Элементный и групповой химический состав нефти

Нефть в основном состоит из углерода (83-87%) и водорода (12-14%), входящих в состав сложной смеси углеводородов. Кроме углеводородной части в нефти имеется небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси.

Углеводородная часть нефти состоит из парафиновых (алканов), нафтеновых (цикланов), ароматических и гибридных углеводородов. Непредельные углеводороды (олефины), как правило, в нефти отсутствуют, но встречаются в продуктах ее переработки. Газообразные парафиновые углеводороды (от СН₄ до С₄Н₁₀ включительно) присутствуют в нефти в растворенном состоянии. При выдаче нефти из недр Земли на поверхность, когда давление нефти снижается, газообразные углеводороды выделяются из нее в виде попутных газов. Жидкие парафиновые углеводороды (от С₅Н₁₂ до С₁₅Н₃₂ включительно) составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее перегонке. Твердые парафиновые углеводороды (от С₁₆Н₃₄ и выше) растворены в нефти и могут быть выделены. Нефтяные парафины представляют собой смесь преимущественно алканов разной молекулярной массы, характеризуются пластинчатой или ленточной стуктурой кристаллов. При перегонке мазута в масляные фракции попадают твёрдые алканы С₁₈ – С₃₅ с молекулярной массой 250-500. В гудронах концентрируются более высокоплавние алканы С₃₆ – С₅₅ - церезины, отличающиеся от перафинов мелкокристаллической структурой, более высокой молекулярной массой (500-7000 и температурой плавления. Нафтеновые углеводороды в нефтях представлены, главным образом, производными циклопентана и циклогексана. Ароматические углеводороды встречаются в нефтях в небольших количествах, а также образуются в процессе переработки нефти.

В зависимости от преимущественного содержания в нефтях углеводородов различных классов они разделяются на парафинистые, нафтено-парафиновые, нафтено-ароматические, парафино-нафтено-ароматические.

Неуглеводородная часть нефти состоит из сернистых, кислородных и азотистых органических соединений (т.н. гетероорганических соединений).

Сера входит в состав меркаптанов, сульфидов, дисульфидов жирного ряда. По содержанию серы нефти делятся на малосернистые (до 0.5%), сернистые (от 0.5 до 2.0%) и многосернистые (выше 2.0%).

Кислородные соединения нефти составляют нафтеновые кислоты, смолы и асфальтовые вещества. Смолы и асфальты – продукты с высоким молекулярным весом придают нефти темную окраску, они химически неустойчивы и легко при нагревании разлагаются и коксуются (коксогенные компоненты).

Азотистые соединения нефти представлены производными пиридина, хинолина и

аминами. Суммарное содержание кислорода и азота в нефтях 0.5 –1.7%.

Минеральные примеси в нефти: механические примеси, минеральные соли, зола. Вода в нефти находится в двух видах: отделяемая от нефти при отстаивании и в виде стойких эмульсий, которые могут быть разрушены только специальными методами. Минеральные соли растворены в воде, содержащейся в нефти. Кроме названных, в нефтях обна­ружены в незначительных количествах очень многие элементы, в т.ч. металлы (Са, Mg, Fe, Al, Si, V, Ni, Na и др.).

Фракционный состав нефтей. Поскольку нефть и нефтепродукты представляют собой много­компонентную непрерывную смесь углеводородов и гетероатомных соединений, то обычными методами перегонки не удается разделить их на индивидуальные соединения со строго определенными физи­ческими константами, в частности, температурой кипения при дан­ном давлении. Принято разделять нефти и нефтепродукты путем перегонки на отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной смесью. Такие компоненты принято называть фрак­циями или дистиллятами. В условиях лабораторной или промыш­ленной перегонки отдельные нефтяные фракции отгоняются при постепенно повышающейся температуре кипения. Следовательно, нефть и ее фракции характеризуются не температурой кипения, а температурными пределами начала кипения (н.к.) и конца кипения (к.к.). При исследовании качества новых нефтей (т.е. составлении технического паспорта нефти) фракционный состав их определяют на стандартных перегонных аппаратах, снабженных ректификаци­онными колонками (например, на АРН-2 по ГОСТ 11011-85). Это по­зволяет значительно улучшить четкость погоноразделения и пост­роить по результатам фракционирования так называемую кривую истинных температур кипения (ИТК) в координатах температура - выход фракций в % масс, (или % об.). Отбор фракций до 200°С прово­дится при атмосферном давлении, а более высококипящих - под ва­куумом во избежание термического разложения. По принятой мето­дике от начала кипения до 300°С отбирают 10-градусные, а затем 50-градусные фракции до температуры к.к. 475 - 550°С. Таким обра­зом, фракционный состав нефтей (кривая ИТК) показывает потен­циальное содержание в них отдельных нефтяных фракций, являю­щихся основой для получения товарных нефтепродуктов (автобен­зинов, реактивных и дизельных топлив, смазочных масел и др.).

По доле в нефти фракций, выкипающих при одинаковой температуре, нефти классифицируются на легкие и тяжелые. Большинство нефтей содержит 15 -25% бензиновых фракций, выкипающих до 180°С, 45 - 55% фрак­ций, перегоняющихся до 300 - 350°С.

Продукты переработки нефти используют как в качестве целевых продуктов, так и в качестве сырья для дальнейшей переработки. Все нефтепродукты можно разделить на следующие группы:

1. Моторные топлива, в том числе:

– карбюраторное для поршневых двигателей с зажиганием от электрической искры;

– дизельное для поршневых дизельных двигателей с воспламенением от сжатия.

2. Котельные топлива для топок паровых котлов, генераторных установок, металлургических печей.

3. Реактивное топливо для авиационных реактивных и газотурбинных двигателей.

4. Смазочные масла для смазки трущихся деталей машин с целью уменьшения трения и отвода тепла.

5. Консистентные смазки для уменьшения трения между деталями, защиты от коррозии, герметизации соединений, содержащие загустители.

6. Продукты, используемые для нефтехимического синтеза.

Нефтепродукты, используемые в качестве топлив и смазочных материалов должны удовлетворять определенным требованиям. Так, основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются вязкость, вязкостно-температурные свойства, маслянистость, подвижность при низких температурах, химическая стабильность, защитные свойства. К аналогичным характеристикам топлив для двигателей внутреннего сгорания относятся детонационная стойкость, фракционный состав, химическая стабильность, антикоррозионные свойства, а для дизельных топлив также вязкость, температура застывания и коксуемость.

Фракционный состав характеризует температуру начала и конца кипения фракций, получаемых при разгонке бензина в интервале температур 25 –200⁰С.

Важнейшей характеристикой моторных топлив является их устойчивость к детонации – детонационная стойкость.

Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания топлива в двигателе, при котором часть топливной смеси, находящаяся перед фронтом пламени, воспламеняется мгновенно, в результате чего скорость распространения пламени достигает 1500-2599 м/сек. Это приводит к резкому скачкообразному возрастанию давления в цилиндре и возникновению ударной детонационной волны. На режиме детонации мощность падает, расход топлива увеличивается и ускоряется износ деталей.

Мерой детонационной стойкости для карбюраторных двигателей является октановое, а для дизельных двигателей цетановое число. В основе их определения лежит принцип сравнения

испытуемого топлива со смесями эталонных топлив.

Октановым числом (ОЧ) называется условная единица измерения детонационной стойкости,

численно равная содержанию в объемных процентах изооктана в смеси с н-гептаном, которая

детонирует при той же степени сжатия в цилиндре карбюраторного двигателя, что и топливо. При этом октановое число изооктана, мало склонного к детонации, принимается равным 100, а н-гептана, чрезвычайно склонного к детонации, равным 0. Октановое число зависит от класса, молекулярной массы и строения углеводорода.

Октановые числа автомобильных бензинов около 76, авиационные бензины имеют октановое число 100. Для увеличения октанового числа к бензинам добавляют антидетонаторы-

тетраэтилсвинец, например. Введение на 1 кг бензина 4 см3 этиловой жидкости повышает октановое число бензина от 70 до 89 единиц.

Цетановым числом называется условная единица измерения детонационной стойкости, численно равная содержанию в объемных процентах цетана (гексадекана) в смеси с α-

метилнафталином, которая детонирует при той же степени сжатия в цилиндре дизеля, что и топливо. При этом цетановое число цетана С₁₆Н₃₄ принимается равным 100, а α-метилнафталина равным 0.