Реферат: Нефть, ее свойства

ВВЕДЕНИЕ

    Бурный научно-техническийпрогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйствав XIX – XX вв. привели к резкому увеличению потребления различныхполезных ископаемых, особое место среди которых заняла нефть.

  Нефть начали добывать на берегу Евфрата за 6 – 4 тыс. лет до нашей эры.Использовалась она и в качестве лекарства. Древние египтяне использовалиасфальт (окисленную нефть) для бальзамирования. Нефтяные битумы использовалисьдля приготовления строительных растворов. Нефть входила в состав «греческогоогня». В средние века нефть использовалась для освещения в ряде городов наБлижнем Востоке, Южной Италии и др. В начале XIX в. в России,а в середине XIX в. в Америке из нефти путем возгонки был полученкеросин. Он использовался в лампах. До середины XIX в. нефтьдобывалась в небольших количествах из глубоких колодцев вблизи естественныхвыходов ее на поверхность. Изобретение парового, а затем дизельного ибензинового двигателя привело к бурному развитию нефтедобывающейпромышленности.

  Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим запахом,обычно коричневого цвета  с зеленоватым или другим оттенком, иногда почтичерная, очень редко бесцветная.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ В НЕФТЯХ

  Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода – 11,0 –14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три элемента – сера,кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5 – 8 %. Внезначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы: ванадий, никель,железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт,молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не превышает 0,02 – 0,03% от массы нефти. Указанные элементы образуют органические и неорганическиесоединения, из которых состоят нефти. Кислород и азот находятся в нефтях тольков связанном состоянии. Сера может встречаться в свободном состоянии или входитьв состав сероводорода.

Углеводородные соединения

  В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений.

  Нефть  в природных условиях состоит из смеси метановых, нафтеновых иароматических углеводородов. По углеводородному составу все нефтиподразделяются на: 1) метаново-нафтеновые, 2) нафтеново-метановые, 3)ароматическо-нафтеновые, 4) нафтеново-ароматические, 5) ароматическо-метановые,6) метаново-ароматические и 7) метаново-ароматическо-нафтеновые. Первым в этойклассификации ставится название углеводорода, содержание которого в составенефти меньше.

  В нефти также содержится некоторое количество твердых и газообразныхрастворенных углеводородов. Количество природного газа в кубометрах,растворенного в 1 т нефти в пластовых условиях, называется газовым фактором.

  В нефтяных (попутных) газах кроме метана и его газообразных гомологовсодержатся пары пентана, гексана и гептана.

Гетеросоединения

  Наряду с углеводородами в нефтях присутствуют химические соединения другихклассов. Обычно все эти классы объединяют в одну группу гетеросоединений (греч.«гетерос» – другой).

  В нефтях также обнаружено более 380 сложных гетеросоединений, в которых

куглеводородным ядрам присоединены такие элементы, как сера, азот и

кислород.Большинство из указанных соединений относится к классу сернистых

соединений– меркаптанов. Это очень слабые кислоты с неприятным запахом. С металлами ониобразуют солеобразные соединения – меркаптиды. В нефтях

меркаптаныпредставляют собой соединения, в которых к углеводородным

/> <td/> />
радикалам присоединена группа SH.

Рис. 1. Метилмеркаптан.

Меркаптаныразъедают трубы и другое металлическое оборудование буровых установок.

Главнуюмассу неуглеводородных соединений в нефтях составляют асфальтово-смолистыекомпоненты. Это темно-окрашенные вещества, содержащие помимо углерода иводорода кислород, азот и серу. Они представлены смолами и асфальтенами.Смолистые вещества заключают около 93% кислорода в нефтях. Кислород в нефтяхвстречается в связанном состоянии также в составе нафтеновых кислот (около 6%)– />, фенолов (не более 1%) – />,а также жирных кислот и их производных – />(Р).Содержание азота в нефтях не превышает 1%. Основная его масса содержится всмолах. Содержание смол в нефтях может достигать 60% от массы нефти,асфальтенов – 16%.

   Асфальтены представляют собой черноетвердое вещество. По составу они сходны со смолами, но характеризуются инымисоотношениями элементов. Они отличаются большим содержанием железа, ванадия,никеля и др. Если смолы растворяются в жидких углеводородах всех групп, тоасфальтены нерастворимы в метановых углеводородах, частично растворимы внафтеновых и лучше растворяются в ароматических. В “белых” нефтях смолысодержатся в малых количествах, а асфальтены вообще отсутствуют.

ПРОИЗВОДНЫЕ НЕФТЕЙ

   В 1888 г. предложено называть всегорючие ископаемые каустобиолитами. Они подразделяются на две группы: угли ибитумы. К битумам (лат. “битумен” – смола) отнесли нефть и горючие газы, атакже твердые вещества, родственные нефтям. При классификации производных нефтивыделяют две ветви. Одна из них объединяет последовательные продукты изменениянефтей с нафтеновым основанием – минералы асфальтового ряда. Ко второй ветвиотносятся продукты изменения нефтей с парафиновым основанием – минералыпарафинового ряда.

   Продукты изменения нефтей с нафтеновым основаниемподразделяют на три группы: группу асфальтов, группу асфальтитов и группукеритов. К первой группе относятся мальты и асфальты. Мальты – это черные,очень густые смолистые нефти. Они богаты серой и кислородом. Асфальты представляютсобой буро-черные или черные вязкие, слегка эластичные или твердые аморфныевещества. Асфальтиты отличаются от асфальтов большей твердостью, хрупкостью ибольшей обогащенностью смолисто-асфальтовыми компонентами. Мальты, асфальты иасфальтиты полностью растворяются в органических растворителях. В отличие отних кериты (нефтяные угли) не плавятся и не растворяются в органическихрастворителях.

   Основными продуктами изменения нефтей с парафиновымоснованием являются озокериты. Это – воскообразные вещества плотностью меньшеединицы. Они хорошо растворяются в бензине, бензоле, скипидаре и сероуглероде.Они легко воспламеняются и горят ярким коптящим пламенем. Озокерит – это смесьалканов от /> до />. Вторичные компонентыпредставлены маслами, смолами и асфальтенами.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ

   Главнейшим свойством нефти, принесшим им мировую славуисключительных энергоносителей, является их способность выделять при сгораниизначительное количество теплоты. Нефть и ее производные обладают наивысшейсреди всех видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг,бензина – 42 МДж/кг. Важным показателем для нефти является температура кипения,которая зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и колеблетсяот 50 до 550°С.

   Нефть, как и любая жидкость, при определеннойтемпературе закипает и переходит в газообразное состояние. Различные компонентынефти переходят в газообразное состояние при различной температуре. Так,температура кипения метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°С.Легкие нефти кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.

   Различие температур кипения углеводородов используетсядля разделения нефти на температурные фракции. При нагревании нефти до180–200°С выкипают углеводороды бензиновой фракции, при 200–250°С –лигроиновой, при 250–315°С – керосиново-газойлевой и при 315–350°С – масляной.Остаток представлен гудроном. В состав бензиновой и лигроиновой фракций входятуглеводороды, содержащие 6–10 атомов углерода. Керосиновая фракция состоит изуглеводородов с />, газойлевая – /> и т.д.

   Важным является свойство нефтей растворятьуглеводородные газы. В 1 м3 нефти может раствориться до 400 м3горючих газов. Большое значение имеет выяснение условий растворения нефти иприродных газов в воде. Нефтяные углеводороды растворяются в воде крайненезначительно. Нефти различаются по плотности. Плотность нефти, измеренной при20°С, отнесенной к плотности воды, измеренной при 4°С, называетсяотносительной. Нефти с относительной плотностью 0,85 называются легкими, сотносительной плотностью от 0,85 до 0,90 – средними, а с относительнойплотностью свыше 0,90 – тяжелыми. В тяжелых нефтях содержатся в основномциклические углеводороды. Цвет нефти зависит от ее плотности: светлые нефтиобладают меньшей плотностью, чем темные. А чем больше в нефти смол иасфальтенов, тем выше ее плотность. При добыче нефти важно знать ее вязкость.Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамической вязкостьюназывается внутреннее сопротивление отдельных частиц жидкости движению общегопотока. У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. При добыче и дальнейшейтранспортировке тяжелые нефти подогревают. Кинематической вязкостью называетсяотношение динамической вязкости к плотности среды. Большое значение имеетзнание поверхностного натяжения нефти. При соприкосновении нефти и воды междуними возникает поверхность типа упругой мембраны. Капиллярные явления используютсяпри добыче нефти. Силы взаимодействия воды с горной породой больше, чем унефти. Поэтому вода способна вытеснить нефть из мелких трещин в более крупные.Для увеличения нефтеотдачи пластов используются специальныеповерхностно-активные вещества (ПАВ). Нефти имеют неодинаковые оптическиесвойства. Под действием ультрафиолетовых лучей нефть способна светиться. Приэтом легкие нефти светятся голубым светом, тяжелые – бурым и желто-бурым. Этоиспользуется при поиске нефти. Нефть является диэлектриком и имеет высокоеудельное сопротивление. На этом основаны электрометрические методы установленияв разрезе, вскрытом буровой скважиной, нефтеносных пластов.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ НЕФТЕЙ

   Существуют две теории происхождения нефти: биогенная иабиогенная. Сторонники первой – органики – считают, что нефть образовалась восадочном чехле земной коры в результате глубокого преобразования животных ирастительных организмов, живших миллионы лет назад. Другие – неорганики –доказывают, что нефть образовались в мантии земли неорганическим путем. Ответна этот вопрос даст ответ на другой вопрос: в каких конкретных точкахобразуется нефть?

ОРГАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

   Органическая концепция начинает развиваться послесоздания работы М. В. Ломоносова о нефти. Он писал: «Увериться можем опроисхождении сих горючих подземных материй из растущих вещей их легкостью».Сторонники органической концепции также спорили о том, что явилось исходнымвеществом для нефти: растения или животные? Победилите, кто утверждал: и растения, и животные. Другим предметом спора было местозалегания нефти. Одни ученые считали, что нефть залегает там же, где иобразовалась, другие, что нефть образовалась в одном месте, а скопилась вдругом. Победила вторая точка зрения.

   Органическая концепция в своем развитии опирается нагеологические наблюдения. Так, 99,9% известных скоплений нефти приурочено косадочным толщам. Поэтому ученые считают, что нефть является продуктом процессаосадонакопления. Было установлено, что залежи нефти находятся в линзахпроницаемых пород, окруженных непроницаемыми породами.

   Интересными оказались результаты исследования осадочныхпород. Так, в глине в 2–4 раза больше органического вещества, чем в песке.Данное органическое вещество (ОВ) подразделяется на три фракции: битумоиды,гуминовые кислоты и кероген. Битумоиды сходны по составу с нефтями в залежах.Они составляют до 10–15 % ОВ. Битумоиды на 5–55 % состоят из углеводородов.Поэтому чем больше углеводородов в осадке, тем богаче эти породы битумоидами.ОВ состоит на 15–20 % из гуминовых кислот. Нерастворимое осадочное органическоевещество называется керогеном. Кероген сходен по составу с бурым углем. ОВсостоит на 70–80 % из него.

   Битумоиды рассеянного ОВ подобны липоидам – жирам,состоящим из длинным углеродных цепей. Отсюда сделан вывод: липоиды,синтезируемые организмами, являются источником битумоидов в осадках. Внастоящее время можно считать доказанной возможность образования углеводородовиз липоидов, белков и углеводов. Липоиды по своему химическому составу стоятближе всего к соединениям, входящим в состав нефти. Некоторые ученые полагают,что уже само механическое накопление углеводородов, попадающих из живоговещества в осадок, может привести к образованию нефти. На процесс происхождениянефти также влияют горные породы. Так, алюмосиликаты, из которых состоит глина,являются катализаторами  в процессе образования нефти. И именно в глинистыхпородах происходит преобразование рассеянного ОВ.

   С позиций современной органической позиции нефтьобразуется следующим образом.

   Моря и озера населены планктоном. После его отмиранияостатки растений и животных организмов падают на дно, образуя толстый слой ила.После этого начинается биохимическая стадия образования нефти. Микроорганизмыпри ограниченном доступе кислорода перерабатывают белки, углеводы и т.д. Приютом образуются метан, углекислый газ, вода и немного углеводородов. Даннаястадия происходит в нескольких метрах от дна моря. Затем осадок уплотняется:происходит диагенез. Начинаются химические реакции между веществами поддействием температуры и давления. Сложные вещества разлагаются на болеепростые. Биохимические процессы затухают. С увеличением глубины растетсодержание рассеянной нефти. Так, на глубине до 1,5 км идет газообразование, наинтервале 1,5–8,5 км идет образование жидких углеводородов – микронефти – притемпературе от 60 до 160°С. А на больших глубинах при температуре 150 –200°Собразуется метан. По мере уплотнения илов микронефть выжимается в вышележащиепесчаники. Это процесс первичной миграции. Затем под влиянием различных силмикронефть перемещается вверх по наклону. Это вторичная миграция, котораяявляется периодом формирования самого месторождения.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ

   Существует несколько вариантов концепциинеорганического происхождения нефти.

   Наиболее последовательной является минеральная(карбидная) гипотеза Менделеева. Менделеев доказывает, что при образованиинефти главным остатком разложения является  уголь, а в Пенсильвании и Канаденефть встречается в девонских и силурийских пластах, угля не заключающих. Изживотного жира нефть также не могла произойти, так как они бы дали многоазотистых соединений, которых мало в нефти. Причем запасы нефти огромны, и дляих образования потребовалось бы много жиров. Менделеев полагает, что вода,проникая глубоко в землю и встречая там углеродистое железо, реагирует с ним идает окислы и углеводороды (пары нефти). Они поднимались до холодных слоев идавали нефть и, если не было бы препятствий, поднимались бы на поверхность.Сторонники органической концепции признают, что  Менделеевым «впервые серьезнои научно был поставлен вопрос о генезисе нефти».

   В 1950 г. профессор Кудрявцев выдвинул магматическуюгипотезу образования нефти. Кудрявцев считает, что в мантии Земли при высокойтемпературе образуются углеводородные радикалы СН, СН2 и СН3.Вследствие перепада давления они перемещаются ближе к земной поверхности. Врезультате понижения температуры радикалы реагируют между собой и с водородом,образуя большое количество простых и сложных углеводородов. К ним примешиваютсяуглеводороды, полученные из окиси углерода и водорода. Дальнейшее движениеуглеводородов, обусловленное огромным перепадом давлений и разностью давленийнефти и воды, происходит по заполненным водой трещинам и приводит их наповерхность или в ловушки (часть природного резервуара, в которой можетустановиться равновесие между газом, нефтью и водой).

   Существует и космическая гипотеза неорганическогопроисхождения нефти. Согласно данной гипотезе, Земля при остывании и формированииее как планеты захватила водород из первичной газовой материи. Этот водород,перемещаясь по глубинным разломам на поверхность, вступает в реакцию суглеродом жидкой магмы и образует нефтяные углеводороды.

   Неорганическая концепция, так же как и органическая,опирается на наблюдения. Так, известно около 30 залежей нефти, приуроченных кизверженным и метаморфическим породам. Подсчитано, что ежегодно вулканывыбрасывают около 3,3´105т углеводородов.

   Для доказательства карбидной теории на чугундействовали соляной и серной кислотами, и был получен водород и смесьуглеводородов, имеющих запах нефти.

*         *         *

   В настоящее время господствующей является органическаяконцепция. Она отличается большей стройностью,зрелостью и завершенностью суждений. В рамках неорганической концепциисуществует несколько гипотез, подчас взаимоисключающих друг друга.

ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

   Нефть, получаемая непосредственно из скважин,называется сырой. В различных отраслях народного хозяйства применяются каксырая нефть, так и различные продукты, получаемые из нее в результатепереработки.

   В настоящее время из нефти путем сложноймногоступенчатой переработки извлекается много составных частей.

   В процессе первичной переработки из нефти удаляют пластовуюводу и неорганические вещества. Перед перегонкой в ректификационной колонненефть нагревают до 350°С, перед этим отогнав из нефти летучие углеводороды.Первыми переходят в парообразное состояние  и отгоняются углеводороды снебольшим количеством атомов углерода. С повышением температуры смесиперегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения. При такойперегонке получают следующие фракции (смесь жидкостей с близкими температурамикипения, полученная в результате первичной перегонки)/>
.

1.    Газолиноваяфракция, собираемая от 40 до 200°С, содержит углеводороды от /> до />; при дальнейшей перегонкеполучают газолин, бензин и т.д.

2.    Лигроиноваяфракция, собираемая в пределах от 150 до 250°С, содержит углеводороды от /> до />; лигроин применяется какгорючее для тракторов.

3.    Керосиноваяфракция, собираемая от 180 до 300°С, содержит углеводороды от /> до />; керосин после очистки используетсякак горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет.

4.    Газойлеваяфракция, собираемая свыше 275°С; газойль – дизельное топливо – используется вдизельных двигателях.

5.    Остатокпосле перегонки нефти – мазут. Мазут – это масло, состоящее из углеводородов,содержащих до сорока атомов углерода. Температура кипения мазута – свыше 350°С.При его повторной перегонке получают смазочные масла, парафиновый воск иасфальт (битум). Смазочные масла – смесь нелетучих жидкостей, полученных приперегонке мазута в вакууме. Парафиновый воск – мягкое твердое вещество, котороеотделяют от смазочного масла после перегонки мазута в вакууме. Битум –жидкость, которая остается после перегонки мазута в вакууме. Это деготь,черное, полутвердое при температуре 20°С вещество.

   Главный недостаток перегонки нефти – малый выходбензина (не более 20%). Его выход можно увеличить с помощью крекинга ириформинга. Крекинг – это реакция, при которой разрываются длинные цепи алканови образуются более легкие алканы и алкены. Риформингом называется процессоблагораживания бензина, в котором бензин получается из легких фракций путемразрыва прямой цепи молекул алканов и преобразования их в молекулы сразветвленными цепями. Крекинг проводится при высокой температуре (термическийкрекинг) или в присутствии катализатора (каталитический крекинг). Бензин,полученный с помощью каталитического крекинга, обладает большей детонационнойстойкостью, потому что в нем содержится большое количество разветвленныхуглеводородов. Такой бензин более устойчив при хранении. Качество бензинаопределяется по его октановому числу. Оно изменяется от 0 до 100 иувеличивается при использовании антидетонаторов, например, тетраэтилсвинец />.

   При температуре 700°С и выше происходит пиролиз нефти –разложение органических веществ без доступа воздуха. Главными продуктамипиролиза являются непредельные газообразные (этилен, ацетилен) и ароматические(толуол, бензол и др.)  углеводороды.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

   В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов.Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердоетопливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины,битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и ихсоли, высшие спирты и т.д.

   Наибольшее применение продукты переработки нефтинаходят в топливно-энергетической отрасли. Например, мазут обладает почти вполтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Онзанимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Заменатвердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водномтранспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитиюосновных отраслей промышленности и транспорта.

   Энергетическое направление в использовании нефти до сихпор остается главным во всем мире. Доля нефти в мировом энергобалансесоставляет более 46%.

   Однако в последние годы продукты переработки нефти всешире используются как сырье для химической промышленности. Около 8% добываемойнефти потребляются в качестве сырья для современной химии. Например, этиловыйспирт применяется примерно в 150 отраслях производства. В химическойпромышленности применяются формальдегид (HCHO),пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак, этиловый спирти т.д.

   Продукты переработки нефти применяются и в сельскомхозяйстве. Здесь используются стимуляторы роста, протравители семян,ядохимикаты, азотные удобрения, мочевина, пленки для парников и т.д. Вмашиностроении и металлургии применяются универсальные клеи, детали и частиаппаратов из пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применение нашел нефтянойкокс, как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажа идет наогнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяютсяполиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин,производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем для которых служатметиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и парфюрмернойпромышленности из производных переработки нефти изготовляют нашатырный спирт,хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные нефтесинтеза находятширокое применение и в деревообрабатывающей, текстильной, кожевенно-обувной и строительнойпромышленности.

   Химизация нефти позволила сократить расходы пищевыхпродуктов на технические цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   Нефть (и  газ) останутся в ближайшем будущем основойобеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтегазохимической промышленности.Здесь будет многое зависеть от успехов в области поисков, разведки и разработкинефтяных (и газовых) месторождений. Но ресурсы  нефти (и газа) в природеограничены. Бурное наращивание в течение последних десятилетий их добычипривело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятнорасположенных месторождений.

   В проблеме рационального использования нефти (и газа)большое значение имеет повышение коэффициента их полезного использования. Одноиз основных направлений здесь предполагает углубление уровня переработки нефтив целях обеспечения потребности страны в светлых нефтепродуктах инефтехимическом сырье. Другим эффективным направлением является снижениеудельного расхода топлива на производство тепловой и электрической энергии, а такжеповсеместное снижение удельного расхода электрической и тепловой энергии вовсех звеньях народного хозяйства.

Использованная литература:

1)    Судо М. М. Нефть и горючие газы всовременном мире. – М.: Недра, 1984.

2)    Химия. Школьный иллюстрированныйсправочник. – М.: Росмэн, 1995.

3)  Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Органическая химия: учебникдля 10 кл. сред. шк. – М.: Просвещение, 1991.

/>