Состав нефтей, физико-химические характеристики и классификация нефтей

Предмет химии нефти и газа. Нефть и газ как природные объекты, источники энергии и сырье для переработки. Происхождение нефти.

Одной из важнейших задач курса химии нефти и газа является изучение состава нефтей и природных газов с помощью физических и физико-химических методов исследования. Химия нефти занимается также изучением физико-химических свойств углеводородов и неуглеводородных компонентов нефти в связи с их строением.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и органических соединений серы, азота и кислорода. В настоящее время нефть и газ являются основными источниками энергии в большинстве стран мира. В России топливно-энергетический комплекс является одной из основ экономики. Из нефти вырабатываются бензины, керосины, дизельное, реактивное и другие виды топлива.

Другое важнейшее направление использования нефти и газа — в качестве сырья для производства самых разнообразных продуктов нефтехимической, строительной и других отраслей промышленности: полимерных материалов, пластмасс, синтетических волокон и каучуков, смазочных и специальных масел, моющих средств, лаков, красок, растворителей, битумов, кокса и множества других. В этом отношении нефть и газ являются на сегодняшний день незаменимыми природными объектами.

Важнейшими задачами нефтеперерабатывающей промышленности являются увеличение глубины переработки нефти и повышение качества нефтепродуктов.

Нефть и газ — основной экспортный товар и главная статья дохода российской экономики.

Гипотезы происхождения нефти

1 неорганическая

2 космическая

3 органическая

Автором одной из неорганических теорий является Д.И.Менделеев. Согласно этой теории первые органические соединения образовались в результате взаимодействия карбидов металлов, находящихся в ядре земли, с водой, проникшей к ним по трещинам:

СаС2+2Н2О=СаОН2 + С2Н2

Al4C3+ 12Н2O=4А1ОН3 + 3СН4

Под действием высоких температур углеводороды и вода испарялись, поднимались к наружным частям земли и конденсировались в хорошо проницаемых осадочных породах.

Согласно космической теории, нефть образовалась из углерода и водорода при формировании Земли. По мере понижения температуры планеты углеводороды поглощались ею и конденсировались в земной коре.

Наибольшее распространение получила органическая теория. Суть её в том, что нефть является продуктом разложения растительных и животных остатков, отлагающихся первоначально в виде морского ила. Основным органическим материалом для нефти служат растительные и животные микроорганизмы, развивающиеся в гидросфере. Отмершие остатки таких организмов скапливаются на дне заливов. Одновременно в море сносятся различные минеральные вещества. В конечном итогеорганический материал собирается на дне водоема и постепенно погружается все глубже и глубже. Верхний слой такого ила называется пелоген, а частично превращенный ил в большей своей толще — сапропел. По современным представлениям, органическое вещество, захороненное в морском иле, и является материнским веществом нефти.

 

 

Состав нефтей, физико-химические характеристики и классификация нефтей

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 C1-C4, от десятых долей до 4 %, вода от следов до 10 %, минеральные соли главным образом хлориды, 0,1-4000 мгл и более, растворы солей органических кислот и др., механические примеси частицы глины, песка, известняка.

Элементный состав нефти

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие — H2S, 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 тяжелых фракциях и остатках; кислородсодержащие — нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества сосредоточены обычно в высококипящих фракциях. Элементный состав %: 82-87 С; 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 V10-5 — 10-2%, Ni10-4-10-3%, 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.

Основные классы соединений, содержащихся в нефтях

Главные элементы, из которых состоят все компоненты нефти это углерод и водород. В соответствии с элементарным составом основная масса компонентов нефти- УВ.

В низкомолекулярной части нефти выкипающей до 300-350С присутствуют наиболее простые по строению УВ, это: метановые или парафиновые УВ алканы, моноциклические полиметиленовые УВ, циклопарафины, нафтеновые УВ, бициклические полиметиленовые дициклопарафины, моноциклические ароматические, бензольныеУВарены, бициклические смешанныенафтено-ароматические УВ, бициклические ароматические УВ, меркаптаны R-SH, сульфиды, дисульфиды, тиофены, нитросоединения, аминосоединения.

Важным показателем качества нефти является фракционный состав. Фракционный состав определяется при лабораторной перегонке, в процесс которой при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части-фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания. Каждая из фракций характеризуется температурами начала и конца кипения.

При промышленной перегонке нефти используют не лабораторный метод постепенного испарения, а схемы с так называемым однократным испарением и дальнейшей ректификацией. Фракции, выкипающие до 350 град., отбирают при давлении, несколько превышающем атмосферное; они носят название светлых дистиллятовфракций. Обычно при атмосферной перегонке получают следующие фракции, название которым присвоено в зависимости от направления их дальнейшего использования

Физико-химические характеристики

Нефть — сложная многокомпонентная смесь УВ, а также жидкость от светло-коричневого почти бесцветная до тёмно-бурого почти чёрного цвета хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти.

Плотность

Плотность нефти — характеризует состав и качество нефти, легкость отстаивания его от воды.

Плотность делится на:

-абсолютную

-относительную

Для нефти и нефтепродуктов обычно пользуются относительной плотностью, определяемой как отношение плотности нефти при 20С к плотности воды при 4С. Относительная плотность нефтей в основном измеряется в пределах 0,75-1,0 гсм3.

Плотность 0,65-1,05 обычно 0,82-0,95 гсм; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831-0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой.

Плотность измеряют двумя способами: ареометрически, пикнометрически

Относительную плотность нефтей и нефтепродуктов при других температурах можно определить по формуле:

Молекулярная масса

Молекулярная масса- важнейшая характеристика нефти и нефтепродуктов. Этот показатель дает среднее значение молекулярной массы веществ, входящих в состав той или иной фракции нефти.

Молекулярная масса связана с температурой кипения продуктов.

Молекулярную массу экспериментальной можно определить следующими методами:

- криоскопически — в результате изменения температуры замерзания индивидуального вещества после внесения в него испытуемого образца.

- эбулиоскопически — в результате изменения температуры кипения индивидуального вещества после внесения в него испытуемого образца.

- осмометрически- за счет изменения осмотического давления индивидуального растворителя после внесения в него испытуемого образца.

Средняя молекулярная масса сырых нефтей изменяется в пределах 220-300 гмоль редко 450-470.

Вязкость

Вязкостью нефти скоростью истечения или удельной вязкостью назыв. отношение периодов времени истечения определенного объема нефти из некапиллярного сосуда и такого же объема воды. Вязкость определяется при помощи особых приборов называемых вискозиметрами. Вязкость нефтяных фракций увеличивается с увеличением их плотностей; с другой стороны, фракции разных нефтей одинаковой плотности неодинаково вязки; это относится также и к нефти. Нефть становится более вязкой, если она подвергается продолжительное время действию воздуха и света, так как более легкие, летучие части иногда испаряются, отчасти же происходит и химическое изменение нефти.

Различают несколько видов вязкости:

- динамическая вязкость — сопротивление, оказываемое жидкости при перемещении двух ее слоев относительно друг друга, если каждый слой имеет площадь 1м2, а расстояние между слоями 1м со скоростью 1мс.

Величиной, обратной динамической вязкости, называют текучесть.

- кинематическая вязкость — является величина, численно равная отношению динамической вязкости к плотности жидкости при данной температуры.

- условная вязкость — численно равная времени истечению испытуемойжидкости из прибора, называемого вискозиметр.

С повышением температуры вязкость уменьшается, кроме того она зависит от природы компонентов жидкости.

Вязкость изменяется в широких пределах от 1,98 до 265,90 ммсдля различных нефтей, добываемых в России.

Кристаллизация парафина сопровождается помутнением продукта. Следовательно температура помутнение — эта та температура, при которой в жидкости начинают выкристаллизовываться