Химия нефти и газа

РЕСУРСЫ И ДОБЫЧА НЕФТИ 

Термин  «нефть» включает в себя: жидкие продукты широкого диапазона качества, сюда входят сверхлегкие нефти (газовый  конденсат с содержанием светлой  фракции более 80%), обычные нефти  и сверхтяжелые (высоковязкие и природные  нефтебитумы) 

Мировые запасы нефти оцениваются следующими цифрами в миллиардах тонн.

1) Газовый  конденсат 1-1,5

2) Обычные  нефти 220-280

3) Сверхтяжелые  нефти 650-750 

Запасы  обычной нефти распределены так:

1) На  ближнем и среднем востоке  примерно 60%. Среди стран этого региона первое в мире место занимает Саудовская Аравия, где сосредоточена ¼ мировых запасов нефти. огромными запасами нефти в этом регионе обладает Ирак, Иран, Кувейт и арабские страны, каждая из которых имеет 1/10 всех запасов.

2) Южная  и северная Америка примерно 15%. Наиболее крупные запасы в Венесуэле, Мексике, США, Канаде, Аргентине, Бразилии.

3) Африка, примерно 8%. Ливия, Нигерия, Алжир.

4) Россия, примерно 6%. Основными регионами  является Урало-Волжский, Западно-Сибирский  и Северо-Кавказский.

5) На  остальные страны приходится  примерно 11%. Месторождение северного  моря, Британские и Норвежские  владения, Китай, Индонезия, Малайзия, Австралия. 

Мировая добыча нефти существенно менялась по годам. Начало добычи относится к 1860 году и резко росла до 1978, а потом стала падать

Разведанных запасов нефти хватит на 100-120 лет. 

Углеводородные  газы

Мировые запасы природного углеводородного  газа оцениваются в триллионах тонн. Из общих запасов примерно 55% приходится на Россию. Ближайший восток – 45%, Америка – 15%, Азия и Тихий океан – 10%, Африка – 10%, западная Европа – 6%(в миллиардах тонн) 

Тюменская область – 86%,  Оренбургская – 5,6%, Астраханская – 2%. 

Современные представления о  происхождении нефти, газа и их скоплений  в недрах земли.

Существует  две основные гипотезы происхождения нефти.

1) Биогенова  – производная от растений  и животных.

2) Неорганическая  – произошла в недрах земли. 

Менделеев утверждал, что нефть образуется на больших глубинах при высокой  температуре вследствие взаимодействия воды с карбидами металлов.

Существует  много гипотез происхождения  нефти.

1) Магматическая

2) Карбидная

3) Механическая

4) Вулканическая

5) Взрывная

6) Космическая 

Существует  несколько этапов многостадийного  процесса нефтеобразования в природе.

1) Осадконакопление.

После отмирания растительных и животных организмов выпадают на дно морских  или пресноводных бассейнов и  накапливаются в илах, рассеиваясь в минеральных остатках.

2) Биохимическая.

Накопленный на дне бассейна глубиной в несколько  метров органический осадок медленно преобразуется, уплотняется, частично обезвоживается за счет протекания биохимических процессов в условиях ограниченного доступа кислорода. Этот процесс сопровождается выделением углекислоты, метана, воды, сероводорода и аммиака. Осадок одновременно пополняется за счет биосинтеза и тел бактерий. В осадке возрастает содержание углерода и водорода за счет деструктивных процессов.

3) Протокатогинез.

Пласт органических осадков медленно, со скоростью 50-300 м в миллион лет  опускается на глубину 1,5-2 км, а пласт находящийся сверху покрывается слоем новых молодых осадков. По мере поступления медленно повышается температура и давление, биохимические процессы затухают вследствие гибели микроорганизмов.

4) Мезоатогинез.

Осадок  опускается на глубину 3-4 км., температура повышается до 150⁰С, органическое вещество подвергается деструкции с образованием битуминозных веществ, которые в своем составе содержат почти весь комплекс нефтяного ряда.

5) Апокатогинез.

глубина нахождения осадка 4,5 км, температура 250⁰С, органическое вещество исчерпало свой нефтегенерирующий потенциал и продолжает реализовываться в метанорегенерирующий потенциал. Чем глубже, тем более легкая нефть содержится. 

Классификация товарных нефтепроводов. 

1) Газ  (бытовой)

2) Бензины  (авиабензины, автобензины)

3) Реактивные  топлива.

4) Дизельное  топливо.

5) Газотурбинные  топлива.

6) Котельные  топлива.

7) Нефтяные  масла (смазочные и несмазочные)  Смазочные: моторные, трансмиссионные,  индустриальные, энергетические. Несмазочные  (специальные): масла предназначенные не для смазки, а в качестве рабочей жидкости, в тормозных системах, насосах, а так же к ним относятся парфюмерные и смазочно-охлаждающие.

8) Нефтяные  коксы, битумы, пёки.

9) Нефтехимическое  сырье: ароматические углеводороды, парафины, церезины. Парафины бывают жидкие и твердые.

10) продукты  специального назначения: водород,  присадки, осветительный керосин,  консистентные смазки. Смазки могут  быть антифрикционные и защитные. 

Элементный  химический состав нефти.

Нефть – это смесь очень большого числа химических соединений на основе углеводорода. Полный химический состав нефти выражают двумя методами: элементарным химическим составом и групповым химическим составом.

Элементарный  химический состав – это количественный состав химических элементов, входящих в нефть и выраженных в мольных долях или процентах. Число химических элементов в составе нефтей очень велико (вся таблица Менделеева), но основными из них являются:

1) углерод,  содержится в различных нефтях  от 83 до 87%. При чем, чем тяжелее  (по плотности и фракционному составу) нефть, тем содержание углерода выше. Углерод входит в состав всех соединений нефти.

2) водород,  составляет11-14%, с утяжелением нефти  эта величина уменьшается. Углерод  и водород являются основными горючими элементами нефти (носителями энергии, но различаются теплотой сгорания)

Водород – 133 МДж/кг

Углерод – 33 МДж/кг 

В связи  с этим принято характеризовать  эти горючие свойство соотношением водорода к углероду  ( Н:С)

Это соотношение  является важнейшей химической характеристикой нефти и ее фракций для расчета процесса горения, классификаций процесса газофикации, гидрогинезации, коксования и т.д. 
 

Групповой углеводородный состав нефти.

Нефть представляет собой маслянистую  жидкость, в состав которой входит углерод 87%, водород 15%, сера 0,7%, азот 2,2%, кислород 1,5%.

В нефти  найдены металлы:

- железо

- вольфрам

- никель

Металлы найдены в зале.

В состав нефти входит 4 группы углеводорода. Парафиновые (алканы), непредельные углеводороды (алкены), нафтеновые и ароматические  углеводороды.

Относительное содержание этих групп в нефтях весьма различно. Преобладание той или иной группы углеводорода придают нефтям различные свойства и от этого будет зависеть метод переработки и область применения нефтепродуктов. 

Парафиновые углеводороды.

Самым низшим является метан. От метана до бутана эти углеводороды газообразны. В  нефтях они находятся в растворенном состоянии и являются основной частью природного газа.

Природный газ добывают из газовой скважины, а попутный из нефтяной, вместе с  нефтью. Природные газы в основном состоят из метана (до 98%), остальное – это пропан, этан, бутан. Попутные нефтяные газы содержат кроме метана – бутана много производных от пропана и бутана, а так же тяжелые углеводороды. кроме того, в состав природных и попутных газов входит сероводород, азот, двуокись углерода и гелий. Газы, богатые тяжелыми углеводородами называются жирными. Из них получают газовый бензин. Газы, состоящие из метана и этана называются сухими и используются как промышленное и бытовое топливо.

Парафиновые углеводороды от гептана до гепсодекана находятся в жидком состоянии и входят в состав бензиновых, керосиновых и дизельных фракций.

парафиновые углеводороды от С₁₇ и выше при нормальных условиях находятся в твердом состоянии. 
 

Непредельные  углеводороды (олифиновые).

В нефтях они встречаются очень редко, а появляются в процессе диструктивной  переработки нефти. Эти углеводороды отличаются высокой реакционной  способностью, поэтому они легко  полимерезуюься, осмоляются, уменьшая срок хранения нефтепродуктов. они нежелательны в нефтепродуктах. Многие непредельные углеводороды, такие как: ацетилен, этилен, пропилен, бутилен – получили широкое применение в производстве каучука, пластмасс, полиэтилена, полипропилена. 
 

Нафтеновые  углеводороды.

они являются важнейшей частью моторных топлив и нефтяных масел, предавая им высокие эксплуатационные свойства. Их применяют для получения бензола, толуола, ксилола. Циклогексан  применяется для получения нейлона. 
 

Ароматические углеводороды.

В состав нефтей входят ароматические углеводороды с числом циклов от 1 до 4. Распределение их по фракциям различно. Они обладают наибольшей плотностью и являются ценным компонентом бензина, но снижают качество реактивных и дизельных топлив, так как ухудшают характеристики их сгорания. По сравнению с другими группами углеводородов они обладают высокой растворяющей способностью к органическим веществам, они токсичны. Применяются как компоненты нефтепродуктов при производстве взрывчатых веществ в качестве сырья для нефтехимического синтеза. 
 

НЕУГЛЕРОДОВОДОРОДНЫЕ  СОЕДИНЕНИЯ НЕФТИ. 

Сернистые соединения.

Сера  встречается во всех нефтях. Наименьшее содержание серы озоксуатской нефти (0,1%) и наибольшее в американских нефтях (до 6%). С повышением содержания серы в нефтях возрастает плотность, коксуемость, содержание смол и асфальтенов. Распределение серы по фракциям зависит от природы нефти и типа сернистых соединений. Обычно содержание серы увеличивается от низкокипящих фракций к высококипящим (в остатках). Различают три группы сернистых соединений. К первой относятся сероводород и меркаптаны, обладающие кислотными свойствами (коррозионностью). Ко второй относятся сульфиды и дисульфиды. При температуре от 130⁰ до 160⁰ С они распадаются на сероводород и меркаптаны. К третьей группе относятся тиофаны и тиофены. Сернистые соединения снижают химическую стабильность топлив, предают неприятный запах и вызывают коррозию двигателей. Основное количество серы содержится в виде производных тиофанов и тиофенов. 
 
 

Азотистые соединения.

Азотистые соединения в российских нефтях содержатся в количествах не более 0,52%. В зарубежных нефтях (в Алжирских нефтях) 2,2%. Они делятся на:

- основные

- кислотные

- нейтральные

Нейтральные сосредоточены в остаточных фракциях, и поэтому они попадают в маслянистые фракции.