Состав нефти и газа кратко

Обновлено: 05.07.2024

В природе углеводороды встречаются в виде нефти, природного газа, каменного угля.

Нефть — маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом природного происхождения, состоящая из смеси различных углеводородов.

Природный газ — бесцветный газ, состоящий из смеси различных углеводородов (преимущественно из метана).

Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое, которое имеет сложный состав.

Состав нефти

В зависимости от месторождения нефть имеет различный состав. В неё могут входить: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды.

Фракции нефти

Фракция, собираемая от 40 до 200°С — фракция бензинов — содержит углеводороды от С₆Н₁₂ до С₁₁Н₂₄.
Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀.
Керосиновая фракция включает углеводороды от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ с температурой кипения от 180 до 300°С.
В следующей фракции получают газойль (выше 275°С) — дизельное топливо.
Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. После отгонки остается гудрон. Его применяют в дорожном строительстве.

Перегонка нефти

Перегонка – это разделение нефти на отдельные фракции по температуре кипения.

Перегонка нефти осуществляется в ректификационной колонне.

В печи нефть нагревается до 320-350 °С и поступает в ректификационную колонну.

Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки.

Пары нефти подаются в колонну и поднимаются вверх, при этом постепенно охлаждаются и сжижаются.

Менее летучие углеводороды конденсируются внизу, образуя газойлевую фракцию.

Выше собирается керосин, а затем — лигроин. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин.

Главный недостаток перегонки нефти — малый выход бензина (не более 20%).

Крекинг нефтепродуктов

Крекинг — расщепление углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой.

Такой процесс называется крекингом (по англ. crack – расщеплять). Промышленный метод крекинга был изобретен русским инженером В. Г. Шуховым в 1891 г.

Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных углеводородов.

Например, при крекинге гексадекана образуются октан и октен:

Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее. При крекинге октана могут образоваться бутан и бутен:

А при крекинге бутана образуются этан и этилен:

Различают два основных вида крекинга:

Термический крекинг:

Расщепление углеводородов производится при высокой температуре (470—550°С) и давлении.

Бензин термического крекинга содержит много непредельных углеводородов и обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. Он менее устойчив при хранении, так как непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются. Поэтому к бензину термического крекинга добавляют антиокислители.

Каталитический крекинг:

Расщепление углеводородов происходит при несколько более низкой температуре (450- 500°С) с применением катализаторов (алюмосиликатов). Процесс происходит с большей скоростью, чем при термическом крекинге. Бензин каталитического крекинга более высокого качества, чем бензин термического крекинга, так как наряду с реакциями расщепления идет изомеризация и образуются разветвленные углеводороды, которые еще более повышают детонационную стойкость бензина. В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому он более устойчив при хранении.

Ароматизация нефти

Превращение предельных углеводородов и циклоалканов нефти в ароматические углеводороды. Также ароматизацию называют риформингом.

Так как в нефти содержатся также производные циклогексана, например, метилциклогексан, то из него при этих же условиях образуется метилбензол (толуол):

При этих же условиях н-гексан тоже превращается в бензол:

Переработка каменного угля

Каменный уголь подвергают коксованию. Это нагревание без доступа воздуха при температуре 1000-1400 о С. При коксовании образуется кокс (почти чистый углерод), коксовый газ (состоит преимущественно из водорода и метана), аммиак, деготь, ароматические углеводорода и др.

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Нефть и природный газ состоят главным образом из углерода и водорода. В качестве примесей в них присутствуют кислород, сера, азот и некоторые другие элементы. Из этих же элементов состоит весь органический мир (таблица 1).

Химический состав органических веществ

Основные составляющие нефти и газа

Как видно из таблицы нефть по своему элементарному составу близка к другим полезным ископаемым органического происхождения. Это предполагает единый источник их образования. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 79,5-87,5%, в газах – от 42 до 78%. Водород содержится в нефтях в количестве 11-14%, в газах – 14-24%. Отношение углерода к водороду колеблется в нефтях в пределах 6-8, в газах – 3-4,3. В газах некоторых месторождений содержится свободный водород, азот, углекислый газ. Сера в нефтях присутствует в свободном, либо в связанном состоянии. Связанная сера находится в виде сероводорода, либо входит в состав высокомолекулярных органических соединений. Содержание ее в нефтях иногда достигает 7-8%.

Кислород в нефтях присутствует в виде кислородных соединений нафтеновых кислот, фенолов и смолистых веществ, в газах встречается главным образом в виде углекислого газа. Содержание углекислого газа в природных газах изменяется от нуля до 100%. Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная масса его находится в смолах. В газах азот находится в свободном виде, в них его содержание колеблется в широких пределах – от нуля до почти чисто азотных газов.

Количество гелия в газах обычно не более 1-2% (редко до 10%), аргона – менее 1%, лишь иногда достигает 2%.

В золе нефтей обнаружено много других элементов в небольших количествах: кремний, алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, медь, стронций, барий, марганец, хром, кобальт и др.

Изотопы в нефти

Нефти различаются по содержанию изотопов углерода, водорода, кислорода, серы и азота. Известно, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Масса протона близка к массе атома водорода, заряд его равен заряду электрона, но противоположен по знаку. Количество протонов в ядре равно количеству электронов в атоме. Нейтрон электрически нейтрален, масса его несколько больше массы протона. Атомы элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами. Углерод имеет три изотопа: с массовыми числами 12, 13, 14 – 12 С, 13 С, 14 С, из них последний радиоактивный. Он ассимилируется живыми организмами из атмосферы. Водород имеет три изотопа: 1 Н – протий, 2 Н – дейтерий, 3 Н – тритий, из них тритий радиоактивный. Кислород имеет три изотопа: 16 О, 17 О, 18 О. Сера имеет четыре изотопа: 32 S, 33 S, 34 S, 36 S. Азот имеет два стабильных изотопа: 14 N, 15 N. Наибольшее содержание в нефтях имеют легкие изотопы С, О, S, N, а из изотопов водорода – дейтерий.

Химический (молекулярный) состав нефтей и природных газов

Основными компонентами газа газовых месторождений являются метан и его гомологи: этан, пропан, бутан, пентан, гексан. Общая их формула С_nH₂_n+2. Среди гомологов метана обычно преобладает этан, затем пропан. Газ, богатый этаном, пропаном, бутаном, пентаном называется жирным. Неуглеводородные компоненты газа представлены обычно азотом и углекислым газом, примесью сероводорода. В незначительных количествах присутствуют благородные газы – гелий и аргон. Содержание азота в газах достигает до 50%, углекислого газа - до 100%, сероводорода – до 6%, гелия – до 10%, аргона – до 2%.

Нефть представляет собой смесь трех основных групп углеводородов: метановых (парафиновых, алкановых), нафтеновых (циклановых), ароматических (ареновых)

Метановые углеводороды

Метановые углеводороды - полностью насыщенные соединения, не способные к реакциям присоединения. Общая их формула С_nH₂_n+2. Они могут иметь нормальное строение в виде неразветвленных цепей или изостроение в виде разветвленных цепей.

Простейшие члены содержащие в молекуле от одного до пяти атомов углерода при нормальной температуре являются газами. К газам относятся: CH₄ - метан, C₂H₆ – этан, C₃H₈ – пропан, C₄H₁₀ – бутан, C₅H₁₂ – пентан. Углеводороды, содержащие от 6 до 20 атомов углерода в молекуле, являются жидкими. Высокомолекулярные алканы имеют твердое состояние, называются парафинами.

Нафтеновые углеводороды

Нафтеновые углеводороды – непредельные, циклические*соединения, углеводородные цепи которых замкнуты в пяти и шестичленные кольца. Общая их формула С_nH₂_n. Содержание водорода в них меньше, чем в метановых углеводородах.

В нафтеновой группе могут быть одно, два или более колец. К ним могут присоединяться цепочки метанового строения – алкильные группы. Особенностью нафтеновых углеводородов и их производных является способность к изомеризации, т.е. к образованию разветвленных цепей. Под влиянием каталитических процессов системы из шестичленных циклов легко переходит в пятичленные. В легких фракциях нафтеновых нефтей преобладают производные циклогегсана, в более тяжелых – полициклические углеводороды. Углеводородные соединения, в молекулах которых присутствует более 20 атомов углерода представляют собой твердые вещества – битумы.

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды имеют общую формулу С_nH₂_n-6. Основой их строения являются бензольные кольца. Эти соединения обладают повышенной неустойчивостью и химической активностью по сравнению с метановыми и нафтеновыми углеводородами, высокой растворяющей способностью. Такие свойства обусловлены наличием в ядре двойных связей, одна из которых может стать свободной и присоединить другие молекулы. Моноциклические арены – премущественно гомологи бензола с недлинными боковыми цепями.

Среди полициклических ароматических углеводородов преобладают нафталин и его гомологи. Это уже не нефть, а битумы, с высоким молекулярным весом.

В нефтях и газах содержатся соединения, в молекулах которых помимо углеводородных радикалов входят атомы серы, азота и кислорода. Содержание метановых углеводородов в нефтях различных типов составляет 25 - 70%, нафтеновых – 15 - 75%, ароматических - до 35%.

По Дж.Ханту (1987) в "типичной" нефти, имеющей плотность 850 кг/м 3 содержание метановых углеводородов составляет 25%, нафтеновых – 50%, ароматических – 17%, смол и асфальтенов – 8%.

Нефть и газ - это тоже горные породы, но не твердые, а жидкие и газообразные. Вместе с другими горючими осадочными породами (торф, бурый и каменный уголь, антрацит) они образуют семейство каустобиолитов, т.е. горючих органических пород.

Говоря о составе нефти, различают элементный, фракционный и групповой составы.

Основными ее элементами являются углерод ( 83. 87 %) и водород(11. 14 %). Наиболее часто встречающаяся примесь сера (до 7 %), хотя во многих нефтях серы практически нет. Сера содержится в нефтях в чистом виде (самородная), в виде сероводорода или меркаптанов. Она усиливает коррозию металлов. Азота в нефтях не больше 1,7 %; он совершенно безвреден в силу своей инертности. Кислородвстречается в нефти не в чистом виде, а в различных соединениях (кислоты, фенолы, эфиры и т.д.); его в нефти не более 3,6 %. Из металлов в нефти присутствуют железо, магний, алюминий, медь, натрий, олово, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть и другие. Содержание металлов столь мало, что они обнаруживаются лишь в золе, остающейся после сжигания нефти.

Фракционный составнефти определяется при разделении соединений по температуре кипения. Фракцией (дистиллятом) называется доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Началом кипения фракции считают температуру падения первой капли сконденсировавшихся паров. Концом кипения фракции считают температуру, при которой испарение фракции прекращается. Так, бензины выкипают в пределах 35. 205 °С, керосины - 150. 315 °С, дизельные топлива - 180. 350 "С, масла - 350 °С и выше.

Под групповым составом нефти понимают количественное соотношение в ней отдельных групп углеводородов и соединений.

Углеводородыпредставляют собой химические соединения углерода и водорода. Они бывают парафиновые, нафтеновые и ароматические. Парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и т.д.) имеют химическую формулу. С_nН₂_n₊₂ (n - число атомов углерода). При n от 1 до 4 парафиновый углеводороды являются газами, при n от 5 до 15 - жидкостями, при n³6 - при обычных температурах твердыми веществами. Твердые углеводороды метанового ряда называют парафинами. Температура их плавления составляет в основном 52. 62 °С. В пластовых условиях, парафины находятся в растворенном состоянии. Однако при снижении температуры, давления и выделении растворенного газа парафин выделяется из нефти в виде кристаллов, создавая тем самым проблемы для ее фильтрации в пласте и движения в трубопроводах. В зависимости от строения и количества жидких парафиновых углеводородов в нефтях, свойства получаемых из них нефтепродуктов могут различаться довольно существенно. Нафтеновые углеводороды(цикланы) имеют химическую формулу С_nН₂_n. В отличие от парафиновых углеводородов они имеют циклическое строение. Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех фракциях нефтей. Они - важнейший компонент моторных топлив и смазочных масел (улучшают эксплуатационные свойства бензинов, уменьшают зависимости вязкости масел от температуры), а также сырье для получения ароматических углеводородов. Ароматические углеводороды(арены) имеют химическую формулу С_nН₂_n_-6 (при n³6). Циклическое строение ароматических углеводородов в отличие от нафтеновыххарактеризуется наличием двойных связей. Они также встречаются во всех фракциях, обладают хорошей растворяющей способностью по отношению к органическим веществам, но высокотоксичны.

Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые, и азотистые соединения. К числу основных кислородных соединений,содержащихся в нефтях, относятся нафтеновые кислоты и асфальто-смолистые вещества. Нафтеновые кислоты вызывают коррозию металлов. Асфальто-смолистые вещества –это сложные высокомолекулярныесоединения, содержащие кроме углерода и водорода кислород(до 2%), серу (до 7 %) и азот (до 1%). При обычных температурах они представляют собой малотекучее или твердое вещество с плотностью, превышающей плотность воды. Часть асфальто-смолистых веществ, растворимая в бензине, называется смолой, анерастворимая - асфальтом.

Содержание сернистых соединений в отдельных нефтях доходит до 6 %. Однако встречаются и малосернистые нефти.

Азотистые соединенияпредставлены, в частности, порфиринами,которые, как считалось, образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных. Сторонники теории органического происхождения нефти видели в этом подтверждение своих взглядов

Природные газыделятся на три группы:

- газы, добываемые из чисто газовых месторождений;

- газы, добываемые из газоконденсатных месторождений;

- газы, добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений

Все газы представляют собой смеси парафиновых углеводородов с азотом, сероводородом, углекислым газом и другими компонентами, но в разных пропорциях. Газы чисто газовых месторождений наиболее легкие, они на 90 % и более состоят из метана. Газы нефтяных месторождений (их также называют попутным нефтяным газом) наиболее тяжелые, метана в них от 30 до 70 %. Газы газоконденсатных месторождений несколько более тяжелы, чем газы чисто газовых месторождений, но легче, чем нефтяной газ; метана в них от 80 до 90%.

Природный газ бесцветен, а при отсутствии в нем сероводорода - не имеет запаха.

Говоря о составе нефти, различают элементный, фракционный и групповой составы.

Содержание сернистых соединений в отдельных нефтях доходит до 6 %. Однако встречаются и малосернистые нефти.

Природные газыделятся на три группы:

- газы, добываемые из чисто газовых месторождений;

- газы, добываемые из газоконденсатных месторождений;

- газы, добываемые вместе с нефтью из нефтяных месторождений

Природный газ бесцветен, а при отсутствии в нем сероводорода - не имеет запаха.

Нефть и способы её переработки

Ключевые слова конспекта: Попутный нефтяной газ и его фракции (газовый бензин, пропан-бутановая фракция, сухой газ). Нефть и её фракции (бензин, лигроин, керосин, газойль, мазут). Ректификация (перегонка). Крекинг. Риформинг. Детонационная устойчивость. Октановое число.

Состав нефти и попутного нефтяного газа

Миллионы лет назад в процессе разложения останков животных и растительных организмов в недрах Земли образовалось ещё одно полезное ископаемое — нефть. Полости над её поверхностью занимают попутные нефтяные газы, частично растворённые в нефти вследствие высокого давления.

По сравнению с природным газом в попутном нефтяном газе содержится меньше метана и больше его гомологов: этана, пропана, бутана, пентана и др. Перед использованием попутный нефтяной газ разделяют на составные части, называемые фракциями. Фракция, содержащая пентан, гексан и их изомеры, — это газовый бензин, который используется в качестве низкосортного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Фракцию, содержащую пропан и бутан (её так и называют — пропан-бутановая фракция), используют в качестве топлива для двигателей, работающих на сжиженном газе. Именно такая смесь находится в бытовых газовых баллонах красного цвета, баллонах автомобилей, работающих на газе, а также в газовых зажигалках. Самая низкокипящая фракция — так называемый сухой газ — сходна по составу с природным и может использоваться в качестве топлива или химического сырья.

Нефть — это маслянистая жидкость от светло-коричневого до тёмно-бурого цвета со специфическим запахом, нерастворимая в воде. Именно поэтому разливы нефти в результате аварий танкеров или нефтедобывающих платформ — настоящее экологическое бедствие. Несмотря на ничтожную толщину, нефтяная плёнка препятствует растворению в воде кислорода воздуха, необходимого для дыхания обитателей вод. Гибнут водоплавающие птицы, перья которых покрываются несмываемым маслянистым налётом. Нефтяные разливы загрязняют сотни километров береговой полосы.

По своему составу нефть представляет собой природную смесь углеводородов, главным образом алканов линейного и разветвлённого строения, содержащих от 6 до 50 атомов углерода в молекуле. Нефть может содержать также значительное количество ароматических углеводородов.

Переработка нефти

Газообразные и твёрдые компоненты нефти растворены в её жидкой фазе. Поскольку нефть — сложнейшая смесь многих веществ, она не имеет определённой температуры кипения. При нагревании из нефти постепенно выкипают летучие компоненты в порядке увеличения их плотности и температуры кипения. Такое свойство нефти позволяет разделять её на составляющие — отдельные фракции, представляющие собой смеси веществ с относительно близкими температурами кипения. Этот процесс называют фракционной перегонкой или ректификацией.

Ректификацию осуществляют на специальных установках, называемых ректификационными колоннами. На этих установках нефть разделяют на несколько фракций: бензин, лигроин, керосин, газойль (дизельное топливо) и др. Бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, лигроин — как горючее для сельскохозяйственной техники и сырьё для дальнейшей переработки, керосин — как топливо для современных реактивных самолётов, газойль — как топливо для дизельных двигателей.

Остаток после перегонки нефти — мазут. Эту тёмную вязкую жидкость используют в качестве топлива для тепловых электростанций и котельных, а также перерабатывают с получением битума, гудрона и минеральных масел.

В процессе перегонки не происходит химических превращений одних веществ в другие. А вот вторичная переработка нефтепродуктов уже сопровождается протеканием химических реакций. Один из процессов вторичной переработки нефти — крекинг нефтепродуктов.

Впервые промышленный крекинг керосина осуществил на установке собственной конструкции русский инженер и изобретатель Владимир Григорьевич Шухов в 1891 г., нагревая его до температуры 500—600 °С. При этом молекулы алканов разрываются примерно пополам с образованием предельного и этиленового углеводорода с меньшей длиной углеродной цепи:

Смесь предельных углеводородов, выделенных из продуктов крекинга, аналогична бензиновой фракции нефти и используется в качестве автомобильного топлива. Вторичная переработка нефтепродуктов позволяет увеличить выход наиболее ценного нефтепродукта — бензина.

Бензин, получаемый в результате термического крекинга нефтепродуктов, как правило, невысокого качества. Повысить его позволяет ещё один процесс вторичной переработки нефтепродуктов — риформинг (от англ, reform — переделывать).

Основу процесса риформинга составляют два типа реакций — изомеризация предельных углеводородов и их дегидрирование. В результате первой реакции образуются алканы с разветвлённой углеродной цепью, в результате второй — бензол и его гомологи:

Понятие об октановом числе

Один из показателей качества бензина — его детонационная устойчивость, т. е. способность выдерживать в смеси с воздухом сильное сжатие в цилиндре двигателя без самопроизвольного возгорания. Эта способность напрямую зависит от строения углеводорода. Так, углеводороды разветвлённого строения (циклические и ароматические) способны выдерживать более высокую степень сжатия, чем алканы линейного строения.

Детонационная устойчивость бензина характеризуется количественным показателем, который называют октановым числом. За нулевой показатель в октановой шкале принята детонационная стойкость гептана линейного строения C₇H₁₈. Октановое число, равное 100, приписывают углеводороду состава С₈Н₁₈ — 2,2,4-триметилпентану (его условное название — изооктан):

Октановое число бензина указывается в его марке. Например, бензин АИ-95 характеризуется октановым числом 95, т. е. имеет такую же детонационную устойчивость, как смесь 95 % изооктана и 5 % н-гептана.

Нефть в мировой экономике

Проблема рынка углеводородного сырья является одной из основных как для каждой страны в отдельности, так и для всего мира в целом. Для развития отрасли требуется международная кооперация. Одни страны специализируются на геологоразведке и добыче нефти и газа, другие разрабатывают и поставляют эффективное оборудование, через третьи страны проходят транспортные артерии.

В середине прошлого века на геополитической карте мира возникли международные картели нефтегазовой отрасли. В них входят страны, оказавшие огромное влияние на развитие нефтяной промышленности и всего энергетического комплекса мира. Это страны ОПЕК (Organization of Petroleum Exporting Countries, Организация стран — экспортёров нефти), возникшей в 1960 г., в состав которой на второе десятилетие XXI в. входят: Венесуэла, Алжир, Иран, Ирак, ОАЭ, Ливия, Кувейт, Катар, Саудовская Аравия, Нигерия и др.

Помимо взаимовыгодного сотрудничества, международная экономическая конкуренция создаёт очаги напряжённости, связанные с разделом сфер влияния на нефтяном рынке. Вооружённые конфликты, обострившиеся в последнее десятилетие в странах Северной Африки, Ближнего Востока, в конечном счёте связаны с желанием доминировать в международном экономическом пространстве, диктовать свои условия на рынке углеводородов.

Мировые цены на нефть значительно влияют на экономическое состояние нашей страны, потому что за счёт экспорта углеводородов происходит значительная часть валютных поступлений, с которыми связаны колебания курса отечественной валюты — рубля. Важнейшей экономической задачей страны является уменьшение зависимости её бюджета от экспорта нефти и газа, высокотехнологичная переработка углеводородного сырья внутри страны, внедрение в развитие всех отраслей промышленности инновационных процессов, безопасных для окружающей среды и обеспечивающих финансовую и технологическую самодостаточность Российской Федерации.

Читайте также: