Нефть, ее свойства

метки: Нефть, Свойство, Технология, Транспорт, Влиять, Масло, Углеводород, Соединение

Бурный научно-технический прогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйства в XIX – XX вв. привели к резкому увеличению потребления различных полезных ископаемых, особое место среди которых заняла нефть.

Нефть начали добывать на берегу Евфрата за 6 – 4 тыс. лет до нашей эры. Использовалась она и в качестве лекарства. Древние египтяне использовали асфальт (окисленную нефть) для бальзамирования. Для приготовления строительных растворов использовался нефтяной битум. Нефть входила в состав «греческого огня». В средние века нефть использовалась для освещения в ряде городов на Ближнем Востоке, Южной Италии и др. В начале XIX в. в России, а в середине XIX в. в Америке из нефти путем возгонки был получен керосин. Он использовался в лампах. До середины XIX в. нефть добывалась в небольших количествах из глубоких колодцев вблизи естественных выходов ее на поверхность. Изобретение пара, а затем дизельного и бензинового двигателя привело к быстрому развитию нефтяной промышленности.

Масло представляет собой легковоспламеняющуюся маслянистую жидкость со специфическим запахом, обычно коричневым с зеленоватым оттенком или другим, иногда почти черным, очень редко бесцветным.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ В НЕФТЯХ

Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода – 11,0 – 14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5 – 8 %. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы: ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. Эти элементы образуют органические и неорганические соединения, из которых состоит масло. Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может находиться в свободном состоянии или быть частью сероводорода.

Углеводородные соединения

В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений.

Нефть в природных условиях состоит из смеси метана, нафтеновых и ароматических углеводородов. По углеводородному составу все нефти подразделяются на: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3) ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые, 6) метаново-ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этой классификации идет название углеводорода, содержание которого в масле ниже.

Подготовка нефти и газа к транспорту

... Эти и другие причины указывают на необходимость подготовки нефти к транспорту. Собственно подготовка нефти включает: обезвоживание и обессоливание нефти и полное или частичное ее разгазирование. Природный ... гидролизуется с образованием соляной кислоты. В результате разложения сернистых соединений при переработке нефти образуется сероводород, который в присутствии воды вызывает усиленную коррозию ...

Нефть также содержит растворенные углеводороды в твердом и газообразном состоянии. Количество природного газа в кубических метрах, растворенного в 1 тонне нефти в пластовых условиях, называется газовым фактором.

В нефтяных (попутных) газах кроме метана и его газообразных гомологов содержатся пары пентана, гексана и гептана.

Гетеросоединения

Помимо углеводородов, масла содержат химические соединения других классов. Обычно все эти классы объединяют в одну группу гетеросоединений (греч. «гетерос» – другой).

В нефтях также обнаружено более 380 сложных гетеросоединений, в которых

к углеводородным ядрам присоединены такие элементы, как сера, азот и

кислород. Большинство из указанных соединений относится к классу сернистых

соединений – меркаптанов. Это очень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами они образуют солеобразные соединения – меркаптиды. В нефтях

меркаптаны представляют собой соединения, в которых к углеводородным

радикалам присоединена группа SH.

Рис. 1. Метилмеркаптан.

Меркаптаны вызывают коррозию труб и другого металлического оборудования на буровых платформах.

Основная масса неуглеводородных соединений в маслах состоит из смолисто-асфальтовых компонентов. Это вещества темного цвета, содержащие, помимо углерода и водорода, кислород, азот и серу. Они представлены смолами и асфальтенами. Смолистые вещества заключают около 93% кислорода в нефтях. Кислород в нефтях встречается в связанном состоянии также в составе нафтеновых кислот (около 6%) – , фенолов (не более 1%) – , а также жирных кислот и их производных – (Р).

Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная его масса содержится в смолах. Содержание смол в нефтях может достигать 60% от массы нефти, асфальтенов – 16%.

Асфальтены представляют собой черное твердое вещество. По составу они похожи на смолы, но характеризуются разным соотношением элементов. Они отличаются большим содержанием железа, ванадия, никеля и др. Если смолы растворяются в жидких углеводородах всех групп, асфальтены нерастворимы в углеводородах метана, частично растворимы в нафтеновых и лучше растворяются в ароматических. В «белых» маслах смолы содержатся в небольших количествах, а асфальтены полностью отсутствуют.

ПРОИЗВОДНЫЕ НЕФТЕЙ

В 1888 г. предложено называть все горючие ископаемые каустобиолитами. Они подразделяются на две группы: угли и битумы. К битумам (лат. “битумен” – смола) отнесли нефть и горючие газы, а также твердые вещества, родственные нефтям. При классификации производных нефти выделяют две ветви. Один из них сочетает в себе продукты последовательного изменения нефти с нафтеновой основой — минералами из асфальтового ряда. Вторая отрасль — это продукты изменения нефти на основе парафина — минералы парафинового ряда.

Продукты изменения нефтей нафтеновой основе делятся на три группы: группа асфальтов, группа асфальтов и группа керитов. К первой группе относятся мальты и асфальты. Мальты – это черные, очень густые смолистые нефти. Они богаты серой и кислородом. Асфальты — это коричнево-черные или вязкие черные аморфные вещества, слабоэластичные или твердые. Асфальтиты отличаются от асфальтов большей твердостью, хрупкостью и большим содержанием смолисто-асфальтовых компонентов. Строительный раствор, асфальты и асфальтиты полностью растворяются в органических растворителях. В отличие от них кериты (нефтяные угли) не плавятся и не растворяются в органических растворителях.

Основными продуктами изменения парафиновых масел являются озокериты. Это – воскообразные вещества плотностью меньше единицы. Они хорошо растворяются в бензине, бензоле, скипидаре и сероуглероде. Они легко воспламеняются и горят ярким коптящим пламенем. Озокерит – это смесь алканов от до . Вторичные компоненты представлены маслами, смолами и асфальтенами.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

Главное свойство нефти, принесшее им всемирную известность как исключительные энергоносители, — это их способность выделять значительное количество тепла при сгорании. Нефть и ее производные имеют самую высокую теплотворную способность из всех видов топлива. Теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина – 42 МДж/кг. Важным показателем для масла является температура кипения, которая зависит от состава углеводородов, входящих в состав масла, и колеблется от 50 до 550 ° C.

Масло, как и любая жидкость, закипает при определенной температуре и переходит в газообразное состояние. Различные компоненты масла переходят в газообразное состояние при разных температурах. Так, температура кипения метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°С. Легкие нефти кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.

Разница температур кипения углеводородов используется для разделения масла на фракции по температуре. При нагревании нефти до 180–200 ° С углеводороды из бензиновой фракции испаряются, при 200–250 ° — нафта, при 250–315 ° С — керосиновая нефть и при 315–350 ° С — нефть. Остаток представлен гудроном. В состав бензиновой и нафтовой фракций входят углеводороды, содержащие 6-10 атомов углерода. Керосиновая фракция состоит из углеводородов с , газойлевая – и т.д.

Важным является свойство нефтей растворять углеводородные газы. В 1 м ³ нефти может раствориться до 400 м³ горючих газов. очень важно выяснить условия растворения нефти и природных газов в воде. Нефтяные углеводороды растворяются в воде крайне незначительно. Нефти различаются по плотности. Плотность масла, измеренная при 20 ° C, отнесенная к плотности воды, измеренной при 4 ° C, называется относительной. Масла с относительной плотностью 0,85 называются легкими, с относительной плотностью от 0,85 до 0,90 — средними, а с относительной плотностью выше 0,90 — тяжелыми. В тяжелых нефтях содержатся в основном циклические углеводороды. Цвет масла зависит от его плотности: светлые масла менее плотные, чем темные. А чем больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность. При добыче нефти важно знать ее вязкость. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамическая вязкость — это внутреннее сопротивление отдельных частиц жидкости движению общего потока. У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. При добыче и дальнейшей транспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематическая вязкость — это отношение динамической вязкости к плотности среды. Большое значение имеет знание поверхностного натяжения нефти. При контакте масла и воды между ними возникает эластичная мембраноподобная поверхность. Капиллярные явления используются при добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горной породой больше, чем у нефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелких трещин в более крупные. Для увеличения нефтеотдачи пластов используются специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Нефти имеют неодинаковые оптические свойства. Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способна светиться. При этом легкие масла светятся голубым светом, тяжелые — коричневым и желто-коричневым. Это используется при поиске нефти. Нефть является диэлектриком и имеет высокое удельное сопротивление. На этом основаны электрометрические методы установления нефтеносных пластов в разрезе, вскрытом скважиной.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТЕЙ

Существуют две теории происхождения нефти: биогенная и абиогенная. Сторонники первого — органического — считают, что нефть образовалась в осадочном чехле земной коры в результате глубокого преобразования животных и растительных организмов, которые жили миллионы лет назад. Другие — неорганические — показывают, что нефть образовалась в мантии Земли неорганическим путем. Ответ на этот вопрос даст ответ на другой вопрос: в каких конкретных точках образуется нефть?

ОРГАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Органическая концепция начинает развиваться после создания работы М. В. Ломоносова о нефти. Он писал: «Мы можем быть уверены в происхождении этих подземных горючих материалов из растущих растений из-за их легкости». Спорили ли сторонники органического происхождения, были ли исходным сырьем для масла растения или животные? Кто сказал: выиграли и растения, и животные. Другим предметом спора было место залегания нефти. Некоторые ученые полагали, что нефть была найдена в том же месте, где она образовалась, другие полагали, что нефть образовывалась в одном месте и накапливалась в другом. Победила вторая точка зрения.

Органическая концепция в ее развитии основана на геологических наблюдениях. Так, 99,9% известных скоплений нефти приурочено к осадочным толщам. Поэтому ученые считают, что нефть — это продукт процесса седиментации. нефтяные залежи обнаружены в линзах проницаемых пород, окруженных непроницаемыми породами.

Интересными оказались результаты исследования осадочных пород. Так, в глине в 2–4 раза больше органического вещества, чем в песке. Данное органическое вещество (ОВ) подразделяется на три фракции: битумоиды, гуминовые кислоты и кероген. Битумоиды сходны по составу с нефтями в залежах. Они составляют до 10–15 % ОВ. Битумоиды на 5–55 % состоят из углеводородов. Следовательно, чем больше углеводородов присутствует в отложениях, тем больше эти породы богаты битумом. ОВ состоит на 15–20 % из гуминовых кислот. Нерастворимое осадочное органическое вещество называется керогеном. Кероген сходен по составу с бурым углем. ОВ состоит на 70–80 % из него.

Дисперсные битумоиды ОМ похожи на липоиды: жиры, состоящие из длинных углеродных цепей. Отсюда был сделан вывод: липиды, синтезируемые организмами, являются источником битумоидов в отложениях. В настоящее время возможность образования углеводородов из липоидов, белков и углеводов можно считать доказанной. По химическому составу липиды наиболее близки к соединениям, входящим в состав масла. Некоторые ученые считают, что само механическое накопление углеводородов, попадающих из живого вещества в отложения, может привести к образованию нефти. На процесс происхождения нефти также влияют горные породы. Следовательно, алюмосиликаты, входящие в состав глины, являются катализаторами процесса образования нефти. И именно в глинистых породах происходит преобразование рассеянного ОВ.

С точки зрения современной биологической позиции масло образуется следующим образом.

Моря и озера населены планктоном. После его отмирания остатки растений и животных организмов падают на дно, образуя толстый слой ила. После этого начинается биохимическая стадия образования нефти. Микроорганизмы при ограниченном доступе кислорода перерабатывают белки, углеводы и т.д. При ютом образуются метан, углекислый газ, вода и немного углеводородов. Данная стадия происходит в нескольких метрах от дна моря. Затем осадок уплотняется: происходит диагенез. Между веществами начинаются химические реакции под действием температуры и давления. Сложные вещества разлагаются на более простые. Биохимические процессы затухают. С увеличением глубины растет содержание рассеянной нефти. Затем на глубине до 1,5 км происходит газообразование, в диапазоне 1,5-8,5 км, жидкие углеводороды — микронейл — образуются при температурах от 60 до 160 ° С. А на больших глубинах при температуре 150 –200°С образуется метан. По мере сжатия ила микронейл вдавливается в вышележащие песчаники. Это процесс первичной миграции. Затем под действием различных сил микромасло поднимается по склону. Это вторичная миграция, которая является периодом формирования самого лагеря.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

Существует несколько вариантов концепции неорганического происхождения масла.

Наиболее последовательной является минеральная (карбидная) гипотеза Менделеева. Менделеев утверждает, что при образовании нефти уголь является основным остатком разложения, а в Пенсильвании и Канаде нефть находится в девонских и силурийских стыках, которые не содержат уголь. Кроме того, масло не может быть получено из животного жира, так как оно дает много соединений азота, которых в масле мало. Кроме того, запасы масла огромны и для их образования потребуется много жира. Менделеев полагает, что вода, проникая глубоко в землю и встречая там углеродистое железо, реагирует с ним и дает окислы и углеводороды (пары нефти).

Они пролезали холодными слоями, добывали нефть и, если не было препятствий, поднимались на поверхность. Сторонники органической концепции признают, что Менделеев «впервые серьезно и научно поставил вопрос о генезисе нефти».

В 1950 г. профессор Кудрявцев выдвинул магматическую гипотезу образования нефти. Кудрявцев считает, что в мантии Земли при высокой температуре образуются углеводородные радикалы СН, СН ₂ и СН₃ . Из-за перепада давления они приближаются к поверхности земли. В результате понижения температуры радикалы реагируют друг с другом и с водородом, образуя большое количество простых и сложных углеводородов. Они смешаны с углеводородами, полученными из окиси углерода и водорода. Дальнейшее движение углеводородов, обусловленное огромным перепадом давлений и разностью давлений нефти и воды, происходит по заполненным водой трещинам и приводит их на поверхность или в ловушки (часть природного резервуара, в которой может установиться равновесие между газом, нефтью и водой).

Существует также пространственная гипотеза неорганического происхождения масла. Согласно этой гипотезе, Земля, когда она остыла и сформировалась как планета, захватила бы водород из первичного газообразного вещества. Этот водород, двигаясь по глубоким разломам к поверхности, вступает в реакцию с углеродом жидкой магмы и образует нефтяные углеводороды.

Неорганическая концепция, так же как и органическая, опирается на наблюдения. Таким образом, существует около 30 известных нефтяных месторождений, приуроченных к магматическим и метаморфическим породам. Подсчитано, что ежегодно вулканы выбрасывают около 3,3´10 ⁵ т углеводородов.

Чтобы проверить карбидную теорию, на чугун воздействовали соляной и серной кислотами и получали водород и смесь углеводородов с запахом нефти.

* * *

В настоящее время господствующей является органическая концепция. Он отличается большей гармоничностью, зрелостью и полнотой суждений. Под неорганической концепцией существует несколько гипотез, иногда они исключают друг друга.

ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

Нефть, получаемая непосредственно из скважин, называется сырой. В различных отраслях народного хозяйства используется как сырая нефть, так и различные продукты, полученные из нее в результате переработки.

В настоящее время многие компоненты извлекаются из нефти с помощью сложных многоступенчатых процессов.

В процессе первичной обработки пластовая вода и неорганические вещества удаляются из нефти. Перед перегонкой в ​​дистилляционной колонне масло нагревают до 350 ° C, прежде чем летучие углеводороды будут удалены из масла. Углеводороды с небольшим числом атомов углерода испаряются и перегоняются первыми. При повышении температуры смеси углеводороды с более высокой температурой кипения отгоняются. При такой перегонке получают следующие фракции (смесь жидкостей с близкими температурами кипения, полученная в результате первичной перегонки)

1. Газолиновая фракция, собираемая от 40 до 200°С, содержит углеводороды от до ; при дальнейшей перегонке получают газолин, бензин и т.д.

2. Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250°С, содержит углеводороды от до ; лигроин применяется как горючее для тракторов.

3. Керосиновая фракция, собираемая от 180 до 300°С, содержит углеводороды от до ; керосин после очистки используется как горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет.

4. Газойлевая фракция, собираемая свыше 275°С; газойль – дизельное топливо – используется в дизельных двигателях.

5. Остаток после перегонки нефти – мазут. Мазут — это нефть, состоящая из углеводородов, содержащих до сорока атомов углерода. Температура кипения мазута – свыше 350°С. При его повторной перегонке получают смазочные масла, парафиновый воск и асфальт (битум).

Смазочные масла представляют собой смесь нелетучих жидкостей, получаемую путем перегонки мазута в вакууме. Парафин — это мягкое твердое вещество, которое отделяется от смазочного масла после вакуумной перегонки мазута. Битум – жидкость, которая остается после перегонки мазута в вакууме. Это деготь, черное, полутвердое при температуре 20°С вещество.

Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более 20%).

Его выход можно увеличить с помощью крекинга и риформинга. Крекинг — это реакция, при которой длинные цепи алканов разрываются с образованием более легких алканов и алкенов. Риформинг — это процесс очистки бензина, при котором бензин получают из легких фракций путем разрыва линейной цепи молекул алкана и преобразования их в молекулы с разветвленной цепью. Крекинг проводится при высокой температуре (термический крекинг) или в присутствии катализатора (каталитический крекинг).

Бензин, полученный путем каталитического крекинга, более устойчив к ударам, поскольку содержит большое количество разветвленных углеводородов. Такой бензин более устойчив при хранении. Качество бензина определяется по его октановому числу. Оно изменяется от 0 до 100 и увеличивается при использовании антидетонаторов, например, тетраэтилсвинец .

При температуре 700 ° С и выше происходит пиролиз масла, разложение органических веществ без доступа воздуха. Главными продуктами пиролиза являются непредельные газообразные (этилен, ацетилен) и ароматические (толуол, бензол и др.) углеводороды.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты и т.д.

Продукты нефтепереработки наиболее широко используются в топливно-энергетической отрасли. Например, мазут имеет теплотворную способность почти в полтора раза выше лучших углей. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта.

Энергетическое направление в использовании нефти до сих пор остается главным во всем мире. Доля нефти в мировом энергобалансе составляет более 46%.

Однако в последние годы продукты переработки нефти все шире используются как сырье для химической промышленности. Около 8% добываемой нефти потребляются в качестве сырья для современной химии. Например, этиловый спирт применяется примерно в 150 отраслях производства. В химической промышленности применяются формальдегид (HCHO), пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак, этиловый спирт и т.д.

Продукты переработки нефти применяются и в сельском хозяйстве. Здесь используются стимуляторы роста, протравители семян, ядохимикаты, азотные удобрения, мочевина, пленки для парников и т.д. В машиностроении и металлургии применяются универсальные клеи, детали и части аппаратов из пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применение нашел нефтяной кокс, как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажа идет на огнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяются полиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин, производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем для которых служат метиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и парфюрмерной промышленности из производных переработки нефти изготовляют нашатырный спирт, хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные нефтесинтеза находят широкое применение и в деревообрабатывающей, текстильной, кожевенно-обувной и строительной промышленности.

Химизация нефти позволила сократить расходы пищевых продуктов на технические цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нефть (и газ) останутся в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтегазохимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успехов в области поисков, разведки и разработки нефтяных (и газовых) месторождений. Но ресурсы нефти (и газа) в природе ограничены. Бурное наращивание в течение последних десятилетий их добычи привело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятно расположенных месторождений.

В проблеме рационального использования нефти (и газа) большое значение имеет повышение коэффициента их полезного использования. Одно из основных направлений здесь предполагает углубление уровня переработки нефти в целях обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах и нефтехимическом сырье. Другим эффективным направлением является снижение удельного расхода топлива на производство тепловой и электрической энергии, а также повсеместное снижение удельного расхода электрической и тепловой энергии во всех звеньях народного хозяйства.

Использованная литература:

[Электронный ресурс]//URL: https://obzone.ru/referat/svoystva-nefti-vliyayuschie-na-tehnologiyu-ee-transporta/

1) Судо М. М. Нефть и горючие газы в современном мире. – М.: Недра, 1984.

2) Химия. Школьный иллюстрированный справочник. – М.: Росмэн, 1995.

3)Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Органическая химия: учебник для 10 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1991.