Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология нефть и способы ее переработки, пиролиз древесины, косвенные способы измерения физических величин в технологии, анализ газовых с
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А. О. ЛЕТОВАЛЬЦЕВ, Е. А. РЕШЕТНИКОВА
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ:
НЕФТЬ И СПОСОБЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ,
ПИРОЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ, КОСВЕННЫЕ СПОСОБЫ
ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ТЕХНОЛОГИИ,
АНАЛИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ, ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИКИ
Учебное пособие для студентов,
изучающих курс химической технологии
на химическом факультете ЮФУ:
040501 Фундаментальная и прикладная химия
040301 Химия
180301 Химическая технология
440305 Педагогическое образование с двумя профилями подготовки
190301 Биотехнология
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2023
2
УДК 66(075)
ББК 35я73
Л52
Печатается в соответствии с решением кафедры общей и неорганической химии
химического факультета Южного федерального университета
(протокол № 7 от 10 мая 2023 г.)
Рецензенты:
доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой
физической и коллоидной химии химического факультета
Южного федерального университета И. Н. Щербаков;
кандидат химических наук, доцент кафедры «Химия»
Донского государственного технического университета А. А. Новикова
Летовальцев, А. О.
Химическая технология: нефть и способы ее переработки, пиролиз
Л52 древесины, косвенные способы измерения физических величин в тех-
нологии, анализ газовых смесей, технология керамики : учебное пособие / А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова ; Южный федеральный
университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2023. – 132 с.
ISBN 978-5-9275-4477-6
Учебное пособие является дополнением к курсу лекций по «Химической технологии» и основным руководством для выполнения лабораторного практикума по этой дисциплине. В пособии изложен необходимый теоретический материал по темам «Нефть и ее переработка»,
«Пиролиз древесины», «Косвенные способы измерения физических величин в технологии», «Анализ газовых смесей», «Керамическая технология». В конце каждого раздела приведен список контрольных вопросов для лучшего усвоения материала и полноценной подготовки к
коллоквиумам по соответствующими темам.
Предназначено для студентов химического факультета, Академии
биологии и биотехнологии ЮФУ, а также для студентов, в учебной
программе которых предусмотрен курс «Химическая технология».
ISBN 978-5-9275-4477-6
УДК 66(075)
ББК 35я73
© Южный федеральный университет, 2023
© Летовальцев А. О., Решетникова Е. А., 2023
© Оформление. Макет. Издательство Южного
федерального университета, 2023
3
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................................................... 5
1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В
ЛАБОРАТОРИИ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ............................................................... 6
2. НЕФТЬ И СПОСОБЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ ............................................................................... 8
2.1. Общие сведения о нефти ........................................................................................................ 8
2.2. Происхождение и добыча нефти .................................................................................... 11
2.3. Подготовка нефти к переработке .................................................................................. 14
2.3.1. Деэмульгация и основные методы обессоливания нефти ................... 14
2.3.2. Очистка нефти от различных соединений, содержащихся в ней ..... 20
2.3.3. Очистка нефти от сераорганических соединений .................................... 21
2.4. Сокращение потерь при хранении и транспортировке нефти,
способы стабилизации нефти .......................................................................................... 28
2.5. Сортировка нефти ................................................................................................................... 32
2.6. Выбор направления переработки нефти................................................................... 32
2.7. Переработка нефти ................................................................................................................. 34
2.7.1. Первичная переработка нефти ........................................................................... 34
2.7.2. Устройство, действие и типы ректификационных колонн ............... 37
2.8. Вторичная переработка нефти ........................................................................................ 39
2.8.1. Крекинг нефти ............................................................................................................... 40
2.8.2. Риформинг нефти ........................................................................................................ 43
Экспериментальная часть. Анализ нефтепродуктов .................................................. 48
Контрольные вопросы .................................................................................................................. 57
3. АНАЛИЗ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ...................................................................................................... 58
Экспериментальная часть. Анализ газовой смеси ........................................................ 66
Контрольные вопросы .................................................................................................................. 72
4. ПИРОЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ ............................................................................................................... 73
4.1. Краткие сведения о химическом составе древесины ......................................... 75
4.2. Термическое разложение древесины .......................................................................... 78
4
4.3. Продукты пиролиза древесины ...................................................................................... 82
4.4. Технология пиролиза древесины .................................................................................. 83
Экспериментальная часть........................................................................................................... 85
Проведение пиролиза (занятие 1) ................................................................................ 85
Определение состава смеси жидких продуктов (занятие 2) ......................... 90
Контрольные вопросы .................................................................................................................. 92
5. КОСВЕННЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В ТЕХНОЛОГИИ ................................................................................................................................ 94
Экспериментальная часть. Калибровка реометра .................................................... 103
Контрольные вопросы ............................................................................................................... 104
6. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИКИ ...................................................................................................... 105
6.1. Производство керамики ................................................................................................... 106
6.1.1. Заготовка шихты ..................................................................................................... 106
6.1.2. Пластификация ......................................................................................................... 107
6.1.3. Формование .................................................................................................................. 108
6.2. Высокотемпературная обработка .............................................................................. 109
6.3. Факторы, влияющие на процесс спекания ............................................................ 116
6.4. Состав керамики ................................................................................................................... 121
6.5. Структура силикатов .......................................................................................................... 123
Экспериментальная часть. Изготовление огнеупорной керамики ................. 126
Контрольные вопросы ............................................................................................................... 129
Литература ........................................................................................................................................ 131
5
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Химическая технология» изучается студентами
старших курсов, так как ее освоение предполагает знание основ математики и физики, а также общей и неорганической химии, аналитической, коллоидной, электрохимии и органической химии.
Данный курс позволяет сформировать у студентов навыки технологического мышления. В процессе изучения дисциплины есть
возможность получить знания об основных принципах и изменениях, происходящих в химической технологии, ознакомиться с
принципами эксплуатации и проектирования химических установок, а также с методами улучшения производства, получить базовые знания об основах химико-технологических процессов, узнать
технологические тонкости производств важнейших органических и
неорганических веществ, а также материалов, на основе знаний об
экологической безопасности и экономической рациональности
приобрести опыт в выборе альтернативных технологических решений. Лабораторный практикум является неотъемлемой частью
всего курса, так как позволяет студентам приобрести в промышленной лаборатории представления о реальных технологических
схемах и аппаратах. При проведении лабораторных работ студенты
ищут решения для возможных технологических проблем, приобретают знания о принципах работы промышленных аппаратов, осуществляют инженерно-технологические расчеты.
В рамках лекционного материала рассматривается ограниченный круг вопросов, что обусловлено количеством лекционных
часов. В связи с этим студентам требуется уделять значительное
количество времени на самоподготовку к лабораторным работам
и коллоквиумам, а данное учебное пособие содержит необходимую дополнительную информацию в концентрированном виде и
позволяет студентам более качественно, грамотно и вдумчиво
подготовиться как к коллоквиумам, так и к выполнению самих
лабораторных работ по соответствующим темам.
6
1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Перед началом выполнения лабораторных работ каждый студент должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности. Прохождение инструктажа по технике безопасности необходимо отразить в лабораторном журнале инструктажа.
В химической лаборатории запрещено принимать пищу, пить
воду, курить.
При выполнении работы необходимо надевать химический
халат, который должен быть застегнут на все пуговицы. Длинные волосы необходимо убрать в пучок или собрать каким-то
иным способом. Все работы, связанные с выделением паров или
газов, нужно проводить под тягой. Если планируется работа с
токсичными газами или материалами, выделяющими большое
количество пыли, следует применять респираторы или другие
средства защиты. Необходимо использовать защитные очки и
перчатки при работе с едкими и токсичными веществами.
Перед выполнением работы студент обязан внимательно
ознакомиться с ее описанием, последовательностью действий,
строго следовать рекомендациям в описании работы относительно количеств используемых веществ, концентрации применяемых растворов, температуры и т. д. Неизрасходованные реактивы запрещено высыпать или выливать в сосуды, из которых
они были взяты. Прежде чем начинать работы с самостоятельно
собранным прибором или установкой, студент должен показать
их преподавателю или лаборанту, и только после получения
разрешения он может приступать к выполнению работы. Запрещено оставлять без присмотра работающую установку.
После выполнения работы необходимо перекрыть воду,
обесточить электроприборы. Следует привести в порядок рабочее место.
7
Для отбора пипеткой растворов необходимо применять резиновую грушу. Запрещено набирать жидкости в пипетки ртом.
Категорически запрещено пробовать вещества на вкус.
Концентрированные растворы кислот и щелочей запрещено
сливать в канализацию. При обращении со стеклом и стеклянной аппаратурой следует соблюдать осторожность, чтобы избежать порезов. При работе с сильно нагретыми предметами необходимо пользоваться тигельными щипцами, пинцетами и при
необходимости – теплозащитными перчатками. Нагреваемые
сосуды не следует плотно закрывать пробкой.
Все манипуляции с проводами (их присоединение или отсоединение) необходимо производить только при отключенной от
электросети установке.
В случае ожогов концентрированными растворами кислот или
щелочей пораженные участки кожи необходимо промыть проточной водой в течение двух-трех минут, а затем обработать
2–3%-ным раствором соды (если ожог кислотой) и 1–2%-ным
раствором борной или уксусной кислоты (если ожог щелочью).
После этого в обоих случаях на место ожога накладывается марлевая повязка, смоченная 1–2%-ным раствором перманганата калия. Если кислота или щелочь попали в глаза, необходимо их
промыть большим количеством воды и обратиться к врачу. При
термических ожогах следует многократно смачивать обожженное
место раствором перманганата калия и спиртом, а затем смазать
мазью от ожогов.
После окончания выполнения лабораторной работы студент
обязан убрать свое рабочее место и сдать его лаборанту.
8
2. НЕФТЬ И СПОСОБЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ
2.1. Общие сведения о нефти
Нефть – это многокомпонентная смесь жидких углеводородов,
включающая жидкие, газообразные и твердые вещества. Само слово «нефть» – восточного происхождения. В европейские языки оно
пришло от персидского nаft. Нефть представляет собой горючую
маслянистую жидкость со специфическим запахом, распространенную в осадочной оболочке Земли и относится к невозобновляемым ресурсам. Максимальное число залежей нефти располагается
на глубине 1–3 км. Нефть обнаруживается вместе с газообразными
углеводородами на глубинах от десятков метров до 5–6 км. Однако
на глубинах свыше 4,5–5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством легких фракций.
Месторождения нефти обнаружены практически на всех материках Земли (исключение – Антарктида). Самыми крупными нефтедобытчиками являются Саудовская Аравия, Россия, США, Иран.
В России одно из первых упоминаний о нефти относится к XV в.,
когда нефть была найдена в Ухте. В 1684 г. нефть была обнаружена в районе Иркутского острога. Добыча нефти началась с 1745 г.
Однако в течение XVIII в. разработка нефтяных месторождений
являлась убыточной из-за крайне узкого практического применения продукта. С развитием промышленности спрос увеличился.
Поскольку нефть представляет собой смесь углеводородов с различной длиной цепи, то и физические свойства ее могут варьироваться в довольно широком диапазоне. В частности, цвет нефти
придают асфальтосмолистые вещества (продукты окисления углеводородов, некоторые непредельные и ароматические углеводороды, а также неуглеводородные высокомолекулярные соединения).
Нефтяные смолы придают нефти цвет в диапазоне от светлокоричневого до бурого, наиболее темную окраску имеют тяжелые
нефтепродукты. На основании цвета можно сделать вывод о степе-
9
ни очистки нефти от нефтяных смол: если нефтяных смол практически нет, то такая нефть почти прозрачная. Количество тяжелых
углеводородов (в большей степени это зависит от содержания парафинов) определяет и температуру начала кипения нефти, которая, как правило, оказывается выше +128 °С; температура застывания колеблется от +30 до –60 °С. Температура вспышки нефти находится в пределах от –35 до +120 °С и также определяется фракционным составом и давлением насыщенных паров. Плотность нефти
варьируется в довольно широком диапазоне: легкая имеет плотность 0,65–0,70 г/см3 (бывает даже 0,3–0,4 г/см3, но такие виды
нефти встречаются редко); тяжелая – 0,98–1,05 г/см3. Еще одним
важным показателем является вязкость нефти, которая также варьируется в широких пределах (1–200 мПа·с), что в основном зависит от химического, фракционного состава нефти, содержания в ней
нефтяных смол. Важными физическими свойствами являются: теплота сгорания – 43,7–46,2 МДж/кг; относительная диэлектрическая
проницаемость – 2–2,5; теплоемкость – 1,7–2,1 кДж/кг, удельная
электрическая проводимость – 2·10
–10
–0,3·10
–18
Ом·см–1. За счет высокого дисперсионного межмолекулярного взаимодействия нефть
как смесь органических малополярных или неполярных веществ
наилучшим образом растворяется в различных органических растворителях. При обычных условиях нефть с водой образует довольно устойчивые эмульсии, что является проблемой при их разделении.
Существуют разнообразные системы классификации нефти:
1. По проценту содержащейся серы в нефти:
а) малосернистые (≤ 0,5 %);
б) сернистые (от 0,51 до 2 %);
в) высокосернистые (≥ 2 %).
2. По количеству фракций, выкипающих до 350 °С:
а) не менее 55 %;
б) 45–54,9 %;
в) менее 45 %.
10
3. По общему содержанию базовых масел в расчете на нефть:
а) ≥ 25 %;
б) 15–24,9 %;
в) ≤ 15 %.
4. По индексу вязкости:
а) ≥ 95;
б) 90–95;
в) 85–89,9;
г) ≤ 85.
5. По содержанию твердых парафинов:
а) менее 1,5 %;
б) 1,51–6 %;
в) ≥ 6 %.
На основании приведенной классификации можно составить
технологический шифр для любой промышленной нефти.
Например, туймазинская нефть – 2.2.3.3.2, узенская – 1.3.3.1.3.
Вышеописанные характеристики используют для сортировки
нефти при направлении ее на переработку по соответствующей
схеме (топливной или масляной). Первостепенное внимание при
классификации нефти в западных странах уделяют плотности и
содержанию серы. На качественный и количественный состав
нефти влияет расположение ее месторождения. Но в какой бы
точке планеты ни была обнаружена нефть, основными компонентами ее являются углерод (78–88 % от общей массы) и водород (11–15 %). Кроме того, присутствуют сера, кислород и азот.
Их общее количество обычно колеблется в пределах 0,5–8 %.
Нефть как многокомпонентная смесь содержит в своем составе большое разнообразие индивидуальных веществ. Основную
часть составляют жидкие углеводороды (80–90 %) и различные
гетероатомные органические соединения (4–5 %). Содержание
остальных компонентов невысоко и сильно зависит от месторождения нефти: это растворенные углеводородные газы, различные минеральные соли и соли органических кислот, вода,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]