Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

.pdf
Скачиваний:
79
Добавлен:
17.08.2019
Размер:
4.62 Mб
Скачать

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Это их свойство используется в практике газоснабжения городов для предупреждения о неисправности газовой линии. Они добавляются кбытовому газу в качестве одоранта.

Меркаптаны – очень реакционноспособные соединения, они могут подвергаться превращениям, которые необходимо учитывать при применении нефтепродуктов. В мягких условиях меркаптаны окисляются с образованием дисульфидов.

2RSH O2, 250C RSSR

-H2O

В жёстких условиях при повышенных температурах в присутствии каталитически активных металлов, под действием сильных окислителей (KMnO4,H2O2) меркаптаны окисляются до сульфокислот и даже до серной кислоты.

RSH + 3O2RSO3H

RCH2SO3H + O2RHC(OOH)SO3H RCHO + H2SO4

Всреде нефтепродуктов меркаптаны взаимодействуют

сгидропероксидами, разрушая их, и тем самым тормозят окисление углеводородов

RSH + 3R1OOH RSO3H +3R1OH

На этом свойстве меркаптанов основано их применение в качестве регуляторов радикальных процессов.

Меркаптаны обладают слабокислыми свойствами, поэтому могут реагировать с оксидами тяжёлых металлов или гидрооксидами щелочных металлов с образованием солей

— меркаптидов:

2C3H7SH + HgO C3H7S-Hg-S-C3H7 + H2O C3H7SH + NaOH C3H7SNa + H2O

На этом свойстве основано выделение меркаптанов из нефтяных фракций. Однако с увеличением молекулярной массы меркаптанов возрастает склонность меркаптидов к гидролизу и выделение меркаптанов становится затруднительным. Для демеркаптализации бензинов применяется обработка их щелочным раствором с добавкой сульфида

натрия.

Из бензинов меркаптаны выделяются также обработкой 25 % раствором этиленамина, из дизельных фракций нефти

— двухкратной экстракцией водно-спиртовым раствором щёлочи.

Меркаптаны термически нестабильны, особенно высокомолекулярные гомологи, которые могут разлагаться при температуре ниже 100 0С. Низшие меркаптаны при нагревании до 300 0С разлагаются с образованием сульфидов и сероводорода, а при более высоких температурах образуются алкен и сероводород:

2C3H7SH 3000C C3H7-S-C3H7 + H2S C3H7SH 4000C C3H6+ H2S

Меркаптаны являются очень вредной примесью к нефтепродуктам, так как вызывают коррозию, особенно цветных металлов, способствуют смолообразованию в крекингбензинах и придают нефтепродуктам отвратительный запах. Содержание меркаптановой серы ограничивается в реактивных топливах до 0,001-0,005 %, а в дизельных — до 0,01 %.

Сульфиды и дисульфиды. Сульфиды (тиоэфиры) —

широко распространены в средних дистиллятных фракциях нефти, где они могут составлять более половины всех сернистых соединений. Их содержание в бензинах, керосинах, дизельном топливе составляет 50-80 % от всех сернистых соединений.

Нефтяные сульфиды подразделяются на две группы: соединения, содержащие атом серы в открытой цепи (диалкилсульфиды — тиаалканы) и циклические сульфиды, в которых атом серы входит в полиметиленовое кольцо. Диалкилсульфиды чаще всего встречаются в нефтях метанового основания, а циклические — в нефтях нафтенового и нафтеново-ароматического типов.

CH2

CHSH

R1–S–R2 (CH2)n

Диалкилсульфиды (R1-S-R2) обнаружены в керосино-

342

343

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

вых фракциях нефти, где могут составлять основную массу сульфидов. С повышением температуры кипения фракции их количество уменьшается и выше 300 °С они практически отсутствуют. Установлено, что углеводородные фрагменты, содержащие более трёх атомов, связаны с атомом серы значительно чаще по вторичному атому углерода, чем по первичному. Поэтому в тиаалканах преобладают изомеры с заместителями в α-положении к атому серы. Выделено более 50 тиаалканов, в том числе все возможные изомеры С2–С6. Сведений об алкилциклоалкилсульфидах и алкиларилсульфидах пока немного, некоторые из них идентифицированы из американских нефтей.

Тиацикланы во многих нефтях составляют главную часть сульфидов средних фракций. Цикл, содержащий атом серы, может входить в состав конденсированной циклической углеводородной системы, включающей до 7 колец. Серосодержащие циклы на 60-70 % состоят из тиациклопентанов и на 30-40 % из тиациклогексанов. Насыщенные углеводородные циклы, конденсированные с серосодержащим кольцом, могут быть пятиили шестичленными. Например, в американских нефтях обнаружено следующее соотношение бициклических структур:

 

:

 

:

≈35:50:15

 

 

 

S

S

S

S

В би- и полициклических соединениях, содержащих кольцо с атомом серы, последний всегда находится в α- положении к соседнему кольцу. Кроме конденсированных структур, включающих атом серы, в нефтях обнаружены полициклические сернистые соединения мостикового строения, например, тиабицикланы типа:

S

S

S

 

 

S

и тиаадамантана

S

Однако наиболее распространенные бициклические соединения представляют собой алкилзамещённые структуры типа:

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

S

(CH

)

CH

S

(CH

)

CH

3

 

R2

2

 

n 3

R2

2

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сульфиды термически устойчивы при низких температурах. При повышенной температуре они образуют свободные радикалы, которые, присоединяя протон углеводородов, превращаются в меркаптаны, алкены, сероводород и элементарную серу по схеме:

RSR RS . + R . RSH + R1=CH2 RSHRS . + H .

RSHR . + HS .

SH . + H . H2S 2RSH 2R . + 2HS .

HS . + HS . H2S2

HS . + H2S2 H2S + HSS . HS . + HSS . H2S + S2

По химическим свойствам сульфиды нейтральные вещества, не реагирующие со щёлочами.

В присутствии кислорода при 150 °С в течение 0,5-10 ч алифатические сульфиды подвергаются окислению с образованием продуктов глубокого окисления. На I стадии процесса протекают реакции:

 

[O]

[O]

[O]

 

O

 

 

 

R-S-R

 

R-S-R

 

R-S-R

 

2

R-S-OH

 

 

 

 

 

 

 

 

O O

 

 

O

 

 

O

 

Среди продуктов окисления бутилвтороктилсульфида обнаруживаются сульфоксиды, сульфоны, сульфокислоты,

344

345

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

непредельные соединения, альдегиды и кетоны. Тиофан (тетрагидротиофен) окисляется с разрывом кольца по связи С-S:

[O]

[O]

 

O

 

[O]

S

SO

OSO

HO--S-O-CH2-CH2-CH=CH2

O

 

 

 

При окислении дибензилсульфида бензольное кольцо не затрагивается, происходит накопление высокомолекулярных продуктов, частично выпадающих в осадок. По этой причине предложено ограничивать предельное содержание сернистых соединений в топливах следующими значениями (в % на серу):

Меркаптаны

0,002-0,005

Тиофены

0,10-0,20

Сульфиды

 

ароматические

0,05

алифатические

0,08-0,10

Дисульфиды .

0,02-0,05

В присутствии нефтяных сульфидов механизм окисления углеводородов претерпевает изменение: сульфиды снижают скорость образования свободных радикалов по реакции вырожденного разветвления цепей. Сульфиды взаимодействуют с гидропероксидами без образования свободных радикалов:

CnH2n+xOOH + R-S-R'

 

K1

 

CnH2n+xOH + R-S-R' (0<x<2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

CnH2n+xOOH + R-S-R'

K2

 

CnH2n+xOH + R-S-R'

 

 

 

 

 

 

 

O O

O

 

 

 

В дистиллятах с нефтяными сульфидами образуются низкомолекулярные оксосоединения, сульфоксиды и сульфоны.

Нефтяные сульфиды образуют стабильные комплексы донорно-акцепторного типа с галогенами, галогеналкилами

346

(метилтиоиодидом и др.), с солями металлов — олова, серебра, ртути, алюминия, цинка, титана, галлия и другими кислотами Льюиса, за счёт передачи неподелённой пары электронов атома серы на свободную электронную орбиталь акцептора. Важнейшие комплексообразователи — хлорид алюминия, тетрахлорид титана, хлорид ртути (II), ацетат серебра, карбонилы железа. Реакции комплексообразования не селективны, в той или иной степени они протекают и с другими типами гетероатомных соединений. Однако в сочетании с другими физико-химическими методами комплексообразование служит важным инструментом установления состава, строения сульфидов.

Образование оксониевых соединений. Образование сульфидами оксониевых соединений основано на взаимодействии

гетероатомасульфидов— основанийЛьюисаспротоном:

..

RSR' + H+ [RSHR']+

Реакция образования оксониевого соединения характеризуется низкой энергией активации, на полноту превращения оказывает слабое влияние стерический фактор.

Сернокислотная экстракция сульфидов из высокосернистых нефтяных фракций растворами 86-91 %-ной серной кислоты основана на образовании сульфоксониевых сое-

динений:

..

RSR' + H2SO4[RSHR']+ . HSO4-

Однако следует учитывать, что при использовании 86 %-ной серной кислоты в растворе находятся ионные пары, образующиеся при диссоциации молекул кислоты:

H O + H SO

 

 

 

HSO

- + H O+

 

 

2

2

4

4

3

Гидросульфат гидроксония является кислотой Льюиса, образующей с сульфидами сульфоксониевые соединения без их сульфирования:

RSR'+ HSO

- + H O+

 

 

 

[RSHR']+ . SO

2- . H O+

 

 

4

3

4

3

В более концентрированной серной кислоте, например 91 %, реакция протекает по схеме:

RSR2 + H O+ + HSO

- + H SO

 

 

 

[RSHR']+ . SO

- + H O+ . HSO -

 

 

3

4

2

4

4

3

4

347

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Оксониевые соединения легко разрушаются с выделением исходных сульфидов при добавлении 0,3-0,9 объёмов воды или спиртов на 1 объём оксониевых соединений:

[RSHR']+ . SO4- + H3O+ + H2O [H3O+]2 . SO42- + RSR' [RSHR']+ . SO42- . H3O+ + ROH [ROH2]2+ . SO42- . H3O+ + RSR'

Тиофен и его производные. По свойствам они сход-

ны с сульфидами. Тиофен и его производные содержатся, главным образом, в средне- и высококипящих фракциях нефти, в которых они составляют 45-84 % всех серосодержащих соединений. В настоящее время идентифицированы, главным образом, различные алкилтиофены, представляющие собой 2-, 3-метил-, 2-, 3-этил- и реже 2н- и 2-изо- пропилтиофены. Из дизамещённых встречаются 2,3-, 2,4-, 2,5- и 3,4-диметилтиофены. Три- и тетразамещённые тиофены представлены различными метил-, этилпроизводными. Значительно реже встречаются циклоалкилтиофены. Как правило, они содержат одно, редко два конденсированных с тиофеном полиметиленовых цикла. Гораздо более распространены арилтиофены:

S S

бензотиофен дибензотиофен Тетра- и пентациклические системы, включающие тио-

феновое кольцо, характерны для тяжёлых и остаточных фракций нефти. Эти системы помимо ароматических содержат нафтеновые кольца и алкильные заместители.

При изучении химических превращений тиофенов следует учитывать, что во многих случаях гетероатом серы и группа –СН=СН– бензольного кольца идентичны по химическому поведению. Гетероатом дополняет π- электронную систему до «ароматического» секстета, а также определяет направленность замещения в тиофеновом кольце: α-положения на несколько порядков активнее β-положений. Наиболее важны для тиофенов реакции электрофильного замещения и металлирования, дающие начало

процессам получения многочисленных важных продуктов: алифатических кислот, гидроксикислот, высших спиртов, кетонов, ацеталей, аминов, лактамов.

Природные тиофены в составе нефтяных фракций относятся к наиболее химически стабильным неуглеводородным соединениям. В стандартных реактивных топливах ТС-1, РТ содержится 0,01-0,08 % тиофеновых соединений, которые не ухудшают термическую стабильность топлив.

На алюмосиликатном катализаторе крекинг бензотиофенов идет при 450-475 0С, 2-децилтиофена — при 400 0С, 3-циклопентилбензотиофена — при 350 0С. Введение в тиофеновое кольцо заместителей снижает термическую стабильность тем в большей степени, чем сложнее углеводородный радикал.

Тиофены весьма устойчивы к действию окислителей. При хранении тиофеноароматического концентрата с температурой кипения 200-280 0С, выделенного из дизельного топлива, в течение 4 месяцев при 15-20 °С на рассеянном свету в стеклянной емкости, а также при нагревании его до 150 °С в контакте с медью практически не происходило окисления тиофенов. Инфракрасный спектр продуктов окисления показал образование лишь незначительного

количества карбонильных соединений (тиенилкетонов). Окисление бензотиофена и 3-метилбензотиофенов до

сульфонов протекает с избытком пероксида водорода в уксусной кислоте при 40 °С.

При использовании алкилтиофенов, как химического сырья, возможно, их каталитическое дезалкилирование, изомеризация и дегидрирование по схемам:

 

CH

CH R

+ CH2=CHR

S

2

 

2

S

 

 

 

 

 

 

 

CH2R

S

CH2R

 

S

 

 

 

S

CH2CH2R

CH=CHR

 

 

 

S

348

349

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Высокомолекулярные сернистые соединения

Высокомолекулярные сернистые соединения, попадающие при разгонке в керосиновые и масляные фракции, имеют в основном полициклическое строение. Характерно, что сернистые соединения выделяются при хроматографическом разделении вместе с ароматическими фракциями, что свидетельствует о близости их строения. Особенно много сернистых соединений (до 60 %) выделяется с фракцией бициклических ароматических углеводородов. Выделение из нефти индивидуальных высокомолекулярных сернистых соединений представляет собой исключительно трудную задачу. Поэтому, так же как и в случае гибридных углеводородов, о строении этих соединений судят по результатам исследования узких фракций разнообразными химическими и физическими методами. Многие исследователи считают, что в составе большинства молекул высших сернистых соединений имеется тиофановое или тиофеновое кольцо, сконденсированное с углеводородными циклами или связанное с ними через углеродный мостик. Таким образом, наиболее вероятными типами высокомолекулярных сернистых соединений являются такие, в которых основными структурными элементами являются: бензтиофен (1), бензтиофан (2), тионафтен (3), дибензтиофен (4), нафтотиофен (5), неконденсированные системы (6, 7) и им подобные

S

S

S

 

1

2

3

 

S

 

S

 

4

 

 

 

5

 

(CH2)n

 

(CH2)n

 

6

S

7

S

 

 

 

 

 

Все серосодержащие соединения нефти, кроме низших меркаптанов химически нейтральны и очень близки по свойствам к аренам нефти. Существующие промышленные

методы разделения такие, как сульфирование, экстракция, адсорбционная хроматография, ректификация малоэффективны и неприемлемы для промышленного применения. Поэтому для удаления серосодержащих соединений используют процесс гидрирования.

Гидрирование проводится в присутствии алюмокобальтмолибденовых или алюмоникельмолибденовых катализаторов на цеолитной основе. (10-40 % MoO3 и 2-3 % CoO или NiO) при температуре 400-420 0С и давлении 7-8 МПа. При этом меркаптаны превращаются в углеводород и сероводород:

RSH + H2 RH + H2S

Сульфиды гидрируются через стадию образования меркаптанов:

RSR'

H2

R'SH

H2

R'H + H2S

RH

 

 

 

 

 

Дисульфиды гидрируются до сероводорода и соответствующих углеводородов также через стадию образования меркаптанов:

RSSR'

H

2

RSH + R'SH

H2

RH + R'H +2H2S

 

 

 

 

 

 

В циклических сульфидах, например, тиофане вначале разрывается кольцо, затем отщепляется сероводород и образуется соответствующий углеводород:

2H2 CH3CH2CH2CH3 + H2S

S

Тиофен, бенз- и дибензтиофен сначала гидрируются до производных тетрагидротиофена, которые затем превращаются в алканы и алкилпроизводные аренов:

 

R

 

R

 

 

H2

 

H2

+ H2S

 

S

S

CH3CH2CH(R)CH3

 

R

C2H5

R

H

R

 

 

H2

 

 

2

 

 

+ H2S

 

 

 

S

 

S

 

 

Образующийся при этом сероводород перерабатывают

350

351

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

в элементарную серу или серную кислоту. В то же время в

В промышленности полифенилсульфиды получают

последние годы во многих странах мира разрабатываются

поликонденсацией в N-метилпиролидоне п-дихлорбензола

и интенсивно вводятся многотоннажные промышленные

с сульфидом натрия.

процессы по синтезу сернистых соединений, аналогичных

Они характеризуются хорошей термической стабиль-

нефтяным, имеющих большую народно-хозяйственную

ностью, способностью сохранять отличные механические

ценность. Среди них наибольшее промышленное значение

характеристики при высоких температурах, великолепной

имеют меркаптаны. Метилмеркаптан применяют в произ-

химической стойкостью и совместимостью с самыми раз-

водстве метионина — белковой добавки в корм скоту и

личными наполнителями. Твёрдые покрытия из полифенил-

птице. Этилмеркаптан — одорант топливных газов. Тиолы

сульфида наносят на металл, обеспечивая надежную защиту

С14 — сырьё для синтеза агрохимических веществ, при-

его от коррозии. Важно ещё подчеркнуть, что в этом поли-

меняются для активации (осернения) некоторых катализа-

мере почти одна треть массы состоит из серы.

торов в нефтепереработке. Тиолы от бутилмеркаптана до

Тиофен и 2-метилтиофен являются эффективными вы-

октадецилмеркаптана используют в производстве присадок

носителями соединений марганца из карбюраторных дви-

к смазочным и трансформаторным маслам, к смазочно-

гателей при использовании в качестве антидетонатора цик-

охлаждающим эмульсиям, применяемым при холодной об-

лопентадиенилкарбонилмарганца. В настоящее время этот

работке металлов, в производстве детергентов, ингредиен-

антидетонатор широко применяется в США, где около 40

тов резиновых смесей. Тиолы C8-C16 являются регулятора-

% неэтилированных бензинов содержат несвинцовые анти-

ми радикальных процессов полимеризации в производстве

детонаторы.

латексов каучуков, пластмасс. Среди регуляторов полиме-

Учитывая наличие значительных ресурсов серосодер-

ризации наибольшее значение имеют третичный додецил-

жащих соединений в нефтях, исключительно актуальной

меркаптан и нормальный додецилмеркаптан. Меркаптаны

является проблема их извлечения и рационального приме-

применяют для синтеза флотореагентов, фотоматериалов,

нения в народном хозяйстве.

красителей специального назначения, в фармакологии,

11.2. Кислородные соединения нефти

косметике и многих других областях. Сульфиды служат

компонентами при синтезе красителей, продукты их окис-

 

ления — сульфоксиды, сульфоны и сульфокислоты — ис-

Содержание в нефти кислорода может быть от 0,1 до

пользуют как эффективные экстрагенты редких металлов и

3,5 %. Большая часть этого кислорода входит в состав смо-

флотореагенты полиметаллических руд, пластификаторы и

листо-асфальтеновых соединений нефти и только 10 % его

биологиически активные вещества. Перспективно приме-

приходится на долю кислородсодержащих соединений.

нение сульфидов и их производных в качестве компонен-

Эти компоненты нефти представлены кислотами, фенола-

тов ракетных топлив, инсектицидов, фунгицидов, гербици-

ми, кетонами, эфирами и лактонами, реже ангидридами и

дов, пластификаторов, комплексообразователей и т. д. За

фурановыми соединениями.

последние годы резко возрастает применение полифени-

Содержание кислорода в нефтяных фракциях возрас-

 

 

 

 

 

 

 

 

тает с повышением их температуры кипения, причём до 90-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

95 % кислорода приходится на смолы и асфальтены.

 

 

 

 

 

ленсульфидных полимеров.

 

 

 

 

 

 

n

Количество кислородсодержащих соединений нефти

 

 

 

 

 

 

352

353

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

тесно связано с её геологическим возрастом и характером вмещающих пород. Так, по обобщенным данным, полученным при анализе различных нефтей, установлено, что среднее содержание кислорода (в %) возрастает от 0,23 в палеозойских отложениях до 0,40 в кайнозойских для терригенных (песчаных) пород коллекторов.

Содержание кислорода в нефтях, связанных с карбонатными породами, убывает с увеличением возраста нефти, но оно всегда выше, чем в терригенных породах (0,31 % в палеозойских отложениях).

Наиболее распространенными кислородсодержащими соединениями нефти являются кислоты и фенолы, которые обладают кислыми свойствами и могут быть выделены из нефти или её фракций щелочью. Их суммарное количество обычно оценивают кислотным числом — количеством мг КОН, пошедшего на титрование 1 г нефтепродукта. Содержание веществ с кислыми свойствами также, как и всех кислородсодержащих соединений, убывает с возрастом и глубиной нефтяных залежей.

Нафтеновые и высшие кислоты найдены во всех нефтях, но в незначительных количествах (от сотых долей до 3 %). Распределение кислот по фракциям нефти неодинаково. В бензиновых и лигроиновых фракциях их, как правило, нет. В керосиновых дистиллятах они уже присутствуют, но в меньших количествах, чем в масляных фракциях, где их содержа- ниедоходитдо2-3 %.

Основная часть кислых соединений нефтей имеет характер карбоновых кислот, общей формулы СnНmСООН. Впервые кислые соединения были обнаружены Эйхлером в бакинском керосине в 1861г. Работами Зелинского было установлено, что кислоты с числом углеродных атомов в молекуле от 8 до 11 содержат циклопентановое кольцо.

Исследования показали, что карбоксильная группа не связана непосредственно с пятичленным кольцом, а отделена от него одной или несколькими метиленовыми группами и, следовательно, входит в одну из боковых цепей. Браун и

Нафтали из румынской и западноукраинской нефтей выделили кислоты С811, например, следующего строения:

H C-

CH - CH -(CH

)

-COOH

H3C- CH -

 

CH -(CH2)2-COOH

 

3

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

CH2

 

CH2

 

 

H3C-HC

 

CH2

 

 

 

 

 

C

 

CH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CH3

 

 

 

 

 

 

H3C- CH - CH -(CH2)2-COOH

H3C-HC2 CH2 CH2

CH

CH3

Выделены кислоты как с пятичленным, так и шестичленным нафтеновым кольцом. Поскольку эти кислоты оказались производными моноциклических нафтенов с общей формулой CnH2n-1COOH, тоониполучилиназваниенафтеновыхкислот.

Из ряда нефтей были выделены би- и трициклические кислоты с числом углеродных атомов в молекуле C1318.

Высокомолекулярные кислоты из дистиллатного масла венесуэльской нефти были подробно изучены Кнотнерусом. Он пришёл к выводу, что карбоксильная группа в них соединена с углеводородными радикалами, аналогичными углеводородам, входящим в состав нефтяного масла. Следовательно, они могут иметь полициклическое, циклопарафиновое, ароматическое и гибридное строение. Исходя из этого, в последнее время все чаще кислоты, выделенные из нефти, стали называть не нафтеновыми, а нефтяными.

Наиболее изученный класс кислородсодержащих соединений нефти — нефтяные кислоты. В бензиновых фракциях встречаются только алифатические кислоты, так как простейшие алициклические и ароматические кислоты кипят выше 200 °С. Эти кислоты имеют преимущественно нормальное или слаборазветвленное строение (с одним метильным заместителем в боковой цепи). Алифатические кислоты обнаружены также и в высококипящих фракциях. В

354

355

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

настоящее время из нефтей выделены все кислоты нормального строения, содержащие до 25 атомов углерода в цепи. По мере повышения температуры кипения нефтяных фракций в них появляются алифатические кислоты разветвленной структуры, содержащие два и более метильных заместителя в основной цепи. Наиболее интересной группой полиметилзамещённых алифатических кислот являются кислоты изопреноидной структуры. В настоящее время выделены с доказательством их строения 2,6,10-триметилундека- новая; 3,7,11-триметилдодекановая; 2,6,10,14-тетраметилпен- тадекановая (пристановая) и 3,7,11,15-тетраметилгексадека- новая(фитановая) кислоты:

COOH

2,6,10-триметилундекановая кислота

COOH

2,7,11-триметилдодекановая кислота

COOH 2,6,10,14-тетраметилпентадекановая кислота

COOH

2, 6,10,15-тетраметилгексадекановая кислота

Таким образом, строение алифатических кислот тесно связано со строением алифатических углеводородов тех же фракций и изменяется по аналогичным законам.

Алициклические кислоты особенно характерны для нефтей нафтенового основания. Их содержание в различных нефтях колеблется от 0,03 до 3,0 %.

В нефтях обнаружены нафтеновые кислоты, содержащие от 1 до 5 полиметиленовых колец в молекуле. Моно- и бициклонафтеновые кислоты построены в основном из циклопентановых и циклогексановых колец. Карбоксильная группа может находиться непосредственно у углеродного

атома кольца или отделена от него одной или несколькими метиленовыми группами. Полиметиленовое кольцо может иметь от одного до трёх метильных заместителей, причём довольно часто при одном углеродном атоме кольца может бытьдва метильных заместителя (гем-замещение).

Считается, что в полициклонафтеновых кислотах все циклы сконденсированы в единую систему, причём циклы в основном шестичленные. Сведения о кислотах с неконденсированными полиметиленовыми кольцами отсутствуют. Трициклические нафтеновые кислоты по содержанию в нефти уступают моно- и бициклическим и составляют на нефть не менее 0,05 %. Тетрациклических нафтеновых кислот меньше — 0,033 %, для них характерно стероидная структура. Идентифицированы несколько кислот типа:

COOH

COOH

и

Помимо алифатических и нафтеновых кислот нефти содержат разнообразные ароматические кислоты и кислоты смешанной нафтеноароматической структуры, которые имеют следующее строение молекул:

COOH

COOH

R

COOH R

COOH

HO R

По физическим свойствам нефтяные кислоты представляют собой либо жидкости, либо кристаллические вещества, напоминающие по запаху жирные кислоты. Плотность их близка к единице. По химическим свойствам они вполне сходны с жирными карбоновыми кислотами. Так, со щелочамиобразуютсясоли:

356

357

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

CnHmCOOH + NaOH CnHmCOONa + H2O

Эта реакция позволяет выделять кислоты из нефтяных фракций. Соли щелочных металлов этих кислот, хорошо растворимые в воде, полностью переходят в водно-щё- лочной слой. При подкислении этого раствора слабой серной кислотой нефтяные кислоты регенерируются, всплывают и, таким образом, могут быть отделены, однако при этом

вбольшом количестве захватываются и нейтральные масла (от 10 до 60 %). Для выделения нефтяных кислот в чистом виде применяются различные методы очистки.

Нефтяные кислоты образуют соли не только с едкими щёлочами, но и с окислами металлов. В присутствии воды и при повышенных температурах они непосредственно реагируют со многими металлами, также образуя соли, и корродируют металлическую аппаратуру. При этом легче всего они разрушают свинец, цинк, медь, в меньшей степени — железо, менее же всего — алюминий. Ясно, что по этой причине все нефтяные кислоты (жирные, нафтеновые и высшие) являются вредными примесями и подлежат удалению из нефтепродуктов в процессе их очистки. Со спиртами нафтеновые кислоты дают эфиры. Получены также и другие характерные для карбоновых кислот производные

— амиды, хлорангидриды и галоидзамещённые. С серной кислотой эти кислоты не реагируют, а растворяются в ней.

Щёлочные соли нефтяных кислот обладают хорошими моющими свойствами. Поэтому отходы щёлочной очистки, так называемый мылонафт, используется при изготовлении моющих средств для текстильного производства. Технические нафтеновые кислоты (асидол), выделяемые из керосиновых и солярово-веретённых дистиллятов, имеют разнообразное техническое применение: для пропитки шпал, регенерации каучука и т. п.

Нефтяные фенолы. Нефтяные фенолы несмотря на значительное содержание их в нефти изучены недостаточно. Наиболее известны низшие фенолы (С6-C9). Например,

взападно-сибирских нефтях наблюдается следующая зако-

номерность в распределении фенолов, крезолов и ксиленолов: концентрация фенолов возрастает в ряду

С6789.

Среди крезолов преобладают орто-изомер, а у ксиленолов 2,4- и 2,5-диметилфенолы.

В высококипящих фракциях нефтей присутствуют фенолы, содержащие в молекуле до 6 конденсированных колец, однако ихстроение поканерасшифровано. Предполагают, что полициклические фенолы содержат насыщенные циклы с алкильными заместителями. С увеличением числа ароматических колец в молекуле фенолов уменьшается количество алкильныхзаместителей.

Нейтральные соединения. Эти соединения изучены очень мало и имеющиеся о них сведения не носят систематического характера. Одним из представительных классов этих соединений являются кетоны. Из бензиновой фракции калифорнийской нефти выделено 6 индивидуальных кетонов: ацетон, метилэтил-, метилпропил-, метилизопропил-, метилбутил- и этилизопропилкетоны. В некоторых нефтях кетоны составляют основную часть алифатических нейтральных кислородсодержащих соединений. В средних и высококипящих фракциях нефтей обнаружены циклические кетоны типа ацетилизопропилметилциклопентанаифлуоренона:

O

O

ацетилизопропил-

флуоренон

метилциклопентан

 

К нейтральным кислородсодержащим соединениям нефти относятся также сложные и простые эфиры. Большинство сложных эфиров содержатся в высококипящих фракциях или нефтяных остатках. Многие из них являются ароматическими соединениями, иногда представленными внутренними эфирами — лактонами. Имеются сведения, что в калифорнийской нефти найдены эфиры насыщенной структуры типа:

358

359

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

O O O

R1 - C или R1-C-R2-C-OR3 OR2

Простые эфиры, по мнению многих исследователей, носят циклический характер, типа фурановой структуры. Например, в калифорнийской нефти обнаружены алкилдигидробензофураны (кумароны):

R

O

В западно-сибирской нефти найдены ди- и трибензофураны, атакже ихдинафтенопроизводные.

Промышленное значение из всех кислородных соединений нефти имеют только нафтеновые кислоты, а более точно их соли — нафтенаты. Еще в начале XX века при очистке щёлочью керосиновых и дизельных фракций нефти их стали получать как многотоннажный продукт. Большинство солей нафтеновых кислот не кристаллизуется, они имеют мазеобразную консистенциюи коллоиднуюструктуру.

Нефтяные кислоты выделяют из керосино-газойлевых и легких масляных фракций щёлочной обработкой, товарные кислоты выпускаются промышленностью в виде асидола, асидол-мылонафта, мылонафта и дистиллированных нефтяных кислот. В наибольших количествах нефтяные кислоты, выделяемые из средних фракций нефти, используются в мыловарении; нафтенаты кобальта, марганца, цинка, железа, свинца применяются в лакокрасочной промышленности в качестве термостойкихсиккативов.

Широкое использование нашли в сельском хозяйстве (растениеводстве, животноводстве, садоводстве) натриевые соли нефтяных кислот в качестве физиологически активных препаратов — нефтяных ростовых веществ. Применение 50300 г препарата для обработки 1 га повышает урожайность зерновых, бобовыхкультур, овощей, хлопчатника на 10-50 %. НРВ представляет собой 40 % раствор натриевых солей нефтяных кислот с кислотным числом 200-300 мг КОН/г. В

НРВ кроме производных нефтяных кислот содержатся примеси серосодержащих, фенольных соединений, смол, асфальтенов, образующих прочную эмульсию. Однако исследования показали, что очистка продукта от примесей снижает его физиологическую активность. По-видимому, примеси также обладают стимулирующими рост свойствами.

Нефтяные кислоты являются экстрагентами металлов: цезия, бериллия, ниобия, рубидия, молибдена, марганца, лантана, празеодима, неодима, гадолиния, диспрозия; монотионефтяные кислоты — экстрагентами золота, теллура, селена, палладия, серебра, висмута, кобальта, никеля.

Нафтенаты натрия и калия являются инсектицидами, меди

— фунгицидами, марганца, кальция, бария, цинка, хрома, железа, никеля— присадкамиктопливам, масламисмазкам.

Перспективным направлением в использовании нефтяных кислот является более полная реализация присущих им химическихсвойств, вчастностисцельюпроизводстваПАВразличного назначения.

Взаимодействием натриевых мыл нефтяных кислот с дихлорэтаном получают сложные эфиры — пластификаторы каучуков, резин, заменители дибутилфталата и дибутилсебацината. Сложные эфиры нефтяных кислот и жирных спиртов могут применяться как базовые синтетические смазочные масла. Они отличаются высокой термической стабильностью, высокими эксплуатационными свойствами и относительно низкой стоимостью. Большой практический интерес представляют азотсодержащие производные нефтяных кислот. Соли нефтяных кислот с аммиаком и аминами, амиды, нитрилы, имидазолины, четвертичные аммониевые соли обладают поверхностно-активными свойствами, являются деэмульгаторами, диспергаторами, моющими добавками, многоцелевыми присадками к топливам и маслам.

11.3. Азотистые соединения нефти

Содержание азота в нефти может доходить до 1,7 %, но обычно содержание азота изменяется в пределах 0,02-

360

361