Научно-исследовательская работа по аналитической химии на тему Фракционирование одной из нефтей и определение потенциального выхода прямогонных фракций

ВВЕДЕНИЕ

Нефть (от персидского слова «нефт» - воспламеняться) относится к ценному природному ресурсу, представляющему собой маслянистую жидкость цветом от мутно-желтого до почти черного со специфическим запахом. В состав сырой нефти входит более тысячи различных веществ, в основном жидких углеводородов. Важнейшим свойством нефти и ее производных является их способность выделять при сгорании большое количество энергии. Это качество в сочетании с относительной простотой транспортировки делает нефть важнейшим энергоносителем для современного общества.
В настоящий момент практически вся нефтедобыча производится из подземных месторождений различной глубины. Состав и свойства извлекаемого сырья могут значительно отличаться, однако, в связи с тем, что сейчас нефть крайне мало используется в сыром виде, для конечного потребителя нефтепродуктов их происхождение не имеет никакого значения [1].
Из сырой нефти производятся, в первую очередь, различные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания: бензин, керосин, дизельное топливо, а также большинство смазочных материалов: мазут, масла, парафины и т.д. Также продукты нефтепереработки широко используются в различных отраслях химической промышленности, например, для производства полимеров, пластмасс, синтетических каучуков и волокон, красителей, чистящих средств, асфальта, стройматериалов.
Фракционирование нефти — это ключевой этап технологического процесса переработки нефти, включающий разделение сложной смеси углеводородов на составляющие части (фракции) по температурам кипения. Каждая такая фракция обладает своими уникальными физическими свойствами и применениями, такими как автомобильное топливо, авиационный керосин, мазуты и прочие продукты нефтехимии [2].
Процесс фракционирования нефти осуществляется двумя основными методами:
1. Атмосферная перегонка (первичное фракционирование): сырьё поступает в установку атмосферной перегонки, где оно нагревается до высокой температуры (около 350 ⸰С). Затем смесь подается в ректификационную колонну, где происходит разделение нефти на фракции по принципу испарения. Более легкие фракции (низкокипящие) поднимаются вверх колонны, тяжелые остаются внизу. Так выделяются следующие основные фракции:
- газы (пропан, бутан);
- бензин;
- лигроин (керосин);
- среднее дизельное топливо;
- статок — мазут.
2. Вакуумная перегонка (вторичное фракционирование): после отделения легкой светлой части тёмный остаток — мазут — подвергается вакуумной перегонке для избежания разрушения тяжёлых молекул при высоких температурах. Этот процесс позволяет разделить мазут на:
- масла (светлые, средние и темные);
- гудроны и остатки.
Каждый компонент далее может проходить дополнительные преобразования (каталитический крекинг, риформинг и т.п.) для улучшения качества топлива или химического сырья.
Таким образом, фракционирование нефти обеспечивает основу для дальнейшего производства качественных нефтепродуктов, необходимых экономике страны и миру в целом.
Целью работы является фракционирование нефти с Федюшкинского месторождения и определение потенциального выхода прямогонных фракций.
Для достижения данной цели необходимо выполнение следующих задач:
- изучить теоретические основы метода фракционирования нефти и нормативно-техническую документацию, регламентирующую проведение испытаний (ГОСТ 2177-99).
- отбор репрезентативного образца нефти с Федюшкинского месторождения с соблюдением правил отбора проб (ГОСТ Р 51858-2002).
- проведение лабораторной разгонки отобранного образца нефти с применением методики Энглера (ГОСТ 2177-99), определение объемов выделившихся фракций при заданных интервалах температур.
- определение качественных характеристик фракций (температура вспышки, плотность, вязкость и др.) и оценка их пригодности для последующего производственного использования.
- на основе экспериментальных данных рассчитать массовые доли и потенциальный выход основных прямогонных фракций (бензиновой, керосиновой, дизельной и тяжелых остатков (гудрона/мазута)).
- анализ полученных результатов о перспективах промышленной переработки данной нефти с оценкой возможности эффективного извлечения полезных фракций для последующей глубокой переработки данной нефти и её коммерциализации.















ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Нефть — это природная смесь углеводородов различного строения и состава, содержащая также примеси сернистых, азотистых и кислородных соединений. С химической точки зрения нефть представляет собой сложную многокомпонентную систему органических веществ, основу которой составляют углерод (~ 83–87%) и водород (~ 11–14%). Остальные элементы (серу, азот, кислород и металлы) называют примесями или гетероатомами [3].
Основными компонентами нефти являются:
1. Углеводороды:
- парафиновые (алканы) — линейные насыщенные углеводороды от метана CH4 до высших гомологов типа CnH2n+2, образуют легкую фракцию нефти.
- нафтены (циклоалканы) — циклические насыщенные углеводороды CnH2n, присутствие которых придает нефти вязкость и пластичность.
- ароматические соединения (арены) — углеводороды, содержащие ароматическое ядро (бензольные кольца).
- олефины (алкены) — ненасыщенные углеводороды с одной двойной связью между атомами углерода.
2. Сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены и др. вещества, содержащие серу) ухудшают качество нефтепродуктов и вызывают коррозию оборудования.
3. Азотистые соединения (пирролы, хинолин, индолы и др. гетероциклические соединения азота), способны вызывать проблемы при переработке и хранении нефти.
4. Кислородосодержащие соединения (фенолы, карбоновые кислоты, эфиры и кетоны), увеличивая кислотность нефти, ухудшают её свойства.
5. Металлосодержащие комплексы (никель, железо, медь, ванадий и др., присутствующие в виде солей металлов и металлосодержащих комплексов) играют роль катализаторов в реакциях окисления и полимеризации.
Важнейшими физико-химическими показателями нефти являются плотность, вязкость, температура кипения различных фракций, содержание серы и парафина, а также химический состав основных групп углеводородов. Нефть классифицируется по плотности на лёгкую (<870 кг/м³), среднюю (870–920 кг/м³) и тяжёлую (> 920 кг/м³).
Технология переработки нефти, газа и твердых горючих ископаемых охватывает широкий спектр процессов, направленных на превращение исходного сырья в конечные продукты, такие как топливо, химические вещества и материалы. Нефтепереработка начинается с разделения сырой нефти на фракции путем фракционной перегонки [4]. Далее применяются вторичные процессы для улучшения качества полученных продуктов:
- первичная переработка: атмосферная и вакуумная перегонка.
- каталитическая переработка: каталитический риформинг, гидрокрекинг, гидродесульфуризация.
- термическая переработка: термический крекинг, пиролиз.
Рассмотрим более подробно процесс первичной переработки сырой нефти.
При нагревании любой жидкости давление образующихся паров постепенно возрастает, пока при определенной температуре оно не достигнет внешнего давления. При этой температуре жидкость закипает (начинается парообразование). Химически однородные жидкости при атмосферном давлении кипят при определенной постоянной температуре, которая именуется температурой кипения. Такие жидкости можно перегонять в любом аппарате, т.к. результаты перегонки определяются не конструкцией аппарата, а постоянством температуры кипения.