Тема 7. Общая классификация нефти

Нефть и газ – это горные породы. Они относятся к группе осадочных пород. Горные породы – это не только твердые вещества, но и жидкие и даже газообразные. К ним относятся нефть и газ. Одно из важных свойств нефти и газа – это способность гореть. Этим качеством обладают также и другие осадочные породы: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все горючие породы образуют особое семейство каустобиолитов (греч. «каустос» – горючий, «биос» – жизнь, «литос» – камень, то есть горючий органический камень). Различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, которые называются битумами, к ним относятся нефть и газ.

В табл. 1 приведены основные составные элементы горючих пород.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении.

В химическом отношении нефть – это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержащая также кислород, азот, серу и реже другие элементы. Нефть состоит из следующих основных элементов: углерода (84– 87 %), водорода (12–14 %), кислорода, азота и серы (1–2 %).

Таблица 1

Основные элементы горючих пород

Тип	Порода	Содержание основных элементов, %			С/Н
		С	Н	О
Угольные	Антрацит	94,0	1,6	1,0		63,0
	Каменный уголь	86,4	5,0	8,6		17,0
	Бурый уголь	69,9	6,4	23,7		10,9
	Торф	63,8	6,4	29,7		9,8
Нефтяные (битумы)	Нефть тяжелая	86,4	13,1	0,5		6,6
	Нефть легкая	84,3	14,0	1,7		6,0

В нефти содержатся три большие группы углеводородов: предельные, нафтеновые и ароматические углеводороды.

• Предельные углеводороды (алканы), формула которых C_nH_2n+2, то есть углеводородная цепочка всегда окружена водородной оболочкой. Этот ряд алканов можно представить следующим образом:

1. n=1 до 4 (то есть четыре составляющие ряда) – это газы CH₄÷C₄H₁₀;

2. следующие 12, то есть от n = 5 до n = 16 – это жидкости C₅H₁₂÷C₁₆H₃₄;

3. начиная с n = 17 алканы могут находиться в нефти в твердом состоянии в виде кристаллов и входят в состав парафинов. Отсюда ещё одно название углеводородов – парафиновые. Название первых десяти углеводородов по порядку:

CH₄ – метан

C₂H₆ – этан

C₃H₈ – пропан

C₄H₁₀ - бутан

C₅H₁₂ – пентан

C₆H₁₄ – гексан

C₇H₁₆ – гептан

C₈H₁₈ – октан

C₉H₂₀ – нонан

C₁₀H₂₂ – декан.

Начиная с четвертого углерода – бутана, все имеют несколько разновидностей – изомеров. Изомеры соответственно различаются по структуре, по прочности связей, а поэтому различаются по свойствам: например, температура плавления и кипения у изомеров ниже, чем у основных углеродов. Лучшие бензины для современных бесшумных автомобилей состоят не из истинных бензинов, а из их изомеров.

Нафтеновые углеводороды – циклические насыщенные углеводороды со структурной формулой C_nH_2n. В их молекулах как бы «не хватает» двух атомов водорода, такие углеводороды называют ещё непредельными или алкенами, в природной нефти их нет, они образуются при её вторичной переработке.

У нафтенов может быть не одно, а несколько колец – отсюда название: моноциклические, бициклические или полициклические со структурными формулами C_nH_2n-2 и C_nH_2n-4 (цикланы).

Ещё одно название – циклопарафины произошло от способности колец нафтенов удерживать при себе цепочку метановых углеводородов. Это свойство определяет большую плотность, чем у метановых, в нормальных условиях – это всегда жидкости.

• Ароматические углеводороды получили название из-за специфических запахов. Структурная формула C_nH_2n-m, где m – четные числа. Представителем ароматических углеводородов являются бензол C₆H₆ и его производные (гомологи). Ароматические углеводороды сильно недонасыщены водородом, но химически малоактивны. В нормальных условиях – это жидкости, имеют низкую температуру застывания: от -25 до -88 ^оС.

Если в нефти преобладает один из трех представителей углеводородов (более 50%), то её соответственно называют метановой, нафтеновой, ароматической. Если в нефти содержится кроме преобладающего ещё один из трех углеводородов в количестве не менее 25 %, то нефти дают комбинированное название, например метано-нафтеновая.

Классификация нефти по углеводородному составу определяет нефть как раствор чистых углеводородов и органических соединений, то есть углеводородов, содержащих в молекуле атомы кислорода или азота, или серы. Заметьте, не смесь, а раствор (причем не такой, как раствор сахара в воде) – раствор различных соединений друг в друге.

Характеристиками нефти кроме углеводородного состава являются ещё две – элементный и фракционный составы.

Углеводородов большое многообразие, но элементный состав нефти колеблется в небольших пределах: углерод – 83–87%, водород – 11–14%. Доля других элементов, объединенных в группу смолисто-асфальтовых веществ, составляет от 2 до 6%. При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента), состоящая из окислов кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия, ванадия. Соединения ванадия являются переносчиками кислорода и способствуют интенсивной коррозии.

Сера в нефти находится в виде сероводорода, сульфидов, иногда – в свободном виде. Сера и её соединения активно взаимодействуют с металлами, также вызывая сильную коррозию.

По содержанию серы нефть делят на три класса: малосернистая (до 0,2 %), сернистая (0,2–3,0 %), высокосернистая (более 3,0 %).

Следующая примесь – азот, он безвреден и инертен, почти не контролируемый при проводимых анализах нефти. Доля его в нефти не превышает 1,7 %.

Элементарный (химический) состав нефти полностью не известен. Трудность определения состава заключается в следующем:

- во-первых, в нефти можно обнаружить более половины элементов таблицы Менделеева;

- во-вторых, уже сейчас обнаружено 425 индивидуальных углеводородов и 380 углеводородов, содержащих серу, азот и кислород.

Соединения из нефти выделяют пока лишь путем перегонки, при этом состав нефти может значительно измениться в результате различных реакций.

Следующее понятие – твердые углеводороды. Это родственники нефти и их довольно много.

Мальты – очень вязкие, полужидкие смолистые нефти. Плотность – 0,97–1,0, то есть они едва-едва не тонут в воде.

Кериты – ещё более плотные вещества, на них почти не действуют органические растворители, они практически не содержат ни серы, ни азота, ни кислорода.

Элькериты и антраксолиты – разнообразная группа минералов неясного происхождения, состоящая почти из чистого углерода.

Асфальты – твердые аморфные углеводородные вещества различной степени плавности и твердости, содержащие неодинаковое количество серы, кислорода и азота. Они отличаются невысокой температурой плавления и поддаются действию сильных растворителей бензина и бензола. Плотность больше, чем у воды. Самое большое месторождение чистого асфальта открыто в Венесуэле – это смоляное озеро Бермудез. Его площадь – более 440 Га, глубина залегания – 6 м.

Состав нефти и асфальта принципиально различается тем, что в нефти всегда есть доля парафина (нефть Ставрополья содержит до 28 % парафина), а в асфальте его нет совсем. Искусственные бензины, получаемые из асфальта, по качеству превосходят натуральные.