2.2. Групповой и химический состав нефти

Знание группового состава нефти позволяет выбрать наиболее эффективный способ ее переработки. Принято входящие в состав нефти химические соединения подразделять на три большие группы: углеводороды, гетероатомные соединения и микроэлементы. Основная масса компонентов нефти представлена тремя классами углеводородов: парафиновые (алканы), нафтеновые (циклоалканы), ароматические (арены) и гибридные — парафино-нафтено-ароматические.

Парафиновые углеводороды

В состав нефти могут входить газообразные (С1—С4), жидкие (С5—С15), и твердые (С16—С60) парафины. Преимущественно это углеводороды нормального строения. Парафины с разветвлен­ной цепью составляют доли процента и построены на основе изопреноидных структур:

При нормальных условиях (Р = 0,1013 МПа и Т = 273 К) пара­фины С5—С15 являются жидкостями и входят в состав бензиновых (С5—С10) и керосиновых (С11—С15) фракций. Большая их часть нормального строения.

Жидкие парафины существенно влияют на величину октано­вого и цетанового числа топлива (подробнее ниже)

Углеводороды с числом углеродных атомов более 16 являют­ся твердыми веществами:

• углеводороды нормального строения С16—С35 — парафины;

• углеводороды изомерного строения >С36 — изопарафины или церезины.

Отличаются церезины более высокой молекулярной массой и температурой кипения. По химическим свойствам церезины менее инертны, чем парафины. Они легко реагируют с серной, азотной и хлорсульфоновой кислотами. Парафины, наоборот, очень стойки на холоде к воздействию различных сильнодейст­вующих реагентов и окислителей.

Нафтеновые углеводороды

Нафтеновые (циклановые или полиметиленовые) углеводо­роды весьма равномерно распределены в нефтях независимо от их геологического возраста. В среднем нефти содержат до 25—75 % мас. нафтенов.

Нафтены представлены в нефтях моно-, би- и полицикличе­скими соединениями. Особенно велико содержание в бензиновых и керосиновых фракциях неф­ти метилзамещенных циклопентанов и циклогексанов. Поли­циклические конденсированные соединения содержатся в высококипящих фракциях нефти

Нафтены благотворно влияют на технологические свойства масляных дистиллятов, так как обладают достаточно высокой температурой затвердевания и практически не изменяют коэф­фициент вязкости с температурой.

Ароматические углеводороды

Арены (ароматические углеводороды, содержащие одно или несколько бензольных колец, в том числе конденсированных) в нефти представлены соединениями следующих рядов:

• бензол и его гомологи, С_nН_2n-6;

• нафталин и его гомологи: С_nН_2n-12;

• сложные конденсированные системы, состоящие из 3, 4 и 5 конденсированных ядер;

• гибридные, или смешанные, углеводороды, состоящие из нафтеновых и ароматических фрагментов.

Экспериментально было установлено, что для каждой из фракций нефти характерны свои ароматические углеводороды. Причем с увеличением молекулярной массы фракции содержа­ние аренов в них повышается; ароматические углеводороды ста­новятся все более конденсированными.

Углеводороды гибридного (смешанного) строения имеют в своем составе различные структурные элементы: ароматические кольца пяти- и шестичленные циклопарафиновые циклы и али­фатические парафиновые цепи. Сочетание этих элементов может быть разнообразным, а число изомеров - огромным. Например, изопропилбензол состоит из алифатической парафиновой цепи и ароматического кольца. В данном случае в ароматическую систе­му входит около 61 % атомов углерода, и именно ароматическое кольцо оказывает влияние на физические и химические свойства вещества. Поэтому изопропилбензол не является гибридным и относится к классу ароматических углеводородов.

Для бензиновых, фракций характерно наличие почти всех изо­меров гомологов бензола. При этом, чем более насыщена угле­родом молекула и чем более она разветвлена, тем больше их со­держится во фракции. Например:

Соотношение гомологов бензола в бензиновых фракциях:

В бензиновой фракции присутствует простейший гибрид­ный, или смешанный, углеводород — индан.

Условно гибридные углеводороды можно подразделить на три типа: алкано-нафтеновые; алкано-ареновые; алкано-нафте-но-ареновые. Алкано-нафтеновые углеводороды представляют собой либо длинные парафиновые цепи с циклопарафиновыми заместителями, либо моно- или полициклические структуры с несколькими более короткими боковыми парафиновыми цепя­ми. Эти углеводороды свойственны легкокипящим фракциям нефтей. Алкано-ареновые углеводороды представляют собой нормальные парафины с фенильными заместителями в конце цепи. Число ароматических колец в них не превышает двух. Та­кие углеводороды встречаются в керосиновых фракциях. Алкано-нафтено-ареновые углеводороды, как правило, содержат одно или два ароматических кольца конденсированного типа и от одного до трех полиметиленовых колец. Число ароматических колец в таких системах редко достигает трех. Этот тип гибрид­ных углеводородов наиболее распространен среди углеводородов высокомолекулярной части нефти.

В керосиновых фракциях ароматические углеводороды также представлены гомологами бензола, но с более длинными углево­дородными цепями, чем в бензиновых фракциях:

где R₁ и R₂ — углеводородные радикалы <С₁₂.

Наряду с ними, в керосиновых фракциях установлено нали­чие заметных количеств гомологов нафталина. Среди них встре­чаются метил- диметил- и полиметилзамещенные нафталины. Обнаружены также и гибридные углеводороды — тетралин и его гомологи.

В более тяжелых — керосино-газойлевых, дизельных и масля­ных фракциях — ароматические углеводороды представлены го­мологами нафталина и конденсированными ароматическими уг­леводородами. Причем, чем выше температуры кипения углево­дородов во фракции, тем более насыщена кольцами молекула, а количество гомологов нафталина уменьшается. Например, в масляных фракциях обнаружены аналоги антрацена.

В очищенных «товарных маслах гибридные углеводороды алкано-нафтенового типа представлены преимущественно моно- и бициклическими цикланами с длинными алкильными цепями (до 50-70 % масс.). Выделенные из нефти арены можно использовать в разных целях. Главным образом - это ценное сырье для промышленно­го органического и нетфехимического синтеза (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, нафталин). Возможна их добавка к мотор­ным маслам, так как они наименее склонны к детонации. А вот в дизельном топливе они нежелательны, так как ухудшают про­цесс его сгорания.