Характеристика состава и структуры соединений асфальтеновых компонентов тяжелой нефти Усинского месторождения
|
ВВЕДЕНИЕ 14
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 17
1.1 Запасы тяжелых и битуминозных нефтей в Российской Федерации и в
мире 17
1.2 Высокомолекулярные гетероорганические соединения (смолы и
асфальтены) 18
1.3 Гетерокомпоненты в составе нефтяных ВМГС 27
1.4 Методы исследования смол и асфальтенов 30
1.5. Химическая деструкция смол и асфальтенов 31
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 33
2.1 Объекты исследования 33
2.2 Элементный анализ 34
2.3 ИК - спектрометрия 35
2.4 Хромато - масс спектральный анализ 36
2.5 Методика выделения и фракционирования асфальтенов 37
2.5.1 Методика выделения асфальтенов 37
2.5.2 Методика фракционирования асфальтенов 38
2.5.3 Методика деструкции связи сера-углерод в асфальтенах 38
3 РАСЧЕТЫ И АНАЛИТИКА 40
3.1 Результаты деструкция связи сера-углерод в в макромолекулах низкомолекулярных компонентов асфальтенов нефти Усинского месторождения 65
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 70
4.1. Предпроектный анализ 70
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 70
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбержения 71
4.1.3 ЕЛ8Т-анализ 72
4.1.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации 74
4.1.5. Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 75
4.2 Инициация проекта 76
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 76
4.3.1Расчет материальных затрат НТИ 76
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для экспериментальных
работ 76
12
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 77
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 79
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
4.3.6 Накладные расходы 79
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 81
4.3.8 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования 82
5 Описание рабочего места 85
5.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 85
5.1.1 Метеоусловия 85
5.1.2 Вредные вещества 87
5.1.3. Производственный шум 89
5.1.4 Освещенность 91
5.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 94
5.3 Охрана окружающей среды 97
5.4 Защита в ЧС 98
5.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 99
ВЫВОДЫ 101
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 127
ПРИЛОЖЕНИЕ В 130
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 17
1.1 Запасы тяжелых и битуминозных нефтей в Российской Федерации и в
мире 17
1.2 Высокомолекулярные гетероорганические соединения (смолы и
асфальтены) 18
1.3 Гетерокомпоненты в составе нефтяных ВМГС 27
1.4 Методы исследования смол и асфальтенов 30
1.5. Химическая деструкция смол и асфальтенов 31
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 33
2.1 Объекты исследования 33
2.2 Элементный анализ 34
2.3 ИК - спектрометрия 35
2.4 Хромато - масс спектральный анализ 36
2.5 Методика выделения и фракционирования асфальтенов 37
2.5.1 Методика выделения асфальтенов 37
2.5.2 Методика фракционирования асфальтенов 38
2.5.3 Методика деструкции связи сера-углерод в асфальтенах 38
3 РАСЧЕТЫ И АНАЛИТИКА 40
3.1 Результаты деструкция связи сера-углерод в в макромолекулах низкомолекулярных компонентов асфальтенов нефти Усинского месторождения 65
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 70
4.1. Предпроектный анализ 70
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 70
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбержения 71
4.1.3 ЕЛ8Т-анализ 72
4.1.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации 74
4.1.5. Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования 75
4.2 Инициация проекта 76
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 76
4.3.1Расчет материальных затрат НТИ 76
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для экспериментальных
работ 76
12
4.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы 77
4.3.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 79
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 79
4.3.6 Накладные расходы 79
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 81
4.3.8 Определение ресурсной, финансовой, бюджетной, социальной и
экономической эффективности исследования 82
5 Описание рабочего места 85
5.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды 85
5.1.1 Метеоусловия 85
5.1.2 Вредные вещества 87
5.1.3. Производственный шум 89
5.1.4 Освещенность 91
5.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой
производственной среды 94
5.3 Охрана окружающей среды 97
5.4 Защита в ЧС 98
5.5 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности .. 99
ВЫВОДЫ 101
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СТУДЕНТА 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А 111
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 127
ПРИЛОЖЕНИЕ В 130
Снижение объемов прироста запасов маловязких, так называемых «легких» нефтей во многих нефтедобывающих регионах мира, в том числе и в России, вызывает необходимость вовлечения в хозяйственный оборот нетрадиционных - новых для нефтепереработки источников углеводородного сырья, в первую очередь - тяжелых и сверхтяжелых нефтей и природных битумов, и увеличения глубины переработки нефти [1].
Повышение глубины переработки и использование в качестве сырья тяжелых нефтей приведут к росту выхода тяжелых нефтяных остатков, содержащих значительные количества неуглеводородных высокомолекулярных гетероатомных соединений (ВМГС) - смол, асфальтенов, содержащих конденсированные ароматические структуры. Эти соединения усложняют переработку нефти, так как способствуют образованию кокса и дезактивируют катализаторы. Тяжелое углеводородное сырье содержит в своем составе до 45% и более смол и асфальтенов, в молекулах которых концентрируется большая часть гетероатомов, присутствующих в сырье.
Проблема переработки тяжелых нефтей не является новой, однако по прежнему остается актуальной. Сегодня на российских нефтеперерабатывающих заводах нет технологий переработки тяжелых нефтей, они смешиваются с легкой нефтью или легкими дистиллятами. В настоящее время в нефтепереработке наиболее широко распространены каталитические процессы углубленной переработки нефти, однако даже они не обеспечивают достаточно приемлемые техно-экономические показатели при переработке тяжелых видов сырья.
Чтобы найти подходы к переработке тяжелого углеводородного сырья, необходимо обладать информацией о структуре и составе молекул смол и асфальтенов. Проблемой химического строения смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) является как с точки зрения решения вопросов формирования
нефтей, так и для разработки и совершенствования технологий переработки остаточных фракций тяжелых нефтей, а также природных битумов, в которых содержание САВ превышать 50% масс [1].
В настоящее время остаются открытыми вопросы о химической природе, молекулярном строении и макроструктуре САВ. Причины слабой изученности этих компонентов кроются в трудности разделения их на узкие группы химически однородных веществ, в огромном разнообразии структурных особенностей в больших размерах молекул. Только глубокое исследование химического состава, свойств и превращений тяжелой части нефти позволит создать предпосылки для рациональной и глубокой переработки тяжелого углеводородного сырья.
Существует несколько методов исследования структуры смол и асфальтенов это: термический метод, флеш - пиролиз и метод химической деструкции. В отличие от двух первых методов, метод химической деструкции позволяет более точно определить состав и структуру смол и асфальтенов.
Цель работы: Изучить состав и структуру соединений асфальтеновых компонентов тяжелой нефти Усинского месторождения с использованием методов экстракции, адсорбционной хроматографии и химической деструкции
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-получить фракции асфальтеновых компонентов из тяжелой нефти Усинского месторождения;
-фракционировать асфальтены нефти по молекулярным массам методом экстракции;
-исследовать низкомолекулярные соединения асфальтеновых компонентов с помощью методов адсорбционной хроматографии, ИК-, ПМР-
спектроскопия, хромато-масс-спектрометрии;
-провести реакции десульфирования асфальтенов нефти Усинского месторождения;
- исследовать выделенные продукты деструкции методами: ИК- спектроскопия, хромато-масс-спектрометрии.
Повышение глубины переработки и использование в качестве сырья тяжелых нефтей приведут к росту выхода тяжелых нефтяных остатков, содержащих значительные количества неуглеводородных высокомолекулярных гетероатомных соединений (ВМГС) - смол, асфальтенов, содержащих конденсированные ароматические структуры. Эти соединения усложняют переработку нефти, так как способствуют образованию кокса и дезактивируют катализаторы. Тяжелое углеводородное сырье содержит в своем составе до 45% и более смол и асфальтенов, в молекулах которых концентрируется большая часть гетероатомов, присутствующих в сырье.
Проблема переработки тяжелых нефтей не является новой, однако по прежнему остается актуальной. Сегодня на российских нефтеперерабатывающих заводах нет технологий переработки тяжелых нефтей, они смешиваются с легкой нефтью или легкими дистиллятами. В настоящее время в нефтепереработке наиболее широко распространены каталитические процессы углубленной переработки нефти, однако даже они не обеспечивают достаточно приемлемые техно-экономические показатели при переработке тяжелых видов сырья.
Чтобы найти подходы к переработке тяжелого углеводородного сырья, необходимо обладать информацией о структуре и составе молекул смол и асфальтенов. Проблемой химического строения смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) является как с точки зрения решения вопросов формирования
нефтей, так и для разработки и совершенствования технологий переработки остаточных фракций тяжелых нефтей, а также природных битумов, в которых содержание САВ превышать 50% масс [1].
В настоящее время остаются открытыми вопросы о химической природе, молекулярном строении и макроструктуре САВ. Причины слабой изученности этих компонентов кроются в трудности разделения их на узкие группы химически однородных веществ, в огромном разнообразии структурных особенностей в больших размерах молекул. Только глубокое исследование химического состава, свойств и превращений тяжелой части нефти позволит создать предпосылки для рациональной и глубокой переработки тяжелого углеводородного сырья.
Существует несколько методов исследования структуры смол и асфальтенов это: термический метод, флеш - пиролиз и метод химической деструкции. В отличие от двух первых методов, метод химической деструкции позволяет более точно определить состав и структуру смол и асфальтенов.
Цель работы: Изучить состав и структуру соединений асфальтеновых компонентов тяжелой нефти Усинского месторождения с использованием методов экстракции, адсорбционной хроматографии и химической деструкции
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-получить фракции асфальтеновых компонентов из тяжелой нефти Усинского месторождения;
-фракционировать асфальтены нефти по молекулярным массам методом экстракции;
-исследовать низкомолекулярные соединения асфальтеновых компонентов с помощью методов адсорбционной хроматографии, ИК-, ПМР-
спектроскопия, хромато-масс-спектрометрии;
-провести реакции десульфирования асфальтенов нефти Усинского месторождения;
- исследовать выделенные продукты деструкции методами: ИК- спектроскопия, хромато-масс-спектрометрии.
В результате выполненной работы по стандартной методике были выделены асфальтены из Усинской нефти. Было определено, что асфальтены нефти Усинского месторождения содержат низко- и высокомолекулярные компоненты таблица 1. Основную массу исходных асфальтенов составляют высокомолекулярные компоненты.
Особенностью низкомолекулярных компонентов асфальтенов является более высокая концентрация кислородсодержащих структур. В составе кислородсодержащих структур низкомолекулярных компонентов асфальтенов присутствуют функциональные группы амидов, кислот, сульфооксидов.
Установлено, что в составе и структуре асфальтенов присутствуют относительно низкомолекулярные соединения, представленные н-алканами, нафтенами, моно, би, три, тетра и пентациклическими ароматическими углеводородами (АУ), также ароматическими соединениями серы, азота и кислорода.
Присутствие идентифицированных соединений, вероятнее всего, обусловлено их участием в образовании макромолекул асфальтенов за счет слабых межмолекулярных связей.
Асфальтены нефти Усинского месторождения содержат фрагменты, связанные в структуре их молекул через сульфидные мостики. В состав таких фрагментов входят нормальные и разветвленные алканы, алкилциклопентаны, алкилциклогексаны, стераны и терпаны, фенилалканы, алкилбензолы, алкилтолуолы, алкилксилолы, алкилтриметилбензолы, бифенилы, нафталины, фенантрены, дибензотиофены, одноосновные алифатические кислоты.
По итогам работы можно сделать предположение о дальнейших перспективах развития данного направления: увеличивающаяся доля тяжелых нефтей в общем объеме добычи обуславливает необходимость исследования и разработки новых эффективных способов переработки данного сырья, так как существующие схемы на нефтеперерабатывающих заводах не обеспечивают достаточной глубины или экономически не выгодны. Что обуславливает поиск новых нетрадиционных технологий переработки тяжелых нефтяных компонентов. При переработке тяжелых нефтей установленные в работе соединения становятся составной частью дистиллятных фракций, что следует учитывать при получении на их основе высококачественных топливных материалов.
Особенностью низкомолекулярных компонентов асфальтенов является более высокая концентрация кислородсодержащих структур. В составе кислородсодержащих структур низкомолекулярных компонентов асфальтенов присутствуют функциональные группы амидов, кислот, сульфооксидов.
Установлено, что в составе и структуре асфальтенов присутствуют относительно низкомолекулярные соединения, представленные н-алканами, нафтенами, моно, би, три, тетра и пентациклическими ароматическими углеводородами (АУ), также ароматическими соединениями серы, азота и кислорода.
Присутствие идентифицированных соединений, вероятнее всего, обусловлено их участием в образовании макромолекул асфальтенов за счет слабых межмолекулярных связей.
Асфальтены нефти Усинского месторождения содержат фрагменты, связанные в структуре их молекул через сульфидные мостики. В состав таких фрагментов входят нормальные и разветвленные алканы, алкилциклопентаны, алкилциклогексаны, стераны и терпаны, фенилалканы, алкилбензолы, алкилтолуолы, алкилксилолы, алкилтриметилбензолы, бифенилы, нафталины, фенантрены, дибензотиофены, одноосновные алифатические кислоты.
По итогам работы можно сделать предположение о дальнейших перспективах развития данного направления: увеличивающаяся доля тяжелых нефтей в общем объеме добычи обуславливает необходимость исследования и разработки новых эффективных способов переработки данного сырья, так как существующие схемы на нефтеперерабатывающих заводах не обеспечивают достаточной глубины или экономически не выгодны. Что обуславливает поиск новых нетрадиционных технологий переработки тяжелых нефтяных компонентов. При переработке тяжелых нефтей установленные в работе соединения становятся составной частью дистиллятных фракций, что следует учитывать при получении на их основе высококачественных топливных материалов.