Ставрополь, 2013
Методические указания составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, рабочего учебного плана и программы дисциплины «Химия нефти» для студентов специальности 131000.62 «Нефтегазовое дело».
В методических указаниях к контрольной работе приведены задания для самостоятельного выполнения и требования к оформлению. Выполнение контрольной работы способствует более глубокому пониманию дисциплины «Химия нефти и газа» и овладению практическими навыками по определению физико-химических характеристик углеводородного сырья, его целевых фракций и товарных продуктов.
Автор: старший преподаватель А.С. Овчарова
Рецензент: доктор технических наук С.Н.Овчаров
Дисциплина «Химия нефти и газа» одна из основных специальных дисциплин при подготовке инженеров-нефтяников. Человек и энергия – эти понятия неразделимы на протяжении всей истории существования человечества. Вначале неосознанно, а со временем, когда человек научился добывать огонь, осознанное использование различных видов энергии явилось необходимым условием существования, значение которого продолжает расти до наших дней. Уже второе десятилетие нефть играет решающую роль в снабжении человечества энергией. Нефть и газ определяют не только технический потенциал и социально-экономическое положение государства, но часто и его политику.
Природные энергоносители, добываемые из недр земли, после очистки и предварительной подготовки перерабатываются в основном в топлива, а также в масла и специальные продукты.
Основное общее требование к нефтяным продуктам заключается в том, что их физико-химические свойства должны соответствовать требованиям потребителей, условиям хранения, транспортирования, климатическим условиям эксплуатации. Сейчас большое внимание уделяется ООС, в связи с чем ужесточаются требования к качеству нефтепродуктов.
«Химия нефти и газа» решает задачи по исследованию химического состава нефтей, НП, газоконденсатов и газов с помощью современных физико-химических методов анализа, а также исследование физико-химических свойств углеводородов и других компонентов нефти и их влияния на свойства НП.
Целью курса «Химия нефти и газа» является формирование у студента понятия о химической природе и составах нефти и газа и методах их исследования, изучение физико-химические свойств нефти и газа и получаемых из них продуктов.
ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ
При изучении курса «Химия нефти и газа» студенты выполняют контрольную работу, состоящую из ответа на теоретический вопрос, задания по определению шифра нефти и решения задач.
Вариант выбирается студентом в соответствии с номером по общему списку группы по следующему принципу:
| № п/п | ||||||||||||||||||||
| Вариант |
Контрольная работа выполняется в последовательности представленных заданий.
Примерный план контрольной работы:
– Титульный лист.
– Содержание.
– Теоретический вопрос.
– Определение шифра нефти.
– Задачи.
– Литература.
Контрольную работу рекомендуется выполнять с помощью средств компьютерной техники в редакторе Microsoft Word и представить в распечатанном виде.
Текст должен иметь следующие параметры:
− формат бумаги А4 (210х297 мм), бумага белая;
− поля: верхнее и нижнее – 20 мм, левое – 25 мм, правое – 15 мм;
− межстрочный интервал – одинарный или полуторный;
− переплет – 0 см;
− ориентация книжная;
− шрифт Times New Roman;
− размер шрифта 14 пунктов;
− абзац – 1,25 см;
− формулы выравнивают по центру.
− рисунки и таблицы нумеруются по порядку.
Задание к контрольной работе выдает преподаватель, читающий курс лекции по дисциплине «Химия нефти и газа». Выполнение заданий производится в соответствии с данными методическими указаниями.
Защита контрольной работы проводится в виде собеседования. По итогам выполнения и защиты выставляется оценка.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ВОПРОС
Теоретический вопрос выбирают согласно номеру варианта:
1. Алканы нефти и газа.
2. Циклоалканы нефти.
3. Арены и гибридные углеводороды нефти.
4. Гетероатомные соединения нефти.
5. Смолисто-асфальтеновые вещества и минеральные компоненты нефти.
6. Фракционный состав нефти.
7. Плотность нефти и ее фракций.
8. Вязкость нефти и нефтепродуктов.
9. Оптические, электрические и тепловые свойства нефти и нефтепродуктов.
10. Характерные температуры.
При ответе на вопросы, относящихся к групповому химическому составу нефти и нефтяных фракций, необходимо привести содержание соединений в различных нефтях, дать характеристику физическим и химическим свойствам, влиянию на свойства продуктов, методам количественного определения и идентификации.
При ответе на вопросы, относящие к свойствам нефти и нефтепродуктов необходимо дать их характеристику и подробно описать методы определения.
Определение шифра нефти
Для определения единого подхода к техническим требованиям к нефти, производимой нефтегазодобывающими организациями при подготовке к транспортировке по магистральным нефтепроводам, наливным транспортом для поставки потребителям Российской Федерации и на экспорт, с 1 июля 2002 г. введен в действие ГОСТ Р 51858-2002 «Нефть. Общие технические условия». Этот стандарт распространяется на нефти, подготовленные нефтегазодобывающими предприятиями к транспортировке и для поставки потребителям. В настоящем стандарте дается определение понятий сырой и товарной нефти. Сырая нефть – жидкая природная ископаемая смесь углеводородов широкого фракционного состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битума и кокса. Товарная нефть – нефть, подготовленная к поставке потребителю в соответствии с требованиями действующих нормативных и технических документов, принятых в установленном порядке.
Задание по вариантам для определения шифра нефти:
1. Определить шифр туймазинской нефти по ГОСТ Р 51858-2002
2. Определить шифр шаимской нефти по ГОСТ 51858-2002
3. Определить шифр яринской нефти по ГОСТ 51858-2002
4. Определить шифр мегионской нефти по ГОСТ 51858-2002
5. Определить шифр ромашкинской нефти по ГОСТ 51858-2002
6. Определить шифр пронькинской нефти по ГОСТ 51858-2002
7. Определить шифр арланской нефти по ГОСТ 51858-2002
8. Определить шифр коробковской нефти по ГОСТ 51858-2002
9. Определить шифр тенгизской нефти по ГОСТ 51858-2002
10. Определить шифр уланхольской нефти по ГОСТ 51858-2002
Методика определения шифра нефти
В соответствии с новым ГОСТ Р 51858−2002 нефть подразделяют по физико-химическим свойствам, степени подготовки, содержанию сероводорода и легких меркаптанов на классы, типы, группы и виды.
В зависимости от массовой доли серы нефть подразделяют на следующие классы.
Таблица 1 – Класс нефти
| Класс нефти | Наименование | Содержание серы, % (масс.) |
| Малосернистая | До 0,60 включительно | |
| Сернистая | От 0,61 до 1,80 | |
| Высокосернистая | От 1,81 до 3,50 | |
| Особо высокосернистая | Свыше 3,50 |
По плотности нефти подразделяют на пять типов: 0 – особо легкая; 1 – легкая; 2 – средняя; 3 – тяжелая; 4 – битуминозная. С 1 января 2004 г. обязательно определение плотности при 15°С.
Таблица 2 – Тип нефти
| Наименование параметра | Норма для нефти типа | ||||
| Плотность, кг/м3, при температуре 20 °С 15 °С | Не более 830,0 Не более 833,7 | 830,1-850,0 833,8-853,6 | 850,1-870,0 853,7-873,5 | 870,1-895,0 873,6-898,4 | Более 895,0 Более 898,4 |
По степени подготовки нефть подразделяют на группы.
Таблица 3 – Группа нефти
| Показатель | Норма для группы | ||
| Содержание воды, % (масс.), не более | 0,5 | 0,5 | 1,0 |
| Концентрация хлоридов (хлористых солей), мг/дм3, не более | |||
| Содержание механических примесей, % (масс.), не более | 0,05 | 0,05 | 0,05 |
| Давление насыщенных паров, кПа (мм. рт. ст.), не более | 66,7 (500) | 66,7 (500) | 66,7 (500) |
| Содержание хлорорганических соединений, млн-1 (ppm) | Не нормируется. Определение обязательно |
По массовой доле сероводорода и легких меркаптанов нефти делятся на виды.
Таблица 4 – Вид нефти
| Показатель | Норма для группы | ||
| Содержание сероводорода, млн-1 (ppm), не более | |||
| Суммарное содержание метил- и этилмеркаптанов, млн-1 (ppm), не более |
Таким образом, по технической классификации в соответствии с ГОСТ Р 51858−2002 условное обозначение нефти состоит из четырех цифр, соответствующих обозначениям класса, типа, группы и вида нефти.
Для определения шифра нефти необходимо найти по справочникам [7−10] необходимые данные для определения шифра нефти. В контрольной работе также необходимо привести геологическую характеристику и схему размещения нефтяного месторождения. Затем указать в таблице 5 характеристики, необходимые для определения шифра нефти. Определить класс, тип, группу и вид нефти и записать полный шифр нефти.
Например, нефть (при поставке потребителю в России) с содержанием серы 1,15% (масс.) (класс 2), плотностью при 20 °С 860,0 кг/м3 (тип 2), концентрацией хлористых солей 120 мг/дм3, содержанием воды 0,40% (масс.) (группа 2), с содержанием сероводорода менее 20 ppm (вид 1) обозначают 2.2.2.1 ГОСТ 51858−2002.
Таблица 5 – Определение шифра нефти в соответствии с технической классификацией
| Содержание серы, % (масс.) | Плотность нефти, кг/м3 | Содержание воды, % масс. | Концентрации хлористых солей, мг/дм3 | Содержание механических примесей, % масс. | Давление насыщенных паров, мм рт. ст. | Массовая доля сероводорода, млн.-1 (ppm) | Шифр нефти | |
| при 20 °С | при 15 °С | |||||||
| 0,45 | 0,04 |
Задачи
Задача 1. Газовая смесь состоит азота, углекислого газа, сероводорода, метана, этана, пропана, изо-бутана и н-бутана. Смесь находится при нормальных условиях. Найти: общую массу смеси, массовый и молярный состав смеси с точностью до 1-ой десятой процента, зная объем компонентов. Ответ представить в виде таблицы:
| Компонент | Объем V, м3 | Число кмоль | Молярная масса, кг/кмоль | Масса, кг | Молярный процент, % мол. | Массовый процент, % масс. |
| Азот | ||||||
| Углекислый газ | ||||||
| Сероводород | ||||||
| Метан | ||||||
| Этан | ||||||
| Пропан | ||||||
| Изо-бутан | ||||||
| Н-бутан | ||||||
| Сумма: | 100,0% | 100,0% |
Таблица 6 – Варианты к задаче 1
| Объем компонентов, м3 | Номера вариантов | |||||||||
| Азот | ||||||||||
| Углекислый газ | ||||||||||
| Сероводород | ||||||||||
| Метан | ||||||||||
| Этан | ||||||||||
| Пропан | ||||||||||
| Изо-бутан | ||||||||||
| Н-бутан |
Решение
В практических расчетах состав многокомпонентной смеси выражается в долях или процентах. Соотношение между долями и процентами. 1:100.
Массовая доля компонента представляет собой отношение его массы mi к массе смеси m:
Очевидно, что 
Молярная доля xi’ компонента выражается отношением числа молей Ni этого компонента к общему числу молей N смеси:
Аналогично массовой доле 
Пересчет массового состава в молярный и обратный пересчет осуществляются по формулам:
где Mi - молярная масса компонента, кг/кмоль.
Объемная доля xVi компонента есть отношение его объема Vi к объему всей смеси V:
Для пересчета объемного состава в массовый и обратно необходимо знать плотность каждого компонента:
где ρi - молярная масса компонента, кг/м3.
Для жидкой смеси прямой пересчет объемных долей в молярные довольно сложен, поэтому лучше его проводить с помощью массовых долей. Для газовой смеси состав, выраженный объемными и молярными долями, одинаков.
Для решения задачи вначале необходимо определить число кмоль компонентов:
где Vm – молярный объем газа, равный 22,4 л/моль (м3/кмоль).
Зная число кмоль компонентов и их молярные массы легко определить массу компонентов, а затем и массу, молярный и массовый состав газовой смеси.
Задача 2. Найти абсолютную и относительную плотность газа при нормальных условиях (t = 0 °С, Р = 1 атм.), а также плотность этого газа при температуре
t = 100°С и давлении Р = 0,8 МПа, зная массовый состав газа (% масс.).
Таблица 7 – Варианты к задаче 2
| Состав газа, % масс. | Номера вариантов | |||||||||
| Азот | ||||||||||
| Углекислый газ | ||||||||||
| Сероводород | ||||||||||
| Метан | ||||||||||
| Этан | ||||||||||
| Пропан | ||||||||||
| Изо-бутан | ||||||||||
| Н-бутан |
Решение
Относительная плотность газа равна отношению массы m газа, занимающего объем V при некоторой температуре и давлении, к массе m1 воздуха, занимающего тот же объем V при тех же температуре и давлении.
Если считать газ идеальным, то при Т=273 К и давлении Р = 1 атм. и V=22,4 м3 масса m равна молекулярной массе M газа. В тех же условиях масса 22,4 м3 воздуха составляет 28,9 кг, откуда относительная плотность газа относительно воздуха равна:
Абсолютную плотность газов при нормальных условиях можно найти, зная массу M и объем 1 кмоль газа (22,4 м3), по формуле:
Молярная масса - величина аддитивная, и для смеси ее можно определять по формуле:
где m1, m2, …, mn - массы компонентов смеси; M1, M2, …, Мn - молекулярные массы компонентов.
Плотность газа при заданных условиях можно определить по формуле Менделеева-Клапейрона.
Задача 3. Нефть закачали в резервуар при температуре t1, °С. Определенная плотность составила 
. На следующий день температура нефти поднялась до t2, °С. Определить плотность нефти при температуре t2.
Таблица 8 – Варианты к задаче 3
| Значение параметров | Варианты | |||||||||
| t1, °С | ||||||||||
|
| 0,845 | 0,823 | 0,831 | 0,850 | 0,830 | 0,835 | 0,865 | 0,848 | 0,832 | 0,860 |
| t2, °С |
Решение
Плотность нефтей и нефтепродуктов уменьшается с повышением температуры. Эта зависимость имеет линейный характер и выражается формулой:
= 
− α(t – 20),
где 
− относительная плотность нефтепродукта при заданной температуре t; − относительная плотность нефтепродукта при температуре 20 °С; α – средняя температурная поправка относительной плотности.
Вначале необходимо из формулы выразить , а затем найти 
.
Таблица 9 – Средняя температурная поправка относительной плотности
| ρ | α | ρ | α |
| 0,7000-0,7099 | 0,000897 | 0,8500-0,8599 | 0,000699 |
| 0,7100-0,7199 | 0,000884 | 0,8600-0,8699 | 0,000686 |
| 0,7200-0,7299 | 0,000870 | 0,8700-0,8799 | 0,000673 |
| 0,7300-0,7399 | 0,000857 | 0,8800-0,8899 | 0,000660 |
| 0,7400-0,7499 | 0,000844 | 0,8900-0,8999 | 0,000647 |
| 0,7500-0,7599 | 0,000831 | 0,9000-0,9099 | 0,000633 |
| 0,7600-0,7699 | 0,000818 | 0,9100-0,9199 | 0,000620 |
| 0,7700-0,7799 | 0,000805 | 0,9200-0,9299 | 0,000607 |
| 0,7800-0,7899 | 0,000792 | 0,9300-0,9399 | 0,000594 |
| 0,7900-0,7099 | 0,000778 | 0,9400-0,9499 | 0,000581 |
| 0,8000-0,8099 | 0,000765 | 0,9500-0,9599 | 0,000567 |
| 0,8100-0,8199 | 0,000752 | 0,9600-0,9699 | 0,000554 |
| 0,8200-0,8299 | 0,000725 | 0,9700-0,9799 | 0,000541 |
| 0,8300-0,8399 | 0,000725 | 0,9800-0,9899 | 0,000522 |
| 0,8400-0,8499 | 0,000712 | 0,9900-1,0000 | 0,000515 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература
1. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть первая. Первичная переработка нефти / Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. – М.: Химия, КолосС, 2005. – 400 с.
2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. − М.: Химия, 2001. – 568 с.
3. Мановян А.К. Технология переработки природных энергоносителей. − М.: Химия, КолосС, 2004. – 456 с.
4. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. – Уфа: "Гилем", 2002. – 671 с.
5. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков, И.Р. Кузеев и др. – СПб.: Недра, 2006. – 868 с.
6. Нефти и газовые конденсаты России. Справочник. В 2 т. Т.2. Нефть Сибири / Под ред. К. А. Демиденко. − М.: «Техника», 2000. – 160 с.
7. Нефти СССР. Справочник. В 4 т. Т.1. Нефти северных районов Европейской части СССР и Урала. – М.: Химия, 1971. – 225 с.
8. Нефти СССР. Справочник. В 4 т. Т.2. Нефти среднего и нижнего Поволжья. – М.: Химия, 1972. – 391 с.
9. Нефти СССР. Справочник. В 4 т. Т.3. Нефти Кавказа и западных районов Европейской части СССР. – М.: Химия, 1972. – 616 с.
10. Нефти СССР. Справочник. В 4 т. Т.4. Нефти Средней Азии, Казахстана, Сибири и острова Сахалин. − М.: Химия, 1974. – 781 с.
11. ГОСТ Р 51858 «Нефть. Общие технические условия».
Дополнительная литература:
1. Рябов В.Д. Химия нефти и газа. - М.: изд-во "Техника", ТУМА ГРУПП, 2004. – 288 с.
2. Химия нефти и газа / Под ред. В.А. Проскурякова, А.Е. Драбкина. – Л.: Химия, 1989. – 424 с.
3. Переверзев А.Н. Технология нефти и газа. Уч. пособие. – Ставрополь: СевКавГТУ, 2005. – 143 с.
4. Рудин М.Г., Сомов В.Е., Фомин А.С. Карманный справочник нефтепереработчика – М.: ЦНИИТЭнефтехим, 2004. – 336 с.
5. Хорошко С.И., Хорошко А.Н. Сборник задач по химии и технологии нефти и газа. - Минск.: Высшая школа, 1989. – 122 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к контрольной работе по дисциплине «Химия нефти и газа»
для студентов специальности
131000.62 «Нефтегазовое дело» ОФО и ЗФО
Составитель: старший преподаватель А.С. Овчарова
Редактор:
Корректор:
Подписано к печати
Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. – Уч.-изд. л. –
Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ Тираж 50 экз.
ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет»
355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2
Издательство ФГАОУ ВПО Северо-Кавказский федеральный
университет
Отпечатано в типографии ФГАОУ ВПО «СКФУ»
