Групповой и индивидуальный состав нефти реферат
Обновлено: 02.07.2024
Для правильного выбора метода переработки нефти, составления материальных балансов некоторых процессов необходимо знать элементарный состав нефти и нефтепродуктов.
Процентное отношение массового содержания водорода к содержанию углерода (100Н\С) показывает сколько необходимо добавить водорода к сырью в процессе гидрокрекинга, чтобы получить желаемые продукты. Отношение 100 Н/С в бензине равно 17-18, в нефти 13-15, в тяжелых фракциях 9-12.
Данные элементного состава и структурно- группового состава узких фракций масел и тяжелых остатков, из которых выделение индивидуальных соединений невозможно, позволяет значительно расширить представления о структуре веществ, входящих в эти фракции, и построить модель их "средней" молекулы.
Элементный анализ на углерод и водород основан на без остаточном сжигании органической массы нефтепродукта в быстром токе кислорода до диоксида углерода и воды. Последние улавливают, и по их количеству рассчитывают содержание указанных элементов.
Во всей нефти наряду с углеводородами имеется значительное количество соединений, включающих такие гетеро атомы как сера, азот и кислород. Содержание этих элементов зависит от возраста и происхождения нефти.
Сера может составлять от 0,2 до 7,0%, что отвечает содержанию сернистых соединений ~ 0,2-7,0%. Кислорода в нефти содержится от 0,05 до 3,6%, а содержание азота не превышает 1,7%.
Распределение гетеро атомов по фракциям нефти неравномерно. Обычно большая их часть сосредоточена в тяжелых фракциях и особенно в смолистой ее части.
Кислородсодержащие соединения в отечественной нефти редко составляют больше 10%. Эти компоненты нефти представлены кислотами, эфирами, фенолами и др. Содержание кислорода в нефтяных фракциях возрастает с повышением их температуры кипения, причем до 90-95% кислорода приходится на смолы и асфальты.
Наиболее распространенными кислородсодержащими соединениями нефти являются кислоты и фенолы, которые обладают кислыми свойствами и могут быть выделены из нефти или ее фракций щелочью. Их суммарное количество обычно оценивают кислотным числом (количество 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.
Процентное содержание кислорода чаще всего определяют по разности между ста и суммарным содержанием всех остальных элементов в процентах. Это неточный метод, так как на его результатах сказываются погрешности определения всех остальных элементов.
Имеются прямые методы определения кислорода, например, гравиметрический метод пиролиза нефтепродуктов в токе инертного газа в присутствии платинированного графита и оксида меди. О содержании кислорода судят по массе выделившегося СО2.
Сера является наиболее распространенным гетеро элементом в нефти и нефтепродуктах. Содержание ее в нефти колеблется от сотых долей процента до 14% (нефтепроявление Роузл Пойнт, США). В последнем случае почти все соединения нефти являются серосодержащими.
Как и кислородсодержащие соединения нефти, серосодержащие неравномерно распределены по ее фракциям. Обычно их содержание увеличивается с повышением температуры кипения. Однако в отличие от других гетеро элементов, содержащихся в основном в асфальта-смолистой части нефти, сера присутствует в значительных количествах в дистилляты фракциях.
В нефти сера встречается в виде растворенной элементарной серы, сероводорода, меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и производных тиофена, а также в виде сложных соединений, содержащих одновременно атомы серы, кислорода и азота в различных сочетаниях.
Серосодержащие соединения наиболее вредны как при переработке, так и при использовании нефтепродуктов. Они отрицательно влияют на многие эксплуатационные свойства нефтепродуктов. У автомобильных бензинов снижается приемистость к ТЭС, стабильность, способность к нагарообразованию, коррозионную агрессивность. При сгорании сернистых соединений выделяются SO2 и SО3, образующие с водой коррозионно-агрессивные сернистую и серную кислоты. Серный ангидрид (SО3) сильнее, чем SО2 влияет на нагарообразование, износ и коррозию в двигателе, а также на качество масла, При наличии SО3 в продуктах сгорания повышается точка росы и тем самым облегчается конденсация Н2SO4 на стенках гильз цилиндров и усиливается коррозия. При воздействии на масло Н2SО4 образуются смолистые продукты, образующие затем нагар, обладающий в результате повышенного содержания серы большой плотностью и абразивностью и способствующий износу двигателя.
Сернистые соединения могут вызвать временное обратимое отравление. Вместе с тем, при длительном воздействии сернистых соединений, отравление зачастую бывает необратимым. Отравление сернистыми соединениями избирательно ведет к падению активности катализатора лишь в отношении реакций ароматизации углеводородов. При этом возрастает расщепляющее действие катализатора. Снижение скорости реакции ароматизации, с одной стороны, и усиление реакций распада, с другой, вызывает нарушение селективности процесса, ослабление гидрирующей функции катализатора ведет за собой также более быстрое закоксовывание катализатора. Наиболее чувствительны к действию сернистых соединений полиметаллические ренийсодержащие катализаторы.
Содержание азота в нефти редко превышает 1%. Оно снижается с глубиной залегания нефти. Азотистые соединения сосредоточены в высококипящих фракциях нефти, и особенно в тяжелых остатках. Обычно азотсодержащие соединения делят на две большие группы: азотистые основания и нейтральные азотистые соединения.
Азотистые основания сравнительно легко выделяются минеральными кислотами и поэтому наиболее изучены.
Нейтральные азотистые соединения нефти представлены арилпроизводными пиррола и амидами кислот. С увеличением температуры кипения нефтяных фракций увеличивается содержание в них нейтральных азотистых соединений и падает содержание основных.
Интересным типом азотсодержащих соединений являются нефтяные порфирины. Они содержат в молекуле 4 пиррольных кольца и встречаются в виде комплексов с ванадилом VО+2 или никелем. Порфириновые комплексы чаще всего присутствуют в нефти в виде мономолекулярных соединений. Эти соединения различаются алкильными заместителями. Могут встречаться порфирины, которые на перифирии содержат конденсированные с пиррольными ароматическое или ароматическое кольцо.
Порфириновые комплексы нефти обладают каталитической активностью. Предполагают, что они играют определенную роль в реакциях диспропорционирования водорода в процессах генезиса нефти.
Азотсодержащие соединения являются сильнейшим ядом для катализаторов процесса гидрокрекинга. Считают, что высокомолекулярные азотистые соединения прочно адсорбируются на кислотных центрах, блокируя их и понижая тем самым расщепляющую способность.
Содержание азота определяют методом Дюма или методом Кьельдаля. Метод Дюма заключается в окислении нефтепродукта твердым окислителем - оксид меди (I) - в токе диоксида углерода. Образовавшиеся в процессе окисления оксиды азота восстанавливаются медью до азота, который улавливают после поглощения СО2, и по его объему определяют количество азота в нефтепродукте. По методу Кьельдаля нефтепродукт окисляют концентрированной серной кислотой. Из образовавшегося сульфата аммония азот выделяют при обработке щелочью в виде аммиака, который улавливают титрованием раствором кислоты.
К минеральным компонентам нефти относятся содержащиеся в нефти соли, образованные металлами и кислотами, металлические комплексы, а также коллоидно- диспергированные минеральные вещества. Элементы, входящие в состав этих веществ. Часто называют микроэлементами, их содержание колеблется от 10-8 до 10-2 %.
В состав нефти входят многие металлы, в том числе щелочные и щелочноземельные, металлы подгруппы меди, цинка, бора, ванадия, а также типичные неметаллы.
Внутримолекулярные комплексы относительно хорошо изучены на примере порфириновых комплексов ванадила и никеля. Кроме порфириновых в нефтях обнаружены псевдопорфириновые и другие более сложные внутримолекулярные комплексы, где помимо азота в комплекс образовании участвуют атомы кислорода и серы в различном сочетании.
Несмотря на малое содержание в нефти микроэлементы значительно влияют на процессы ее переработки и дальнейшее использование нефтепродуктов. Большиство элементов, находящихся в нефти в микро количествах являются каталитическими ядами, быстро дезактивирующими промышленные катализаторы нефтепереработки. Поэтому для правильной организации технологического процесса и выбора типа катализатора необходимо знать состав и количество микроэлементов. Большая их часть концентрируется в смолистом остатке, поэтому для при сжигании мазутов образующаяся пятиокись ванадия сильно корродирует топливную аппаратуру и отравляет окружающую среду.
До недавнего времени содержание и состав микроэле6ментов нефти определяли исключительно спектральным анализом золы. Этот метод может внести значительные искажения, особенно когда при озолении образуются летучие соединения.
Химико-атомно-спектральный метод анализа нефти и нефтепродуктов на содержание микроэлементов. Метод включает в себя пробоподготовку и прямой анализ полученного раствора атомно-эмиссионным методом с индуктивно связанной плазмой и атомно-адсорбционным методом с пламенным электролитическим атомизаторами. Для анализа используются специально приготовленные образцы сравнения. Метод позволяет определять в нефти и нефтепродуктах содержание микроэлементов до уровней концентраций 0,1-100мг\т.
Групповой состав нефти и нефтепродуктов.
Даже узкие фракции представляют собой сложные смеси гетероорганических соединений. Для технических целей достаточно знать суммарное содержание углеводородов по классам.
Общее содержание алканов в нефти составляет 25-30 %. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях перегоняющихся при 200-300 o С, их содержание обычно уже не превышает 55-61 %.
Алканы нефти представлены изомерами нормального и разветвленного строения, так в нефтях глубокого превращения алканы часто составляют 50 % и более от содержания всех изомеров. Нефти нафтеновой природы содержат в основном алканы изостроения. Массовое содержание циклоалканов колеблется от 25 до 75 %, они присутствуют во всех фракциях. Их содержание растет по мере утяжеления фракции.
Содержание аренов в нефти изменяется от 15 до 50 %. Они представлены в нефтях бензолом и его гомологами, а также производными би- и полициклических углеводородов.
Определение аренов в бензинах проводят комбинированным методом анилиновых точек, сущность которого сводится к расчету массового содержания аренов в процентах. Исходят из изменения критических температур взаимного растворения равных объемов бензина и анилина до и после извлечения аренов.
Определение содержания ненасыщенных соединений в моторных топливах проводят методом озонирования. Этот эксресс-метод состоит в селективном измерении на анализаторе двойных связей количества озона, израсходованного на озонирование ненасыщенных соединений в моторных топливах.
Определение содержания парафиновых и нафтеновых углеводородов в бензинах проводят по удельной рефракции, причем используется зависимость удельной рефракции от температуры кипения.
Структурно-групповой анализ керосиновых и масляных фракций методом n-d-M. По этому методу находят распределение углерода между структурными элементами, входящими в среднюю молекулу исследуемого продукта, а также содержание нафтеновых и ароматических колец в этой молекуле.
Определение нафтеновых углеводородов в нефтяных маслах проводят фотоэлектроколориметрическим методом определения натровой пробы. Сущность метода заключается в воздействии раствора NaОН на масла с последующим отделением щелочной вытяжки, подкислении и определении степени ее помутнения по оптической плотности.
Групповое распределение углеводородов на алкано-, циклоалкановую и ареновую фракции, а также разделение аренов по степени цикличности проводят методом ЖАХ. Пробу хроматографируют, разделяют на хроматографические фракции, определяют выход каждой фракции, показатель преломления, дисперсию и строят номограмму: показатель преломления по оси ординат и выход фракции по оси абсцисс. Фракцию до резкого подъема кривой относят к алкано-циклоалкановой.
Широкое распространение получил метод ФИА - жидкостной хроматографии на силикагеле в присутствии флуоресцирующих (люминисцирующих) индикаторов. В анализируемую фракцию вводят небольшое количество флуоресцирующих индикаторов и красителя. "Ароматический" индикатор хорошо растворим в аренах, но не растворим в других углеводородах. При ультрафиолетовом облучении колонки зона аренов дает ярко-голубую флуоресценцию. Найдены также "олефиновые" индикаторы. По отношению высоты соответствующей зоны к высоте слоя адсорбента рассчитывают содержание алкенов и аренов в нефтяной фракции или нефтепродукте.
Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft , от персидск. нефт ; восходит к аккад. напатум — вспыхивать, воспламеняться) — природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых органических соединений. По цвету нефть бывает красно - коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.
Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1—3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования — например, битуминозные пески и битумы.
По химическому составу и происхождению нефть близка к естественным горючим газам, озокериту, а также асфальту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролитов. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также ископаемые твёрдые топлива.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ
Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C 1 -C 4 , от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси (частицы глины, песка, известняка).
В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30—35, реже 40—50 % по объёму) и нафтеновые (25—75 %). В меньшей степени — соединения ароматического ряда (10—20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).
Элементный состав нефти и гетероатомные компоненты
Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие — H 2 S , меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70—90 % концентрируется в остаточных продуктах — мазуте и гудроне); азотсодержащие — преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие — нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 °C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005—0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10 −5 — 10 −2 %), Ni(10 −4 −10 −3 %), Cl (от следов до 2×10 −2 %) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.
Нефть является одним из главных источников сырья для производства синтетических органических соединений. Преимущества нефти перед двумя другими источниками сырья и энергии - каменным углем и растительными веществами - состоят в том, что в нефти изначально присутствует водород и её легко транспортировать. Кроме того, количество синтетических продуктов, получаемых из нефти, во много раз превышает количество веществ, добываемых из угля, и растительных веществ.
[sms]
В настоящее время особенно остро стоит проблема дифицита сырья - добыча нефти производится в таких масштабах , что по самым оптимистическим прогнозах учёных её запасов хватит не более чем на сто лет . Поэтому использование каждой капли добытой нефти должно быть максимально полным и целесообразным.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ
Основными компонентами нефти являются предельные углеводороды ( парафины), нафтены ( циклопарафины) и ароматические углеводороды.
Состав нефтей позволяет разделить их на три основных типа : нефти метанового, нефтенового и ароматического основания. Разумеется, все три типа соединений присутствуют в нефти, но количество какого-то одного из них всегда преобладает. Это и является основным критерием для классификации нефти.
Основными элементами в составе нефти являются углерод и водород. Количество углерода колеблется в пределах 83-87 %; практически все остальное количество составляет водород (12-14%). Из других элементов,составляющих нефть, стоит назвать серу, азот и кислород.
Содержание серы в различных типах нефти может колебаться от тысячных долей процента до 6-8 %. Из всех гетероатомов сера играет наиболее важную роль, поскольку ее количество значительно превышает количество азота и кислорода в нефти. Сере всегда уделяется особое внимание, посколь качество продуктов нефтепереработки во многом зависит от сернистых соединений , образующихся в ходе различных процессов.
Содержание азота в нефти обычно не превышает 2 %; кислород содержится в количестве 0,05-4 %.
Если рассмотреть соединения, составляющие нефть, то окажется , что основную массу нефти составляют углеводороды трех гомологических рядов: алканы, циклоалканы и арены. Меньше всего в нефти непредельных углеводородов (алкены, алкадины), их присутствие зафиксировано только в редких случаях.
Основные стадии разделения нефти
Первым этапом разделения нефти является перегонка. на этом этапе становится возможным отделить несколько основных фракций.
Первая стадия перегонки состоит в удалении из нефти пропана, этана, метана и части бутанов. Если этого не сделать, у бензина, полученного из такой нефти, будет слишком высокое давление пара. Эту стадию называют стабилизацией. В результате получают жидкий дистиллят, в составе которого находятся изомеры пентана и более легких углеводородов. Стабилизацию нефти проводят при нормальной температуре и давлений 3-5 атм.
Дальнейшую перегонку проводят при атмосферном давлении. Ее цель - отделить фракции, способные кипеть и отгоняться. В результате этого получают ряд высококипяших фракций и тяжелые неперегоняющиеся остатки.
Из всех предельных углеводородов наиболее легко отгоняются парафины(до пентанов включительно). Дальше разделение протекает сложнее, посколькуу углеводородов с шестью и более атомами углерода резко увеличивается число структурных изомеров. Кроме этого, разделение усложняется присутствиемв смеси циклопарафинов и ароматических углеводородов. В конечном счете
оказывается, что углеводороды сложного химического строения целесообразнее синтезировать из простых соединений, чем получать из нефти.
ОСНОВНЫЕ ПРОДУКТЫ НЕФЕПЕРЕРАБОТКИ
Получение петролатума осуществляется из тяжелого мазута. Состоит разветвленных углеводородов, однако в отличие от нефтяных церезинов водороды петролатума имеют более разветвленные цепи.
ОТКУДА БЕРЕТСЯ НЕФТЬ?
Нефть является не просто источником энергии - сейчас это мерило богаства и влияния государства. Поэтому ученые многих стран вплотную заняты изучением важнейшего вопроса - в каких сказать - как только кому-нибудь он будет известен, человечество простится с проблемой истощения природных ресурсов нефти. Это звучит невероятно, но нефть можно будет создавать искусственно, и она ничем не будет отличаться от природного аналога.
Человечество знает несколько теорий появления нефти. Каждая из них имеет мощное обоснование и право на существование, но теории, которая объяснила бы все процессы без исключения,пока нет.
Первая гипотеза о происхождении нефти принадлежит гениальному русскому учёному М.В.Ломоносову .Ещё в XVIII в. этот выдающийся исследователь предположил,что нефть является результатом превращений захороненных отложений торфа. Впоследствии на базе теории Ломоносова наметилось теоритическое направление, условно названное органическим. Его приверженцы твёрдо убеждены в том, что нефть образуется путем превращения органических веществ. Сторонники неорганического направления утверждают, что нефть образуется в результате реакций между неорганическими соединениями.
В настоящее время сторонники неорганичтве. Однако эти теории интереснстоит рассмотреть подробнее. ,
Впервые о неорганическом происхождении нефти заговорил Д. И. Meнделеев в 1877 г. Им была выдвинута карбидная гипотеза, согласно которой углеводороды нефти синтезируются в природных условиях из карбидов металлов в результате их реакции с водой и кислотами.
Космическая гипотеза Соколова (1892) и вулканическая гипотеза Коста (1902) были с энтузиазмом восприняты современниками, однако к 30-40-м гг. в них обнаружили столько недостатков и неточностей, что они были отвергнуты.
Идея органического происхождения нефти нашла огромное количество подтверждений , поэтому большинство исследователей являютсяеё сторонниками. При этом некоторые из них уверены, что в создание нефти принимают участие некоторые микроорганизмы . Этот вопрос сейчас всесторонне исследуется.
Одной из базовых теорий данного направления является теория осадочно- миграционного происхождения нефти, выдвинутая в 70-х гг. ХХ в. советским учёным Вассоевичем .Вассоевич предположил, что в осадочных горных породах захоронено богатое углеродом неорганическое вещество, которое и является основным источником нефти . Происхождение этого вещества Вассоевич объяснил так.
Отмирающий зоо- и фитопланктон соленых водоёмов выпадает в осадок.К нему присоединяются остатки более высокоорганизованной живой материи. В результате образуется достаточно тонкая смесь органического материала и минеральной массы. Скапливаясь на дне водоема и постепенно опускаясь все глубже и глубже в недра земли, смесь образует многочисленные мелкие вкрапления органического вещества в осадочные горные породы. Отдельные компоненты органического вещества со временем образуют отдельные фракции нефти, которые смешиваются под давлением новых слоев осадочных пород.
По мнению Вассоевича, образование компонентов нефти проходит в два этапа. На первом (более раннем) этапе образуются углеводороды и кислородсодержащие соединения. Эти пророцессы протекают в результате жизнедеятельности микроорганизмов, населяющих придонную часть водоёмов.Процессы этого этапа протекают при небольших температурах и могут сопровождаться полимеризацией непридельных соединений и некоторых кислородосодержащих соединений с образованием нерастворимых веществ.
Однако по мере погружения осадка бактериальные процессы сменяются высокотемпературными, в которых важное каталитическое действие исполняют многие минералы.
Реакции этого этапа характеризуются образованием газообразных продуктов - метана, оксида углерода(II), паров воды и т. д., а также интенсивным образованием предельных углеводородов.
Процессы образования нефти постепенно прекращаются, по мере того как расходуется та часть органического вещества, из которой возможно генерировать компоненты нефти.
Теория Вассоевича также объясняет тот факт , что в природе встречаются нефти различных типов. Согласно теории, состав нефти зависит от состава исходного органического вещества, геохимических условий процесса образования нефти, а также от влияния биохимических, химических и физических процессов, происходящих в нефтяных залежах с течением времени.
Теория Вассоевича в настоящее время является основной теорией появления нефти, однако это не значит, что она не нуждается в доработке. Существует еще множество вопросов, для которых требуются дополнительные исследования, и ученым будущего еще предстоит пролить свет на многие тайны этого удивительного процесса.[/sms]
Нефть представляет собой вязкую, маслянистую жидкость с характерным запахом. Цвет ее зависит от растворенных в ней смол: темно-бурая, буро-зеленоватая, а иногда светлая, почти бесцветная. На свету нефть слегка флуоресцирует. Она легче воды и всегда образует на водной поверхности растекающиеся (до мономолекулярного слоя) пятна. Плотность нефти зависит от месторождений и колеблется от 770 до 880 кг/м 3 .
Кинематическая вязкость большинства нефтей редко превышает 40–60 мм 2 /с при 20°С. В воде нефть не растворяется, а при интенсивном перемешивании образует стойкие, медленно расслаивающиеся эмульсии. Так как нефть представляет сложную смесь индивидуальных углеводородов, то она не имеет определенных физических констант, таких, как температура кипения, температура застывания и др.
При рассмотрении физических и химических свойств нефти различают три вида ее составов: фракционный, групповой химический и элементный.
Фракционный состав нефти. При атмосферном давлении и повышении температуры из нефти испаряются последовательно различные индивидуальные углеводороды. В зависимости от температурного интервала, в котором выкипают нефтепродукты, они сгруппированы в различные фракции. Следовательно, фракцией называется группа углеводородов, выкипающая в определенном интервале температур.
Ниже приведены интервалы температуры (°С), в которых выкипают общепринятые фракции нефти.
Толиво для реактивных двигателей ……….…120 — 315
После отгонки из мазута масляных фракций остается гудрон или полугудрон, которые используют для получения остаточных масел и битума.
Групповой химический состав нефти и продуктов ее переработки. Групповым химическим составом нефти называют содержание в ней углеводородов определенных химических групп, характеризуемых соотношением и структурой соединения атомов углерода и водорода.
Химические группы (гомологические ряды) углеводородов характеризуются прежде всего количественным соотношением атомов углерода и водорода. Это соотношение выражается общей формулой группы.
Рассмотрим основные; группы углеводородов, содержащихся в нефти и продуктах ее переработки.
Алканы (парафиновые углеводороды) являются насыщенными углеводородами (в них отсутствуют двойные связи). Общая химическая формула алканов СnН2n+2 (где n – число атомов углерода).
Количество алканов в нефтях зависит от месторождения нефти и составляет 25–30 %. В нефтях некоторых месторождений, с учетом растворенных в них газов, содержание алканов достигает 50–70 %. В различных фракциях одной и той же нефти содержание алканов обычно неодинаково и уменьшается по мере увеличения молекулярной массы фракции и температуры конца ее кипения. Например, в головной фракции нефти, выкипающей до 300°С, содержание алканов достигает 88 %. В остаточных фракциях их содержание снижается до 5–10 %.
По своей структуре алканы бывают нормальные и изоалканы.
Структура нормальных алканов представляет собой неразветвленную цепочку атомов углерода, свободные валентности которого заняты водородом.
Если цепочка атомов углерода имеет одно или несколько разветвлений, структура называется изомерной, а имеющие такую структуру алканы называют изоалканами. Общая формула при этом сохраняется (СnН2n+2).
Изомерная структура алканов существенно влияет на их физические и химические свойства. Температура кипения жидких и температура плавления твердых изоалканов, как правило, ниже, чем у нормальных алканов. Нормальные алканы при низких и умеренных температурах обычно очень инертны, в том числе и по отношению к кислороду. Это способствует, например, высокой химической стабильности бензинов, содержащих нормальные алканы. Изоалканы при умеренных температурах обладают меньшей стабильностью.
С повышением температуры стабильность нормальных и изоалканов постепенно понижается, причем понижение стабильности у нормальных алканов происходит сначала примерно таким же темпом как и у изоалканов, но при температуре 250–300°С скорость взаимодействия с окислителем у нормальных алканов резко увеличивается и становится значительно выше, чем у изоалканов с той же молекулярной массой. В зависимости от числа атомов углерода алканы имеют газообразное, жидкое или твердое агрегатное состояние. Алканы, у которых число атомов углерода n = 1. 4, при нормальных условиях являются газами (метан, этан, пропан, бутан). При n = 5. 15 это – жидкости, и после n=16 (гексадекан) нормальные алканы – твердые вещества (находящиеся в нефти и продуктах ее переработки в растворенном состоянии).
Цикланы (нафтеновые углеводороды) также являются насыщенными углеводородами.
Они имеют циклическую структуру, их общая формула СnН2n. Впервые цикланы в нефти были найдены известными русскими химиками В. В. Марковниковым и В. Н. Оглоблиным. Содержание цикланов в различных нефтях составляет от 25 до 75%, а в отдельных фракциях некоторых нефтей – до 80 %. Цикланы содержатся во всех фракциях нефти, и по мере увеличения молекулярной массы и температуры конца кипения фракции количество их в ней возрастает.
Цикланы могут состоять из моноциклических структур обычно пяти или шести членов (т.е. групп СН2), а также бициклических, реже соединений из трех колец. Для полициклических соединений общие формулы имеют вид СnН2n-2; СnН2n-4 и СnН2n-6 в зависимости от количества циклов (т.е. колец). Цикланы, состоящие из трех или четырех колец, в нефтях не обнаружены.
По химическим свойствам и особенно по окислительной стабильности цикланы при нормальных температурах практически так же стабильны, как и нормальные алканы, а при высоких температурах (400°С и выше) приближаются по стойкости к изоалканам, т. е. обладают большей химической стабильностью, чем нормальные алканы.
Некоторые моноцикланы и полицикланы имеют гибридную структуру, в которой к кольцам присоединены цепочки алкановых структур.
В продуктах переработки нефти, особенно в бензинах термического крекинга, содержится значительное количество ненасыщенных углеводородов – алкенов и алкадеинов (олефинов и деолефинов).
Алкены (их общая химическая формула СnН2n) отличаются от алканов наличием одной двойной связи между атомами углерода. Двойная связь с ее способностью к легкому разрыву обусловливает малую химическую стабильность алкенов. Они легко вступают и реакцию присоединения, что является причиной их быстрого окисления и окислительной полимеризации. Этим объясняется недостаточная окислительная стабильность бензинов термического крекинга, в которых содержание ненасыщенных углеводородов достигает 40%.
Алкены, так же как и алканы, имеют нормальные и изомерные структуры, Причем изоалкены более разнообразны, чем изоалканы, так как изменяют свои свойства в зависимости не только от расположения и количества боковых цепей, но и от места двойной связи.
Алкадеины имеют две двойные связи, и это вызывает еще большую их нестабильность и реакционную способность, чем у алкенов. Их общая формула СnН2n-2.
Присутствие в нефтепродуктах алкадиенов придает им ряд отрицательных качеств, в том числе склонность к смолообразованию.
Алкены и алкадеины – ненасыщенные углеводороды, и их присутствие в топливах крайне нежелательно, так как сокращает срок возможного их хранения. В нефтях они практически не содержатся.
Простейшим углеводородом ароматического ряда (ареной) является бензол С6Н6. Он имеет шестизвенную кольцевую структуру с тремя чередующимися двойными и одинарными связями.
Для моноциклических аренов общая формула имеет вид СnН2n-6.
Структура более сложных полициклических аренов (например, нафталина) имеет в своей основе соединения двух или нескольких бензольных шестизвенных колец.
Двойные связи аренов устойчивы и не разрываются даже при воздействии азотной и серной кислот, когда происходит реакция замещения одного из атомов водорода (а не реакция присоединения). Разрыва двойных связей у аренов можно добиться только при высокой температуре и в присутствии катализаторов.
Общее содержание аренов в нефтях относительно невелико. В бензиновых фракциях их содержание обычно не превышает 5–25% и зависит от месторождения нефти. В более тяжелых фракциях содержание аренов может достигать 35%.
Элементный состав нефти. Элементным составом нефти называют содержание в ней отдельных химических элементов, выраженное в процентах по массе.
Анализ нефтей различных месторождений показал, что их элементный состав меняется мало. Основные элементы, входящие в состав нефти и в продукты ее переработки, это углерод и водород. Содержание углерода в среднем 83,5–87%., а водорода 11,5–14%. Кроме углерода и водорода в нефти содержится серы 0,01–5,8%, кислорода 0,1–1,3%, азота 0,03–1,7% и следы металлов.
Углерод и водород входят в состав нефти в виде различных соединений углеводородов; кислород и азот находятся обычно в связанном виде (нафтеновые кислоты, смолы, фенолы, амины и др.). Сера может быть как в связанном, так и в свободном состоянии.
Сера особенно отрицательно влияет на эксплуатационные свойства продуктов, получаемых из нефти, поэтому ее содержание является важным критерием для оценки качества нефти.
Примеси, содержащиеся в нефтях, влияют на качество получаемых из нее топлив и смазочных материалов. Современные методы переработки нефти позволяют полностью освободить ее от примесей и, в первую очередь, от особо вредных, таких, как сера и ее соединения, нефтяные смолы и ряд других. Однако следует учитывать, что очистка нефти или полученных из нее продуктов связана со значительными затратами энергии, реактивов, времени и рабочей силы, а некоторые способы очистки — и с потерей определенного количества ценных продуктов и загрязнением окружающей среды.
Сера в нефтях находится в основном в органических соединениях и смолах. Смолы, содержащиеся в нефти, представляют собой высокомолекулярные соединения, в которых кроме углерода имеются кислород, сера, азот и металлы. Содержание смол в нефти изменяется в широких пределах (от 1 до 40% и более).
Читайте также: