Глава 3

Физические свойства нефти и нефтепродуктов

Свойства нефти как организованной сложной субстанции с большим запасом свободной энергии еще мало изучены. Давно замечено, что в нефти нет никаких случайных свойств; все свойства нефти тесно связаны между собой причинно, потому что нефть в природе изменяется и живет так же, как и всякие другие природные объекты, в результате взаимодействия с окружающей средой.

Свойства нефти, как и любого вещества можно рассматривать по трем разным, хотя и неотделимым друг от друга категориям: фундаментальные или характеристические свойства, показатели важные для переработки и свойства готовой продукции.

На рисунке схематически представлено понятие "свойства" применительно к нефти.

НЕФТЬ  ПЕРЕРАБОТКА  НЕФТЕПРОДУКТ

Оборудование

для

переработки

ПОКАЗАТЕЛИ

ПЕРЕРАБОТКИ

1

2 3

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКА

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТА

НЕФТИ

Измерительные приборы Практический

в лаборатории (объективные опыт (субъективные показатели) показатели)

Следует подчеркнуть, что каждая из перечисленных категорий свойств весьма тесно связана с двумя другими. Но, в то время как фундаментальные или характеристические свойства относятся всегда к самому веществу, свойства продукта связаны непосредственно с его применением. Поскольку один и тот же продукт (или близкий по составу) может применяться для различных целей (например осветительный керосин и керосин как реактивное топливо), главные свойства продуктов должны характеризоваться по-разному. Промежуточное положение занимают важные для переработки характеристики.

Принципиальным является также то обстоятельство, что из одной и той же нефти может быть получен целый ряд различных продуктов, причем в случае химической переработки не соблюдается как массовый, так и элементный баланс.

Необходимо также постоянно помнить, что, по существу, все свойства являются показателями свойств, оцениваемыми при определенных условиях с помощью совершенно определенного прибора и являются количественным отражением взаимодействия прибора и объекта. При этом взаимодействии вещество может откликаться отдельным или несколькими уровнями своей структурной организации.

Отличительной особенностью нефтепродуктов является то, что конкретные характеристики могут относиться как к объектам, полученным из различного сырья, так и путем различной его переработки. Поэтому и одинаковые потребительские названия продуктов могут относиться к существенно различающимся по химическому составу веществам.

Фундаментальные характеристики. Фундаментальные характеристики связаны с химическим строением и физической структурой вещества. Это объемные и калориметрические характеристики, характеристики когезии, температурные переходы и растворимость. К ним же можно отнести и некоторые свойства в силовых полях: механических, электрических, электромагнитных. Фундаментальными могут быть и характеристики явлений переноса массы и тепла.

Значительная часть названных характеристик являются и показателями важными при переработке. К ним могут быть добавлены макрокинетические характеристики химических процессов переработки и особенности свойств, обусловленные коллоидно-химическим строением дисперсных нефтяных систем.

Для характеристики продукта наиболее важным может считаться условие "неизменности". Их тоже можно разделить на несколько подгрупп. Например, показатели внешнего вида, эксплуатационные характеристики и показатели технического обслуживания. Значительная часть подобных характеристик чрезвычайно субъективны и определяются комбинациями фундаментальных и дополнительных характеристик.

Значительная часть характеристик большинства нефтепродуктов связаны с определением свойств вещества, находящегося в жидком состоянии.

Поскольку все показатели свойств веществ и материалов определеляются выбором исходной нефти, способа переработки и правильностью области применения, можно сказать, что не существует плохих веществ и материалов самих по себе, но есть неквалифицированное использование сырья, способов его подготовки и переработки. Именно поэтому чрезвычайно нужны методы предсказания эксплуатационных свойств на основе измерения фундаментальных характеристик материалов и параметров процесса переработки.

Показатели качества нефти и нефтепродуктов по характеру связи с методами их оценки (испытаний) можно разделить на две группы.

В первую входят показатели качества, отражающие свойства только самих объектов и не связаны со свойствами методов испытаний, с помощью которых эти показатели получают. К этой группе показателей качества относятся, например, плотность, вязкость и другие, которые можно измерить на приборах, функционирующих на различных принципах (для плотности – это нефтеденсиметры, пикнометры и т.д.). Показатели качества первой группы соответствуют принятому в метрологии определению «физическая величина». К ним полностью относится общепринятый метрологический аппарат.

Ко второй группе относятся показатели качества, отражающие как свойства анализируемого объекта, так и метода его оценки. Эта связь указывает на условный характер таких величин, что позволяет вполне обосновано называть их условными или функциональными характеристиками продуктов. К условным относится  80% общего числа показателей качества, указываемых в стандартах на методы испытаний нефтепродуктов, например таких как температуры начала, конца кипения, вспышки, кристаллизации, давление паров и т.д.

Каждый показатель качества второй группы неотделим от соответствующего ему методы испытаний. Изменение метода оценки свойств продукта повлечет за собой изменение результата не только в количественном, но и качественном отношении. Поэтому значения условных показателей можно получить только с помощью соответствующих договорных стандартных методов испытаний. Они невоспроизводимы с помощью других методов.

Свойства нефти и их фракций являются функцией их химического состава и структуры отдельных компонентов, а также их сложного внутреннего строения, обусловленного силами межмолекулярного взаимодействия. Поскольку нефть и её фракции состоят из большого числа разнообразных по химической природе веществ, различающихся количественно и качественно, свойства нефтепродуктов представляют собой усредненные характеристики, и показатели их непостоянны как для различных нефтей и фракций, так и для одинаковых фракций из разных нефтей. Сведения о свойствах советских и зарубежных нефтей, полученные прямыми измерениями, отражены в справочниках. Однако неопределенность и непостоянство состава нефтяных смесей и фракций, с которыми чаще всего приходится сталкиваться на практике, а также сложность непосредственного экспериментального определения многих свойств фракций и отсутствие достаточных данных об энергии ММВ и параметрах молекул поставили задачу выражения одних свойств через другие.

Практические потребности привели к необходимости характеризовать нефтяные фракции значительным числом показателей, отражающих те или иные свойства и различающихся уровнем их использования. Часть характеристик теряет свое значение и употребляется реже, в то же время вводятся новые понятия и характеристики, связанные с необходимостью описания новых свойств и закономерностей их взаимосвязей. Всестороннее и полное описание всех показателей качества и свойств нефтей и их фракций не представляется возможным. Поэтому рассматриваются лишь некоторые зависимости физических свойств от состава и структуры нефтяных фракций, а также их связь с другими свойствами нефтепродуктов.

Особенности идентификации нефти и нефтепродуктов. Для веществ природного происхождения, являющихся в большинстве случаев неразделяемой или трудно разделяемой смесью достаточно большого числа химических соединений, идентификация может быть только в той или иной мере приблизительной и основанной на статистических характеристиках.

Кроме того, методы испытаний сами по себе предполагают определенное усреднение показателей. На молекулярном уровне все характеристики условно можно разбить на три категории.

Коллигативные характеристики. Эти характеристики имеют одно и тоже значение при расчете на грамм-молекулу вещества, независимо от его строения. Следовательно, числовое значение данной величины, измеренное экспериментально, зависит только от числа грамм-молекул. Истинно коллигативные характеристики имеют только идеальные газы и идеальные растворы. Примерами показателей свойств реальных систем могут служить осмотическое давление, депрессии и экзальтации температур фазовых переходов и др.

Аддитивные характеристики. При расчете на грамм-молекулу эти характеристики имеют значение, которое в идеальном случае равно сумме подобных величин, характеризующих составляющие молекулу атомы. Строго аддитивной является только величина молекулярной массы.

В известном приближении другие величины также являются аддитивными, например мольный объем, мольная теплоемкость, мольные теплота сгорания и теплота образования, мольная рефракция и т.д.

Конститутивные характеристики. Эти характеристики полностью определяются строением молекул, причем не возникает вопроса относительно коллигативности или аддитивности таких характеристик. К типичным конститутивным характеристикам относятся избирательное поглощение света, магнитное резонансное поглощение и т.д. Довольно часто подобные характеристики оказываются «визитной карточкой», «отпечатками пальцев» данного соединения.

ММВ и внутримолекулярные взаимодействия иногда весьма сильно влияют на коллигативность и аддитивность свойств, а зачастую и подчеркивают конститутивные характеристики.

Установление любых характеристик всегда производится в условиях, которые можно представлять в виде изолированной, закрытой и открытой систем. И, хотя во многих случаях эти условия являются комбинированными, практически полезно проводить рассмотрение свойств в рамках обозначенных границ, например как теплофизические, свойства в силовых полях и характеристики переноса.