1、汽車運行材料,第1章 石油,教學提示：石油是重要的能源之一，按分餾過程，石油的餾分組成通常分為汽油餾分、煤油餾分、柴油餾分和潤滑油餾分等。,常用的石油煉制方法有常壓蒸餾、減壓蒸餾、熱裂化、催化裂化、加氫裂化、催化重整、烷基化、延遲焦化等。,教學要求：本章主要介紹石油的組成與分類、石油的勘探和開采、石油的煉制過程。重點內(nèi)容是石油的組成、分類以及石油的煉制過程。,要求學生了解石油的分類、石油的勘探和開采方法，熟悉常用的石油煉制方法，掌握石油的餾分組成。,1.1 石油概況,1.1.1石油的形貌與成因,1.石油的形貌,石油又稱原油，是從地下深處開采的、具有特殊氣味的可燃粘稠液體，主要是各種烷烴、環(huán)烷烴

2、、芳香烴的混合物。,石油的顏色非常豐富，有紅色、金黃色、墨綠色、黑色、棕黑色、褐紅色等等，甚至還有透明的石油。圖1-1是透明和黑色石油的實物照片。,a)透明的石油 b)黑色的石油 圖1-1 石油的顏色,石油的顏色取決于它本身所含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量，含的越高顏色越深。石油的顏色越淺其油質(zhì)越好，透明的石油可直接加在汽車油箱中代替汽油。,2.石油的成因,目前，在石油地質(zhì)學界有關石油的成因一直存在著激烈的爭論。比較有代表性的有無機論和有機論兩種學說。,無機論 即石油是在基性巖漿中形成的。,無機論認為，石油來源于地幔，是地幔沿著地殼裂隙上涌過程中的衍生物，是地幔發(fā)生熱膨脹時，在特定的環(huán)境中形成的一種新物

3、質(zhì)形態(tài)。,有機論 有機論認為，各種有機物如動物、植物、特別是低等的動植物像藻類、細菌、蚌殼、魚類等死后埋藏在不斷下沉缺氧的海灣、瀉湖、三角洲、湖泊等地，經(jīng)過復雜的物理化學作用，最后逐漸形成為石油。,1.1.2石油的成分與分類,1.石油的成分,石油的成分主要有：油質(zhì)（這是其主要成分）、膠質(zhì)（一種粘性的半固體物質(zhì)）、瀝青質(zhì)（暗褐色或黑色脆性固體物質(zhì)）、碳質(zhì)（一種非碳氫化合物）。,由碳和氫化合形成的烴類構成石油的主要組成部分，約占95% 99%，含硫、 氧、氮的化合物對石油產(chǎn)品有害，在石油加工中應盡量除去。,不同產(chǎn)地的石油中，各種烴類的結構和所占比例相差很大，但主要屬于烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴三類。,通

4、常以烷烴為主的石油稱為石蠟基石油；以環(huán)烷烴、芳香烴為主的稱環(huán)烴基石油；介于二者之間的稱中間基石油。,我國主要原油的特點是含蠟較多，凝固點高，硫含量低， 鎳、氮含量中等，釩含量極少。,石油的性質(zhì)因產(chǎn)地而異，密度為0.8 1.0 g/cm3，粘度范圍很寬，凝固點差別很大（30 -60C），沸點范圍為常溫到500C以上，可容于多種有機溶劑，不溶于水，但可與水形成乳狀液。,組成石油的化學元素主要是碳 （83% 87%）、氫（11% 14%），其余為硫（0.06% 0.8%）、氮（0.02% 1.7%）、氧（0.08% 1.82%）及微量金屬元素（鎳、釩、鐵等）。,除個別油田外，原油中汽油餾分較少，渣油

5、占1/3。組成不同類的石油，加工方法有差別，產(chǎn)品的性能也不同，應當物盡其用。,大慶原油的主要特點是含蠟量高，凝點高，硫含量低，屬低硫石蠟基原油。,2.石油的餾分組成,餾分就是石油在分餾過程中所得到的蒸餾物。石油是個多組分的復雜的混合物。在研究石油的組成時，通常按沸點高低切割成幾個餾分。,按分餾過程，石油的餾分組成通常分為汽油餾分、煤油餾分、柴油餾分和潤滑油餾分等。,但這里的汽油餾分、煤油餾分、柴油餾分和潤滑油餾分不等同于汽油、煤油、柴油和潤滑油等石油產(chǎn)品，要想得到各餾分所對應的石油產(chǎn)品，必須對相應的餾分進行再加工。,（1）汽油餾分,汽油餾分為在分餾塔上部得到的輕質(zhì)餾分，蒸發(fā)溫度一般在35200

6、范圍。,汽油餾分中含的正構烷烴碳原子數(shù)多為511，異構烷烴碳原子數(shù)稍多，環(huán)烷烴和芳香烴多為單環(huán)。其中烷烴的質(zhì)量分數(shù)最大，約占50。,（2）煤油餾分與柴油餾分,煤油餾分與柴油餾分為在分餾塔中部得到的中質(zhì)餾分，蒸發(fā)溫度一般在200350范圍。餾分中含的正構烷烴碳原子數(shù)多為1120，異構烷烴碳原子數(shù)稍多，環(huán)烷烴和芳香烴環(huán)數(shù)增多，除單環(huán)外，還有雙環(huán)和三環(huán)的。,（3）潤滑油餾分,潤滑油餾分為在分餾塔下部得到的重質(zhì)餾分，蒸發(fā)溫度一般在350500范圍。,餾分中含的正構烷烴碳原子數(shù)多為2036，異構烷烴碳原子數(shù)稍多，環(huán)烷烴和芳香烴環(huán)數(shù)多為三環(huán)以上。其中環(huán)烷烴的質(zhì)量分數(shù)較大，約占40。,3.石油的分類,一般按

7、下列依據(jù)對石油進行分類。,（1）按原油的密度分類 輕質(zhì)原油 密度小于0.878g/cm3； 中質(zhì)原油 密度介于0.8780.884g/cm3之間； 重質(zhì)原油 密度大于0.884g/ cm3。,（2）按硫含量分類 低硫原油 硫的質(zhì)量分數(shù)低于0.5； 含硫原油 硫的質(zhì)量分數(shù)介于0.52.0之間； 高硫原油 硫的質(zhì)量分數(shù)大于2.0%。 我國原油多為低硫原油。,（3）按蠟含量分類 低蠟原油 凝點低于-16； 含蠟原油 凝點介于-1520之間； 多蠟原油 凝點大于21。,凝點的測定是從石油中取出某一餾分，其粘度為53mm2s（50），然后測其凝點。,（4）按膠含量分類 低膠原油 膠的質(zhì)量分數(shù)小于17；

8、含膠原油 膠的質(zhì)量分數(shù)介于1835之間； 多膠原油 膠的質(zhì)量分數(shù)大于35%。,（5）按特性因數(shù)分類,特性因數(shù)為 （1-1） 式中，K為特性因數(shù)；T為原油餾分的平均沸點，以熱力學溫度（K）表示。 原油按特性因數(shù)大小分：,石蠟基原油,特性因數(shù)K12.112.9，其特點是含蠟量較高，凝點較高，密度較小，直餾汽油的辛烷值較低，直餾柴油的十六烷值較高，制得的潤滑油粘溫性能較好；,中間基原油,特性因數(shù)K11.512.1，其特點是含有一定數(shù)量的烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，性質(zhì)介于石蠟基原油和環(huán)烷基原油之間；,環(huán)烷基原油,特性因數(shù)K10.511.5，其特點是含有較多的環(huán)烷烴，凝點較低，密度較大，直餾汽油的辛烷值較高

9、，直餾柴油的十六烷值較低，制得的潤滑油粘溫性能較差。,（6）按關鍵餾分特性分類,按關鍵餾分特性可把原油分為七類，即石蠟基原油、石蠟-中間基原油、中間-石蠟基原油、中間基原油、中間-環(huán)烷基原油、環(huán)烷-中間基原油和環(huán)烷基原油。,1.2 石油的勘探和開采,1.2.1石油勘探,所謂石油勘探，是指為了尋找和查明油氣資源，而利用各種勘探手段了解地下的地質(zhì)狀況，認識生油、儲油、油氣運移、聚集、保存等條件，綜合評價含油氣遠景，確定油氣聚集的有利地區(qū)，找到儲油氣的圈閉，并探明油氣田面積，搞清油氣層情況和產(chǎn)出能力的過程。,勘探石油的方法主要有地質(zhì)法、物探法和鉆探法三類。,1.地質(zhì)法,它通過觀測、研究裸露在地面的地

10、層、巖石，對地質(zhì)資料進行分析綜合，了解一個地區(qū)有無生成油氣和儲存油氣的條件，最后提出對該地區(qū)的含油氣評價，指出有利地區(qū)。有時在巖石裸露的地區(qū)，也可能直接發(fā)現(xiàn)油氣儲藏。,2.物探法,在地表為松散沉積或沙漠覆蓋的地區(qū)，被海水覆蓋的海洋上，地面和海面上看不到巖石，地質(zhì)法就受到了很大的限制，此時就要應用物探方法。,物探法是根據(jù)地質(zhì)學和物理學的原理，利用電子學和信息論等領域的新技術，建立起來的一種較新的勘探石油方法。,利用各種物理儀器，觀測地殼上的各種物理現(xiàn)象，從而推斷、了解地下的地質(zhì)構造特點，尋找可能的儲油構造。,現(xiàn)代應用于石油勘探的主要物探方法有重力勘探、磁法勘探、電法勘探、地震勘探等方法。,1）重

11、力勘探,2）磁法勘探,3）電法勘探,4）地震勘探,3.鉆探法,利用物探方法尋找到的地質(zhì)構造是不是儲存了油氣，還需要通過鉆探才能確定。,鉆探是地質(zhì)勘探工作中的一項重要技術手段。,用鉆機從地表向下鉆進，在地層中形成圓柱形鉆孔，以鑒別和劃分地層?？蓮你@孔中不同深度處取得巖心、礦樣、土樣進行分析研究，用以測定巖石和土層的物理、力學性質(zhì)和指標，提供設計需要。,所用鉆機主要分為回轉(zhuǎn)式與沖擊式兩種。,鉆井平臺（drilling platform）是主要用于鉆探井的海上結構物。上裝鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施。,鉆井平臺是海上油氣勘探開發(fā)不可缺少的手段，主要有自升式和半潛式鉆井平臺

12、。,自升式鉆井平臺 如圖1.2所示，自升式鉆井平臺由平臺、樁腿和升降機構組成，平臺能沿樁腿升降，一般無自航能力。,a)渤海8號自升式海上石油鉆井平臺 b) 南海2號自升式海上石油鉆井平臺 圖1.2 自升式海上石油鉆井平臺,半潛式鉆井平臺 如圖1.3所示，半潛式鉆井平臺上部為工作甲板，下部為兩個下船體，用支撐立柱連接。,a ) GM4000半潛式海上石油鉆井平臺 b ) D90半潛式海上石油鉆井平臺 圖1.3 半潛式海上石油鉆井平臺,1.2.2石油的開采,石油開采工程主要包括測井工程、鉆井工程、采油工程和油氣集輸工程4個方面。,1.測井工程,即在井筒中應用地球物理方法，把鉆過的巖層和油氣藏中的原

13、始狀況和發(fā)生變化的信息，通過電纜傳到地面，據(jù)以綜合判斷，確定應采取的技術措施。,2.鉆井工程,在油氣田開采中，鉆井工程占有十分重要的地位，往往占總投資的50。一個油氣田的開發(fā)應根據(jù)油田開發(fā)規(guī)劃鉆井，對于開采、觀察和控制等不同目的的井（如生產(chǎn)井、注入井、觀察井及專為檢查水洗油效果的檢查井）有不同的技術要求。,3.采油工程,采油工程是把油、氣在油井中從井底舉升到井口的整個過程的工藝技術過程。油氣的上升可以依靠地層的能量自噴也可以依靠抽油泵、氣舉等人工增補的能量舉升到井口。,游梁式抽油機是油田廣泛應用的抽油設備，如圖1.4所示。由于游梁式抽油機在工作中，游梁和驢頭不斷仰俯擺動，狀似磕頭，故游梁式抽油

14、機俗稱“磕頭機”。,圖1.4 游梁式抽油機（俗稱“磕頭機”）,4油氣集輸工程,將油田各油井生產(chǎn)的原油和油田氣進行收集、分離、處理、計量和儲存，并分別輸送至礦場油庫式外輸油站和壓氣站。,使油氣井中采出的油、氣、水等混合流體，在礦場進行分離和初步處理，獲得盡可能多的油氣產(chǎn)品。,開采出來的原油要通過管道、油槽車或者油輪輸送到煉油廠進行進一步的精煉。管道輸送由于效率高、輸送量大而應用廣泛，但其初次投資額度也大。,如果油田和油井位于海上，也可以使用大型油輪進行輸送。,圖1.5為我國30萬噸油輪正在裝油的工作照片。,圖1.5 我國30萬噸油輪正在裝油,1.3 石油的煉制過程,1.3.1石油的煉制方法,石油

15、是十分復雜的混合物，不能直接使用，需送到煉油廠進行煉制，生產(chǎn)出符合質(zhì)量要求的石油產(chǎn)品，才能滿足各方面的使用需要。,常用的石油煉制方法有：常壓蒸餾、減壓蒸餾、熱裂化、催化裂化、加氫裂化、催化重整、烷基化、延遲焦化等。,一般來說，無論哪種加工工藝，原油中的輕質(zhì)組分首先分離出來，如首先是石油氣、汽油，然后是中間基組分，如煤油柴油，然后是重質(zhì)組分，如燃料油、瀝青質(zhì)等，大體的生產(chǎn)過程如圖1.6所示。,圖1.6 石油分餾生產(chǎn)過程示意圖,1.常減壓蒸餾,1）常壓蒸餾,常壓蒸餾是根據(jù)組成石油的各類烴分子的沸點不同，利用加熱、蒸發(fā)、冷凝等步驟對石油進行的直接分餾。,常壓蒸餾一般將石油分割成沸點范圍為35200的

16、汽油餾分，175300的煤油餾分，200350的柴油餾分，350以上的潤滑油或裂化原料餾分等組分。,常壓蒸餾流程如圖1.7所示，首先將石油用油泵打入加熱爐，加熱到350360，然后送入常壓蒸餾塔中。,圖1.7 常壓蒸餾流程圖,石油中各餾分根據(jù)自己的沸點和蒸發(fā)能力分別到達蒸餾塔相應部位。如輕餾分，沸點低，蒸發(fā)性好，能上升到塔頂部位；重餾分，沸點高，蒸發(fā)性差，只能留于塔的下部。,于是，在蒸餾塔中，由上至下，餾分逐漸變重，依次是：塔頂部位的石油氣體；塔上部的汽油餾分；塔中部的煤油餾分；塔下部的輕柴油餾分；再下部的重柴油餾分；以及塔底部的重油餾分。,重油餾分由塔底部流出后再進入減壓蒸餾系統(tǒng)。,以上通過

17、直接蒸餾得到的石油餾分，通常稱為直餾產(chǎn)品。,直餾產(chǎn)品主要是由烷烴和環(huán)烷烴組成，一般不含或含很少量的不飽和烴，所以它的性質(zhì)比較安定，不易氧化變質(zhì)，適于長期貯存。,2）減壓蒸餾,減壓蒸餾是利用物質(zhì)的沸點隨外界壓力減小而降低的原理，通過降低蒸餾的壓力，來降低石油中烴分子的沸點，從而將常壓蒸餾得到的重油再進行分餾的加工過程。,減壓蒸餾流程如圖1.8所示。,圖1.8 減壓蒸餾流程圖,首先將常壓蒸餾塔底流出的重油通過油泵送入加熱爐中加熱至400以上，然后送入減壓蒸餾塔中，塔內(nèi)保持133Pa的壓力，使重油蒸發(fā)成氣體，并在減壓蒸餾塔中蒸發(fā)到相應部位后進行冷卻，于是在減壓塔的不同高度即可獲得不同的餾分，從上至下

18、，依次是輕質(zhì)潤滑油餾分、中質(zhì)潤滑油餾分和重質(zhì)潤滑油餾分，最后，從減壓蒸餾塔底部流出的是減壓渣油。,通過減壓蒸餾得到的各種潤滑油餾分中還含有一些非理想組分，還需要進行精制。,在煉油廠的實際生產(chǎn)工藝流程中，往往把常壓蒸餾和減壓蒸餾組合進行，稱為常減壓蒸餾。,常減壓蒸餾是煉油廠的第一道工序，通過它可以直接從原油中提取石腦油、汽油、煤油、輕柴油及燃料油。,常減壓蒸餾的流程如圖1.9所示。,圖1.9 常減壓蒸餾的流程圖,常減壓蒸餾塔的實物照片如圖1.10所示。,圖1.10 常減壓蒸餾塔,3.熱裂化,熱裂化是利用500左右的高溫使重油一類的大分子烴受熱分解裂化成小分子烴的加工過程。,熱裂化產(chǎn)品有裂化氣、汽

19、油、柴油和渣油等。,裂化氣的產(chǎn)率約為10，汽油的產(chǎn)率為3050，柴油的產(chǎn)率約為30，渣油的產(chǎn)率約為30。,對這些熱裂化產(chǎn)品，由于含有較多不飽和烴，使得性質(zhì)不穩(wěn)定，易發(fā)生變質(zhì)，所以熱裂化方法已逐漸被淘汰。,4.催化裂化,催化裂化是目前普遍采用的煉制方法，其工藝流程如圖1.11所示。,圖1.11 催化裂化流程圖,催化裂化是在催化劑硅酸鋁或分子篩的作用和450510的高溫條件下，通過對原料油進行裂化、異構化、芳構化、氫轉(zhuǎn)移等反應，使沸點較高的大分子烴裂化為小分子烴的加工工藝。,在這個過程中，由于催化劑的存在，除了大分子烴轉(zhuǎn)變成小分子烴外，還發(fā)生分子結構的改變，從而使裂化產(chǎn)品中的不飽和烴大為減少，而異

20、構烷烴和芳香烴的含量大大增加。,催化裂化由于不飽和烴含量大大減少，所以催化裂化產(chǎn)品比熱裂化產(chǎn)品安定性好，不易發(fā)生變質(zhì)。,催化裂化產(chǎn)品主要有石油氣、汽油和輕柴油。,5.加氫裂化,加氫裂化是使重質(zhì)油輕質(zhì)化的又一種方法。它是在370430的高溫和1015MPa的高壓，并有鎢、鉬、鎳等催化劑的作用下，加入氫氣，對原料油進行加氫、裂化和異構化等反應，從而使重質(zhì)油轉(zhuǎn)變成飽和的輕質(zhì)油的一種煉制方法。,加氫裂化同催化裂化相似，除了大分子烴轉(zhuǎn)變成小分子烴外，也發(fā)生分子結構的改變，從而使裂化產(chǎn)品中的不飽和烴大為減少，而異構烷烴和環(huán)烷烴的含量大大增加。,另外，加氫裂化還可以將原料油中的硫、氧、氮等非烴類化合物轉(zhuǎn)化為

21、易于脫除的水、氨、硫化氫等，所以加氫裂化產(chǎn)品含異構烷烴和環(huán)烷烴較多，含,硫、氧、氮等非烴類化合物和烯烴很少，因而產(chǎn)品性質(zhì)比較安定。,加氫裂化的產(chǎn)品有汽油、柴油、潤滑油等。,加氫裂化的汽油抗爆性好，腐蝕性低；加氫裂化的柴油發(fā)火性能好，凝點也低；加氫裂化的潤滑油粘溫性能好。,加氫裂化裝置的實物照片如圖1.12所示。加氫裂化不如催化裂化方法應用普遍。,圖1.12大慶煉油廠年處理能力 300kt加氫裂化裝置,6.催化重整,催化重整是生產(chǎn)高辛烷值汽油的一種加工方法。,它是對直餾汽油餾分中的正構烷烴和環(huán)烷烴，在催化劑作用下，通過進行異構化、芳構化、脫氫等反應，使其烴分子結構進行重新排列而轉(zhuǎn)化為異構烷烴和芳

22、香烴，從而獲得高辛烷值汽油。,催化重整裝置的實物照片如圖1.13所示。 催化重整按所用催化劑種類的不同，分為鉑重整、鉑錸重整、鉑錫重整以及多金屬重整等。,7.烷基化,烷基化是指在催化劑作用下，烷烴與烯烴之間發(fā)生的化學加成反應。,異辛烷是車用汽油的理想調(diào)和組分，可使調(diào)和汽油的研究法辛烷值高達9295，并且具有良好的揮發(fā)性和燃燒性，還不含有烯烴。所以，烷基化對生產(chǎn)高辛烷值汽油具有重要意義。,8.延遲焦化,延遲焦化是為了充分利用能源，以獲得更多的輕質(zhì)油，對減壓渣油進行深度加工的一種煉制方法。,所謂延遲焦化，就是通過縮短減壓渣油在高溫（500左右）爐管內(nèi)的停留時間，使減壓渣油在爐管內(nèi)來不及結焦的條件下

23、進入焦炭塔。,在焦炭塔中，減壓渣油在高溫下進行充分反應，一方面由大分子烴裂化分解成小分子烴，直至成為氣體，另一方面縮合成為石油焦，這樣就避免了減壓渣油在加熱爐管內(nèi)大量結焦的出現(xiàn)，從而使裝置的運轉(zhuǎn)周期得到延長。,延遲焦化的產(chǎn)物主要是汽油、柴油、裂化原料油和石油焦等。,1.3.2石油產(chǎn)品的精制方法,通過石油煉制方法得到的石油產(chǎn)品大多數(shù)為半成品，其中還含有硫化物、氧化物、氮化物、膠質(zhì)以及不飽和烴等雜質(zhì)，因此，還需對這些半成品進行精制加工，以除去其中的非理想組分。,常用的精制方法有：電化學精制、加氫精制、溶劑精制、白土補充精制、加氫補充精制、脫硫醇精制、溶劑脫蠟、尿素脫蠟、分子篩脫蠟、微生物脫蠟等。,1.3.3石油產(chǎn)品的調(diào)和,1.燃油的調(diào)和,各種煉制方法得到的燃油餾分，成本不同，