ТОХППЭ. Вопросы к экзамену по дисциплине теоретические основы химической переработки природных энергоносителей
 Скачать 0.59 Mb.
|
|
ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ» 2021 Химическая классификация нефти. Влияние химического состава бензинов на их детонационные свойства Эксплуатационные и экологические требования к современным бензинам. Эксплуатационные и экологические требования к современным дизельным топливам. Влияние химического состава дизельных фракций на их эксплуатационные свойства Влияние химического состава керосиновых фракций на их эксплуатационные свойства Влияние химического состава масляных фракций на их эксплуатационные свойства Методы выделения и идентификации олефинов, ароматических, нафтеновых и парафиновых углеводородов нефти. Понятия группового, элементного, структурно-группового состава нефтепродуктов Алканы. Содержание в нефтяных фракциях, строение (нормальные, изо-строения, изопреноидные); агрегатное состояние (газообразные, жидкие, твердые); физические и химические свойства. Влияние на эксплуатационные свойства нефтепродуктов. Ароматические углеводороды (арены): закономерности их распределения по фракциям нефти. Строение (моноциклические, бициклические, три-, тетра- и др. полициклические арены). Физические и химические свойства аренов. Влияние на эксплуатационные свойства нефтепродуктов. Нафтены. Содержание в нефтяных фракциях, строение (трех-, четырех-, пяти-, шести-членные циклы; моно-, би-, трициклические и др.), свойства, распределение по фракциям. Влияние на свойства нефтепродуктов. Гибридные углеводороды. Непредельные углеводороды (алкены, диены), образующиеся при переработке нефти. Физические и химические свойства. Влияние на свойства нефтепродуктов. Углеводороды, идентифицированные в прямогонных бензинах. Анализ группового состава прямогонных бензинов Химические методы выделения и идентификации углеводородов и гетероатомных соединений Физико-химические и физические методы выделения и идентификации компонентов нефти (фракционирование, кристаллизация, экстракция, адсорбция, разделение на мембранах и др.). Хроматографические методы анализа углеводородов. Спектральные методы анализа и идентификации компонентов нефти и нефтепродуктов Углеводороды смешанного (гибридного) строения. Типы углеводородов. Влияние углеводородов смешанного строения на свойства нефтепродуктов Смолисто-асфальтеновые вещества нефти и продуктов переработки, их классификация. Элементный состав, структура. Влияние САВ на эксплуатационные свойства нефтепродуктов. Минеральные компоненты нефти. Их состав, возможность выделения и перспективы практического использования. Сернистые соединения нефти, их разновидности, физические и химические свойства. Влияние сернистых соединений на свойства нефтепродуктов и протекание процессов нефтепереработки. Методы качественного и количественного анализа сернистых соединений.. Азотистые соединения нефтей. Типы азотистых соединений. Влияние азотистых соединений на свойства нефтепродуктов и протекание процессов нефтепереработки. Кислородсодержащие соединения нефти, их разновидности. Нефтяные кислоты, их физические и химические свойства. Влияние кислородсодержащих соединений на свойства нефтепродуктов и протекание процессов нефтепереработки. Анализ структурно-группового состава масел, способы выражения результатов анализа. Смолы и асфальтены: физические и химические свойства, состав. Влияние на свойства и хранение нефтепродуктов. Определение группового состава тяжелых нефтяных фракций адсорбционными методами. Межмолекулярные взаимодействия САВ. Физические модели строения асфальтенов (модель Йена, фрактальная модель). Влияние САВ на свойства нефтепродуктов. Классические и современные методы анализа смолисто-асфальтеновых веществ. Типы межмолекулярных взаимодействий компонентов нефти. Примеры проявления эффекта межмолекулярного взаимодействия углеводородов или других соединений, содержащихся в нефти и нефтяных фракциях Сущность термических процессов переработки нефти, примеры и перспективы развития. Сущность гомолитического и гетеролитического распада связи. Привести примеры Реакции, характерные для радикалов углеводородов в термических процессах Образование нефтяного кокса в жидкофазных термических процессах: исходные вещества, механизм реакций. Общие сведения о катализе и катализаторах. Энергетика и химическая природа катализа. Требования к промышленным катализаторам. Примеры каталитических процессов в нефтепереработке Механизм действия катализаторов окислительно-восстановительного типа. В каких промышленных процессах они применяются? Сущность кислотного катализа. Примеры промышленных процессов, в которых применяется кислотный катализ Способы образования карбкатионов в каталитических процессах (роль кислот Льюиса и Бренстеда) Стадии каталитических реакций (это 42 вопрос!) 1. Химическая классификация нефти Химическая классификация связана с преобладанием УВ того или иного класса. Точная классификация может быть дана лишь для фракции кипящих ниже 300°С. Средняя нефть содержит примерно: Парафины - 40% Нафтены - 40% Ароматические УВ -20% За основу данной классификации взято преимущественное содержание в нефти одного или нескольких классов углеводородов. Состав нефти определяют по средним фракциям нефти, так как они полнее отвечают её реальному составу. Различают следующие типы нефти по содержанию углеводородов: -парафиновые, -парафино-нафтеновые, -нафтеновые, -нафтено-ароматические, -парафино-нафтено-ароматические. - В парафиновых нефтях (узеньская, жетыбайская) все фракции содержат значительное количество алканов: бензиновые — не менее 50 %, а масляные — 20 % и более. В парафино-нафтеновых нефтях и их фракциях преобладают алканы и циклоалканы, содержание аренов мало (нефти Западной Сибири). Для нафтеновых нефтей характерно высокое (до 60 % и более) содержание циклоалканов во всех фракциях (балаханская и сураханская нефти). В нафтено-ароматических нефтях преобладают нафтены и арены, особенно в высококипящих фракциях, парафиновые углеводороды содержатся в небольшом количестве и только в легких фракциях. Парафино-нафтено-ароматические нефти характеризуются примерно равным количеством углеводородов всех трех классов. Ароматические нефти отличаются преобладанием аренов во всех фракциях ( прорвинская и бугурусланская нефти). Следует иметь в виду, что с ростом темп. кипения фракции различия эти снижаются и групповой состав всех нефтей сближается. 2. Влияние химического состава бензинов на их детонационные свойства Детонацией называется особый ненормальный характер сгорания топлива в двигателе, при этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает нормально с обычной скоростью. Детонация — явление очень вредное. На детонационных режимах мощность двигателя падает, удельный расход топлива возрастает, работа двигателя становится жесткой и неровной. Кроме того, детонация вызывает прогорание и коробление поршней и выхлопных клапанов, перегрев и выход из строя элекрических свечей и другие неполадки. Износ двигателя ускоряется, а межремонтные сроки укорачиваются. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях. Октановым числом называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная объемной доле (в %) изооктана (2,2,4-три-метилпентана) в его смеси с гептаном, эквивалентной по детонационной стойкости испытуемому топливу при стандартных условиях испытания. Изучение детонационной стойкости индивидуальных углеводородов позволило установить зависимость этого важного свойства от химического строения углеводородов и имело большое значение для подбора и создания различных сортов горючего для разнообразных двигателей. Алканы нормального строения. Начиная с пентана, углеводороды этого ряда характеризуются очень низкими октановыми числами, причем чем выше их молекулярная масса, тем октановые числа ниже. Существует почти линейная зависимость ДС от молекулярной массы. Алканы разветвленного строения. Разветвление молекул предельного ряда резко повышает их ДС. Так, у октана октановое число — 20, ау 2,2,4-три-метилпентана — 100. Наибольшие октановые числа отмечаются для изомеров с парными метальными группами у одного углеродного атома (неогексан, триптан, эталонный изооктан), а также у других триметильных изомеров октана. Благодаря высоким антидетонационным свойствам изоалканы С5—Сз —весьма желательные компоненты бензинов. Алкены. Появление двойной связи в молекуле углеводородов нормального строения вызывает значительное повышение ДС по сравнению с соответствующими предельными углеводородами. Циклоалканы (нафтены). Первые представители рядов циклопентана и циклогексана обладают хорошей ДС, особенно это относится к циклопентану. Их приемистость к ТЭС также достаточно высока. Эти углеводороды являются ценными составными частями бензинов. Наличие боковых цепей нормального строения в молекулах как циклопентановых, так и циклогексановых углеводородов приводит к снижению их октанового числа. При этом чем длиннее цепь, тем ниже октановые числа. Разветвление боковых цепей и увеличение их количества повышают ДС циклоалканов. Арены (ароматические углеводороды). Почти все простейшие арены ряда бензола имеют октановые числа около 100 и выше. Арены и ароматизированные бензины наряду с разветвленными алканами — лучшие компоненты высокосортных бензинов. Однако содержание аренов в бензинах следует ограничивать примерно до 40-50%. Чрезмерно ароматизированное топливо повышает общую температуру сгорания, что влечет за собой увеличение теплонапряженности двигателя, а также может вызвать так называемое калильное зажигание — самопроизвольное воспламенение рабочей смеси за счет раскаленных частичек нагара. Это очень вредное явление, которое может вызвать аварийное повреждение двигателя. 3. Эксплуатационные и экологические требования к современным бензинам. Основные свойства бензинов, обеспечивающих нормальную эксплуатацию двигателей: полная испаряемость, высокая детонационная стойкость, высокая химическая стабильность, хорошая совместимость с материалами, хорошая прокачиваемость и низкотемпературные свойства 1) Испаряемость характеризует способность бензина обеспечивать легкий пуск, полноту испарения и сгорания топлива. В условиях хранения и транспортирования испарение должно быть минимальным. С испаряемостью бензина связаны такие характеристики двигателя, как пуск при низких температурах, вероятность образования паровых пробок в системе питания в летний период, приемистость автомобиля, скорость прогрева автомобиля двигателя, а также износ цилиндропоршневой группы и расход топлива. Оценивается по фракционному составу и давлению насыщенных паров бензина. 2) Детонационная стойкость характеризует способность бензина нормально сгорать в цилиндрах двигателя без возникновения детонации. 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. Показателем, характеризующим антидетонационные свойства бензина, является его октановое число, определяемым по моторному и исследовательскому методам. 3) Минимальная коррозионная активность. Топлива не должны содержать компоненты, которые разрушают конструкционные материалы двигателя, средства хранения и транспортирования. Оценивается содержанием в бензине фактических смол и нестабильных продуктов вторичной переработки нефти (непредельных углеводородов). 4) Высокая стабильность в условиях хранения и применения. Топлива в течение длительного времени не должны изменять физико-химические и эксплуатационные свойства. 5) Физическая стабильность бензина характеризуется содержанием легких фракций, улетучивающихся при хранении. 6) 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. Прокачиваемость бензина характеризуется основными показателями качества: наличие механических примесей, воды не допускается, так как может вызвать засорение, а в зимнее время года и замерзание топливной системы. 7) Нетоксичность. Продукты сгорания также должны быть нетоксичными и выделять как можно меньше вредных веществ. Таким образом, требования к бензинам следующие: 1) Топливо должно создавать однородную топливно-воздушную смесь необходимого состава при любых температурных условиях. Хорошо испаряться, иметь хорошие пусковые свойства, обеспечивать быстрый прогрев двигателя, не оказывать влияние на износ цилиндров, не образовывать отложений. 2) Топливно-воздушная смесь должна сгорать с возможно большей теплотой за отведенное время, то есть иметь высокую теплоту сгорания, сгорать с нормальной скоростью без возникновения детонации, сгорать полностью, образовывать минимальное количество токсичных продуктов горения, не образовывать нагара, не образовывать коррозионно-агрессивных продуктов сгорания. 3) Топливо должно хорошо транспортироваться, храниться и подаваться в систему питания двигателя в любых климатических условиях, то есть не окисляться при хранении, иметь низкую температуру застывания и помутнения, не содержать механических примесей, воды, не образовывать паровых пробок, не образовывать отложений. 4. Эксплуатационные и экологические требования к современным дизельным топливам. Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива: - Цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя. Способность дизельного топлива к самовоспламенению и возможному возникновению жесткой работы оценивается цетановым числом (Ц.ч.). Это условная величина, определяемая на специальной установке. Эталонным топливом служит смесь цетана и a-метилнафталина, причем Ц.ч. равно 100 для чистого цетана, а нулю оно соответствует, когда в горении участвует только а-метилнафталин. Для реального топлива Ц.ч, равно объемному содержанию цетана в эталонной смеси с равной воспламеняемостью. При снижении цетанового числа ухудшаются показатели рабочего цикла дизеля, заметно возрастают жесткость работы и износ деталей. Если значение опускается ниже 40 единиц, запуск двигателя проблематичен даже в теплое время из-за повышения температуры самовоспламенения топлива. Нормальный же пуск и мягкая работа дизеля обеспечиваются на дизельном топливе с цетановым числом не ниже 45 единиц. - Фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших газов двигателя. - Вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования; - Низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды и условия хранения топлива; Топливо для высокооборотных дизелей имеет нормируемое значение кинематической вязкости при 20°С — от 1,5 до 6,0 сСт. При снижении вязкости повышается нагарообразование и дымность выхлопа. Чрезмерная вязкость топлива приводит к ухудшению смесеобразования и сгорания — из-за затруднения распыла и дробления капель топлива. Одновременно ухудшается и его прокачиваемость через фильтры. Вязкость дизтоплива, как известно, понижается с нагревом и, наоборот, увеличивается при низких температурах. Чем выше значение вязкости при 20°С, тем сильнее изменения, происходящие с топливом при понижении температуры. Летние сорта топлива уже при минус 3-5°С загустевают и перестают нормально прокачиваться через топливный фильтр. Это обычно соответствует так называемой температуре помутнения, то есть начала кристаллизации парафинов, содержащихся в топливе. При температуре примерно -10°С такое топливо застывает. И только зимнее дизтопливо, у которого меньше вязкость и скорость ее возрастания при снижении температуры, может обеспечить надежную работу двигателя в холодное время года. Добавление же в дизтопливо керосина или бензина не решает проблемы в целом, т.к. при этом другие свойства топлива существенно ухудшаются. - Степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя; - Температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях; - Наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ. Сера, вода и механические примеси. Основную массу топлива получают из сернистых нефтей, т.к. запасы малосернистых весьма ограничены. При переработке нефти основное количество сернистых соединений перегоняется с фракциями, идущими на получение дизельного топлива. Дальнейшее снижение количества серы в топливе производится сложными и дорогими способами, в основном, гидроочисткой, поэтому получение малосернистого топлива затруднено, а часто и не очень выгодно для производителя. В то же время повышенное содержание серы заметно увеличивает износ двигателя и топливной аппаратуры из-за сернистой коррозии, коррозионного износа и быстрого окисления масла. Современные высокофорсированные дизели в большей мере подвержены сернистой коррозии, чем двигатели старых конструкций. При работе современного дизеля на топливе, содержащем повышенное количество серы, образуется заметно больше твердого и плотного нагара. Поэтому в моторном масле для современных дизелей приходится увеличивать содержание моющих и диспергирующих присадок. А быстрое окисление масла при работе на высокосернистых топливах требует его более частой замены. |