Тема 1. Общие свойства и классификация нефтей
В.В. Васильев, Е.В. Саламатова
ОСНОВЫ ХИМИИ НЕФТИ
Конспект лекций
Специальность 080502(н) - Экономика и управление на предприятии
Нефтяной и газовой промышленности
Санкт-Петербург
2011
Допущено
редакционно-издательским советом СПбГИЭУ
в качестве методического издания
Составители
докт. техн. наук, доц. В.В. Васильев
канд. техн. наук, доц. Е.В. Саламатова
Рецензент
канд. техн. наук, проф. Е.Е. Никитин
Подготовлено на кафедре
экономики и менеджмента в нефтегазохимическом комплексе
Одобрено научно-методическим советом специальностей 060502(5), 080502(н) - Экономика и управление на предприятии
нефтегазохимического комплекса
Отпечатано в авторской редакции с оригинал-макета,
представленного составителем
© СПбГИЭУ, 2011
| СОДЕРЖАНИЕ | |
| Введение………………………………………………………… | |
| Тема 1. Общие свойства и классификация нефтей | |
| Тема 2. Происхождение нефти | |
| Тема 3. Основные физико-химические свойства и техни- ческие характеристики нефти и нефтепродуктов | |
| Тема 4. Нефть как многокомпонентная система | |
| Тема 5. Алканы нефти | |
| Тема 6. Циклоалканы нефти | |
| Тема 7. Арены и гибридные углеводороды нефти Тема 8 Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти | |
| Заключение……………………………………………................ | |
| Список литературы……………………………………………... | |
| Терминологический словарь…………………………………… | |
| Приложение 1. Извлечение из рабочей программы.................... |
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время происходит интенсивное развитие нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности на основе последних достижений науки и техники с использованием новых аналитических приборов и методик исследования.
Предметом изучения дисциплины является: основы химии нефти, которые отражают современное состояние науки по изучению химического состава нефтей, достижения в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.
Объект изучения являются предприятия нефтяной промышленности, входящие в подотрасли основной химии, нефтегазодобывающей и нефтехимической и др.
Цель изучения дисциплины состоит в овладении общими знаниями о природе, составе и типах нефтей, получаемых из нее нефтепродуктов; методов исследования нефтяных фракций и нефтяных остатков.
Исходя из общей направленности дисциплины, рассматриваются вопросы химических свойств основных классов органических соединений присутствующих в нефти.
Особое внимание уделяется изучению технологических процессов подготовки нефти как сырья для нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий.
Задачи изучения дисциплины:
- подготовка студента к выполнению курсового и дипломного проектов;
- формирование у студентов знаний по основам химии нефти;
- формирование знаний по методам исследования состава и оценки качества нефти;
- овладение основными техническими методиками анализа нефти.
Дисциплина «Основы химии нефти» является основной в инженерно-технологической подготовке экономистов-менедже-ров и базируется на таких дисциплинах, предусмотренных рабочим учебным планом по специальности 080502(н), как: «Теоретические основы прогрессивных технологий», «Математика», «Геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений».
Тематическое наполнение дисциплины соответствует логической схеме последовательного изучения науки, начиная с изучения основ состава и свойств нефти и завершая изучением технологии подготовки нефти – как сырья для нефтехимических нефтеперерабатывающих производств.
При изучении дисциплины студент должен:
- овладеть научными основами нефтехимии, необходимыми для правильного понимания влияния групп соединений на качество нефти, ознакомиться с перспективами развития нефтехимии, систематизировать и сформировать понятие о производстве нефтепродуктов, приобрести навыки анализа нефти путем выбора оптимальных условий с применением современной аналитической техники;
- знать основные химические и физико-химические методы анализа нефти и нефтепродуктов по методикам ГОСТ-а
- уметь производить необходимые аналитические и технико-химические оценки качества различных видов нефтей в соответствии с требованиями ГОСТ.
Тема 1. Общие свойства и классификация нефтей
Аннотация
Изучив представленный материал, студент, будет знать основные сырьевые источники нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Объем имеющихся и предполагаемых сырьевых ресурсов, основные месторождения нефти, газа твердых горючих ископаемых. Кроме того, студенты получат знания об основах химической переработке природных газов, жидкого топлива.
Нефть представляет собой маслянистую жидкость от светло – желтого до коричневого или черного цвета, обычно легко текучую, реже – малоподвижную. Углерод (82-87% масс.) и водород (11-15% масс.) являются основными химическими элементами, составляющими нефть, кроме того в ней присутствуют сера, азот, кислород и металлы в виде сернистых, азотистых, кислородсодержащих и металлорганических соединений соответственно.
Таким образом, нефть в основном состоит из углеводородов с определенным содержанием гетероатомных и смолисто-асфальтеновых соединений, микропримесей металлов и других элементов.
Основные нефтегазоносные районы. Мировые извлекаемые запасы природного газа оцениваются в 155 трлн.м3. Россия по разведанным запасам природного газа (31%) занимает первое место в мире. Одна треть мирового запаса природного газа приходится на страны Ближнего Востока. Основными месторождениями природного газа в России являются (трлн. м3): Уренгойское(4.00), Ямбургское(3.78), Штокмановское(3.00), Заполярное(2.6), Оренбургское(1.78), Медвежье(1.55) и др. В последние годы в России добывается более 604 млрд. м3 газа в год.
Природный газ, содержит около 95% метана и около 2-5% газового конденсата («легкой нефти»).
Мировые извлекаемые запасы нефти оцениваются в 141.3 млрд.т. Из них около 66.4 % расположено в странах Ближнего и Среднего Востока. Второе место в мире по запасам нефти занимает Американский континент – 14.5%. В России сосредоточено около 4.7% мировых запасов нефти. В последние годы в России добывается около 500 млн. т. нефти в год.
Важнейшие месторождения нефти России находятся в Западной и Восточной Сибири, в Республике Коми, Татарстане и Башкортостане, в Среднем и Нижнем Поволжье и на о. Сахалин.
В Саудовской Аравии сосредоточено более четверти мировых запасов нефти, а каждая из таких арабских стран как Ирак, Иран, Кувейт и Абу-Даби владеет почти десятой частью ее запасов.
На американский континенте наиболее крупными запасами нефти обладают Венесуэла, Мексика, США и Бразилия.
Извлекаемые запасы нефти в Африке составляют около 7% (Ливия, Нигерия, Алжир).
Считается, что Западная Европа бедна нефтью и газом. Однако в последнее время были открыты крупные месторождения в акватории Северного моря, главным образом в британских и норвежских территориях. Восточно-Европейские страны, Россия и страны бывшего СССР владеют около 6% извлекаемых запасов нефти.
В Азиатско-Тихоокеанском регионе промышленными запасами нефти обладают Китай, Индонезия, Индия, Малайзия и Австралия.
В мире насчитывается десятки тысяч нефтяных месторождений, которые имеют промышленное значение, 29 из них являются уникальными сверхгигантами. Большинство уникальных и гигантских месторождений нефти находятся в странах Среднего Востока и Латинской Америки.
Этапы развития нефтеперерабатывающей промышленности. Первый в мире нефтеперегонный завод с кубами периодического типа был построен крепостными крестьянами – братьями Дубиниными в 1823г. вблизи города Моздока. Головной продукт перегонки – бензин и тяжелый остаток – мазут, не находившие применение, сжигали. В 1869г. в Баку было 23 нефтеперегонных завода, а в 1873г. – 80 заводов, способных получать 16350 т керосина в год.
Д.И. Менделеев разработал метод промышленного производства смазочных масел из мазута перегонкой в вакууме, который был внедрен в 1876 г. Нефтяные масла стали вытеснять растительные, а также животные жиры из всех отраслей техники. Русские минеральные масла широко экспортировались за границу и расценивались как самые высококачественные.
А.А. Тавризовым был разработан метод непрерывной перегонки нефти в кубовых батареях и в 1883 г. осуществлен на заводе братьев Нобель в Баку.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания способствовало новому качественному скачку в развитии нефтепереработки, т.к. бензин, который ранее не находил применение, стал одним из важнейших продуктов, производство которого требовало роста добычи нефти и совершенствования технологии ее переработки.
К 1917 г. нефтеперерабатывающие предприятия были сосредоточены в основном на Кавказе. После восстановительного периода (1928г.), вызванного последствиями гражданской войны, в СССР были открыты новые месторождения и началось интенсивное строительство новых нефтеперерабатывающих заводов (Уфа, Саратов, Одесса, Хабаровск и т.д.).
В годы Великой Отечественной войны многие НПЗ были эвакуированы в восточные районы страны. Большую роль в обеспечении фронта и тыла страны топливом для самолетов, танков и других боевых и гражданских машин сыграли бакинские, грозненские и восточные НПЗ.
В послевоенные годы нефтеперерабатывающая промышленность развивалась быстрыми темпами, непрерывно повышались технический уровень и объемы производства. Нефтепереработка страны получила дальнейшее значительное развитие строительством новых мощных НПЗ и нефтехимических комбинатов (Салават, Волгоград, Ангарск, Кириши, Нижнекамск и т.д.).
Структура топливно-энергетического комплекса. Долгое время нефть, газ, твердые горючие ископаемые используют как энергетическое топливо, а с XX в. к источникам энергоресурсов добавились гидроресурсы и ядерное топливо. Совокупность отраслей промышленности, занятых добычей, транспортировкой и переработкой различных видов горючих ископаемых, а также выработкой, преобразованием и распределением различных видов энергии называют топливно-энергетическим комплексом (ТЭК). На сегодняшний день нефтегазовый комплекс (НГК) является наиболее значимой частью ТЭК. Отрасли НГК приведены на рис.1.
Рис.1. – Отрасли нефтегазового комплекса
ТЭК является основой современной мировой экономики. Уровень развития ТЭК отражает социальный и научно-технический прогресс в стране.
Химическая и технологическая классификация нефтей. К настоящему времени опубликовано большое количество работ, характеризующих составы нефтей различных месторождений. Эти работы, в основном, посвящены геохимическим исследованиям, которые положены в основу химической классификации нефтей. Разработано несколько вариантов химической классификации. Так в качестве основания классификации нефтей использовали: Горное Бюро США - плотность, ГрозНИИ - преимущественное содержание одного или нескольких классов органических соединений, С. С. Наметкин и А. Ф. Добрянский - концентрацию алканов, К. А. Конторович - содержание алканов и цикланов, а Ал. А. Петров - данные хроматографического анализа фракций нефти 200-430) 0С (концентрации нормальных, разветвленных алканов, циклоалканов и аренов). Классификация, предложенная Ал. А. Петровым более полно отражает химический состав нефтей. Используемые химические классификации вполне приемлемы для оценки качества нефтей, как сырья для промышленной переработки.
Химическую типизацию нефтей по методу Ал. А. Петрова осуществляют на основании группового состава. В табл. 1. приведены критерии отнесения нефтей к соответствующим типам. Содержание алканов меняется от 6 до 60%, поэтому они определяют разнообразие нефтей.
Таблица 1 - Углеводородный состав нефтей различных химических типов фракции 200 – 430 0С, (%)
| Углеводороды | Тип нефти | |||
| А1 | А2 | Б2 | Б1 | |
| Алканы | 15-60 (25-50) | 10-30 (15-25) | 5-30 (10-25) | 4-10 (6-10) |
| Н- алканы | 5-25 (8-12) | 0,5-5 (1-3) | 0,5 | - |
| Изоалканы | 0,05-6,0 (0,5-3) | 1-6 (1,5-3) | 0,5-6 (0,2-3) | - |
| Циклоалканы | 15-45 (20-40) | 20-60 (35-55) | 20-70 (35-55) | 20-70 (50-65) |
| Ароматические | 10-70 (20-40) | 15-70 (20-40) | 20-80 (20-45) | 25-80 (25-50) |
Примечание: в скобках приведены наиболее часто встречающиеся данные.
Нефти типа А1(глубина залегания обычно более 1500 м) относят к нефтям парафинового и нафтено-парафинового основания. Для них характерно высокое содержание бензиновых фракций и низкая смолистость. В насыщенных соединениях содержится до 40-70% алканов.
Суммарное содержание разветвленных алканов в таких нефтях всегда выше концентрации нормальных алканов. Соотношение изо- и нормальных алканов составляет 1:6.
В западносибирском нефтегазоносном бассейне такие месторождения как Котум-Тепе, Дагаджинское, Русское, Новопортовское, Тайтымское, Малоичское, Самотлорское, Нижн. Табачанское, Наталинское, Верх. Тарское содержат нефти типа А1.
В зависимости от распределения парафинов нефти А1 делятся на три группы. Для нефтей первой группы ∑nC13-nC15/∑ nС25-nС27 составляет 0,5-1,2, а для второй от 1,2 до 3 и для третьей от 3 до 8.
Нефть типа А2(найдена в кайнозойских и мезозойских отложениях на глубине 1500-2000 м). Ее относят к нафтено-парафиновым и парафино-нафтеновым нефтям. У этого типа нефтей ниже содержание алканов. При этом наблюдается существенное преобладание изопреноидных алканов над алканами линейного строения. Нефти типа А2 значительно реже встречаются чем А1. В западной Сибири некоторые пласты Самотлорского месторождения содержат нефть типа А2.
Нефть типа Б2(глубина залегания 1000-1500 м в кайнозойских отложениях) относят к нефтям парафино-нафтенового нафтено-парафинового основания. В насыщенных углеводородах содержание концентрация циклоалканов достигает 60-75%. Алкановые углеводороды представлены в основном соединениями с разветвленной структурой. Важно отметить, что на хроматограммах нефтей типа Б2 пики нормальных и монозамещенных алканов не проявляются.
Нефти типа Б1(глубина залегания 500-1000 м) распространены в кайнозойских отложениях многих нефтегазоносных бассейнов. Этот тип нефтей встречается в районе Западной Сибири (месторождение Грязевая сопка, Сураханы, Балаханы, Русское). В нефтях типа Б1 практически полностью отсутствуют нормальные и изопреноидные алканы. Содержание разветвленных алканов не превышает 10%. В нафтенах преобладают бицик-лические производные.
Установлено, что распределение нефтей различных химических типов имеет строгие температурные границы. Так нефти типов А2, Б2, Б1 располагаются в пластах с температурой 40-70°С, а нефть типа А1 в пластах с температурой выше 900С. При этом обнаружена общая тенденция независимо от геологического возраста пород с увеличением глубины залегания нефтей наблюдается переход от нефтей типа Б1 к типу А1.
В основу технологической классификации нефтей положены следующие показатели:
-содержание серы,
-плотность, выход фракций, содержание парафина,
-степень подготовки нефти,
-массовая доля сероводорода и легких меркаптанов.
В настоящее время в России принята новая классификация нефтей по ГОСТ Р 51858-2002. Нефть. Общие технические условия. Согласно ГОСТу товарную нефть характеризуют по классам, типам, группам и видам. На рис.2 приведена схема классификации и требований к качеству подготовленных на промыслах нефтей по ГОСТ Р 51858-2002.
Рис.2 – Схема классификации и требований к нефти по
ГОСТ Р 51858-2002
Контрольные вопросы
1. Роль нефти в современном мире.
2. Основные нефтегазоносные районы.
3. Структура топливно-энергетического комплекса России.
4. Этапы развития нефтеперерабатывающей промышленности.
5. Химическая классификация нефтей.
6. Технологическая классификация нефтей.