Химия нефти и газа изучает. Химия нефти и газа

А.М.Сыркин, Э. М. Мовсумзаде

ОСНОВЫ

ХИМИИ НЕФТИ И ГАЗА

Уфа 2002

университет

А.М. Сыркин, Э.М. Мовсумзаде

ОСНОВЫ ХИМИИ НЕФТИ И ГАЗА

Учебное пособие

УДК 665.6 (075.8)

ББК 6 П 7.43

Утверждено редакционно-издательским советом УГНТУ

в качестве учебного пособия.

Рецензенты:

Зам. директора института органической химии УНЦ РАН,

доктор химических наук, профессор И.Б. Абдрахманов

Директор ГУП «Нефтехимпереработка» доктор технических наук, профессор Э.Г. Теляшев

Профессор кафедры разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений, доктор технических наук Зейгман Ю.В.
С 95 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М.

Основы химии нефти и газа: Учеб. пособие. – Уфа: Из-во УГНТУ, 2002. – 109 с.

ISBN 5–7831–0495–7

В учебном пособии рассматриваются основные гипотезы происхождения нефти, физико-химические свойства нефтей, их классификации, свойства и реакции основных классов соединений , входящих в состав нефти и газа. Рассматриваются способы переработки нефти и газа для получения различных нефтепродуктов – моторных топлив, смазочных масел и продуктов нефтехимии, пути промышленного использования нефтяных компонентов.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Нефтегазовое дело».

УДК 665.6 (075.8)

ББК 6 П 7.43

ISBN 5–7831–0495–7

© Уфимский государственный нефтяной

технический университет, 2002
© Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М., 2002

Учебное издание
Сыркин Алик Михайлович

Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович

Основы химии нефти и газа

Редактор А.А. Синилова

Подписано в печать 30.10.02. Бумага офсетная № 2. Формат 60х84 1/16

Гарнитура «Таймс». Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 7,0. Уч.-изд. л. 6,2

Тираж 300 экз. Заказ

Типография Уфимского государственного нефтяного технического

университета

Адрес издательства и типографии:

450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1

Предисловие
Одной из важнейших задач курса химии нефти и газа является изучение состава нефтей и природных газов с помощью физических и физико-химических методов исследования. Химия нефти занимается также изучением физико-химическихъ свойств углеводородов и неуглеводородных компонентов нефти в связи с их строением.

Состав нефтей и газов зависит от геологических и геохимических условий образования и залегания нефтей. Поэтому изучение химического состава нефтей имеет очень большое значение для понимания геохимических процессов превращения нефтей в земной коре. Состав нефтей определяет, в свою очередь, способы их добычи и транспорта, направления и особенности их переработки для получения разнообразных продуктов.

При исследовании нефтей определяют: элементный химический состав, групповой состав, т.е. содержание в нефтях различных классов и групп соединений, индивидуальный химический состав отдельных соединений и изотопный состав нефтей.

1. 
   Общая характеристика нефти и газа

Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь веществ, а раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.

Нефть – не просто растворённое вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряжённым раствор назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.

Если нарушается сопряжённое взаимное растворение ближайших компонентов , то может частично разрушиться и система нефти. Например, если разгонкой убрать из нефти средние фракции, то при соединении головных фракций лёгкого бензина с остаточными тяжёлыми фракциями может и не произойти растворения, а часть смолистых веществ выпадет в осадок – система сопряжённого взаимодействия будет нарушена.

Собственно нефть представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных породах земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и т.п.)

Нефть представляет собой тёмно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую чёрный цвет жидкость.

Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным углем , бурым углем и сланцами, которые получили название каустоболитов. В отличие от других горючих ископаемых нефть состоит из готовой смеси различных углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твёрдых горючих ископаемых требуется специальная термическая обработка. Поэтому нефть является ценнейшим сырьём как для получения разнообразных моторных топлив и смазочных масел, так и продуктов нефтехимического синтеза.

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.

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 .

Краткий конспект лекций «Химия нефти и газа»

Краткий конспект лекций по курсу

Химия нефти и газа

Алматы 2010

Лекция 1

Тема: 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 2

• 
  парафиновые (метановые) углеводороды (алканы)
• 
  нафтеновые углеводороды (циклоалканы)
• 
  ароматические углеводороды (арены)
• 
  гибридные углеводороды (парафино-нафтено- ароматические)

Молекулярный состав нефти

1. Парафины (алканы) С n H 2 n +2 – (предельные, насыщенные углеводороды, алканы) химически наиболее устойчивы. При атмосферном давлении алканы с числом атомов углерода:

С 1 - С 4 - газообразные,
С 5 - С 16 - жидкости,

С 16 - твердые вещества.

2. Нафтены - циклические соединения, содержащие, как правило, больше 4-х атомов углерода. В основном в нефтях содержатся циклопентан С 5 Н 10 , циклогексан С 6 Н 12 и их гомологи (от 25 до 75%) .

Среднемолекулярная часть нефти

Высокомолекулярная часть нефти

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 3

Дегидрирование алканов

Гидрирование

Гидратация

Алкадиены:

Алкины:

sp-гибридизация углерода при тройной связи

Лекция 4

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 С n Н 2 n 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.

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 5

Тема: 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 , 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 6

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/см 3 , 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.

Лекция 7

Динамическая вязкость выражается величиной сопротивления в Па к взаимному перемещению двух слоев жидкости с поверхностью 1 м 2 , 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 - м 2 /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 + ct 2

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 8

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

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.

Уфимский государственный нефтяной технический

университет

А.М. Сыркин, Э.М. Мовсумзаде

Основы химии нефти и газа

Учебное пособие

УДК 665.6 (075.8)

ББК 6 П 7.43

Утверждено редакционно-издательским советом УГНТУ

в качестве учебного пособия.

Рецензенты:

Зам. директора института органической химии УНЦ РАН,

доктор химических наук, профессор И.Б. Абдрахманов

Директор ГУП «Нефтехимпереработка» доктор технических наук, профессор Э.Г. Теляшев

Профессор кафедры разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений, доктор технических наук Зейгман Ю.В.

С 95 Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М.

Основы химии нефти и газа: Учеб. пособие. – Уфа: Из-во УГНТУ, 2002. – 109 с.

ISBN5–7831–0495–7

В учебном пособии рассматриваются основные гипотезы происхождения нефти, физико-химические свойства нефтей, их классификации, свойства и реакции основных классов соединений, входящих в состав нефти и газа. Рассматриваются способы переработки нефти и газа для получения различных нефтепродуктов – моторных топлив, смазочных масел и продуктов нефтехимии, пути промышленного использования нефтяных компонентов.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Нефтегазовое дело».

УДК 665.6 (075.8)

ББК 6 П 7.43

ISBN5–7831–0495–7

© Уфимский государственный нефтяной

технический университет, 2002

© Сыркин А.М., Мовсумзаде Э.М., 2002

Учебное издание

Сыркин Алик Михайлович

Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович

Основы химии нефти и газа

Редактор А.А. Синилова

Подписано в печать 30.10.02. Бумага офсетная № 2. Формат 60х84 1/16

Гарнитура «Таймс». Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 7,0. Уч.-изд. л. 6,2

Тираж 300 экз. Заказ

Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета

Типография Уфимского государственного нефтяного технического

университета

Адрес издательства и типографии:

450062, Г. Уфа, ул. Космонавтов, 1 Предисловие

Одной из важнейших задач курса химии нефти и газа является изучение состава нефтей и природных газов с помощью физических и физико-химических методов исследования. Химия нефти занимается также изучением физико-химическихъ свойств углеводородов и неуглеводородных компонентов нефти в связи с их строением.

Состав нефтей и газов зависит от геологических и геохимических условий образования и залегания нефтей. Поэтому изучение химического состава нефтей имеет очень большое значение для понимания геохимических процессов превращения нефтей в земной коре. Состав нефтей определяет, в свою очередь, способы их добычи и транспорта, направления и особенности их переработки для получения разнообразных продуктов.

При исследовании нефтей определяют: элементный химический состав, групповой состав, т.е. содержание в нефтях различных классов и групп соединений, индивидуальный химический состав отдельных соединений и изотопный состав нефтей.

Общая характеристика нефти и газа

Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь веществ, а раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.

Нефть – не просто растворённое вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряжённым раствор назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.

Если нарушается сопряжённое взаимное растворение ближайших компонентов, то может частично разрушиться и система нефти. Например, если разгонкой убрать из нефти средние фракции, то при соединении головных фракций лёгкого бензина с остаточными тяжёлыми фракциями может и не произойти растворения, а часть смолистых веществ выпадет в осадок – система сопряжённого взаимодействия будет нарушена.

Собственно нефть представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных породах земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и т.п.)

Нефть представляет собой тёмно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую чёрный цвет жидкость.

Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным углем, бурым углем и сланцами, которые получили название каустоболитов. В отличие от других горючих ископаемых нефть состоит из готовой смеси различных углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твёрдых горючих ископаемых требуется специальная термическая обработка. Поэтому нефть является ценнейшим сырьём как для получения разнообразных моторных топлив и смазочных масел, так и продуктов нефтехимического синтеза.