Химия и физика нефти



жүктеу 5.1 Mb.
бет1/30
Дата13.06.2016
өлшемі5.1 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30
И.В.Чеников


Химия и физика нефти

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Кубанский государственный технологический университет”

И .В.Чеников



ХИМИЯ И ФИЗИКА НЕФТИ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

КРАСНОДАР

2010

УДК 665.6(53+54)



ББК 26.343.1(24+22,3)

Ч - 431


Чеников И.В. Химия и физика нефти: учебное пособие / Кубан. гос. технол. ун-т. – Краснодар: Изд. КубГТУ, 2010. – 293 с.

С синергетических позиций рассмотрены особенности нефтяных систем. Изложены современные представления о многоуровневой организации вещества. Проведен анализ особенностей структуры и строения равновесных и неравновесных нефтяных систем. Подробно излагается групповой состав по химическому строению и растворимости. Проанализированы особенности химии и физики углеродных материалов как базовой многоуровневой структуры для всех углеводородов. Изложены современные представления об эволюции и самоорганизации сложных систем. Проведен анализ особенностей структуры и строения неравновесных нефтяных систем различного типа. Рассмотрены возможности регулирования структур различного типа..

С позиций системного подхода рассмотрены основные концепции происхождения нефти и их классификация. Изложены представления о теллурическом, космическом и космо-земном генезисе углеводородов. В соответствии с тринитарным подходом представлена классификация свойств нефти и современные представления о связи свойств со структурой нефти и нефтепродуктов.

Предназначено для студентов и аспирантов вузов, инженерно-технических и научных работников, занятых проблемами нефтегазового комплекса.


Ил.55. Табл. 19. Библиогр. 10 назв.
Рецензенты: д-р техн.наук, В.Н. Кошелев (ООО «Тор-Бур», г.Краснодар);

канд.хим.наук, ст.научн.сотр. Э.В.Серебрянникова

(ОАО «Экс-Бур», г.Краснодар)

ISBN  ГОУ ВПО «КубГТУ», 2010



 Чеников И.В., 2010.

Содержание


Предисловие ………………………………………………………............

5

Введение ………………………………………………………...................

7

1 Структура нефтяных систем………………………………………….

9

1.1 Нефть как структурно-системный природный объект……………...

9

1.2 Концепции структурообразования…………… …………………….

18

1.2.1 Особенности линейной неравновесной термодинамики…………

18

1.2.2 Концепция химической эволюции…………………………………

25

1.2.3 Междисциплинарная концепция самоорганизации……………….

32

1.3 Основные виды структур в нефти и нефтепродуктах……………...

66

1.3.1 Равновесные структуры……………………………………………...

66

1.3.1.1 Молекулярные характеристики нефти и нефтепродуктов……..

66

1.3.1.2 Надмолекулярная организация в нефти и нефтепродуктах…….

145

1.3.2 Неравновесные структуры в нефти и нефтепродуктах……............

153

1.3.2.1 Гетерогенные нефтяные системы………………………………...

153

1.3.2.2 Диссипативные структуры………………………………..............

185

1.3.3 Эволюционные структуры в нефтяных системах…………………

195

2 Происхождение нефти………………………………………………….

208

2.1 Космохимические концепциии……………………………………….

208

2.2 Космо-планетарные (алхимические) концепции……………………

214

2.3 Теллурические концепции происхождения нефти ............................

217

2.3.1 Абиогенные концепции …..…………..............................................

217

2.3.2.1 Карбидная концепция…………………………………………….

220

2.3.2.2 Сейсмотектомагматические (вулканические) гипотезы………..

220

2.3.2.3 Взрывная концепция……………………………………………...

234

2.3.2 Биогенные концепции………………………………………………

236

2.3.3 Полигенные концепции ……………………………………………

240

3 Свойства нефтяных систем…………………………………………….

254

3.1 Теплофизические свойства…………………………………………...

258

3.1.1 Объемные (волюметрические) характеристики…………………..

258

3.1.1.1 Удельный и мольный объемы (плотности)……………………...

258

3.1.1.2 Коэффициенты теплового расширения………………………….

259

3.1.1.3 Изменения объема при фазовых переходах……………………..

260

3.1.2 Калориметрические (тепловые) характеристики нефти и нефтепродуктов………………………………………………………………….

260


3.1.2.1 Теплоемкость……………………………………………………...

260

3.1.2.2 Теплоты фазовых переходов……………………………………..

261

3.1.2.3 Температурные характеристики нефтяных

систем…………….......................................................................................



264

3.1.3 Характеристики энергии межмолекулярного взаимодействия…..

265

3.1.3.1 Энергия когезии…………………………………………………...

266

3.1.3.2 Поверхностная энергия…………………………………………...

266

3.1.3.3 Адгезия и аутогезия……………………………………………….

268

3.2 Свойства нефти и нефтепродуктов в силовых полях……………….

269

3.2.1 Электрические свойства нефти и нефтепродуктов……………….

269

3.2.2 Магнитные и электромагнитные свойства нефтяных систем…....

272

3.2.3 Показатели свойств нефтяных систем в механических

Полях………………………………………………………………………


278


3.3 Характеристики переноса…………………………………………….

279

3.3.1 Теплопроводность…………………………………………………..

280

3.3.2 Массоперенос……………………………………………………….

282

3.3.3 Показатели переноса импульса……………………………………

284

Заключение……………………………………………………………….

289

Список литературы…………………………………………………........

292


Предисловие
«Химия и физика нефти» преподается как курс из цикла общепрофессиональных дисциплин для специальности 280202 (Инженерная защита окружающей среды), как дисциплина специализации (по специальности 200503 Стандартизация и сертификация) и как специальный курс для студентов, обучающихся специальности 240403 (Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов).

Количество аудиторных занятий для перечисленных специальностей различается незначительно и, поскольку все они являются инженерными, то и содержание дисциплины «Химия и физика нефти» по основным разделам аналогично, поэтому предлагаемое учебное пособие может быть полезно для обучающихся по всем перечисленным специальностям.

Обычно, в учебных пособиях излагаются разной степени полноты описания индивидуальных химических соединений, находящихся в нефти и нефтепродуктах, их свойства, а также некоторые сведения о надмолекулярных структурах, но практически нигде не содержится комплекса сведений о структуре нефтяных систем в целом. И это находится в очевидном противоречии с современными синергетическими технологиями в образовании.

Считается, что синергетика призвана восстановить представление о целостности объектов, утраченное эпохой научно-технического прогресса, сформировавшей сугубо аналитический стиль исследования. Этот стиль стал синонимом вообще научного подхода. Он начинается с различения, сопоставления, противопоставления. Число элементов в отдельном акте может быть различным. Простейший вариант – дихотомия, расщепление на две части. Так появляются бинарные оппозиции, диады. Но в химии даже структурные формулы веществ не могут быть построены путем исследования только парных взаимодействий.

Опыт естественных наук подсказывает, что для синтеза следует обратиться, по меньшей мере, к триадам. Триадами называют совокупность из трех элементов, каким-то образом связанных между собой. Именно трихотомия, в первую очередь, должна быть использована при исследовании сложных систем.

Предлагаемое учебное пособие по сути является первой попыткой применить тринитарный подход при изложении основных положений науки о нефти, названной здесь «Химией и физикой нефти».

Главная триада, принятая при целостном рассмотрении дисциплины:
СТРУКТУРА

ГЕНЕЗИС СВОЙСТВА


Каждый из приведенных элементов триады подвергается дальнейшей трихотомии на новые триады низшего уровня. Например, структуры: стационарные, диссипативные, эволюционные. И далее, внутри обозначенных триад, следуют новые процедуры трихотомии.

Поскольку в предлагаемом учебном пособии самые общие и важные проблемы химии и физики нефти рассматриваются в рамках междисциплинарного подхода, то, естественно, в нем содержатся и спорные положения, которые далеко не всеми признаются безукоризненными. Но это обстоятельство, думается, само по себе должно стимулировать интерес к изучению дисциплины и активизировать ее восприятие.

Автор не ставил своей задачей анализ всех существующих воззрений, а лишь попытался на современном уровне знаний дать набор возможных ответов на вопрос: что же такое нефть?

Содержание издания в значительной степени определяется тем, что помимо дисциплины «Химия и физика нефти» студенты изучают «Теоретические основы химической технологии топлив и углеродных материалов» и «Установление структуры органических соединений». По этой причине изложение отдельных разделов существенно различается как по объему, так и глубине.

Пособие, конечно, не является научным трактатом. В нем, по возможности, внятно излагаются различные точки зрения, в том числе и автора. В библиографии представлены лишь некоторые источники для тех читателей, которые пожелают продолжить подробное изучение соответствующих разделов. При всех ограничениях и неполном представлении некоторых мнений автор все-таки стремился к объективности и точности, хотя ошибки в переложении, по-видимому, неизбежны.

Введение
Обычно химию определяют как науку о веществах и их превращениях. Такое почти философское определение требует уточнения содержания терминов «вещество» и «превращения».

Под веществом понимается обычно «химическое вещество», и хотя при этом к неясности определения добавляется еще и тавтология, этим словосочетанием пользуются очень часто, так как обычная дефиниция вещества как вида материи, обладающего массой покоя (в отличие от полей), недопустимо расширительна.

Что касается интуитивного представления о веществах у большинства нехимиков, то оно, в основном, ассоциируется с совокупностью атомов, молекул, их агрегатов и ассоциатов, находящейся в одном из трех агрегатных состояний.

Химическая проблематика, хотя со временем несколько и меняется, в основном стабильна. Графическое представление о ней дает нижеприведенный рисунок 1, заимствованный у П.М. Зоркого.


Рисунок 1 – Концентры фундаментальной химии

Первый концентр химии – изучение многообразия химических веществ, их описание и систематика. Если индивидуальное химическое вещество обозначить символом X i , а множество всевозможных веществ {X i } , то можно сказать, что обнаружение и исследование отдельных X i , изучение их совокупности {X i } – это и есть центральная задача химии. Сюда же следует отнести и выяснение причин, по которым существует именно наблюдаемое, а не другое множество. В химии нефти эти проблемы также практически безоговорочно центральные.

Второй концентр – это способы получения (синтез) и идентификации (анализ) химических веществ.

Однако главное занятие как современных химиков, так и химиков прошлых веков – это исследование функциональных зависимостей вида p = p(X), где Х – по прежнему химическое вещество, а р – какое–либо свойство. На протяжении всей истории химической науки ученые пытались открыть закон, связывающий структуру химических соединений со свойствами. При этом под свойствами понималось и такое «химическое» свойство, как реакционная способность, и такие «физические» характеристики, как свойства в силовых полях, показатели теплофизических свойств, и характеристики переноса. В целом, совокупность всех таких функциональных зависимостей и является содержанием понятия «превращения» в определении химии как науки. Однако и сегодня, несмотря на значительный прогресс науки, уровень теоретических представлений о характере связи структура – свойства еще далек от завершения и не в полной мере отвечает потребностям химиков, физиков и инженеров.

Изложенное свидетельствует о том, что обсуждение границ между химией и физикой – занятие совершенно бесперспективное, поскольку таких границ, очевидно, нет. Есть только существенная разница в круге проблем, составляющих содержание названных наук, что и определяет различие в методологии и менталитете физиков и химиков. Проблематика физики состоит главным образом в изучении физических явлений. При этом вещество для физика – чаще всего только арена, на которой происходит интересующее его действие.

Основная метаморфоза, которую претерпела химия в двадцатом столетии, заключается в том, что из «экспериментальной науки о веществах и их превращениях» она превратилась в систему представлений, методов, знаний и теоретических концепций, направленных на изучение атомно-молекулярных систем (АМС), а основным средством описания, интерпретации, прогноза и использования АМС безусловно стала структура. Для современных химиков главное в веществе – структура, и их дискуссии большей частью проходят безотносительно к тому, как вещества воспринимаются органами чувств. Не будет большим преувеличением назвать всю современную химию структурной.

Очевидно, и это должно быть весьма плодотворным при решении главной задачи химии нефти – установления взаимосвязи структуры и свойств, – что даже при недостаточности фактологического материала следует исходить прежде всего из структурно-системных представлений, поскольку другие более сложные, и возможно более адекватные способы моделирования реальности – сетевой, сотовый и др. разработаны явно недостаточно.



Глава 1. Структура нефтяных систем
1.1 Нефть как структурно-системный природный объект

Изложение современных представлений о структурах в нефтяных системах требует, по меньшей мере, уточнения смысла ряда самых общих понятий и определений, а также установления их иерархии.

Понятие «структура» очень часто используется неточно. И в научной, и в учебной литературе нередко встречаются грубые ошибки в описаниях структуры и использовании структурных данных. В действительности структура – это сложное многоуровневое модельное понятие, существующее в форме ряда заметно различных приближений, и пользоваться им нужно так, чтобы в каждом конкретном случае была ясна сущность и степень достоверности подразумевающейся модели.

Понятие структура можно определять двояко: во-первых, с точки зрения статики, а именно, как строение, фундамент или скелет объекта, а, во-вторых, его динамики. Выше указаны возможные варианты истолкования термина применительно к статике. Что же касается динамики, то в этом случае структура определяется как совокупность отношений, связей и взаимосвязей, инвариантных при некоторых преобразованиях. Это означает, что из одного объекта и состояния в момент времени t0, далее, в следующие моменты времени t1, t2, t3… могут возникнуть сходные с ними по каким-нибудь существенным признакам и параметрам второй, третий и т.д. объекты или его состояния.

Структуру можно также определить как особое свойство, создающее во времени и пространстве стабильность, тождество данного объекта самому себе, аналогичность его состояний и процессов, в том числе и сохранение его основных свойств, при изменяющихся внешних и внутренних условиях. В целом, именно совокупность всех этих определений фактически и формирует полную семантику самого термина «структура».

Преобразования структур, в случае их осуществимости, устойчивости, регулярности и существенности отражают объективные структурные законы.

Как показано работами Ю.И. Кулакова и его школы, суть любых фундаментальных физических законов состоит в объективном существовании абстрактных физических структур – особого рода отношений, в которых находятся идеальные «двойники» – прообразы объектов материальной действительности.

Характерное отличие теории физических структур от ортодоксальной физики состоит в следующем: ортодоксальная теоретическая физика («антропная», дольняя физика первого поколения) является физикой явлений и изучает физические законы, исходя из установленных эмпирическим путем фактов, с помощью удачно найденных наглядных (антропных) моделей; теория физических структур (физическая герменевтика, метатеоретическая физика второго поколения) является физикой сущности и изучает сущность (кантовскую «вещь-в-себе») фундаментальных физических законов, основных физических величин и понятий; исходным понятием в этом случае является новый абстрактный универсальный принцип симметрии. Эта симметрия, названная холотропной, позволяет совершенно по-новому взглянуть на само понятие физического закона и на сам факт существования групп преобразований, играющих такую важную роль в современной теоретической физике.

При таком понимании структуры и сам процесс человеческого познания – это открытие и изучение новых и новых структур, материальных и идеальных. По-видимому, типологическое многообразие всех структур в мире образует некоторое ограниченное множество, и оно отнюдь не бесконечно. Науке известны разные структурные уровни (иерархии) материи в целом, ее форм движения, а также их различные взаимопереходы.

В настоящее время фактически всякое исследование на основе понятия структуры в рамках идеи системности – это некий четко определившийся уже в ХХ веке стандарт научного подхода к анализу объектов самого разного рода, а изучение структур во многих науках и, прежде всего в химии и физике, как уже отмечалось – главное занятие. В науке о нефти структурный подход до сих пор применяется не часто, что является, видимо, одной из главных причин ее недостаточной прогностической способности.



Cтруктурообразование – итог преобразований преимущественно в системах, которые называют сложными. Понятие «сложность» является ключевым при рассмотрении практически всех природных процессов. Как и многие другие общенаучные понятия, а сложность к ним, несомненно, принадлежит, оно не имеет однозначного определения. В разных науках существуют разные определения, в частности, отдельно существует сложность программ и сложность алгоритмов, динамическая и статическая сложность, сложность эволюционная, сложность контекстуальная, логическая и пр. Иногда говорят, что сложность следует понимать метафорически, что сложная система – это непременно система, способная к самоорганизации, она может быть связана с наличием большого количества и разнообразия частей, с богатством связей между этими частями, может быть обусловлена целостностью, организацией или эмерджентностью (сверхсуммарностью) своих свойств и т.д.

Часто наблюдается смешение понятий «структура» и «система». Они действительно близки по объективной причине: любая система, если это настоящая система, обязательно структурирована, внутренне организована, а не хаотична. В свою очередь, можно утверждать, что любая структура (как организация, как конструкция, как «скелет» и основа целого) в пределе своего развития - некая система. При этом не следует забывать, что безусловно структурны также фракталы, сети, соты и т.п.

В общем случае, как системы, так и структуры можно подразделять:

по форме – это цепные (как цепочки атомов в молекулах, событий разного рода во времени), централистские (в том числе, звездные) и ацентрические или полицентрические, имеющие автономные подструктуры и блоки;

по природе субстрата - материальные и идеальные (физические, химические, биологические, социальные, технические, смешанные, теоретические и др, включая информационные);

по видам движения - вещественные и полевые, в том числе физические, химические, биологические, ментальные и т.д.;

по взаимосвязи с окружением, средой - изолированные (замкнутые) и открытые в каких-то своих аспектах (в смысле притока и оттока энергии, вещества, информации);

по активности - активные (динамичные) и пассивные (инертные, статичные, прочные, консервативные и т.п.);

по функциям – моно – и многофункциональные структуры;

по строению целого и количеству компонентов: слабо организованные и организованные, средние и малые, простые и сложные;

по критерию направленности – это нецелевые (подчиненные естественным законам, алгоритмам, программам и инвариантам), такие как структуры атомов и молекул, минералов и т.д. и целевые, телеологичные (как структуры у высших животных, у человека, их различных групп, организаций и сообществ, человечества);

по критерию обусловленности - стохастические (связанные со случайностью, вероятностные) и (относительно) жестко детерминированные.

Изложенное перечисление, безусловно, далеко не полное и его можно продолжать и специфицировать по другим основаниям и критериям.

Поскольку структура и ее актуальная среда противостоят друг другу и взаимодействуют, то абсолютно изолированных ни систем, ни структур не бывает. Любую систему с определенной точностью можно считать замкнутой. Если время описания-наблюдения объекта меньше времени его открытости, то такая модель вполне оправдана, и представления могут быть еще в большей степени упрощены.

Поэтому любая структура имеет четкие или нечеткие пространственно-временные локусы и границы своего существования как в статике, так и в динамике, существует вместе со своими системами, сетями и т.п.

Все истинные структуры в рамках системы имеют, благодаря также своей внутренней природе, верхние количественные пределы и значения характеристик (меры). Их различают, например:

– по максимальным количествам компонентов, выше которых они распадаются, как это имеет место в ряду химических элементов по мере возрастания числа нуклонов в ядрах атомов в явлениях радиоактивного распада;

– по количеству уровней строения в иерархических системах разного рода;

– по сложности структур (очень сложные неустойчивы);

– по внутреннему разнообразию и тождеству свойств элементов, их связи, взаимодействию и т.п.

Вопрос о количественных мерах и иерархиях структур сетевых образований, как представляется, – вопрос открытый, в литературе он еще слабо освещен.

Подразделение структур и систем на равновесные и неравновесные в общем случае носит достаточно условный характер и принятые границы очень часто являются результатом простой договоренности.



В таблице 1 приведено сравнение представлений о равновесных и неравновесных системах.
Таблица 1 – Сравнение представлений о равновесных и неравновесных системах

Признаки

Равновесные системы

Неравновесные системы

Понятие системы

1

2

3

Принцип выделения

Аналитический – по функциональному признаку

Эмпирический – по принадлежности элементов к системе

Управление

Моноцентрическое – подсистемы управляются из центра, не одинаково жестко на различных уровнях иерархии

Полицентрическое - относительно автономные системы упорядочиваются в динамическую сеть

Иерархия

Задана

Генерируется самой системой

Термодинамическое состояние

Замкнутые, равновесные (статичное равновесие)

Открытые, не равновесные (динамическое равновесие)

Внутренняя структура элементов системы

Не существенна

Имеет определенное значение в поведении системы

Математическое описание

Линейное, нелинейность трактуется как помеха моделированию

Нелинейное, линейное описание ведет к упрощению системы

Признаки

Равновесные системы

Неравновесные системы

Взаимодействие с внешней средой

Влияние среды

Среда негативно воздействует на систему

Среда структурирует систему




1

2

3

Параметры системы

Заданы извне

Генерируются самой системой (самонастройка)

Поведение системы по отношению к среде

При возмущении среды стремится к возврату в равновесное состояние

Активно изменяет среду, в определенных пределах «манипулирует» самой средой

Граничные условия

Произвольные - поведение системы определяется ее «программой»

Характеризуют саму систему, условия ее самосохранения

Характер развития

Траектория, обратимость

Процесс, необратимость

Причинно-следственные отношения

Линейные – причинно-следственные цепочки

Циклические (циркулярные) – выходной сигнал может быть входным для той же системы

Время

Абсолютное, единое, однородное

Системное, относительное

Понятие порядка

Структура, детерминируемая универсальными законами

Эмерджентное самосозидание из флуктуаций в ходе структурирования

Видно, что по важнейшим параметрам различие действительно является качественным.

Системному анализу в принципе подвергаются объекты любой природы во всех состояниях: равновесном (статическом), стационарном (динамически равновесном) и эволюционном.

Равновесное состояние – лишь одно из множества возможных и достаточно хорошо изученных классической термодинамикой и статистической физикой. Оно характеризуется отсутствием процесса и устойчивостью во времени (неизменностью) системы, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Система как бы «замерла».

Стационарное состояние – это процесс, который установился во времени, система в этом состоянии обменивается веществом и энергией с окружающей средой, но параметры системы остаются неизменными во времени, т.е. не зависят от него.

Эволюционное состояние – когда система обменивается с окружающей средой веществом, энергией и изменяется во времени. Это так называемые «открытые системы», которые пребывают в сильно неравновесном состоянии и развиваются в определенном направлении. Закономерности, свойственные этому процессу справедливы и для физических, и для химических, и для социальных систем.

Первые два процесса – лишь частный случай более общего третьего, эволюционного процесса. Именно в развивающихся объектах наблюдаются необычные для классической науки свойства: статистическая (сложная) система начинает вести себя как одно целое, как будто каждая частичка «знает» о «намерениях» всей системы, хаотическое движение, сохраняясь на микроуровне, начинает подчиняться определенному макропорядку, хаос вообще выступает как «прослойка» между двумя упорядоченными системами разного уровня иерархии.

В соответствии с изложенным можно дать определение понятию «вещество».

Вещество представляет собой иерархическую, многоуровневую динамическую систему взаимодействующих структурных единиц, от уровня к уровню укрупняющихся и усложняющихся из-за включения структурных единиц нижних уровней в состав структурных единиц верхних уровней, от почти немыслимо малых до макроскопических размеров.

Что касается числа выделяемых уровней, то по этому поводу существуют разные мнения. В частности, предлагается рассматривать природу и химические превращения химических соединений в соответствии с их величиной и сложностью на следующих структурных уровнях:

– «малые» молекулы;

– «большие» молекулы;

– макромолекулы (полимеры, в частности биополимеры);

– топологические молекулы (катенаны, ретаксаны);

– молекулярные комплексы;

– молекулярные агломераты и конгломераты;

– кластеры.

Отдельно рекомендуется рассматривать еще более сложные надмолекулярные образования:

мицеллы;

– наносистемы;

– вирусы;

­– мембраны;

­– рибосомы.

На наш взгляд, в целом все многообразие веществ можно рассматривать также и по топологическому признаку по трем группам: трехмерные, двухмерные и одномерные системы.

В первую группу входят: газы, конденсированные фазы (кристаллы, квазикристаллы, мезофазы, жидкости, стекла), растворы (газовые смеси, жидкие и твердые растворы), дисперсные системы.

Двухмерными поверхностными системами являются: поверхности конденсированных фаз, модифицированные поверхности, пленки.

Веществами третьей группы можно считать линейные периодические и апериодические кристаллы, в том числе и макромолекулы.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30


©dereksiz.org 2016
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет