Министерство
образования и науки Российской
Федерации
ФГБОУ ВПО «Челябинский
государственный университет»
Институт Экономики
отраслей, бизнеса
и администрирования
Кафедра экономики
отраслей и рынков
Контрольная работа
(реферат)
по предмету: Химия
на тему: «Методы
разделения компонентов нефти и газа».
| |
Выполнила:
студентка:
23 ПЗ 201 группы
Копылова
К.Б.
Проверил:
преподаватель
Самылова
О.А.
|
Челябинск
2011
СОДЕРЖАНИЕ
- Введение………………………………………………………………………3
- Разделение углеводородных смесей методами перегонки экстракции, кристаллизации термической диффузии……………………………………4
- Хроматографические методы разделения и анализа углеводородных смесей………………………………………………………………………….9
- 3.1. Жидкостно-адсорбционная
хроматография…………………………
- 3.2. Газовая хроматография…………………………………………………
- Заключение…………………………………………………………………
- Список литературы…………………………………………………………
- Введение
- Нефть и природный газ являются
одними из основных полезных ископаемых,
которые использовались человеком еще
в глубокой древности. Особенно быстрыми
темпами добыча нефти стала расти после
того, как для ее извлечения из недр земли
стали применяться буровые скважины. Обычно
датой рождения в стране нефтяной и газовой
промышленности считается получение фонтана
нефти из скважины.
- Нефтяная промышленность
в разных странах мира существует всего
110 – 140 лет, но за этот отрезок времени
добыча нефти и газа увеличилась более
чем в 40 000 раз. В 1860 г. мировая добыча
нефти составляла всего 70 тысяч
тонн, в 1970 г. было извлечено 2280 млн. т.,
а в 1996 г. уже 3168 млн.т.
- Исследование химического состава нефти и газа имеет большое значение, так как оно позволяет научно подойти к решению вопроса о наиболее рациональных путях их переработки.
- Разделение углеводородных смесей методами перегонки,
- экстракции, кристаллизации, термической диффузии
- Перегонка при пониженном давлении
- Пониженное давление применяется для перегонки в двух случаях: во-первых, для перегонки высококипящих фракций нефти, чтобы избежать возможного разложения углеводородов, и во-вторых, для разделения смесей углеводородов, имеющих близкие температуры кипения при атмосферном давлении и существенно различающихся при пониженном давлении.
- Прибор для молекулярной перегонки состоит из специальной перегонной колбы, в которой поверхность, охлаждающая пары углеводородов, находится от поверхности перегоняемой жидкости на расстоянии, меньшем длины свободного пробега молекул, и системы, создающей вакуум и состоящей из диффузионного и вакуумного насоса. В процессе молекулярной перегонки проходит процесс испарения. молекулы отрываются от поверхности и, достигнув охлаждающей поверхности, оседают на ней, образуя конденсат.
- Однако даже перегонка в глубоком вакууме не может обеспечить разделения компонентов нефти без их частичного разложения, особенно в тех случаях, когда вакуумной перегонке подвергаются тяжелые нефти или нефтяные остатки типа гудрона.
- Эффективным методом разделения высококипящих компонентов нефти является метод, основанный на ступенчатой экстракции компонентов тяжелого нефтяного сырья с помощью растворителя, находящегося в сверхкритических условиях. При взаимодействии такого растворителя, например с гудроном, последний частично растворяется в растворителе. Если отделить раствор и снизить давление, то из раствора выпадает растворившаяся часть гудрона. Если повышать давление в системе ступенчато, тем самым повышая растворяющую способность растворителя, удается постепенно извлекать новые порции компонентов гудрона со все возрастающей молекулярной массой.
- Азеотропная и экстрактивная перегонка
- Легкость разделения двух компонентов при перегонке определяется величиной коэффициента относительной летучести α = , где ρ1, ρ2 – упругости паров
компонентов, – коэффициенты активности,
характеризующие отклонения раствора
от идеального. Если α = 1, то мы имеем нераздельно
кипящую смесь. Если добавить к этой смеси
третий компонент, то можно изменить соотношение
между и увеличить α. Третий
компонент должен быть подобран так, чтобы
разделяемые вещества обладали различной
растворимостью в нем. Если третий компонент
по летучести приближается к разделяемой
смеси, то он образует азеотропную смесь
с одним из компонентов. Перегонка в присутствии
такого вещества называется азеотропной.
Обычно в качестве третьего компонента
при разделении углеводородных смесей
методом азеотропной перегонки используют
спирты (метиловый, этиловый), уксусную
кислоту, кетоны, простые и сложные эфиры.
С помощью спиртов можно разделять близкокипящие
смеси аренов и алканов, например смесь
бензола и 2,2,3-триметилбутана; бензол образует
азеотропную смесь с этиловым спиртом.
- Для разделения смеси бензола и циклогексана в промышленности применяют метилэтилкетон с 10% воды. Метилэтилкетон образует азеотропную смесь с циклогексаном. Для разделения алканов и нафтенов применяют уксусную кислоту, простые и сложные эфиры.
- Если летучесть третьего компонента мала, то перегонка в его присутствии называется экстрактивной. Третий компонент остается в жидкой фазе и удерживает одно их разделяемых веществ, которое лучше растворяется в нем. С помощью экстрактивной перегонки можно разделить близкокипящие смеси аренов и нафтенов. В качестве третьего компонента используют фенол или фурфурол. Они преимущественно растворяют ароматические углеводороды.
- Кристаллизация
- Смесь близкокипящих компонентов можно разделить кристаллизацией, которая проводится одним из двух методов:
- Вымораживают фракцию в чистом виде; один из компонентов выделяется в виде кристаллов, которые можно отделить центрифугированием. Процедуру повторяют многократно.
- Если смесь, которую нужно разделить кристаллизацией, обладает повышенной вязкостью, снижающей скорость кристаллизации, к этой смеси добавляют подходящий растворитель. Он должен хорошо растворять примеси при температуре кристаллизации углеводорода и быть летучим (например, бензол, ацетон диэтиловый эфир, метанол), что обуславливается необходимостью его последующего удаления. Примером кристаллизации с растворителем может служить выделение алканов нормального строения из масляных фракций с применением в качестве растворителей смесей толуол-метилэтилкетон и бензол-ацетон. С помощью кристаллизации с растворителями при низких температурах удается разделить изоалканы и нафтены нефтяных фракций.
- Для очистки углеводородов от примесей с помощью кристаллизации эффективным является метод зонной плавки, разработанный Н. Пфаном. Метод состоит в том, что вещество помещают в трубку, которая медленно двигается вперед и назад через чередующиеся зоны нагрева и охлаждения. Каждая зона вещества при этом подвергается многократной перекристаллизации; очищенное вещество концентрируется в одной части трубки, а примеси – в другой.
- Экстракция
- Смесь углеводородов модно разделить путем избирательного растворения одного из компонентов смеси в подходящем растворителе. Этот процессии и называется экстракцией.
- При экстракции растворитель должен образовывать отдельную фазу, т. е. не должен полностью растворяться в углеводородной смеси. Массовое отношение между углеводородной смесью должно быть также строго определенным, так как при избытке растворителя разделяемая смесь может полностью раствориться в растворителе, а при избытке разделяемой смеси в ней полностью может раствориться сам растворитель. С помощью экстракции можно:
- а) отделить арены от алканов и нафтенов;
- б) разделить моноциклические, бициклические и трициклические арены;
- в) отделить алканы от нафтенов.
- Для извлечения ароматических углеводородов используют в качестве растворителей диэтиленгликоль, жидкий сернистый ангидрид, фенол, фурфурол, сульфолан.
- Для разделения нафтенов и алканов применяют сложные эфиры, так, например, при разделении нафтенов и алканов керосиновых фракций можно использовать метиловый эфир муравьиной кислоты.
- Термическая диффузия
- Принцип разделения углеводородов методом термической диффузии состоит в следующем: если смесь двух веществ поместить между двумя стенками, одна из которых холодная, другая – горячая, то молекулы одного вещества перемещаются к холодной стенке и в силу конвекции опускаются вниз, молекулы другого вещества направляются вверх. Таким образом, происходит разделение: один компонент собирается наверху колонки, другой – внизу. Термической диффузии препятствует обычная диффузия, происходящая за счет разности концентраций.
- В процессе термодиффузионного разделения происходит образование концентратов углеводородов. Одна группа углеводородов концентрируется в верхней части колонки, другая – в нижней. Однако провести полное количественное разделение углеводородов невозможно: в средней части колонки всегда остается значительное количество неразделенной смеси. В этом состоит основной недостаток метода термической диффузии. Другой недостаток заключается в малой скорости термодиффузионного разделения – равновесие в колонке устанавливается в течение нескольких суток. С помощью термической диффузии можно:
- отделить моноциклические нафтены от полициклических;
- выделить из смеси алканов и нафтенов концентрат н-алканов,
которые собираются в верхней части колонки;
в средней части находится смесь изопарафинов
и нафтенов, а в нижней концентрируются
нафтены;
- получить концентрат изопреноидных углеводородов из средних фракций нефтей нафтенового основания, в которых содержание изопреноидных углеводородов измеряется несколькими процентами.
- Хроматографические методы разделения и анализа
- углеводородных смесей
- Хроматография
представляет собой физический метод
разделения смесей веществ. В процессе
хроматографии разделяемые вещества распределены
между двумя фазами, одна из которых –
неподвижный слой с большой поверхностью,
другая – подвижна.
- В зависимости
от характера неподвижной фазы хроматография
подразделяется на следующие виды:
- адсорбционная хроматография: неподвижная фаза – твердое пористое вещество; подвижная – газ или жидкость;
- распределительная хроматография: неподвижная фаза – жидкость, которая находится на поверхности твердого носителя; подвижная фаза – жидкость, газ или пар.
- Адсорбционная и распределительная хроматографии могут быть также подразделены в зависимости от характера подвижной и неподвижной фаз. Всего имеется 4 вида хроматографии.
- Неподвижная фаза – твердое тело (адсорбционная хроматография)
|
- 1.Подвижная
фаза – жидкость.
- Жидкостно-адсорбционная хроматография. Пример:
разделение нефтяных фракций на ароматическую
и нафтено-парафиновую части на силикагеле.
- 2.Подвижная
фаза – газ.
- Газоадсорбционная хроматография. Пример:
разделение газообразных углеводородов
на твердых адсорбентах (гиперсорбция),
а также разделение газов на молекулярных
ситах.
|
- Неподвижная фаза – жидкость на твердом носителе (распределительная хроматография)
|
- 1.Подвижная
фаза – жидкость.
- Жидкостно-распределительная хроматография. Пример: хроматография
жидких и твердых компонентов нефти на
бумаге в тонком слое адсорбента. Неподвижной
жидкой фазой служит пленка воды на поверхности
бумаги или оксида алюминия.
- 2.Подвижная
фаза – газ (пар).
- Газожидкостная хроматография.
|
- Для каждого из видов возможны 3 методики анализа.
- Фронтальный анализ
- В колонку с адсорбентом заливают смесь вещества А и В. Вначале колонки выходит вещество В, затем смесь А + В. Основная масса вещества А остается в колонке и занимает её верхнюю часть.
- В этом случае можно выделить в чистом виде только слабо адсорбирующийся компонент В. Этот метод применяется для отделения продукта от примеси какого-либо вещества, которое сильно адсорбируется, например для обесцвечивания органических соединений, отделения смол от нефтепродуктов.
- Проявительный анализ
- В колонку заливают смесь А + В, которая пропитывает адсорбент, а затем добавляют проявитель (растворитель Е), который адсорбируется слабее, чем компоненты смеси, но при продолжительном добавлении его в колонку он может сместить вниз слабо адсорбирующий компонент В. После добавления проявителя происходит четкое разделение зон А и В; образуются полосы этих компонентов, разделенные полосой проявителя Е. Положительная особенность этой методики: можно выделить полностью только компонент В. Недостаток: компонент А остается в колонке.
- Вытеснительный анализ
- В колонку заливают смесь А + В; она пропитывает адсорбент, затем пропускают жидкость D, которая адсорбируется сильнее, чем компоненты смеси, и вытесняет их из колонки. Вначале из колонки выходит слабоадсорбирующийся компонент В (чистый), затем смесь А и В, следом прочно адсорбирующийся компонент А, затем вытеснитель. Недостаток этой методики: зоны веществ не разделены зонами растворителя, поэтому полное разделение веществ А и В невозможно. Но можно получить определенное количество чистых компонентов А и В.
- Жидкостно-адсорбционная хроматография
- Подвижная фаза – жидкость. В этом случае хроматография называется жидкостной. Если в жидкостной хроматографии неподвижной фазой является адсорбент, то имеем случай жидкостно-адсорбционной хроматографии.
- В практике разделения смесей углеводородов данным видом хроматографии применяют жидкостные хроматографы высокого давления. В них скорость хроматографии высока. Из хроматографической колонки компоненты смеси выходят вместе с подвижной жидкой фазой (элюентом), и поступают в детектор. Так как углеводороды бензиновой фракции бесцветны, для их обнаружения на выходе из колонки необходимо отделение их констант, например показателя преломления. В жидкостной хроматографии высокого давления обычно применяются ультрафиолетовые детекторы, основанные на различии в поглощении ультрафиолетового излучения компонентами смеси и элюентом, и рефрактометрические детекторы, основанные на различии показателей преломления компонентов разделяемой смеси и элюента. Сигналы от детектора поступают к устройству, которое записывает хроматограмму. Если в колоночно жидкостно-адсорбционной хроматографии, проводимой при атмосферном давлении в колонке 50 см и диаметром 1–2,5 см, наполненной адсорбентом с размером частиц 100 мкм, эффективность разделения, проходящего в течение нескольких часов, составляет примерно 50 т. т., то в высокоэффективной жидкостной хроматографии высокого давления (длина колонок 10–20 см, диаметр 2–4 мм, размер частиц адсорбента 2–10 мкм, скорость потока элюента 0,2–2 мл/мин под давлением до 40 . 106 Па) эффективность разделения составляет
10 000 т. т.
-
- Газовая хроматография
- Если подвижная фаза – газ (пар), то в этом случае хроматография называется газовой. Если в газовой хроматографии неподвижной фазой является жидкость на поверхности твердого носителя, то имеем случай газожидкостной хроматографии, если адсорбент, то газоадсорбционной хроматографии.
- Газовая хроматография осуществляется в проявительном варианте. Анализ проводится на специальных приборах – хроматографах. В газовых хроматографах анализ может проводиться как в изотермическом режиме (температуры колонки и детектора являются постоянными в течение всего анализа), так и при переменном температурном режиме с постоянным подъемом температуры. Этот температурный режим необходим тогда, когда анализируемая смесь веществ имеет широкий интервал температур кипения (например, фракция нефти). Если такую смесь анализировать в изотермическом режиме при температуре, близкой к нижнему пределу температуры кипения смеси, то будут хорошо разделяться только легкокипящие компоненты смеси; время удержания высококипящих компонентов будет большим, поэтому общая продолжительность анализа существенно возрастет. При более высокой температуре, близкой к концу кипения смеси, будет плохо разделяться легкие компоненты. Четкое и быстрое разделение компонентов и получение хроматограммы с симметричными пиками достигается в том случае, когда в процессе анализа температура повышается по заданному режиму (ступенчато и плавно).
- Заключение
- На современном этапе технического развития нефть и продукты ее переработки являются источником основных видов жидкого топлива: бензина, керосина, реактивного, дизельного и котельного топлива. Из нефти вырабатывают смазочные и специальные масла, нефтяной пек, кокс, различного назначения битумы, консистентные (пластичные) смазки, нефтехимическое сырье - индивидуальные алканы (парафиновые углеводороды), алкены (олефины) и арены (ароматические углеводороды), жидкий и твердый парафин. Из нефтехимического сырья, в свою очередь, производят ряд важнейших продуктов для различных областей промышленности, сельского хозяйства, медицины и быта: пластические массы; синтетические волокна, каучуки и смолы; текстильно-вспомогательные вещества; моющие средства; растворители; белково-витаминные концентраты; различные присадки к топливам, маслам и полимерам; технический углерод.
- Химический и фракционный состав нефти необходимо знать для выбора наиболее рационального комплекса процессов нефтепереработки, ее моделирования, обоснования мощности нефтеперерабатывающих установок, а также для развития представлений о генезисе нефти и решения задач нефтяной геологии.
- Список литературы
- Рябов В. Д. Химия нефти и газа: учебное пособие. – М.: ИД «ФОРУМ», 2009. – 336 с.: ил. – (Высшее образование)
- Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. и др. Химия нефти и газа. Учебное пособие для вузов. Под ред. Проскурякова В.А., Драбкина А.Е. Изд-во Химия. 1989 г. - 424с.