Лекция 1. Химический состав нефти и нефтепродуктов

Нефть представляет собой подвижную маслянистую горючую жидкость легче воды от светло-коричневого до черного цвета со специфическим запахом.

С позиции химии нефть – сложная исключительно многокомпонентная взаиморастворимая смесь газообразных, жидких и твердых углеводородов различного химического строения с числом углеродных атомов до 100 и более с примесью гетероорганических соединений серы, азота, кислорода и некоторых металлов. По химическому составу нефти различных месторождений разнообразны.

В этой связи речь можно вести лишь о составе, молекулярном строении и свойствах «среднестатистической» нефти. Менее всего колеблется элементный состав нефтей: 82–87 % углерода, 12–16,2 % водорода; азот до 2,2 %, кислород до 1,5 % и до 5 и редко до 10 % серы. Кроме названных, в нефтях обнаружены в небольших количествах минеральные элементы, в т. ч. металлы (Са, Mg, Fe, Al, Si, V, Ni, Na и др.).

В состав нефтей входят в основном углеводороды следующих четырех групп:

парафиновые, нафтеновые, ароматические, и в очень небольших количествах, олефиновые (непредельные).

Парафиновые углеводороды (алканы)

Гомологический ряд парафиновых (алкановых) углеводородов именуют также метановым рядом по названию первого его члена (гомолога) — метана (СН₄). Метан (С₁), этан (С₂), пропан (С₃) и бутаны (С₄) являются при нормальных условиях (20°С, 760 мм. рт. ст.) газами и входят в состав нефтяных газов, которые растворены в нефти, когда она находится под большим давлением в нефтяном пласте, и выделяются из нее в виде свободной газовой фазы, когда нефть при ее добыче выходит из скважины. Нефтяные газы, богатые пропаном и бутанами, именуют жирными, в отличие от природных газов, как правило, состоящих на 97-98% об. из метана, которые называют сухими.

Парафиновые углеводороды от пентана (С₅) до гексадекана (С₁₆) включительно при нормальных условиях являются жидкостями и входят в состав бензинов, керосинов и дизельных топлив. При этом изопарафины — весьма желательные компоненты бензинов, придающие им хорошие антидетонационные свойства, так как обладают высокими октановыми числами, а н-парафины по той же причине (у них высокие цетановые числа) — желательные компоненты дизельных топлив.

Парафиновые углеводороды от С_]7 и выше при нормальных условиях являются твердыми веществами: их температуры плавления возрастают с увеличением молекулярной массы. Твердые парафины присутствуют преимущественно в масляных дистиллятах, а также являются основной массой товарных парафинов и церезинов, причем парафины содержат в своем составе главным образом н-алканы, а церезины — нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями, преимущественно изостроения.

Нафтеновые углеводороды (циклоалканы)

Нафтеновые углеводороды в основном состоят из гомологов циклопентана (а) и циклогексана (б), имеющих боковые парафиновые цепи различной длины и степени разветвленности, хотя в нефтях обнаружены нафтены с 2-4 циклами (кольцами, ядрами).

Нафтеновые углеводороды, содержащиеся в бензинах, придают им высокие эксплуатационные свойства, а моноциклические нафтены с длинными разветвленными боковыми цепями являются самыми желательными компонентами реактивных и дизельных топлив и смазочных масел. Они обеспечивают одно из основных требований, предъявляемых к маслам – малое изменение вязкости с изменением температуры. При равном числе углеродных атомов в молекуле нафтеновые углеводороды имеют меньшую температуру застывания, чем парафины. Находящиеся в составе бензиновых фракций нафтены при их каталитическом риформинге превращаются в ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы и др.).

Ароматические углеводороды (арены)

В нефтях содержатся арены с числом циклов от 1 до 4. Арены, содержащиеся в бензинах, являются гомологами бензола (а); в керосинах и дизельных топливах, кроме гомологов бензола, содержатся производные (гомологи) нафталина (б), а в маслах — гомологи нафталина и антрацена (в).

В соответствии с современными экологическими требованиями количество ароматических углеводородов, особенно бензола, в бензинах резко ограничено; они снижают качество реактивных и дизельных топлив, ухудшая характеристики их сгорания. Но в маслах гомологи бензола с длинными боковыми изопарафиновыми цепями являются весьма желательными компонентами (и нежелательными — арены без боковых цепей и полициклические). Кроме присутствия в качестве компонентов в различных нефтепродуктах, ароматические углеводороды, в силу их высокой растворяющей способности по отношению к органическим веществам, применяют как растворители, а также в производстве взрывчатых веществ и в нефтехимическом синтезе.

Гетероциклические соединения нефти

Гетероатомные (серо-, азот- и кислородсодержащие) и минеральные соединения, содержащиеся во всех нефтях, являются нежелательными компонентами, поскольку резко ухудшают качество получаемых нефтепродуктов, осложняют переработку (отравляют катализаторы, усиливают коррозию аппаратуры и т.д.) и обусловливают необходимость применения гидрогенизационных процессов.

На долю серо-, азот- и кислородсодержащих соединений, присутствующих в нефтях, приходится суммарно несколько процентов, но подавляющая их часть является крайне нежелательной при переработке нефти, корродируя аппаратуру, отравляя дорогостоящие катализаторы, придавая товарным нефтепродуктам темный цвет и неприятный запах.

Среди них особое место занимают сернистые соединения, самыми агрессивными из которых являются сероводород и меркаптаны. По содержанию серы нефти делятся на три класса: до 0,5% масс. — малосернистые, от 0,51 до 2% масс. — сернистые и выше 2% масс. — высокосернистые.

Наконец, смолисто-асфальтеновые вещества содержатся практически во всех нефтях. Содержание и химический состав асфальтосмолистых веществ в значительной мере влияют на выбор направления переработки нефти и набор технологических процессов в схемах действующих и перспективных нефтеперерабатывающих заводов. Легкие нефти содержат их в количествах до 4-5 % масс., тяжелые —20 % масс. и более. Эти вещества представляют собой комплексы полициклических, гетероциклических (т.е. S-, N-, О-содержащих) и металлоорганических соединений, точный состав которых до сих пор не установлен.

Контрольные вопросы к лекции № 1.

1. Дайте определение нефти с позиции химии.

2. Элементный состав нефти.

3. Химический состав нефти.

4. Химический состав нефти. Парафиновые углеводороды. Газы.

5. Химический состав нефти. Парафиновые углеводороды. Жидкости.

6. Химический состав нефти. Парафиновые углеводороды. Твердые.

7. Химический состав нефти. Нафтеновые углеводороды.

8. Химический состав нефти. Ароматические углеводороды.

9. Химический состав нефти. Гетероциклические соединения нефти.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: