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2008年1月30日 ⁄ 暗潮 开发采油 ⁄ 评论数 0+ ⁄ 被围观 +

石油是从地下开采出来的油状可燃物,石油通常是流动或半流动壮的粘稠液体。从颜色看,绝大多数石油是黑色的,但也有暗黑、暗绿、暗褐,甚至呈赤褐、浅黄色乃至无色。以相对密度论,绝大多数石油介于0.9-0.98之间,但也有个别相对密度大于1.02和低于0.71的,石油的流动性差别也很大,有的石油其50℃运动粘度为1.46mm2/S,有的却高达20392 mm2/S.许多石油具有浓烈的气味,这是因为含有有臭味的含硫化物的缘故。
第一节  石油的组成
石油外观和性质上的差别反映了其组成的不同。石油的组成极为复杂,但其元素组成却较简单,石油主要由碳、氢、硫、氮、氧五种元素组成。其中碳含量为83-87%,氢含量为11-14%,两者合计为96-99%,硫、氮、氧三种元素总量为1-4%。此外,石油中还含有微量铁、镍、铜、钒、砷等。
上述元素都以有机化合物的形式存在于石油中。现已确定,组成石油的有机化合物分为由碳、氢元素构成的烃类化合物和含有硫、氮、氧等元素的非烃类化合物两大类。组成石油中的烃类主要是烷烃、环烷烃和芳香烃。石油中的硫、氮、氧元素以非烃类化合物形式存在,这些元素的含量虽仅有1-4%,但非烃化合物的含量却很高。
一、石油中的烃类组成
1、石油中的烷烃。烷烃是组成石油的主要组分之一,随着分子量的增加,烷烃分别以气、液、固三种状态存在于石油中。
在常温下,从甲烷到丁烷是气态,它是天然气的主要成分。在常温下,C5-C15为液态,主要存在于汽油和煤油中,其沸点随着分子量的增加而上升。在蒸馏石油时,C5-C10的烷烃多进入汽油馏分(200℃以下)的组成中,而C11-C15的烷烃则进入煤油馏分(200-300℃)的组成中。
C10以上的烷烃在常温下为固态,一般多以溶解状态存在于石油中,当温度降低时,就结晶析出,工业上称这种固体烃类为蜡。含蜡量的多少,对油品凝点的高低有很大影响。
2、石油中的环烷烃。环烷烃是石油的主要组分之一,也是润滑油组成的主要组分。在石油中所含的环烷烃主要是环戊烷和环己烷及其衍生物。
环烷烃在石油各馏分中的含量是不同的。它们的相对含量随馏分沸点的升高而增加,但在更重的石油馏分中,因芳香烃的增加,环烷烃则逐渐减少。一般来说,汽油馏分中的环烷烃主要是单环环烷烃;在煤油、柴油馏分中除含单环环烷烃外(它较汽油馏分中的单环环烷烃具有更长的侧链或更多的侧链数目),还出现了双环及三环环烷烃;而在高沸点馏分中则包括单、双、三环及多于三环的环烷烃。
环烷烃对油品粘度影响较大,一般含环烷烃多,油品粘度就大。
3、石油中的芳香烃。芳香烃也是石油的主要组分之一。在轻汽油(小于120℃)中含量较少。而在较高沸点(120-300℃)馏分中含量较多,一般汽油馏分中含有单环芳烃;煤油、柴油及润滑油馏分中不但含有单环芳烃,还含有双环及三环芳烃;三环及多环芳烃主要存在于高沸点馏分及残油中。
二、石油中非烃类化合物
石油中除了含各种烃类以外,还含有相当数量的非烃化合物,尤其在石油重馏分中的含量更高。石油中的非烃化合物主要有含硫、含氧、含氮化合物以及胶质、沥青质。
1、含硫化合物。硫是石油中常见的元素之一。不同的石油含硫量相差很大,可从万分之几到百分之几。通常将含硫量大于2%的石油称为高硫石油,低于0.5%的称为低硫石油,介于0.5-2%之间的称为含硫石油。我国石油大多为低硫石油。
硫在石油中的分布一般是随着石油馏分沸点范围的升高而增加,大部分硫均集中在残油中。硫在石油中大部分以有机含硫化合物形式存在,极小部分以元素硫存在,含硫化合物按性质可分为酸性含硫化合物、中型含硫化合物、热稳定性较高的含硫化合物三大类。
含硫化合物对石油加工及产品质量的影响是多方面的,总的有以下几方面:严重腐蚀设备;在加工过程中产生H2S及低分子硫醇等有毒气体造成有碍人体健康的空气污染;汽油中含有硫化物,会降低汽油的安定性;在气体和各种石油馏分的催化加工中,会造成催化剂中毒。
2、含氧化合物。石油中的含氧化合物很少,大约在千分之几的范围内,石油中的氧大部分集中在胶质、沥青质中。石油中的含氧化合物可分为酸性含氧化合物和中性含氧化合物两类。
酸性含氧化合物都具有强烈的腐蚀性,能腐蚀设备。中性含氧化合物也会进一步氧化,最后生成胶质,会影响油品的使用性能。
3、含氮化合物。石油中含氮量很少,一般在万分之几到千分之几。石油中的含氮量一般随着馏分沸点升高而增加,因此,氮化物大部分以胶质、沥青质形式存在于渣油中。
4、胶质和沥青质。在石油的非烃类化合物中,胶质、沥青质是很大一类物质。它们在石油中含量相当可观,我国各主要原油中,含有约百分之十几至四十几的胶质和沥青质。
胶质是一种粘稠的液体或半固体状态的物质,其颜色为黄色至暗褐色,油品的颜色主要是由于胶质的存在而引起的。
沥青质是一种黑色的、无定形脆性的固体,相对密度大于1。

第二节   石油的物理化学性质

石油在输送和储存中,由于油品蒸发引起很多问题,例如:油品蒸发造成管路中气阻;原油中轻组分大量蒸发降低了增大了蒸发损耗,油蒸汽容易引起火灾,也使人呼吸困难,甚至窒息死亡,这些都与油品的蒸发性能有密切关系。油品的蒸发性能通常用蒸气压和馏程两个性质来表示。
一、蒸气压
蒸气压是在一定温度下,液体同其液面上方蒸气呈平衡状态时蒸气所产生的压力称为饱和蒸气压,简称蒸气压。蒸气压的高低表明液体中分子气化或蒸发的能力,同一温度下蒸气压高的液体比蒸气压低的液体更容易气化。
原油是各种碳氢化合物组成的混合物,它在一定条件下的蒸气压,等于该条件下它的组分饱和分压之和。
二、馏程
纯物质在一定的外压下,当加热到某一温度时,其饱和蒸气压等于外界压力,此温度称为沸点。在外压一定时,沸点是一个定值。
石油的蒸气压不仅受温度、压力影响。而且还随气化率变而变化。在一定的外压下,油品的沸点随气化率增大而不断升高。所以原油的沸点不是一个温度点,而是一个温度范围,这个温度范围称为馏程。
石油的馏程因测定仪器的不同其数值也有差别。采用简单的馏程测定法(恩式蒸馏)。当100ml试油在规定仪器中按规定馏出速度加热蒸馏时,最先气化蒸馏出来的是一些沸点低的烃类分子。流出第一滴冷凝液时的气相温度称为初馏点。烃类分子按其沸点由低到高的顺序逐渐蒸出,气相温度也必然逐渐增高,馏出物的体积依次达到10%点、20%点……90%点,蒸馏到最后所达到最高气相温度称为干点或终馏点。初馏点到干点(或终馏点)这一温度范围称为馏程。石油中的高沸点组分,在高温时容易分解,因此在蒸馏原油时,一般不把全部油样蒸干,而是在气相温度达到300℃时停止蒸馏,记下相应馏出油的数量。
三、密度
密度是单位体积内所含物质在真空中的质量,其单位是g/cm3、g/ml或kg/l。
我国国家标准GB1884-83规定20℃时密度为石油和液体石油产品的标准密度,以ρ20表示。如果是在其他温度下测得的密度称为视密度,用ρt表示。
油品的相对密度是油品密度与规定温度下水的密度之比,是无量纲的,由于4℃时纯水的密度近似为1g/cm3,常以4℃的水为比较基准。以dt4表示t℃时油品密度与4℃水密度之比的相对密度。其数值近似等于t℃时油品的视密度。我国常用的相对密度为d204。
欧美各国常用比重指数表示油品密度,也称600F API度,以API0表示,简称API度,与通常密度的观念相反,API0数值愈大表示密度愈小。
影响油品密度的因素
油品的密度与油品的馏分组成、化学组成、温度和压力等条件有关。
1、油品密度与馏分组成和化学组成的关系
同一原油的不同馏分油,随其沸点升高,密度增大。相同碳数的不同烃类,其密度不同,即芳香烃的密度最大,环烷烃次之,正构烷烃最小。分子中环数越多,其密度越大,因而不同原油生产的两个相同馏程的馏分,由于化学组成不同,其密度也有很大差别。对于同样馏程的石油馏分,含芳香烃多的馏分密度大于含烷烃多的馏分的密度。
2、温度对密度的影响
 温度对油品密度影响很大。温度升高,油品体积膨胀,因而密度减小。原油不同温度下密度的换算,可以通过《石油计量表》进行换算。
如已知20℃原油密度,可用下式计算其他温度下的密度:
ρt=ρ20—γ(t—20)
式中:ρt—t℃时油品的密度,
    ρ20—20℃时油品的密度
    γ—石油密度温度系数
3、压力对密度的影响
由于液体几乎是不可压缩的,在温度不高的情况下,压力对液体油品的密度的影响几乎是可以忽略不计,只有在极高的压力下才考虑外压的影响。但值得重视的是,当液体油品被加热时,如果保持体积不变,压力就会急剧增大。如果把装满油品的一段管路或容器的进出口阀门全部关闭,油品在受热时就可能产生极大压力,以致引起容器爆裂。
4、油品混合对密度的影响
当几种油品混合时,如果混合后体积有可加性,则混合油品密度也可按可加性计算。
         ρm= ρi
当密度相差很大的两个组分混合时,体积往往没有可加性。例如原油与低分子烃。
四、粘度
粘度是评价原油和油品流动性能的指标。石油粘度的大小,直接影响输油管路的能量消耗。特别是石油流动速度较低,液体处于层流状态时,管线压降与石油粘度成正比,若采取必要的降粘措施,对集输石油十分有益。
液体分子间作相对运动时与固体做相对运动一样,会产生摩擦阻力。而阻力越大,液体的流动性能越差。将这种液体的内摩擦力现象,通常用粘度来表示。     
影响油品粘度的因素
1、油品粘度与组成的关系
油品粘度反映了油品内部分子间的摩擦,因而与分子大小和结构密切有关。随着密度增大,沸点升高或烃类分子量增加,粘度增大。当烃类分子量相近时,烷烃年度最小,环烷烃最大,芳香烃介于两者之间。
2、油品粘度与温度的关系
油品粘度与温度的关系非常密切。
温度对油品粘度的影响很大,随着油品温度升高,粘度迅速减小,因而,没有注明温度的粘度数据是没有任何意义的。油品粘度随温度变化的性质称为粘温性能,粘温性能好的油品,其粘度随温度变化而改变的幅度较小。
3、粘度与压力的关系
当压力低于4.0MPa时,压力对液体油品粘度的影响不大,可以忽略。当压力高于4.0MPa时,粘度随压力增加而逐渐增加,在高压下显著增大。
五、凝点与倾点
石油在低温下失去流动性有两种情况
1、含蜡很少或不含蜡的油品,随着温度降低,粘度迅速增大。当粘度增大到一定程度后(大约为3×105mm2/s),原油就变成无定型的玻璃状物质而失去流动性,这种凝固称为粘温凝固。
2、含蜡油品随着温度下降,油中的蜡会逐渐结晶出来,开始出现少量极细微的结晶中心,油品中的高熔点烃分子在结晶中心上结晶,结晶逐渐长大,使原来透明的油品中出现云雾状的浑浊现象,此时的温度称为浊点或云点;如果继续降低温度,蜡结晶逐渐长大,结晶刚刚明显可辩的温度称为结晶点。当温度进一步下降,结晶大量析出,并连成网状结构的结晶骨架,蜡的结晶骨架把此温度下还处于液态的油品包在其中,使整个油品失去流动性,这种现象称为构造凝固。在特定条件下出现油品刚失去流动性的温度,称为凝点。
油品的倾点是在标准规定条件下冷却时能够继续流动的最低温度。由于它比凝点能更好的反映油品的低温性能,被规定作为国际标准方法。我国已开始采用,逐渐取代凝点作为油品质量指标。
油品的凝点和倾点与其化学组成有关,油品的沸点愈高,则凝点和倾点就愈高。
六、闪点、燃点和自燃点
石油是以烃类为主体的复杂混合物,它的燃烧实质是烃类的剧烈氧化过程,但在常温常压下,氧化反应速度极慢,不会出现燃烧现象。如果烃类蒸发成气体,并与空气混合,此时遇到外界明火这一外因,则极大地加速了氧化反应,在很短的时间内,大量烃分子同时剧烈氧化产生高温高压,出现闪火。如果烃分子数量很多,由于氧化产生大量气体,在局部空间中温度、压力忽然上升,出现传播速度高达2000-3000m/s的冲击波,破坏力极强,产生爆炸现象。如果闪火以后,没有新鲜的烃类蒸气和空气补充,火焰随即熄灭。闪火后如果源源不断地提供烃类蒸气和空气,则闪火后形成连续的火焰,这就是燃烧现象。
由此可见,烃类要发生燃烧,必须具备烃类蒸气、氧和明火火源三个条件。研究发现,并非具备上述三个条件就一定会出现着火燃烧现象,只有在烃类蒸气与空气形成的混合气体中,烃类蒸气浓度在一定范围内,才会着火燃烧。当烃类蒸气浓度低于此范围时,因烃类蒸气浓度不够,当高于此范围时,则空气不足,在这两种情况下都不能发生燃烧。这个浓度范围称为爆炸极限或爆炸范围,一般用可燃气体的体积百分数表示。能引起燃烧爆炸的最高浓度称为爆炸上限,最低浓度称为爆炸下限。
爆炸极限与混合气体的状态有关,爆炸极限范围随温度和压力升高而变宽,其着火危险性增大。例如,压力为1×105Pa时,甲烷的爆炸范围为5.2-15.0%,10×105Pa时为5.8-17.0%,50×105Pa时为5.8-29.5%。
随着烃类分子量的增大,爆炸上限和下限一般均有所下降,但降低幅度不同。总趋势是爆炸范围变窄。

 
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