книги / Природные энергоносители и углеродные материалы Состав и строение. Современная классификация. Технологии производства и добыча

ние числа циклов в молекулах также повышает вязкость. Для различных групп углеводородов вязкость растет в ряду алканы-арены-цикланы.

Поверхностное натяжение характеризует состояние поверхности жидкости на границе раздела фаз и численно равно работе, затрачиваемой на преодоление сил притяжения молекул, выходящих на поверхность при обра­ зовании единицы поверхности.

В результате действия сил поверхностного натяжения жидкость стре­ мится сократить свою поверхность, и когда влияние земного притяжения весьма мало, жидкость принимает форму шара, имеющего минимальную по­ верхность на единицу объема.

Поверхностное натяжение, измеряемое в Н/м, различно для разных групп углеводородов: максимально для ароматических и минимально для на­ сыщенных парафиновых. Оно растет с увеличением молекулярной массы. Большинство гетероатомных соединений, обладая полярными свойствами, имеют поверхностное натяжение ниже, чем у углеводородов. Это обстоя­ тельство оказывает влияние на образование и разрушение водонефтяных и газонефтяных эмульсий. Поверхностное натяжение существенно зависит от температуры и давления, а также от химического состава жидкости и сопри­ касающейся с ней фазы (газ или вода).

Коэффициент лучепреломления, или показатель лучепреломления, ха­ рактеризует поворот падающего луча света в слое нефтепродукта относи­ тельно угла его падения:

„20 „ * £ 2 1

D sin а2

где a j и а2 - угол падающего луча и угол луча, проходящего через слой неф­ тепродукта, Пр° - коэффициент лучепреломления. Показатель преломления, являясь функцией химического состава, широко применяется при экспери­ ментальном определении группового химического состава нефтепродуктов.

Температура вспышки - минимальная температура, при которой обра­ зующиеся над поверхностью нефтепродукта в стандартных условиях пары в смеси с воздухом образуют горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени и гаснущую из-за недостатка горючей массы в этой смеси.

Температура воспламенения - минимальная допустимая температура, при которой смесь паров нефтепродукта с воздухом над его поверхностью при поднесении пламени вспыхивает и не гаснет в течение определенного времени, т.е. концентрация горючих паров такова, что даже при избытке воз­ духа горение поддерживается.

Удельная теплоемкость углеводородов существенно засвистит от их химического состава и строения, её точное значение может быть получено только постановкой специального эксперимента.

Энтальпия - количество тепла, которое затрачивается на нагрев едини­ цы массы нефтепродукта от О °С (273 К) до данной температуры, т.е. это ин­ тегральная величина:

t

о

где q f - энтальпия жидкого нефтепродукта при данной температуре (кДж/кг), Ср - изобарная теплоемкость (кДж/(кг К)). Если теплоемкость вы­ разить по формуле Крега, получим:

1

Теплопроводность - количество тепла, которое проходит в единицу вре­ мени через единицу поверхности при разност температур в 1 К на единицу длины в направлении теплового потока. Наибольшая теплопроводность у твер­ дых веществ (в т.ч. твердых нефтепродуктов), жидкие занимают промежуточ­ ное положение, наименьшая - у газов и паров. Для жидких нефтепродуктов те­ плопроводность уменьшается с повышением температуры и их относительной плотности и составляет от 0,09 до 0,17 Вт/(м-К).

Теплота плавления - количество тепла, необходимое для фазового пе­ рехода из твердого состояния в жидкое.

Теплота сгорания высшая - количество теплоты, выделившейся при полном сгорании единицы массы вещества, с учетом тепла конденсации об­ разующихся при горении водяных паров.

Теплота сгорания низшая - разница между высшей теплотой сгорания и теплом конденсации водяных паров, образующихся при горении:

= <?р —2500(9Н + W),

где QpViQp- соответственно низшая и высшая теплоты сгорания (кДж/кг), Н и W - содержание водорода и растворенной воды в топливе (% масс.).

ние, коксование и т.д.). Нефтяные дисперсные системы относятся к разбав­ ленным системам в отличие от систем с высокой концентрацией - пасты, по­ рошки, бетоны и др.

По степени устойчивости все нефтяные дисперсные системы делят на две группы - обратимые и необратимые.

Обратимые нефтяные дисперсные системы образуются в результате физических превращений (образование кристаллов парафина, пузырьков па­ ра при кипении, ассоциатов смол и асфальтенов), которые путем внешних воздействий (изменением температуры, давления или добавкой растворите­ ля) можно вернуть в первоначальное состояние растворов.

Необратимые нефтяные дисперсные системы образуются в результате химических превращений с образованием дисперсной фазы, которую внеш­ ними воздействиями вернуть в растворенное состояние нельзя (выпадение карбоидов, образование кокса или сажи).

Формирование дисперсной фазы в нефтяных дисперсных системах обусловлено различной склонностью углеводородов к межмолекулярным взаимодействиям.

Все углеводородные и гетероатомные соединения нефти могут нахо­ диться в молекулярном и ассоциированном состоянии. В молекулярном со­ стоянии (истинные растворы) они характеризуются только химическими связями, которые зависят от расстояний между атомами в молекуле. Энергия этих связей составляет примерно 330-800 кДж/моль для различных типов уг­ леводородов.

В ассоциированном состоянии молекулы подвержены суммарному воздействию химических и физических взаимодействий. Природа физиче­ ских межмолекулярных взаимодействий объясняется силами Ван-дер- Ваальса, образованием комплексов и радикально-молекулярных взаимодей­ ствий. В создании дисперсной фазы (ассоциатов) решающая роль принадле­ жит высокомолекулярным соединениям, энергия взаимодействия которых на 1-2 порядка выше, чем у низкомолекулярных.

К высокомолекулярным относятся обычно парафиновые углеводоро­ ды с числом атомов углерода выше 30, способные к образованию ассоциа­ тов (кристаллов) при обычных температурах (0-40 °С), а также полицикли­ ческие, ароматические и нафтеноароматические соединения, смолы и ас­ фальтены.

При концентрациях выше пределов насыщения высокомолекулярные соединения нефти образуют ассоциаты, являющиеся первой стадией струк­ тур, называемых надмолекулярными. Это первичные единицы нефтяных дисперсных систем. Они могут быть упорядоченными (кристаллы парафина)

или неупорядоченными (ассоциаты асфальтенов и карбоидов). Формирова­ ние надмолекулярных структур связано с условиями системы. При относи­ тельно низких (до 300 °С) температурах формируются физические ассоциа­ ты, как упорядоченные (кристаллические), так и неупорядоченные (пузырь­ ки пара, асфальтеновые ассоциаты). При температурах 300-450 °С форми­ руются физико-химические ассоциаты, в основном из смол и асфальтенов (физические асфальтеновые ассоциаты, химические ассоциаты типа карбенов и карбоидов). При температурах выше 450 °С формируются только хи­ мические комплексы типа пеков, кокса, сажи. Изменение внешних условий способно менять степень дисперсности в нефтяных дисперсных системах.

Наименьшее количество надмолекулярной структуры, которое при дан­ ных условиях способно к самостоятельному существованию, называют заро­ дышем или ядром. Вокруг зародышей всегда существует определенный пере­ ходный слой между ними и дисперсионной средой, который называют соль­ ватной оболочкой. По мере роста зародыша, за счет сил межмолекулярного взаимодействия, формируется единица дисперсной фазы, называемая слож­ ной структурной единицей. Формирование сложной структурной единицы придает нефтяной дисперсной системе новые свойства, влияющие на техно­ логию добычи и переработки нефти. При добыче нефти нерегулируемые про­ цессы формирования сложных структурных единиц за счет выпадения кри­ сталлов парафина, образования ассоциатов асфальтенов выпадения газовых пузырьков снижают нефтеотдачу пласта.

При транспорте и хранении нефти те же процессы ведут к выпадению и накоплению осадков в трубах и резервуарах, а при переработке нефти - к расслоениям, отложениям на поверхностях теплообменников и на катализа­ торах.

4.6.Классификация нефтей

Промышленный уровень добычи и переработки определили необходи­ мость разработки и введения классификационных признаков для различных нефтей. Классификация используется для оптимального выбора ассортимента и качества продукции при переработке нефти, а также определения для этого наилучших технологических условий.

Химическая классификация основана на групповом составе и включает следующие нефти: метановая; нафтеновая; метано-нафтеновая; ароматиче­ ская; метано-нафтено-ароматическая; нафтено-ароматическая.

Промышленная классификация, основанная на плотности нефти, делит их на легкие (р*| < 0,828), утяжеленные (р‘| = 0,828 ч- 0,884) и тяжелые

Если по одному иэ показателей нефть относится к типу с меньшим номером, а по другому - к типу с ббльшим номером, то нефть признают соответствующей типу с большим номером.

Таблица 27 — Виды нефтей

Нефтьс массовойдолейсероводородаменее20млн'1считаютнесодержащейсероводорода.

Примеры классификации нефтей:

1. Нефть для внутреннего рынка России. Массовая доля серы 1,15 % (класс 2); плотность при 15 °С 860,0 кг/м3 (тип 2); концентрация хлористых солей 120 мг/дм3, массовая доля воды 0,4 % (группа 2); при отсутствии серо­ водорода (вид 1) - обозначают «2.2.2.1 ГОСТ Р 51858-2002»;

2. Нефть на экспорт. Массовая доля серы 1,15 % (класс 2); плотность при 15 °С 860,0 кг/м3, объемная доля фракций до 200 °С - 26 %, до 300 °С - 46 %, до 350 °С - 55%, массовая доля парафина 4,1 % (тап 2э); концентрация хлори­ стых солей 90 мг/дм3, массовая доля воды 0,40 % (группа 1); при отсутствии се­ роводорода (вид 1) - обозначают «2.2э. 1.1 ГОСТ Р 51858-2002».

Шифр нефти позволяет обосновать наиболее рациональные схемы её переработки и необходимость процессов облагораживания нефтепродуктов.

Контрольные вопросы

1.Какое вещество называется нефтью?

2.Охарактеризуйте компонентный состав нефтей.

3.Охарактеризуйте элементный состав нефтей.

4.Охарактеризуйте групповой химический состав нефтей.

5.Что называется фракционным составом нефти?

6.Что называется дистилляцией нефти?

7.Назовите физико-химические свойства нефти.

8.По каким признакам классифицируются нефти?

80____________________ Часть I. Природные энергоносители________________________

Темы рефератов

1.Значение нефти как природного энергоносителя.

2.История развития нефтедобычи в России.

3.Нефтяные месторождения России и мира.

4.Виды дистилляции нефти.

5.Нефтяные дисперсные системы.

6.Классификация нефтей.

Литература

1.Ахметов С.А., Ишмияров MX., Кауфман А.А. Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых. М.: Недра. 2009. - 844 с.

2.Кондрашева Н.К., Кондрашев Д.О. Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов. Часть I. Уфа.: Монография, 2010.-148 с.

3.Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного га­ за: Учебное пособие для ВУЗов. 2-е изд. М.: Химия, 2001. - 568 с.

4.Рябов В.Д. Химия нефти и газа. М.: Форум, 2009. - 336 с.

5.Тетельмин В.В., Язев В.А. Нефтегазовое дело. Полный курс. М.: Интел­ лект, 2009. - 800 с.