第一章石油及其产品的性质精.docx

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第一章石油及其产品的性质精

第一章石油及其产品的性质

一、本单元学时数

6课时

二、教学目的及要求

1.知识目标

了解石油一般性状、元素组成、烃类组成、馏分组成和非烃类组成；

掌握石油及其产品的一般物理性质，且初步掌握我国原油主要特点;

了解各类型发动机的工作原理；

掌握汽油、柴油等石油燃料的性能指标，使用要求，产品质量标准等。

了解石油产品的分类；润滑油、沥青、石蜡、石油焦等石油产品的规格指标以及它们与产品组成之间的关系；

2.能力目标

能根据各类原油及产品评价的物性数据，分析归纳出其各自的特点；

能分析原油及其产品中各种元素、烃类或非烃类化合物的存在，对其产品质量或加工过程的影响；

能根据石油燃料产品的质量分析相应发动机工作状况。

三、教学重点及难点

1.教学重点

（1）石油和油品是复杂的混合物，其物理性质往往是条件性的，掌握其蒸发性能、密度、特性因数、平均相对分子质量、流动性能及燃烧性能等物理性质。

（2）车用汽油和柴油的使用要求取决于汽油机和柴油机的工作过程，理解各类发动机的工作原理。

（3）掌握汽油、柴油等石油燃料的性能指标和使用要求。

2.教学难点

对车用汽油和柴油的各项性能指标的理解掌握。

四、教学手段

讲解说明、多媒体辅助教学

五、教学方法

引导、启发

六、教学内容与教学设计

【讲解】

1.石油的一般性状及化学组成

1.1石油的外观性质

石油是碳氢化合物的复杂混合物，其外观性质主要表现在石油的颜色、密度、流动性、气味上，表1—1列出了各类原油的主要外观性质。

表1—1各类原油的主要外观性质　　

性状

影响因素

常规原油

特殊原油

我国原油

颜色

胶质和沥青质含量越多,石油的颜色越深

大部分石油是黑色，也有暗绿或暗褐色

显赤褐、浅黄色，甚至无色

四川盆地黄绿色

玉门：

黑褐色

大庆：

黑色

相对密度

胶质、沥青质含量多，石油的相对密度就大

一般在0.80～0.98之间

个别高达1.02或低到0.71

一般在0.85～0.95之间，属于偏重的常规原油

流动性

常温下石油中含蜡量少，其流动性好

一般是流动或半流动状的粘稠液体

个别是固体或半固体

蜡含量和凝固点偏高，流动性差

气味

含硫量高，臭味较浓

有程度不同的臭味

含硫相对较少，气味偏淡

1.2石油的元素组成

石油主要由碳、氢两种元素以及硫、氮、氧以及一些微量金属、非金属元素组成，表1—5列出它们的元素组成的质量分数。

表1—5原油中元素组成的质量分数

原油元素组成

常规原油中元素含量*

特殊原油

我国原油

主要元素

（C、H）

C：

83%～87%H：

11%～14%合计：

96%～99%

H/C原子比高，油品轻油收率高

少量元素

（S、N、O）

S：

 0.06% ～ 0.8%

N：

0.02% ～ 1.7%

O：

0.08% ～ 1.82%

合计：

1%～4%

委内瑞拉（博斯坎）原油含硫量高达5.7%；阿尔及利亚原油含氮量高达2.2%

含S量偏低，多数<1%

含N量偏高，多数>0．3%

微量金属、非金属元素（30余种）

金属元素和非金属元素含量甚微，大约在10-6～10-9级

大多数原油Ni多，V少

*含量均为质量分数

1.3石油的烃类组成　

1.3.1烃类类型及分布规律　见表1-6（下页）

1.3.2烃类的性质及用途

一般，烷烃的化学性质很不活泼。

环烷烃的化学性质与烷烃相近，但稍活泼。

芳香烃的化学性质较烷烃稍活泼，可与一些物质发生反应。

表1-6石油及其馏分中烃类类型及其分布规律

烃类类型

结构

特征

分布规律

烷烃

正构烷烃（含量高）

C1～C4：

气态

C5～C15：

液态

C16以上为固态

1．C1～C4是天然气和炼厂气的主要成分；

2．C5～C10存在于汽油馏分（200℃）中；

3．C11～C15存在于煤油馏分（200℃～300℃）中；

4．C16以上的多以溶解状态存在于石油中，当温度降低，有结晶析出，这种固体烃类为蜡。

异构烷烃（含量低，且带有二个或三个甲基的多）

环烷烃

（只有五员、六员环）

环戊烷系（五碳环）

单环、双环、三环及多环，并以并联方式为主

1．汽油馏分中主要是单环环烷烃（重汽油馏分中有少量的双环环烷烃）；

2．煤油、柴油馏分中含有单环、双环及三环环烷烃，且单环环烷烃具有更长的侧链或更多的侧链数目；

3．高沸点馏分中则包括了单、双、三环及多于三环的环烷烃。

环己烷系（六碳环）

芳香烃

单环芳烃

烷基芳烃

1．汽油馏分中主要含有单环芳烃；

2．煤油、柴油及润滑油馏分中不仅含有单环芳烃，还含有双环及三环芳烃；

3．高沸馏分及残渣油中，除含有单环、双环芳烃外，主要含有三环及多环芳烃

双环芳烃

并联多（萘系）、串联少

三环稠合芳烃

菲系多于蒽系

四环稠合芳烃

蒎系等

1.4石油的非烃组成

1.4.1含硫化合物

大部分硫化物集中在重馏分和渣油中。

由于硫对于石油加工影响极大，所以含硫量常作为评价原油及其产品的一项重要指标。

危害：

1.对管道腐蚀作用2.使油品某些使用性能变坏

3.污染环境4.在二次加工过程中，催化剂中毒

1.4.2含氮化合物

密度大，胶质多、含硫量高的石油，一般其含氮量也高。

大部分氮化物以胶状、沥青状物质存在于渣油中。

危害：

储存时间稍久，使油品颜色变深，气味发臭；使催化剂中毒

1.4.3含氧化合物

石油中的含氧化合物大部分集中在胶质、沥青质中。

酸性氧化物：

环烷酸、脂肪酸和酚类，总称石油酸；

中性氧化物：

醛、酮和脂。

1.4.4胶状沥青质物质

石油中的非烃化合物，大部分以胶状沥青状物质（即胶质沥青质）存在，含量相当可观，绝大部分存在于石油的减压渣油中。

2石油及其产品的物理性质

2.1蒸发性能

2.1.1蒸气压

引入概念：

在一定温度下，液体与其液面上方蒸汽呈平衡状态时，该蒸汽所产生的压力称为饱和蒸汽压，简称蒸汽压。

蒸汽压愈高，说明液体愈容易气化。

纯物质在一定外压下，当加热到某一温度时，其饱和蒸汽压等于外界压力，此液体就会沸腾，此温度称为沸点。

比较：

纯烃：

温度升高，蒸气压增大。

石油：

蒸气压与温度、汽化率有关，在一定温度下，油品的汽化率越高，则液相的组成就越重，其蒸气压就越小。

油品蒸气压表示方法：

1）油品质量标准中的雷德（Reid）蒸气压在38℃、气相体积与液相体积之比为4:

1下测定

2）真实蒸气压汽化率为零时的蒸气压

2.1.2馏程与平均沸点

油品的馏程：

在一定外压下，油品的沸点不是一个温度点而是一个温度范围。

初点（初馏点）：

蒸馏时流出第一滴冷凝液时的气相温度；

干点（终馏点）：

蒸馏到最后达到的气体的最高温度。

油品从初馏点到干点这一温度范围称为馏程。

生产和科研中馏程测定方法：

恩氏蒸馏与实沸点蒸馏

2.1.3石油的馏分组成

分馏就是根据各组分沸点的不同，用蒸馏的方法把石油“分割”成几个部分，这每一部分称为馏分。

从原油直接分馏得到的馏分称为直馏馏分，其产品称为直馏产品。

汽油馏分或低沸馏分：

馏程40-200℃的馏分

煤油馏分：

馏程200～300℃的馏分　

轻柴油馏分：

馏程250～350℃的馏分　

润滑油：

350-520℃的馏分

重质燃料油：

大于500℃的馏分（渣油馏分）

温度范围窄的称为窄馏分，温度范围宽的称为宽馏分；低温度范围的馏分称为轻馏分，高温度范围的馏分称为重馏分。

2.2密度、特性因数、平均相对分子质量

2.2.1密度

我国国家标准GB／T1884—83规定，20℃时密度为石油和液体石油产品的标准密度，以P20表示。

其它温度下测得的密度用Pt表示。

相对密度：

d油品的密度与规定温度下水的密度之比

我国常用的相对密度为d420（即20℃时油品的密度与4℃时水的密度之比）；欧美各国常用的为d15.615.6。

比重指数：

°API，也称API度，与d15.615.6的关系：

°API=141.5∕d15.615.6-131.5

油品的密度与其组成的关系：

同一原油的不同馏分油，随沸点范围升高密度增大；当沸点范围相同时，含芳烃愈多，密度愈大；含烷烃愈多，密度愈小。

2.2.2特性因数

定义：

K＝1.216T1/3/d15.615.6　

式中：

T—烃类的沸点、石油或石油馏分的立方平均沸点或中平均沸点，K。

特性因数与其组成关系：

烷烃的最高，环烷烃的次之，芳烃的最低。

2.2.3平均相对分子量

定义：

石油馏分的分子量是其中各组分分子量的平均值。

石油馏分的平均相对分子量随馏分沸程的升高而增大：

汽油的平均分子量约为100～120；煤油为180～200；轻柴油为2l0～240；低黏度润滑油为300～360；高黏度润滑油为370～500。

【举例】

某原油不同馏分的相对密度、特性因素和平均相对分子质量对比表：

馏分沸点范围℃

相对密度（d420）

特性因数（K）

平均相对分子质量（M）

60-80

0.680

12.5

90

80-100

0.710

12.3

100

100-120

0.750

11.8

110

120-140

0.770

11.6

115

140-160

0.795

11.4

120

160-180

0.81

11.35

132

180-200

0.82

11.31

140

200-220

0.835

11.25

150

同一原油的不同馏分，分子越大，馏分越重，特性因数越小

2.3流动性能

2.3.1黏度

定义：

是表示液体流动时分子间摩擦而产生阻力的大小。

黏度的表示方法：

动力黏度

运动黏度

恩氏黏度

粘温性质：

油品黏度随温度变化的性质

黏温性质表示方法：

黏度比

黏度指数

2.3.2低温性能

浊点、结晶点、冰点：

主要用来评价某些透明油品如航空汽油、煤油及轻柴油等低温性能的指标。

倾点、凝固点、冷滤点：

表明油品在低温下的流动性，对油品的输送及其使用性能有很大的重要性。

油品在低温下失去流动性的原因：

粘温凝固：

　　对于含蜡很少或不含蜡的油品，随着温度降低，油品黏度迅速增大，当黏度增大到某一程度，油品就变成无定形的粘稠状物质而失去流动性。

构造凝固：

　　对含蜡油品而言，油品中的固体蜡当温度适当时可溶解于油中，随着温度的降低，油中的蜡就会逐渐结晶出来，当温度进一步下降时，结晶大量析出，并连结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。

2.4燃烧性能

闪点：

在规定条件下，加热油品所逸出的蒸汽和空气组成的混合物与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度。

　燃点：

在规定条件下，当火焰靠近油品表面的油气和空气混合物时，即着火并持续燃烧至规定时间所需的最低温度。

自燃：

油品因剧烈的氧化而产生火焰自行燃烧。

自燃点：

发生自燃的最低温度。

闪点和燃点与烃类的蒸发性能有关，而自燃点却与其氧化性能有关。

2.5热性质

比热：

单位质量的物质温度升高1℃（或K）所需要的热量称为比热，kJ/（kg·K）或kJ／（kg·℃）。

气化潜热：

在常压沸点下，单位质量的物质由液态转化为气态所需要的热量称为气化潜热，单位是kJ／kg。

焓：

人为地规定某个状态下的焓值为零，该状态称为基准状态。

物质基准状态变化到指定状态时发生的焓变作为物质在该状态下的焓值，单位是kJ／kg。

燃烧热：

单位质量燃料完全燃烧所发出的热量称为燃烧热或热值，单位为J／kg。

3.石油产品的分类

类别

名称

使用范围

汽油

航空汽油

活塞式航空发动机、快速航艇发动机

车用汽油

汽油机汽车、摩托车发动机

柴油

轻柴油

各种柴油机发动机、坦克、拖拉机

重柴油

中速柴油机

喷气燃料

涡轮喷气发动机、涡轮螺浆发动机

4.汽油机和柴油机的工作过程

都包括四步：

进气　压缩燃烧膨胀作功排气

4.1汽油机工作过程

4.2柴油机的工作过程

4.3汽油机和柴油机的工作过程本质区别

（1）进气和压缩的介质不同：

汽油机是空气和汽油的混合气，柴油机只是空气。

（2）燃烧方式不同：

汽油机靠电火花，柴油机则是喷射在高温高压的热空气中自燃汽油机是点燃式发动机柴油机是压燃式发动机

压缩比是指活塞移动到下死点时气缸的容积与活塞移动到上死点时气缸容积的比值。

汽油机：

6---8.5柴油机：

13---24

5车用汽油和柴油的使用要求

5.1车用汽油的使用要求

5.1.1抗爆性

（1）爆震现象

现象：

发动机的汽缸壁发出金属敲击声，同时排出大量黑烟

原因：

1）燃料性质燃料易氧化，自然点低

2）发动机的工作条件发动机的温度高，压缩比大

5.1.2抗爆性能的评价指标

辛烷值：

以纯正庚烷的辛烷值为零，纯异辛烷的辛烷值为100而定出的一种测定抗爆性能的相对标准。

（我国车用汽油的商品牌号是以辛烷值来划分的）

表示方法：

马达法（MON）、研究法（RON）

5.1.2蒸发性

蒸发性能的评价指标：

馏程和蒸气压

（1）馏程恩氏蒸馏曲线

初馏点和10%点：

汽油的启动性能，值越小反应了汽油中低沸点组分越多，蒸发性越强、启动性越好。

50%点：

反映汽油发动机的加速性和平稳性，此温度过高，不易加速，导致汽油燃烧不完全，发动机功率降低。

90%点和干点：

表示汽油中重组分含量的多少，此温度过高，重质组分含量高完全蒸发困难，导致气缸积碳增多、耗油率上升。

（2）蒸气压汽油标准中规定了其最高值

5.1.3安定性

表明汽油在储存中抵抗氧化的能力

指标：

实际胶质和诱导期

实际胶质：

在规定的条件下测得的发动机燃料的蒸发残留物，它表示汽油在发动机中生成胶质的倾向，判断安定性的重要指标。

诱导期：

在规定的加速氧化条件下，油品处于稳定状态所经历的时间，表示汽油在长期储存中氧化并生成胶质的倾向。

一般地，实际胶质含量越小、诱导期越长，则汽油安定性越好。

5.1.4腐蚀性

汽油对金属的腐蚀能力

指标：

酸度、硫含量、铜片腐蚀、水溶性酸碱

5.2柴油的使用要求

柴油分为轻柴油和重柴油。

轻柴油的主要质量要求：

①具有良好的燃烧性能；②具有良好的低温性能；

③具有合适的黏度。

5.2.1燃烧性能

（1）抗爆性

爆震现象：

发动机的汽缸壁发出金属敲击声，同时排出大量黑烟

爆震原因：

燃料不易氧化，自然点太高（滞燃期过长，着火前过氧化物积

累过多，燃烧时温度压力急剧升高，冲击活塞剧烈运动）

评价指标：

十六烷值

以正十六烷的十六烷值为100，α-甲基萘的十六烷值为0而定出的一种测定抗爆性能的相对标准。

化学组成：

含烷烃多、芳烃少的柴油抗爆性能好

柴油的十六烷值不是越高越好，轻柴油的十六烷值在40-55之间经济适用

（2）蒸发性能

指标：

馏程和残炭

馏分轻的燃料：

启动性好，蒸发和燃烧速度也快；馏分太轻，自燃点高，滞燃期长，蒸发程度大，引起爆震。

馏分重的燃料：

喷射雾化不良，蒸发慢，不完全燃烧部分在高温下受热分解，使排气中冒黑烟，燃料消耗量大

轻柴油的50%≤300℃，90%≤355℃,95%≤365℃

重柴油只限制了残炭量

5.2.2低温性能

指标：

凝固点

凝固点低，低温性能好

柴油的低温性能主要取决于化学组成

5.2.3黏度

黏度过大：

油泵抽油效率下降，经喷嘴后有射程远，与空气混合不均匀，

燃烧不完全，发电机功率下降。

黏度过小：

射程近，燃料在喷油嘴附近燃烧，局部过热，同样燃烧不完全，发电机功率下降。

轻柴油要求的运动粘度为2.5---8.0mm2/s

七、作业

配套习题

八、课后小结