§ 2 Химический состав и свойства нефтепродуктов

Чтобы лучше понять строение углеводородов, входя­щих в состав нефти, а, следовательно, и нефтепродуктов, рассмотрим, почему углерод образует так много соедине­ний. Известно всего десять цифр, а какое бесконечное множество чисел можно составить из них. Так и в угле­водородах по-разному соединяя атомы углерода и водо­рода, можно получать все новые и новые соединения с различными свойствами

Напишем химическую формулу октана C₈H₁₈ Октан — бесцветная жидкость, которая может входить в состав бензинов. Этой химической формуле отвечает еще 17 со­единений, так называемых изооктанов. Все они при одинаковом элементном составе (содержание углерода и водорода) имеют различное строение (расположение атомов в молекуле), а поэтому и обладают разными хи­мическими и физическими свойствами. Они различаются плотностью, температурой кипения и плавления. Одни из них хорошо сгорают в карбюраторных двигателях, а другие, наоборот, — плохо, вызывая детонацию.

Октан имеет нитевидное цепочное строение

н н н н н н н н
н – с –с –с –с –с –с –с –с – н
н н н н н н н н

н

а его изомеры образуют разнообразные ветвистые струк­туры, например, один из семнадцати изооктанов, назы­ваемый 2, 2, 4-триметилпентан, имеет следующее строе­ние:

Как в первом нормальном, так и во втором — изомер­ном — углеводородах число атомов углерода и водорода одинаково, но строение, а потому и свойства различны. Нормальные углеводороды типа октана нежелатель­ны в бензине, так как содержащее их топливо плохо сгорает в двигателе (вызывает детонацию). Так, октан можно было бы использовать в карбюраторных двигателях со степенью сжатия меньше 3 (степень сжатия — это отношение полной вместимости цилиндра к объему сжатой смеси), но машин с такими двигателями нет. Второй углеводород — изооктан — обеспечивает нормальную ра­боту современных двигателей со степенью сжатия до 9,0. Из этого примера наглядно видно, как влияет строе­ние молекул на свойства топлива, и какие углеводороды желательны в бензине

Легко представить себе, что из двух-трех цифр можно составить немного сочетаний, но из семи-восьми — ог­ромное количество. Так и в углеводородах, чем сложнее молекула, т. е. чем больше число входящих в нее атомов углерода и водорода, тем больше количество образующихся изомерных соединений.

Атомы углерода, составляющие остов сложных моле­кул, могут соединяться в короткие или более длинные цепи, образовывать различные разветвленные формы, одно или несколько колец, а также кольца с боковыми цепями различной длины

В приведенных формулах углерод соединен с атомами водорода или различными атомными группами (СН₃, СН₂, СН) одинарной связью, а каждый его атом име­ет

четыре свободные связи —С—. Такие углеводороды называют предельными, или насыщенными Они могут быть цепочною (парафиновые нормальные и изо­мерные), а также кольцевого (нафтеновые) строения, например, циклогексан С₆Н₁₂:

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂

СН₂ СН₂

Кроме них могут быть углеводороды с двойной связью в кольце (ароматические), например бензол С₆Н₆

СН СН

СН СН

СН СН

В нефти могут находиться и более сложные молекулы, представляющие собой соединение двух и даже трех ко­лец с боковыми парафиновыми цепями различной дли­ны. От структуры колец, длины и расположения боковых цепей и зависят свойства вырабатываемых нефтепро­дуктов.

Общим для всех классов углеводородов, образующих нефть (парафиновые, нафтеновые, ароматические), яв­ляется химическая устойчивость при нормальных усло­виях (температура, давление). Эти углеводороды не мо­гут присоединять других молекул, но для них характер­ны реакции замещения, которых может быть очень много. 'Замещая в этих соединениях водород любыми углеводородными группами, можно получать очень боль­шое количество новых веществ, которые называют их производными.

В процессе переработки нефти почти всегда образу­ются непредельные ненасыщенные углеводороды. Это различной длины парафиновые цепи с одной или двумя двойными связями, например бутен С₄Н₈

н н н н
н – с – с = с – с – н
н н

или бутадиен С₄Н_б

н н н н
н – с = с – с =с – н

Непредельные углеводороды очень непрочны, для них характерны реакции присоединения по месту разрыва двойной связи. Они легко окисляются, образуя смолы, органические кислоты и другие соединения. Чем выше температура и больше концентрация кислорода, тем бы­стрее и интенсивнее протекают реакции окисления. Не­предельные углеводороды склонны также к соединению нескольких молекул в одну с большей молекулярной массой (полимеризация) и присоединению отдельных молекул к исходному веществу (конденсация) В резуль­тате этих реакций в нефтепродуктах, особенно в топли­ве, накапливаются высокомолекулярные смолисто-ас­фальтовые соединения, резко ухудшающие их свойства.

Непредельные углеводороды значительно снижают ста­бильность (неизменность состава), они нежелательны во всех нефтепродуктах, их обычно удаляют при очистке в процессе получения.

Вырабатываемые из нефти топливо и масла явля­ются очень сложной смесью различных классов углево­дородов и их производных. В ^небольшом количестве в них могут находиться непредельные углеводороды, сер­нистые, кислородные и азотистые вещества.

Эксплуатационные свойства топлив и масел зависят от химического состава, т. е. от соотношения классов углеводородов, содержащихся в готовых продуктах. Современные высококачественные бензины, обеспечиваю­щие хорошее (бездетонационное) сгорание в карбюра­торных двигателях, должны содержать ароматические и парафиновые углеводороды изомерного строения.

Нормальные парафиновые углеводороды очень не­устойчивы к воздействию повышенных температур, лег­ко окисляются и вызывают взрывное сгорание — дето­нацию, поэтому непригодны в бензине. Но эти же свой­ства делают их наиболее желательными в составе топлива для быстроходных дизельных двигателей. В то же время парафиновые углеводороды имеют высокую тем­пературу застывания, поэтому в зимних сортах дизель­ного топлива и масел их содержание должно быть ог­раничено.

Нафтеновые углеводороды занимают как бы проме­жуточное положение между парафиновыми и ароматиче­скими, поэтому они удовлетворительно работают как в бензине, так и в дизельном топливе. В составе зимних сортов дизельного топлива нафтеновые углеводороды являются основными, так как имеют низкую температу­ру застывания. Эти соединения и их производные, обла­дая высокой химической стойкостью, хорошими вязко­стными и низкотемпературными свойствами, являются основной частью (до 70%) моторных масел.

Содержание ароматических углеводородов в дизель­ном топливе и смазочных маслах нежелательно. В топ­ливе они трудно окисляются, вызывая жесткую работу двигателя, а в масле — приводят к повышенному нагарообразованию. Кроме того, при понижении температуры ароматики очень сильно увеличивают вязкость. Плохие вязкостно-температурные свойства ограничивают ис­пользование ароматических углеводородов в смазочных материалах. Низкомолекулярные ароматики (бензол и его производные) служат основной частью авиационных и автомобильных бензинов

Малостабильные ненасыщенные (непредельные) со­единения ухудшают свойства любого нефтепродукта, они нежелательны ни в топливе, ни в маслах. Сложные смеси различных углеводородов составляют основную часть нефтепродуктов. Кроме них в нефтепродуктах могут находиться соединения, в молекулы которых входит не только углерод и водород, но и кислород, сера и азот, органические кислоты, смолы, фенолы, серосодержащие соединения. Все эти примеси в большей или меньшей степени ухудшают качество топлива и смазочных мате­риалов. Их количество зависит от вида сырья, способов переработки и глубины очистки.