Лекции+химия+нефти+и+газа. Конспект лекций Химия нефти и газа
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
К  раткий конспект лекций «Химия нефти и газа» Казахстанско-Британский технический университет Краткий конспект лекций по курсу Химия нефти и газа Алматы 2010Алматы 2010 Лекция 1Тема: Развитие нефтегазовой отрасли в мире и Казахстане. Элементный состав нефтей Доказанные мировые запасы нефти составляют около 140 млрд. т. Наибольшая часть мировых запасов - около 64% - приходится на Ближний и Средний Восток. Второе место занимает Америка, на долю которой приходится около 15%. Самые богатые нефтью страны - Саудовская Аравия (25% от доказанных мировых запасов), Ирак (10,8%), ОАЭ (9,3%), Кувейт (9,2%), Иран (8,6%) и Венесуэла (7,3%) - все они являются членами ОПЕК, на долю которого приходится около 78% от мировых запасов. Доказанные запасы стран СНГ, включая Казахстан, - около 6% от мировых, США - около 3%, Норвегии - около 1%. Крупнейшие нефтяные месторождения мира представлены в таблице 1:
 Лекция 2Тема: Углеводороды нефти и газа В нефти присутствуют углеводороды, образующиеся на различных этапах геохимической истории органического вещества. Химический или групповой состав нефти характеризуется группами углеводородов, присутствующих во всех нефтях. Как правило, это следующие группы соединений:
 Молекулярный состав нефтиНизкомолекулярная часть нефти 1. Парафины ( алканы) СnH2n+2 – (предельные, насыщенные углеводороды, алканы) химически наиболее устойчивы. При атмосферном давлении алканы с числом атомов углерода: С1 - С4 - газообразные, С5 - С16 - жидкости, С16 - твердые вещества. 2. Нафтены - циклические соединения, содержащие, как правило, больше 4-х атомов углерода. В основном в нефтях содержатся циклопентан С5Н10 , циклогексан С6Н12 и их гомологи (от 25 до 75%) . Среднемолекулярная часть нефти3. Арены (ароматические углеводороды) : СnH2n-6- моноциклические ароматические углеводороды , СnH2n-8 - бициклические смешанные углеводороды, СnH2n-12 - бициклические ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти4. Сложные арены - сложные полициклические ароматические углеводороды с тремя, четырьмя и пятью конденсированными бензольными кольцами, многие сложные арены имеют гибридный характер. 5. Асфальты и смолы - наиболее высокомолекулярные соединения , в состав которых одновременно входят все составные части нефти, почти не отличаются от тяжелых остатков нефтепереработки. Асфальтены растворяются в бензине, смолы – не растворяются. Лекция 3Тема: Углеводороды, образующиеся при переработке нефти Алкены СnH2n ненасыщенные углеводороды с двойной связью  Дегидрирование алканов  Гидрирование  Гидратация  Алкадиены:  Алкины:  sp-гибридизация углерода при тройной связи Лекция 4Тема: Химические свойства углеводородов нефти и газа Парафиновые углеводороды (алканы) с общей формулой CnH2n+2 - самые распространенные углеводороды нефти и природного газа. Они наиболее химически устойчивы. Все алканы нормального строения от СН4 до С33Н68 выделены из нефти и газа. Кроме них встречаются и разветвленные алканы в небольших количествах. Подвергаются интенсивной термической деструкции с образованием разветвленных алканов, могут образовывать как ненасыщенные, так и насыщенные УВ. В основном парафиновые углеводороды сосредоточены в нефтяных газах и бензино - керосиновых фракциях. В масляных дистиллятах их содержание резко падает до 5-20% масс. В некоторых нефтях в высококипящих фракциях парафины практически полностью отсутствуют. Нафтеновые углеводороды - циклоалканы (цикланы) с общей формулой СnН2n составляют большую часть нефти. Простейшие цикланы — циклопропан, циклобутан и их гомологи — в нефтях не обнаружены. Циклопентан и циклооктан при обычной температуре– жидкости, высшие представители – твердые вещества. По химическим свойствам циклопарафины близки парафинам. Для них характерны реакции замещения. Нафтены входят в состав всех нефтей, присутствуют во всех фракциях и по общему содержанию преобладают над остальными классами углеводородов.  Содержание аренов представлено в нефтях бензолом и его гомологами, а также производными би- и полициклических углеводородов.  Углеводороды смешанного строения представляют собой сложные полициклические арены с тремя, четырьмя и пятью конденсированными бензольными кольцами, многие сложные арены имеют гибридный характер. Понятно, что сочетание этих элементов может быть исключительно разнообразным, а число изомеров огромным. Смолисто-асфальтеновые вещества в нефтях и нефтяных остатках представляют собой сложные многокомпонентные смеси, обладающие различными полидисперсными структурами. Они концентрируются в тяжелых фракциях- мазутах, гудронах и полугудронах. Содержание смолисто-асфальтеновых веществ в нефтях зависит от их состава и может достигать до 45% и до 70% - в остатках. Смолисто-асфальтеновые вещества почти не отличаются от тяжелых остатков нефтепереработки. Лекция 5Тема: Неуглеводородные соединения нефти и газа Кислородосодержащие соединения в большинстве нефтей редко составляют больше 10%. Они представлены кислотами, эфирами, фенолами и др. Содержание кислорода в нефтяных фракциях возрастает с повышением их температуры кипения. До 90-95% кислорода приходится на смолы и асфальтены. Азотосодержащие соединения делят на две большие группы: азотистые основания и нейтральные азотистые соединения. Нейтральные азотистые соединения нефти представлены арилпроизводными пиррола и амидами кислот. С увеличением температуры кипения нефтяных фракций увеличивается содержание в них нейтральных азотистых соединений и падает содержание основных. Серосодержащие соединения неравномерно распределены в нефтях. Обычно их содержание увеличивается с повышением температуры кипения. Сера является наиболее распространенным гетероэлементом в нефтях и нефтепродуктах. В нефтях сера встречается в виде растворенной элементарной серы, сероводорода, меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и производных тиофена, а также в виде сложных соединений, содержащих одновременно атомы серы, кислорода и азота в различных сочетаниях. Минеральные соединения представлены солями , образованными металлами и кислотами, металлическими комплексами, а также коллоидно-диспергированные минеральными веществами. Элементы, входящие в состав этих веществ часто называют микроэлементами, их содержание колеблется от 2 до 10 %. В состав нефти входят многие металлы, в том числе щелочные и щелочноземельные, металлы подгруппы меди, цинка, бора, ванадия, а также типичные неметаллы. Лекция 6Тема: Содержание примесей в нефтях Нефть, получаемую непосредственно из скважин, называют сырой. При выходе из нефтяного пласта нефть содержит частицы горных пород, воду, а также растворенные в ней соли и газы. Эти примеси вызывают коррозию оборудования и серьезные затруднения при транспортировке и переработке нефтяного сырья. Таким образом, для экспорта или доставки в отдаленные от мест добычи нефтеперерабатывающие заводы необходима ее промышленная обработка: из нее удаляется вода, механические примеси, соли и твердые углеводороды, выделяется газ. Важнейшими характеристиками сырой нефти являются: плотность, содержание серы, фракционный состав, а также вязкость и содержание воды, хлористых солей и механических примесей.
Плотность . Одно из главных свойств непереработанной нефти - это ее плотность, которая зависит от содержания тяжелых углеводородов, таких как парафины и смолы. Для ее выражения используется как относительная плотность, выраженная в г/см3, так и плотность, выраженная в единицах Американского института нефти - API, измеряемая в градусах. Относительная плотность = масса соединения / масса воды, API = (141,5/ относительная плотность) - 131,5, Содержание серы. Соединения серы в составе нефти, как правило, являются вредной примесью. Они токсичны, имеют неприятный запах, способствуют отложению смол, в соединениях с водой вызывают интенсивную коррозию металла. Особенно в этом отношении опасны сероводород и меркаптаны. Они обладают высокой коррозийной способностью, разрушают цветные металлы и железо. Поэтому их присутствие в товарной нефти недопустимо. Содержание воды. При добыче и переработке нефть дважды смешивается с водой: при выходе с большой скоростью из скважины вместе с сопутствующей ей пластовой водой и в процессе обессоливания, т.е. промывки пресной водой для удаления хлористых солей. В нефти и нефтепродуктах вода может содержаться как в виде простой взвеси, тогда она легко отстаивается при хранении, так и в виде стойкой эмульсии, тогда приходится прибегать к специальным методам обезвоживания. Содержание механических примесей. Присутствие механических примесей в нефти объясняется условиями ее залегания и способами добычи. Механические примеси состоят из частиц песка, глины и других твердых пород, которые, оседая на поверхности воды, способствуют образованию нефтяной эмульсии. Лекция 7Тема: Свойства нефти и нефтепродуктов Вязкость. Различают динамическую(абсолютную), кинематическую и относительную вязкость нефти. Динамическая вязкость выражается величиной сопротивления в Па к взаимному перемещению двух слоев жидкости с поверхностью 1 м2, при относительной скорости перемещения 1 м/с под действием приложенной силы в 1Н. По динамической вязкости расчетным путем определяют значения рациональных дебитов скважин. Кинематическая вязкость представляет собой отношение динамической вязкости к ее плотности при той же температуре. Единица кинематической вязкости в СИ — м2/с. Данные о кинематической вязкости используются в технологических расчетах. Относительная вязкость выражается отношением абсолютной вязкости нефти к вязкости воды. Молярная масса ( М.М.) используется для анализа группового состава. Зависимость Б.П. Воинова: М = a + bt + ct2 где t – средняя молекулярная температуру кипения фракции, а,в,с - коэффициенты. Для характеристики температурных свойств нефтепродуктов введены такие показатели как – нижний и верхний пределы взрываемости, температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения и температура помутнения. Температура кипения. Температура кипения углеводорода зависит от его строения. Чем больше атомов углерода входит в состав молекулы, тем выше температура кипения. Температура застывания и плавления. Температура застывания и плавления различных видов нефти неодинакова. Обычно нефти в природе в жидком состоянии , однако некоторые из них загустевают при незначительном охлаждении. Лекция 8Тема: Классификация нефтей. Октановое число
В отличие от ранее действующих технических нормативов в новом ГОСТ впервые предусмотрено определение хлорорганических соединений, сероводорода и легких меркаптанов. Если по одному из показателей нефть относится к группе с меньшим номером, а по другому - к группе с большим номером, то нефть признают соответствующей группе с большим номером. Структура условного обозначения нефти ( ГОСТ Р 51858-2002)      Нефть Х Х Х Х Х      Класс Тип Группа Вид Обозначение настоящего стандарта Октановое число определяет меру устойчивости топлива к преждевременному возгоранию в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) или его детонационную стойкость. Детонация – это самопроизвольное воспламенение топливовоздушной смеси, которое нарушает правильный ход процесса сгорания, что приводит к падению мощности и повышению токсичности отработавших газов. Установлено, что при прочих одинаковых условиях наибольшей склонностью к детонации отличается н-гептан, а наименьшей—2,2,4-триметилпентан (изооктан).Эти углеводороды и были приняты в качестве эталонных при определении октанового числа. Принято, что октановое число изооктана равно 100, а н-гептана равно–0. В настоящее время пользуются всеми перечисленными путями. Основные особенности детонационных характеристик отдельных групп углеводородов, входящих в состав бензинов таковы: Алканы нормального строения: начиная с пентана углеводороды этого ряда характеризуются очень низким октановым числом, причём чем выше их молекулярная масса, тем октановые числа ниже. Существует почти линейная зависимость от их молекулярной массы. Алканы разветвлённого строения: разветвление молекул предельного ряда резко повышает их детонационную стойкость, так у октана октановое число 20, а у 2,2,4 – триметилпентана (изооктана) 100. Алкены: появление двойной связи в молекуле углеводородов нормального строения вызывает значительное повышение детонационной стойкости, по сравнению с соответствующими предельными углеводородами. Циклоалканы: первые представители рядов циклопентана и циклогексана обладают хорошей детонационной стойкостью, особенно это относится к циклопентану. Эти углеводороды являются ценными составными частями бензина. Наличие боковых цепей нормального строения как у циклопентановых, так и циклогексановых углеводородов приводит к снижению их октанового числа. Арены: почти все простейшие арены ряда бензола имеют октановые числа около 100 и выше. Арены и ароматизированные бензины наряду с разветвленными алканами - лучшие компоненты высокооктановых бензинов. Лекция 9 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||