Источники углеводородов нефти: биосинтез в живом веществе организмов, т.е. наследование углеводородов; биохимический процесс преобразования органического вещества на стадии диагенеза; образование углеводородов на стадии катагенеза.
Факторы, влияющие на состав углеводородов нефти: особенности исходного органического вещества осадков, геохимические условия (Eh, pH) преобразования РОВ, степень катагенетического (термического) превращения органического вещества в зоне повышенных температур, вторичные изменения нефти в процессе образования залежей и их существования.
2.2.2 Химический состав нефти. Классификации нефти – 3 ч
Элементный состав – относительное содержание отдельных элементов: C, H, O, N, S, металлов и др.
Фракционный состав – содержание соединений, выкипающих в определенных интервалах температур. Температурные интервалы нефтяных дистиллятов: бензина, керосина, соляра, вакуумных фракций, мазута, гудрона.
Групповой химический состав нефти. В состав нефти входят две большие группы веществ:
· углеводороды;
· гетероатомные соединения и смолы и асфальтены.
Групповой углеводородный состав. В составе нефтей выделяют три класса углеводородов:
· алканы (парафиновые, метановые углеводороды);
· нафтены (циклопарафины, цикланы, полиметиленовые углеводороды);
· ароматические углеводороды (арены).
Алканы. Содержание, строение (нормальные, изо-строения, изопреноидные); фазовое состояние (газообразные, жидкие, твердые), свойства (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, температура кипения, молекулярная масса, реакционная способность) и их зависимость от химической структуры, распределение по фракциям.
Нафтены. Содержание, строение (трех-, четырех-, пяти-, шести-членные циклы; моно-, би-, трициклические и др.), фазовое состояние, свойства, распределение по фракциям.
Арены. Содержание, строение (моноциклические, бициклические, три-, тетра- и др. полициклические арены), свойства, распределение по фракциям. Соотношение различных типов аренов в нефтях. Гибридные углеводороды.
Олефины. Содержание, строение, источник и механизм образования.
Гетероатомные соединения (ГАС) нефти – это химические соединения на основе углеводородов любого класса, содержащие также и другие химические элементы – серу, азот, кислород, хлор, металлы и т.д.
Серосодержащие ГАС. Содержание. Формы серы: элементарная, сероводород, меркаптаны, алифатические сульфиды и дисульфиды, нафтеновы сульфиды, ароматические сульфиды, тиофены, бензотиофены и др. Примеры соединений. Относительное содержание, характерные свойства, влияние на свойства нефтепродуктов, распределение по фракциям. Связь с типом нефтей.
Кислородсодержащие ГАС представлены соединениями, обладающими кислыми свойствами и нейтральными соединениями.
Нефтяные кислоты: алифатические, в т.ч. изопреноидные; нафтеновые, моно- и полициклические; ароматические и гибридного строения. Нефтяные фенолы. Содержание, строение, распределение по фракциям, свойства, особенно – поверхностная активность.
Нейтральные соединения нефти. Кетоны, простые и сложные эфиры.
Азотсодержащие ГАС принадлежат двум группам соединений: азотистые основания и нейтральные азотистые соединения. Содержание, строение, распределение по фракциям, свойства (поверхностная активность), влияние на свойства нефтяных топлив и процессы нефтепереработки. Смешанные азотсодержащие ГАС, т.е. включающие атомы азота и серы, азота и кислорода, азота и металла, в частности, порфирины.
Смолисто-асфальтеновые вещества. Содержание в зависимости от типа и возраста нефти, распределение по фракциям.
Смолы. Химическое строение. Свойства: молекулярная масса, плотность, растворимость, стабильность.
Асфальтены. Свойства: молекулярная масса, плотность, поведение при нагревании, растворимость. Химическое строение: гибридность, полицикличность, наличие гетероатомов, склонность к ассоциации, реакционная способность.
Минеральные компоненты нефти. Металлы, входящие в состав нефти. Формы их связи с органическими веществами: порфириновые комплексы ванадия и никеля; комплексы металлов с асфальтенами. Распределение по фракциям. Влияние на процессы нефтепереработки и использование нефтепродуктов.
Нефть как дисперсная система. Межмолекулярные взаимодействия компонентов нефти. Ассоциаты нефти и структурообразование в ней. Строение сложной структурной единицы. Свободнодисперсные и связаннодисперсные системы. Специфические свойства дисперсной системы: структурно-механическая прочность и неустойчивость. Факторы, влияющие на степень ассоциации высокомолекулярных компонентов нефти: химический состав нефти, температура, давление, механическое воздействие, электрические и магнитные поля, поверхностно-активные вещества и др. Реологические свойства нефти. Примеры проявления свойств нефти как дисперсной системы при добыче, сборе, подготовке, транспорте и хранении нефти.
Классификации нефтей. Классификации по химическому составу, генетические классификации, технологические классификации.
Особенности химического состава нефтей Томской области и Западной Сибири.
2.2.3 Основные физико-химические свойства нефти – 1 ч
Плотность. Определение. Диапазон плотностей нефтей. Зависимость плотности нефти от химической природы входящих в нее веществ, фракционного состава, количества смолисто-асфальтеновых веществ, растворенных газов. Формулы расчета плотности нефти при изменениях температуры, давления. Относительная плотность нефти. Экспериментальные методы определения плотности: ареометрический, с помощью лабораторного цифрового измерителя плотности жидкостей.
Молярная масса. Понятие средней молярной массы. Формула Воинова для расчета молярной массы бензиновых фракций по температурам кипения. Аддитивность молярной массы нефти. Криоскопический метод определения молярной массы нефтяных фракций.
Вязкость. Динамическая и кинематическая вязкость нефти. Физический смысл. Размерности. Зависимость вязкости от температуры, химического состава, химической структуры (степени разветвленности, длины бокового алифатического заместителя, количества циклов в молекуле и др.), молекулярной массы и температуры кипения углеводородов нефти, количества растворенного газа, содержания и состояния смолисто-асфальтеновых веществ, содержания и состояния высокомолекулярных парафиновых углеводородов. Неаддитивность вязкости нефти. Экспериментальные методы определения вязкости различных нефтей, маловязких, вязких и высоковязких, с помощью вискозиметра (кинематическая), калиброванного отверстия (условная), ротационного вискозиметра (динамическая), соответственно. Формулы для расчета вязкости нефти: формула Вальтера, формула Филонова и др. Вязкость нефтяных дисперсных систем. Модель вязко-пластичной жидкости, уравнение Шведова-Бингама. Влияние температуры, напряжения сдвига, градиента скорости.
Поверхностное натяжение. Особенности поверхностного слоя на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение. Физический смысл. Размерность. Зависимость от температуры, давления, класса углеводорода, полярности вещества. Межфазное поверхностное натяжение. Экспериментальное измерение величины межфазного поверхностного натяжения на границе нефть – вода.
Давление насыщенных паров (ДНП). Методы определения ДНП.
2.2.4 Химический состав и свойства газов – 2 ч
Компонентный состав газов нефтяных, газовых и газоконденсатных залежей: содержание углеводородов, тяжелых углеводородов, азота, сероводорода, гелия, аргона, ртути. Компонентный состав газов Западно-Сибирского НГБ. Химический состав газов и конденсатов Томской области.
Основные свойства нефтяного газа. Молекулярная масса. Плотность. Относительная плотность. Вязкость. Зависимость от химического состава, молекулярной массы компонентов, температуры и давления.
2.2.5 Методы исследования состава нефти и газа – 1 ч
Элементный анализ на углерод и водород методом сжигания нефти до диоксида углерода и воды.
Определение содержания серы в нефти методом сжигания в трубке.
Фракционный состав. Методы определения: простая перегонка, перегонка с дефлегмацией и ректификация.
Хроматографические методы. Принципиальная основа хроматографии – избирательная сорбция. Виды хроматографии: газожидкостная, жидкостно-жидкостная, газо-адсорбционная, жидкостно-адсорбционная. Принципиальное устройство хроматографа. Назначение хроматографических колонок, детектора, регистратора. Принцип действия детектора по теплопроводности. Другие типы детекторов. Методы определения состава смеси по хроматограмме: метод абсолютной калибровки и метод внутренней нормализации. Результаты исследования нефтей методом хроматографии.
Масс-спектрометрия. Хромато-масс-спектроскопия. Принципы методов. Результаты исследования нефтей данными методами.
2.2.6 Переработка нефти и газа. Характеристика товарных продуктов – 1 ч
Процессы нефтепереработки: первичная перегонка нефти, вторичная перегонка, очистка и облагораживание дистиллятов АВТ.
Товарные нефтепродукты: нефтяные топлива, масла, твердые нефтепродукты. Нефтепродукты специального назначения.
Переработка углеводородных газов: общие схемы подготовки и переработки.
Товарные продукты газопереработки: сухой газ (СН4), сжиженные газы С3 – С4, моторные топлива, другие продукты газофракционирования, гелий.
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ(ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ)
При изучении дисциплины выполняется цикл лабораторных работ с целью усвоения и расширения лекционного материала.