Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Прикладная химия. Химия и технология подготовки нефти. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки России
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Казанский национальный исследовательский
технологический институт»
Ч.Б. Медведева, Т.Н. Качалова, Р.Г. Тагашева
ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ:
ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ
ПОДГОТОВКИ НЕФТИ
Учебное пособие
Казань
Издательство КНИТУ
2012
УДК 542
Медведева Ч.Б.
Прикладная химия: химия и технология подготовки нефти:
учебное пособие / Ч.Б. Медведева, Т.Н. Качалова, Р.Г. Тагашева; М-во
образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань: Издво КНИТУ, 2012. – 88 с.
ISBN 978-5-7882-1273-9
Изложены теоретические основы подготовки и переработки
нефти. Представлено технологическое оформление процессов дегазации, подготовки и первичной переработки нефти.
Предназначено для практических занятий студентов очной и
заочной форм обучения по дисциплинам «Прикладная химия», «Химия нефти» по специальности 240401 «Химическая технология органических веществ», по направлениям подготовки 240100.62 «Химическая технология», 240400 «Химическая технология органических веществ и топлива».
Подготовлено на кафедре технологии основного органического и нефтехимического синтеза.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского национального исследовательского технологического
университета
Рецензенты: канд. хим. наук О.А. Варнавская
канд. техн. наук М.Н. Котляр
ISBN 978-5-7882-1273-9 Медведева Ч.Б., Качалова Т.Н.,
Тагашева Р.Г., 2012
Казанский национальный исследовательский
технологический университет, 2012
ВВЕДЕНИЕ
Динамика развития и рост темпов развития нефтяной и газовой промышленности в России и за рубежом предполагает непрерывное развитие нефтеперерабатывающей отрасли и прежде всего на основе повышения эффективности использования нефтяного сырья. Несмотря на значительный прогресс в развитии альтернативных источников сырья, специалисты считают, что через 50 лет нефть вместе с
углем будут обеспечивать около половины потребности планеты. Это
находит свое подтверждение в прогнозах корпорации «Лукойл» и в
некоторых других зарубежных источниках. При этом планируется
рост объемов переработки нефти в России к 2020 году до 190-215 млн.
т/год. Объем производства моторных топлив увеличится до 115-135
млн. т/год. Основным направлением развития нефтепереработки будет
модернизация и реконструкция действующих предприятий с интенсивным развитием комплексов по углублению переработки нефти.
Поскольку нефть является основным сырьем химической и
нефтехимической промышленности, то в качестве дополнительного
предмета к специальности «Технология основного органического синтеза» предусмотрено изучение курса «Прикладная химия». В предлагаемом учебном пособии по главам рассматривается компонентный,
элементный, групповой и фракционный состав нефти, основные стадии подготовки и переработки нефти по технологической цепочке:
подготовка нефти после выхода из скважины – стадия обезвоживания
и обессоливания нефти – процессы первичной переработки нефти.
К каждой из указанных глав предлагается лабораторный практикум, включающий в себя исследование состава нефти, синтезы реагентов для подготовки нефти и физико-химические методы исследования нефти и синтезированных реагентов.
1 СОСТАВ НЕФТИ
История использования нефти на земле относится к периоду
3000 лет до н.э., когда древние египтяне использовали ее в строительстве, для освещения домов, в качестве топлива. Первая нефтяная
скважина была пробурена в 1859 году в американском штате Пенсильвания группой предпринимателей под руководством Эдвина
Дрейка. Первое письменное упоминание о наличии нефти в России
3
относится к XVI веку, когда она была обнаружена у берегов реки Ух-
Место в
мире
Страна
Запасы нефти,
трлн. барр.
Доля от миро-
вых запасов, %
1
Саудовская Аравия
264,5
19,1
2
Канада
32,1
2,3
3
Иран
137,0
9,9
4
Ирак
115,0
8,3
5
Кувейт
101,5
7,3
Окончание таблицы 1.1
ты, протекающей в северной части Тимано-Печорского района. Тогда
нефть собирали с поверхности реки и использовали в качестве лечебного средства, а так как это вещество обладало маслянистыми свойствами, то и для смазки. Однако основными нефтедобывающими районами в 16 - 17 веках были месторождения Каспия и Северного Кавказа и этот район оставался главным центром советской нефтяной промышленности вплоть до Второй мировой войны. В послевоенный период начались разведывательные работы в Волго-Уральском регионе
и с пятидесятых годов добыча с этих месторождений составляла около
45% от общей добычи нефти Советского Союза. К началу 1960-х годов по экспорту нефти СССР занимал второе место в мире. По данным Организации Стран Производителей Нефти (ОПЕК) мировая добыча нефти на тот период составила 3,56 млрд.т. С 1980 года отмечен
значительный рост добычи нефти в связи с началом разработки месторождений Западной Сибири. В перестроечный период добыча
нефти в России значительно упала и лишь к 1998 году объемы ее добычи были восстановлены и составили 8,3% от мирового уровня, а в
2001 году объем добычи нефти в РФ составил 348 млн.т. или 10% мирового уровня добычи. Доказанные запасы нефти в России на 2010 год
составили 77,4 трлн. барралей или 5,6 % мировых запасов. При этом
доказанные мировые запасы нефти на этот период по странам мира
распределяются следующим образом (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Доказанные запасы нефти на конец 2010 год
4
Место в
мире
Страна
Запасы нефти,
трлн. барр
Доля от миро-
вых запасов, %
6
ОАЭ
92,8
7,1 7 Венесуэла
211,2
15,3
8
Россия
77,4
5,6
9
Ливия
46,4
3,4
10
Нигерия
37,2
2,7
11
США
30,9
2,2
12
Китай
14,8
1,1
13
Катар
25,9
1,9
14
Мексика
11,4
0,8
15
Алжир
12,2
0,9
16
Бразилия
14,2
1,0
17
Казахстан
39,8
2,9
18
Туркменистан
0,6
Меньше 0,05
19
Узбекистан
0,6
Меньше 0,05
20
Норвегия
6,7
0,5
21
Азербайджан
7,0
0,5
22
Австралия
4,1
0,3
23
Индия
9,0
0,7
Страны ОПЕК
1068,4
77,2
барр.
Доказанные мировые запасы нефти составляют 1383,2 трлн.
5
Распределение мировой добычи нефти в 2000 году по странам
мира представлено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Распределение мировой добычи нефти в 2000 го-
ду
Первые сообщения о нефти Казанского края появились в 1637
году. Однако официально история нефтяной промышленности Татарстана начинается с 1943 года, когда в Шугуровском районе было открыто месторождение нефти промышленного значения. Интенсивная
разработка татарских месторождений была начата в 1948 - 1950 годах
и к 2007 году добыча нефти составила 3 млрд. тонн. Доказанные и извлекаемые запасы нефти на текущий период составляют 1 млрд. т.
нефти. По отчетам ОАО «Татнефть» в 2011 году объем добычи нефти
в целом по республике достиг максимального значения за последние
20 лет и составил 32 млн. 543 тыс. т. При этом нефтедобыча с 2000
года выросла на 1 млн. 800 тыс. т.
6
1.1 Элементный состав нефти
Класс нефти
Наименование
Массовая доля серы, %
1
Малосернистая
До 0,60 включительно
2
Сернистая
От 0,61 >> 1,80
3
Высокосернистая
>> 1,81 >> 3,50
4
Особо сернистая
Св. 3,50
Нефть относится к категории горючих ископаемых наряду с
каменным углем и сланцами, но, несмотря на то, что она имеет высокую теплотворную способность, в «сыром» виде в качестве топлива не
используется. Экономически более рационально использование продуктов ее переработки: бензина, керосина, дизельного топлива и др.
По внешнему виду нефть представляет собой подвижную маслянистую горючую жидкость легче воды (плотность нефти при 20 0С
составляет для тяжелых нефтей более 895 кг/м3, для легких нефтей
830 кг/м
3
), от светло - коричневого до черного цвета со специфиче-
ским запахом. Встречаются иногда красные, бурые и даже почти бесцветные нефти. Цвет нефти зависит от содержания и строения смолистых веществ. С позиций химии нефть – сложная многокомпонентная
коллоидная смесь газообразных, жидких и твердых углеводородов
различных по молекулярной массе и температурам кипения с числом
углеродных атомов до 100 и более. Большинство веществ, входящих в
состав нефти - это углеводороды с различными комбинациями углерода 82-87% и водорода 12-13% с примесью гетероорганических соединений, к числу которых относятся:
- сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды
и др.). В зависимости от массовой доли серы нефти в соответствии с
ГОСТ 51858-2002 классифицируются следующим образом (таблица
1.2).
Таблица 1.2 – Классы нефти
- азотистые соединения присутствуют в нефти в основном в
виде гетероциклических соединений.
- кислородные соединения – это фенолы, жирные и нафтено-
вые кислоты.
Минеральную часть составляют вода (до 4 %) и минеральные
соли в растворенном в воде состоянии.
7
В незначительных количествах в нефтях присутствуют и другие элементы, главным образом металлы – ванадий, никель, железо,
магний, хром, титан, калий, кальций, натрий, кобальт и др. Обнаружены также фосфор и кремний. Содержание этих элементов выражается
незначительными долями процента. В различных остаточных нефтепродуктах был найден германий в количестве 0,15 – 0,19 г/т.
Углеводородная часть нефти в основном представлена парафиновыми, содержание которых колеблется от 20 до 50%, нафтеновыми (30–50%) и ароматическими (15-20%) углеводородами, смолисто-асфальтеновые вещества находятся в пределах 15%. Следует отметить, что жесткие условия, в которых находятся нефти и газы в пластах, практически обусловливают отсутствие в них олефинов. Как таковые олефины в природе не существуют, они являются продуктами
дальнейшей переработки нефти или газов.
Соотношение различных групп углеводородов, гетерогенных и
смолисто-асфальтеновых веществ определяет свойства нефти и методы ее промышленной переработки. Ниже рассматриваются свойства
основных групп углеводородов, входящих в состав нефти.
1.1.1 Парафиновые углеводороды
Парафиновые углеводороды (алканы), входящие в состав
нефти по агрегатному состоянию разделяются на газообразные, жидкие и твердые. Они имеют нормальную и разветвленную структуру и
соответственно существенно отличаются по химическим и физикохимическим свойствам. С повышением молекулярной массы фракций
нефти содержание в них алканов уменьшается.
Газообразные алканы (С1-С
) растворены в нефти в условиях
4
нефтеносного пласта и выделяются из нее при добыче в виде попутных газов. Они находят широкое применение в химической, нефтехимической промышленности и в быту. В сжиженном и сжатом состоянии в настоящее время широко используются в качестве моторных
топлив в наземном и воздушном транспорте.
Жидкие алканы (С5-С
С10) и керосиновых (С
11-С15
), входящие в состав бензиновых (С
15
5
) фракций нефти, имеют нормальное и
изомерное строение. При этом, жидкие алканы, имеющие нормальное
и изостроение значительно отличаются по своим свойствам и находят
-
8
широкое применение в промышленности как в качестве сырья, так и в
быту (например, в качестве растворителей.).
К твердым алканам относятся углеводороды, начиная с С16 и
выше, которые входят в состав нефтяных парафинов и церезинов. Они
присутствуют во всех нефтях в растворенном или взвешенном кристаллическом состоянии от 0,5 до 20 мас. % По содержанию парафиновых углеводородов нефти классифицируются как малопарафинистые, при содержании их до 1,5%, парафинистые 1,5-6,0% и высокопарафинистые более 6,0 %. Твердые парафины состоят преимущественно из алканов нормального строения, а в состав церезинов входят в основном циклоалканы с длинными алкильными цепями нормального и изостроения. Церезины отличаются от парафинов мелкокристаллической структурой, более высокой молекулярной массой
(500 – 700) и температурой плавления (65 – 880С против 45 – 54
0
С у
парафинов). Следует отметить, что понятие «твердые» в данном случае довольно условное, поскольку твердыми являются алканы нормального строения, а изоалканы при нормальных условиях преимущественно остаются в жидком состоянии.
Наличие в нефти растворенных твердых парафиновых углеводородов определяют ее температуру застывания: от плюс 110С до минус 20
0
С. н-Парафины и церезины являются нежелательными компо-
нентами в составе масляных фракций нефти, поскольку повышают их
температуры застывания. Они находят разнообразное техническое
применение во многих отраслях промышленности: химической, бумажной, электро- и радиотехнической, в качестве защитных покрытий, составляют основу канатных смазок. Однако наибольший удельный вес составляет их применение в качестве нефтехимического сырья для производства синтетических жирных кислот, спиртов, поверхностно-активных веществ, деэмульгаторов, стиральных порошков.
1.1.2 Нафтеновые углеводороды
Нафтеновые углеводороды (циклоалканы) – это насыщенные
циклические углеводороды, входящие в состав всех фракций нефти.
Обычно их содержание в различных нефтях составляет 30-50%, а в
некоторых до 80% . По числу циклов подразделяются на моно- и полициклические соединения. Из моноциклических нафтеновых углеводородов (от С 3 до С 12 в одном цикле) в нефти содержатся в основ-
9
ном гомологи циклопентана (I) и циклогексана (II) (в бензиновых
R
R
фракциях), а суммарно содержатся во фракциях, выкипающих до 300
0
С
I II
Трех - или четырехчленные нафтены (циклопропан, циклобутан и их гомологи) и нафтены с числом углеродных атомов в цикле
более шести в нефти не обнаружены.
Из полициклических нафтенов в нефти имеются соединения,
содержащие два или несколько нафтеновых ядер, конденсированных
или неконденсированных, например декалин (III), бициклогексил (IV),
бициклогептан (V):
III IV V
Полициклические нафтены содержатся в основном во фракциях нефти, выкипающих выше 300
0
С.
Распределение нафтеновых углеводородов по фракциям нефти
неоднозначно. В одних нефтях их содержание растет по мере утяжеления фракций, и только в наиболее высококипящих масляных фракциях оно падает. В других они распределены по фракциям почти равномерно.
Для большинства нефтей характерно преобладание моно- и
бицикланов над остальными нафтенами, особенно в низкокипящих их
фракциях. С ростом температуры кипения фракций последовательно
повышается доля нафтенов с большим числом циклов.
Наличие нафтеновых углеводородов предпочтительно для всех
нефтяных топлив, благодаря таким их свойствам, как высокие теплота
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]