Бойко Е.В. Химия нефти и топлив

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Е. В. Бойко

ХИМИЯ НЕФТИ И ТОПЛИВ

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по специальнос тям 19020165–«Ав томобиле- и

тракторостроение» и 19060165– «Ав томобил и и автомобильное хозяйство»

Ульяновск 2007

УДК 621.431.36 (075)

ББК 31.3 я 7

Б 77

Рецензенты: доктор химических наук, профессор Е. С. Климов

(Ульяновский государственный университет);

замдиректора НП «Экологические ресурсосберегающие технологии»,

канд. техн. наук И. А. Дорофеев

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве

учебного пособия.

Бойко, Е. В.

Б77 Химия нефти и топлив : учебное пособие / Е. В

. Бойко. – Ульяновск:

УлГТУ, 2007.– 60 с.

ISBN 978–5–89146–900–0

В области химии нефти освещены достижения в изучении ее физико–химического

состава и свойств и основные существующие и перспективные процессы

переработки нефти. Освещены вопросы происхождения нефти и общие сведения о

нефтяной промышленности.

В пособии приведены теоретические основы и практические сведения о

производстве, составе и эксплуатационных свойствах основных видов топлив для

двигателей внутреннего сгорания. Содержится материал об основных методах

квалификационной оценки показателей качества автомобильных бензинов в

соответствии с нормативной документацией.

Пособие предназначено для студентов

машиностроительного факультета,

обучающихся по специальностям 19020165 – «Автомобиле- и тракторостроение» и

19060165 – «Автомобили и автомобильное хозяйство».

УДК 621.431.36+621.892 (075)

ББК 31.3я 7

ISBN 978–5–89146–900–0 © Оформление. УлГТУ, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ХИМИЯ НЕФТИ

1.1. Основные нефтеносные районы

1.2. Происхождение нефти

1.3. Физико-химические свойства нефти

1.3.1. Физические свойства нефти

1.4. Химический состав нефти

1.4.1. Фракционный состав нефти

1.4.2. Групповой химический состав нефти и продуктов ее

переработки

1.4.3. Элементный состав нефти

1.5. Технологическая классификация нефти

2. ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПЕРЕРАБО ТКИ НЕФТИ

2.1. Первичная переработка нефти

2.1.1. Обессоливание

2.1.2. Прямая перегонка нефти

2.2. Вторичная переработка нефти методами термической

деструкции и синтеза

2.2.1. Термический крекинг

2.2.2. Каталитический крекинг

2.2.3. Гидрокрекинг

2.2.4. Каталитический риформинг

2.2.5. Синтез высокооктановых компонентов топлив

3.ТОПЛИВА

3.1. Автомобильные бензины

3.1.1. Принципы компаундирования автомобильных бензинов

3.1.2. Требования российских стандартов к качеству бензинов

3.1.3. Показатели качества автомобильных бензинов

3.1.4. Повышение детонационной стойкости бензинов

3.2. Дизельные топлива

3.2.1. Требования к дизельным топливам

3.2.2. Основные свойства дизельных топлив

3.2.3. Присадки, улучшающие показатели дизельных топлив

3.2.4. Стандартизированная маркировка дизельных топлив

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ

Неф ть известна человечеству с давних времен. Ее применяли как

зажигательную смесь (вавилоняне, византийцы), намазывались ею перед

боевыми походами (индейцы). С XVIII в. керосин использовали для освещения

жилищ и улиц. В XIX в. с изобретением двигателей внутреннего сгорания

нефть стала источником топлива для различного вида транспор та.

В настоящее время нефть – основной источник энергии

в большинстве

стран мира. На топливах, полученных из нефти, работают двигатели

сухопутного, водного и воздушного транспорта, поднимаются космические

ракеты, вырабатывается электроэнергия на тепловых электростанциях.

Однако более целесообразный путь использования нефти – ее

химическая утилизация в качестве сырья для производства плас тических масс,

каучуков, искусственных волокон, поверхностно-активных веществ,

удобрений, ядохимикатов и белков (рис

. 1).

Наша цивилизация зависит от нефти больше, чем от любого другого

отдельно взятого продукта. Поэтому нефть является предметом острой

конкурентной борьбы крупнейших монополий, причиной многих

международных конфликтов и войн.

Пятидесятые годы нашего столетия ознаменовались открытием

богатейших месторождений нефти в районе Персидского залива, увеличением

тем пов добычи и переработки нефти во всем мире.

Нефть заняла ведущее

положение в топливно-энергетическом балансе большинства стран мира.

Разразившийся в 1973 г. энергетический кризис, вызвавший резкое

повышение цен на нефть, заставил понять, что запасы нефти исчерпаемы, а

потому она требует более экономного и рационального использования.

Быстро нарастает темп наиболее рационального использования нефти – в

качестве химического сырья. Следует иметь в

виду, что в настоящее время для

химических целей используется главным образом легкая часть нефти, так же,

как и для бензинов.

Повышенный интерес к нефти, как сырью органического синтеза, повлек

за собой более глубокое изучение ее состава и свойств, а также

совершенствование существующих и разработку новых приемов переработки

нефти. За последние 30

лет накоплен большой фактический материал по

составу нефтей и отдельных узких нефтяных фракций. Очень подробно

исследованы легкие (бензиновые) фракции, изучен углеводородный состав

средних дистиллятных и масляных фракций, а также гетероатомных и

высокомолекулярных соединений, входящих в состав нефти.

Вс е это позволило значительно углубить теоретические представления по

термодинамическим и кинетическим основам различных процессов

переработки нефти и послужило толчком для создания новых и модификации

существующих процессов и повышения качества нефтепродуктов.

Рис.1. Применение нефти

НЕФТЬ

ПАРАФИН

Смазочные

масла

Жирные

кислоты ( мыло)

ГАЗ

Моторное

топливо

Легкие

дистиляты

Дизельное

топливо

АЦЕТИЛЕН

Парфюмерия

Мастика

Лигроин

Вазелин

Автолы

Трансформаторное

масло

Ароматические

углеводороды

Спирты

Оргстекло

Пластмассы

Медикаменты

Синтетический

каучук

ЭТИЛЕН

Пол иэтилен

Этиловый

спирт

Толуол

Бензол

Анилин

Лаки

Газолин

Нафталин

Бензин

Керосин

Соляровое

масло

Асфальт

Мазут

Битум

Следует отметить, что наряду с совершенствованием первичных процессов

переработки нефти в последние годы разработаны новые методы вторичной

переработки, данные о которых можно найти лишь в периодической литературе

и в отдельных изданиях.

Настоящее пособие, кроме химии нефти в традиционном понимании этого

предмета, включает и химию основных процессов их переработки. В области

химии

нефти освещены новейшие дос тижения в изучении ее состава, основные

существующие и перспективные процессы переработки нефти.

В данном пособии изложен материал из области применения

нефтепродуктов в качестве топлив для двигателей внутреннего сгорания.

Рассматриваются теоретические основы и практические сведения о принципах

компаундирования в производстве основных видов топлив. Кроме того, дается

информация о составе и свойствах новых присадок, используемых для

повышения качества топлив, разрешенных к применению стандартом.

Содержится материал об основных методах квалификационной оценки

показателей качества автомобильных бензинов в соответствии с нормативной

документацией.

1. ХИМИЯ НЕФТИ

1.1. Основные нефтеносные районы

Мировые прогнозируемые запасы нефти составляют около 300 млрд т

нефти, разведанные запасы оцениваются в 140 млрд т. Наиболее богатые

запасы нефти расположены на Ближнем и Среднем Востоке, в Северной

Амер ике, Юго-Восточной Азии. В мире известно более 30 тыс. нефтяных

месторождений, но тол ько 15% могут быть отнесены к крупным, т. е. общие

геологические запасы которых превышают 3 млн т. Известно только 30

месторождений-гигантов, которые имеют извлекаемые запасы, превышающие

500 млн т.

Самые крупные месторождения нефти: Гавар (10 млрд т) и Сафания (2,9

млрд т) расположены в Саудовской Арав ии, остальные в Кувейте, Ир аке,

Венесуэле, Алжире, Ира не, Ливии, Аляске (1–2 млрд т)

На сегодняшний день Россия по запасам нефти занимает восьмое место в

мире (8–10 млрд т). В 80–90 гг. прошлого века СССР была на первом месте по

добыче нефти в мире:

546 млн т – СССР, 463 млн т – США, 453 млн т – Саудовская Аравия.

В России значительные нефтяные месторождения находятся в районах

Западной Сибири, Поволжья, Урала, Сахалина, Сев. Кавказа, республики

Коми.

С 70-х годов важную роль в снабжении страны нефтяным сырьем начала

играть Западная Сибирь. Первое нефтяное месторождение там было открыто в

В скобках указаны начальные извлекаемы е запасы

1959 г. на р. Конда. Западносибирский нефтегазоносный район располагается

на территор ии Тюменской, Томской, Омской и Курганской областей, площадь

его около 3,5 млн км

. Свыше 80% нефтяных залежей находится на глубине

2000–3000 м. Сегодня в Западной Сибири добывается 70% всей нефти в

России.

Общая добыча нефти в России в период 1998–2005 гг. составила порядка

400 млн т в год, а в мире – около 3 млрд т в год. Количес тво ежегодно

добываемой нефти непрерывно растет, каждые 10 лет эта цифра удваивается.

1.2. Происхождение нефти

Происхождение нефти и формирование ее залежей является в течение

многих лет одной из наиболее сложных проблем современного естествознания.

Кроме чисто познавательного аспекта эта проблема имеет большое

практическое значение, так как позволяет сознательно подходить к задачам

поиска и разведки нефтяных месторождений и оценке промышленных и

прогнозных ее запасов.

К настоящему времени эта проблема в основном из области догадок и

гипотез переведена в научно аргументированную и в основных звеньях

разработанную теорию органического происхождения нефти.

Наиболее распространенное мнение, что нефть органического

происхождения, как и уголь. Уголь образовывался в пресноводных водоемах, а

нефть в тепл ых водах на дне доис торических морей. Образование этих

осадочных пород происходило 600 –30 млн лет назад. Однако и сейчас среди

геологов и химиков имеются сторонники различных вариантов гипотезы

неорганического происхождения нефти.

Существуют тр и гипотезы происхождения нефти.

1. Гипотеза неорганического (абиогенного) происхождения нефти –

карбидная. Впервые ее высказал Д. И. Менделеев (1877 г.), который полагал,

что нефть образовалась из карбидов металлов и паров воды в условиях

глубинных процессов, происходящих в земной коре при воздействии высоких

давлений и темпер а тур. В результате образовывались метан, этилен, ацетилен,

которые под действием природной радиации полимеризовались в высшие

углеводороды нефти.

2. Другая гипотеза неорганического происхождения нефти – это так

называемая космическая гипотеза Соколова (1892 г.), переносящая

образование углеводородов нефти из углерода и водорода в эпохи формирова-

ния Земли и других планет Солнечной системы. Ранее образовавшиеся

углеводороды при консолидации Земли поглощались магмой, а впоследствии

при охлаждении ее по трещинам и разломам проникли в осадочные породы

земной коры. Следовательно, нефть является, согласно этой гипотезе,

продуктом превращения первичных углеводородов космоса, попавших на

Землю вместе с другими формами космической материи.

Космическая гипотеза не опирается ни на какие факты, если не считать

наличия метана в атмосфере некоторых планет, который был обнаружен по

спектрам поглощения этих планет.

Недос татком гипотез неорганического происхождения нефти (карбидной и

космической) является то, что гипотезы не объясняют географического и

геологического распределения нефтяных месторождений.

3. Наиболее современной и распространенной является гипотеза

органического (биогенного) происхождения, согласно которой нефть

образовалась из останков растений и животных, накопившихся в осадочных

породах морей и океанов (сапропель).

По классической биогенной гипотезе начальной стадией процесса

образования нефти являлось разложение останков низших животных и

растений (планктон и бентос) под воздействием кислорода и бактерий с

образованием газов и других продуктов на глубине 100–200 м. Газы,

образовавшиеся в результате разложения останков (Н

О, Н

S, СО

, N

, CH

), рассеивались в атмосфере, растворялись в воде и поглощались

естественными адсорбентами. Белки, жиры, углеводы, липиды расщеплялись с

образованием более простых кислот и спиртов.

Оставшаяся часть исходного органического материала, наиболее

устойчивая к окислительным процессам и бактериальному воздействию,

оставалась в осадочных породах и пос тепенно опускалась в их толщу и в

результате тектонических процессов оказывалась в глубоких недрах земли в

нескольких километрах от поверхности (1,5–3,5 км), где температура

составляет 60–170°С. Попав в восстановительную среду под давлением до

30 МПа и при температуре 150–200°С, в присутствии естественных

катализаторов эти продукты в течение многих миллионов лет превращались в

нефть – сложную смесь различных углеводородов и других органических

соединений.

Самым сложным в этой гипотезе было объяснить миграцию нефти.

Среднее содержание органического вещества в глинистых породах составляет

1,5–2 %, которое находится в сорбированном состоянии. Чтобы вымыть

органическое вещество из породы должен быть либо газ носитель (попутный)

или вода.

Из первичных месторождений нефть постепенно по трещинам, песчаным

и пористым породам перемещалась (мигрировала) и скапливалась на

различных глубинах в пус тотах земной коры, образуя вторичные

месторождения, т. е. зоны заполнения, откуда она и добывается в настоящее

время.

Основные доказательства биогенной гипотезы:

1. Территориальное совпадение нефтяных месторождений и зон

осадочных пород. Например, обилие нефтяных месторождений в зоне шельфа

морей и океанов, прибрежных зон, зон, где в отдаленные геологические

периоды было морское дно.

2. В составе нефти обнаружены элементы биогенного происхождения,

входящие в состав белков, жиров (азот, сера, кислород), а также оптически

активные вещества биогенного происхождения.

3. Углеводороды нефти имеют преимущественно нормальное строение

молекул, как и углеводороды биогенного происхождения. В случае образования

углеводородов в результате катал итич еской полимеризации, как следует из

первой и второй гипотез, они имели бы преимущественно разветвленное

строение.

Однако в последние годы обнаружены большие скопления нефти, не

связанные с осадочными породами. Это позволило предположить в качестве

варианта биогенной гипотезы, что возможны процессы образования нефти из

органического материала, попавшего в глубокие недра земли не путем

постепенного осаждения, а в результате геологических процессов, характерных

для ранних периодов формирования земной поверхности.

1.3. Физико–химические свойства нефти

Нефть и нефтепродукты представляют собой достаточно сложные смеси

углеводородов и их гетеропроизводных. Анализ таких смесей с выделением

индивидуальных соединений требует много времени. Поэтому в

технологических расчетах при определении качества сырья, продуктов

нефтепереработки и нефтехимии часто пользуются данными технического

анализа. Последний состоит в определении некоторых физико-химических и

эксплуатационных свойств нефтепродуктов. С этой целью используют

следующие методы, в комплексе дающие возможность характеризовать

товар ные свойства нефтепродуктов в различных условиях эксплуатации,

связать их с составом анализируемых продуктов, дать рекомендации для

наиболее рационального их применения:

1) химические, использующие классические приемы аналитической

химии;

2) физические – определение плотности, вязкости, температу ры

плавления, замерзания и кипения, теплоты сгорания, молекулярной массы, а

также некоторых условных показателей;

3) физико-химические – колориметрия, потенциометрическое титрование,

нефелометрия, рефрак тометрия, спектроскопия, хроматография;

4) специальные испытания эксплуатационных свойств и состава

анализируемых продуктов (определение октанового и цетанового числа

моторных топлив, химической стабильности топлив и

масел, коррозионной активности, температуры вспышки и воспламенения).

1.3.1. Физические свойства нефтей и нефтепродуктов

Неф ть представляет собой вязкую, маслянистую жидкость с характерным

запахом. Цвет ее зависит от растворенных в ней смол: тем но-бурая, буро-

зеленоватая, а иногда светлая, почти бесцветная. На свету нефть слегка

флуоресцирует. Под дейс твием ультрафиолетового света нефть светится

голубым или желто-бурым светом, это используют при поиске нефти.

Плотность нефти зависит от месторождений и колеблется от 0,77 до 0,980

г/см

(легкая<0,85, средняя 0,85– 0,90, тяжелая>0,90). Более 80 % доказанных

мировых запасов нефти относится к тяжелому типу нефтей,

характеризующихся высокой плотнос тью и большим содержанием

асфальтенов, металлов (ванадий, никель) и серы.

Кинематическая вязкость большинс тва нефтей редко превышает

40–60 мм

/с при 20 °С, что зависит от содержания в ней асфальтосмолистых

веществ.

Теплота сгорания нефти 43,7–46,2 МДж/кг. Для сравнения, тепло ты

сгорания таких альтернативных топлив, как водород – 103 МДж/кг, этиловый

спирт – 26 МДж/кг.

В воде нефть не растворяется, поскольку она легче воды, то образует на

водной поверхности растекающиеся (до мономолекулярного слоя) пятна, а при

интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно расслаивающиеся

эмульсии.

В состав нефти входит около 425 углеводородов и 320 гетеросоединений.

Так как нефть представляет сложную смесь индивидуальных углеводородов, то

она не имеет определенных физических констант, таких, как температура

кипения, температура застывания и др.

Плотность

Плотность – величина, определяемая как отношение массы

вещества к занимаемому им объему. Относительная плотность –

отношение плотнос ти рассматриваемого вещества к плотнос ти стандартного

вещества (чаще всего воды при 4°С). Нефтепродукты и вода имеют

различные коэффициенты расширения, поэтому при определении

относительной плотности необходимо указывать температуры воды и

нефтепродукта, при которых проводилось определение.

Определение плотности можно проводить при любой температуре, а затем

вычислить значение по формуле:

+γ (t–20),

где

– плотность при температуре испытания; γ – коэффициент объемного

асширения (его значения приводятся в справочной литерат

ре);

t – температура, при которой определялась плотнос ть, °С.

Эта формула дает хорошие результаты в интервале температур от 0 до

50°С.

В США и Вел икобритании плотнос ть определяют при 15,56 °С (60 °F).

Плотнос ть нефти и нефтепродуктов связана с их химическим составом,

поэтому в стандартах на реактивные топлива, керосин, некоторые бенз ины

она является нормируемым показателем.