Химический состав нефти и нефтепродуктов

элементный химический состав – относительное содержание отдельных элементов : С, Н, О, N, S ; фракционный состав – содержание соединений нефти, выкипающих в определенных интервалах температур ; вещественный состав – содержание углеводородов, гетероатомных и смолисто - асфальтеновых соединений ;

УГЛЕРОД – 83 – 87 % ( масс.). ВОДОРОД – 11 – 14 % ( масс.). СЕРА – 0,02 – 0,5 % - в малосернистых, 1,5 - 6,0 % - в высокосернистых нефтях АЗОТ – 0,01 – 0,6 % ( масс.). КИСЛОРОД – 0,05 – 0,8 % ( масс.). МЕТАЛЛЫ – до 0,05 % ( масс.).

. Углеводороды – наиболее простые по составу органические соединения. Их молекулы построены из атомов только двух элементов – углерода и водорода. Общая формула C n H m. Они различаются по строению углеродного скелета и характеру связей между атомами углерода

Алканы – алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью ( σ - связь ). Осюда и другое их название – предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов – метан СН 4. В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp 3 - гибридизации. Общая формула соединений этого ряда С n H 2n+2. Первые четыре члена гомологического ряда предельных углеводородов ( алканов, парафинов ) имеют тривиальные названия ( метан, этан, пропан, бутан ). Названия последующих гомологов производятся от греческих числительных с добавлением окончания – ан : С 5 Н 12 – пентан, С 9 Н 20 – нонан, С 13 Н 28 – тридекан, С 6 Н 14 – гексан, С 10 Н 22 – декан, С 14 Н 30 – тетрадекан, С 7 Н 16 – гептан, С 11 Н 24 – ундекан, С 15 Н 32 – пентадекан, С 8 Н 18 – октан, С 12 Н 26 – додекан, С 16 Н 34 – гексадекан и т. д.

Циклоалканы или цикланы – углеводороды, содержащие в молекуле циклы ( кольца ), построенные из атомов углерода ( карбоциклические соединения ), связанные между собой σ - связью. Общая формула циклоалканов C n H 2n. В технической литературе ( в том числе и в нефтяной ) циклоалканы называют нафтенами. Последнее название им дал В. В. Марковников, впервые открывший эти углеводороды в 1833 году в бакинских нефтях. Циклоалканы по числу циклов в молекуле подразделяются на моноцикланы ( общая формула С n Н 2n ), бицикланы ( С n Н 2n-2 ) и полицикланы ( С n Н 2n-4, С n Н 2n-6 и т. д.). Циклоалканы составляют основную массу углеводородов нефти. В среднем в нефтях их содержится 40-70%, однако в отдельных случаях содержание нафтенов может достигать 80%. Распределение циклоалканов по фракциям нефти различное. Октановые числа циклоалканов значительно выше, чем у соответствующих им по числу углеродных атомов н - алканов. Нафтены благотворно влияют на технологические свойства масляных дистиллятов, так как обладают достаточно высокой температурой затвердевания и практически не меняют коэффициент вязкости с температурой. Циклоалканы, как и алканы, являются предельными, насыщенными углеводородами, у которых атомы углерода находятся в состоянии sp 3 - гибридизации, или первом валентном состоянии. Атомы углерода в незамещённых циклоалканах замкнуты в цикл.

Арены нефти представлены соединениями следующих рядов : - бензол и его гомологи с общей формулой C n H 2n-6 ; - нафталин и его гомологи с общей формулой C n H 2n-12 ; - сложные конденсированные системы, состоящие из 3, 4 и 5 конденсированных ядер ; - гибридные, или смешанные, углеводороды, состоящие из нафтеновых и ароматических фрагментов. Обычно в нефтях содержится до 15-20% аренов ; в ароматических ( смолистых ) нефтях их содержание может достигать до 35%. В бензиновых фракциях содержатся гомологи бензола : толуол, этилбензол, ксилолы, триметилбензолы, кумол, пропилбензол, метилэтилбензолы. В средних фракциях преобладают алкилбензолы, в основном, ди - и тризамещённые, а также гомологи нафталина. В высших фракциях содержатся высшие гомологи бензола, нафталина, диарилалканы, в молекулах которых изолированные ароматические ядра связаны углеводородным мостиком.

Алкены - ненасыщенные соединения, содержащие двойную связь С = С. Раньше эти соединения называли олефинами. Общая формула алкенов C n H 2n. Ненасыщенные циклические углеводороды с одной двойной связью называются циклоалканами или циклоолефинами ( общая формула C n H 2n-2 ). К алкенам и соответственно циклоалканам причисляют также непредельные углеводороды, содержащие две или более двойных связей. Ранее существовала точка зрения, что алкены не содержатся в нефтях, либо содержатся в незначительных количествах. В конце 80- х г. г. прошлого века было показано, что в ряде нефтей Восточной Сибири, Татарии и других районов России содержание олефинов может доходить до 15-20% от массы нефти. Для первых членов гомологического ряда алкенов часто употребляют тривиальные названия : Аналогичным образом, исходя из названий циклоалканов, строят названия циклоалканов, цикло алкадиенов. В этом случае нумерация начинается от двойной связи : В промышленных процессах нефтепереработки алкены получаются в смеси с алканами. Свойства их заметно различаются, что используется при разделении и выделении индивидуальных соединений.

Алкины - ненасыщенные углеводороды, содержащие в молекуле одну тройную связь. Простейшим представителем алкинов является ацетилен С 2 Н 2, поэтому их часто называют ацетиленовыми углеводородами. Общая формула алкинов С 2 Н 2n-2. Названия алкинов образуются заменой окончания - ан в названии соответствующего алкана на окончание - ин. При составлении названия выбор главной цепи и начало нумерации определяет тройная связь. Для первого члена гомологического ряда сохраняется тривиальное название ацетилен. Иногда эти соединения называют как производные ацетилена : Непредельные углеводороды повышают октановое число топлив. Однако вследствие высокой реакционной способности они легко окисляются кислородом воздуха ( особенно диены ). В результате окисления образуются осадки и смолы, которые могут привести к нарушению работы двигателей. Поэтому для получения стабильных к окислению нефтепродуктов их либо подвергают очистке от непредельных углеводородов, либо добавляют антиокислители. Непредельные углеводороды являются важнейшим сырьём для нефтехимической промышленности. На их основе производят большую часть всех нефтехимических продуктов.

Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти Гетероатомными называют соединения, в которых кроме атомов углерода содержатся гетероатомы (O, S, N). Во всех нефтях присутствуют гетероатомные соединения : кислородные, сернистые, азотистые. В нефтях содержатся гетероатомные соединения как циклического, так и в значительно меньшей степени ациклического характера. Содержание и соотношение их зависит от возраста и происхождения нефти. Количество гетероатомных соединений в низкомолекулярной части нефти невелико ( до 10%). Основная их масса концентрируется в высокомолекулярной части ( до 40%) нефти и особенно в смолисто - асфальтовом остатке ( до 100%). Смолисто - асфальтовых веществ больше в молодых нефтях, и поэтому они обычно содержат больше гетероатомных соединений. Присутствие определённых гетероатомных соединений и их содержание в нефтях имеет большое значение для решения вопроса об исходном материале нефти и процессов её преобразования в период созревания.

Смолисто - асфальтовые вещества Смолисто - асфальтовые вещества - сложная смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти, содержание которых достигает % масс. В высококонцентрированном виде смолисто - асфальтовые вещества находятся в природе в виде природных битумов. Смолисто - асфальтовые вещества представляют собой гетеро органические соединения гибридной структуры, включающие в состав молекул азот, серу, кислород и некоторые металлы (Fe, Mg, V, Ni и др.). На долю углеводородной части смолисто - асфальтовых веществ приходится 80-95% всей молекулы. Наиболее богаты смолисто - асфальтовыми веществами молодые нефти ароматического основания. Нефти более старые, елка нового основания, содержат смолисто - асфальтовых веществ значительно меньше. Смолисто - асфальтовые вещества нефти принято разделять на группы в соответствии с растворимостью их в различных растворителях. Смолисто - асфальтовые вещества объединяют две большие группы высокомолекулярных соединений нефти - смолы и асфальтены, в химическом составе, строении и свойствах которых имеется много общего. Соотношение между смолами и асфальтинами в нефтях и тяжёлых остатках, где в основном они концентрируются, составляет от 9:1 до 7:1.

Минеральные компоненты К минеральным компонентам нефти относят содержащиеся в нефти соли и комплексные органические соединения металлов. Общее содержание их в нефти не превышает 0,03% масс. Часть металлов попадает в нефть при её добыче и транспортировке. В нефтях обнаружены щелочные и щелочноземельные металлы (Na, K, Ba, Sr, Mg), металлы переменной валентности (d- элементы :V, Zn, Ni, Fe, Mo, Co, W, Cr, Cu, Mn, Pb, Ga, Ag, Ti; p- элементы : Cl, Br, I, Si, Al, B, P ) и др. Определение состава и концентрации этих элементов проводят главным образом спектральным анализом золы, полученной при сжигании нефти.

Нефтепродукты Бензин горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 33 до 205 °C ( в зависимости от примесей ). Плотность около 0,71 г / см ³. Теплотворная способность примерно ккал / кг (46 МДж / кг, 34,5 МДж / литр ). Температура замерзания 71 °C в случае использования специальных присадок. Керосин горючая смесь жидких углеводородов ( от С 8 до С 15 ) с температурой кипения в интервале °C, прозрачная, бесцветная ( или слегка желтоватая ), слегка маслянистая на ощупь, получаемая путём прямой перегонки или ректификации. Мазут жидкий продукт тёмно - коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов её вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до ° С. Битумы твёрдые или смола подобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, серднистых и металлосодержащих производных. Битумы нерастворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях ; плотность 0,951,50 г / см ³.

Гудрон остаток, образующийся в результате отгонки из нефти при атмосферном давлении и под вакуумом фракций, выкипающих до °C ( в зависимости от природы нефти ). Содержит парафиновые, нафтеновые и ароматические углводороды (45-95 %), асфальтены (3-17 %), а также нефтяные смолы (2-38 %), адсорбируемые силикагелем из деасфальтизированного продукта. Элементный состав ( в % по массе ): С, 9,3-11,8 Н, 0,2-6,3 S, 0,2-0,7 N, 0,08-1,25 O. Кроме того, в гудроне концентрируются практически все присутствующие в нефти металлы ; так, содержание ванадия может достигать 0,046 %, никеля 0,014 %. В зависимости от природы нефти и степени извлечения газойлеых фракций плотность гудрона составляет от 0,95 до 1,03 г / см ³, коксуемость от 8 до 26 % по массе, температура плавления 1255 °C, температура вспышки от °C. Гудрон используют для производства дорожных, кровельных и строительных битумов, малозольного кокса, смазочных масел, мазута, горючих газов и моторного топлива.

Кислый гудрон отходы, которые образуются при очистке некоторых нефтепродуктов ( например, смазочных масел ) концентрированной серной кислоте ; вязкая жидкость черного цвета, содержащая наряду с органическими веществами % серной кислоты. Лигроин или Нафта смесь жидких углеводородов, получают при прямой перегонке нефти или крекинге нефтепродуктов ( выход % от массы сырья ). Прозрачная желтоватая жидкость. Ранее вырабатывался главным образом как моторное топливо для тракторов. В связи с переводом тракторного парка на дизельные двигатели лигроин как моторное топливо утратил своё значение.