Нефть ее состав и свойства


5. Нефть, химический состав, физические свойства, давление насыщения, газосодержание, промысловый газовый фактор.

5. Нефть, химический состав, физические свойства, давление насыщения, газосодержание, промысловый газовый фактор.

Нефть—это жидкий горючий минерал, состоит из органиче­ских соединений, основную часть которых составляют углево­дороды. По внешнему виду нефть — маслянистая, чаще всего темная жидкость, флюоресцирующая на свету.

Химический состав нефтей. По химическому составу нефти из различных залежей отличаются друг от друга. Всего из неф­тей выделено и идентифицировано более 500 индивидуальных химических соединений.

Элементарный состав нефтей характе­ризуется обязательным наличием пяти химических элементов — углерода, водорода, кислорода, серы и азота при резком коли­чественном преобладании первых двух — свыше 90 %. Максимальное содержание остальных трех элементов может в сумме доходить до 5—8% (главным образом за счет серы), но обычно оно намного меньше. Среди химических соединений в нефтях выделены углеводородные и гетероорганические. Углеводородные соединения подразделяются на парафиновые (метановые или алканы), нафтеновые (полиметиленовые или цикланы), ароматические (арены) и смешанные.

Гетероорганические соединения могут составлять 10—20 % на сырую нефть. В их состав кроме углерода и водорода вхо­дят главным образом кислород, сера и азот.

В золе нефтей обнаружены никель, ванадий, натрий, се­ребро, кальций, алюминий, медь и др. По-видимому, указан­ные элементы были в составе некоторых органических соедине­ний. Количество золы, образующейся при сжигании нефтей, не­велико — обычно сотые доли процента.

Классификация нефтей по химическому составу.

По количественному соотношению содержащихся в нефти различных групп углеводородов все нефти сгруппированы в четыре класса:

  1. метановые, содержащие более 66% метановых углеводородов;

  2. нафтеновые, содержащие более 66% нафтеновых углеводородов;

  3. нафтено-метановые, в которых содержание метановых и нафтеновых углеводородов в сумме составляет более 66%;

  4. все нефти "необычного состава", т. е. ароматические и др.

По содержанию парафина нефти подразделяются на три группы:

  1. беспарафиновые – парафина до 1%;

  2. слабопарафиновые – парафина 1 – 2%;

  3. парафиновые – парафина свыше 2%.

По содержанию серы нефти делятся на две группы:

  1. малосернистые – серы до 0,5%;

  2. высокосернистые – серы более 0,5%.

По содержанию асфальтенов и смол выделяются три группы нефтей:

  1. малосмолистые – смол менее 8%;

  2. смолистые – смол 8 – 28%;

  3. сильносмолистые – смол более 28%.

Физические свойства нефтей. Измерение физических пара­метров нефтей позволяет определить их товарные качества. Не­которые параметры (плотность, вязкость и др.) используются при расчете и проектировании разработки месторождений, неф­тепроводов, транспортирования нефти и т. д. В геологии из физических параметров наибольшее значение имеют плотность, оптическая активность, люминесценция и некоторые другие.

Плотность определяется количеством массы в единице объема. Единицей плотности является кг/м3. На практике поль­зуются относительной плотностью, которая представляет собой отношение плотности нефти при температуре 20 °С к плотности воды при 4 °С. Плотность (относительная) нефтей колеблется чаще всего в пределах 0,82—0,92. Как исключение встречаются нефти плотностью меньше 0,77 (дистилляты естественного фрак­ционирования нефтей) и тяжелые, густые асфальтоподобные нефти, плотность которых превышает 1,000 (остатки есте­ственного фракционирования). Различия в плотности нефтей связаны с количественными соотношениями углеводородов от­дельных классов. Нефти с преобладанием метановых углеводо­родов легче нефтей, богатых ароматическими углеводородами. Плотность смолистых веществ нефти выше 1,000, поэтому чем больше их в нефти, тем выше ее плотность.

Плотность нефти зависит от соотношения количества легкокипящих и тяжелых фракций. Как правило, в легких неф­тях преобладают легкокипящие (бензин, керосин), а в тяже­лых—тяжелые компоненты (масла, смолы). Поэтому плот­ность нефти дает первое приближенное представление о ее составе.

Плотность нефтей в пластовых условиях меньше, чем на зем­ной поверхности, так как в пластовых условиях нефти содер­жат растворенные газы.

Температура кипения углеводородов зависит от их строения. Чем больше атомов углерода входит в состав моле­кулы, тем выше температура кипения. У нафтеновых и арома­тических углеводородов, у которых атомы углерода соединены в циклы (кольца), температура кипения при равном количе­стве атомов углерода выше, чем у метановых. Природная нефть содержит компоненты, выкипающие в широком интервале тем­ператур—от 30 до 600 °С.

Застывание и плавление нефтей происходит при различных температурах. Обычно нефти в природе встречаются в жидком состоянии. Однако некоторые нефти загустевают при незначительном охлаждении. Температура застывания нефти зависит от ее состава. Чем больше в ней твердых парафинов, тем выше ее температура застывания. Смолистые вещества ока­зывают противоположное влияние — с повышением их содер­жания температура застывания понижается.

Вязкость—свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению ее частиц при движении. Различают динамическую (абсолютную) вязкость нефти, кинематическую и относи­тельную (удельную, условную).

Динамическая вязкость выра­жается величиной сопротивления взаимному переме­щению двух слоев жидкости с поверхностью 1 см2, отстоящих друг от друга на 1 см, при относительной скорости перемеще­ния 1 см/с. За единицу динамической вязкости принят пуаз (П) с размерностью дин*с/см2.

Кинематическая вязкость представляет собой отношение ди­намической вязкости данной жидкости к ее плотности при той же температуре. Единица кинематической вязкости – стокс, равный см2/с (в системе СИ — м2/с).

Условная вязкость – отношение времени истечения из вискозиметра определённого объёма жидкости ко времени истечения такого же объёма дистиллированной воды при 20 С.

Из различных углеводородов, составляющих нефть, наимень­шей вязкостью обладают парафиновые, а наибольшей—на­фтеновые.

Испаряемость. Испарение – процесс перехода жидкости у поверхности на открытом воздухе из жидкого состояния в парообразное. При этом нефть теряет наиболее лёгкие фракции. Если нефть находится в закрытых резервуарах, то при определённых условиях возможно испарение до какой-то предельной величины. Давление паров данной жидкости, находящихся в равновесии с ней, называют упругостью паров жидкости.

Давление насыщения. В пластовых условиях важным свойством нефти является давление насыщения нефти газом. Это наименьшее давление, при котором нефть полностью насыщается газом, или давление, при незначительном снижении которого из смеси появляются пузырьки газа.

Температуры вспышки, воспламенения, самовоспламенения, плавления и застывания. Температура, при которой смесь паров нагреваемого нефтепродукта и воздуха вспыхивает при поднесении к ней огня, называется температурой вспышки. При этом нефтепродукт нагревается в строго определённых условиях, а вспыхнувшее пламя мгновенно затухает. Температура вспышки ниже, если легче фракция нефти. Так, температура вспышки бензиновых фракций до минус 40С, керосиновых – 28-60С, масляных – 130-325С. По температуре вспышки судят о чистоте получаемых при перегонке фракций нефти, о возможности образования взрывчатых смесей.

Если после определения вспышки продолжать нагревание нефтепродукта, то при определённой температуре после поднесения пламени огня пары загорятся вновь и не гаснут в течение некоторого времени. Эта температура называется температурой воспламенения.

Если нефтепродукт нагреть до высоких температур, то после соприкосновения с воздухом он может самопроизвольно воспламениться. Эта температура называется температурой самовоспламенения. Сравнительно легко самовоспламеняются высококипящие нефтепродукты (тяжёлые нефтяные остатки – 300-350С).

Под температурой плавления твёрдых нефтепродуктов (парафина, церезина) понимают температуру, при которой нефтепродукт из твёрдого состояния переходит в жидкое (в строго определённых условиях).

Температура, при которой нефтепродукт в определённых условиях испытания теряет подвижность, называется температурой застывания нефтепродукта. Эта температура зависит от содержания в нефтепродуктах твёрдых при обычной температуре углеводородов, т. е. парафинов и церезинов.

Удельная теплоёмкость. Удельная теплоёмкость нефти – количество тепла, которое необходимо затратить для нагревания 1г нефти на 1С. Удельная теплоёмкость колеблется в пределах 0,4 – 0,5 кал (г*С)-1­­­­. С повышением плотности нефти она уменьшается.

Теплотворная способность. Теплотворная способность нефти – количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг нефти. Низшая теплота сгорания нефти изменяется от 10300 до 10800 ккал/кг, увеличиваясь с уменьшением плотности.

Растворимость. Нефти и нефтепродукты легко растворяются в органических растворителях: бензине, хлороформе, сероуглероде и др. Растворимость нефти в воде мала. Так, в 1м3 воды может раствориться 270г керосина. Нефть и её продукты являются хорошим растворителем для ряда веществ: йода, серы, каучука, многих смол и растительных и животных жиров. Нефть ничтожно мало растворяет воду в количествах, измеряемых тысячными долями процента.

Электропроводность. Нефть и её производные по отношению к электрическому току являются изоляторами.

Газовый фактор. Количество газа, приходящееся на 1т нефти, называется газовым фактором. В пластовых условиях распределение каждого углеводорода между жидкой и газообразной фазами будет находиться в соответствии с давлением паров при данной температуре. Газ, не перешедший в жидкую фазу в пластовых условиях, может находиться в разных состояниях в зависимости от давления насыщения (свободном, растворённом, адсорбированном и т. д.).

studfiles.net

Урок в 10-м классе по теме "Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты"

Урок в 10-м классе по теме "Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты"

Разделы: Химия

Цели и задачи урока:

  • Познакомить учащихся с нефтью как естественноисторическим телом, гипотезами происхождения нефти,  составом и свойствами.
  • Углубить и расширить представления школьников о природных источниках нефтехимического сырья, доказать, что нефть – ценный источник углеводородов.
  • Формировать умения самостоятельно работать с новыми источниками информации: анализировать, систематизировать, классифицировать, отбирать требуемую информацию.
  • Развивать творческие и аналитические способности учащихся, умение аргументировать собственное мнение.
  • Формировать умение работать в группах.
  • Воспитывать чувство “локтя”, ответственности, взаимопомощи и взаимоподдержки.
  • Поддерживать познавательный интерес к предмету.

Оборудование: банка с нефтью,  коллекция «Нефть и нефтепродукты», информационный текст «Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты», презентации учащихся, видеофрагмент из кинофильма «Большая перемена», мультимедийное оборудование.

ХОД УРОКА

I. Подведение к теме

Здравствуйте ребята! Сегодня перед нами стоит задача познакомиться с нефтью, её составом, свойствами и способами переработки. В ходе нашего урока хотелось бы также получить ответы на такие важные в наше время вопросы, как:

Почему запасы углеводородного сырья определяют экономический потенциал и мощь страны, а по уровню их переработки можно судить об уровне цивилизации общества?

Почему в нашей обыденной жизни мы тоже зависим от этой невзрачной на вид жидкости (демонстрирую  нефть)?

Одним словом, почему нефть так важна для человека, и среди полезных ископаемых нефть называют «королевой энергетики», именуют её «чёрным золотом»?

Ответить на все эти вопросы нам поможет сегодняшний урок, в подготовке которого вы принимали самое активное участие. Каждая из пяти  групп выполняла проектную работу по определённой теме. Критерии оценки проекта вы получили заранее. И  от вашего ответа зависит успех всей группы.  Но кроме этого вы работаете по остальным вопросам на выданных вам листах.  Возьмите эти листы.

Прочитайте текст и сделайте пометки + (знаю), ? (не знаю, не уверен в этих знаниях или  хотел бы расширить свои знания по этому вопрос).

1. Нефть – основной источник углеводородного сырья.

2. Нефть – это сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвлённого строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 атомов углерода.

3. Чтобы выделить из нефти индивидуальные вещества её подвергают переработке.

4. Перегонка – это физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.

5. Крекинг – это процесс термического или каталитического разложения  углеводородов, содержащихся в нефти.

6. Детонация – это взрыв смеси газов в двигателях внутреннего сгорания при сжатии.

7. Октановое число – это число, показывающее стойкость к детонации бензина.

Поднимите руки те, у которых возникли вопросы после прочтения данного текста. Чтобы вы смогли убрать вопросительные знаки с этого текста, я предлагаю вам внимательно послушать выступления представителей каждой группы и рассмотреть нефть с разных позиций.

II. Изучение нового материала

II. 1. Защита проекта «Нефть как природный источник углеводородов» (защита сопровождается компьютерной презентацией (см. Приложение 1))

Исторические сведения

Нефть известна человечеству с давних времен. Как показали археологические раскопки, на берегу Евфрата она добывалась 6-7 тыс. лет до н. э.  Нефть использовалась  для освещения жилищ, добавлялась в состав  для бальзамирования трупов.

В Китае бурение было известно ещё в XVIII в. до нашей эры. Для ее добычи строились нефтяные колодцы. Китайцы употребляли нефть для освещения, как лекарство и в военных целях. Китайские воины из “огненных повозок” бросали горшки с горящей нефтью в ряды врагов.

В VII веке н. э. Византийцы создали так называемый “греческий огонь”. В одном из многочисленных рецептов, которые греки хранили в глубочайшей тайне, написано "Возьми чистую серу, нефть, винный камень, смолу, поваренную соль, деревянное масло; хорошенько провари все вместе, пропитай этим составом паклю и подожги. Такой огонь можно погасить только песком или винным уксусом". В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц. В ХV веке в Париже появились первые асфальтированные улицы. Главное, нефть стали использовать для керосиновых ламп, для заделывания щелей и смоления судов

Несмотря на то, что, начиная с 18 века, предпринимались отдельные попытки очищать нефть, она использовалась почти до 2-ой половины 19 века в натуральном виде. В  этот период  в связи с ростом промышленности и появлением паровых машин стал возрастать спрос на нефть как источник смазочных веществ. Это привело к бурному развитию добычи нефти и способов ее переработки.

Первые нефтяные компании перевозили нефть в винных бочках, баррелях, вместимостью 48 галлонов или 180 литров. Потом стали наливать по 42 галлона, или 159 литров. В коммерции баррель (42 галлона) до сих пор служит для измерения количества нефти.

Происхождение нефти

Происхождение нефти является одной из тайн природы. Спор об этом относится к числу “великих геологических споров”, еще не завершенных.

Существует 2 теории происхождения нефти: неорганическая теория и органическая теория.

Предложение о неорганическом происхождении нефти выдвинул в 1876 г. Д.И. Менделеев. Он считал, что вода, попадающая в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре, под действием высоких температур и давлений реагирует с карбидом железа, образуя углеводороды, которые поднимаются по трещинам породы, скапливаясь в пустотах – ловушках.

Основы биогенной теории происхождения нефти в нашей стране заложили академики В.И. Вернадский и И. М. Губкин. Согласно этой теории нефть образовалась из остатков наземной растительности, которые сносились реками в водоёмы, и морского зоо- и фитопланктона. Один из существенных доводов в пользу этой точки зрения наличие в составе нефти спор и пыльцы растений, а также азотсодержащих органических соединений, вероятно, ведущих своё происхождение из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Вопрос о происхождении нефти имеет не только теоретическое значение. Он прямо связан с проблемой исчерпаемости ресурсов природных источников углеводородов. Согласно биогенной теории запасы нефти образовались в ранние геологические эпохи, и сейчас, сжигая углеводородное топливо, человечество необратимо тратит ту энергию, которую запасли доисторическое живые организмы. Если же нефть постоянно образуется в глубинах Земли, то бурение глубоких скважин позволит найти практически неисчерпаемые запасы. Окончательное решение этого вопроса учёным ещё предстоит найти, хотя на сегодняшний день все-таки наиболее доказанной считается теория биогенного происхождения нефти.

Что такое нефть?

Нефть – горючая маслянистая  жидкость обычно темного цвета, иногда почти чёрного, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет, и даже бесцветная,  с резким своеобразным запахом, немного легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см3), в воде нерастворима. Нефть – жидкость очень сложного состава, включающая в себя около 1000 различных веществ, большая часть которых – углеводороды (90%)и органические соединения, содержащие кислород, серу, азот и другие элементы. Остальные компоненты нефти включают воду, соли и механические примеси (глину, песок и т.д.) Обычно нефть содержит три вида углеводородов – парафины, циклопарафины (нафтены) и ароматические. Большая роль в изучении состава нефти различных месторождений принадлежит российским химикам Д.И. Менделееву, В.В. Марковникову, Н.Д. Зелинскому и др.

Добыча нефти

Нефть добывают в основном с помощью бурения скважин на суше, морях и океанах. Нефть и сопутствующий газ находятся в пластах под давлением, поэтому нефть как бы вытесняется давлением на поверхность. Такой способ добычи называется фонтанным. По мере добычи нефти давление в пласте уже становится недостаточным, поэтому это давление создают искусственно. Для этого бурят рядом не одну, а две скважины и в одну из них пропускают газ под определенным напором, а через другую скважину этот газ вытесняет оставшуюся нефть. Нефть, только что добытую из скважины, называют сырой. Сырая нефть – это сложное вещество, имеет вид маслянистой жидкости и представляет собой смесь углеводородов. Всего всех углеводородов входящих в состав смеси около 70 %. А остальные 30 % - это неуглеводородные компоненты и вода. Если отделить воду от нефти, то получим товарную нефть. Однако ее нельзя использовать ни в качестве топлива, ни в качестве сырья для химических процессов. Она должна быть переработана.

Транспортировка нефти по суше в настоящее время осуществляется путем нефтепроводов, железнодорожных цистерн, между континентами ― с помощью танкеров.

II. 2. Защита проекта «Перегонка нефти как начальная стадия нефтепереработки»

Немного из истории…

В 1840 г. губернатор г. Баку направил в санкт-петербургскую Академию наук несколько бочек с нефтью для изучения её промышленного использования и получил через некоторое время ответ: «Это вонючее вещество пригодно только для смазки колёс у телеги». Ответ характеризовал сотрудников академии с не лучшей стороны – в эти годы уже появились первые перегонные заводы в России (на Кавказе) и в Америке.

Переработку нефти на Кавказе впервые начали братья Дубинины, крепостные из Владимирской губернии. Аппарат Дубининых был очень прост. В качестве топлива для перегонки нефти использовались дрова. Основной целью перегонки было получение керосина.  Из 30 вёдер нефти получали 16 вёдер керосина. Керосин широко применяли как топливо для керосиновых ламп, керогазов. Интересно, что остальную часть нефти обычно уничтожали сжиганием, она долгое время не находила применения. Однако с изобретением двигателя внутреннего сгорания именно эта фракция – бензин – оказалась едва ли не самым главным, самым ценным продуктом нефтепереработки.

Современная нефтепереработка – это сложный комплекс производственных процессов, направленный на получение нефтепродуктов, а также сырья для нефтехимии и органического синтеза. До стадии перегонки нефть  очищают от примесей солей и воды.

Так как нефть – сложная смесь природных углеводородов различной молекулярной массы, то первичная переработка – это перегонка нефти, которая позволяет разделить нефть на отдельные фракции в соответствии с температурой кипения углеводородов.

Перегонка основана на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти, т.е. перегонка – физический процесс, с углеводородами не происходят химические превращения.

В  промышленности перегонку нефти осуществляют в установке, которая состоит из трубчатой печи и  ректификационной (разделительной)  колонны. В печи находится змеевик (трубопровод). По трубопроводу непрерывно подается нефть, где она нагревается до 350°С и в виде паров поступает в ректификационную колонну (стальной цилиндрический аппарат высотой 50 - 60 м). Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки. Пары нефти подаются в колонну и через отверстия поднимаются вверх, при этом они постепенно охлаждаются и сжижаются. Менее летучие углеводороды конденсируются уже на первых тарелках, образуя газойлевую фракцию. Более летучие углеводороды собираются выше и образуют  керосиновую фракцию, ещё выше собирается  лигроиновая фракция. Наиболее летучие УВ выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин. Часть бензина подается обратно в колонну для орошения поднимающихся паров. Это способствует охлаждению и конденсации соответствующих УВ. Жидкая часть нефти, поступающей в колонну, стекает по тарелкам вниз, образуя  мазут, представляющий собой ценную смесь большого количества тяжёлых углеводородов. Такая перегонка называется фракционной.

Состав фракций и интервалы их температур кипения на разных заводах могут сильно различаться в зависимости от исходного состава нефти. И, кроме того, на современном производстве перегонка происходит не в одной, а последовательно в нескольких ректификационных колоннах. Это обусловлено экономическими соображениями (меньше затраты энергии) и необходимостью получить более чистые продукты.

Главный недостаток такой перегонки ― малый выход бензина (не более 20 %).

II. 3. Задание классу

Используя  § 10 учебника  (О. Габриеляна)  (стр. 59 -60), заполните таблицу:

Продукты фракционной перегонки нефти

Название фракции

Состав

tкипения

Применение

Ректификационные газы

 

 

 

Газолиновая фракция (бензин)

 

 

 

Лигроиновая фракция

 

 

 

Керосиновая фракция

 

 

 

Дизельное топливо

 

 

 

Мазут

 

 

 

А сейчас внимание на экран. Вы просмотрели видеофрагмент из кинофильма «Большая перемена». О чём идёт речь в этом фрагменте? (о крекинге нефтепродуктов). Так что же  такое крекинг нефтепродуктов? Ответ на этот вопрос нам даст 3 группа.

II.4.  Защита проекта «Крекинг нефтепродуктов»

Термический крекинг

Для получения высококачественных нефтепродуктов фракции нефти подвергают вторичной переработке, так как при прямой перегонке получается только 15-20 % бензина, остальное –  высококипящие продукты. Их  высокая температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов представляют собой слишком длинные цепи.  Процесс расщепления углеводородов нефти на более летучие вещества называется  крекингом (англ. to crack – колоть, расщеплять). Крекинг даёт возможность значительно повысить выход бензина из нефти. Впервые крекинг-процесс в России предложил в конце 19 века  инженер Владимир Григорьевич Шухов.

Сущность крекинга заключается в том, что при нагревании происходит расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие, в том числе на молекулы, входящие в состав бензина. Обычно расщепление происходит примерно в центре углеродной цепи по С—С-связи, например:

С16Н34 → С8Н18 + С8Н16

гексадекан октан октен

Однако разрыву могут подвергаться и другие С—С-связи. Поэтому при крекинге образуется сложная смесь жидких алканов и алкенов.

Получившиеся вещества частично могут разлагаться далее, например:

С8Н18 → С4Н10 + С4Н8

октан бутан бутен

С4Н10 → С2Н6 + С2Н6

бутан этан этилен

Такой процесс, осуществляемый при температуре около 470°С -550°С и небольшом давлении,   называется   термическим     крекингом. Этому процессу обычно подвергаются высококипящие нефтяные фракции, например мазут.

Бензин, получаемый термическим крекингом, невысокого качества, не стоек при хранении, он легко окисляется, что обусловлено наличием в нём непредельных углеводородов.

Более перспективен каталитический крекинг.

Этот процесс был впервые осуществлён в 1918 году Н.Д. Зелинским. Его проводят в присутствии катализатора (алюмосиликатов: смеси оксида алюминия и оксида кремния) при температуре 450 — 500°С и атмосферном давлении. Обычно каталитическому крекингу подвергают дизельную фракцию. При каталитическом крекинге, который осу­ществляется с большой скоростью, получается бензин более высокого качества, чем при термическом крекинге. Это связано с тем, что наряду с реакциями расщепления происходят реакции изомеризации алканов нормального строения.

Кроме того, образуется небольшой процент ароматических углеводородов, улучшающих качество бензина.

Бензин каталитического крекинга более устойчив при хранении, так как в его состав входит значительно меньше непредельных углеводородов по сравнению с бензином термического крекинга.

Таким образом, высокое качество бензина, получаемого каталитическим крекингом, обеспечивается наличием в его составе разветвленного строения углеводородов и ароматических углеводородов.

II.5. Защита проекта «Бензин: состав и октановое число. Детонация»

Бензин – основное топливо для двигателей внутреннего сгорания. От его качества зависит работа двигателя, его долговечность, скорость передвижения. Давайте посмотрим, как работает автомобильный двигатель.

Смесь паров бензина с воздухом засасывается в цилиндр и сжимается поршнем.   

Сжатая смесь поджигается электрической ис­крой от запальной «свечи». Углеводороды, входящие в состав сме­си, сгорают с образованием оксида углерода (IV) и воды, а так­же оксида углерода (II). Образующиеся газы двигают поршень, совершая работу. Чем сильнее сжимается смесь паров бензина и воздуха, тем больше мощность двигателя. Однако смеси некото­рых углеводородов, входящих в состав бензина, сгорают со взры­вом еще до достижения максимального сжатия. И происходит это не от электрической искры, а от высокой температуры в цилин­дре. При этом взрывная волна стихийно распределяется в сжа­том пространстве цилиндра. Она с огромной скоростью ударяет о поршень, о чем свидетельствует характерный стук в двигателе. Та­кое взрывное сгорание, называемое детонацией, приводит к преж­девременному износу двигателя.

Было установлено, что детонацию в основном вызывают угле­водороды нормального (неразветвленного) строения. В то же вре­мя углеводороды с разветвленной углеродной цепью, а также не­предельные и особенно ароматические углеводороды допускают значительное сжатие паров бензина с воздухом.

Для характеристики качества бензина разработана октановая шкала. Каждый вид автомобильного топлива характеризуется октановым числом. За ноль принята способность к детонации у н-гептана, который детонирует очень легко. Октановое число относительно устойчивого к детонации 2,2,4 – триметилпентана, чаще называемого изооктаном, принято за 100.

По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства, как смесь 92 % (по объёму) изооктана и 8 % гептана. Именно октановое число указывают в маркировке бензина. Чем выше октановое число, тем мощнее может быть двигатель.

Октановое число бензиновой фракции, получаемой непосредственно перегонкой нефти, не превышает 65 – 70, такой бензин не подходит для современных двигателей.  Бензин с более высоким октановым числом получается при крекинге. В зависимости от типа крекинга бензин имеет октановое число 70 -80. Качество бензина можно улучшить также  риформингом.  Риформинг – это процесс ароматизации бензинов, осуществляемый путём нагревания их в присутствии платинового катализатора. Более дешёвый и лёгкий путь увеличения октанового числа состоит в добавлении к бензину некоторых веществ, изменяющих характер горения топлива. Так, детонационную стойкость бензина увеличивают небольшие количества тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4.

Такой бензин называют этилированным. Однако при его использовании в окружающую среду из выхлопных газов попадают чрезвычайно вредные для неё и здоровья человека соединения свинца. Чтобы отличить этилированный бензин от обычного, его окрашивают в красновато-фиолетовый цвет.  Во многих странах и большинстве городов России использование этилированного бензина запрещено.

В настоящее время в мире широко распространены антидетонационные кислородсодержащие добавки к моторному топливу, такие, например, как метанол,  этанол и другие. При сгорании топлива с этими добавками в выхлопных газах не появляется никаких дополнительных загрязнений. К сожалению, в России пока применение кислородсодержащих добавок распространено мало.

Об экологических проблемах, связанных с нефтью расскажет 5 группа.

II.6. Экологические проблемы, связанные с нефтью

Нефть нерастворима в воде и её плотность меньше, чем у воды, попадая в неё, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода.

Давайте проведём эксперимент, доказывающий эти рассуждения.

Порядок выполнения эксперимента:

Добавим  небольшое количество нефти в стакан с водой. Жидкости не смешиваются. Мы наблюдаем нефтяную плёнку на поверхности воды.

Если нефть попала в водоём, то   нефтяная пленка на поверхности воды нарушает обмен тепла, влаги и газов между водной средой и атмосферой, в результате нарушается биологическое равновесие.             Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5–10 млн. т. Нефть и нефтепродукты попадают в океан не только при аварии судов, но и при  разведке, добыче и сливе балластных вод танкерами. 1 л разлитой нефти загрязняет приблизительно около 40 тыс. л  морской воды. Воздействие нефти на экосистемы проявляется по-разному, в зависимости от степени загрязнения. Это может быть:

Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом. Нарушение физиологической активности.

Прямое обволакивание нефтепродуктами живых организмов, отсутствие доступа кислорода. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.

Негативные изменения в среде обитания.

Слово учителя.  Молодцы! Выступление, какой группы вам понравилось больше всего? Сделайте соответствующие отметки в листах оценки.

III. Подведение итогов урока

Нефть – главный товар в мире, от цены которого в немалой степени зависит «самочувствие» глобальной экономики. Нефть и продукты ее переработки – то, без чего сегодня человечество не проживет и дня. Мы рождаемся и живём в мире продуктов и вещей, полученных из нефти. Но сожалением приходится констатировать, что более 90 % этого ценнейшего углеводородного  сырья расходуется пока как топливо, только оставшиеся 10 % тратятся на химическую переработку.

В  заключение нашего урока я бы  хотела, чтобы вы объяснили, почему Д.И. Менделеев говорил, что топить нефтью, это всё равно, что топить ассигнациями? (ученики высказывают свои предложения).

Менделееву приписывают не совсем то, что он имел в виду, - фраза, конечно, не имела отношения к важности развития нефтехимических производств. Эти слова сказаны в связи с сжиганием лёгкой бензиновой фракции. Но, к сожалению, по бережливости с углеводородным сырьём мы ушли не намного дальше. Достаточно вспомнить факелы попутных нефтяных газов в районах нефтедобычи и факелы над нефтеперерабатывающими заводами. Напрасно сжигая нефтепродукты, человечество приближает момент их исчерпания. По прогнозам, нефти в мире должно хватить на 40 лет. Кроме того, сжигание углеводородного сырья приводит к печальным экологическим последствиям: от смога на улицах городов до увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, которое, по мнению некоторых учёных, может привести к глобальному изменению климата на планете.

Презентации к уроку см. в Приложении 2, Приложении 3.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

Нефть, ее химический состав и свойства

Нефть, ее химический состав и свойства

Горючие полезные ископаемые обычно называют каустобио- литами. Термин «каустобиолиты» (kausto — горючий, bios — жизнь, litos — камень) введен в науку немецким палеоботаником Г. Пото- нье. В буквальном переводе термин «каустобиолиты» является сино­нимом понятия «горючие ископаемые» и указывает на их органиче­ское происхождение. В эту группу входят бурые и каменные угли, го­рючие сланцы, нефти, асфальт, горючие газы и др.

По элементарному составу нефть и горючие газы сходны с други­ми горючими ископаемыми органического происхождения. Основ­ные различия в элементарном составе обусловлены соотношением углерода и водорода и степенью окисленности этих соединений. Со­отношение углерода и водорода С/Н в углеводородных соединениях в нефти колеблется от 6 до 8, а в газах — от 3 до 4,3. В нефти соотно­шение С/Н близко к его значению в сапропелях и горючих сланцах и занижено по сравнению с его значением для торфа и углей. Отно­шение водорода к кислороду Н/0 резко возрастает в нефти, по срав­нению с другими горючими ископаемыми. Эти данные свидетель­ствуют о том, что роль кислорода в нефти (и горючих газах) незначи­тельна, между тем как роль водорода весьма существенна.

Нефть — маслянистая жидкость темно-коричневого (иногда поч­ти черного) цвета, представляющая собой сложную смесь главным об­разом углеводородных соединений с примесью высокомолекулярных орга­нических кислородных, сернистых и азотистых соединений.

Химический состав. Элементный состав нефти характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов — углерода, во­дорода, кислорода, серы и азота. Содержание углерода в нефти ко­леблется от 80 до 87,5%, водорода — от 11 до 14%. Максимальное со­держание остальных трех элементов в сумме может достигать 5—8% (в основном за счет серы).

Нефть состоит из углеводородов трех основных групп: парафино­вых, нафтеновых и ароматических. Встречаются также и некоторые производные этих углеводородов, а также соединения, представляю­щие собой сочетание различных типов углеводородов. Обычно пре­обладают углеводороды парафинового (метанового) или нафтеново­го ряда. В меньших количествах встречаются углеводороды арома­тического ряда.

Парафиновые углеводороды, или алканы, имеют формулу СпН2п+2 и представляют насыщенные углеводородные соединения. Они могут иметь нормальное или изостроение углеводородных атомов.

Нафтеновые углеводороды характеризуются формулой СпН3п. Эти соединения (цикланы) имеют замкнутую углеводородную цепь и, как и парафиновые углеводороды, являются насыщенными.

В группу ароматических углеводородов (арены) входят все угле­водороды, содержащие хотя бы одно бензольное кольцо, так называ­емое ароматическое ядро). Эти соедь эквивалентных

мическую активность по сравнению с к -•> ц экви-

углеводородами и высокую растворяющую

тельно лучше растворимы в воде и органическ

метановые и нафтеновые углеводороды, и неогр.

ются друг в друге.

Состав нефти до настоящего времени остается ченным, особенно состав высокомолекулярных ее соедт. ду невозможности определения всех индивидуальных комк нефти, широко применяется так называемый групповой анали /йо казывающий содержание парафиновых, нафтеновых и ароматиче­ских углеводородов. В зависимости от группового состава выделя­ются следующие классы и промежуточные типы нефти: метановые, метано-нафтеновые, нафтеновые, нафтено-ароматические и арома­тические.

Средняя нефть содержит примерно одинаковые количества угле­водородов различных классов, но чаще один из классов преобла­дает. Наиболее распространен метано-нафтеновый или нафтено- метановый. В природе не существует метано-ароматического типа.

Метановые углеводороды достигают максимальной концентра­ции только в легкокипящих фракциях нефти. С повышением тем­пературы кипения фракции содержание метановых углеводородов резко падает в большинстве сортов нефти. Наоборот, содержание ароматических — почти всегда возрастает. Поэтому тяжелые сорта нефти практически не содержат легких фракций и могут иметь аро­матический характер.

Распределение указанных типов углеводородов во фракциях нефти, выкипающих при различных температурах, характеризует состав и свойства нефти. Температура кипения углеводородов нео­динакова и определяется строением углеводородов. Чем большее ко­личество атомов углеводорода входит в состав молекулы, тем выше температура кипения углеводорода. Температура кипения цикли­ческих углеводородов выше, чем метановых с тем же количеством углеродных атомов.

Фракции, выкипающие до 60 °С, называются петролейным эфи­ром, выкипающие до 200 °С - бензиновыми, при 200-300 °С — керо­синовыми, при 300—400 °С — газойливыми, выше 400 °С — смазочными маслами и выше 500 °С — асфальтовыми.

Легкие фракции нефти наиболее богаты парафиновыми угле­водородами. По мере повышения температуры кипения фракций доля парафиновых углеводородов уменьшается, а доля ароматиче­ских — возрастает. Тяжелый остаток составляет до 15—35% нефти. Он содержит смолы и асфальтены, которые представляют собой со­вокупность сложных неуглеводородных соединений. В смолисто- асфальтеновых компонентах сосредоточена основная часть метал­лов, содержащихся в нефти.

lektsia.com

Нефть, ее химический состав и свойства

Нефть, ее химический состав и свойства

Горючие полезные ископаемые обычно называют каустобио- литами. Термин «каустобиолиты» (kausto — горючий, bios — жизнь, litos — камень) введен в науку немецким палеоботаником Г. Пото- нье. В буквальном переводе термин «каустобиолиты» является сино­нимом понятия «горючие ископаемые» и указывает на их органиче­ское происхождение. В эту группу входят бурые и каменные угли, го­рючие сланцы, нефти, асфальт, горючие газы и др.

По элементарному составу нефть и горючие газы сходны с други­ми горючими ископаемыми органического происхождения. Основ­ные различия в элементарном составе обусловлены соотношением углерода и водорода и степенью окисленности этих соединений. Со­отношение углерода и водорода С/Н в углеводородных соединениях в нефти колеблется от 6 до 8, а в газах — от 3 до 4,3. В нефти соотно­шение С/Н близко к его значению в сапропелях и горючих сланцах и занижено по сравнению с его значением для торфа и углей. Отно­шение водорода к кислороду Н/0 резко возрастает в нефти, по срав­нению с другими горючими ископаемыми. Эти данные свидетель­ствуют о том, что роль кислорода в нефти (и горючих газах) незначи­тельна, между тем как роль водорода весьма существенна.

Нефть — маслянистая жидкость темно-коричневого (иногда поч­ти черного) цвета, представляющая собой сложную смесь главным об­разом углеводородных соединений с примесью высокомолекулярных орга­нических кислородных, сернистых и азотистых соединений.

Химический состав. Элементный состав нефти характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов — углерода, во­дорода, кислорода, серы и азота. Содержание углерода в нефти ко­леблется от 80 до 87,5%, водорода — от 11 до 14%. Максимальное со­держание остальных трех элементов в сумме может достигать 5—8% (в основном за счет серы).

Нефть состоит из углеводородов трех основных групп: парафино­вых, нафтеновых и ароматических. Встречаются также и некоторые производные этих углеводородов, а также соединения, представляю­щие собой сочетание различных типов углеводородов. Обычно пре­обладают углеводороды парафинового (метанового) или нафтеново­го ряда. В меньших количествах встречаются углеводороды арома­тического ряда.

Парафиновые углеводороды, или алканы, имеют формулу СпН2п+2 и представляют насыщенные углеводородные соединения. Они могут иметь нормальное или изостроение углеводородных атомов.

Нафтеновые углеводороды характеризуются формулой СпН3п. Эти соединения (цикланы) имеют замкнутую углеводородную цепь и, как и парафиновые углеводороды, являются насыщенными.

В группу ароматических углеводородов (арены) входят все угле­водороды, содержащие хотя бы одно бензольное кольцо, так называ­емое ароматическое ядро). Эти соедь эквивалентных

мическую активность по сравнению с к -•> ц экви-

углеводородами и высокую растворяющую

тельно лучше растворимы в воде и органическ

метановые и нафтеновые углеводороды, и неогр.

ются друг в друге.

Состав нефти до настоящего времени остается ченным, особенно состав высокомолекулярных ее соедт. ду невозможности определения всех индивидуальных комк нефти, широко применяется так называемый групповой анали /йо казывающий содержание парафиновых, нафтеновых и ароматиче­ских углеводородов. В зависимости от группового состава выделя­ются следующие классы и промежуточные типы нефти: метановые, метано-нафтеновые, нафтеновые, нафтено-ароматические и арома­тические.

Средняя нефть содержит примерно одинаковые количества угле­водородов различных классов, но чаще один из классов преобла­дает. Наиболее распространен метано-нафтеновый или нафтено- метановый. В природе не существует метано-ароматического типа.

Метановые углеводороды достигают максимальной концентра­ции только в легкокипящих фракциях нефти. С повышением тем­пературы кипения фракции содержание метановых углеводородов резко падает в большинстве сортов нефти. Наоборот, содержание ароматических — почти всегда возрастает. Поэтому тяжелые сорта нефти практически не содержат легких фракций и могут иметь аро­матический характер.

Распределение указанных типов углеводородов во фракциях нефти, выкипающих при различных температурах, характеризует состав и свойства нефти. Температура кипения углеводородов нео­динакова и определяется строением углеводородов. Чем большее ко­личество атомов углеводорода входит в состав молекулы, тем выше температура кипения углеводорода. Температура кипения цикли­ческих углеводородов выше, чем метановых с тем же количеством углеродных атомов.

Фракции, выкипающие до 60 °С, называются петролейным эфи­ром, выкипающие до 200 °С - бензиновыми, при 200-300 °С — керо­синовыми, при 300—400 °С — газойливыми, выше 400 °С — смазочными маслами и выше 500 °С — асфальтовыми.

Легкие фракции нефти наиболее богаты парафиновыми угле­водородами. По мере повышения температуры кипения фракций доля парафиновых углеводородов уменьшается, а доля ароматиче­ских — возрастает. Тяжелый остаток составляет до 15—35% нефти. Он содержит смолы и асфальтены, которые представляют собой со­вокупность сложных неуглеводородных соединений. В смолисто- асфальтеновых компонентах сосредоточена основная часть метал­лов, содержащихся в нефти.

lektsia.info


Смотрите также