1.1 Основний склад нафти

Нафта за зовнішніми ознаками являє собою маслянисту рідину темного кольору з характерним запахом (іноді можуть бути "світлі" нафти), за хімічним складом - дуже складну природну суміш різних сполук. В залежності від складу густина нафти коливається в широ­кому діапазоні: від 810 до 986 кг/м³. Бувають також нафти легкі і важкі. Елементарний хімічний склад нафти різних родовищ не од­наковий. Основними елементами нафти є вуглець (83...87%), во­день (12...14%), а також кисень (0,1...0,3%), сірка (0,01...5%), азот (0,02...1,7).

Паливо складається з горючої та негорючої частини.

Вуглець - С - основна горюча частина палива.

Водень - Н - друга складова палив. У порівнянні з вуглецем його вміст в паливі значно менший, а теплоти при його згорянні ви­діляється в 4 рази більше порівняно з теплотою згоряння вуглецю.

Кисень - О - не горить і не виділяє теплоти, тому фактично є внутрішнім баластом.

Азот - N - також, як і кисень, не горить і є внутрішнім баластом палив.

Сірка - в — є небажаним компонентом палив, бо згоряє вона з утворенням 80₂ і 80₃, які викликають сильну газову або рідинну корозії металевих поверхонь.

Зола - негорючий компонент, який може бути в паливі, є неба­жаною, і навіть шкідливою домішкою, бо при її наявності посилюється абразивне зношування, ускладнюється експлуатація, наприклад, котельних устаткувань.

Для переробки нафти на паливно-мастильні матеріали для ав­тотракторної, дорожньо-будівельної, сільськогосподарської та іншої техніки за якістю одержуваних продуктів та технологією переробки краще ті, які містять малу кількість сірки. Сумарний вміст сірки, азо­ту та кисню в малосірчистих нафтах складає менше 1%, в високосірчистих - іноді досягає 5% і більше.

Нафта кипить в широкому діапазоні температур. Фракційний¹ склад нафт різних родовищ дуже відрізняється. За фракційним скла­дом нафти визначають, якому методу переробки вона підлягає, які нафтопродукти та їх кількість (бензину, гасу, дизельного палива, мазуту) з неї можна отримати.

За груповим хімічним складом нафта являє собою складну суміш вуглеводнів, сірчаних, кисневих та азотних сполук. У складі нафти є три групи вуглеводнів: парафінові, нафтенові та ароматичні (табл. 3), в нафтопродуктах можуть бути ненасичені вуглеводні, які з'являються в процесі переробки нафти чи нафтопродуктів.

Парафінові вуглеводні (загальна формула С_пН_2п+2) із вмістом атомів вуглецю від 1 до 4 за нормальних умов є газоподібні, від 5 до 16- рідкі, більше 16 -тверді речовини. Парафінові вуглеводні мають саму високу масову теплоту зго­ряння з усіх класів вуглеводнів, бо вони містять саму велику кількість водневих атомів. За нормальних умов парафінові вуглеводні хімічно стабільні, тому палива і оливи, які містять велику кількість пара­фінових вуглеводнів, стабільні при зберіганні. При високих темпе­ратурах стійкість до окислення киснем повітря у нормальних і ізопа-рафінових вуглеводнів відрізняється: стійкішими є ізопарафінові вуглеводні, і чим більше розгалужена їх молекула, тим більша стійкість до окислення при високих температурах. Тому н. парафінові вуглеводні, як менш стійкі до окислення при високих температурах, є небажаними компонентами бензинів, бо мають погані антидетона­ційні властивості, тобто низькі октанові числа. Так, октанове число н. пентану становить 61,9; н. гексану - 26,0; н. гептану - 0,0; н. окта-ну- мінус 20 за моторним методом (див. розділ 2.4). Високі октанові числа мають газові вуглеводні, котрі використовуються як паливо для газобалонних автомобілів та іншої техніки.

В дизельних паливах н.парафінові вуглеводні покращують само­займання робочої суміші, тобто покращують цетанові числа (див. розділ 3.3). Так, цетанові числа для н. парафінових вуглеводнів скла­дають: для н. октану - 63,8; н. декану - 76,9; н. тетрадекану - 96,1; н. гексадекану - 100; н. октадекану - 102,6. Але поряд з високими цетановими числами н.парафінові вуглеводні мають великий не­долік: вони погіршують низькотемпературні властивості палив. Так, нормальний н. гексадекан має температуру плавлення + 18,15 °С, н. октадекан - +28,18 °С.

В оливних фракціях н. парафінові вуглеводні покращують в'язкісно-температурні властивості {оцінюються індексом в'язкості), але погіршують низькотемпературні показники.

Нафтенові вуглеводні (загальна формула С_пН_2п) є похідними циклопентану і циклогексану.

Нафтенові вуглеводні мають меншу теплоту згоряння порівня­но з парафіновими, тому що містять меншу кількість водню в моле­кулі. Вони мають більш високі октанові числа порівняно з н. парафі­новими, наприклад, октанові числа для н. гексану і циклогексану становлять 26,0 і 77,2 відповідно. Тому вони в бензині є більш бажа­ними компонентами, ніж н. парафінові вуглеводні.

Цетанові числа нафтенових вуглеводнів нижчі порівняно з цетановими числами н. парафінових вуглеводнів, наприклад, цетанові числа для н. гептану і метил циклогексану становлять 56,3 і 20,0, для н. гексадекану (н. цетану) і н. гексилциклогексану - 100,0 і 35,0 відповідно. Але більш низькі температури плавлення нафтенових вуглеводнів порівняно з н.парафіновими роблять їх цінними компо­нентами дизельних палив.

В оливних фракціях нафтенові вуглеводні підвищують в'язкість, а з довгими боковими ланцюгами - індекс в'язкості.

Ароматичні вуглеводні (загальна формула С_п Н_2гм() де х не мен­ше 6), в основному, є похідними бензолу: толуол, ксилоли, нафталін, антрацен тощо. Ароматичні вуглеводні містять ще менше водню, ніж нафтенові, тому їх масова теплота згоряння ще нижча.

Ароматичні вуглеводні мають високу хімічну стабільність. Вони термостабільні, тому є бажаними компонентами бензинів з точки зору антидетонаційних властивостей. Так, октанове число для бен­золу становить 108, толуолу - 100... 103, ізопропилбензолу - 98,7. Але ароматичні вуглеводні мають підвищену здатність до утворен­ня нагарів та лаків. В товарних бензинах їх повинно бути не більше 40...45%. У зв'язку з високою термічною стабільністю ароматичні вуглеводні є небажаними компонентами дизельних палив. Арома­тичні вуглеводні мають високу розчинну здатність щодо гумових та полімерних виробів.

Ароматичні вуглеводні в оливах, особливо поліциклічні, збільшу­ють в'язкість, але погіршують в'язкісно-температурні властивості, тобто зменшують індекс в'язкості.

Чим більше парафінових вуглеводнів в дизельному паливі, тим нижче його температура самозапалювання (вище цетанове число), але гірші низькотемпературні властивості. В оливних фракціях па­рафінові вуглеводні знаходяться, як правило, у вигляді бокових лан­цюгів ізомерної будови з нафтеновими чи ароматичними вуглевод­нями, що надає оливам хороших в'язкісно-температурних власти-* востей (особливо це стосується сполучення парафінових бокових ланцюгів з нафтеновими вуглеводнями).

Ненасичені вуглеводні утворюються під час переробки нафти та нафтопродуктів. У паливах можуть знаходитися сполуки загаль­ної формули С_пН_2п, які мають один подвійний зв'язок. З усіх власти­востей ненасичених вуглеводнів слід виділити їх низьку хімічну стабільність. Завдяки подвійному зв'язку вони легко окислюються, полімерізуються, утворюючи смоли. Внаслідок більш високих окта­нових чисел порівняно з октановими числами н. парафінових вуг­леводнів і можливості розширення сировинної бази для одержання бензинів вміст ненасичених вуглеводнів допускається в бензинах, які не підлягають зберіганню. Продукти з великим вмістом ненаси­чених вуглеводнів треба використовувати в найкоротший термін. Ненасичені вуглеводні є сировиною для хімії і нафтохімГі".

Кисневі сполуки, які містяться в паливах і оливах, являють со­бою органічні кислоти і асфальто-смолисті речовини. Органічні кис­лоти спричинюють корозію, передусім, кольорових металів. Основ­на доля кисню, що міститься в нафті і нафтопродуктах, знаходиться у вигляді асфальто-смолистих речовин. Вони спричинюють підви­щене утворення різних відкладень, тому вміст їх небажаний.

Сірчані сполуки у складі палив і олив можуть бути у вигляді сірки, сірководню, меркаптанів (активні сірчані сполуки), сульфідів, ди­сульфідів та інших (це так звані неактивні сірчані сполуки). Активні сірчані сполуки спричинюють сильну корозію металів. Неактивні сполуки, які містяться у паливах, самі корозії не спричинюють, її викликають продукти їх згоряння. Крім корозії, сірчані сполуки збільшують нагароутворення, знижують октанові числа в бензинах. Іноді вони мають корисну дію, наприклад, в гіпоїдних оливах підви­щують міцність мастильної плівки.

Азот знаходиться в паливах і оливах у вигляді асфальто-смо­листих речовин.

Нафта і нафтопродукти не мають електропровідності, але під час тертя об металеві поверхні утворюється статичний заряд елек­трики. Тому всі ємкості, арматуру, в яких відбувається перекачуван­ня, зливання-наливання нафтопродуктів, треба заземляти.