Природные резервуары

                                     Содержание

   Введение                                                                                              3

1 Элементный состав нефти и газа                                                         5

2 Состав нефти                                                                                         5

3 Химический состав нефти                                                                    6

4 Элементный и изотопный состав нефтей и природных газов         6

5 Алканы нефти                                                                                   8

6 Состав газа                                                                                        13

7  Нафтеновые углеводороды, распределение по фракциям               17

8 Фракционный состав                                                                         17

9 Углеводородный состав                                                                  19

10 Нафтеновые углеводороды и распределение по фракциям        20

   Заключение                                                                                           29        

   Список  использованных источников                                                  30        

Введение

Энергетические ресурсы  играют ведущую роль в современной  экономике. Уровень развития производительных сил каждого государства определяется в значительной степени масштабам», потребления энергоресурсов. О важной роли энергоресурсов свидетельствует то обстоятельство, что более 70% добываемых в мире полезных ископаемых относится к источникам энергии.

Основные виды энергоресурсов – уголь, нефть, природный газ, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.

В настоящее время нефть  – основной  источник энергии в большинстве стран мира. На топливах, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного и воздушного транспорта, поднимаются космические ракеты, вырабатывается электроэнергия на тепловых электростанциях. 
Современный уровень цивилизации и технологии был бы немыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть.

Сегодня она имеет несколько значений для народного хозяйства страны: сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилен, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей; источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт); сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста.

Природный газ, открытый тысячи лет назад, стал незаменимым энергоносителем в большей части промышленно развитого мира. В самом благоприятном положении находятся страны, имеющие хотя бы небольшие собственные запасы природного газа, в то время как некоторые страны, например Япония, должны импортировать практически весь требующийся газ. В районах, богатых нефтью, обычно имеются и значительные запасы природного газа. К таким регионам относятся Россия, США, Ближний Восток, Мексика, некоторые районы Южной Америки, а также европейские страны, прилегающие к Северному морю.

Промышленное использование  природного газа – в качестве различных  видов технологического топлива  – стимулируется возможностями  более точного регулирования генерируемого теплового потока по сравнению с другими видами топлива. В силу этого природный газ находит все более широкое применение в тех отраслях промышленного, для которых строго регламентирована подача тепла, имеет важное практическое значение: в пищевой, стекольной, керамической и цементной промышленности, при производстве кирпича, фарфора и других хрупких материалов. Потребление природного газа приобретает все более широкие масштабы и в современной нефтехимии, использующей углеводородный газ в качестве сырья для получения аммиака, азотных удобрений и т.п.

Широкое использование газообразного  топлива в жилищно-коммунальном хозяйстве и сфере услуг обусловлено  такими потребительскими свойствами, как высокая калорийность, удобство применения и чистота сгорания.

Все большее распространение  получает использования газа в качестве топлива на автомобильном и железнодорожном  транспорте.

Говоря о потреблении  газообразного топлива, следует  подчеркнуть, что наряду с природным  газом, в качестве технологического и коммунально-бытового топлива, а также химического сырья, используются искусственные газы: заводской, нефтезаводской, коксовый, доменный и т.д.

В настоящее время на долю различных видов искусственного газа в целом приходится около 15% совокупного потребления газообразных углеводородов [3].

1. Элементный состав нефти и газа

1.1. Состав нефти

Нефть представляет собой взаимный сопряженный раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть – это не смесь веществ, а раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.

Нефть – не просто растворенное вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряженным раствор назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.

Если нарушается сопряженное взаимное растворение ближайших компонентов, то может частично разрушиться и система нефти. Например, если разгонкой убрать из нефти средние фракции, то при соединении головных фракций легкого бензина с остаточными тяжелыми фракциями может и не произойти растворения, а часть смолистых веществ выпадет в осадок – система сопряженного взаимодействия будет нарушена.

Собственно нефть представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных породах  земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и т.п.)

Нефть представляет собой  темно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую черный цвет жидкость.

Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным углем, бурым углем  и сланцами, которые получили название каустоболитов. В отличие от других горючих ископаемых нефть состоит  из готовой смеси различных углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твердых горючих ископаемых требуется специальная термическая обработка. Поэтому нефть является ценнейшим сырьем как для получения разнообразных моторных топлив и смазочных масел, так и продуктов нефтехимического синтеза [2; 9].

1.2. Химический  состав нефти

С позиций химии нефть  – сложная многокомпонентная  и взаиморастворимая смесь около 1000 индивидуальных веществ: жидкие углеводороды с числом углеродных атомов до С100 и более (до 500 индивидуальных веществ или обычно 80-90% по массе), гетероатомные      органические      соединения  (около 5%): преимущественно сернистые, затем кислородные и азотистые, металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые), растворенные углеводородные газы (С₁ – С₄, от десятых долей до 4%), вода (от следов до 10%), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот, механические примеси (частицы глины, песка, известняка).

По химическому составу  нефти различных месторождений  весьма разнообразны. Поэтому обсуждение можно вести лишь о составе, молекулярном строении и свойствах «среднестатистической» нефти.

Основной элементный состав нефти состоит: углерод (от 82,5 до 87,0%), водород (от 11,5 до 14,5%), кислород (от,05 до 0,35%, редко до 0,70%), азот (до 1,8%), сера (до 5,3%, редко до 10%).

Кроме названных, в нефти  обнаружено еще более 50 элементов, но в незначительных количествах, в том числе металлы (кальций, магний, железо, алюминий, ванадий, никель, натрий и др) и галогены (хлор и йод).

Содержание указанных  соединений и примесей в сырье  разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно [10; 12].

1.3. Элементный и изотопный состав нефтей и природных газов

Несмотря на то, что нефть  залегает в различных геологических  условиях, элементный состав ее колеблется в узких пределах. Он характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов – углерода, водорода, серы, кислорода и азота при резком количественном преобладании первых двух. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 83-87%, в природных газах 42-78%. Водорода в нефтях 11-14%, в газах 14-24%. Из других элементов в нефтях чаще всего встречается сера. Ее содержание в отдельных нефтях достигает 6-8%. В природных газах сера обычно содержится в виде сероводорода, количество которого иногда достигает 23% (Астраханское месторождение) и даже более 40% (Техас).

Содержание кислорода  в нефтях иногда достигает 1-2%. В природных  газах кислород присутствует преимущественно  в виде СО₂, количество которого изменяется от концентраций, близких к нулю, до почти чистых углекислых газов (80% СО₂ – Семидовское месторождение в Западной Сибири, 99% СО₂ – Нью-Мехико).

Содержание азота в  нефтях не превышает 1%, а в природных  газах может достигать десятков процентов. Некоторые природные газы почти полностью состоят из азота (85-95 % N₂, месторождение Вест-Брук в Техасе).

В природных газах присутствуют гелий, аргон и другие инертные газы. Содержание гелия в газах обычно менее 1-2%, хотя в некоторых случаях  оно достигает 10%. Концентрация аргона в газах, как правило, не превышает 1%, и лишь в некоторых случаях достигает 2%.

В составе нефти в очень  малых количествах присутствуют и другие элементы, главным образом  металлы: алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, хром, кобальт, германий, титан, натрий, калий и др. Обнаружены также фосфор и кремний.

Содержание этих элементов  не превышает нескольких долей процента, определяется геологическими условиями залегания нефти. Так, основным элементами мезозойских и третичных нефтей является железо. В палеозойских нефтях Волго-Уральской области повышенное содержание ванадия и никеля. Считается, что часть микроэлементов находится в нефти с момента ее образования в осадочных породах, а другая часть накапливается в последующий период существования нефтей.

Элементный состав некоторых нефтей:

Большой интерес для выяснения  геохимической истории нефтей представляет изотопный состав нефтей, т.е. соотношение в них изотопов углерода, водорода, серы и азота. По имеющимся данным, отношение масс различных изотопов в нефтях составляет: ¹²С/¹³С 91-94, Н/Д (¹Н/²Н) 3895-4436, ³²S/³⁴S – 22-22,5, ¹⁴N/¹⁵N – 273-277.

Различные компоненты одной  и той же нефти имеют неодинаковый изотопный состав элементов. Низкокипящие фракции характеризуются облегченным составом углерода. Различие в протонном составе наблюдается и для отдельных классов соединений (например, ароматические углеводороды богаче изотопом ¹³С, чем парафиновые углеводороды) [7; 8].

1.4. Алканы нефти

Алканы занимают исключительно  важное место среди углеводородов  нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами.

Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50% (об.), а в некоторых нефтях оно достигает 50-70%. Однако есть нефти, в которых содержание алканов составляет всего 10-15%. Легкие фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200-300ºС, их содержится обычно не более 55-61%, а к 500ºС количество этих углеводородов снижается до 19-5% и менее.

Газообразные алканы. В зависимости от месторождений и методов добычи углеводородные газы подразделяются на природные, попутные и газы газоконденсатных месторождений.

Природные газы – газы чисто газовых месторождений. Они состоят, в основном, из метана (93-99%) с небольшой примесью этана, пропана, бутанов, пентанов. Во многих природных газах содержится значительное количество диоксида углерода, азота, а также сероводорода и благородных газов (Ar, Ne и др.).

В виду резкого преобладания метана большинство природных газов  относят к так называемым сухим газам.

Месторождения природного газа размещаются  в различных районах нашей  страны. Особенно богата природным  газом Западная Сибирь.

Попутные газы. Так принято называть газообразные углеводороды, сопровождающие сырую нефть. В условиях пластового давления эти газы растворены в нефти и в процессе ее добычи выделяются вследствие снижения давления. Для этих газов характерно высокое содержание метана и наличие значительных количеств этана, пропана, бутанов и высших углеводородов вплоть до октана. Такие газы в отличие от сухих принято называть жирными или богатыми. Состав газов колеблется в значительных пределах и зависит от типа месторождения и условий добычи нефти. Попутные газы служат источником извлечения из них легкого бензина.

Газы газоконденсатных месторождений. Некоторые газовые месторождения с высоким пластовым давлением (до 25-30 МПа) отличаются тем, что газы насыщены жидкими нефтяными углеводородами. При разработке этих месторождений давление снижается, жидкие углеводороды конденсируются и могут быть отделены от газа в виде жидкого конденсата. После отделения конденсата газ приближается по составу к сухим газам, а конденсат содержит бензиновые и керосиновые фракции.

Природные газы широко используются как бытовое и промышленное топливо, служат ценнейшим сырьем для химической и нефтехимической промышленности. Сжиженные нефтяные газы используют в качестве растворителей для извлечения остаточной нефти из пласта.  

Жидкие алканы. Содержание жидких алканов в зависимости от месторождения нефти колеблется от 10 до 70 %. Наиболее богаты ими мангышлакские, сибирские, татарские, башкирские нефти. При фракционной разгонке эти углеводороды попадают в бензиновый (С₅-С₁₀) и керосиновый (С₁₁-С₁₆) дистилляты. В настоящее время в нефтях найдены все возможные изомеры пентана, гексана и гептана.

Обычно нефть содержит, главным  образом, два-четыре десятка индивидуальных нормальных и изомерных алканов, остальные присутствуют в незначительных количествах.

Наиболее характерно содержание алканов  нормального и слаборазветвленного строения. Причем из последних наиболее часто встречаются метилзамещенные. Из 18 изомеров октана обнаружено 17. Из 35 возможных изомеров нонана обнаружено 24. Декан и его десять изомеров выделены, а большая часть обнаружены спектроскопическим методом.

Из углеводородов С₁₁-С₁₆ найдены ундекан, додекан, три- и тетрадекан, пентадекан и гексадекан. В некоторых нефтях обнаружены изопреноидные углеводороды – разветвленные алканы с правильным чередованием метильных заместителей в цепи через три метиленовые группы, содержание их в различных нефтях составляет до 9%.

Изопреноидные углеводороды представляют особенный интерес для геохимии нефти, поскольку обладают специфической  структурой, характерной для биохимических компонентов. Особенности их строения и высокая концентрация в различных нефтях свидетельствуют в пользу их биогенной природы.

При изучении распределения в нефтях нормальных алканов и алканов  изостроения обнаружены закономерности, связанные с типом нефти. В  нефтях метанового типа преобладают нормальные алканы (до 50%). В нефтях нафтенового типа содержатся преимущественно изоалканы (до 75% и более). Они могли образоваться в нефтях из фитола – ненасыщенного алифатического спирта растительного происхождения, который является составной частью хлорофилла.

Так как нефти метанового типа относятся  к старым нефтям, преобладание в них алканов нормального строения объясняют протеканием реакций отщепления боковых цепей у углеводородов изостроения. Преимущественное содержание изоалканов в нафтеновых нефтях свидетельствует, что они относятся к молодым, не претерпевшим еще значительных превращений.

Жидкие алканы имеют большое  значение в жидких топливах. Установлено, что нормальные алканы являются носителями детонирующих свойств, в результате чего их присутствие в бензинах нежелательно.

Напротив, они желательны в дизельном топливе, т.к. с увеличением длины цепи повышается так называемое цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к воспламенению.

Алканы разветвленного строения придают бензинам антидетонационные свойства, характеризуемые октановым числом.

Жидкие алканы, входя в состав бензина, керосина и других продуктов  переработки нефти, используют в  первую очередь как топлива. Значительное количество нормальных алканов используют для получения синтетических  жирных кислот, спиртов и поверхностно-активных веществ. Кроме того, они являются сырьем для микробиологической промышленности, производящей белково-витаминные концентраты.

Твердые алканы. Твердые алканы присутствуют во всех нефтях. Для всех твердых алканов укрепилось техническое название «парафины». Парафинов в нефтях содержится мало (0,1-5%). Однако встречаются высокопарафинистые нефти с содержанием 7-27% твердых парафинов.

Основная их масса содержится в  мазуте, при перегонке которого углеводороды с числом углеродных атомов от 17 до 35 попадают в масляные дистилляты, а С₃₆-С₅₅остаются в гудроне. По химическому составу углеводороды, выделенные из масляных фракций, составляют более 75% нормальных алканов и небольшие количества циклоалканов и разветвленных углеводородов. Они имеют температуру плавления 45-54ºС, температуру кипения до 550ºС, плотность 0,860-0,940 и молекулярную массу 300-500. Твердые углеводороды с числом углеродных атомов от 36 до 55 носят название церезины. В состав церезинов входят алканы нормального и изостроения, которые могут содержать в молекуле циклоалкановые и ароматические структуры. Церезины имеют температуру плавления 65-88ºС, температуру кипения выше 600ºС, молекулярную массу 500-750. По внешнему виду похожи на воск.

Парафины легко кристаллизуются  в виде пластинок и пластинчатых лент. Церезины же кристаллизуются  в виде мелких игл, поэтому они  не образуют прочных застывающих систем, как парафины.

В нефти парафины находятся в растворенном и взвешенном состоянии. На холоде растворимость их в нефти и нефтяных фракциях невелика, но при нагревании около 40ºС парафины неограниченно растворяются в них. Так как в недрах Земли повышенная температура, то в нефтях парафины находятся в растворенном состоянии, выделяясь из них в виде твердой фазы при подъеме нефти на поверхность. Поэтому при содержании их в нефти в пределах 1,5-2% парафины отлагаются в скважинах и промысловых нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию скважин и транспорт нефти.

Парафины и церезины имеют разнообразное  применение в химической промышленности, в производстве вазелина, в пропитке древесины, аппретировании тканей, в качестве изолирующего материала в электро- и радиотехнике. Парафины применяют в качестве загустителя в производстве пластических смазок. Особенно большое значение они имеют, также как и жидкие алканы, для производства синтетических жирных кислот и спиртов.

Циклоалканы. Циклоалканы или цикланы – углеводороды, содержащие в молекуле циклы (кольца), построенные из атомов углерода (карбоциклические соединения), связанные между собой σ-связью. Из рассмотренной ранее классификации следует, что цикланы входят в состав алициклических соединений. Общая формула циклоалкановC_nH_2n. Следовательно, молекулы цикланов, не имеющие заместителей, состоят из связанных между собой и замкнутых в кольца групп СН₂ (метиленовая группа); отсюда и другое их название – полиметиленовые соединения.

В технической литературе (в том  числе и в нефтяной) циклоалканы  называютнафтенами. Последнее название им дал В.В. Марковников, впервые открывший эти углеводороды в 1833 году в бакинских нефтях.

Циклоалканы по числу циклов в молекуле подразделяются на моноцикланы (общая формула С_nН_2n), бицикланы (С_nН_2n-2) и полицикланы (С_nН_2n-4, С_nН_2n-6 и т.д.) [4; 11].

1.5. Состав газа

Природный газ – смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится  к полезным ископаемым. Природный  газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится  в газообразном состоянии – в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворенном состоянии в нефти или воде. При нормальных условиях (101,325 кПа и 20°С) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в виде естественных газогидратов.

Химический состав. Природные газы состоят преимущественно из предельных углеводородов, но в них встречаются также сероводород, азот, углекислота, водяные пары.  Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, состоят в основном из метана. 

Газ и нефть в толще  земли заполняют пустоты пористых пород, и при больших их скоплениях целесообразна промышленная разработка и эксплуатация залежей.  Давление в пласте зависит от глубины его залегания. Практически через каждые 10 м глубины давление в пласте возрастает на 0,1 МПа (1 кгс/см²). 

В состав газообразного топлива входят горючая и негорючая части. Чем больше горючая часть топлива, тем больше удельная теплота его сгорания. Различия в физико-химических и теплотехнических харак теристиках газового топлива обусловлены разным количеством в составе газа горючих и негорючих газообразных компонентов (балластов), а также вредных примесей. 

К горючим компонентам  относятся следующие вещества:

Водород Н₂. Бесцветный нетоксичный газ без вкуса и запаха, масса 1 м³ которого равна 0,09 кг. Он в 14,5 раза легче воздуха. Удельная теплота сгорания водорода составляет: Q_B – 12 750 кДж/м³ , 33 850 ккал/кг и 68 260 ккал/моль; Q_н – соответственно 10 800 кДж/м³, 28640 ккал/кг и 57 740 ккал/моль и превышает на теплоту, затрачиваемую на испарение воды, образующейся при сгорании водорода; 1 м³ водорода, сгорая в теоретически необходимом количестве воздуха, образует 2,88 м³ продуктов горения.  Водородно-воздушные смеси легко воспламенимы в весьма пожаро - и взрывоопасны. 

Метан СН₄. Бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; масса 1 м³ метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре –162°С метан сжижается и его объем уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства. 

Вследствие содержания в метане 25% водорода (по массе) имеется большое различие между его высшей и низшей удельной теплотой сгорания. Высшая удельная теплота сгорания метана Q_в составляет 39 820 кДж/м³, 13 200 ккал/кг и 212 860 ккал/моль; низшая – Q_н – соответственно  35 880 кДж/м³, 11 957 ккал/кг и 191 820 ккал/моль. 

Содержание метана в природных газах достигает 98%, поэтому его свойства практически полностью определяют свойства природных газов. 

Природные и попутные газы, состоящие в основном из метана, представляют собой не только высококалорийное топливо, но ценное сырье для химической промышленности. 

Метан обладает сравнительно низкой реакционной способностью. Это  объясняется тем, что на разрыв четырех связей С-Н в молекуле метана требуется большая затрата энергии. Кроме метана в горючих газах могут содержаться этан C₂H₆ , пропан С₃Н₈ , бутан С₄Н₁₀ и др. 

Углеводороды метанового ряда имеют общую формулу С_nН_2n+2, где n –углеродное число, равное 1 для метана, 2 для этана и 3 для пропана. С увеличением числа атомов в молекуле тяжелых углеводородов возрастают ее плотность и удельная теплота сгорания. 

Оксид углерода СО. Бесцветный газ без запаха и вкуса масса 1 м³ которого составляет 1,25 кг; удельная теплота сгорания 13 250 кДж/м³, 2413 ккал/кг или 67 590 ккал/моль, Увеличение содержания оксида углерода за счет снижения балласта ( CO₂+N₂ ) резко повышает удельную теплоту сгорания и температуру горения низкокалорийных газов. В высококалорийных газах, содержащих метан и другие углеводороды, увеличение процентного содержания оксида углерода понижает удельную теплоту сгорания газа. При этом образуется 2,88 м³ продуктов горения. Вследствие малого их объема на каждый кубический метр оксида углерода приходится больше теплоты, чем на 1 м³ продуктов горения углеводородов. 

Оксид углерода легко вступает в соединение с гемоглобином крови. При содержании в воздухе 0,04% СО примерно 30% гемоглобина крови вступает в химическое соединение с оксидом углерода, при 0,1 % СО – 50%, при 0,4% – более 80%. Оксид углерода относится к высокотоксичным газам, и находиться в помещении, воздух которого содержит 0,2% СО, в течение 1 ч вредно для организма, а при содержании 0,5% СО находиться в помещении даже в течение 5 мин опасно для жизни.