Kratkii kyrs lekcii po discipline Himiya nefti i gaza
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Библиотека студента УГНТУ
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА»
Под общей редакцией профессора С. С. Злотского и доцента Л.Н. Зориной
Уфа
2011
УДК 54(0.75.8)
ББК 24.1
К93
Утверждено Редакционно-издательским советом УГНТУ в качестве учебного пособия
Авторы: О.Ф.Булатова, С.С.Злотский, Л.Н.Зорина, Н.Н.Михайлова, М.Н.Назаров, Ю.И.Пузин, Л.З.Рольник, Л.Г.Сергеева, Ф.Б.Шевляков, И.Н.Сираева
Рецензенты:
Директор института нефтехимпереработки, доктор технических наук, профессор Э.Г.Теляшев Старший преподаватель кафедры «Химия» Стерлитамакской
государственной педагогической академии, кандидат химических наук Т.П.Мудрик
К93 Курс лекций по дисциплине «Химия нефти и газа» /О.Ф.Булатова и др.; под общ. ред. С.С. Злотского и Л.Н.Зориной.- Уфа:Изд-во УГНТУ,2011.– 54 с.
ISBN 978-5-7831-0983-6
Приведены краткие конспекты лекций по дисциплине «Химия нефти и газа». Содержание лекций соответствует государственным образовательным стандартам. В кратком курсе лекций отражен модульный принцип обучения, указано содержание лабораторных занятий, приводится список литературы для дополнительного изучения материала.
Краткий курс лекций предназначен для студентов нехимических специальностей направления «Нефтегазовое дело» очной и заочной форм обучения.
|
УДК 54 (0.75.8) |
|
ББК24.1 |
ISBN 978-5-7831-0983-6 |
© Уфимский государственный |
|
нефтяной технический |
|
университет, 2011 |
|
© Коллектив авторов, 2011 |
3 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение |
4 |
Содержание дисциплины «Химия нефти и газа» для студентов |
|
нехимических специальностей: СТ, ГТ, МТ, БСТ, БМТ, ГБ, ГГ |
6 |
Лекция 1. Общая характеристика нефти и газа |
9 |
Лекция 2. Физические свойства нефтей |
12 |
Лекция 3. Методы разделения углеводородов и определения состава |
|
нефти газа |
15 |
Лекция 4. Алканы, содержащиеся в нефтях и газах |
18 |
Лекция 5. Циклоалканы, содержащиеся в нефтях |
21 |
Лекция 6. Ароматические углеводороды, содержащиеся в нефтях |
24 |
Лекция 7. Алкены, алкадиены, алкины, образующиеся при переработке |
|
нефти |
27 |
Лекция 8. Кислородсодержащие соединения, содержащиеся в нефтях |
30 |
Лекция 9. Сернистые и азотистые соединения, содержащиеся в нефтях |
33 |
Лекция 10. Смолы, асфальтены, содержащиеся в нефтях |
36 |
Лекция 11. Основы нефтепереработки |
39 |
Лекция 12. Термокаталитические превращения углеводородов нефти |
42 |
Лекция 13. Окисление углеводородов. Основные кислородсодержащие |
|
продукты нефтехимии. |
45 |
Лекция 14. Методы очистки нефти газа и нефтепродуктов |
48 |
Контрольные вопросы |
51 |
Список рекомендуемой литературы |
52 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Сравнительно недавно (с 2001 года) в учебную программу студентов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело», включена дисциплина «Химия нефти и газа». Это полностью оправдано и обоснованно, поскольку высококвалифицированные специалисты, в перспективе ответственные руководящие работники ТЭК, обязаны владеть информацией и уверенно разбираться в физических и физико-химических аспектах нефтяного дела, включая получение и применение целевых конечных продуктов и материалов на основе углеводородного сырья.
Следует указать, что название данной дисциплины «Химия нефти и газа» несколько устарело и в настоящее время в номенклатуре ВАК заменено на более общее и полное – «Нефтехимия». Фактически содержание курса включает вопросы, связанные с химией и технологией нефтяного дела в широком понимании: физикохимия пласта; техническая и прикладная химия бурения; подготовка, транспорт и хранение углеводородного сырья и т.д.
Необходимо отметить, что классическому курсу «Химия нефти и газа»- «Нефтехимия» предшествуют такие специальные дисциплины, как «Химия», «Органическая химия», «Аналитическая химия», «Физколлоидная химия». В багаже у студентов нефтегазового направления только базовый курс «Общая и неорганическая химия», в котором органические соединения и углеводороды нефти рассматриваются весьма поверхностно. В этой связи лекционный материал дисциплины «Химия нефти и газа» ориентирован на слушателей, не имеющих углубленные химические знания. Краткий курс лекций наряду со специальными вопросами содержит общеобразовательную информацию (номенклатура, физико-химические свойства и характеристики наиболее распространенных углеводородов и др.).
Настоящее пособие, подготовленное коллективом преподавателей кафедры «Общая и аналитическая химия», имеет цель облегчить и упростить понимание физико-химических и химико-технологических аспектов предмета «Химия нефти и газа» - «Нефтехимия» студентам нехимических специальностей. Краткое содержание каждой из 14 лекций включает базовые положения, термины, формулы и определения. Приводятся контрольные вопросы и даны 2 – 4 источника, где данный раздел изложен более детально и подробно. Имеется расширенный список рекомендуемой учебно-методической литературы и перечислены основные вопросы, выносимые на зачёт или экзамен.
Настоящее пособие не заменяет существующие учебники и практикумы, а наоборот, предусматривает более подробное и детальное ознакомление и изучение разделов программы по основным учебникам. В то же время простота и доступность учебного пособия, на наш взгляд, позволяет студентам предварительно познакомиться с тематикой и содержанием лекций, лучше представить схему курса, связать между собой отдельные разделы программы.
Авторы - ведущие преподаватели кафедры в краткой, тезисной форме
5
обобщили и систематизировали основные параметры, цели и задачи каждой лекции. Это позволяет студентам свести к минимуму непроизводительный расход времени, концентрироваться на ключевых вопросах и положениях данной дисциплины.
Мы полагаем, что пособие окажется полезным и интересным всем без исключения студентам, изучающим на 1 курсе дисциплину «Химия нефти и газа», а также будет востребовано молодыми, начинающими преподавателями и научными сотрудниками для подготовки к лекциям, лабораторным и практическим занятиям. Рекомендуем данное пособие учителям, преподавателям средних школ, техникумов, колледжей, а также школьникам - старшеклассникам, заинтересованным в углубленном изучении химии нефти и газа.
Содержание дисциплины «Химия нефти и газа» для студентов нехимических специальностей: СТ, ГТ, МТ, БСТ, БМТ, ГБ, ГГ
Аудиторные занятия: лекции-28 ч., лабораторные занятия-24 ч.
РГР (домашние задания или контрольные работы)-3, зачёт - 0, экзамен – 1
Тема |
Вопросы, изучаемые на лекции |
|
|
Номер |
Содержание |
РГР |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
лекции no |
лабораторных занятий |
контрольные |
|
|
|
|
|
|
|
|
пособию |
|
точки |
|
1 |
Модуль 1 «Состав и общие свойства нефти» |
|
|
Лекции-6 ч, практические занятия-0 ч, лабораторные занятия-4 ч |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
РГР-0 |
|
|
1.1 |
Нефть и газ как природные объекты энергии и |
сырье |
для |
Лекция 1 |
|
|
|
|||
|
переработки. Гипотезы происхождения нефти. Элементный и |
|
|
|
|
|||||
|
групповой состав нефтей. Классификация нефтей |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1.2 |
Физические |
свойства |
нефтей. |
Плотность, молекулярная масса, |
Лекция 2 |
|
|
6 |
||
|
вязкость, температуры застывания, помутнения, кристаллизации. |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||
|
Характеристики пожароопасности нефтей и газов, температуры |
|
|
|
|
|||||
|
вспышки, |
воспламенения, |
самовоспламенения, |
пределы |
|
|
|
|
||
|
взрываемости. Октановое и цетановое числа |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1.3 |
Методы разделения |
нефти и |
газа: перегонка, ректификация, |
Лекция 3 |
1,2 Определение группового со- |
|
|
|||
|
экстракция, абсорбция, адсорбция, кристаллизация, диффузионные |
|
става нефтей и нефтепродуктов. |
|
|
|||||
|
методы. Хроматографические методы разделения и анализа нефти и |
|
Вода в нефтепродуктах. Методы |
|
|
|||||
|
газа |
|
|
|
|
|
|
определения состава нефти и газа. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первичная перегонка нефти |
|
|
2 |
Модуль 2 «Углеводороды нефти и газа» |
|
|
Лекции-8ч, практические занятия-0ч, лабораторные занятия-8ч, |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
РГР-0 |
|
|
2.1 |
Алканы нефти и газа. Состав и строение. Физические и химические |
Лекция 4 |
3 Состав, номенклатура и химичес- |
|
|
|||||
|
свойства алканов. Парафины и церезины их влияние на процессы |
|
кие свойства органических соедине- |
|
|
|||||
|
нефтедобычи |
|
|
|
|
|
|
ний нефти и газа. Алкановые угле- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водороды |
|
|
2.2 |
Циклоалканы нефти. Состав и строение. Закономерности |
их |
Лекция 5 |
4 Состав, номенклатура и химичес- |
|
|
||||
|
распределения по фракциям нефти. Физические и химические |
|
кие свойства органических соеди- |
|
|
|||||
|
свойства |
|
|
|
|
|
|
нений нефти и газа. Нафтеновые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
углеводороды |
|
|
6
7
Тема |
Вопросы, изучаемые на лекции |
|
Номер |
|
|
Содержание |
|
РГР |
||
|
|
|
лекции no |
|
лабораторных занятий |
|
контрольные |
|||
|
|
|
пособию |
|
|
|
|
|
точки |
|
2.3 |
Арены. Состав, распределение по фракциям нефти. Строение, |
Лекция 6 |
5 Состав, номенклатура и химии- |
|
|
|||||
|
физические и химические свойства. Правила ориентации в реакциях |
|
ческие |
свойства |
органических |
|
|
|||
|
электрофильного замещения в ароматическом кольце. Применение |
|
соединений нефти и газа. Аро- |
|
|
|||||
|
аренов в органическом синтезе |
|
|
матические углеводороды |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
2.4 |
Алкены, диены и алкины, образующиеся при переработке нефти. |
Лекция 7 |
6 Состав, номенклатура и хими- |
|
|
|||||
|
Выделение и свойства, использование в нефтехимическом синтезе |
|
ческие |
свойства |
органических |
|
|
|||
|
|
|
|
соединений |
нефти |
и |
газа. |
|
|
|
|
|
|
|
Ненасыщенные углеводороды |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
3 |
Модуль 3 «Гетероатомные и неуглеводородные соединения нефти» |
|
Лекции-6 ч, лабораторные занятия-4 ч, РГР-2 |
|
||||||
3.1 |
Кислородсодержащие соединения. Нефтяные кислоты и фенолы. |
Лекция 8 |
7 Состав, номенклатура и химичес- |
|
|
|||||
|
Физико-химические свойства нефтяных кислот, кислотное число. |
|
кие свойства органических соедине- |
|
|
|||||
|
Влияние кислородсодержащих соединений на процессы |
|
ний нефти и газа. Кислородсодер- |
|
|
|||||
|
нефтедобычи и свойства нефтепродуктов |
|
|
жащие соединения |
|
|
|
|
||
3.2 |
Сернистые соединения. Основные типы сернистых соединений, их |
Лекция 9 |
8 Состав, номенклатура и химичес- |
|
|
|||||
|
распределение по фракциям нефти. Физические и |
химические |
|
кие свойства органических соедине- |
|
|
||||
|
свойства сернистых соединений. Их влияние на процессы |
|
ний нефти и газа. Серусодержащие |
|
|
|||||
|
нефтедобычи и свойства нефтепродуктов, происхождение |
|
соединения |
|
|
|
|
|
||
|
сернистых соединений нефти. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3.3 |
Азотистые соединения. Содержание азота в нефтях |
и нефтяных |
Лекция 9 |
8 Состав, номенклатура и химиче- |
КР-1. |
|
||||
|
фракциях. Азотистые основании, нейтральные соединения, порфирины. |
|
ские свойства органических соеди- |
Номенклатура |
||||||
|
Влияние азотистых соединений на процессы добычи нефти и |
|
нений нефти и газа. Азотсо- |
углеводородов |
||||||
|
качество нефтепродуктов |
|
|
держащие соединения |
|
|
нефти и газа |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3.4 |
Смолы, асфальтены. Состав, строение, свойства. Выделение смол и |
Лекция 10 |
|
|
|
|
|
КР-2.Химические |
||
асфальтенов нефти. Влияние смол и асфальтенов на процессы |
|
|
|
|
|
|
свойства |
углево- |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
нефтедобычи и переработки. Неорганические компоненты нефти. |
|
|
|
|
|
|
дородов |
нефти и |
|
|
Основные металлы, встречающиеся в нефтях, их влияние на |
|
|
|
|
|
|
газа |
|
|
|
процессы добычи и переработки нефти |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7
8
Тема |
Наименование вопросов, изучаемых на лекции |
|
Номер |
Содержание лабораторных занятий |
РГР |
|
||
|
|
|
лекции по |
|
|
|
контрольные |
|
|
|
|
пособию |
|
|
|
точки |
|
|
|
|
|
|
|
|||
4 |
Модуль 4 «Процессы подготовки и переработки нефти и газа» |
Лекции-8 ч, практические занятия -0 ч, лабораторные занятия-8 ч, |
|
|||||
|
|
|
|
|
РГР-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4.1 |
Основы переработки нефти. Термический крекинг, |
пиролиз, |
Лекция 11 |
9,10 Термические превращения уг- |
ДЗ-1. Основы |
|
||
коксование. Дегидрирование, циклизация, ароматизация |
|
|
леводородов нефти. Химизм терми- |
нефтепереработки |
|
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
ческого крекинга алканов, алкенов, |
|
|
||
|
|
|
|
циклоалканов и ароматических |
|
|
||
|
|
|
|
углеводородов. |
|
|
|
|
4.2 |
Термокаталитические превращения углеводородов нефти. Катализ и |
Лекция 12 |
11,12 Термокаталитические превра- |
|
|
|||
катализаторы. Каталитический крекинг, каталитический риформинг. |
|
щения |
углеводородов |
нефти. |
|
|
||
|
|
|
|
|||||
|
Химические основы процессов, катализаторы, применение в |
|
Химизм |
каталитического |
крекинга |
|
|
|
|
промышленности |
|
|
алканов, алкенов, циклоалканов и |
|
|
||
|
|
|
|
ароматических углеводородов. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.3 |
Окисление углеводородов нефти и их производных. |
Основные |
Лекция 13 |
|
|
|
|
8 |
кислородсодержащие продукты нефтехимии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.4 |
Методы очистки нефти, газа и нефтепродуктов. Гидрогенизация и |
Лекция 14 |
|
|
|
|
|
|
гидрообессеривание |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9
М.Н.Назаров
Лекция 1. Общая характеристика нефти и газа
Ключевые слова: источники энергии, сырьё для производства, гипотезы происхождения, элементный состав, классификация.
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и органических соединений серы, азота и кислорода. В настоящее время нефть и газ являются основными источниками энергии в большинстве стран мира. В России топливно-энергетический комплекс является одной из основ экономики. Из нефти вырабатываются бензины, керосины, дизельное, реактивное и другие виды топлива.
Другое важнейшее направление использования нефти и газа – в качестве сырья для производства самых разнообразных продуктов нефтехимической, строительной и других отраслей промышленности: полимерных материалов, пластмасс, синтетических волокон и каучуков, смазочных и специальных масел, моющих средств, лаков, красок, растворителей, битумов, кокса и множества других. В этом отношении нефть и газ являются на сегодняшний день незаменимыми природными объектами.
Важнейшими задачами нефтеперерабатывающей промышленности являются увеличение глубины переработки нефти и повышение качества нефтепродуктов.
Нефть и газ – основной экспортный товар и главная статья дохода российской экономики.
Гипотезы происхождения нефти
1)неорганическая
2)космическая
3)органическая
Автором одной из неорганических теорий является Д.И.Менделеев. Согласно этой теории, первые органические соединения образовались в результате взаимодействия карбидов металлов, находящихся в ядре Земли, с водой, проникшей к ним по трещинам:
СаС2 + 2Н2О |
→ Са(ОН)2 + С2Н2 |
Al4C3 + 12Н2O |
→ 4А1(ОН)3 + 3СН4 |
Под действием высоких температур углеводороды и вода испарялись, поднимались к наружным частям Земли и конденсировались в хорошо проницаемых осадочных породах.
Согласно космической теории, нефть образовалась из углерода и водорода при формировании Земли. По мере понижения температуры планеты углеводороды поглощались ею и конденсировались в земной коре.
Наибольшее распространение получила органическая |
теория. Суть её в |
|||
том, что |
нефть является продуктом |
разложения |
растительных |
и |
животных |
остатков, отлагающихся первоначально в виде морского |
ила. |
10
Основным органическим материалом для нефти служат растительные и животные микроорганизмы, развивающиеся в гидросфере. Отмершие остатки таких организмов скапливаются на дне заливов. Одновременно в море сносятся различные минеральные вещества. В конечном итоге органический материал собирается на дне водоема и постепенно погружается все глубже и глубже. Верхний слой такого ила называется пелоген, а частично превращенный ил в большей своей толще - сапропел. По современным представлениям, органическое вещество, захороненное в морском иле, и является материнским веществом нефти. К так называемым сапропелитовым каустобиолитам относятся также сланцы, сапропелитовые угли и т.д.
Торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит - гумусовые каустобиолиты (гумус-остатки наземной растительности).
Разложение погибших растительных и животных организмов в морских илах под воздействием О2 и бактерий приводит к образованию: 1) жидких и газообразных продуктов; 2) осадков, устойчивых к химическому и бактерицидному воздействию. Эти осадки постепенно накапливаются в осадочных слоях. По своей химической природе они представляют собой смесь продуктов превращения белков. Дальнейшие превращения этого исходного органического материала в нефть происходят уже в отсутствие О2.
Образование нефти - это очень медленный процесс, протекающий в течение миллионов лет под воздействием повышенной температуры (1002500С), повышенного давления (50-200 атм) и биохимической деятельности микроорганизмов.
Элементный состав нефти. Основными элементами, входящими в состав нефти, являются С и Н. Содержание С колеблется в пределах 82-87%, H- 11 -14%, S-0,1-5%. Содержание N и О у большинства нефтей не превышает десятых долей процента.
Нефть состоит в основном из смеси метановых (алкановых), нафтеновых (циклоалкановых) и ароматических углеводородов. Кроме этого, в нефтях присутствуют кислородные, сернистые и азотистые соединения.
К кислородным соединениям нефти относятся нафтеновые кислоты, фенолы, асфальто-смолистые вещества. Сернистые соединения – это H2S, меркаптаны, сульфиды, тиофены, тиофаны, азотистые соединения – гомологи пиридина, гидропиридина и гидрохинолина. Компонентами нефти являются также растворенные в ней газы, вода и минеральные соли.
Содержание газов (С1-С4) в нефти колеблется от десятых долей до 4%, Н2О от 0,5 до 10% и выше, минеральных солей от 0,1 до 4000 мг/л и выше.
Кроме того, минеральные вещества содержатся в нефтях в виде растворов солей органических кислот, в комплексных соединениях и др.
Состав минеральных компонентов определяется в золе, получаемой при сжигании нефти. Содержание золы не превышает десятых долей процента, считая на Н. В золе обнаружено до 20 различных элементов (Са, Fe, Si, Zn, Сu, Al, Mo, Ni, V, Na, Sn, Ti, Mn, Sr, Pb, Co, Ag, Ba, Cr и др.), содержание которых колеблется от 5 ∙ 10-6 до 1 ∙ 10-8 %.