Контрольная работа по "Основам химии нефти"

 

Министерство  образования Российской Федерации

                        САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

                        ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

                           Факультет экономики и управления

   в  нефтегазохимическом  комплексе и экологической безопасности

                           Кафедра экономики и менеджмента  в нефтегазохимическом  

                                                                      комплексе

 

                                                        Контрольная работа по дисциплине 

                                                   «ОСНОВЫ ХИМИИ НЕФТИ»

 

Выполнил: Николаева Валерия Владимировна

студент 2 курса спец. 080502/н

группа 2601, № зачет. книжки: 64127/10

 

Подпись: ______________

Преподаватель: Васильев Валентин Всеволодович

Должность: ______________________

Оценка: _________  Дата: ___________

Подпись: _______________

                                                 

Санкт-Петербург, 2012 г.

Вариант 2.

Задачи:

2. Напишите структурные формулы изомерных углеводородов  состава С₆Н_14, укажите изомеры, содержащие третичные атомы углерода. Назовите их.

Решение:

1. Определяем количество углерода в структурной формуле, оно равно 6, т.к. гексан содержит 6 молекул углерода;
2. Нумеруем основные цепи;
3. Количество углерода в формуле веществ должно оставаться неизменным;
4. Подставляем данные нам радикалы к цепи таким образом, чтобы позиция радикала соответствовала цифре (цифрам), стоящим перед название вещества;
5. Расставляем водород, в зависимости от количества связей у углерода.

 

Третичные атомы  углерода.

 

Н₃С-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₃                                   н-гексан,  С₆Н₁₄-гексан

 

 

Н₃С-СН₂-СН-СН₂-СН₂                                                                                           3-метилпентан 

    |

CH₃

 

 

Н₃С-СН₂-СН₂-СН-СН₂                                                                                            2-метилпентан

                            |

                       CH₃

 

 

 

 

 

 

         CH₃

          |

Н₃С-СН-СН-СН₃                                                                                              2,3-диметилбутан 

                   |

                 CH₃

 

 

       CH₃

          | 
Н₃С-С-СН-СН₃                                                                2,2-диметилбутан 

          |

       CH₃

 

9. Напишите структурные  формулы следующих соединений(названных по «рациональной» и систематической номенклатурам): метилацетилена, метил-втор-бутилацетилена, 2,2,5-триметил-3-гексина.

 

Решение:

1. Основное отличия алкинов – наличие тройной связи;
2. Расставляем количество углерода в основной цепи в зависимости от названия в-ва;
3. Водород расставляем аналогично первому заданию.

 

1. CH₃–C≡CH                                                                метилацетилена

 
 
 
2.CH₃-C≡ C                                            метил-втор-бутилацетилена

                          |

          CH₃-CH₂-CH-CH₃

 

 

 

                       CH₃        CH₃

                          |              |

2. H₃C-C-C ≡ C-CH-CH₃                                                  2,2,5-триметил-3-гексин

                         |

                      CH₃

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопросы:

2. Роль нефти в современном мире.

Нефть представляет собой  маслянистую жидкость от светло –  желтого до коричневого или черного  цвета, обычно легко текучую, реже –  малоподвижную. Углерод (82-87% масс.) и водород (11-15% масс.) являются основными химическими элементами, составляющими нефть, кроме того в ней присутствуют сера, азот, кислород и металлы в виде сернистых, азотистых, кислородсодержащих и металлорганических соединений соответственно.

Таким образом, нефть в  основном состоит из углеводородов  с определенным содержанием гетероатомных и смолисто-асфальтеновых соединений, микропримесей металлов и других элементов.

Нефть – это смесь углеводородов  с примесями гетероатомных соединений (серосодержащих, азотосодержащих, кислородосодержащих), а также микропримеси металлов и других элементов (в нефти присутствуют почти все элементы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, наиболее значимые: ванадий и никель). Также в нефти присутствуют смолы и асфальтены, в которых концентрируются основное содержание гетероатомов (О2, S, N2 и металл).

Мировые извлекаемые запасы нефти оцениваются  в 141.3 млрд.т.

Из них около 66.4 % расположено  в  странах Ближнего и Среднего Востока. Второе место в мире  по запасам нефти занимает Американский континент – 14.5%. В  России сосредоточено  около 4.7% мировых запасов нефти. В последние годы в России добывается около 500 млн. т. нефти в год.

Важнейшие месторождения  нефти России находятся в Западной и Восточной Сибири, в Республике Коми, Татарстане и Башкортостане, в Среднем и Нижнем Поволжье и на о. Сахалин.

В Саудовской Аравии сосредоточено  более четверти мировых запасов  нефти, а каждая из таких арабских стран как Ирак, Иран, Кувейт и  Абу-Даби владеет почти десятой  частью ее запасов.

На американский континенте наиболее крупными запасами нефти обладают Венесуэла, Мексика, США и Бразилия.

Извлекаемые запасы нефти  в Африке составляют около 7% (Ливия, Нигерия, Алжир).

Считается, что Западная Европа бедна нефтью и газом. Однако в последнее время были открыты крупные месторождения в акватории Северного моря, главным образом в британских и норвежских территориях. Восточно-Европейские страны, Россия и страны бывшего СССР владеют около 6% извлекаемых запасов нефти.

В Азиатско-Тихоокеанском  регионе промышленными запасами нефти обладают Китай, Индонезия, Индия, Малайзия и Австралия.

В мире насчитывается  десятки  тысяч нефтяных месторождений, которые имеют промышленное значение, 29 из них являются уникальными сверхгигантами. Большинство уникальных и гигантских месторождений нефти находятся в странах Среднего Востока и Латинской Америки.

Уникальные нефтяные месторождения (мир):

1. Гавар (Саудовская Аравия 10,2 млрд.т.)
2. Бурган (Кювет 9,9 млрд.т.)
3. Боливар (Америка (Венесуэлла) 4,4 млрд.т.)
4. Сафания Харджи ( Саудовская Аравия 4,1 млрд.т.)

 

 

 

15. Плотность, молекулярная  масса, вязкость, температура кристаллизации, помутнения, застывания нефтепродуктов.

Плотность (абсолютная) — величина, определяемая как отношение массы вещества к занимаемому им объему. Единица плотности в Международной системе единиц (СИ) — килограмм на кубический метр (кг/м³).

Относительная плотность (безразмерная величина) — отношение плотности рассматриваемого вещества к плотности стандартного вещества (чаще всего воды при 4°С).

Нефтепродукты и вода имеют  различные коэффициенты расширения, поэтому при определении относительной плотности необходимо указывать температуры воды и нефтепродукта, при которых проводилось определение.

Обычно в России плотность  нефти и нефтепродуктов определяют при 20 °С и относят к плотности  воды при 4°С. Относительная плотность в этом случае обозначается (в литературе можно встретить обозначения , реже — ). Однако определение плотности можно проводить при любой температуре, а затем вычислить значение по формуле:

= ,

где - плотность при температуре испытания; y — коэффициент объемного расширения (его значения приводятся в литературе); t - температура, при которой определялась плотность, °С.

Молекулярная  масса — важнейшая физико-химическая характеристика вещества. Для нефтепродуктов этот показатель особенно важен, так как дает «среднее» значение молекулярной массы веществ, входящих в состав той или иной фракции нефти. Молекулярная масса нефтепродуктов широко используется для расчетов аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов — это один из важнейших показателей, позволяющий сделать заключение о составе нефтепродуктов. Молекулярная масса связана с температурой кипения продуктов и входит в ряд комбинированных показателей - молекулярной рефракции, парахора, характеристического фактора и др.

Молекулярная масса узких  — пятидесятиградусных — фракций  с одинаковыми пределами перегонки различных нефтей имеет достаточно близкие значения. В справочной литературе приводятся значения молекулярной массы узких фракций для большинства нефтей России.

Определение молекулярной массы  нефтепродуктов, как и индивидуальных веществ, проводится различными методами, что объясняется разнообразием свойств этих продуктов.

 В аналитической практике  применяются криоскопический, эбуллиоскопический и реже осмометрический методы. Кроме того, существуют приблизительные расчетные методы.

Наиболее распространенной эмпирической формулой для определения молекулярной массы нефтепродуктов является зависимость, установленная Воиновым:

М_ср = a + b t_ср + с

где a, b, с — постоянные, различные для каждого класса углеводородов; t_ср - средняя температура кипения нефтепродукта, определяемая по соответствующим таблицам или номограммам*.

Вязкость — свойство жидкостей (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой. Сила сопротивления сдвигу пропорциональна градиенту скорости в направлении нормали к потоку жидкости, что выражается уравнением Ньютона:

F = ηS (V₂-V₁) / (y₂-y₁)

где F — внешняя тангенциальная сила; η— коэффициент трения или вязкость; S — площадь слоев жидкости; (V₂-V₁) / (y₂-y₁)- разность скоростей слоев жидкости, удаленных на расстояние y₂-y₁.

Различают  динамическую,  кинематическую  и  условную вязкость.

Единица динамической вязкости в Международной системе единиц (СИ) — паскаль в секунду (Па·с). Это сопротивление, оказываемое жидкостью при перемещении относительно друг друга со скоростью 1 м/с двух ее слоев площадью 1 м² каждый, находящихся на расстоянии 1 м, под действием приложенной силы в 1 Н.

Величина, обратная динамической вязкости, называется текучестью.

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости к плотности жидкости при температуре определения. Единица измерения кинематической вязкости — квадратный метр на секунду (м²/с).

Для характеристики вязкости на практике наиболее широко используется кинематическая вязкость.

Индекс вязкости – это отношение кинематической вязкости нефтепродукта при 50 и 100⁰С. Он характеризует пологость вязкостно-температурной кривой при высоких температурах. Чем меньше меняется вязкость с изменением температуры, тем выше его индекс вязкости, меньше отношение .  Наиболее пологую вязкостно-температурную кривую имеют н-алканы, а наиболее крутую – арены. Вязкость разветвлённых алканов незначительно меньше вязкости их изомеров нормального строения и мало изменяется при снижении температуры.

Условная вязкость (ВУ), получившая применение в нефтепереработке, — это величина, которая выражается отношением времен вытекания определенного объема воды и нефтепродукта или просто временем вытекания продукта из стандартного прибора. В России условную вязкость определяют сравнением времени вытекания 200 см³ воды при 20°С и такого же объема нефтепродукта при заданной температуре. Условная вязкость выражается также в секундах Сейболта и секундах Редвуда (измеряется на вискозиметрах Сейболта и Редвуда).

Вязкость очень сильно зависит от температуры, поэтому  всегда указывается температура ее определения. В технических требованиях на нефтепродукты обычно нормируется вязкость при 50 и 100 °С, реже 20 °С.

В справочной литературе и  ГОСТах имеются таблицы соотношений условной и кинематической вязкости.

Температура застывания - это температура, при которой охлаждаемая в пробирке нефть или нефтепродукт не изменяет уровня при наклоне пробирки на 45⁰. Температура застывания нефти и нефтепродуктов зависит от их химического состава. Она изменяется от —62º до +35°С. Малопарафиновые нефти имеют низкие температуры застывания, а высокопарафиновые - высокие температуры застывания.

Образование пространственной структуры  или просто выпадение в осадок отдельных компонентов при охлаждении нефтепродуктов крайне нежелательно. Это явление создает серьезные трудности при эксплуатации горюче-смазочных материалов в условиях низких температур, вызывая забивание фильтров, что приводит к отказам в работе двигателя. Кристаллизация парафина сопровождается помутнением нефти или нефтепродукта. Появление мелких кристаллов в массе нефтепродукта считается моментом помутнения. Температура, зафиксированная при этом, называется температурой помутнения. Ее определяют визуально, сравнивая охлаждаемый нефтепродукт с эталоном.

        Кристаллиза́ция — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое с образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической системы отделённая от других частей системы(других фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества изменяются скачками.

      Кристаллизация — это процесс выделения твёрдой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации используется для получения веществ в чистом виде.

     Образование пространственной структуры или просто выпадение в осадок отдельных компонентов при охлаждении нефтепродуктов крайне нежелательно. Это явление создает серьезные трудности при эксплуатации горюче-смазочных материалов в условиях низких температур, вызывая забивание фильтров, что приводит к отказам в работе двигателя. Кристаллизация парафина сопровождается помутнением нефти или нефтепродукта. Появление мелких кристаллов в массе нефтепродукта считается моментом помутнения. Температура, зафиксированная при этом, называется температурой помутнения. Ее определяют визуально, сравнивая охлаждаемый нефтепродукт с эталоном.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20. Абсорбция, экстракция, кристаллизация нефтепродуктов.

Абсорбция – процесс избирательного поглощения компонентов газовой смеси жидким поглотителем – абсорбентом.

Физическая абсорбция, когда  извлечение компонентов из газа происходит, благодаря  их растворимости в абсорбентах.

Химическая абсорбция  основана на химическом взаимодействии извлекаемых компонентов с активной частью абсорбента.

Экстракция – метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя (экстрагента).

Для извлечения из раствора применяются растворители, не смешивающиеся с этим раствором, но в которых вещество растворяется лучше, чем в первом растворителе.

Кристаллизация – процесс  фазового перехода вещества из жидкого  состояния в твердое кристаллическое с образованием кристаллов.

Кристаллизация используется для получения вещества в чистом виде.

Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного  условия, например, переохлаждения жидкости, когда практически мгновенно  возникает множество легких кристаллов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34. Термические превращения алканов. 

Алканы – насыщенные углеводороды, органические соединения, углеродные атомы которых соединены между собой простыми (ординарными) связями.

Пример: – этан (С  - С)

                – пентан (С)

При термическом распаде алканов, образуется алкан с меньшей молекулярной массой и алкен.

В молекулах алканов энергия  разрыва связи между крайними атомами водорода и углерода наибольшая (в метане 431 кДж/моль) и она снижается  по мере увеличения числа углеродных атомов до четрыех, а затем становится постоянной на уровне 394 кДж/моль.

Окисление высших парафинов нефти проводят с целью получения синтетических высших жирных кислот преимущественно для мыловаренной промышленности.

Окисление высших парафинов  проводят при температуре порядка 150⁰С в присутствии катализаторов, например соединений марганца. При этом образуется смесь кислот с различной длиной цепи, гидроксикислоты, кетокислоты, сложные эфиры, спирты, кетоны и др.

В результате действия на углеводороды высокой температуры образуются свободные радикалы, которые присоединяют молекулярный кислород; возникающий при этом пероксидный радикал отрывает водород от другой молекулы углеводорода и даёт новый радикал и молекулу гидропероксида:

 

••     ••                             +RH R• + O׃׃O  → ROO•      →       ROOH + R•                                    ••     ••  пероксидный радикал     гидропероксид

Дальнейшая судьба гидропероксидов  зависит от их строения.

Разложение

Реакции разложения происходят лишь под влиянием больших температур. Повышение температуры приводит к разрыву углеродной связи и образованию свободных радикалов.

Примеры:

CH₄ → C + 2H₂ (t > 1000 °C).

C₂H₆ → 2C + 3H₂.

Крекинг

При нагревании выше 500 °C алканы подвергаются пиролитическому разложению с образованием сложной смеси продуктов, состав и соотношение которых зависят от температуры и времени реакции. При пиролизе происходит расщепление углерод-углеродных связей с образованием алкильных радикалов.

В 1930—1950 гг. пиролиз высших алканов использовался в промышленности для получения сложной смеси алканов и алкенов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода. Он получил название «термический крекинг». С помощью термического крекинга удавалось увеличить количество бензиновой фракции за счёт расщепления алканов, содержащихся в керосиновой фракции (10—15 атомов углерода в углеродном скелете) и фракции солярового масла (12—20 атомов углерода). Однако октановое число бензина, полученного при термическом крекинге, не превышает 65, что не удовлетворяет требованиям условий эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время термический  крекинг полностью вытеснен в  промышленности каталитическим крекингом, который проводят в газовой фазе при более низких температурах — 400—450 °Cи низком давлении — 10—15 атм на алюмосиликатном катализаторе, который непрерывно регенерируется сжиганием образующегося на нём кокса в токе воздуха. При каталитическом крекинге в полученном бензине резко возрастает содержание алканов с разветвлённой структурой.

Для метана:

CH₄ → С + 2H₂ — при 1000 °C.

Частичный крекинг:

2CH₄ → C₂H₂ + 3H₂ — при 1500 °C.

Крегинг. При температуре 300-700⁰С предельные углеводороды образуют сложную смесь предельных, непредельных и ароматических углеводородов. Основные процессы при крекинге – дегидрогенизация углеводорода и разрыв углеродной цепи. Одновременно происходит изомеризация и циклизация. Промежуточными продуктами во всех этих процессах являются свободные алифатические радикалы.

Свободные радикалы способны к следующим основным химическим превращениям:

1. распад        β             α  R — CH2 — CH2• → R• + CH2 = CH2  ;

 

 

2. диспропорционирование                               α 2R — CH — CH2• → R• — CH= CH2 + R — CH2 — CH3 ;             │β             Н 3. соединение  2R — CH — CH2•  → R — CH2 — CH2 — CH2 —CH2R.

Крекинг нефтяного сырья  играет исключительную роль для получения  из высших углеводородов более ценных низших предельных и непредельных углеводородов. 

Дегидрирование

Образование:

1)В углеродном скелете  2 (этан) или 3 (пропан) атома углерода — получение (терминальных) алкенов, так как других в данном случае не может получиться; выделение водорода:

Условия протекания: 400—600 °C, катализаторы — Pt, Ni, Al₂O₃, Cr₂O₃.

а)CH₃-CH₃ → CH₂=CH₂ + H₂ (этан → этен);

б)CH₃-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH₃ + H₂ (пропан → пропен).

2)В углеродном скелете  4 (бутан, изобутан) или 5 (пентан, 2-метилбутан, неопентан) атомов углерода — получение алкадиенов; выделение водорода:

в)CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₂=CH-CH=CH₂ + 2H₂ (бутан → бутадиен-1,3).

в')CH₃-CH₂-CH₂-CH₃ → CH₂=C=CH-CH₃ + 2H₂ (бутан → бутадиен-1,2) (ЭТО — ОДНА РЕАКЦИЯ!)

3) В углеродном скелете  6 (гексан) и более атомов углерода — получение бензола и его производных:

г) CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ (октан) → П.-ксилол, параллельно М.-ксилол, параллельно этилбензол + 3H₂.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

1. Васильев В.В., Саламатова Е.В. «Основы химии нефти» конспект лекция; Санкт-Петербург 2011г.