Получение высокооктановых добавок

Федеральное агентство по образованию

__________________________________________________________________ 

Государственное образовательное учреждение                                                                    высшего профессионального образования                                                                           Санкт-Петербургский технологический институт                                                (Технологический университет)

__________________________________________________________________ 
 

Кафедра органической химии                             Факультет:  2

                                          Курс:  3 

                                                   Группа: 2482      

Учебная дисциплина: Органическая химия 
 

Курсовая  работа на тему: «Получение высокооктановых  добавок» 
 
 
 
 
 

    Студент:  Пирогов Д.А. 

                                                                                   Преподаватель: Соболев В.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010 
 

Содержание

   Введение

   Автомобильный транспорт является основным потребителем нефтяного топлива.

   В настоящее время в мире эксплуатируется  более 600 млн. автомобилей, а к 2012 году их число, возможно, возрастет до 1,2 млрд. штук. Суммарное мировое потребление моторных топлив составляет около 1,75 млрд. т/год, в том числе на долю автомобильных бензинов приходится более 800 млн. т/год. Еще недавно считалось, что моторное топливо нефтяного происхождения будет активно вытесняться альтернативными видами топлива: сжиженным нефтяным газом, сжатым и сжиженным природным газом, спиртами, водородом. Однако освоение альтернативных видов топлив встречает определенные технические и экономические трудности, поэтому есть уверенность, что жидкое топливо нефтяного происхождения останется на ближайшие десятилетия основным как для двигателей с искровым зажиганием, так и для дизельных двигателей. Ассортимент и качество вырабатываемых и применяемых бензинов определяются структурой автомобильного парка страны, техническими возможностями отечественной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, а также экологическими требованиями, которые в последнее время стали определяющими. Отрицательное влияние выбросов автотранспорта на окружающую среду приводит к необходимости ужесточать нормы на состав отработавших газов автомобилей. Продукты сгорания бензинов, содержащиеся в отработавших газах автомобиля, поступают в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Особенно сильное загрязнение воздушного бассейна отработавшими газами наблюдается в крупных городах с большим числом эксплуатируемых автомобилей.

   Вследствие  этого есть необходимость усовершенствования бензинов. С целью снижения вредных  выбросов автомобилями их стали оборудовать  каталитическими системами нейтрализации отработавших газов, что потребовало ужесточения требований к качеству применяемого бензина. Совершенствование конструкции двигателей и автомобилей, повышение качества вырабатываемых и применяемых бензинов должно сопровождаться общим повышением культуры эксплуатации автомобильного транспорта.

   Получение топлив. Получение топлив для двигателей внутреннего сгорания - сложный процесс, включающий получение первичных его компонентов, их смешивание и улучшение присадками до товарных показателей качества в соответствии с требованиями стандартов. Первоначальным сырьем топлив традиционно является нефть. Различают две группы способов переработки нефти с целью получения топлив и смазочных материалов:  
1) способы, не изменяющие индивидуальных углеводородов;  
2) способы термокаталитической деструкции индивидуальных углеводородов.

   В первую группу входят процессы прямой перегонки, т. е. разделение нефти на отдельные фракции в зависимости  от температуры их кипения. Перегонка  нефти (дистилляция) - процесс, обязательный для получения естественных фракций бензина, дизельного топлива и других содержащихся в нефти фракций.

   В зависимости от месторождения нефть  содержит 10-15 % бензиновых фракций, 15-20 % топлива для реактивных двигателей, 15-20 % дизельного топлива и примерно 50 % мазута, который, в свою очередь, является сырьем для получения различных смазочных материалов. Вторая группа включает процессы вторичной переработки нефти, принцип которой основан на термическом разложении индивидуальных углеводородов, позволяющем существенно увеличить выход из нефти бензиновых и других фракций, улучшить их показатели качества (детонационную стойкость, химическую стабильность). К способам вторичной переработки относят термический и каталитический крекинг, каталитический риформинг, пиролиз, гидрокрекинг, алкилирование и пр.

   В основной части работы будут более  подробно рассмотрены процессы переработки  нефти, фракции нефти и характеристики бензинов.  

Возникновение и развитие автомобильного топлива.

   В конце XIX века бензин не находил лучшего применения, чем антисептическое средство (бензин продавался в аптеках) и топлива для примусов. Зачастую из нефти отгоняли только керосин, а все остальное, включая бензин, либо сжигали, либо просто выбрасывали. Однако с появлением двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто, бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки. Хотя по мере более широкого распространения дизельных двигателей на первый план выходит дизельное топливо благодаря более высокому КПД этих двигателей. Бензин применяется как топливо для карбюраторных и инжекторных двигателей, высокоимпульсное ракетное топливо (Синтин), при производстве парафина, как растворитель, как горючий материал, сырье для нефтехимии прямогонный бензин или бензин газовый стабильный (БГС). В это время все мировые державы переживали эпоху бурной индустриализации, в результате которой большая часть ручного труда заменялась механическим, требующим источников энергии. Гонка ведущих экономик того времени неизбежно нуждалась в постоянном совершенствовании механизмов, а также повышении эффективности всей промышленности в целом и каждого ее участника в частности. Еще одним сильным толчком для появления топлива, стала Первая мировая война, для победы в которой уже недостаточно было численного превосходства, а требовались новые эффективные машины и двигатели с высоким КПД. Те же самые двигатели в послевоенный период нашли широкое применение в гражданской промышленности, а также в сельском хозяйстве.

   Первый  завод для очистки нефти был  построен в России на Ухтинском нефтяном промысле в 1745 г. В те времена в Москве и в Петербурге для освещения использовали свечи, а в маленьких городах, деревнях и селах – лучинки.

   Но  уже и тогда во многих церквях  горели лампады, в которые наливалась смесь очищенной нефти с растительным маслом. Купец Набатов единственный поставлял очищенную нефти соборам и монастырям. В конце XVIII столетия была изобретена лампа, с появлением которой увеличился спрос на керосин.

   Братья  Дубины построили в Моздоке нефтеперегонный  завод, в котором получали керосин, бензин и другие нефтепродукты выпариванием нефти, и отправляли их в Россию.

   Он  был очень прост: состоял из котла, печки, трубки и двух бочек. В печь ставили котел с трубкой, которая  через бочку с водой вела в  пустую бочку. Бочка с водой играла роль холодильника, а пустая бочка – была емкостью для топлива.

   Бензин  в качестве горючего был использован  только в конце XIX века, когда Г. Даймлер  создал бензиновый двигатель внутреннего  сгорания. Бензиновый мотор заменил  лошадь в первых автомобилях. Популярность машин быстро росла, поэтому их производство постоянно набирало обороты.

   Следствием  этого стало увеличение объемов  производства бензина. Получаемое при  перегонки нефти топливо не могло  удовлетворить все возрастающий спрос. Перед нефтеперерабатывающей промышленностью встала серьезная задача – найти дополнительные источники получения бензина.

   В 1891 г. русский инженер Шухов изобрел  крекинг (от англ. cracking – расщепление). Это процесс разложение углеводородов  нефти на более летучие вещества. Крекинг дает возможность значительно повысить выход бензина из нефти. Способность этого топлива противостоять детонации характеризуют так называемым октановым числом: чем оно выше, тем бензин лучше. Этот параметр определяет сорт бензина.

   Вообще, формулировка "топливо" включает все вещества, которые дают при сжигании большое количество теплоты. Наиболее распространены в природе и добываются промышленным способом такие виды топлива, как нефть и нефтепродукты (керосин, бензин, мазут, дизельное топливо), уголь, природный горючий газ, древесина и растительные отходы (солома, лузга и т.п.), торф, горючие сланцы, а в настоящее время и вещества, используемые в ядерных реакторах на АЭС и ракетных двигателях. Обычно классифицируют топливо по его агрегатному состоянию: твердое (уголь, торф, древесина, сланцы), жидкое (нефть и нефтепродукты) и газообразное (природный газ). Также можно разделить виды топлива и по его происхождению: растительное, минеральное и продукты промышленной переработки.

   Нефть и газ – это основные источники энергии в современном мире. На топливах, полученных из них, работают двигатели сухопутного, воздушного и водного транспорта, тепловые электростанции. В настоящее время насчитывается около 100 различных процессов первичной и вторичной переработки нефти, реализованных в промышленности.

   Россия  не только полностью обеспечивает свою потребность в нефти, но и является экспортером нефти и нефтепродуктов. Российская нефть поставляется в  страны ближнего и дальнего зарубежья.

   Намечается  внедрение новых, весьма перспективных разработок, направленных на улучшение качества продукции и совершенствование технологии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Химия нефти.

   Элементный  и фракционный  состав нефти. Нефть представляет собой подвижную маслянистую горючую жидкость легче воды от светло-коричневого до черного цвета со специфическим запахом. С позиций химии нефть - сложная исключительно многокомпонентная взаиморастворимая смесь газообразных, жидких и твердых углеводородов различного химического строения с числом углеродных атомов до 100 и более с примесью гетероорганических соединений серы, азота, кислорода и некоторых металлов. По химическому составу нефти различных месторождений весьма разнообразны. Поэтому обсуждение можно вести лишь о составе, молекулярном строении и свойствах «среднестатистической» нефти. Менее всего колеблется элементный состав нефтей: 82,5-87% углерода; 11,5-14,5% водорода; 0,05 - 0,35, редко до 0,7% кислорода; до 1,8% азота и до 5,3, редко до 10% серы. Кроме названных, в нефтях обнаружены в незначительных количествах очень многие элементы, в т.ч. металлы (Са, Mg, Fe, Al, Si, V, Ni, Na и др.). Поскольку нефть и нефтепродукты представляют собой многокомпонентную непрерывную смесь углеводородов и гетероатомных соединений, то обычными методами перегонки не удается разделить их на индивидуальные соединения со строго определенными физическими константами, в частности, температурой кипения при данном давлении. Принято разделять нефти и нефтепродукты путем перегонки на отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной смесью. Такие компоненты принято называть фракциями или дистиллятами. В условиях лабораторной или промышленной перегонки отдельные нефтяные фракции отгоняются при постепенно повышающейся температуре кипения. Следовательно, нефть и ее фракции характеризуются не температурой кипения, а температурными пределами начала кипения (н.к.) и конца кипения (к.к.).

   Наиболее  важный показатель качества нефти, определяющий выбор метода переработки, ассортимент  и эксплуатационные свойства получаемых нефтепродуктов, - химический состав и его распределение по фракциям. В исходных (нативных) нефтях содержатся в различных соотношениях все классы углеводородов, кроме непредельных (алкенов) соединений: парафиновые (алканы), нафтеновые (циклоалканы), ароматические (арены) и гибридные – парафино-нафтено-ароматические.

   Парафиновые углеводороды - алканы С_пН_2п+₂ - составляют значительную часть групповых компонентов нефтей и природных газов всех месторождений. Общее содержание их в нефтях составляет 25 - 35% масс. (не считая растворенных газов) и только в некоторых парафиновых нефтях, например типа Мангышлакской, Озек-Суатской, достигает до 40-50% масс. Наиболее широко представлены в нефтях алканы нормального строения и изоалканы преимущественно монометилзамещенные с различным положением метильной группы в цепи. С повышением молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. Попутные нефтяные и природные газы практически полностью, а прямогонные бензины чаще всего на 60 - 70% состоят из алканов. В масляных фракциях их содержание снижается до 5-20% масс.

   Газообразные  алканы. Алканы: метан, этан, пропан, бутан и изобутан, а также 2,2-диметилпропан при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии. Все они входят в состав природных, газоконденсатных и нефтяных попутных газов. Этан, пропан и бутаны после разделения служат сырьем для нефтехимии.

   Жидкие  алканы. Алканы от С₅ до С15  в обычных условиях представляют собой жидкости, входящие в состав бензиновых (C₅ – С₁₀) и керосиновых (C₁₁ - C₁₅) фракций нефтей. Исследованиями установлено, что жидкие алканы C₅ - С₉ имеют в основном нормальное или слаборазветвленное строение.

   Твердые алканы. Алканы С16 и выше при нормальных условиях – твердые вещества, входящие в состав нефтяных парафинов и церезинов. Они присутствуют во всех нефтях чаще в небольших количествах в растворенном или взвешенном кристаллическом состоянии.

   Нафтеновые  углеводороды – входят в состав всех фракций нефтей, кроме газов. Бензиновые и керосиновые фракции  нефтей представлены в основном гомологами циклопентана и циклогексана. Нафтеновые углеводороды, содержащиеся в бензинах, придают им высокие эксплуатационные свойства.

   Ароматические углеводороды – содержатся в нефтях, как правило, в меньшем количестве, чем алканы и циклоалканы, и представлены гомологами бензола в бензиновых фракциях.

   Классификация нефти.

   Химическая  классификация.

    Горным  бюро США предложен вариант химической классификации, в основу которого положена связь между плотностью и углеводородным составом легкой и тяжелой частей нефти. Классификация, отражающая только химический состав нефти, предложена сотрудниками Грозненского нефтяного научно-исследовательского института (ГрозНИИ). За основу этой классификации принято преимущественное содержание в нефти одного или нескольких классов углеводородов. Различают 6 типов нефтей: парафиновые, парафино-нафтеновые, нафтеновые, парафино-нафтено-ароматические, нафтено-ароматические и ароматические. В парафиновых нефтях (типа узеньской, жетыбайской) все фракции содержат значительное количество алканов: бензиновые не менее 50%, а масляные - 20% и более. Количество асфальтенов и смол исключительно мало. В парафино-нафтеновых нефтях и их фракциях преобладают алканы и циклоалканы, содержание аренов и смолисто-асфальтеновых веществ мало. К ним относится большинство нефтей Урало-Поволжья и Западной Сибири. Для нафтеновых нефтей характерно высокое (до 60% и более) содержание циклоалканов во всех фракциях.               

    К нафтеновым относятся нефти, добываемые в Баку (балаханская и сураханская) и на Эмбе (доссорская и макатская) и др. В парафино-нафтено-ароматических нефтях содержатся примерно в равных количествах углеводороды всех трех классов, твердых парафинов не более 1,5%. Количество смол и асфальтенов достигает 10%. Нафтено-ароматические нефти характеризуются преобладающим содержание цикланов и аренов, особенно в тяжелых фракциях. Алканы содержатся в небольшом количестве только в легких фракциях. В состав этих нефтей входит около 15 - 20% смол и асфальтенов. Ароматические нефти характеризуются преобладанием аренов во всех фракциях и высокой плотностью. К ним относятся прорвинская в Казахстане и бугурусланская в Татарстане.

   Технологическая классификация.

   В нашей стране с 1991 г. действует технологическая  классификация нефтей. Нефти подразделяют по следующим показателям на: 1) три класса (I-III) по содержанию серы в нефти (малосернистые, сернистые и высокосернистые), а также в бензине (н.к. - 180 °С), в реактивном (120 - 240 °С) и дизельном топливе (240 -350⁰С); 2) три типа по потенциальному содержанию фракций, перегоняющихся до 350 °С (Т1 – Т₃); 3) четыре группы по потенциальному содержанию базовых масел (M₁ - М₄); 4) четыре подгруппы по качеству базовых масел, оцениваемому индексом вязкости (И₁ - И₄); 5) три вида по содержанию парафинов (П₁ – П₃). Из малопарафинистых нефтей вида П₁ можно получать без депарафинизации реактивные и зимние дизельные топлива, а также дистиллятные базовые масла. Из парафинистых нефтей П₂ без депарафинизации можно получить реактивное и лишь летнее дизельное топливо. Из высокопарафинистых нефтей П₃, содержащих более 6% парафинов, даже летнее дизельное топливо можно получить только после депарафинизации. Используя эту классификацию, для любой промышленной нефти можно составить шифр. По шифру нефти можно легко составить представление о наиболее рациональных схемах ее переработки и обосновать необходимость в процессах облагораживания нефтепродуктов.

Основные  физико-химические свойства нефтей и нефтепродуктов.

    Нефть и нефтепродукты представляют собой сложные смеси углеводородов и их гетеропроизводных. Анализ таких смесей с выделением индивидуальных соединений требует много времени. Поэтому в технологических расчетах при определении качества сырья, продуктов нефтепереработки и нефтехимии часто пользуются данными технического анализа, который состоит в определении некоторых физических, химических и эксплуатационных свойств нефтепродуктов. С этой целью используют следующие методы, в комплексе дающие возможность охарактеризовать товарные свойства нефтепродуктов в различных условиях эксплуатации, связать их с составом анализируемых продуктов, дать рекомендации для наиболее рационального их применения.

    Химические, использующие классические приемы аналитической химии; физические - определение плотности, вязкости, температуры плавления, замерзания и кипения, теплоты сгорания, молекулярной массы, а также некоторых условных показателей (пенетрация, дуктильность); физико-химические - колориметрия, потенциометрическое титрование, нефелометрия, рефрактометрия, спектроскопия, хроматография; специальные - определение октанового и цетанового числа моторных топлив, химической стабильности топлив и масел, коррозионной активности, температуры вспышки и воспламенения и др.

    Плотность. В практике нефтяного дела определяют относительную плотность. Это безразмерная величина, показывающая отношение плотности нефтепродукта при температуре t₂ к плотности дистиллированной воды при температуре t₁ . Стандартными температурами в некоторых странах (в том числе и в России) приняты: для воды t₁= 4°С, для нефтепродукта t₂ = 20°С. Плотность нефтепродуктов возрастает с увеличением их молекулярной массы (температуры кипения) и уменьшается для одного и того же нефтепродукта (или нефти) с повышением его температуры.

    Плотность жидких нефтепродуктов в заводской практике измеряют прибором, называемым ареометром. Он дает точность измерения до 0,001. Высоковязкие нефтепродукты измеряют методом разбавления керосином. Зная плотность керосина легко вычислить плотность смеси и высоковязкого нефтепродукта.

    Плотность возрастает при одинаковых условиях и при равном числе С-атомов в  молекуле в ряду: парафины → нафтены  → арены. В среднем относительная плотность нефтей колеблется от 0,82 до 0,90, однако существуют нефти с плотностью близкой к единице.

    Молекулярная  масса. Важнейшая характеристика нефти и нефтепродуктов. Этот показатель дает «среднее» значение молекулярной массы веществ, входящих в состав той или иной фракции нефти, и позволяет сделать заключение о составе нефтепродуктов. Молекулярную массу нефтепродуктов определяют экспериментально. Если сведения о значении молекулярной массы отсутствуют, ее можно рассчитать по формулам, предложенным Б.П.Воиновым: как функцию средней молекулярной температуры кипения и характеризующего фактора: М=a+bt_ср+ct_ср², где М – средняя молекулярная масса фракции; t_ср - средняя молекулярная температура кипения, ⁰С; a,b,c – коэффициенты, которые зависят от характеризующего фактора К_Х.

    Средняя молекулярная масса большинства  нефтей равна 200-300.

    Вязкость. Один из важнейших показателей качества нефтепродуктов. Она характеризует прокачиваемость топлив в двигателях внутреннего сгорания, поведение смазочных масел в механизмах. Вязкость, или внутреннее трение, - это свойство вещества сопротивляться перемещению его частиц под воздействием внешней силы. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость. Для автомобильных бензинов не нормируются вязкость и плотность.

    Динамическая  вязкость (η) измеряется в Па·с. В  технологических расчетах чаще пользуются кинематической вязкостью (ν), численно равной отношению динамической вязкости нефтепродукта к его плотности ν = η/ρ

    Тепловые  свойства. Удельной теплоемкостью (с) называется количество тепла, которое надо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на один градус. С повышением плотности теплоемкость уменьшается, а с повышением температуры - возрастает. Зависимость с = f(t) определяется эмпирическими формулами. Знание теплоемкости необходимо нефтепереработчику для составления тепловых балансов аппаратов и оборудования технологических установок.

    Теплота испарения. Удельной теплоемкостью (с) называется количество тепла, которое надо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на один градус. С повышением плотности теплоемкость уменьшается, а с повышением температуры - возрастает. Зависимость с = f(t) определяется эмпирическими формулами. Знание теплоемкости необходимо нефтепереработчику для составления тепловых балансов аппаратов и оборудования технологических установок.

    Теплота сгорания. Этот показатель также широко применяется в технологических расчетах нефтезаводского оборудования, в частности при расчетах технологических печей. Теплота сгорания - это количество тепла, выделяемое 1 кг топлива при его полном сгорании до углекислого газа и воды. Различают высшую и низшую теплоты сгорания. Для бензина она равна 42×10⁶ Дж/кг.

    Температура вспышки – это температура, при которой нагреваемый в стандартных условиях нефтепродукт выделяет такое количество паров, которое образует с окружающим воздухом горючую смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

    Температура воспламенения. При определении температуры вспышки наблюдается явление, когда нефтепродукт вспыхивает и сразу гаснет. Если нефтепродукт нагреть еще выше (на 30-50°С) и снова поднести источник огня к поверхности нефтепродукта, то он не только вспыхнет, но и будет спокойно гореть. Минимальная температура, при которой нефтепродукт вспыхивает и начинает гореть, называется температурой воспламенения.

    Температура самовоспламенения. Если нефтепродукт нагреть до высокой температуры без контакта с воздухом, а далее обеспечить такой контакт, то нефтепродукт может воспламениться самопроизвольно. Минимальная температура, соответствующая этому явлению, называется температурой самовоспламенения. Она зависит от химического состава. Наиболее высокими температурами самовоспламенения обладают ароматические углеводороды и богатые ими нефтепродукты, далее следуют нафтены и парафины. Чем легче нефтепродукт, тем выше его температура самовоспламенения. Так, для бензинов она находится в пределах 400-450°С,  для газойлей - 320-360°С.

    Температура застывания. При транспортировке нефтепродуктов по трубопроводам и применении их в области низких температур в авиации большое значение имеет их подвижность и хорошая прокачиваемость в этих условиях. Температура, при которой нефтепродукт в стандартных условиях испытаний теряет подвижность, называется температурой застывания. Потеря подвижности нефтепродукта может происходить за счет двух факторов: или повышения вязкости нефтепродукта, или за счет образования кристаллов парафина и загустевания всей массы нефтепродукта. На температуру застывания влияет состав топлива: чем меньше будет содержание воды в нефтепродукте тем лучше у него будет подвижность. 
 
 
 

    Технология  производства бензина.

    Первичная переработка нефти  и электрообессоливание.

    Назначение. Удаление воды и солей из нефти, разделение нефти на фракции для последующей  переработки. Установка состоит  из 2-3 блоков: 1) обессоливания; 2) атмосферной  перегонки; 3) вакуумной перегонки мазута. Установка, состоящая только из первых двух блоков, носит название атмосферной трубчатки (АТ), из всех трех блоков – атмосферно-вакуумной трубчатки (АВТ).