углерода и водорода, входят в больших или меньших количествах кислород, сера и азот. Несмотря на то, что по данным элементного анализа суммарное содержание гетероатомов в нефти не велико, сами гетероорганические соединения могут доставлять до 20 % масс. от сырой нефти. Кислородсодержащие соединения содержаться в нефтяных системах от 0,1-1,0 до 3,6 % (масс.). С повышением температуры кипения дистиллятных фракций содержание их возрастает, причем основная часть кислорода сосредоточена в смолоасфальтеновых веществах. В составе нефтей и дистиллятов содержится до 20 % и более кислородсодержащих соединений. Вопрос 15 Серосодержащие соединения в составе нефтей и нефтепродуктов. Химический состав, свойства. Способы их удаления Содержание сернистых соединений в нефтях колеблется в широких пределах — от следовых количеств до 7 % маcc. Насчитывается более 200 различных сернистых соединений, найденных и идентифицированных в нефтях. В основном сера в нефти содержится в виде: элементной серы, сероводорода, меркаптанов, сульфидов (тиоэфиры) и дисульфидов (дитиоэфиры), циклических соединений и их гомологов. Удаление серосодержащих соединений из нефти: • Обработка щелочью. • Гидрогенизация. В циклических сульфидах, например, тиофане, вначале разрывается кольцо, затем отщепляется сероводород. Вопрос 16 Азотсодержащие соединения в составе нефтей и нефтепродуктов. Химический состав, свойства. Большая часть азота сосредоточена в смолистых веществах, но встречается и в виде аминогрупп ароматического или алифатического характера. Азотистые соединения нефтей подразделяют на две основные группы: азотистые основания и «нейтральные» (слабоосновные) соединения. Азотсодержащие соединения • Алифатические и ароматические амины • Гетероароматические соединения (производные пиридина, пиролла) Вопрос 17 Понятие смолисто-асфальтеновых соединений в составе нефтей. Смолы, химический состав, структура и свойства. В группу гетероатомных соединений нефти включают смолисто-асфальтеновые вещества, содержащие в себе все гетероатомы нефти: кислород, азот и серу. Суммарно содержание в них гетероатомов достигает 14 % масс. Гудрон, получаемый после отгонки из нефти светлых фракций и масляных дистиллятов, состоит из смолисто-асфальтеновых соединений. В составе этих соединений различают смолы и асфальтены. Смолы — это конденсированные циклические соединения с длинными алифатическими боковыми цепями. Густые вязкие вещества бурого цвета. Их плотность больше воды (1,1 г/см3), и молекулярная масса колеблется в пределах 600—700 кг/кмоль. Вопрос 18 Классификация нефтей по содержанию САВ. Асфальтены, химический состав и свойства. Области применения асфальтенов. Классификация нефтей по содержанию САВ: Малосмолистые (менее 5%) Смолистые (5-15%) Высокосмолистые (выше 15%) Химический состав асфальтенов: В состав молекулы асфальтена входят фрагменты гетероциклических, алициклические, конденсированных углеводородов, состоящие из 5-8 циклов. Крупные фрагменты молекул связаны между собой мостиками, содержащими метиленовые группы и гетероатомы. Наиболее характерные заместители в циклах – алкилы с небольшим количеством углеродных атомов и функциональных группы, например, карбонильная, карбоксильная, меркаптогруппа. Химические свойства асфальтенов: В отличии от смол обладают меньшей растворимостью. Растворимы в ароматических углеводородах, бензоле, толуоле, CS2, CHCl3, CCl4, не растворимы в парафиновых углеводородах, спирте, эфире, ацетоне. Асфальтены — вулканизующие агенты, ингибиторы коррозии и радикальных реакций, наполнители композиционных полимерных материалов, сырьё для получения V и Ni. В составе гудронов и битумов используются для создания дорожных покрытий, изготовления гидроизоляционных материалов, кровельных изделий и др. Вопрос 19 Основные промышленные способы термической переработки нефтей. Пиролиз, основные реакции различных групп соединений в составе нефтей при пиролизе. Основные промышленные способы термической переработки нефтей: Термический крекинг Висбрекинг Пиролиз. Коксование Пиролиз. Основное назначение процесса пиролиза углеводородного сырья — получение низших алкенов. Процесс проводят при 800—900 °С под давлением, близким к атмосферному. Для снижения парциального давления углеводородов сырье обычно разбавляют водяным паром. Вопрос 20 Термический и каталитический крекинг, как один из основных способов переработки нефтей и нефтепродуктов. Термический крекинг - высокотемпературная переработка нефти и ее тяжелых фракций с целью получения продуктов с более короткой углеводородной цепью и меньшей молекулярной массой. Из-за возросших требований к качеству моторного топлива к 60-м годам он был полностью вытеснен каталитическим крекингом. Каталитический крекинг — термохимическая переработка нефтяных фракций в присутствии катализатора с целью получения компонента высокооктанового бензина, легкого газойля и непредельных газов Вопрос 21 Риформинг в переработке нефтей и нефтепродуктов. Основные реакции и продукты Риформинг – вторичная переработка нефти бензина, получаемого при перегонке нефти, не хватает для покрытия всех нужд. В лучшем случае из нефти удается получить до 20% бензина, остальное – высококипящие продукты. Основные реакции риформинга: Дегидрирование Дегидроциклизация Изомеризация Дегидроизомеризация Гидрогенолиз Гидрокрекинг Вопрос 22 Гидрогенизационные процессы в переработке нефтей. Основные области применения и химические процессы. К гидрогенизационным обычно относят следующие процессы: гидрокрекинг, гидрирование, гидродеароматизацию, гидродепарафинизацию и гидроочистку нефтяных фракций. Важной областью применения гидрогенизационных процессов является удаление азотистых соединений из бензино-лигроиновых фракций, средних дистиллятов и газойля - сырья для каталитического крекинга. химические гидрогенизационные процессы: Гидроочистка Реакции кислородных и азотистых соединений Реакции углеводородов. Вопрос 23 Основные способы химической и физико-химической очистки нефтепродуктов К химическим методам очистки принадлежат: очистка серной кислотой (Сернокислотная очистка, один из наиболее старых методов очистки нефтепродуктов, заключается в том, что продукт смешивают с небольшим количеством серной кислоты (90-93% H2SO4) при обычной температуре. Серная кислота не реагирует на холоду с парафиновыми и нафтеновыми углеводородами, медленно реагирует с ароматическими углеводородами, образует с олефинами эфиры серной кислоты и продукты полимеризации и дает различные соединения со смолами и асфальтами. Диолефины в присутствии серной кислоты полимеризуются и осмоляются. В результате обработки нефтепродуктов серной кислотой получается так называемый кислый гудрон, который отделяется от очищенного продукта. Очищенный продукт для удаления из него серной и других кислот промывается щелочью. Кислый гудрон, являющийся отходом, может быть использован для производства серной кислоты.) и гидроочистка (Гидроочистка получает в последнее время значительное распространение Она заключается в воздействии водорода на очищаемый продукт в присутствии катализаторов при температуре 250-420 °С, давлении от 3 до 70 атомов. При гидроочистке водород взаимодействует с сернистыми, азотистыми и кислородсодержащими соединениями, образуя сероводород, аммиак и воду, легко удаляемые из очищаемого продукта. Одновременно происходит гидрирование диенов, что улучшает стабильность продукта, уменьшает смолообразование при хранении. Внедрение гидроочистки позволяет использовать высокосернистые нефти для получения нефтепродуктов.) к физико-химическим методам - адсорбционные (Адсорбционный метод очистки заключается в том, что нефтепродукты приводятся в соприкосновение с адсорбентами - так называемыми отбеливающими глинами. Отбеливающие глины адсорбируют сернистые, кислородсодержащие, азотистые соединения, асфальты и смолы. При очистке бензинов происходит полимеризация углеводородов. По степени адсорбции углеводороды располагаются в такой последовательности: диолефины - олефины - ароматические - нафтеновые - парафиновые. Таким образом, в первую очередь будут адсорбироваться легкополимеризующиеся углеводороды, которые и должны быть удалены из очищаемого нефтепродукта) и абсорбционные способы очистки (Абсорбционные методы очистки заключаются в избирательном (селективном) растворении вредных компонентов нефтепродуктов. В качестве избирательных растворителей используются нитробензол, фурфурол, жидкий сернистый ангидрид, дихлорэтиловый эфир и другие. Этот метод нашел распространение при очистке масел, причем следует отметить высокое качество получаемых продуктов.) |