автордың кітабын онлайн тегін оқу Химия нефти и газа
Информация о книге
УДК 54(075.32)
ББК Л54-1
К17
Рецензенты:
Акимова Т. И. — д-р хим. наук, профессор кафедры органической химии, ДВГУ;
Петроченкова Н. В. — канд. хим. наук, МГУ им. Г. И. Невельского.
Калинина Т. А.
Рассмотрены вопросы происхождения нефти, химического состава нефтей и газов, основные химические реакции их переработки, типичные технологические схемы. Раздел «Классификация углеводородов» представлен в табличном варианте, в нем кратко изложены их состав, строение, физические и химические свойства.
Предназначено для студентов специальности «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и хранилищ».
УДК 54(075.32)
ББК Л54-1
© Дальневосточный государственный технический университет, 2008
© ДВФУ, 2015
© ООО "Проспект", электронная версия книги, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Существующие учебные пособия по химии нефти и газа, несмотря на многие достоинства, в значительной мере устаревают и не отражают в необходимом объеме современные достижения в этой области.
В последние годы разработаны новые методы вторичной переработки, совершенствуются первичные процессы переработки нефти и газа, данные о которых можно найти лишь в периодической литературе и в отдельных изданиях. В науке о нефти и ее составляющих успехи достигнуты благодаря применению инструментальных методов исследования и возможностей вычислительной техники. На этой основе изменилась технология переработки нефти. Теперь из нее получают не только газообразные и жидкие, но и твердые нефтепродукты. Начато систематическое исследование высокомолекулярных соединений нефти – асфальтенов и смолистых веществ. Эти соединения оказались ценным сырьем, ранее не находившим применения.
Учебно-методический комплекс написан в традиционном варианте и включает кроме химии нефти и газа и химию основных процессов переработки. Основной задачей комплекса является систематизация и обобщение накопленного опыта по составу и свойствам нефтей, строению, физико-химическим характеристикам, способам выделения, разделения и анализа нефтяных компонентов.
Образование современного специалиста в области химии нефти базируется на знании химических свойств и механизмов химических реакций органических веществ, входящих в состав нефтей и газов; основ физической и коллоидной химии; аналитической химии.
В области нефтепереработки образование специалиста основывается на знании свойств углеводородов и некоторых их производных, современных технологических схем переработки, перспективных направлений использования различных нефтепродуктов, вопросов очистки и утилизации отходов и рационального использования компонентов нефти.
Нефтехимию можно назвать вершиной процесса переработки нефти. Интегральная стоимость ее продукции и изделий в 8-9 раз превышает стоимость нефти. В мировой экономике нефтехимия является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей. Несмотря на рост цен на углеводородное сырье, мировая нефтехимия продолжает оставаться высокоприбыльной и привлекательной для инвесторов. Ежегодный объем продаж нефтепродуктов составляет около 2 трлн долл. (третье место после рынка продуктов питания и автомобилестроения).
Нефтехимия стала важной отраслью перерабатывающей промышленности, производящей химические продукты из нефти, попутных и природных газов и их отдельных компонентов. На долю нефтехимии приходится свыше четверти всей химической продукции мира. Первые наши синтетические каучуки получены исключительно из спирта, который получали из пищевого сырья. Сейчас же каучуки синтезируются из нефтехимического сырья.
В учебно-методическом комплексе рассмотрены вопросы выделения и разделения нефтяных компонентов (перегонка и ректификация, азеотропная ректификация, экстракция, адсорбционная хроматография и др.), подробно описаны различия между простой и сложной переработкой нефти.
Приведены характеристики выпускаемых нефтепродуктов – бензина, керосина, кокса, битума, дизельного, реактивного и котельных топлив. Изучение основных процессов переработки нефти позволяет шаг за шагом проследить технологические цепочки, формируя представления о современном нефтеперерабатывающем производстве.
Учебно-методический комплекс написан в соответствии с последними достижениями в области современной нефтехимии и органической химии. Отбор и систематизация материала проводилась, исходя из главной задачи курса: заложить основы активных знаний, используя которые можно было бы ориентироваться в современных исследованиях нефтехимии и плодотворно работать в выбранной специальности. Для более глубокого изучения дисциплины дан библиографический список.
Учебно-методический комплекс построен так, что может выполнять несколько задач. Во-первых, он может быть использован как справочник. Вовторых, его можно рассматривать как учебник. Сочетание лекций, изучение пособия и выполнение лабораторных работ может оказаться очень эффективным при изучении данного курса.
Данный учебно-методический комплекс предназначен для студентов нехимических специальностей. В нем рассмотрены все основные разделы программы курса «Химия нефти и газа».
Цели и задачи дисциплины
Требования к образованию специалистов включают определенный минимум знаний в области химии нефти и газа. Настоящая программа ставит своей целью помочь будущим инженерам решить сложнейшую задачу: за один семестр освоить огромный по объему, сложный и разнообразный материал современной химии нефти и газа.
Следует отметить, что наряду с совершенствованием первичных процессов переработки нефти и газа в последние годы разработаны новейшие методы вторичной переработки.
В настоящем курсе кроме химии нефти и газа в традиционном понимании этого предмета включены вопросы основных процессов их переработки, поведение конструкционных материалов при контакте с нефтью и нефтепродуктами.
Цель лабораторных занятий – привить студентам навыки экспериментальной работы, показать методы и средства химического исследования, возможность конкретного знакомства с веществами, их превращениями, развить навык решения конкретных практических задач.
Целью самостоятельной работы является освоение теоретического материала, подготовка к лабораторным работам и выполнение индивидуальных заданий.
Начальные требования к освоению дисциплины
Дисциплина «Химия нефти и газа» изучается на базе курса «Химия» (I и II семестры). После чего студент должен иметь представления:
об основных химических системах, условиях их существования и фазовых равновесиях;
о газовых системах, идеальных и реальных газах, химических реакциях в газовых системах;
о твердофазных химических реакциях;
о жидких химических системах;
о коллоидном состоянии вещества, устойчивости дисперсных систем;
о кинетике и механизмах протекания основных химических реакций;
о химическом равновесии (кинетический и термодинамический подход);
о смещении химического равновесия;
об общих свойствах растворов электролитов;
об обменных реакциях в растворах;
об окислительно-восстановительных реакциях, направлении реакций;
о стандартных восстановительных потенциалах;
об электрохимических процессах (химических источниках тока, топливных элементах, электролизе);
о химической и электрохимической коррозии металлов и сплавов;
о способах защиты металлов от коррозии в различных средах;
о классификации органических соединений;
о свойствах углеводородов различного строения;
о производных углеводородов и их свойствах;
о химическом анализе и физико-химических методах исследования строения веществ
и знать:
общие свойства растворов и особенности химических реакций в жидких системах;
закономерности протекания химических реакций (термодинамический подход);
способы определения направления различных химических процессов.
Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате теоретического изучения дисциплины студент должен знать:
классификации нефти по различным признакам (научные и технологические);
основные гипотезы неорганического происхождения нефти;
теорию органического осадочно-миграционного происхождения нефти;
образование углеводородов нефти (алканы, циклоалканы, арены);
физико-химические свойства нефти;
нефть и нефтепродукты как дисперсные системы;
химический состав нефтей, нефтепродуктов, природных, попутных газов и газов нефтепереработки;
методы выделения компонентов и исследование состава нефти и газа;
углеводороды нефти: алканы. Свойства алканов нефти и попутных газов;
углеводороды нефти: (циклоалканы). Свойства циклоалканов нефти;
углеводороды нефти: (арены). Свойства аренов нефти;
непредельные углеводороды, образующиеся при переработке нефти;
гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти;
о термических превращениях углеводородов нефти;
o термокаталитических превращениях углеводородов нефти и газа;
об окислении углеводородов нефти и их производных; очистке нефтепродуктов;
физико-химические методы исследования химического состава нефти;
нефтепродуктов и газов.
В результате практического изучения дисциплины студент должен знать:
современные принципы классификации нефтей;
основные теории происхождения нефтей;
физико-химические свойства нефтей;
основные характеристики нефти и нефтепродуктов как дисперсных систем;
основные методы выделения и разделения углеводородных компонентов; перегонка и ректификация, адсорбционная хроматография, термодиффузия; кристаллизация и экстрактивная кристаллизация;
методы выделения и разделения неуглеводородных компонентов;
химический состав нефтей и нефтепродуктов;
химический состав природных, попутных и газов нефтепереработки;
современные методы физико-химические методы исследования химического состава нефти, нефтепродуктов и газов;
свойства алканов нефти, свойства циклоалканов, свойства аренов;
свойства гетероатомных соединений;
свойства смолисто-асфальтеновых веществ;
свойства непредельных углеводородов, образующихся при переработке нефти;
очистка нефтепродуктов химическими способами;
очистка нефтепродуктов адсорбционными и каталитическими методами;
методы очистки с применением избирательных растворителей;
основы теории газофазных термических реакций углеводородов;
термические превращения углеводородов в газовой фазе;
особенности термических превращений в жидкой фазе;
основные промышленные процессы термической переработки;
термический крекинг, пиролиз, коксование;
термокаталитические превращения углеводородов нефти и газа;
окисление углеводородов нефти и их производных.
Объем дисциплины и виды учебной работы
Очная форма обучения (4-й семестр)
| Вид учебной работы | Всего, ч |
| Общая трудоемкость дисциплины | 90 |
| Лекции | 36 |
| Лабораторные занятия | 18 |
| Всего самостоятельная работа | 36 |
| Другие виды (РГЗ, рефераты и др.) | |
| Вид итогового контроля (экзамен, зачет) | Экзамен |
Примечание. Заочная форма обучения отсутствует.
Содержание дисциплины
1. Распределение учебного материала по видам занятий
| № п/п | Наименование раздела дисциплины | Распределение по видам, ч | |||
| Лекция | ЛЗ | ПЗ | СРС | ||
| 1 | Классификация нефтей. Происхождение нефти. Образование углеводородов нефти | 2 | 2 | ||
| 2 | Физико-химические свойства нефти | 2 | 2 | 4 | |
| 3 | Методы выделения компонентов и исследование состава нефти и газа | 6 | 4 | 10 | |
| 4 | Углеводороды нефти и газа | 10 | 8 | 14 | |
| 5 | Термические превращения углеводородов нефти | 4 | 4 | ||
| 6 | Термокаталитические превращения углеводородов нефти | 4 | 4 | ||
| 7 | Окисление углеводородов нефти и их производных | 2 | 2 | 4 | |
| 8 | Гидрогенизационные процессы в нефтепродуктах | 2 | 4 | ||
| 9 | Очистка нефтепродуктов | 2 | 2 | 4 | |
| 10 | Нефть и нефтепродукты как дисперсные системы | 2 | 4 | ||
| Всего | 36 | 18 | 54 | ||
2. Содержание лекционного курса (наименование раздела, темы, краткое содержание)
1. Классификация нефтей. Происхождение нефтей. Образование углеводородов нефти. Химическая, генетическая, промышленная, товарная и технологическая классификация. Классы, типы, группы, подгруппы и виды технологической классификации. Гипотезы неорганического происхождения нефти. Осадочно-миграционная органическая теория происхождения нефти. Первичная миграция нефти. Образование углеводородов нефти.
2. Физико-химические свойства нефти. Физические свойства нефтей и нефтепродуктов. Плотность. Молекулярная масса. Вязкость. Температура застывания, помутнения и кристаллизации. Температура вспышки, воспламенения и самовоспламенения. Оптические свойства. Элементный и групповой состав нефтей и нефтепродуктов.
3. Методы выделения компонентов и исследование состава нефти и газа Перегонка. Азеотропная и экстрактивная ректификация, экстракция, абсорбция. Адсорбция. Кристаллизация. Диффузионные методы разделения. Химические методы разделения. Хроматографические методы разделения и анализа нефтей и нефтепродуктов.
4. Углеводороды нефти.
Алканы нефти. Газообразные алканы. Состав попутных газов и газов газоконденсатных месторождений. Жидкие алканы. Углеводороды легких и средних фракций нефти. Изопреноидные углеводороды нефти. Твердые алканы. Свойства алканов. Клатратные соединения углеводородных газов с водой. Основные химические свойства алканов Окисление, нитрование, конверсия с водяным паром, крекинг алканов, галогенирование, сульфирование, сульфохлорирование, сульфоокисление.
Циклоалканы нефти. Моноциклические циклоалканы. Полициклические циклоалканы. Химические свойства циклоалканов. Действие азотной кислоты окисление, пербромирование, замещение, термическое воздействие. Методы получения циклоалканов.
Арены нефти. Общие сведения. Гибридные циклоалкано-арены. Химические свойства аренов. Использование Аренов в нефтехимическом синтезе.
Непредельные углеводороды, образующиеся при переработке нефти. Свойства непредельных углеводородов. Выделение алкенов. Химические свойства алкенов и аккадиенов. Свойства ацетилена. Использование непредельных углеводородов в нефтехимическом синтезе.
5. Термическое превращение углеводородов нефти. Основы теории газофазных термических реакций углеводородов. Термические превращения в газовой фазе. Особенности термических реакций в жидкой фазе. Пиролиз. Образование нефтяного кокса
6. Термокаталитические превращения углеводородов нефти. Общие сведения о катализе и катализаторах. Механизм действия катализаторов различного типа. Каталитический крекинг. Каталитический риформинг. Синтез высокооктановых компонентов топлив. Изомеризация алканов.
7. Окисление углеводородов нефти и их производных. Механизм реакции окисления. Окисление углеводородов (алканов, бутана и бензинов, циклоалканов, алкенов и аренов).
8. Гидрогенизационные процессы в нефтепереработке. Классификация процессов. Химические основы процессов. Классификация каталитических процессов с водородом. Гидрирование по месту кратных связей. Гидрирование аренов.
9. Очистка нефтепродуктов. Назначение и методы очистки. Химические методы очистки. Адсорбционные и каталитические методы очистки. Методы очистки с применением избирательных растворителей.
10. Нефть и нефтепродукты как дисперсные системы. Коллоиднодисперсное строение нефтяных систем. Прочность и агрегативная устойчивость нефтяных дисперсных систем. Эмульсии и их свойства.
3. Содержание практических и лабораторных занятий
| № п/п | Номер раздела дисциплины (п. 1) | Наименование лабораторной работы (практического занятия) |
| 1 | 2 | Физико-химические свойства нефтей |
| 2 | 3 | Методы выделения компонентов нефти и газа |
| 3 | 3 | Перегонка |
| 4 | 3 | Ректификация |
| 5 | 3 | Экстракция |
| 6 | 4 | Алканы и циклоалканы нефти |
| 7 | 4 | Арены нефти |
| 8 | 4 | Непредельные углеводороды, образующиеся при переработке нефти |
| 9 | 7 | Окисление углеводородов нефти и их производных |
Примечание. Курсовое проектирование отсутствует.
График изучения дисциплины
| Вид учебных занятий, 1 семестр | Номер недели | |||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
| Лекции | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| ЛЗ | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| ПЗ РГЗ, реферат Аттестация (промежуточная) |
A | A | ||||||||||||||||
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Химия нефти и газа: Уч. пос. для вузов / Под. ред. В.А. Проскурякова и А.Е. Драбкина. – Л.: Химия, 1981. – 359 с.
2. Химия нефти / Батуева И.Ю., Гайле А.А., Поконова Ю.В. и др. – Л.: Химия, 1984 – 360 с.
3. Органическая химия: Учеб. В 2 кн. – Кн. 1: Основной курс. / В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян, А.П. Лузин, Н.А. Тюкавкина / Под ред. Н.А. Тюкавкиной. – М.: Дрофа, 2002. – 640 с.
Дополнительная литература
1. Черножуков Н.И. Технология переработки нефти и газа. – М.: Химия, 1978.
Справочная литература
1. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. – Л.: Химия, 1980.
2. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. 4-е изд. – М.: Химия. 1971.
Программное обеспечение (перечень типовых пакетов прикладных, расчетных и контролирующих программ)
1. Контролирующие индивидуальные задания по всем разделам курса.
2. Пакет тестовых заданий по химии нефти и газа.
Технические и электронные средства обучения, иллюстрационный материал, специализированное и лабораторное оборудование
1. Специализированная химическая лаборатория, оснащенная системой вентиляции и приборами.
2. Наборы химических реактивов.
3. Иллюстрационный материал (таблицы).
Текущий и итоговый контроль по дисциплине
Формы и методы для текущего контроля
1. Контрольные работы по разделам: «Методы разделения компонентов нефти и газов», «Химические свойства углеводородов нефти и газов», «Термические и термокаталитические превращения углеводородов нефти и газа», «Очистка нефтепродуктов».
2. Контрольный опрос по теории лабораторных работ.
3. Индивидуальные домашние задания по основным разделам курса.
Контрольные тесты для определения минимального уровня освоения программы дисциплины
1. Основные научные классификации нефтей.
2. Теории происхождения нефтей.
3. Принципы образования углеводородов нефти.
4. Основные физико-химические свойства нефти.
5. Основные методы выделения компонентов и исследование состава нефти и газа.
6. Свойства алканов нефти и газов.
7. Свойства циклоалканов нефти.
8. Свойства аренов и гибридных соединений нефти.
9. Общие сведения о непредельных углеводородах, образующихся при переработке нефти.
10. Термические превращения углеводородов в газовой фазе.
11. Термические превращения углеводородов в жидкой фазе.
12. Крекинг, пиролиз и образование нефтяного кокса.
13. Термокаталитические превращения углеводородов нефти и газа.
14. Окисление углеводородов нефти и их производных.
15. Основные способы очистки нефтепродуктов.
Перечень типовых экзаменационных вопросов
1. Характеристика научных и технологических классификаций нефтей.
2. Гипотезы неорганического происхождения нефти.
3. Теория осадочно-миграционного происхождения нефти.
4. Образование углеводородов нефти.
5. Элементный и групповой состав нефтей и нефтепродуктов.
6. Физические свойства нефтей и нефтепродуктов.
7. Метод выделения компонентов – перегонка.
8. Метод выделения компонентов – азеотропная и экстрактивная ректификация.
9. Метод выделения компонентов – адсорбция.
10. Метод выделения компонентов – кристаллизация.
11. Хроматографические методы разделения и анализа нефтей и нефтепродуктов.
12. Общее содержание алканов в нефтях и попутных газах. Газообразные алканы и их свойства. Состав попутных газов и газов конденсатных месторождений.
13. Жидкие алканы и их свойства. Использование в нефтехимическом синтезе.
14. Твердые алканы. Основные реакции твердых алканов.
15. Циклоалканы нефти. Моноциклические и полициклические. Свойства циклоалканов. Использование.
16. Арены, их свойства и использование в нефтехимическом синтезе.
17. Гибридные циклоалкано-арены. Их свойства.
18. Непредельные углеводороды, образующиеся при переработке нефти. Свойства, выделение и использование в нефтехимическом синтезе.
19. Термические превращения углеводородов в газовой фазе.
20. Термические превращения в жидкой фазе.
21. Пиролиз, крекинг, коксование.
22. Каталитический крекинг Превращения алканов и циклоалканов.
23. Каталитические превращения алкенов и аренов. Каталитический крекинг в промышленности.
24. Синтез высокооктановых компонентов топлив.
25. Окисление алканов, бензинов, циклоалканов, алкенов и аренов.
26. Общие представления о гидрогенизационных процессах в нефтепереработке.
27. Очистка нефтепродуктов.
Рейтинговая оценка по дисциплине
Распределение баллов по видам учебных работ
| № п/п | Наименование работ | Распределение баллов |
| 1 | Теоретический материал | 36 |
| 2 | Лабораторные работы | 18 |
| 3 | Практические занятия | - |
| 4 | Индивидуальные домашние задания | 16 |
| 5 | Контрольные работы | |
| 6 | Посещаемость | |
| 7 | Экзамен/зачет | 30 |
| Итого | 100 |
Перевод баллов в пятибалльную шкалу
| Отлично | 85-100 |
| Хорошо | 71-84 |
| Удовлетворительно | 60-70 |
| Неудовлетворительно | менее 60 |
Дополнения и изменения в рабочей программе
за_________ /________________ учебный год
В программу вносятся следующие дополнения и изменения:
Введение
Нефть и газ – это природные горючие ископаемые, важнейшие источники энергии. Месторождения нефти и газа расположены практически на всей территории нашей страны, но особенно ими богата Западная Сибирь. Нефть обычно встречается в виде скоплений в пористых породах – известняках, песчаниках.
К сожалению, полностью извлечь нефть из месторождений не удается. Так называемая первичная добыча осуществляется при естественном давлении и позволяет извлечь до 25-30% нефти, вторичная добыча несколько увеличивает эффективность освоения месторождения (до 35%) и проводится накачкой воды (иногда пара). Сейчас во всем мире интенсивно проводятся исследования по повышению нефтеотдачи пластов. Третичная добыча предполагает дополнительное извлечение нефти с помощью новых методов, из которых следует упомянуть такие, как использование поверхностно-активных веществ, полимерных растворителей, подачу CO2, термические способы (так называемое внутрипластовое горение).
В настоящее время определились три основных направления использования нефти: получение энергетического сырья, получение материалов с заданными свойствами, производство химических и фармацевтических продуктов. Развитие многих отраслей промышленности и транспорта зависит от нефти.
Нефть создала не только новый уровень производительных сил общества, но и новую отрасль науки – нефтехимию, возникшую на стыке органической химии, химии нефти и физической химии. Нефтехимия стала важной отраслью перерабатывающей промышленности, производящей химические продукты из нефти, попутных и природных газов и их отдельных компонентов. На долю нефтехимии приходится свыше четверти всей химической продукции мира.
Из нефтяного сырья производят и многие другие вещества, технология изготовления которых первоначально основывалась на химической переработке пищевых продуктов.
Нефтехимия производит также ароматические соединения, органические кислоты, гликоли, сырье для производства химических волокон, удобрения. В последние два десятилетия у нефтехимии появилась еще одна группа ранее не свойственных ей производств. Это получение белково-витаминных концентратов методом микробиологической депарафинизации нефти. Концентрат представляет собой клеточное вещество микроорганизмов, способных питаться нефтью или отдельными ее фракциями. После соответствующей очистки эти концентраты пригодны для откорма сельскохозяйственных животных.
В наши дни в промышленно развитых странах вся добываемая и покупаемая нефть идет на переработку. Но при этом около 90% всей массы нефтепродуктов используется в виде топлива и масла, и лишь 10% – сырье для нефтехимии.
Глава 1. ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТИ
Происхождение нефти и формирование ее залежей является в течение многих лет одной из наиболее сложных проблем современного естествознания. Кроме познавательного аспекта эта проблема имеет большое практическое значение, так как позволяет сознательно подходить к поиску и разведке нефтяных месторождений.
Первые представления о происхождении нефти возникли в XVIII – начале XIX вв. М.В. Ломоносов высказал гипотезу органического происхождения нефти, которую объяснил воздействием «подземного огня» на «окаменелые уголья», в результате чего, по его мнению, образовывались асфальты, нефти и «каменные масла».
Идея о минеральном происхождении нефти была высказана в 1805 г. А. Гумбольдтом. Развитие химии, эксперименты по неорганическому синтезу углеводородов, проведенные М. Бертло (1866), Г. Биассоном (1871), послужили отправной точкой для развития этой гипотезы.
Д.И. Менделеев, придерживавшийся до 1867 г. представлений об органическом происхождении нефти, в 1877 г. сформулировал известную гипотезу ее минерального происхождения, согласно которой нефть образуется на больших глубинах при высокой температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов
СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2
Все гипотезы минерального происхождения нефти объединяет идея синтеза углеводородов, кислородо-, серои азотосодержащих компонентов нефти из простых исходных веществ – С, Н2, СО, СО2, СH4, Н2О, и радикалов при высоких температурах и взаимодействии продуктов синтеза с минеральной частью глубинных пород.
В 1960 г. Н.А. Кудрявцев сформулировал «магматическую» гипотезу происхождения нефти. Суть этой гипотезы в том, что нефть образуется в магме в небольших количествах, а затем поднимается по трещинам и разломам в пористые песчаники. Эти процессы могут происходить и в настоящее время.
И.И. Чебоненко в 1990 г. предложил осадочно-неорганическую гипотезу происхождения нефти. По этой гипотезе нефть является продуктом синтеза водорода с углеродом в приповерхностных участках Земли. Нефтяные углеводороды формируются в верхних участках земной коры, где глубинный водород взаимодействует с углеродом, получаемым из остатков растений. Эта теория объясняет многообразие состава нефти и нахождение ее в породах, содержащих остатки живых организмов.
За прошедшее столетие накопилось огромное количество химических, геохимических и геологических данных, проливающих свет на проблему происхождения нефти. В настоящее время преобладающая часть ученых считает наиболее обоснованными представления об органическом генезисе нефти. Тем не менее вопрос о происхождении нефти до сих пор остается открытым.
Согласно органической теории источником углеводородов нефти являлись компоненты дисперсного органического вещества сапропелевой природы. Сапропель – органический ил. Процесс происходил в главную фазу нефтеобразования, на глубине, термически или термокаталитически под воздействием глин при 100-200°С. Глины играли роль катализаторов и стимулировали процессы дегидратации спиртов и декарбоксилирования кислот в углеводороды, изомеризации и полимеризации алкенов, деструкции и перераспределения водорода и многое другое.
Анализ современных данных подтверждает, что нефть, при многообразии ее состава, представляет сочетание единых по генезису двух групп соединений. Первая группа соединений унаследовала структуру молекул исходного органического вещества и претерпела лишь небольшие превращения – потерю тех или иных функциональных групп или радикалов. Вторая группа соединений возникла в результате глубоких и необратимых процессов превращения органического вещества. Такие соединения не свойственны биологическим системам. К последнему типу органических соединений относятся главным образом циклоалканы, арены и смешанные циклоалкано-арены.
Алканы нефти. Возможны три источника образования нормальных алканов в битумоидах:
а) нормальные алканы восков и неомыляемой части липидов;
б) высокомолекулярные одноатомные алифатические спирты, являющиеся составной частью восков;
в) высшие одноосновные жирные кислоты липидов.
Главным и основным источником образования алканов, так же как и других углеводородов нефти, следует считать жирные кислоты – основные составляющие липидов морской растительности и зоопланктона. Декарбоксилирование жирных кислот доказано на примерах стеариновой и бегеновой кислот при контакте с глинами.
Разветвленные алканы довольно широко представлены в нефтях, однако среди них хорошо изучены лишь низкомолекулярные С4–С10. Превращения липидов сопровождается интенсивными реакциями их деструкции. В указанных реакциях образуются с равной вероятностью как насыщенные углеводороды, так и ненасыщенные. В дальнейшем алканы непосредственно переходят в нефть, алкены претерпевают под действием катализаторов ряд превращений, дающих начало разветвленным алканам.
Циклоалканы нефти. Эти углеводороды относятся к наиболее сложному по химическому строению классу нефтяных углеводородов и придают нефти те характерные черты, которые определяют особое ее место среди других природных ископаемых. Образование циклоалканов протекало, видимо, двумя путями. Один из этих путей не сопровождался слишком глубокими преобразованиями исходных молекул нефтематеринского вещества. В результате потери некоторых функциональных групп и реакций диспропорционирования водорода образовывались циклоалканы различного строения. По такому принципу образовались стерины и тритерпены, предшественниками которых являются стероиды. Стероиды широко распространены в живой природе как в свободном виде, так и в виде эфиров жирных кислот.
Однако большая часть циклоалканов образовалась другим путем. Непредельные кислоты изомеризуются с перемещением двойной связи в присутствии катализаторов и температуры. В результате образуются структуры с благоприятным расположением двойной связи для образования лактона, далее превращение лактона в кетон, в котором заложены все возможности для образования различных форм циклоалканов и циклоалкано-аренов.
Арены. Содержание аренов (ароматических углеводородов) в тканях растительных и животных организмов ограничено. Вместе с тем нефти и битумоиды дисперсного органического вещества содержат значительное количество не только гомологов бензола, но и производных нафталина, фенантрена и других полициклических аренов.
Основная масса аренов образуется в главной фазе нефтеобразования при термической и термокаталитической деструкции сапропелевого органического вещества. Химическую основу процесса составляют реакции полимеризации непредельных жирных кислот и других непредельных соединений. Высокомолекулярные арены образуются уже после отмирания организмов – в водной толще и илах. Источником их являются полиеновые соединения типа каротиноидов и частично из стероидных соединений.
Таким образом, приведенные данные устанавливают связь компонентов нефти с исходными органическими веществами и являются неопровержимым доказательством ее органического происхождения.
Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ
Такие физико-химические показатели нефти, как плотность, пределы выкипания, температура застывания, вязкость, дают определенную характеристику ее товарных качеств. Многие из них входят в ГОСТы на нефтепродукты, другие используются при расчетах и проектировании нефтезаводов.
Для индивидуального химического соединения характерна совокупность постоянных физических свойств. Нефть же является не только смесью многих индивидуальных соединений, но и смесью переменного состава. Поэтому следует помнить, что физические свойства нефти являются специфическими параметрами, характерными для каждой данной нефти.
2.1. Молекулярная масса
Поскольку нефть и ее фракции не являются индивидуальными веществами, то говорить можно только об их средней молекулярной массе, величина которой зависит от молекулярных масс индивидуальных соединений и количественного соотношения их в нефти.
Молекулярная масса нефтяных фракций увеличивается по мере возрастания температуры их кипения. Экспериментально молекулярная масса определяется криоскопическим и эбулиоскопическим методами.
Криоскопический метод определения молекулярной массы какого-либо вещества основан на понижении температуры замерзания раствора этого вещества по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя. В качестве растворителя легких фракций нефти обычно используют бензол, а более высокомолекулярных – нафталин, камфару.
Эбулиоскопический метод основан на повышении температуры кипения раствора вещества по сравнению с температурой кипения чистого растворителя. Обычно он применяется при анализе легких фракций. В качестве растворителей используются бензол, нитробензол и некоторые другие вещества.
Расчет молекулярной массы ведется по формуле:
M = Kg.1000 / G.Δt,
где К – криоскопическая (Ккр) или эбулиоскопическая (Кэ6) константа растворителя; g – масса растворенного исследуемого вещества; G – масса растворителя; Δt – понижение температуры замерзания (Δtз) или повышение температуры кипения (Δtк).
Средняя молекулярная масса многих нефтей 250-300 кг/кмоль.
Молекулярная масса смеси нефтяных фракций рассчитывается по правилу аддитивности, исходя из известного их состава и молекулярных масс:
Мср = ∑Мj хj,
где хj – мольная доля нефтяной фракции; Мj – молекулярная масса одной фракции.
2.2. Плотность
Плотность определяется как масса единицы объема при определенной температуре. В Международной системе единиц измерения (СИ) единицей плотности является кг/м3, г/см3 или г/мл.
На практике чаще имеют дело с безразмерной величиной – относительной плотностью. Это отношение плотности вещества к плотности воды при 4°С (при этой температуре плотность воды наибольшая). Относительная плотность обозначается символами с двумя индексами: верхний относится к температуре вещества, нижний – к температуре воды: ρ204. Плотность зависит от температуры: с повышением температуры эта величина уменьшается из-за теплового расширения веществ. Плотность определяется с помощью ареометра или пикнометра.
Если определение плотности проводилось не при стандартной температуре (20°С), необходимо привести эту величину к стандартной. Для этого существуют таблицы поправок, вычисленных по следующей формуле:
ρ204 = ρt4 + γ (t - 20),
где γ – поправка плотности при изменении температуры на 1°С; t – температура опыта, °С.
Для большинства нефтепродуктов такая линейная зависимость справедлива лишь в интервале температур от 0 до 50°С и даже в этом случае она иногда дает отклонения, особенно в отношении сильно ароматизированных нефтей. Точные значения можно получить лишь при непосредственном определении плотности в стандартных условиях
...
