2. Способи отримання рідких палив і масел

2.1 Нафта – основна сировина для одержання рідких палив і масел

Нафта, яку добувають з надр землі – в'язка, масляниста рідина з характерним запахом. Колір її залежить від кількості розчинених у ній смол (темно-бура, буро-зелена, а іноді майже безкольорова). На світлі нафта ледь флуоресціює. Густина нафти коливається у межах 750...950 кг/м³; зустрічаються нафти з густиною 1030 кг/м³.

Питання про походження нафти залишається відкритим. Існує ряд гіпотез походження нафти, які можна розділити на три групи: неорганічна (абіогенна), органічна (біогенна) та комплексна.

Промислові родовища нафти являють собою найчастіше осадову пористу породу (пісок, вапняк),що просочена нафтою. Вони мають пори, достатні за розмірами, щоб у них могла перебувати та рухатися нафта.

Відмінні ознаки нафти в різних родовищах пояснюються різницею материнської органічної речовини та неоднаковими умовами нафтоутворення.

Промислове добування нафти провадять з бурових свердловин. Бурова свердловина – це вертикальна виробка діаметром 0,15...0,25 м, глибина якої залежить від залягання нафти.

Постійними супутниками нафти, яку добувають з свердловин, є розчинені в ній вуглеводневі гази, пластова вода з розчиненою мінеральною сіллю, механічні домішки. На нафтопромислі перед транспортуванням споживачам, від нафти за допомогою відстоювання відділяють гази, механічні домішки, більшу частину води та розчинену у ній сіль.

Нафта – складна за хімічним складом і структурою рідина. Розрізняють хімічний склад нафти: елементний, груповий.

Елементним хімічним складом нафти називають вміст в ній окремих хімічних елементів, виражених в процентах за масою.

Основними елементами нафти і нафтопродуктів є: вуглець – 83...87 %, водень – 11... 14 %, сірка – 0,1...5,8 %, кисень – 0,1... 1,3 %, азот – 0,03... 1,7%, сліди металів (заліза, нікелю, ванадію та ін.).

Вуглець і водень входять у склад нафти у вигляді різних сполук-вуглеводнів. Кисень азот знаходяться найчастіше у зв'язаному стані. Сірка мо­же бути як у зв'язаному, так і у вільному стані.

Груповим хімічним складом нафти називають вміст у ній окремих хімічних груп, які характеризуються співвідношенням та структурою сполук вуглецю і водню. Хімічні групи (гомологічні ряди) вуглеводнів характеризуються перш за все кількісним співвідношенням атомів вуглецю і водню. Це співвідношення виражається емпіричною формулою групи.

Парафінові вуглеводні (алкани). Загальна емпірична формула цієї групи вуглеводнів – С_nН_2n+2, де n – число атомів вуглецю. Найпростішим представником цієї групи є метан – СН₄. Кількість парафінових вуглеводнів (парафінів) залежить від родовища нафти і складає 25...30 %. Парафінові вуглеводні з кількістю атомів вуглецю до 4 у звичайних умовах – гази, від 5 до 15 – рідини, а починаючи з 16 і вище – тверді. Газоподібні та тверді парафіни, при певних умовах, можуть бути розчинені у рідкій частині нафти.

За своєю структурою парафінові вуглеводні бувають:

• нормальними (ланцюги вуглецю прямі) – н-парафіни;

• ізобудови (ланцюги розгалужені) – ізопарафіни, почина­ючи з С₄Н₁₀.

Чим складніша молекула речовини, тим більше ізомерів вона може мати.

Парафінові вуглеводні мають найбільшу теплоту згоряння. При нормальних умовах вони хімічно стабільні, тому палива, і мастильні матеріали, які містять велику кількість парафінових вуглеводнів стабільні при зберіганні.

З підвищенням температури властивості н-парафінів та ізопарафінів відрізняються. Нормальні парафіни внаслідок швидкого окислення при високих температурах знижують антидетонаційні властивості (детонаційну стійкість) бензину і поліпшують самозаймистість дизельного палива. Але внаслідок того, що вони мають порівняно високу температуру застигання погіршують низькотемпературні властивості дизельних палив. У масляних фракціях н-парафіни поліпшують їх в'язкісно-температурні, але погіршують низькотемпературні властивості.

Ізопарафіни підвищують антидетонаційні властивості бензинів і погіршують самозаймистість дизельного палива. Мають кращі низькотемпературні властивості у порівнянні з н-парафінами.

Нафтенові вуглеводні (циклани), як і парафіни, є основною, а іноді переважаючою складовою частиною нафти. Емпірична формула нафтенових вуглеводнів (нафтенів) С_nН_2n. На відміну від парафінових вуглеводнів атоми вуглецю у молекулах розміщуються у вигляді замкнутого кільця, і з'єднані між собою простим валентним зв'язком. У нафті та нафтопродуктах зустрічаються головним чином циклани, молекули яких включають п'ять або шість атомів вуглецю, що утворюють кільце. їх називають моноцикланамй. Крім моноцикланів у нафтопродуктах, які одержують з більш важких фракцій нафти, є складні нафтенові вуглеводні у складі двох і більше нафтенових кілець, їх називають поліцикланами. Майже всі нафтенові вуглеводні мають бокові парафінові ланцюги.

Нафтенові вуглеводні при низьких і помірних температурах за своєю хімічною активністю подібні до н-парафінів, а при високих (до 400 °С і вище) за здатністю окислятися наближаються до ізопарафінів.

За антидетонаційними властивостями нафтенові вуглеводні наближаються до ізопарафінів, тому бажані у бензинах. Вони мають низьку температуру застигання і є цінним компонентом дизельних зимових палив.

Присутність цикланів з боковими ланцюгами у маслах бажана, тому що вони надають їм антиокислювальну і термічну стійкість, поліпшують їх в'язкісно-температурні властивості, знижуючи температуру застигання. Нафтенові вуглеводні є основною частиною моторних масел.

Ароматичні вуглеводні (арени) у нафті є в значно меншій кількості ніж парафінові та нафтенові, хоч в нафтах окремих родовищ вміст ароматичних вуглеводнів (арома-тиків) 'може досягати кількох десятків процентів.. Як і нафтени, ароматики мають кільця, але у них одинарні зв'язки чергуються з подвійними. Простим представником цього ряду є бензол, що відповідає загальній емпіричній формулі С_nН_2n-6. У звичайних умовах ароматики характеризуються високою хімічною стійкістю, хоч і поступаються перед нафтеновим вуглеводнями. Ароматики стійкі до окислення і при високих температурах. Вони є цінним компонентом бензинів, оскільки мають високі антидетонаційні властивості, але при цьому мають підвищену схильність до нагароутворення, тому в товарних бензинах вміст ароматичних вуглеводів повинен не перевищувати 40...45 %. У дизельному паливі ароматики небажані, бо знижують його самозаймистість.

Вміст ароматичних вуглеводів, особливо поліциклічних, у маслах збільшує їх в'язкість, але погіршує в'язкісно-.температурні властивості.

У склад продуктів переробки нафти можуть входити ненасичені вуглеводні. В їх молекулах між атомами вуглецю утворюється подвійний зв'язок. Ці вуглеводні легко окислюються і осмолюються, оскільки подвійні зв'язки нестійкі, здатні до реакцій полімеризації та приєднання. Присутність ненасичених вуглеводнів погіршує стабільність нафтопродуктів при зберіганні. При високих температурах вони гірше окислюються ніж н-парафіни і тому підвищують антидетонаційні властивості бензину, але погіршують самозаймистість дизельного палива.

До складу нафти входять не тільки сполуки вуглецю і водню, а також сполуки, що містять кисень, сірку і азот. Найчастіше це похідні вуглеводнів.

Кисень з вуглеводнями нафти утворює органічні кисло­ти і смолисто-асфальтові речовини. Його вміст у нафті складає 0,1...1,3 %. З органічних кислот найчастіше присутні нафтенові кислоти, які зосереджені головним чином у легкому і середньому масляних дистилятах. Нафтенові кислоти викликають корозію кольорових металів, передусім свинцю та цинку.

Сірчисті сполуки у нафті та нафтопродуктах погіршують їх якість. Сірчисті сполуки – сірководень Н₂S, меркаптани (органічні сполуки загальної формули RSН, де R – вуглеводневий радикал), а також вільна сірка належать до групи активних речовин, що викликають корозію металів.

Азотисті сполуки присутні в нафті у невеликій кількості (не більше 0,3 %) найчастіше у вигляді аміаку, головним чином, у важких фракціях. Оскільки вони погіршують якість нафтопродуктів, то їх видаляють при очищенні.