2. Нафта - сировина для виробництва нафтопродуктів- паливо-мастильних матеріалів

1. Вплив хімічного складу нафти на властивості отримуваних палив і масел

Нафта - густа масляниста горюча рідина, частіше темного кольору, рідше світло-жовтого або світлого (на зразок керосину) кольору, з характерним запахом, властивості якої залежить від родовища. Її густина 770-840 кг/м³, інколи досягає 1040 кг/м³, теплота згоряння 43000-45000 кДж/кг. Це сама складна по хімічному складу рідина на землі, хоча і складається, в основному, з двох елементів- вуглецю 83-87% і водню 11-14%. В склад нафти входить невелика кількість сірки, кисню, азоту і деяких інших елементів (всього 0,5...5%).

В цілому елементний склад нафти (або палива) з урахуванням води (W) і золи (А) виразиться:

C + H + S O + N W + A = 100%

горючі внутрішній зовнішній

елементи баласт баласт

Нафта є основним джерелом сировини для стримання рідкого палива і мастильних матеріалів (більше 90%) для автомобілів, тракторів, самохідних сільськогосподарських машин і теплових установок (лише незначна частина частина рідкого палива виробляється з горючих сланців). Поряд з цим, вона служить сировиною для отримання великої кількості самих різноманітних і вкрай необхідних продуктів: пластмас, синтетичних і гумових виробів, хімічних речовин, дорожніх і будівельних матеріалів та інш.

Складність хімічного складу нафти обумовлена виключною здатністю атомів вуглецю з’єднуватись між собою і воднем в самих різних відношеннях і формах, утворюючи сполуки, які називаються вуглеводнями.

Нафта являє собою суміш вуглеводнів різноманітної будови, основу якої складають вуглеводні трьох основних груп (рядів): парафінові (алкани), нафтенові (циклани) і ароматичні (арени), які значно відрізняються по своїм властивостям між собою.

Густина, в’язкість, температура плавлення вуглеводнів збільшується з ростом їх молекулярної маси, яка (аналогічно структурі молекул) визначає властивості вуглеводнів у кожній групі. Вуглеводні (С₁-С₄)- гази. У склад бензину і дизпалива входять рідкі вуглеводні (від 5 до 20 атомів вуглецю). Моторні масла вміщують вуглеводні з числом атомів вуглецю в молекулі від 20 до 70. Властивості нафтопродуктів залежать від типу й будови вуглеводнів.

Нижче викладені короткі відомості про будову і властивості сполук, що входять в склад нафти, а також розглянуто їх вплив на експлуатаційні властивості палив і масел.

Алканові вуглеводні (парафіни)- газоподібні, рідкі або тверді речовини- це сполучення атомів вуглецю й водню у вигляді незамкнутого ланцюгу

Н Н Н Н Н Загальна формула

- С - С - С - С - С - С_nH_2n+2.

Н Н Н Н Н

алкани

Газоподібні сполуки (С1-С4) входять у склад попутних і природних газів (метан, етан, пропан, бутан, ізобутан). Вони мають високу детонаційну стійкість, октанове число наближається до 100 і більше.

Починаючи з С16 (гексадекан) алкани тверді. Вміст алканів у нафтопродуктах залежить від родовища: без розчинених газів він складає 25-30%; з урахуванням розчинених вуглеводнів- 40-50%, іноді 50-70%, але тут же, в деяких нафтах, 10-15% алканів. Розгалуження ланцюгу в алканах починається з бутану і вище. Із збільшенням їх молекулярної маси зростає температура кипіння, густина, в’язкість. Ізопарафіни володіють низькими температурами кипіння і плавлення, вони стійкі до дії кисню при високих температурах, на відміну від н-парафінів (нормальних). Більшість парафінових вуглеводнів мають високу температуру застигання, їх в’язкість невелика і змінюється в меншій степені, ніж у інших класів вуглеводнів. В них найвища теплота згоряння. Їх присутність у нафтопродуктах не впливає на гумові вироби.

Вцілому паливо-мастильні матеріали, які вміщають велику кількість алканів, відрізняються високою стабільністю. При отриманні високоякісних автомобільних бензинів бажана присутність ізопарафінів, оскільки н-парафіни знижують детонаційну стійкість бензину. Легкокиплячі н-парафіни зменшують час з моменту подачі палива до його самозаймання, зумовлюють плавне наростання тиску і кращу роботу двигуна, тому їх вміст у дизпаливі (важкому) бажаний, в зимових сортах обмежується.

В мастильних матеріалах для холодної пори року їх вміст обмежують . Тому для забезпечення рухливості при відносно низькій температурі такі масла потрібно піддавати депарафінізації (видаляти алкани, які мають високу температуру плавлення).

Нафтенові вуглеводні (циклани)- циклічні насичені вуглеводні, в яких суміжні атоми вуглецю з’єднуються одним зв’язком, утворюють замкнуту (циклічну) структуру

СН₂

Н₂С СН₂ Загальна формула

С_nH_2n

Н₂С СН₂ СН₂ СН₂

СН₂ СН₂

СН₂

циклопентан СН₂ циклогексан

В нафті і нафтопродуктах присутні, головним чином, моно циклічні 5-ти і 6-ти членні представники нафтенового ряду (їх називають циклопарафінами, цикланами). В паливах присутні моноциклічні нафтени, молекули яких вміщують по одному кільцю з 5 і 6-ти атомами вуглецю (циклопентан, циклогексан). В більшості нафт нафтени наявні у великих масах (60-70% і більше). В масляних фракціях їх вміст становить 50%-70% і більше. На відміну від алканів вони мають високу хімічну стійкість, низьку температуру плавлення і високий індекс вязкості, чим забезпечуються низькотемпературні властивості нафтопродуктів, тому це є цінним компонентом зимових сортів палив і масел. Нафтени мають меншу температуру згоряння порівняно з парафінами, але більш високу детонаційну стійкість, є бажаними компонентами в паливах для карбюраторних двигунів і зимових сортів дизпалива.

В масляних фракціях нафтени з однієї сторони збільшують в’язкість і покращують маслянистість, а з іншого боку, покращують в’язкісно-температурні властивості з причини наявності в них нафтенів з боковими ланцюгами.

Ароматичні вуглеводні (арени)

До них відносяться вуглеводні, молекули яких вміщають бензольні кільця з трьома одинарними зв’язками, які чергуються з подвійними зв’язками

СН

Н С СН Загальна формула

C_nH_2n-6.

Н С СН

бензол

СН

Арени входять в склад нафти в меншій кількості, ніж парафіни і нафтени, їх загальний вміст у різних нафтах складає 5-25%.

Подвійні зв’язки в циклічному кільці аренів хімічно стійкі порівняно з подвійними зв’язками в алканах. Тому вони менше окислюються і осмоляються.

Арени складаються з вуглеводнів і його похідних, а також бі- і полі-циклічних сполук. Легкі нафтопродукти вміщують моноциклічні арени, які складаються з бензольного кільця з одним або декількома боковими ланцюгами.

Арени- термічно стабільні, високооктанові вуглеводні, їх вміст у бензинах допускається до 40-45% (спричиняють нагароутвореня). В дизпаливах їх наявність не бажана. Вони також агресивні до гумових виробів.

Ненасичені вуглеводні (алкени, ді, три, і полі)

Утворюються в процесі переробки нафти. Ненасичені вуглеводні використовуються для синтезу. Їх висока хімічна активність понижує стабільність нафтопродукту- бензин термічного крекінгу в результаті його окислення осмоляється при зберіганні. Забруднюються жиклери карбюраторів і впускний трубопровід. Вони небажані в нафтопродуктах і маслах.

Сірчисті сполуки

Нафта буває сірчистою або високосірчистою, її переробка вимагає додаткових затрат. Збільшення сірки в бензині від 0,03 до 0,015% понижує потужність двигуна на 12%, зростає кількість його капремонтів в 2 рази. Вміст окислів сірки у вихлопних газах спричинює шкоду для людини. Сірчисті сполуки по фракціям нафти розподілені нерівномірно. З підвищенням температури перегонки їх вміст складає 70-80% від загальної кількості сірки. Сірчисті сполуки поділяються на активні й неактивні. До активних відносяться сполуки, які кородують метал: елементарна сірка, сірководень, меркаптани RSH; R- вуглеводневий радикал.

Розчинена елементарна сірка в нафтопродуктах здатна викликати сильну корозію в металі, навіть на холоді, тому вона відноситься до корозійно-активних елементів.В присутності води активно кородує метал сірководень (H2 S). Аналогічно меркаптани.

Згідно стандарту присутність сірчистих сполук (активних) не допускається. При нормальних умовах сірчисті сполуки (R-S-R сульфіди,серед сірчистих сполук вони займають 75-80% сполук сірки, дісульфіди R-S-S-R, полісульфіди R-S_n-R не кородують метал, але , після згорання, утворюються сірчиста й сірчана кислоти, роз-вивається активна корозія металу) . В малосірчистих нафтах вміст сірчистих сполук складає 0,1-0,5 %, а в сірчистих- до 4 % і більше. Після перегонки нафти, вміст сірчистих сполук у бензинових фракціях 0,15-0,2 %, в керосинових -до 1 % , в солярових -до 2 %.

Кисневі сполуки

В нафтах кисневих сполук рідко буває більше 10 % - кислоти,феноли,кето- ни,ефіри та інші. Основна їх частина знаходиться у висококиплячих фракціях, починаючи з керосину. Органічні кислоти – прості кисневі сполуки (R-COOH, COOH-карбоксильна група). Ці сполуки присутні в усіх паливах і мастильних матеріалах, більше всього – нафтенових кислот (CnH2n-1 COOH), які киплять вище 200⁰С, являють собою маслянисті рідини, сильно кородують деякі кольорові метали (свинець, цинк).

Смолисто-асфальтенові сполуки

Це суміш високомолекулярних сполук, які включають азот, сірку, кисень і деякі метали. Їх вміст коливається до десятків процентів.

Азотисті сполуки

Їх вміст в нафтопродуктах незначний, а тому помітно не впливають на властивості палив і мастильних матеріалів, в бензині практично відсутні , деяка частина їх зосереджена в дизельній та газойлевій фракціях. Більше половини зосереджено в смолисто-асфальтеновій частині.

2. Короткі відомості про сучасні методи отримання палив і масел

Нафтова промисловість розвивається по шляху збільшення видобутку нафти і вдосконалення методів їх перегонки. Серед них- пряма перегонка, термічний і каталітичний крекінги, гідрокрекінг, а також риформінг (рис. 2.1). На початку розвитку нафтопереробної промисловості отримали розповсюдження лише процеси прямої перегонки нафти. Цей метод широко застосовується і в наш час. Якість нафтопродуктів отриманих методами прямої перегонки залежать від якості нафти і груп вуглеводнів, які входять в склад її фракцій.