Раздел 2. Физико-химические свойства нефтей и нефтепродуктов Тема 2.1. Химический состав нефтей и нефтепродуктов

2.1.1. Групповой углеводородный состав нефтей и нефтепродуктов

Таблица 2.1.

Основные химические элементы, входящие в состав нефти

Элемент	Концентрация в нефти, % масс.
Углерод	82...87
Водород	11...15
Сера	0.1...7.0
Азот	до 2.2
Кислород	до 1.5

В нефтяной золе найдены V, Ni, Fe, Ca, Na, K, Cu, Cl, I, P, Si, As и др.

Так как водород имеет наибольшую теплоту сгорания среди элементов, а нефть содержит много водорода, среди ископаемых (за исключением нефтяного газа) нефть обладает наибольшей теплотой сгорания.

От углей и сланцев нефть отличается также более высоким содержанием углерода.

Кислород, сера, азот в нефтях встречаются в виде соответствующих соединений.

В состав нефтей входят углеводороды четырех групп: парафиновые, олефиновые, нафтеновые, ароматические. Содержание этих групп углеводородов во фракциях нефтей различно. Преобладание той или иной группы придает нефтям специфические свойства, что сказывается на методах переработки и областях применения нефтепродуктов.

Парафины.

Метан, пропан, этан, бутаны - газы. В нефти находятся в растворенном состоянии и являются основной составной частью природного и попутного газов.

Природный газ добывают из газовых скважин. Состоит, в основном, из метанов (до 98 % об.) + немного этана, пропана, бутанов.

Попутный - из нефтяных скважин. Содержат много пропана и бутанов, также и более тяжелые углеводороды.

В состав газов (природного и попутного) входят H₂S, N₂, СО₂, Не.

Газы, в которых много углеводородов от пропана и выше - жирные. Из них получают газовый бензин, сжиженные газы,

Газы, почти нацело состоящие из метана и этана - сухие. Используются, главным образом, как бытовое и промышленное топливо, отчасти как сырье для производства сажи, ацетилена, продуктов органического синтеза.

Парафины от пентана до гексадекана при нормальных условиях - жидкости. Входят в состав бензиновых и керосиновых фракций нефти.

При одном числе углеродных атомов в молекуле изопарафины имеют более низкие плотность, температуру застывания и температуру кипения чем нормальные.

Изопарафины придают высокое качество бензинам, нормальные ухудшают свойства карбюраторных топлив, однако до определенных концентраций (регламентированных ГОСТами) являются желательными компонентами реактивного и дизельного топлив, а также смазочных масел.

Парафины от гептадекана - твердые вещества, входящие в состав товарных парафинов и церезинов. Их температура плавления повышается с ростом молекулярной массы.

Кристаллы парафинов имеют ленточную структуру. Присутствуют, в основном в масляных фракциях 350...500^оС, обеспечивая их высокую температуру застывания. Температура плавления - 40...70^оС, число углеродных атомов в молекуле - 21...32, молекулярный вес - 300...450.

Кристаллы церезинов имеют игольчатое строение. Присутствуют в остатках вакуумной перегонки нефти, вызывая повышение температуры размягчения гудрона. В их состав входят парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями. При одной температуре плавления парафинов и церезинов у церезинов выше плотность, вязкость, молекулярный вес.

Применение парафинов и церезинов: изготовление свечей, пропитка соломки спичек, производство восковой бумаги. Используются в качестве диэлектрика в электротехнике и радиоэлектрической промышленности.

Окислением хорошо очищенного парафина получают карбоновые кислоты - заменители жира в мыловарении.

При крекинге парафина получают -олефины - сырье для производства моющих веществ.

Олефины (непредельные углеводороды).

В нефтях встречаются крайне редко и в незначительных количествах, так как химически неустойчивы. Встречаются в продуктах деструктивной переработки нефти (крекинг, пиролиз). Легко полимеризуются и осмоляются, что приводит к снижению срока службы нефтепродуктов -нежелательные компоненты топлив и масел. Широко применяются для производства полимеров (полиэтилен, полипропилен, каучук), пластмасс, синтетических спиртов.

Нафтены.

Нафтены легких фракций нефти состоят, в основном, из гомологов циклопентана и циклогексана. В нефтях обнаружены нафтены с 1,2, 3, 4 циклами. Распределение по фракциям различно для разных нефтей.

Автомобильным бензинам придают высокие эксплуатационные свойства.

Моноциклические нафтены с длинными боковыми алифатическими цепями - желательные компоненты реактивных, дизельных топлив. Являются главной составной частью смазочных масел, обеспечивая малое изменение вязкости от температуры (высокий индекс вязкости) - главнейший показатель качества масел.

При одинаковом числе углеродных атомов с парафинами нафтены имеют более высокую плотность и меньшую температуру застывания.

Нафтены легких фракций сырье для получения ароматических углеводородов в процессе кат. риформинга. Циклогексан высокой чистоты - сырье для производства нейлона.

Ароматические углеводороды.

В состав нефтей входят арены с числом циклов от одного до четырех. Распределение по фракциям различно. Обычно в тяжелых нефтях с повышением температуры кипения фракции содержание аренов возрастает. В нефтях средней плотности, богатых нафтенами, арены распределяются по всем фракциям почти равномерно. В легких нефтях, богатых бензиновыми фракциями содержание аренов резко снижается с повышением температуры кипения фракций.

Вещества по фракциям:

Бензиновые фракции (30...200^оС) - гомологи бензола.

Керосиновые фракции (200...300^оС) - гомологи бензола и производные нафталина (последних меньше).

Тяжелые газойлевые фракции (400...500^оС) - гомологи нафталина и антрацена

Арены обладают наибольшей плотностью среди групп углеводородов. По вязкости они занимают среднее положение между парафинами и нафтенами.

Арены - ценные компоненты бензина (к бензинам добавляют 30...60% бензола, толуола, ксилолов), но ухудшают характеристики сгорания реактивных и дизельных топлив (по ГОСТ в реактивном топливе аренов должно быть не более 20...22%).

Моноциклические арены с длинными боковыми изопарафиновыми цепями повышают индекс вязкости смазочных масел. Полициклические арены и арены без боковых цепей - нежелательны в этом отношении, однако в малом количестве добавляются к смазочным маслам для повышения химической стабильности.

Среди углеводородов арены имеют высокую растворяющую способность по отношению к органическим веществам. Содержание их в растворителях нефтяного происхождения ограничено ввиду их высокой токсичности. ПДК паров бензола 5 мг/м³, толуола и ксилолов - 50 мг/м³.

Арены - компоненты нефтепродуктов, растворители, сырье для производства взрывчатых веществ и нефтехимического синтеза.