Химия нефти и газа ответы Современные тенденции в добыче нефти

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.Современные тенденции в добыче нефти и газа. Превращение нефти в природе. Экологические аспекты.

Лидером по добыче нефти является США, на втором месте Саудовская Аравия, далее – РФ.

Устойчивой тенденцией изменения структуры добычи нефти в России является увеличение доли добычи газового конденсата, что связано с активным вовлечением в разработку высококонденсатного (жирного) газа Западной Сибири. Рост добычи нефти обеспечивается вовлечением в разработку мелких и мельчайших месторождений для компенсации падения добычи на крупных и средних месторождениях региона.

Устойчивой тенденцией развития НГК России в 2015 г. стало сокращение доли темных нефтепродуктов в структуре выпуска нефтеперерабатывающей отрасли. Обуславливается это повышением таможенных пошлин на темные нефте­продукты и комплексной модернизацией перерабатывающей отрасли в целом.

Нефть, попавшая в окружающую среду после аварийных разливов, подвергается сложным физикохимическим превращениям, таким как испарение, растворение в воде, эмульгирование в воде, окисление; нефть подвергается превращениям под действием бактерий (биодеградация).

При одной и той же молекулярной массе максимальной испаряемостью обладают алканы. Причем среди алканов легче всего испаряются изоалканы. Труднее испаряются нафтены, еще труднее ароматические углеводороды. Это объясняется различным межмолекулярным взаимодействием углеводородов различных рядов.

Важным свойством компонентов нефти является их растворимость в воде. Все углеводороды слабо растворяются в воде, но их растворимость отличается друг от друга. Растворимость углеводородов повышается в ряду: алканы < нафтены < арены. Причем с увеличением длины углеводородной цепи на два атома углерода растворимость повышается на порядок.

Под действием солнечного ультрафиолетового излучения с длиной волны ~300—350 нм происходит окисление углеводородов в атмосфере. Легче всего окисляются алканы нормального строения; изоалканы и нафтены также легко окисляются, а ароматические углеводороды ряда бензола, особенно с короткими боковыми цепями, окисляются медленно. Однако если ароматический углеводород имеет длинную алкильную цепочку, тогда окисление протекает интенсивно, особенно у соседнего с бензольным кольцом углеродного атома. Продукты окисления — спирты, альдегиды, кетоны, кислоты.

Следует отметить, что почти все углеводороды подвергаются биологическому разложению под действием бактерий (биодеградации). Легче всего повергаются биодеградации алканы нормального строения, затем изоалканы и нафтены, труднее подвергаются этому процессу ароматические углеводороды, особенно те, которые не имеют длинных боковых цепей. Однако полициклические ароматические углеводороды подвергаются биодеградации достаточно легко. При благоприятных условиях все ароматические углеводороды могут разлагаться отдельными видами бактерий, грибов и микроскопических водорослей.

Наибольшей вязкостью из углеводородов обладают нафтены, так как они имеют строение часто несимметричное; в пространстве они занимают положение, которое препятствует движению слоев жидкости по отношению друг к другу. Наименьшую вязкость имеют алканы. Ароматические углеводороды занимают промежуточное положение. Нефть пониженной вязкости может растекаться на водяной поверхности теоретически до образования мономолекулярного слоя, но этого не происходит, так как вследствие быстрого испарения легких компонентов нефти и их растворения в воде вязкость и поверхностное натяжение нефти увеличивается и скорость распространения нефтяной пленки снижается. Следовательно, растекание нефти по водной поверхности — это самотормозящийся процесс.

При одинаковом числе атомов углерода в молекуле поверхностное натяжение на границе углеводород— воздух увеличивается с увеличением его плотности в ряду: алканы < нафтены < арены. У различных нефтепродуктов поверхностное натяжение на границе раздела углеводород—воздух также растет с увеличением плотности. В случае поверхностного натяжения нефть—вода: с повышением плотности поверхностное натяжение уменьшается. Вследствие этого нефти и нефтепродукты с высокой плотностью будут легче эмульгироваться в воде.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2. Современные представления о происхождении нефти и газа.

Гипотезы минерального происхождения нефти Д. И. Менделеева и других ученых.

Эта гипотеза была выдвинута Менделеевым в 1879 г. Известно, что карбиды металлов реагируют с водой с образованием углеводородов:

Д. И. Менделеев допускал, что в земной коре находятся карбиды металлов, которые могут взаимодействовать с водой, проникающей по трещинам, с образованием

углеводородов. Эти углеводороды при повышенной температуре, давлении и под каталитическим действием пород могли подвергнуться различным реакциям и образовать углеводородные смеси.

В настоящее время существуют очень серьезные возражения против этой гипотезы:

1. На глубине в 40—50 км вследствие пластичности горных пород не может быть трещин, по которым вода могла бы проникнуть в недра.

2. Гипотеза Менделеева не может объяснить оптическую активность нефти и наличие в нефти таких сложных соединений, как порфирины, изопреноидные углеводороды и другие «биологические метки».

В 1950 г. профессор Н. А. Кудрявцев предложил магматическую гипотезу образования нефти, согласно которой на большой глубине в мантии земли при высоких температурах и давлениях взаимодействие углерода и водорода приводит к образованию радикалов СН, СН2 и СН3. Эти радикалы перемешаются в мантии под действием перепада давления в зоны глубинных разломов в земной коре и далее по этим разломам в области, находящиеся ближе к поверхности, где вследствие снижения температуры они взаимодействуют друг с другом, а также с оксидами углерода и водорода, что приводит к образованию углеводородов.

Близких взглядов на неорганическое происхождение нефти придерживаются А. И. Кравцов и Э. Б. Чекалюк, которые считают, что нефти образовались при взаимодействии оксидов углерода, водорода и метана, выделяющихся из мантии земли по глубинным разломам в земной коре. Под действием высоких температур, давлений и под каталитическим действием оксидов металлов (Fe, Ni и др.), содержащихся в горных породах, происходит взаимодействие оксидов углерода с водородом с образованием углеводородов.

Гипотеза органического происхождения нефти из органического вещества, рассеянного в осадочных породах

Основоположником современной органической теории происхождения нефти является И. М. Губкин. Исходным веществом при образовании нефти и газа И. М. Губкин считал смесь органических остатков растительного и животного происхождения в смеси с минеральными отложениями. Большие скопления органического вещества вместе с минеральными осадочными отложениями могли образоваться в результате массового отмирания планктона. Мертвые организмы оседали на дно, где смешивались с илом и песком, приносимым реками.

Органическое вещество планктонных организмов состоит в основном из липидов (жироподобные вещества) и содержит также углеводы и белки. Попадая в минеральные осадки, органическое вещество мертвых организмов подвергалось уплотнению и образовывало вместе с глинистыми осадками твердое углеподобное вещество, называемое керогеном. Этот этап превращения органического вещества называется диагенезом. Вместе с уплотнением органического вещества (поликонденсацией) происходили гидролитические и восстановительные процессы: гидролиз жиров, восстановление кислородных соединений, декарбоксиляция кислот, насыщение двойных связей, отщепление аминогрупп от молекул аминокислот и т. д. В этих процессах могли принимать активное участие ферменты бактерий. Часть органического вещества превращалась бактериями в газ (метан). По мере увеличения количества минеральных осадков происходило постепенное погружение керогена, повышение температуры и давления, и на глубине 1—3 км начиналась решающая фаза генезиса нефти — образование углеводородов из органического вещества и их превращения. Эта стадия получила название катагенеза. Образующиеся углеводороды под действием капиллярных сил перемещались в слое осадочных пород и скапливались, образуя месторождения.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3.Химическая классификация нефти. Основной элементный состав. Гомологические ряды компонентов нефти.

Взависимости от преобладания в этой фракции углеводородов одного ряда (выше 50 %) нефти делятся на 3 основных типа:

•метановые — нефти грозненские парафинистые, бакинская, сураханская и некоторые румынские, нефти Западной Украины, Татарии, Самотлора, полуострова Мангышлак;

•нафтеновые — эмбенские, некоторые бакинские (нефть месторождения Грязевая Сопка), калифорнийские нефти США;

•ароматические — нефть месторождения Чусовские Городки, майкопская, нефти Зондских островов.

При содержании во фракции 250—300 °С более 25 % углеводородов других рядов нефти относят к смешанному типу: метано-нафтеновому, нафтено-метановому, ароматическо-нафтеновому и т. д. В этих названиях первым ставится название углеводородов с меньшим содержанием. Наиболее распространенными являются нефти метано-нафтеновые и нафтено-метановые.

Основной элементный состав:

Углерод – 83-87% Водород – 12-14%

Сера – 0.01-14% Азот – 0.02-1.7% Кислород – 0.05-3.6%

4.Технологическая классификация нефти. ГОСТ-51858-2002

Взависимости от массовой доли серы нефть подразделяют на классы 1 - 4:

По плотности, а при поставке на экспорт - дополнительно по выходу фракций и массовой доле парафина нефть подразделяют на пять типов:

0 - особо легкая;

1 - легкая;

2 - средняя;

3 - тяжелая;

4 - битуминозная.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

По степени подготовки нефть подразделяют на группы 1-3:

По массовой доле сероводорода и легких меркаптанов нефть подразделяют на 2 вида:

Условное обозначение нефти состоит из четырех цифр, соответствующих обозначениям класса, типа, группы и вида нефти. При поставке нефти на экспорт к обозначению типа добавляется индекс «э». Структура условного обозначения нефти:

5.Алканы. Строение. Номенклатура. Газообразные, жидкие, твердые алканы нефти. Содержание в нефти. Основные физические и химические свойства.

Строение. Связь С–С является ковалентной неполярной. Связь С–Н - ковалентная слабополярная, т.к. углерод и водород близки по электроотрицательности. Каждый атом углерода в молекулах алканов находится в состоянии sp3-гибридизации — все 4 гибридные орбитали атома С идентичны по форме и энергии, 4 связи направлены в вершины тетраэдра под углами 109°28'.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Номенклатура. По номенклатуре ИЮПАК названия алканов образуются при помощи суффикса -ан путём добавления к соответствующему корню от названия углеводорода. Выбирается наиболее длинная неразветвлённая углеводородная цепь, при этом нумерация этой цепи начинается со стороны ближайшего к

концу цепи заместителя. Если группы повторяются, то перечисляют цифры, указывающие их положение, а число одинаковых групп указывают приставками ди-, три-, тетра-. Если группы неодинаковые, то их названия перечисляются в алфавитном порядке.

Газообразные алканы. Шесть низших алканов — газы при обычных условиях (метан, этан, пропан, бутан, изобутан, неопентан).

Жидкие алканы. Алканы С5-С10, входящие в состав бензиновых фракций (150-180 оС) – соединения с простейшими заместителями (метил, этил), монозамещенные в положении 2 или 3.

Алканы С11-С20 – углеводороды средних фракций, в дистилляте 180-350 оС. Изопреноидные углеводороды нефти обладают полиизопреновым скелетом с характерным чередованием метильных заместителей в цепи через 3 метиленовые группы, которые можно рассматривать как продукты полимеризации изопрена:

Твердые алканы. Начиная с С16 и выше, алканы с прямой цепью — твердые вещества. В составе нефтяных парафинов и церезинов (деление на основании различий в кристаллической структуре, физических и химических свойствах)

Содержание в нефти. Обычно их содержание в нефтях колеблется от 20 до 50 %. В парафинистых нефтях содержание алканов достигает 60 % и более; в нефтях малопарафинистых их содержание может упасть до 1— 2 %. Если рассматривать распределение алканов по фракциям нефти, то наблюдается следующая общая для всех нефтей закономерность: содержание алканов падает с увеличением температуры кипения фракции. В парафино-нафтеновых нефтях алканы находятся в низкокипящих фракциях (до 300 °С). В парафинистых нефтях их содержание может быть значительным даже в высококипяших фракциях. В некоторых нефтях н-алканы или изопренаны отсутствуют и содержится очень небольшое количество (4—10 %) сильно разветвленных алканов.

Физические свойства.

1.Алканы имеют самую низкую плотность, сравнительно с плотностью углеводородов иного строения и гетероатомных соединений нефти с таким же чистом атомов в молекуле. Плотность изменяется с молекулярной массой и зависит не только от числа углеродных атомов, но и от расположения в молекуле. Например, С11Н24: 737,4 г/см3 у 2,6-диметилнонана, 768,9 г/см3 у 2,2,3,3 – тетраметилгептан.

2.Характеризуются самой большой массовой теплотой сгорания

3.Имеют более высокую теплоемкость.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4.Имеют наибольшую теплопроводность.

5.Имеют меньшие значения поверхностного натяжения.

6.Отличаются наиболее низкой вязкостью (вязкость растет с молекулярной массой и разветвленностью расположения изомерных структур алканов)

7.При понижении температуры в нормальных алканах начинается структурообразования (кристаллизация). Для изоалканов температура кристаллизации намного ниже.

8.Фазовые превращения (плавление, кристаллизация, переход из одной кристаллической модификации в другую, растворение одной фазы в другой, насыщение или пересыщение одной фазы другой) определяются характером сил молекулярного взаимодействия. Высокая температура плавления – нормальные алканы, низкая – разветвленные.

Химические свойства. Алканы, будучи насыщенными, способны только к реакциям замещения. Однако их реакционная способность мала, особенно в ионных реакциях. При обычных условиях эти углеводороды не реагируют с такими электрофильными реагентами, как серная и азотная кислоты.

1. Окисление. Окислители: молекулярный кислород, азотная кислота, пероксидные соединения, Н2О и СО2.

Полное окисление: .

Неполное окисление: 1. Окисление без разрыва углеродной цепи, 2. Деструктивное окисление с расщеплением С-С связей, 3. Окислительная конденсация.

Получают: метанол, изопропиловый спирт, метилэтилкетон, уксусную кислоту, уксусный ангидрид, формальдегид, этанол, этиленгликоль, дихлорэтан, жирные кислоты и спирты, и т.д. А также синтез-газ:

Получение алканов и алкенов, кислородных соединений (по Фишеру-Тропшу):

2. Нитрование.

3. Галогенирование.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

4. Дегидрирование (расщепление С-Н связей). Характерна для низших алканов. Идет с заметной скоростью: метан – 900оС, этан – 500оС, пропан – 450оС, бутан – 430оС.

6. Крекинг (расщепление С-С связи). С образованием алкенов и алканов, но с меньшим числом углеродных атомов в молекуле, чем в исходных. Используют для производства этилена, пропилена, булитенов, бутадиена, изопрена. Начинается с пропана. Скорость увеличивается с увеличением молекулярной массы.

Место разрыва связи определяется: энергией диссоциации связи,

температурой (при повышении место разрыва менее определенное), давлением (при уменьшении разрыв ближе к концу молекулы). Катализатор каткрекинга – AlCl3, алюмосиликатные катализаторы. Скорость каткрекинга в 40-60 выше скорости термокрекинга при одной и той же температуре (500оС).

7. Дегидроциклизация. Катализатор: платина на оксиде алюминия, платина на угле, Cr2O3, MoO2.

8. Изомеризация. Катализатор: AlCl3, суперкислоты (HF-BF3, HF-SbF3, HSO3F-SbF3), бифункциональные: Pt/кислотный носитель.

9.Алкилирование. Катализатор: 98-99% H2SO4 5-15 oС; HF 25-35 оС; твердокислотные катализаторы.

10.Биологический синтез протеинов.