РАЗДЕЛ II. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕФТИ. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ И НЕФТЕПРОДУКТОВ. НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ
Нефть представляет собой маслянистую жидкость от светло-желтого (редкие «белые» нефти) до коричнево-бурого и даже черного цвета, обычно легко текущую, реже — малоподвижную. Иногда встречаются твердые нефти (п-ов Мангышлак).
Основными химическими элементами, составляющими нефть, являются углерод (С) и водород (Н), содержащиеся в различных нефтях в количествах (% мас.) 82-87 и 11-15 соответственно. Оставшуюся долю составляют сера (S), азот (N), кислород (О) и металлы (ванадий, никель, железо, кальций, натрий, калий, медь и др.), находящиеся в нефтях в виде сернистых, азотистых, кислородсодержащих и металлоорганических соединений. Таким образом, по своему составу нефть представляет собой очень сложную смесь органических веществ, преимущественно жидких, в которой растворены (или находятся в коллоидном состоянии) твердые органические соединения и сопутствующие нефти газообразные углеводороды (попутный газ).
Углеводороды, т.е. органические вещества, состоящие только из углерода и водорода, являются основной частью всех нефтей. Следует отметить, что в нефтях, за редким исключением, отсутствуют ненасыщенные углеводороды, относящиеся к классу непредельных (олефины или алкены). В углеводородный состав нефтей входят алканы (парафины), цикланы (циклопарафины или нафтены) и арены (ароматические углеводороды). Относительное содержание этих групп углеводородов в разных нефтях различно. Преобладание той или иной группы в нефти придает ей определенные свойства, что определяет направление и комплекс процессов ее переработки, а также качество и области применения получаемых из нее нефтепродуктов.
Парафиновые углеводороды (алканы)
Гомологический ряд парафиновых (алкановых) углеводородов именуют также метановым рядом по названию первого его члена (гомолога) — метана (СН4). Метан (С,), этан (С2), пропан (С3) и бутаны (С4) являются при нормальных условиях (20°С, 760 мм. рт. ст.) газами и входят в состав нефтяных газов, которые растворены в нефти, когда она находится под большим давлением в нефтяном пласте, и выделяются из нее в виде свободной газовой фазы, когда нефть при ее добыче выходит из скважины. Нефтяные газы, богатые пропаном и бутанами, именуют жирными, в отличие от природных газов, как правило, состоящих на 97-98% об. из метана, которые называют сухими.
Начиная с бутана, каждый апкан может иметь как нормальное строение (н-алкан), т.е. прямую (неразветвленную) цепь, как у н-бутана (СН3-СН2-СН2-СН3), так и изомерное (разветвленное) строение, как у изобутана
Таким образом, изомеры — это вещества, имеющие одну и ту же химическую формулу, но различную структуру (строение). С увеличением числа С-атомов в молекулах н-алканов количество изомеров быстро возрастает: для бутана существуют 2 изомера, для пентана (С5) — 3, для декана (С10) — 75, для эйкозана (С20) — 366319 изомеров.
Парафиновые углеводороды от пентана (С5) до гексадекана (С16) включительно при нормальных условиях являются жидкостями и входят в состав бензинов, керосинов и дизельных топлив. При этом изопарафины — весьма желательные компоненты бензинов, придающие им хорошие антидетонационные свойства (см. далее), так как обладают высокими октановыми числами, а н-парафины по той же причине (у них высокие цета- новые числа) — желательные компоненты дизельных топлив.
Парафиновые углеводороды от С]7 и выше при нормальных условиях являются твердыми веществами: их температуры плавления возрастают с увеличением молекулярной массы. Твердые парафины присутствуют преимущественно в масляных дистиллятах, а также являются основной массой товарных парафинов и церезинов, причем парафины содержат в своем составе главным образом н-алканы, а церезины — нафтеновые и ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями, преимущественно изостроения.
По технологической классификации нефтей (ГОСТ 912-66) малопарафинистыми считают нефти, содержащие не более 1,5% мас. парафина с температурой плавления 50°С; парафинистыми — нефти с содержанием такого парафина 1,51 -6,0% мае.; нефти, в которых более 6,0% мас. парафина, относят к высокопарафинистым.
Нафтеновые углеводороды (циклоалканы)
Нафтеновые углеводороды, впервые открытые в бакинских нефтях В.В.Марковниковым, являются предельными (не имеющими двойных связей) и поэтому называются еще циклопарафинами. В основном они состоят из гомологов циклопентана (а) и циклогексана (б), имеющих боковые парафиновые цепи различной длины и степени разветвленности, хотя в нефтях обнаружены нафтены с 2-4 циклами (кольцами, ядрами).
Нафтеновые углеводороды, содержащиеся в бензинах, придают им высокие эксплуатационные свойства, а моноциклические нафтены с длинными разветвленными боковыми цепями являются самыми желательными компонентами реактивных и дизельных топлив и смазочных масел. При равном числе углеродных атомов в молекуле нафтеновые углеводороды имеют меньшую температуру застывания, чем парафины. Находящиеся в составе бензиновых фракций нафтены при их каталитическом риформинге превращаются в ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы и др.).
Ароматические углеводороды (арены)
Они относятся к циклическим углеводородам и, в отличие от нафтеновых, содержат в каждом цикле три двойные связи. В нефтях содержатся арены с числом циклов от 1 до 4. Арены, содержащиеся в бензинах, являются гомологами бензола (а); в керосинах и дизельных топливах, кроме гомологов бензола, содержатся производные (гомологи) нафталина (б), а в маслах — гомологи нафталина и антрацена (в).
В соответствии с современными экологическими требованиями количество ароматических углеводородов, особенно бензола, в бензинах резко ограничено; они снижают качество реактивных и дизельных топлив, ухудшая характеристики их сгорания. Нов маслах гомологи бензола с длинными боковыми изопарафиновыми цепями являются весьма желательными компонентами (и нежелательными — арены без боковых цепей и полициклические). Кроме присутствия в качестве компонентов в различных нефтепродуктах, ароматические углеводороды, в силу их высокой растворяющей способности по отношению к органическим веществам, применяют как растворители, атакже в производстве взрывчатых веществ и в нефтехимическом синтезе.