ГРУПОВИЙ СКЛАД НАФТИ

За груповим хімічним складом нафта являє собою складну суміш вуглеводнів, сірчаних, кисневих та азотних сполук. У складі нафти є три групи вуглеводнів: парафінові, нафтенові та ароматичні (плакат 1), в нафтопродуктах можуть бути ненасичені вуглеводні, які з'являються в процесі переробки нафти чи нафтопродуктів.

Парафінові вуглеводні (загальна формула СnН2n+2) із вмістом атомів вуглецю від 1 до 4 за нормальних умов є газоподібні, від 5 до 16 - рідкі, більше 16 - тверді речовини. Починаючи з бутану, вуглеводні, що мають однакову молекулярну масу й кількість вуглецевих і вод­невих атомів в молекулі, можуть мати різні структурні формули. Вуг­леводні з ланцюговою структурою називаються нормальними і по­значаються літерою н, з розгалуженою - ізомерами і позначаються префіксом ізо-. Фізичні та хімічні властивості вуглеводнів нормаль­ної та розгалуженої структури не однакові. Чим складніша молекула, більша її молекулярна вага, тим більше ізомерів має речовина. Так, октан С8Н18 має 17 ізомерів, тетрадекан С14Н30 - 2835 ізомерів.

Таблиця 1 - Приблизний груповий склад нафти

Парафінові вуглеводні мають саму високу масову теплоту зго­ряння з усіх класів вуглеводнів, бо вони містять саму велику кількість водневих атомів. За нормальних умов парафінові вуглеводні хімічно стабільні, тому палива і оливи, які містять велику кількість пара­фінових вуглеводнів, стабільні при зберіганні При високих темпе­ратурах стійкість до окислення киснем повітря у нормальних і ізо-па-рафінових вуглеводнів відрізняється: стійкішими є ізо-парафінові вуглеводні, і чим більше розгалужена їх молекула, тим більша стійкість до окислення при високих температурах. Тому н-парафінові вуглеводні, як менш стійкі до окислення при високих температурах, є небажаними компонентами бензинів, бо мають погані антидетона­ційні властивості, тобто низькі октанові числа. Так, октанове число н. пентану становить 61,9; н. гексану- 26,0; н-гептану - 0,0; н-октану - мінус 20 за моторним методом. Високі октанові числа мають газові вуглеводні, котрі використовуються як паливо для газобалонних автомобілів та іншої техніки.

В дизельних паливах н.парафінові вуглеводні покращують само­займання робочої суміші, тобто покращують цетанові числа. Так, Цетанові числа для н. парафінових вуглеводнів скла­дають: для н-октану - 63,8; н-декану - 76,9; н. тетрадекану - 96,1; н-гексадекану - 100; н-октадекану - 102,6. Але поряд з високими цетановими числами н-парафінові вуглеводні мають великий не­долік: вони погіршують низькотемпературні властивості палив.

В оливних фракціях н-парафінові вуглеводні покращують в'язкісно-температурні властивості (оцінюються індексом в'язкості), але погіршують низькотемпературні показники.

Ізо-парафінові вуглеводні мають більш високі октанові числа порівняно з н. парафіновими однакової маси, наприклад, октанові числа для С6Н14 і С7Н16 різної будови становлять: для н. гексану - 26,0 і 2,3 - диметилбутану - 94,3; а для н-гептану- 0,0 і 2,3-диметил-пентану - 88,5. З ускладненням розгалуженості молекули октанове число вуглеводнів підвищується. Ізо-парафінові вуглеводні мають Цетанові числа менші порівняно з н-парафіновими вуглеводнями однакової маси, але вони покращують низькотемпературні власти­вості порівняно з н-парафіновими вуглеводнями.

Нафтенові вуглеводні (загальна формула СnН2n) є похідними циклопентану і циклогексану. Майже всі нафтенові вуглеводні ма­ють бокові ланцюги. Вуглеводні, до складу яких входять декілька нафтенових кілець, називаються поліциклічними.

Нафтенові вуглеводні мають меншу теплоту згоряння порівня­но з парафіновими, тому що містять меншу кількість водню в моле­кулі. Вони мають більш високі октанові числа порівняно з н. парафі­новими, наприклад, октанові числа для н-гексану і циклогексану становлять 26,0 і 77,2 відповідно. Тому вони в бензині є більш бажа­ними компонентами, ніж н. парафінові вуглеводні.

Цетанові числа нафтенових вуглеводнів нижчі порівняно з Цетановими числами н-парафінових вуглеводнів, наприклад, Цетанові числа для н. гептану і метил циклогексану становлять 56,3 і 20,0, для н-гексадекану (н-цетану) і н. гексилциклогексану - 100,0 і 35,0 відповідно. Але більш низькі температури плавлення нафтенових вуглеводнів порівняно з н-парафіновими роблять їх цінними компо­нентами дизельних палив.

В оливних фракціях нафтенові вуглеводні підвищують в'язкість, а з довгими боковими ланцюгами - індекс в'язкості.

Ароматичні вуглеводні (загальна формула СnН2n-х, де х не мен­ше 6), в основному, є похідними бензолу: толуол, ксилоли, нафталін, антрацен тощо. Ароматичні вуглеводні містять ще менше водню, ніж нафтенові, тому їх масова теплота згоряння ще нижча.

Ароматичні вуглеводні мають високу хімічну стабільність. Вони термостабільні, тому є бажаними компонентами бензинів з точки зору антидетонаційних властивостей. Так, октанове число для бен­золу становить 108, толуолу - 100... 103, ізопропилбензолу - 98,7. Але ароматичні вуглеводні мають підвищену здатність до утворен­ня нагарів та лаків. В товарних бензинах їх повинно бути не більше 40...45%. У зв'язку з високою термічною стабільністю ароматичні.

Таблиця 2 - Груповий хімічний склад газойлів та оливних фракцій нафти різних родовищ

Чим більше парафінових вуглеводнів в дизельному паливі, тим нижче його температура самозапалювання (вище Цетанове число), але гірші низькотемпературні властивості. В оливних фракціях па­рафінові вуглеводні знаходяться, як правило, у вигляді бокових ланцюгів ізомерної будови з нафтеновими чи ароматичними вуглевод­нями, що надає оливам хороших в'язкісно-температурних власти­востей (особливо це стосується сполучення парафінових бокових ланцюгів з нафтеновими вуглеводнями).

Ненасичені вуглеводні утворюються під час переробки нафти та нафтопродуктів. У паливах можуть знаходитися сполуки загальної формули СnН2n, які мають один подвійний зв'язок. З усіх властивостей ненасичених вуглеводнів слід виділити їх низьку хімічну стабільність. Завдяки подвійному зв'язку вони легко окислюються, полімерізуються, утворюючи смоли. Внаслідок більш високих окта­нових чисел порівняно з октановими числами н-парафінових вуг­леводнів і можливості розширення сировинної бази для одержання бензинів вміст ненасичених вуглеводнів допускається в бензинах, які не підлягають зберіганню. Продукти з великим вмістом ненасичених вуглеводнів треба використовувати в найкоротший термін. Ненасичені вуглеводні є сировиною для хімії і нафтохімії.

Властивості палив і олив залежать від хімічного та фракційного складу, тобто від того, які вуглеводні і в якій кількості містяться та їх температур кипіння. У бензинах є вуглеводні з числом атомів вугле­цю від 4 до 12 (приблизно), в дизельних паливах - від 12 до 25, в оливах - від 20 до 70.

Кисневі сполуки, які містяться в паливах і оливах, являють со­бою органічні кислоти і асфальто-смолисті речовини. Органічні кис­лоти спричинюють корозію, передусім, кольорових металів. Основ­на доля кисню, що міститься в нафті і нафтопродуктах, знаходиться у вигляді асфальто-смолистих речовин. Вони спричинюють підви­щене утворення різних відкладень, тому вміст їх небажаний.

Сірчані сполуки у складі палив і олив можуть бути у вигляді сірки, сірководню, меркаптанів (активні сірчані сполуки), сульфідів, ди­сульфідів та інших (це так звані неактивні сірчані сполуки). Активні сірчані сполуки спричинюють сильну корозію металів. Неактивні сполуки, які містяться у паливах, самі корозії не спричинюють, її викликають продукти їх згоряння. Крім корозії, сірчані сполуки збільшують нагароутворення, знижують октанові числа в бензинах.

Азот знаходиться в паливах і оливах у вигляді асфальто-смо­листих речовин.

Нафта і нафтопродукти не мають електропровідності, але під час тертя об металеві поверхні утворюється статичний заряд елек­трики. Тому всі ємкості, арматуру, в яких відбувається перекачуван­ня, зливання-наливання нафтопродуктів, треба заземляти.

УЗАГАЛЬНЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ:

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

Полянський С.К. Експлуатаційні матеріали: підруч. для студ. вищ. навч. закл. / С.К.Полянський, В.М.Коваленко – К.:Либідь, 2003. – с. 9 - 13

ВИКЛАДАЧ– Донець Т.А.

ЛЕКЦІЯ № 3 (2 год.)

ТЕМА:Пряма перегонка нафти, сутність способу

МЕТА:

- навчальна: сформувати загальне уявлення про фізичну сутність перегонки нафти і про продукти, які утворюються при перегонці;

- розвиваюча: уміння працювати зі схемами, таблицями і рисунками;

- виховна: виховувати інтерес до вивчення курсу.

ОБЛАДНАННЯ:дошка, плакати з таблицями і схемами.

ПЛАН

1. Способи отримання нафтопродуктів; пряма переробка нафти; сутність способу.

2. Термічний та каталітичний крекінг, риформінг, сутність способів, перевага та недоліки.

3. Одержання масел.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

1 СПОСОБИ ОТРИМАННЯ НАФТОПРОДУКТІВ; ПРЯМА ПЕРЕРОБКА НАФТИ; СУТНІСТЬ СПОСОБУ

Здобуття палива та масел ґрунтується на тому, що вуглеводні, які входять до складу нафти, мають різні властивості в тому числі різні температури кипіння. Останню особливість і покладено в основу первинної (прямої) перегонки нафти.

Залежно від родовища нафти при її первинній переробці можна здобути:

10 – 15% бензинових фракцій

15 – 20% палива для реактивних двигунів

15 – 20% палива для дизельних двигунів.

50% приблизно мазуту.

Ці нафтові фракції – не індивідуальні речовини, хоча містять близькі за складом та властивостями сполук.

В результаті першої перегонки, яка відбувається в спеціальних ректиорікаційних кислотах згідно схеми маємо:

Бензин першої перегонки має низьке октанове число5 – 5,56 і високу хімічну стабільність. Дизпаливо має високе метанове, але потребує поліпшення низькотемпературних властивостей.

Мазут, що залишається після відгонки паливних фракцій, може бути сировиною для здобуття додаткової кількості палива деструктивних методом і сировиною для здобуття масло фракцій на вакуумній установці, а також паливом для тихохідних двигунів та теплових електричних станцій.

Таблиця 1 - Основні фракції перегонки нафти

2 ТЕРМІЧНИЙ ТА КАТАЛІТИЧНИЙ КРЕКІНГ, РИФОРМІНГ, СУТНІСТЬ СПОСОБІВ, ПЕРЕВАГА ТА НЕДОЛІКИ

Вторинна переробка нафти ґрунтується на розщепленні складних вуглеводнів нафти (мазуту, газойля, солярки) під дією високих температур і тисків. Цей процес дістав назву крекінгу (анг. – розірвати, розщепити).

Вторинні методи переробки нафти (деструктивні) дають змогу одержати додаткову кількість палива або поліпшити його якість.

Розробленими, вивченими та практично застосовуваними є кілька видів крекінгу: термічний, каталітичний, гідрокрекінг, каталітичний риформінг.

Термічний крекінг здійснюється при температурі 500 - 550 °С та тиску близько 5 МПа. Сировиною для здобуття автомобільного бензину є вуглеводні великої молекулярної маси (мазут, гас, газойль). Вихід бензину залежить від сировини. З мазуту можна одержати до 30% бензинових фракцій, з газойля – 60%. Ці бензини характеризуються низькою хімічною стабільністю і невисоким октановим числом 66 – 68.

Термічний крекінг через погану якість вторинного бензину витискається більш сучасними.

Каталітичний крекінг, на відміну від термічного, здійснюється при більш м’яких режимах (t 450 – 500 °С) і тиск 0,15 МПа, але в присутності каталізаторів (алюмосилікатів), при яких процеси деструкції проходять у напрямку утворення ізомерних, найбільш цінних для бензинів вуглеводнів. Загальний вихід бензинових фракцій перевищує 50%, октанове число 87 – 91, оскільки складається з ізо – парафінових та ароматичних вуглеводнів.

Сировиною є – газойлева фракція, солярова фракція.

Гідрокрекінг – це різновид каталітичного крекінгу в присутності водню. Температура 420 – 500 °С, тиск 3 – 10 МПа. Вихід бензинів – 50% вихідної сировини. Гідрокрекінгу можна піддавати бензин, дизпаливо, реактивне паливо.

Каталітичний риформінг – 470- 520 °С, тиск 2 – 4 МПа з каталізаторами.

Сировиною для риформінгу є важкі бензинові фракції, з них мають ізооктан, які широко використовують як домішки до товарних бензинів – бензини

АИ – 93, АИ – 98. У тому випадку, коли як каталізатор застосовують платину, процес називають платформінгом.

Одержані фракції бензину не є готовим паливом через те, що вони містять зайву кількість органічних кислот, смол, сірчаних сполук; тому їх піддають очищенню різними методами. Найчастіше застосовуються очистка сірчаною кислотою, лугом, гідро очистки, селективна очистка, депарафінізація.

Самий ефективний – гідро очистка. Цей спосіб застосовується для видалення майже всіх небажаних компонентів у присутності водню і каталізаторів.

Товарними бензинами – є суміш очищених бензинів з присадками. Присадки – це сполуки які поліпшують процес згоряння, сприяють зберіганню, протизношувальні, антикорозійні, антидетонатори.

2 ОДЕРЖАННЯ МАСЕЛ

Первинна обробка нафти полягає в її перегонці. Під час якої добувають світлі нафтопродукти ( бензин, лігроїн, гас, газойль ), а в залишку мазут.

Мазут – це рідка, в’язка, чорна речовина. Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під зниженим тиском ( щоб запобігти розкладанню вуглеводнів ) і виділяють масла веретення, машинне, циліндрове. З мазуту деяких сортів нафти добувають вазелін і парафін. Залишок мазуту після перегонки називається нафтовим пеком, або гудроном, який іде на виготовлення асфальту.

Схема 1

Найважливішими особливостями дистилятних масел є їх гарні в’язкісно – температурні властивості. Але в них мало з’єднань, які мають високу маслянистість. Дистиляти ще називають масляною фракцією.

Залишкові масла навпаки мають високу природну маслянистість, але погані низько - температурні і в’язкісно – температурні властивості. Висока маслянистість залишкових масел зв’язана з присутніми в них продуктами полімеризації.

Для того, щоб отримати товарні марки, масла піддають складним технологічним операціям. Для зниження небажаних домішків масла очищають. Із них забирають продукти полімеризації, органічні кислоти, сірку, сірчані з’єднання. Їх піддають депарафінізації і деасфальтизації.

Дистилятні масла використовують для приготування масел, від яких не потребують особливо високої міцної масляної плівки.

Залишкові масла – там де високі маслянистість має значення.

Наприклад, для дизельних масел змішують дистилятні і залишкові масла в необхідній пропорції.

Масла, які беруть в якості основних моторних масел називають базовими маслами.

Базові масла для покращення їх властивостей очищають.

УЗАГАЛЬНЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ:

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

Полянський С.К. Експлуатаційні матеріали: підруч. для студ. вищ. навч. закл. / С.К.Полянський, В.М.Коваленко – К.:Либідь, 2003. – с. 16 - 19

ВИКЛАДАЧ– Донець Т.А.

ЛЕКЦІЯ № 4 (2 год.)

ТЕМА:Автомобільні бензини

МЕТА:

- навчальна: сформувати загальне уявлення про вид палива автомобільні бензини;

- розвиваюча: уміння працювати зі схемами, таблицями і рисунками;

- виховна: виховувати інтерес до вивчення курсу.

ОБЛАДНАННЯ:дошка.

ПЛАН

1. Призначення бензинів. Експлуатаційні вимоги до якості бензинів.

2. Оцінки якості бензинів за показниками їх хімічних властивостей.

3. Нормальне та детонаційне згорання .

4. Октанове число. Способи підвищення октанового числа. Марки бензинів.

ЗМІСТ ЛЕКЦІЇ

1 ПРИЗНАЧЕННЯ БЕНЗИНІВ. ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВИМОГИ ДО ЯКОСТІ БЕНЗИНІВ

Автомобільні бензини – це паливо для карбюраторних двигунів.

Бензин – горюча рідина, що легко випаровується (в масовому співвідношенні 85% -- С, 15%, і невеликої частки О, N, S.

Потужність двигуна, його моторесурс, надійність роботи, витрати палива і моторного масла,

Токсичність відпрацювання газів залежить від якості палива.

Експлуатаційні вимоги до якості бензинів:

1) нормальне і повне згорання отриманої суміші в двигунах(без детонації).

2) утворення паливно-повітряної суміші необхідного складу.

3) висока теплота згорання .

4) відсутність корозії в системах двигуна.

5) не спричиняти утворення відкладень у трубопроводі, камерахзгорання, інших місцях двигуна.

6) збереження якості при перекачуванні,транспортуванні і збереженні палива.

7) мінімальне забруднення навколишнього середовища.

2 ОЦІНКИ ЯКОСТІ БЕНЗИНІВ ЗА ПОКАЗНИКАМИ ЇХ ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ

При одержанні партії бензину слід перевірити за документами (він повинен бути обов’ язково) показники якості

- випаровування

- густину

- детонаційну стійкість

- стабільність

- корозійніть

- в’ язкість

Потім ці показники треба звірити із стандартними.

Бензин в системі спалювання двигуна утворює з повітрям паливно-повітряну суміш.

На цей поцес впливають такі фізично-хімічні властивості

1) густина (щільність), істотно впливає на витрати бензину через калібрований отвір карбюратора.

Густина – маса речовини віднесена до одиниці його об’ єму кг/м3,г/см3,кг/л.

Чим більша густина – тим більша його маса пройде через карбюратор .

Зі зниженням температури, витрати бензину зменшуються

Від густини залежать складгорючої суміші, витрати палива, висота рівня палива в поплавковій камері .

Густину треба знати для повного, точного обліку витрат бензина.

m бенз. = Vx густина.

Бензин видавати ліпше в масових одиницях, а не в об’ ємних. Густина – змінна величина. Вона залежить від температури. стандарти при 20 С.

Визначають густину нафтоденсиметрами (ареометрами). Густина бензина коливається в широкому діапазоні від 720-780-790 кг/м

Значення густини залежить від його хімічного і фракційного складу.

Бензин однієї марки, марка А-76 не має постійної густини, різниця може до 30 кг на 1 т при температурі 20 С.

В документах при одержанні бензина обов’ язково повинно бути густина і температура, ця відсутність веде до неправильного розрахунку одержуваної продукції .

Найточніший метод розрахунку – це ваговий.

Якщо нема ареометра,густину можна визначити зважуваням .

Так, при відпуску 40л бензину при температурі 25 С – недодача його може становити 1.7-2.2кг.

Густина бензину зі зниженням температури на кожні 10С зростае на 1%.

В’ язкість – властивість рідини, що характеризує її опір дії зовнішнім силам, що викликають її плин.

В’ язкість буває кінематична, динамічна, умовна

Умовна –це виражена в умовних одиницях одержуваних на різних віскозиметрах.

Для цього є таблиці.

Зниження температури викликає збільшення в’ язкості бензину, а це призводить до зменшення його витрат.

Випаровування

Под випаровуваністю палива розуміють його здатність переходити з рідкого стану в пароподібний.

Бензини повинні мати таку випаровуваність, щоб забезпечувати легкий пуск двигуна, його швидкий прогрів і повне згорання бензину після цього .

Повнота переходу палива з рідкого в газоподібний визначається його хімічним складом і залежить від зовнішніх умов(температури, швидкість потоку газу)

Згорання завжди передують випаровуванням рідкого палива і перемішування його пари з повітрям з утворенням у карбюраторі пальної суміші .якщо погана випаровуваність частини палива не переходить у газоподібний стан і не згорає.

Повнота випаровування і згорання палив азалежить від багатьох факторів .До них належать фракційний склад, в’ язкість, густина,поверхневий натяг.