Презентация на тему Химия нефти и газа

2001 г. (Oil and Gas Journal)

Западно-Сибирский — 45,
Восточно-Сибирский — 15,

состава нефтей, нефтепродуктов, газоконденсатов и газов с помощью современных

компонентов нефти, в том числе как высокотемпературных (в процессах

НЕФТИ

кристаллических породах, вулканических газах и магмах;
проявления нефти и газа

Пока нет достаточных данных, которые могли бы однозначно доказать возможность минерального синтеза такой сложной и закономерной по составу системы углеводородов, азот-, серо- и кислородсодержащих соединений, какой является природная нефть.
Геологические доказательства минеральной гипотезы являются косвенными и всегда допускают двойную трактовку.

– заложил основы гипотезы органического происхождения нефти.
Химические эксперименты

общее для живого вещества, продуктов его преобразования и природных

Тритерпан (гопан)

пород
1927г.
«…широкое региональное распространение месторождений нефти в осадочных толщах заставляет

материал, т.е. продукты превращения остатков мельчайших планктонных водорослей.
глинистые
битуминозные

Средняя концентрация РОВ в осадочных породах

~ 1 %

до 5 - 6 %,
иногда до 10 – 20 %

рассеянного органического вещества осадочных пород.
Вассоевич Н.Б. назвал углеводороды рассеянного

Н.Б.Вассоевич

унаследованных от живого вещества биомолекул.

углеводороды
нормальные алканы

вещества осадочных пород и нефтей.
Доказательство 4 – геологические данные
Нефть

об органическом происхождении нефти.

Литогенез как сводное понятие.
СТАДИИ

дне различных водоемов и во впадинах на суше.

на дне водных бассейнов в осадочные горные породы в

Диагенез

давления,
процессы существенно
биохимические, при участии

пород после их возникновения из осадков в результате диагенеза

Катагенез

350оС на глубине 10-12 км) и давление (до 1800

осадочных горных пород до момента их превращения в метаморфические

литогенеза.
Н.Б.Вассоевич

битумоиде и керогене.
Битумоид – растворимые в органических растворителях компоненты

и генерация нефти и газа (г) при росте глубины

ДИАГЕНЕЗ:
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ → БИТУМОИДЫ
ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ → КЕРОГЕН
3.

70 оС
II подстадия: 2 - 4 км; до 80

ГАЗА

живом веществе организмов;

биохимический процесс преобразования исходного

органического вещества осадков;

геохимические условия (Eh, pH) при преобразовании органического

нечетным числом атомов углерода.
Унаследованные высокомолекулярные н-алканы:
хемосинтезирующие бактерии:

присутствующие в живом веществе организмов кислородсодержащие производные различных циклических

Холестерин
(спирт)

Холестан
(углеводород)

дегидратационной циклизацией непредельных жирных кислот:
Из образующихся циклоалкенов при дальнейших

то время как в нефтях содержание ароматических углеводородов составляет

Поэтому образование аренов в сапропелевом органическом веществе осадков и в нефтях следует связывать со вторичными процессами преобразования органического вещества, происходящими в осадках на стадиях диагенеза и, особенно, катагенеза в зоне повышенных температур.

как катализатора образуются сначала предельные пятичленные и шестичленные кетоны

Непредельные
жирные
кислоты

Циклогексанон
(кетон)

Катализатор

Гибридный углеводород
нафтено-ароматической
структуры

С, Н, О, N, S и др.;
фракционный состав –

2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ

групповой углеводородный состав; групповой состав гетероатомных соединений;
структурно-групповой состав –

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ

– 11 – 14 % (масс.).
СЕРА – 0,02 –

2.1 ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ НЕФТИ

выкипающих в определенных интервалах температур;
основа промышленного процесса нефтепереработки
старейший метод

Разгонка нефти на фракции

называют светлыми.
Остаток после отбора светлых дистиллятов (выше 350

Фракции, выкипающие до 200 оС, называют легкими или бензиновыми,
от 200 до 300 оС – средними или керосиновыми, выше 300 оС – тяжелыми или масляными.

Нефть «разгоняют» до температур 500 – 550 оС.

до 350 оС – светлые дистилляты:
н.к. (начало кипения)

получают следующие фракции в зависимости от направления переработки нефти:
для

содержанием основных групп соединений:
углеводороды;
гетероатомные соединения: S-, N-,

алканы;
нафтеновые (полиметиленовые) углеводороды или цикланы (циклопарафины, циклоалканы);
ароматические углеводороды, или

виде растворенного газа, метан, этан….);
Жидкие алканы С5 – С15;

сравнению с углеводородами других классов имеют минимальную плотность;
Нормальные

хорошо растворимы в ароматических углеводородах.
Алканы химически наиболее инертная

полициклические.

С5 – С7 –

бензольном ядре до 3-х метильных и один длинный заместитель

Среди бициклических аренов преобладают производные нафталина, которые могут содержать до 8 насыщенных колец в молекуле.

Второстепенное значение имеют производные дифенила и дифенилалканов.

антрацена,
которые могут содержать в молекулах до 4

Антрацен

Полициклические:

Фенантрен

содержания аренов

и алкановые цепи, но и насыщенные циклы.
Моноарен стероидной
структуры

отличаются от алканов и нафтенов с тем же числом

содержат одну

СН3 – СН2 – СН3

Пропан

СН3 – СН = СН2

Пропен

Фролов Е.Б. и Смирнов М.Б. (1990г.) обнаружили олефины (до 15 %) во многих образцах природных нефтей. По их мнению, олефины – продукт радиолитического дегидрирования (- Н2)
насыщенных углеводородов нефти под действием естественного радиоактивного излучения в недрах.

углеводородами имеется значительное количество соединений, включающих такие гетероатомы, как

соединения
Кислородсодержащие соединения
обладающие кислыми свойствами
нейтральные
КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ

кислот пока не выделена индивидуально:
Гопилуксусная кислота

фурановой:
алкилдигидробензофураны (кумароны)

эфиры могут иметь и насыщенную структуру типа:

нефтях. Она входит в состав до ~ 60 %

Серосодержащие соединения нефти неравномерно распределены по фракциям. В отличие от других гетероэлементов, сера присутствует в дистиллятных фракциях (до 450 – 500 оС).

Меркаптаны,
Сульфиды,
Дисульфиды,
Тиофен и

– (СН2)3 – SH, бутилмеркаптан.

S – C3Н7,
метилпропилсульфид.
60—70 %
тиациклопентанов

алкилтиофан
30—40 %
тиациклогексанов
диалкилтиациклогексан

в нефтях содержатся би- и полициклические соединения, включающие ароматические

На их долю приходится менее 10 % тиацикланов.

35 : 50 : 15

в легких и средних фракциях безмеркаптановых нефтей, где их

ТИОФЕН и его производные:

- арилтиофены: бензотиофен,
дибензотиофен,
нафтотиофен:

- алкилтиофены;

средне- и высококипящих фракциях нефти, в которых они составляют

Тетра- и пентациклические системы, включающие тиофеновое кольцо, характерны для тяжелых и остаточных фракций нефти.

Эти системы, помимо ароматических, содержат нафтеновые кольца и алкильные заместители.

Структурные формулы - гипотетические

и в тяжелых остатках.
АЗОТИСТЫЕ
ОСНОВАНИЯ
НЕЙТРАЛЬНЫЕ
АЗОТИСТЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ

кислот (– СОNH2).
индол
карбазол
бензокарбазол

являются ядами катализаторов ароматизации, крекинга, гидрокрекинга, в дизельных топливах

70 % составляют смолисто-асфальтеновые вещества.
Выделение индивидуальных веществ из

нерастворимые в нормальных алканах, таких как n-пентан, при нормальных

тела) от темно-коричневого до темно-бурого цвета с плотностью около

цвета. При нагревании не плавятся, а переходят в пластическое

Основой таких молекул является полициклическое ядро, содержащее: 4 -

– ароматическое кольцо с гетероатомом

Ld - расстояние между слоями
Строение асфальтеновых частиц (ассоциатов)

минеральные
вещества.

Элементы, входящие в состав этих

Са, Sr, Mg),
металлы подгруппы меди (Сu, Ag,

МЕТАЛЛЫ НЕФТИ

НЕМЕТАЛЛЫ НЕФТИ

Si, Р, As, Cl, Br, I и др.

в виде:
мелкодисперсных водных растворов солей,
тонкодисперсных взвесей минеральных

асфальтенах:
Внутримолекулярные комплексы относительно хорошо изучены на примере порфириновых комплексов

Здесь помимо азота в комплексообразовании принимают участие атомы кислорода и серы. Такие комплексы могут образовывать медь, свинец, молибден и другие металлы.

гетероатомами асфальтенов по донорно-акцепторному типу. В этом случае комплексы

Для асфальтенов установлено, что:
концентрация микроэлементов возрастает с увеличением молекулярной массы асфальтенов, ароматичности, содержания N, S, O.

ванадий и никель встречаются в значительно больших концентрациях, чем

поверхностную активность нефтей.
Большинство микроэлементов являются ядами катализаторов нефтепереработки. Поэтому

и геологам для решения вопросов:
о происхождении нефти,

КЛАССИФИКАЦИИ
КЛАССИФИКАЦИЯ ГРОЗНИИ

том случае, если на хроматограммах фракции 200—430°С проявляются в

4.2 ГЕНЕТИЧЕСКИЕ КЛАССИФИКАЦИИ

содержанию сероводорода и легких меркаптанов нефть подразделяют на классы,

Классы нефти

дополнительно по выходу фракций и массовой доле парафина, нефть

Группы нефти

нефть подразделяют на виды

обозначениям класса, типа, группы и вида нефти. При поставке

многокомпонентную смесь сложного состава, способную в широком интервале значений

5 НЕФТЬ КАК ДИСПЕРСНАЯ СИСТЕМА

мольной доли компонентов
Бинарные углеводородные системы: 2,2 – диметилпентан -

или более фаз с развитой поверхностью раздела между ними.

зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или

отличаются от макромолекул ВМС в несколько раз большей молекулярной

Система приобретает:
структурно-механическую прочность
неустойчивость

структур в дисперсных системах, а также процессов деформации и

оболочка; 3 - промежуточный слой

системы (гели).
В свободнодисперсной системе частицы дисперсной фазы не

действию внешних сил. Чем больше силы взаимодействия макромолекул ВМС

max от динамической вязкости min.
При повышении температуры СМП снижается

сохранять в течение определенного времени равномерное распределение ССЕ в

нефть как дисперсионная среда, по разному влияют на поведение

зависит от ее химического состава. С ростом содержания смолисто-асфальтеновых

2. Введение в нефтяную систему специальных добавок
3.Понижение или повышение

Причины возникновения нефтяных систем, содержащих ССЕ

2 - толщина сольватного слоя;
3 - устойчивость;
4 -

ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАТИМОЙ НЕФТЯНОЙ ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ

температура;
давление;
отношение структурирующихся компонентов к неструктурирующимся;
растворяющая

насыщенных паров
Температура вспышки и воспламенения
Реологические свойства

Средняя молярная масса многих нефтей 250—300.
Первый представитель жидких

вес (Мср) зависит от их средних температур кипения (tср).
Кривые

различных фракций может быть вычислена как отношение суммы масс

где mi - массы компонентов, кг (г);
Мi - мольные массы тех же компонентов.
По этой формуле возможно вычислить мольную массу нефти, если известны мольные массы полученных из нее дистиллятов.

и эбулиоскопическим методами.
При определении молекулярной массы криоскопическим методом

– холод, мороз, лед, и skopeо - смотрю, наблюдаю)

открытие:
понижение температуры замерзания, вызываемое разными растворенными веществами, взятыми

Закон Рауля гласит:

относительное понижение парциального давления пара растворителя над разбавленным раствором неэлектролита равно молярной доле растворенного вещества.

достаточной точностъю при молярной доле растворенного вещества в пределах

где R - универсальная газовая постоянная;
t0 и λпл - соответственно температура замерзания и удельная теплота плавления чистого растворителя;
K – криоскопическая постоянная растворителя.

молем растворенного вещества (6,02∙1023 недиссоциированных частиц) в 1 кг

Итак, депрессия ∆t, т. е. понижение температуры замерзания растворителя при растворении в нем исследуемого вещества, пропорциональна его молярной концентрации С:

∆t = K·C,

Тогда:
С = а / М = n ,
где а – количество вещества (нефти), г;
М – молярная масса вещества.

Отсюда:

М = а·К / ∆t

растворенных в бензоле

разбавленным растворам;
в применяемых растворителях многие вещества проявляют склонность к

условиях теряет подвижность, называется температурой застывания.
Согласно ГОСТ 20287-74

— 62 до +35 °С. Экстремальные значения температуры застывания

оказывает содержание парафинов, способных при соответствующих температурах к структурированию

минимальная температура, при которой пары нефтепродукта образуют с воздухом

Большинство нефтей имеют температуру вспышки паров ниже 0 °С. Температура вспышки усть-балыкской и самотлорской нефтей равна соответственно —30 °С и —35 °С.

горючие.
К легковоспламеняющимся относятся нефтепродукты, имеющие температуру вспышки паров

Для индивидуальных углеводородов эта зависимость по Орманди и Кревину

испытуемого продукта при внесении внешнего источника воспламенения образуют устойчивое

Температура воспламенения дизельных топлив находится в пределах 57—119°С.

нефтепродуктов в смеси с воздухом воспламеняются без внешнего источника

Температура самовоспламенения нефтепродукта с увеличением его молекулярной массы уменьшается: если бензины самовоспламеняются при температурах выше 500°С, то дизельные топлива - при 300—330 °С.

и взрывоопасность нефти и нефтепродуктов.
Нефть относят к легковоспламеняющимся жидкостям

приложена касательная сила F. Она создает численно равное ей

Реология – наука, которая изучает механическое поведение твердо- и жидкообразных тел (реос – течение; логос – учение).

Связь между величинами напряжения сдвига , деформации  и их изменениями во времени есть выражение механического поведения, которое составляет предмет реологии.

модель вязкой жидкости

не подходит, называются неньютоновскими.
Неньютоновские вязкие жидкости делятся на

неньютоновской жидкости не является постоянной величиной, а зависит от

- дилатантная жидкость;
4 - вязкопластичная жидкость
n = 1-

жидкости
от скорости сдвига и температуры

от температуры и скорости сдвига

самопроизвольному восстановлению структуры после ее разрушения называется тиксотропией.

дисперсного состояния высокомолекулярных парафинов нефти,
содержания и адсорбционного

газа оцениваются в 113 трлн. м3. Разведанные запасы газа:
Россия

природного газа в мире насчитывается 11. Из них 7

происхождения на следующие группы:
1) природные (сухие), состоящие преимущественно

7.1 КЛАССИФИКАЦИИ ГАЗОВ

смесь предельных углеводородов.
Газ содержит также неуглеводородные компоненты: азот,

недавнего времени попутный газ в СССР в основном сжигался

углеводородов, из которых при снижении давления выделяется жидкая углеводородная

Газообразные чистые углеводороды
3. Жидкие смеси углеводородов
4. Твердые

типа залежей используют различные коэффициенты:
коэффициент «жирности» - отношение

газа. Среднее содержание N2 не превышает 8 %.

Сероводород

НЕУГЛЕВОДОРОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ГАЗОВ

содержанием сероводорода. В малосернистых и бессернистых газах концентрация СО2

Содержание ртути изменяется в широких пределах: от 1∙10 -8

слабосернистые с содержанием сероводорода и тиоловой серы менее 20

углеводороды разлагаются (крекируются) с образованием легких углеводородов, в т.ч.

каталитического крекинга, богатый бутиленами и изобутаном, — наилучший вид

следующие углеводородные фракции (чистотой 90 – 96 %):
этановая

пропан-пропиленовая — сырье для производства полимербензина, фенола и ацетона,

Около 13 трлн м3 газа относится к нетрадиционным ресурсам газа на территории Сибири. Это залежи метана в Кузбассе.

компонентом которого является метан. Происхождение этого газа связано с

каменные, а последних в антрациты уменьшается содержание кислорода, водорода

угля неодинаковы и зависят от:
геологических условий и

В некоторых угленосных бассейнах верхняя граница метановой зоны находится на глубине 50—200 м. Известны районы, где эта граница расположена значительно глубже (600—800 м). В Печорском бассейне зона полной деметанизации в большинстве месторождений отсутствует. Уже в самых верхних слоях каменноугольный газ содержит заметное количество метана.

каменного угля, следует считать газы метановой зоны.

приходящееся на единицу веса угля.
Нарастание газоносности горючей массы

большая часть газа адсорбирована углем.
Газоносность углей зависит от:

газа позволяет рационально решать вопросы его добычи, переработки и

НИМИ
Массовая доля – масса i-го компонента, отнесенная к общей

Число молей равно массе вещества mi, деленной на молекулярную массу Mi:

Молярная (мольная) доля – число молей i-го компонента, отнесенное к общему числу молей в системе:

Моль – количество вещества в граммах, численно равное его молекулярной массе.

можно рассчитать по составу газа и плотности каждого компонента:

где yi = Ni или vi в долях единицы;
ρi - плотность компонента газа.

газа называется свойство, проявляющееся в сопротивлении, которое жидкость или

Сопротивление сдвига пропорционально скорости сдвига, а не силе сдвига, как у твердых тел.

Закон течения Ньютона связывает тангенциальную силу, приложенную к жидкости (газу) и сопротивление стационарному течению:

S - площадь, к которой приложена
сила F.

получаем тангенциальное напряжение:
откуда
Эта величина называется коэффициентом вязкости, коэффициентом внутреннего

один пуаз (П).
Пуаз — это динамическая вязкость жидкости, оказывающей

В системе СИ единица динамической вязкости имеет размерность (н∙с)/м2 или Па∙с, мПа∙с. Эта единица в 10 раз больше пуаза.
1 П = 0,1 (н∙сек)/м2.

газ,
5- сероводород, 6- метан,
7- этилен, 8- этан,

Температура, оС

Вязкость, спз

ВЯЗКОСТЬ ГАЗОВ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ

ат

спз

мпз

оС

в – 0,8;
г – 1,0
Температура, К

паров от температуры (при атмосферном давлении) установлена Сатерлендом:
 -

атмосферном давлении можно рассчитать, если известен ее компонентный состав:
см

Вязкость смеси газов не обладает свойством аддитивности.

давлении к вязкости при атмосферном давлении,
является функцией приведенного

где Tr, pr – псевдоприведенные температура и давление смеси газов, Т, р и Тс, рс – рабочие и псевдокритические значения температур и давлений, соответственно.

называть такую температуру, выше которой газ под действием давления

Критические давление и температуру для смеси газов можно определить по формулам:

метод разделения и анализа сложных смесей газов, жидкостей и

разделения смеси веществ, основанный на многократно повторяющемся процессе перераспределения

содержащую неподвижную фазу, непрерывно подают инертный газ и в

Вследствие специфических различий в сорбции или растворимости при движении через слой неподвижной фазы компоненты группируются в зоны.

до момента регистрации вершины пика, дают качественную характеристику анализируемых

устройство; 3 - колонка; 4 - детектор; 5 -

настоящего времени самое широкое применение детектор по теплопроводности. В