министерство образования и науки рФ

Санкт-петербургский государственный

Архитектурно-строительный

университет

Факультет автомобильно-дорожный

Кафедра ТЭТС

Курсовая работа по теме:

Анализ влияния химического состава нефти на свойства получаемых топлив и масел.

Выполнил студент группы 2-ЭТМК-3 Петров Е.О.______

Курсовая работа защищена с оценкой ______

Проверил доцент Джерихов В.Б.

Санкт-Петербург

2014

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………3

2. Влияние группового состава нефти на качество топлив и масел….4

3. Современные методы получения топлив и масел………………….10

4. Влияние методов получения на качество топлив и масел………....14

5. Заключение…………………………………………………………....16

6. Список используемой литературы…………………………………..17

Введение

Нефть представляет собой сложную смесь различных соединений углерода с водородом. По элементному составу она содержит 83-87% углерода, 11...14% водо­рода, 0,1...1,2% кислорода, 0,02...1,7% азота и 0,01...5,5% серы. По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость, от темно-коричневого до желтого цветов, плотно­стью 750-950 кг/.

Нефть имеет органическое происхождение. Исходными веществами для обра­зования нефти послужили органические соединения, представляющие собой про­дукты распада растительных и животных организмов. Основные свойства нефти и продуктов ее переработки зависят от химических соединений, входящих в состав нефтепродуктов, т.е. от группового состава нефти.

Влияние группового состава нефти на качества топлив и масел

Основную массу вещества нефти составляют углеводороды 3-х главных групп: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены), которые как по количеству, так и по свойствам различаются для нефтей разного происхожде­ния. В нефти содержатся также незначительные количества кислородных и азоти­стых соединений.

Парафиновые углеводороды (алканы). Общая эмпирическая формула С_nН_2n+2 объединяет газообразные углеводороды, начиная с метана СH₄, жидкие, начиная с пентана C₅H₁₂, и твердые (Н-парафины), начиная с гексадекана С₁₆Н₃₄. Газообразные и твердые уг­леводороды способны растворятся в жидких, из которых, могут вновь выделятся га­зообразные (при повышении температуру или увеличения давления) и твердые (при понижении температуры).

Молекулы парафиновых углеводородов имеют неразветвленные цепи атомов углерода. Сами углеводороды носят название нормальных. Указанные, углеводо­роды устойчивы к реакциям окисления. Однако с повышением, температуры за 250...300°С окислительные процессы у Н- парафинов значительно интенсифициру­ются.

Кроме Н-парафинов, в нефтепродуктах находятся также изомерные углеводо­роды (И-парафины), которые имеют иное пространственное расположение атомов. И- парафины при умеренной температуре проявляют более высокую способность вступать в окислительные реакции, но с увеличением температуры эта способность замедляется, и в области высоких температур И- парафины оказываются более стой­кими, чем Н-парафины. Для обеспечения мягкой работы дизельного двигателя важны Н-парафины, а для создания высоких противодетонационных свойств бензи­нов для карбюраторных двигателей важное значение имеют И-парафины. Парафи­новые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутст­вие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначи­тельных количествах.

Общее содержание парафиновых углеводородов в нефти и продуктах ее пере­работки составляет около 50...60%, причем наиболее высокое их содержание прихо­дится на фракции, выкипающие до 150°С.

Выводы: 1) для дизельного двигателя важны Н-парафины, так как они устойчивы к реакциям окисления, однако с повышением, температуры за 250...300°С окислительные процессы у Н-парафинов значительно интенсифициру­ются. 2) для создания высоких противодетонационных свойств для бензиновых двигателей важное значение имеют И-парафины, так как И-парафины при умеренной температуре проявляют более высокую способность вступать в окислительные реакции, но с увеличением температуры эта способность замедляется. 3) Парафи­новые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутст­вие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначи­тельных количествах.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) имеют цикличное строение, поскольку в их моле­кулы входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенные между собой про­стыми валентными связями.

В легких топливных фракциях нефти содержатся моноциклические нафтеновые углеводороды, молекулы которых включают в себя по одному кольцу из пяти или шести атомов углерода. Общая эмпирическая формула моноцикланов С_nН_2n. Пред­ставители моноцикланов - циклопентан C₅H₁₀ и циклогексан C₆H₁₂. У более сложных нафтеновых углеводородов в молекулы входят, кроме циклического ядра, одна или несколько боковых цепей, представляющих собой радикалы парафиновых цепных углеводородов. Имея одно и то же число атомов в молекулах, нафтены могут содер­жать большое количество изомерных структур, которые различаются между собой расположением и строением боковых цепей.

Нафтеновые углеводороды в сравнении с парафиновыми при одинаковой моле­кулярной массе в области невысоких температур устойчивее к реакциям окисления, но несколько уступают Н-алканам. При повышении температуры (около 400°С и выше) цикланы превосходят Н-парафины по стойкости к окислительным реакциям и приближаются к И-парафинам.

Вывод: нафтеновые углеводороды обладают низкими температурами застывания, яв­ляются ценным компонентом зимних сортов топлив и масел. Хорошая устойчивость к окислению при высоких температурах делает эти углеводороды необходимой со­ставной частью топлив для бензиновых двигателей, улучшая их противодетона­ционные качества.

Содержание нафтеновых углеводородов в нефти составляет 20...30% и может быть несколько большим.

Ароматические углеводороды (арены) имеют шестичленное циклическое ядро. Молекула ароматического углеводорода бензола имеет вид С₆Н₆.

В легкие фракции нефтей и нефтепродуктов входят моноциклические углево­дороды с общей эмпирической формулой C_nH_2n-6, в составе которых одна или не­сколько боковых парафиновых цепей. Арены в зависимости от количества и распо­ложения боковых цепей образуют изомерные соединения.

В более тяжелых фракциях наряду с вышеуказанными содержатся бицикличе­ские и полициклические ароматические углеводороды, в молекулы которых входят несколько взаимоконденсированных колец или же кольца, соединенные между со­бой промежуточными цепями. Ароматические углеводороды обладают высокой термической устойчивостью к реакциям окисления, но вступают в реакцию замеще­ния с сохранением бензольного ядра. Ароматические углеводороды обладают боль­шей вязкостью, плотностью и температурой кипения в сравнении с цикланами и ал­канами при той же молекулярной массе. С понижением температуры вязкость аре­нов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных мате­риалов.

Ароматические углеводороды устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства бензиновых топлив. Арены вы­зывают увеличение периода задержки самовоспламенения дизельного топлива, что способствует жесткой работе дизельного двигателя.

В нефти содержание ароматических углеводородов составляет 10...30%. Коли­чество ароматических углеводородов возрастает по мере повышения температуры кипения отдельных фракций нефти, доходя до 30...35% во фракциях с температурой 250...300°С.

Выводы: 1) арены нежелательны для дизельного топлива, так как вызывают увеличение периода задержки самовоспламенения. 2) с понижением температуры вязкость аре­нов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных мате­риалов. 3) арены желательны для бензиновых топлив, так как они устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства.

В процессе термической переработки нефти образуются также непредельные углеводороды, которые характеризуются наличием двойных или тройных связей между углеродными атомами. Наиболее часто встречаются в нефтепродуктах оле­финовые углеводороды (алкены) со структурной формулой С_nН_2n с одной двойной связью (например, этилен С₂H₄). Распространены также и диолефиновые углеводо­роды (алкадиены) со структурной формулой С_nН_2n-2, которые имеют две двойные связи (бутадиен С₄H₆).

Наличие двойных связей в молекулах алкенов и алкaдиенов способствует их повышенной химической активности. Они легко окисляются и имеют склонность к реакциям присоединения и уплотнения (полимеризации). Чем больше число двой­ных связей в молекуле и выше температура, тем интенсивнее протекает процесс окисления.

Вывод: в результате полимеризации образуются высокомолекулярные смоли­сто-асфальтовые вещества, из-за чего непредельные углеводороды в большинстве случаев нежелательны для моторного топлива и смазочных масел. Малая стабиль­ность непредельных углеводородов является следствием смолообразования в топ­ливе при хранении.

Органические кислоты - это соединения, содержащие кислород. Основными ор­ганическими кислотами, содержащимися в нефти и нефтепродуктах, являются наф­теновые кислоты, относящиеся к карбоновым кислотам. Нафтеновые кислоты не вызывают коррозию черных металлов, но с цветными металлами (особенно с цин­ком и свинцом) взаимодействует интенсивно, образуя соли.

В результате окислительных процессов в нефтепродуктах образуются также ок­сикислоты, в молекулах которых, кроме карбоксильной, присутствует гидроксиль­ная группа ОН.

Вывод: нежелательны для нефтепродуктов так как вызывают коррозию цветных металлов.

Смолисто-асфальтовые вещества являются сложными соединениями углерода, водорода, кислорода, иногда серы. Они подразделяются на нефтяные смолы, ас­фальгены, карбены и карбоиды и кислые нефтяные смолы.

Нейтральные смолы - это полужидкие тягучие вещества, темно-желтого или коричневого цветов, обладающие сильной окрашивающей способностью. Плотность около 1,0 г/см³ . Элементный состав 80...85 % С, 10% Н, 5,..10% О. Смолы легко рас­творяются в нефтепродуктах.

Асфальгены представляют собой темно-бурые или черные твердые вещества, также обладающие сильной окрашивающей способностью. Плотность их более 1 г/см³. В асфальгенах по сравнению со смолами несколько больше содержится угле­рода и меньше водорода. Они растворяются в тяжелых фракциях нефти (масляных) и нефтяных смолах, образуя коллоидные растворы. Асфальгены при нагревании выше 300°С разлагаются.

Карбены и карбоиды, образующиеся из асфальгенов, по мере их уплотнения имеют более темный цвет. Они трудно растворимы.

Кислые нефтяные смолы (асфальгеновые кислоты и их ангидриды) - это полу­твердые или твердые вещества с плотностью более 1 г/см³ нерастворимые в бензине. Они образуются в результате окислительной полимеризации и конденсации продук­тов окисления углеводородов (кислот, оксикислот и т.п.).

Вывод: нейтральные смолы и асфальгены легко растворяются в нефтепродуктах, а карбены и карбоиды трудно растворимы, следовательно их присутствие нежелательно.

Сернистые соединения образуются на основе серы, содержащейся в нефти и нефтепродуктах, могут быть в свободном или связанном видах. По влиянию на ме­таллы сернистые соединения подразделяются на две группы: активные, непосредст­венно вступающие в реакцию с металлами (сероводород H₂S, сера S, различные меркаптаны), и нейтральные, которые не действуют на металл (сульфиды).

Вывод: наличие активных сернистых соединений в нефтепродуктах не допускается. Для топлив все сернистые соединения весьма нежелательны, так как в процессе сго­рания образуются сернистый и серный газы, при растворении которых в воде обра­зуются кислоты, вызывающие интенсивную коррозию деталей двигателя.

Азотистые соединения содержатся в нефти в незначительном количестве (до 0,3%) и практически могут быть удалены при очистке нефтепродуктов. Кроме рас­смотренных соединений, в нефти содержатся минеральные примеси (обычно в виде различных солей нафтеновых кислот) и вода, которые легко удаляются при отстаи­вании.

Современные методы получения топлив и масел

Существует два способа переработки нефти: физический и химический. В первом случае (прямая перегонка) углеводородный химический состав не меняется, а во втором (термическая переработка) происходит изменение структуры молекул. При термической переработке получаемые продукты по химическому составу и свойствам резко отличаются от исходной нефти.

При выработке бензина наиболее перспективными являются химические способы, так как они позволяют получить готовый продукт с заданным углеводородным составом. Именно так получают основное количество авиационных и автомобильных бензинов.

Прямая перегонка нефти — это наиболее простой и старый физический способ. Если нагревать нефть, то из нее вначале будут испаряться углеводороды с низкой температурой кипения, а затем при повышении температуры — с более высокой. Выделяющиеся при этом пары охлаждают, конденсируют (превращают в жидкость) и собирают дистилляты (фракции с близкой температурой кипения), которые идут на производство товарной продукции.

Прямую перегонку можно проводить при постепенном нагревании с последовательным выделением составных частей или при однократном нагревании с дальнейшим разделением образующихся паров. При этих способах переработки обычно получают следующие дистилляты: бензиновый (примерные температуры кипения 35—200° С), используемый для получения автомобильных, авиационных бензинов и различных растворителей; легроиновый (110—230° С) и керосиновый (140— 300°С), из которых получают реактивное топливо и различные керосины; газойлевый (230—330° С) и соляровый (280—360°С), идущие на производство дизельного топлива. После отгона дизельных фракций остается мазут. Нагревать нефть выше 360°С нельзя, так как начинают разлагаться входящие в ее состав углеводороды.

Остающийся в большом количестве (до 60—80% от массы исходной нефти) мазут в зависимости от его химического состава используют для производства смазочных масел, как сырье для химической переработки, а также сжигают в качестве моторного и котельного топлива.

Сущность переработки мазута на масла сводится к его нагреву под вакуумом в трубчатой печи. Вакуум необходим для того, чтобы избежать разложения углеводородов. Пары мазута поступают в вакуумную колонну, где они разделяются на дистилляты, которые идут на производство различных смазочных масел (трансформаторных, сепараторных, индустриальных, моторных, компрессорных и др.). Остающийся гудрон используют для дорожных покрытий. По способу производства различают дистиллятные и остаточные масла. При получении дистиллятных масел мазут нагревают до 42О...43О°С, создавая в вакуумной колонне разрежение в 50 мм рт. ст. Выход дистиллятных масел из мазута составляет около 50%, остальное — гудрон. Остаточные масла — это очищенные гудроны. Для их получения мазут или полугудрон смешивают с сжиженным пропаном (6...8 частей пропана на одну часть мазута) при температуре 40...60°С.

В химической переработке можно выделить два направления: крекинг и риформинг. Процесс расщепления молекул тяжёлых углеводородов называют крекингом. Крекинг осуществляют путём нагрева обрабатываемого сырья до определённой температуры без доступа воздуха, без катализатора (термический крекинг) или в присутствии катализатора (каталитический крекинг). Крекинг позволил увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50...60 % против 20...25 %, получаемых прямой перегонкой.

Термический крекинг проходит при температура 470...540°С и давлении 2...5 МПа. Вместе с расщеплением углеводородов при термическом крекинге протекают процессы синтеза и в результате создаются высокомолекулярные соединения. А также появляются отсутствующие в природной нефти химически неустойчивые непредельные углеводороды. Эти два фактора являются основным недостатком термического крекинга и причиной замены его другими процессами переработки нефти.

К таким процессам относится каталитический крекинг, который протекает при тех же температурах, что и термический крекинг, но при давлении близком к атмосферному и в присутствии катализатора. В качестве катализатора наибольшее распространение получили твёрдые алюмосиликатные катализаторы, в состав которых входят окись кремния и окись алюминия. Основной реакцией каталитического крекинга так же является расщепление сложных и больших молекул на более лёгкие с меньшим числом атомов углерода. Скорость расщепления значительно выше.

Гидрокрекинг (деструктивная гидрогенизация) – разновидность каталитического крекинга, проводимого в атмосфере водорода при давлении 20...30 МПа и температуре 470...500°С. В этом процессе образующиеся непредельные углеводороды гидрируются и превращаются в предельные. Кроме того, имеющиеся в сырье сернистые и кислородные соединения, расщепляясь, реагируют с водородом с образованием сероводорода и воды. Сероводород отмывается слабощелочной водой. В результате можно получать высококачественное топливо из нефтяных остатков, углеводородных смол и др. веществ.

Термический риформинг не нашёл широкого применения, т.к. при этом не удаётся резко улучшить эксплуатационные свойства бензина.

Наиболее перспективным является каталитический риформинг. Сущность его заключается в ароматизации бензиновых фракций в результате преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Нафтеновые углеводороды теряют атом водорода и превращаются в ароматические (реакция ароматизации), парафиновые - в результате реакции изомеризации (циклизации) также образуют ароматические углеводороды, отщепляя водород. При этом также тяжелые углеводороды расщепляются на более мелкие, образующиеся непредельные углеводороды гидруются.

Основным катализатором является алюмоплатина – платины 0,1...1,0 %. Этот катализатор позволяет осуществлять риформирование при температуре 460...5100 С и давлении 4 МПа без регенерации в течение нескольких месяцев. Процесс называется - платформинг. Сырьё для платформинга обессеривают, т.к. платиновый катализатор «отравляется» сернистыми соединениями, содержащимися в бензинах прямой перегонки. Обессеривание производят гидроочисткой, используя водород, выделенный при риформировании бензина. Этот процесс выгоден и тем, что обеспечивает водородом процессы гидроочистки топлив и масел.

Сырьё (бензиновая фракция прямой перегонки) нагревается в теплообменниках и нагревательной печи 1 до 380...420°С и поступает в реактор, где под давлением 3,5 МПа и при воздействии алюмокобальтомолибденового катализатора подвергается гидроочистке. Очищенное сырье после освобождения от сероводорода, углеводородных газов и воды нагревается в печи 1 до 500...520°С и поступает в реакторы, где под давлением свыше 4,0 МПа происходит его реформирование. Полученный катализат после отделения водосодержащего газа и стабилизации может применяться для получения товарных бензинов.

Влияние методов получения на качество топлив и масел

Выше были рассмотрены основные методы получения топлив и масел. Проанализировав эти методы можно выделить следующее:

1. При прямой перегонке нефти выход лёгких фракций, в частности для бензинов составляет не более 9 … 12 %, редко до 20 %. Продукты, получаемые способом прямой перегонки, обладают высокой химической стабильностью, так как в них отсутствуют непредельные углеводороды. Однако повышение спроса на бензин вызвало необходимость увеличения его производства, что оказалось возможным благодаря применению деструктивных методов(крекинга, риформинга).

2. Бензин, получаемый посредством термического крекинга, имеет недостаточно высокое октановое число (66...74) и большое содержание непредельных углеводородов (30... 40 %), т. е. он обладает плохой химической стабильностью, и его используют в основном только в качестве компонента при получении товарных бензинов.

3. Каталитический крекинг по сравнению с термическим более совершенный технологический процесс, так как часть образующихся непредельных углеводородов превращается в предельные за счет катализатора. Вследствие этого качество бензинов каталитического крекинга более высокое чем термического. Катализаторами служат алюмосиликаты.

4. В процессе гидрокрекинга образующиеся непредельные углеводороды гидрируются и превращаются в предельные. Кроме того, имеющиеся в сырье сернистые и кислородные соединения, расщепляясь, реагируют с водородом с образованием сероводорода и воды. Сероводород отмывается слабощелочной водой. В результате можно получать высококачественное топливо из нефтяных остатков, углеводородных смол и др. веществ.

5. Наиболее перспективным является каталитический риформинг. так как, нафтеновые углеводороды теряют атом водорода и превращаются в ароматические (реакция ароматизации), парафиновые - в результате реакции изомеризации (циклизации) также образуют ароматические углеводороды, отщепляя водород. При этом также тяжелые углеводороды расщепляются на более мелкие, образующиеся непредельные углеводороды гидруются. Каталитический риформинг используют для получения высокооктанового компонента автомобильных бензинов (85 по моторному методу измерения и 95 — по исследовательскому).