Материал: Практикум по химии нефти и основам технологии ее переработки учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ
Целями изучения дисциплины являются: ознакомление студентов с химическими основами промышленной нефтехимии, формирование знаний о современных технологиях углубленной переработки и получения товарных топлив, масел и остаточных продуктов; приобретение теоретических знаний о закономерностях термических и термокаталитических преобразованиях углеводородов, выборе оптимальных условий проведения химических реакций получения товарных продуктов.

«Химия нефти и основы ее переработки» является одной из дисциплин, знание которой позволяет студентам успешно изучать такие технологические дисциплины как химия и технология органических веществ, химия и технология органических красителей, технология химико-фармацевтических препаратов, технология основного органического синтеза. «Химия нефти и основы ее переработки» является логическим продолжением курса органической химии и важна для подготовки инженера химика-технолога в области основного органического и нефтехимического синтеза. Это одна из основных теоретических дисциплин профиля, ибо без знания дисциплины «Химия нефти и основы технологии ее переработки» невозможны эффективные подходы к разработке и организации технологических процессов.

Работа в практикуме по химии нефти и основам технологии ее переработки требует от студента высокой собранности, аккуратности и точности в проведении экспериментальной работы, т. к. большинство нефтепродуктов являются горючими или легко воспламеняющимися жидкостями. К каждому лабораторному занятию разработана подробная инструкция для обучающихся по её выполнению, в которой указан порядок необходимых действий, а также контрольные вопросы. Перед началом работы студенты получают допуск к работе, включающий теоретические основы того раздела практикума, которому посвящено практическое задание, а также экспериментальную часть работы. По результатам эксперимента студент оформляет отчет по работе, содержащий: название работы, цель работы, краткое теоретическое введение, экспериментальную часть, выводы и список использованной при выполнении задания литературы. Отчет по работе представляется на следующее после выполнения работы занятие.

Полезными для студентов является проведение после каждого раздела перечня контрольных вопросов и задач для самоподготовки, которые могут играть роль путеводителя при самостоятельной работе студента, при сдаче лабораторных работ, при подготовки к экзамену.

В приложении к практикуму приведены справочные данные по температурным поправкам для определения плотности, по классификации нефти по различным параметрам.

Правила техники безопасности при проведении

лабораторных работ по химии нефти и основам технологии ее переработки
1. Лабораторные работы практикума студенты проводят небольшими группами по 2-4 человека на постоянном рабочем месте (часть химического стола).

2. Студентам при выполнении лабораторных работ рекомендуется быть в рабочих халатах. Во время проведения лабораторных работ на рабочем месте необходимо соблюдать чистоту и порядок. Беспорядок и небрежность часто мешают качественному выполнению работы и могут привести к несчастным случаям.

3. При работе следует бережно и аккуратно обращаться с посудой, приборами и оборудованием. По окончании опытов рабочее место необходимо привести в порядок.

4. К каждой лабораторной работе студент допускается, предварительно ознакомившись с ее содержанием и законспектировав ее в рабочую тетрадь.

5. Каждый опыт проводят, не торопясь, следуя конспекту рабочей тетради, обратив особое внимание на последовательность прибавления реактивов. Если есть неясность в проведении опыта, обязательно перед началом работы выяснить все вопросы с преподавателем или лаборантом.

6. При проведении опытов с легковоспламеняющимися жидкостями ЛВЖ (этиловый спирт, ацетон, эфир, бензол, бензин и др.) необходимо использовать небольшие количества вещества.

7. При использовании металлического натрия, необходимо соблюдать особую осторожность:

- не допускать контакта натрия с водой и влажными предметами;

- не брать натрий руками, а применять для этого пинцеты;

-ни в коем случае не бросать в раковину или мусорный ящик, а сдать лаборанту.

8. При работе с едкими щелочами и концентрированными кислотами не допускать попадания их на кожу, особенно беречь глаза.

При возникновении пожара необходимо:

- немедленно выключить газ по всей лаборатории и все электроприборы;

- убрать все горючие вещества подальше от огня;

- засыпать песком или накрыть асбестовым одеялом очаг пожара;

- большое пламя тушить углекислотным огнетушителем;

- загоревшуюся одежду накрыть кошмой или асбестовым одеялом;

- о пожаре сообщить преподавателю или лаборанту.

Первая помощь при ожогах и отравлениях:

- при ожогах кислотами необходимо промыть обожженное место большим количеством воды под краном, а затем нейтрализовать 3% раствором соды;

- при попадании кислоты в глаза – промыть глаза водой, а затем 3% раствором бикарбоната натрия;

- при ожогах щелочами сразу же обмыть пораженное место большим количеством воды под краном, а затем 1%-ным раствором уксусной кислоты;

- при попадании щелочи в глаза – немедленно промыть глаза водой, а затем раствором борной кислоты.

- при всех случаях травм, ожогов и отравлений после оказания первой помощи следует обратиться к врачу;

- из лаборатории категорически запрещается выносить реактивы.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Нефти – это маслянистые жидкости, чаще всего темные, практически не растворимые в воде.

Поскольку свойства нефти определяют направление её переработки и влияют на качество получаемых продуктов, необходимо классифицировать нефти относительно их свойств. На начальном этапе развития нефтяной промышленности основным показателем качества нефти была плотность. Нефти делили на лёгкие (ρ < 0,828), утяжелённые (ρ =0,828 – 0,884) и тяжёлые (ρ > 0,884). В лёгких нефтях содержится больше бензиновых и керосиновых фракций, и сравнительно мало серы и смол. Из таких нефтей вырабатывают смазочные масла высокого качества. Тяжёлые нефти характеризуются высоким содержанием смолисто-асфальтеновых веществ, гетероатомных соединений и поэтому мало пригодны для производства масел и топлив.

Грозненским нефтяным научно-исследовательским институтом (ГрозНИИ) предложена химическая классификация нефтей. За основу этой классификации принято преимущественное содержание в нефти одного или нескольких групп углеводородов. Различают шесть типов нефтей: парафиновые, парафино-нафтеновые, нафтеновые, парафиново-нафтеново-ароматические, нафтеново-ароматические и ароматические.

В парафиновых нефтях все фракции содержат значительное количество алканов: бензиновые – не менее 50 %, а масляные – 20 % и более. Количество асфальтенов и смол очень мало.

В парафиново-нафтеновых нефтях и их фракциях преобладают алканы и циклоалканы, содержание аренов и смолисто-асфальтеновых соединений мало. Таковы нефти Урало-Поволжья и Западной Сибири.

Для нафтеновых нефтей характерно высокое (до 60 % и более) содержание циклоалканов во всех фракциях. Они содержат минимальное количество твёрдых парафинов, смол и асфальтенов. К нафтеновым нефтям относятся азербайджанские нефти (балаханская, сураханская). В парафино-нафтено-ароматических нефтях содержится примерно равное количество углеводородов всех трёх групп, твёрдых парафинов не более 1,5 %. Количество смол и асфальтенов доходит до 10 %. Нафтено-ароматические нефти содержат преобладающее количество цикланов и аренов, особенно в тяжёлых фракциях. Алканы содержатся в лёгких фракциях в небольшом количестве, количество смол и асфальтенов около 15-20 %. Ароматические нефти характеризуются преобладанием аренов во всех фракциях и высокой плотностью. Такие нефти добываются в Казахстане и Татарстане.
Основные физические свойства нефтей и нефтепродуктов
К основным физическим характеристикам нефтей и нефтепродуктов относятся:

1. 
   Плотность;
   
2. 
   Молекулярная масса;
   
3. 
   Вязкость;
   
4. 
   Температуры вспышки, воспламенения и самовоспламенения; температуры помутнения, замерзания;
   
5. 
   Электрические свойства;
   
6. 
   Оптические свойства;
   
7. 
   Растворимость и растворяющая способность.
   

Плотность. В практике нефтепереработки принято иметь дело с величинами относительной плотности. Это безразмерная величина, численно равная отношению массы нефтепродукта при температуре определения к массе чистой воды при 4 °С, взятой в том же объеме. В отличие от плотности относительным удельным весом называется отношение веса нефтепродукта при температуре определения к весу чистой воды при 4 °С в том же объеме. При одной и той же температуре плотность и удельный вес численно равны, так как вес вещества пропорционален его массе. В ряде стран, в том числе в России, принято определять плотность ρ и удельный вес d при 20 ^оС. Зависимость плотности нефтепродуктов от температуры имеет линейный характер:

где _{-относительная плотность воды при 4} ^о_{С нефтепродукта при 20} ⁰<sub>С,

-относительная плотность нефтепродукта при температуре t,</sub>

γ — температурная поправка к плотности на 1 град, находится по таблицам или может быть рассчитана по формуле:
γ = (18,310 - 13,233 ) 10^-4
Плотность большинства нефтей в среднем колеблется от 0.80 до 0.90. Высоковязкие смолистые нефти имеют плотность, близкую к единице. На величину плотности нефти оказывает существенное влияние наличие растворенных газов, фракционный состав нефти и количество смолистых веществ в ней. В большинстве случаев, чем больше геологический возраст и соответственно больше глубина залегания пласта, тем меньшую плотность имеет нефть. Плотности последовательных фракций нефти плавно увеличиваются. Плотность узких фракций нефти зависит также от химического состава. Для углеводородов средних фракций нефти с одинаковым числом углеродных атомов плотность возрастает для представителей разных классов в следующем порядке:
Нормальные алканы < нормальные алкены < изоалканы < изоалкены < алкилциклопентаны < алкилциклогексаны < алкилбензолы < алкилнафталины.
Для бензиновых фракций плотность заметно увеличивается с увеличением количества бензола и его гомологов. Знание плотности нефти и нефтепродуктов необходимо для всевозможных расчетов, связанных с выражением их количества в весовых единицах. Для некоторых нефтепродуктов плотность является нормируемым показателем качества.

Плотность смеси нефтепродуктов можно рассчитать по выражениям (1 – 3), если для i-го компонента известны: массовая доля x_i– (уравнение (1)), объёмная доля – V_i (уравнение (2)) или масса компонентов – G_i (уравнение (3)).
(1); (2); (3).
Экспериментально плотность жидкостей определяется с помощью ареометров и пикнометров.

2. Молекулярная масса нефтей и нефтепродуктов – это усредненная величина, поскольку нефти являются сложными смесями органических соединений различного строения и молекулярной массы. Молекулярная масса изменяется в широких пределах, но для большинства нефтей она колеблется в пределах 220 – 300. Она, как и плотность, возрастает для нефтяных фракций с повышением температуры кипения.

По мере увеличения пределов кипения нефтяных фракций молекулярная их масса (M_ср) плавно увеличивается от 90 (для фракции, кипящей в пределах 50 – 100 °С) до 480 (для фракции, кипящей в пределах 550 – 600 °С). Для упрощенных расчетов можно пользоваться формулой Войнова:
М_ср. = 60 +0,3 Т_{ср. м.} + 0,001 Т²_{ср. м.},

где М_ср.– молекулярная масса фракции; Т_{ср. м.} – средняя молярная температура кипения, определяемая по данным стандартной разгонки или экспериментальными данными. Под средней молярной температурой кипения нефтепродукта (Т_ср.м.) понимают среднюю температуру между началом и концом кипения фракции. Литературные данные по значениям Т_ср.м.приведены в таблице 1.