ХИМИЯ НЕФТИ

Хим. состав, структура и формула нефти: химические соединения, компоненты нефти

Нефть является  природным полезным ископаемым, которое представляет собой маслянистую горючую жидкость, нередко –  черного цвета, хотя встречаются  нефти и других цветовых оттенков (коричневого, вишневого, зеленоватого, желтоватого и прозрачного). Её добывают с помощью такой горной выработки, как нефтяная скважина, для формирования которой применяется бурение горных пород.

По своему химическому составу нефть представляет собой  сложную смесь углеводородов с различными примесями. В её состав включены  соединения таких хим. элементов, как  сера, азот и так далее.

Запах этого хим. вещества также различается, в зависимости от содержания в нем  сернистых соединений и углеводородов ароматической группы.

Из чего состоит нефть? Хим. состав нефти

Нефть состоит из углеводородов, которые с химической точки зрения представляют собой соединения атомов углерода и водорода. В общем виде нефть – формула, описываемая как CxHy.

К примеру, такой самый простой углеводород, как метан, состоит из одного атома углерода, связанного с  четырьмя атомами водорода. Другими словами,  формула метана – CH4. Он относится к так называемым легким углеводородам и всегда есть в составе любой нефти.

В зависимости от того, какова концентрация в этом веществе различных видов  углеводородных соединений, хим. и физические свойства нефти могут быть различны. Другими словами, компоненты нефти влияют на её свойства и внешний вид.  Она может быть как текучей и прозрачной, так и  черной и малоподвижной, причем настолько, что из-за высокой вязкости  не выливается даже из перевернутого из сосуда.

Хим. состав  обычной нефти представлен следующими хим. элементами:

• углеродом (около 84-х процентов);
• водородом на уровне 14-ти процентов;
• серой и её соединениями в количестве от одного до трех процентов (сульфиды, дисульфиды, сероводород и сама сера);
• азотом, доля которого – меньше процента;
• кислородом (также меньше  1-го %);
• различными металлами, общая концентрация которых также  меньше 1 % (железо, ванадий, никель, хром, медь, молибден, кобальт и так далее);
• различными солями, доля которых также менее процента (например, хлоридом кальция, хлоридом магния, хлоридом натрия и прочими).

Нефть и сопутствующий ей, как правило,  углеводородный газ могут залегать  на глубине от десятков метров до пяти-шести километров.

Стоит сказать, что при глубине залегания более шести  километров находят только газ, а если глубина залегания продуктивного слоя менее одного километра, то встречается только нефть.

В основном продуктивные пласты находятся глубже одного, но выше шести километров, и там бывают как нефтеносные, так и газоносные слои.

Читать также: Где и как добывается сланцевая нефть?

Породы, в которых залегает углеводородное сырье, называются  коллекторы.  Если описать коллектор простыми словами, то нефть как бы находится в плотной и твердой  губке, состоящей из нефтеносных слоев  различной пористости.

Общая химическая структура нефти

Состав и свойства нефти оказывают большое влияние на её дальнейшую переработку. углеводорода в нефти может варьироваться от 83-х до 87-ми процентов, водорода – от 12-ти до 14-ти %, а содержание серы колеблется в районе 1-го – 3-х %. Эту сложную химическую смесь в основном представляют  различные соединения углерода и водорода: парафиновые, нафтеновые и ароматические.

Основные компоненты нефти – это углеводородные соединения, которые бывают следующих видов:

Парафиновые углеводороды

Этот компонент нефти имеет и другое название – алканы. Общая химическая формула –  СnН2n + 2.

Если в парафинах менее четырех атомов углерода, то это – газы, известные нам как этан, метан, бутан. пропан, изобутан. Их отличает высокий показатель детонационной стойкости. Другими словами, их октановое число (если считать по моторному методу) – более 100.

Если в таких углеводородах от пяти до пятнадцати углеродных атомов, то это – жидкости. Если атомов углерода больше 15-ти, то это – твердые вещества.

В различных видах топлива и смазочных материалов концентрация алканов весьма  высока, вследствие чего для этих  нефтепродуктов характерна   высокая стабильность. Для автомобильных бензинов высокого качества крайне  желательно наличие в их составе изопарафиновых соединений, поскольку они весьма устойчивы к кислородному воздействию в условиях высоких температур.

Наличие в составе топлива нормальных парафинов, которые при высоких температурных значениях  легко окисляются, значительно уменьшает уровень детонационной стойкости бензина, однако одновременно уменьшает время, которое проходит с момента подачи бензина в двигатель внутреннего сгорания до воспламенения топливной смеси, а это позволяет наращивать давление более плавно, что благотворно влияет на работу двигателя. В связи с этим наличие нормальных парафиновых соединений желательно в более тяжелом дизельном топливе, хотя в его зимних сортах количество таких парафинов ограничивается.

Читать также: Российский эталлон – нефть URALS

Углеводороды нафтеновой группы

Другое название – цикланы. Представляют собой насыщенные циклические углеводородные соединения, общая формула которых выглядит как СnН2n. В нефти цикланы представлены как циклопентан(С5Н10) и циклогексан(С6Н12 ).

Благодаря своему циклическому строению, цикланы отличаются  высокой химической прочностью.

Углеводороды нафтеновой группы при сгорании  выделяют меньше теплоты (если сравнивать их с парафиновыми соединениями), однако также обладают высокой детонационной стойкостью.

Смазочные нефтепродукты, содержащие    нафтеновые углеводороды,  более  вязкие и  маслянистые.

Ароматические углеводороды

Другое название – арены. Их эмпирическая формула – СnН2n–6. В нефти они представлены как бензол (формула С6Н6 ) и его гомологи.

Благодаря высокому показателю своей  термической устойчивости, арены являются желательными компонентами в карбюраторных топливах, октановое число которых должно быть как можно выше. Однако, поскольку арены обладают высокой нагарообразующей способностью, их содержание  в бензинах допустимо до отметки 40 – 45 процентов.

Из-за своей высокой термической стабильности наличие аренов в дизельных видах топлива нежелательно.

Непредельные углеводороды

Другое название – олефины. В сырой нефти они не содержатся, а образуются во время нефтепереработки. Непредельные углеводородные  соединения – это важнейшее сырье, необходимое для  получения топлива с помощью нефтехимических методов и основным  органическим синтезом.

Общая эмпирическая формула таких углеводородов – СnН2n (к примеру, С2Н4 – это всем известный этилен).

Низкий уровень химической стойкости олефинов негативно сказывается на практической эксплуатации нефтепродуктов, поскольку снижает уровень их  стабильности.

К примеру, бензины, получаемые с помощью  термического крекингового процесса, в результате  окисления содержащихся в них  олефинов осмоляются в процессе хранения и  загрязняют карбюраторные жиклеры и впускные трубопроводы.

Другими словами, присутствие  олефиновых соединений в любых видах нефтепродуктов нежелательно.

Соединения серы

На большом числе месторождений добывают сернистую или высокосернистую нефть.

При переработке такого сырья необходимы дополнительные затраты, поскольку увеличение концентрации серы в бензине с 0,033 до 0,15  процентов приводит к:

• снижению мощности двигателя на 10,5 процентов;
• увеличению расхода топлива на 12 процентов;
• возрастанию количества  необходимых капремонтов вдвое.

Читать также: Текущая ситуация и прогноз стоимости нефти

Помимо этого, того, сернистое топливо сильно вредит экологии окружающей нас среды.

Соединения серы делятся на активные и не активные. Активные вызывают коррозию металлов в нормальных атмосферных условиях. К ним относятся:

№Полезная информация

1	Н2S (сероводород)
2	R — SН (меркаптановые соединения; R – это углеводородный радикал)
3	S (сера)

И в растворенном, и во взвешенном состоянии, они оказывают сильное коррозионное воздействие на металлы практически при любых температурах, поэтому их присутствие в нефтепродуктах – недопустимо.

Неактивные соединения серы в нормальных условиях коррозию не вызывают.

Однако, после полного сгорания топлива они образуют  в двигателе серные и сернистые  ангидриды, которые в соединении с водой образуют  серную и сернистую кислоту.

Малосернистая нефть содержит от 0,1 до 0,5 процента соединений серы, а  сернистая –  до 4-х %.

Кислородные соединения

В сырой нефти это – кислоты, фенолы, эфиры и прочие соединения. Большую часть таких веществ содержат высококипящие нефтяные фракции.

Способны вызывать сильную коррозию некоторых видов цветных металлов (цинк, свинец и так далее), из-за чего их содержание в различных нефтепродуктах строго ограничивается стандартами.

Смолисто-асфальтовые компоненты

Представляют собой сложные высокомолекулярные смеси таких элементов, как азот, кислород, сера и некоторые металлы. В сырой нефти их может быть от долей процента до десятков целых процентов.

Обладая высокой красящей способностью, именно эти соединения и определяют цвет нефти. Они очень неустойчивы, легко изменяются и крайне плохо испаряются, что негативно сказывается качестве топлива и различных видов масел.

Соединения азота

Заметного влияния на качество получаемых нефтепродуктов не оказывают, поскольку их содержание в сырой нефти – крайне мало.

Михаил Леонтьев: Цены на нефть и госдолг США. Выборы в Молдавии и Грузии * Формула смысла (31.10.16)

Источник: https://neftok.ru/raznoe/neft-formula.html

Происхождение нефти и ее свойства

Нефть — это комплекс сложных углеводородов природного происхождения в жидком агрегатном состоянии. Распространено мнение, что нефть имеет черный цвет, однако все ее физические характеристики напрямую зависят от состава. Даже в пределах одной зоны может добываться как очень густая, практически черная нефть, так и водянистая жидкость с едва заметным фиолетовым отливом.

Неоднородным составом объясняется высокая вариативность в ценах на нефть. Больше всего на международном рынке ценится нефть марки Brent, а также эталонные смеси вида Dubai Crude.

Нефть этих марок имеет оптимальный состав и плотность при минимальном содержании посторонних примесей.

Марки Urals, Siberian Light, добыча которых ведется в России, ценятся несколько ниже из-за меньшего содержания полезных углеводородов и необходимости проводить дополнительную очистку.

На текущий момент нефть считается главным полезным ископаемым, по объему добычи она уступает только природному газу. Нефть используется практически во всех областях промышленности:

• топливная энергетика;
• химическая промышленность;
• медицина;
• пищевая промышленность;
• строительство.

Надо отметить, что в чистом виде нефть используется крайне редко — основными потребителями сырой нефти являются производители топлива. Остальные сферы применения нефти требуют ее поэтапной очистки, в результате которого нефть разделяется на фракции, пригодные к использованию в различных целях.

Открытие нефти

Нефть использовалась людьми задолго до того, как обрела славу «черного золота». Жители древнего Вавилона добывали природные битумы со знаменитого асфальтового озера и использовали их в качестве строительного клея. Это озеро до сих пор действует и используется жителями близлежащих деревень, хотя объемы добычи, конечно, значительно снизились.

Открытые источники нефти служили источником природного асфальта, битума и жидкой нефти для жителей Индии и Древнего Египта. Там они использовались для отапливания помещений, при строительстве пирамид, а также в медицинских целях.

Современная история нефти началась лишь в середине 19 века, в 1853 году. Тогда польскому химику Игнатию Лукасевичу впервые удалось провести безопасную и эффективную дистилляцию нефти на различные фракции. Спустя три года был открыт первый в мире завод по перегонке нефти — там проводился синтез чистого керосина, который шел на нужды промышленности всей Европы.

Первая достоверно зафиксированная скважина глубиной чуть более 20 метров была пробурена в Пенсильвании, США. Приток нефти был столь велик, что показатели прибыльности этой скважины превысили все возможные прогнозы. Новости об открытии столь обширного месторождения нефти разлетелась по всему миру, послужив толчком для роста нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности.

Растущий спрос на высокоэффективное топливо еще больше увеличил потребность в расширении нефтедобычи.

В России первая скважина была открыта 3 февраля 1866 года, на Кудакинском промысле в Кубанской области. Эта дата считается моментом зарождения российской нефтепромышленности.

Химический состав и физические свойства нефти

Химию нефти можно вынести в отдельную область науки — настолько сложен и разнообразен ее состав. Исследователями было выделено свыше тысячи отдельных соединений, составляющих единый химический комплекс нефти. Распределение веществ по их процентному содержанию примерно следующее:

• тяжелые жидкие углеводороды — от 70 до 90% по массе;
• простые органические соединения — от 5% до 10% по массе;
• растворенные газы;
• минеральные соли;
• органические кислоты.

Жидкие углеводороды представлены в основном нафтенами, парафинами, различными ароматическими и смешанными соединениями.

Простые органические соединения — это сернистые, азотистые и кислородные соединения, а также незначительное количество сложных металлорганических молекул. Самый типичный представитель этого химического ряда — сероводород. Его содержание по массе относительно не велико, однако даже микроскопические количества сероводорода вынуждают проводить сложную очистку сырой нефти.

Среди остальных веществ, которые входят в состав нефти, можно выделить растворенные газы — метан, этан и небольшие количества тяжелых изомеров. Специфический запах нефти придают меркаптаны, индолы, тиофены и некоторые другие продукты органического белкового распада.

Основные физические свойства нефти и ее экономическая ценность определяется именно жидкими углеводородами. Нефть — крайне горючая жидкость, которая воспламеняется даже при низких (до -400С) температурах.

Растворенные горючие газы и сероводород еще более повышают опасность работы с этим полезным ископаемым, чем и обуславливается относительно высокая стоимость нефти даже в условиях международного кризиса.

Крайне неоднородный состав затрудняет общий анализ нефти — обычно проводится примерное исследование, где за результаты принимаются усредненные показатели. Современные стандарты предусматривают следующие физико-химические характеристики нефти:

• средняя плотность;
• вязкость;
• температура вспышки;
• удельная энергетическая теплоемкость.

Как было отмечено ранее, плотность и теплоемкость — основные экономические показатели нефти. Они зависят от содержания и распределения по массе тяжелых углеводородов, в соответствии с которыми нефть принято разделять на три типа:

• тяжелая — плотность свыше 1,05 г/см3, сложные тяжелые углеводороды;
• средняя — плотность в пределах 0,87 г/см3, простые тяжелые углеводороды;
• легкая — плотность ниже 0,83 г/см3, легкие углеводороды;

В отдельную категорию вынесены твердые фракции нефти: природные битумы и асфальты.

Надо учитывать, что вышеприведенные показатели характерны для нормальных атмосферных условий. Обычно нефть залегает на глубинах от километра и глубже, где высокое давление значительно повышает ее плотность. Именно поэтому классификация нефти возможна только после взятия образца непосредственно на предполагаемом месте добычи.

Геология и теория происхождения нефти

Вплоть до конца 19 века среди геологов преобладало мнение о низком залегании нефти. Предполагалось, что нефтяные залежи равномерно распределяются в пористых горных породах на глубине от 10 до 100 метров.

В начале 20 века были открыты первые глубокие месторождения нефти, а еще спустя пару лет было установлено, что нефть практически не зависит от типа породы. Были открыты первые сланцевые залежи нефти, а также месторождения купольного типа.

Сегодня известно, что основными аккумуляторами природной нефти, из которых ее добыча экономически обоснована, служат:

• известняки;
• песчаные породы;
• пористые образования любых типов;
• глинистые полости.

При этом самые богатые месторождения залегают на глубинах от 3 до 4 километров, и заключены в естественные резервуары.

Если геология нефти и ее добычи изучена достаточно хорошо, то вопрос о ее изначальном происхождении все еще открыт. Ученые выдвигают различные теории образования природной нефти. Из них наибольшей доказательной базой обладает бриогенная теория органического происхождения.

Согласно положениям бриогенной теории, процесс образования нефти начался сразу после так называемой кислородной катастрофы. Тогда погибли миллиарды миллиардов древних микроскопических существ. Их останки осаждались на дно мирового океана, образуя слои биологического материала. Со временем, эти биологические (бриогенные) слои погружались все глубже, покрываясь сверху почвой или песком.

Возрастающее давление при отсутствии свободного кислорода послужило катализатором для образования сотен типов углеводородов. Легкие соединения — метан, этан и их изомеры, просачивались сквозь пористые породы, образовывая месторождения природного газа. Более тяжелые молекулы постепенно сливались в единый молекулярный комплекс, образовывая однородную жидкость — нефть.

Сторонники бриогенной теории полагают, что образование нефти имеет непрерывный процесс, однако доказательств этому пока не найдено. Поэтому нефть считается невосполнимым ресурсом, что обуславливает необходимость поиска альтернативных источников энергии.

Источник: https://promdevelop.ru/proishozhdenie-nefti-i-ee-svojstva/

Химический Состав Нефти

Химический состав нефти довольно сложен и зависит от ряда факторов, таких как: условия образования и происхождение залежей, их географическое месторасположение, глубина залегания и др. В среднем в состав нефти входит около 1000 индивидуальных соединений.

Основными соединениями нефти (до 90%) являются углеводороды с молекулярной массой 220 – 400 г/моль (иногда до 500 г/моль), большинство из которых имеет жидкое агрегатное состояние. Попутный нефтяной газ (ПНГ), растворенный в нефти, также в основном состоит из низших предельных углеводородов – главным образом, из пропана и изомеров бутана.

Кроме углеводородов, в состав нефти входят гетероатомные соединения, содержащие в своей структуре как органическую составляющую, так и неорганические элементы, в том числе металлы.

Так, например, специфический запах и цвет в основном обусловлены присутствием азот-, серо- и кислородсодержащих соединений, в то время как большинство углеводородов в химическом составе нефти, за исключением ароматических, в чистом виде лишены запаха и цвета.

В химический состав нефти входит ряд неорганических веществ. В первую очередь это вода, содержание которой иногда доходит до 10%, а также некоторое количество растворенных в ней минеральных солей.

В таблице ниже приведен стандартный химический состав нефти:

Вещество©PetroDigest.ru

Жидкие углеводороды	Алканы (парафины)	30 – 50%	80 – 90% (более 500 соединений)
Циклоалканы (нафтены)	25 – 75%
Арены (ароматические углеводороды)	10 – 50%
Гетероатомные органические соединения	Серосодержащие	Сероводород	Около 250 соединений	4- 5%
Меркаптаны
Моно- и дисульфиды
Тиофены
Тиофаны
Полициклические соединения (преимущественно в мазуте и гудроне)
Азотосодержащие	Гомологи пиридина, хинола, индола, карбазола, пиррола	Более 30 соединений
Порфирины (преимущественно в тяжелых фракциях и остатках)
Кислородсодержащие	Нафтеновые кислоты	Около 85 соединений
Фенолы
Смолисто-асфальтеновые вещества
Металлорганические	Ванадиевые
Никелевые
Растворенные углеводородные газы	до 4%
Вода	до 10%
Минеральные соли	В основном хлориды	0.1 – 4000 мг/л
Растворы солей органических кислот
Механические примеси

Углеводороды

Углеводороды в нефти представляют три основные класса:

Гетероатомные органические соединения

Гетероатомные органические соединения нефти представлены следующими группами:

Минеральные соли

Сырая нефть может содержать до 15 кг/т минеральных солей. Как правило, основные минеральные соли – это хлориды, гидрокарбонаты, йодиды, бромиды, преимущественно, щелочных и щелочноземельных металлов.

В результате гидролиза таких солей образуется HCl, которая в свою очередь вызывает коррозию аппаратуры.

Поэтому при поставке сырой нефти на нефтеперерабатывающее предприятие, вводят ограничение на содержание солей до 50 мг/л, а на перегонку – не более 5 мг/л.

Вода и механические примеси

В процессе добычи нефти, на поверхность также поступает пластовая (или “нефтяная”) вода. В среднем сырая нефть содержит около 200 – 300 кг/т воды. При этом ее содержание с момента начала добычи постепенно увеличивается, порой достигая к концу эксплуатации скважины 90-98%.

Вода в нефти содержится как в чистом виде, так и в форме эмульсий, поэтому ее отделение проводят в два этапа. Основную массу воды отстаивают в специальных отстойных резервуарах, а для отделения эмульсий нефть обрабатывают специальными деэмульгаторами.

Окончательное обезвоживание и обессоливание нефти проводят на специальных установках подготовки нефти (УНП) и электрообезвоживающих, обессоливающих установках (ЭЛОУ).

Последние как правило сопряжены с блоком первичной перегонки нефти – атмосферно-вакуумной трубчаткой (ЭЛОУ – АВТ).

Механические примеси нефти представляют собой взвешенные частицы песка, известняка и глины.

Попутный нефтяной газ

Попутный нефтяной газ (ПНГ) – смесь газообразных низших предельных углеводородов, растворенных в нефти, которые в свою очередь могут растворять предельные углеводороды с большим числом атомов углерода, а также бензол и толуол. Кроме этого ПНГ может содержать углекислый газ, азот и сероводород. ПНГ в нефти может достигать 100 м3/т.

В процессе добычи, сырую нефть подают в специальные трапы-сепараторы, где ПНГ отделяют путем последовательного снижения давления. Увлеченный вместе с газом конденсат отделяют в промежуточных приемниках. Далее ПНГ отправляют на газоперерабатывающий завод. После таких процедур в нефти, тем не менее, остается около 4% растворенных газов, которые высвобождаются в процессе перегонки.

Источник: https://petrodigest.ru/info/neft/himicheskij-sostav-nefti

Химия нефти

Страница 1

Страница 2

Страница 3

Знание химического состава природных нефтяных систем служит отправной точкой для прогнозирования их фазового состояния и свойств фаз при различных термобарических условиях, соответствующих процессам добычи, транспортировки и переработки нефтяных смесей. Тип смеси – нефть, газоконденсат или газ – также зависит от ее химического состава и сочетания термобарических условий в залежи. Химический состав определяет возможное состояние компонентов нефтяных систем при данных условиях – молекулярное или дисперсное.

;Нефтяные системы отличаются многообразием компонентов, способных находиться в молекулярном или дисперсном состоянии в зависимости от внешних условий. Среди них встречаются наиболее и наименее склонные к различного рода межмолекулярным взаимодействиям (ММВ), что в итоге обусловливает ассоциативные явления и исходную дисперсность нефтяных систем при нормальных условиях.

Химический состав для нефти различают как элементный и вещественный.

Основными элементами состава нефти являются углерод (83,5-87 %) и водород (11,5-14 %). Кроме того, в нефти присутствуют:

• сера в количестве от 0,1 до 1-2 % (иногда ее содержание может доходить до 5-7 %, во многих нефтях серы практически нет);
• азот в количестве от 0,001 до 1 (иногда до 1,7 %);
• кислород (встречается не в чистом виде, а в различных соединениях) в количестве от 0,01 до 1 % и более, но не превышает 3,6 %.

Из других элементов в нефти присутствуют – железо, магний, алюминий, медь, олово, натрий, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть, золото и другие. Однако, содержание их менее 1 %.

В вещественном плане нефть в основном состоит из углеводородов и гетероорганических соединений.

Углеводороды

Углеводороды (УВ) представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов:

Алканы

Алканы или парафиновые углеводороды – насыщенные (предельные) УВ с общей формулой CnH2n+2. их в нефти составляет 2 – 30-70 %. Различают алканы нормального строения (н-алканы – пентан и его гомологи), изостроения (изоалканы – изопентан и др.) и изопреноидного строения (изопрены – пристан, фитан и др.).

В нефти присутствуют газообразные алканы от С1 до С4 (в виде растворённого газа), жидкие алканы С5 – С16, составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы состава С17 – С53 и более, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и известны как твёдые парафины. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях, но обычно в небольших количествах – от десятых долей до 5 % (масс.), в редких случаях – до 7-12 % (масс.).

В нефти присутствуют всевозможные изомеры алканов: моно-, ди-, три – , тетразамещенные. Из них превалируют в основном монозамещенные, с одним разветвлением. Метилзамещенные алканы по степени убывания располагаются в ряд: 2-метилзамещенные алканы > 3-метилзамещенные алканы > 4-метил-замещенные алканы.

К 60-м годам относится открытие в нефтях разветвленных алканов изопреноидного типа с метальными группами в положениях 2, 6, 10, 14, 18 и т. д. Обнаружено более двадцати таких УВ в основном состава С9-С20.

Наиболее распространенными изопреноидными алканами в любых нефтях являются фитан С20Н42 и пристан С19Н40, содержание которых может доходтить до 1,0 -1,5 % и зависит от генезиса и фациальной обстановки формирования нефтей.

Таким образом, алканы в различных пропорциях входят в состав всех природных смесей и нефтепродуктов, а их физическое состояние в смеси – в виде молекулярного раствора или дисперсной системы – определяется составом, индивидуальными физическими свойствами компонентов и термобарическими условиями.

Циклоалканы

Циклоалканы или нафтеновые углеводороды – насыщенные алициклические УВ. К ним относятся моноциклические с общей формулой CnH2n, бициклические – CnH2n-2, трициклические – CnH2n-4, тетрациклические – CnH2n-6.

По суммарному содержанию циклоалканы во многих нефтях преобладают над другими классами УВ: их содержание колеблется от 25 до 75 % (масс.). Они присутствуют во всех нефтяных фракциях. Обычно их содержание растет по мере утяжеления фракций.

Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти растёт по мере увеличения ее молекулярной массы. Исключение составляют лишь масляные фракции, в которых содержание циклоалканов падает за счет увеличения количества ароматических углеводородов.

Из моноциклических УВ в нефти присутствуют в основном пяти- и шестичленные ряды нафтеновых УВ.

Распределение моноциклических нафтенов по нефтяным фракциям, их свойства изучены гораздо более полно по сравнению с полициклическими нафтенами, присутствующими в средне- и высококипящих фракциях.

В низкокипящих бензиновых фракциях нефтей содержатся преимущественно алкилпроизводные циклопентана и циклогексана [от 10 до 86 % (масс.)], а в высококипящих фракциях – полициклоалканы и моноциклоалканы с алкильными заместителями изопреноидного строения (т.н. гибридные УВ).

Из полициклических нафтенов в нефтях идентифицировано только 25 индивидуальных бициклических, пять трициклических и четыре тетра- и пентациклических нафтена. Если в молекуле несколько нафтеновых колец, то последние, как правило, сконденсированы в единый полициклический блок.

Бицикланы С7-С9 чаще всего присутствуют в нефтях ярко выраженного нафтенового типа, в которых их содержание достаточно высоко.

Тетрацикланы нефти представлены главным образом производными циклопентано-пергидрофенантрена – стеранами.

К пентацикланам нефтей относятся углеводороды ряда гопана, лупана, фриделана.

Достоверных сведений об идентификации полициклоалканов с большим количеством циклов нет, хотя на основе структурно-группового и массспектрального анализа можно высказать предположения о присутствии нафтенов с числом циклов, большим пяти. По некоторым данным, высококипящие нафтены содержат в молекулах до 7-8 циклов.

Различия в химическом поведении циклоалканов часто обусловлены наличием избыточной энергии напряжения. В зависимости от размеров цикла циклоалканы подразделяют на малые С3, С4 – хотя циклопропан и циклобутан в нефтях не обнаружены), нормальные (С5-С7), средние (C8-С11) и макроциклы (от C12 и более).

В основе этой классификации лежит зависимость между размером цикла и возникающими в нем напряжениями, влияющими на стабильность. Для циклоалканов и, прежде всего, для их различных производных, характерны перегруппировки с изменением размеров цикла.

Так, при нагревании циклогептана с хлоридом алюминия образуется метилциклогексан, а циклогексан при 30-80°С превращается в метилциклопентан. Пяти- и шестичленные углеродные циклы образуются гораздо легче, чем меньшие и большие циклы.

Поэтому в нефтях встречается гораздо больше производных циклогексана и циклопентана, чем производных других циклоалканов.

На основе исследования вязкостно-температурных свойств алкилзамещенных моноциклогексанов в широком интервале температур выяснено, что заместитель по мере его удлинения уменьшает среднюю степень ассоциации молекул. Циклоалканы, в отличие от н-алканов с таким же числом углеродных атомов, находятся в ассоциированном состоянии при более высокой температуре.

Арены

Арены или ароматические углеводороды – соединения, в молекулах которых присутствуют циклические углеводороды с π–сопряжёнными системами. их в нефти изменяется от 10-15 до 50 %(масс.).

К ним относятся представители моноциклических: бензол и его гомологи (толуол, о-, м-, п-ксилол и др.

), бициклические: нафталин и его гомологи, трициклические: фенантрен, антрацен и их гомологи, тетрациклические: пирен и его гомологи и другие.

На основе обобщения данных по 400 нефтям показано, что наибольшие концентрации аренов (37 %) характерны для нефтей нафтенового основания (типа), а наименьшие (20 %) – для нефтей парафинового типа.

Среди нефтяных аренов преобладают соединения, содержащие не более трех бензольных циклов в молекуле.

Общей закономерностью является рост содержания аренов с повышением температуры кипения. При этом арены высших фракций нефти характеризуются не большим числом ароматических колец, а наличием алкильных цепей и насыщенных циклов в молекулах. В бензиновых фракциях обнаружены все теоретически возможные гомологи аренов C6-C9.

Углеводороды с малым числом бензольных колец доминируют среди аренов даже в самых тяжелых нефтяных фракциях. Так, по экспериментальным данным моно-, би-, три-, тетра- и пентаарены составляют соответственно 45-58, 24-29, 15-31, 1,5 и до 0,1 % от массы ароматических углеводородов в дистиллятах 370-535°С различных нефтей.

Моноарены нефтей представлены алкилбензолами. Важнейшими представителями высококипящих нефтяных алкилбензолов являются УВ, содержащие в бензольном ядре до трех метильных и один длинный заместитель линейного, α-метилалкильного или изопреноидного строения. Крупные алкильные заместители в молекулах алкилбензолов могут содержать более 30 углеродных атомов.

Главное место среди нефтяных аренов бициклического строения (диарены) принадлежит прозводным нафталина, которые могут составлять до 95 % от суммы диаренов и содержать до 8 насыщенных колец в молекуле, а второстепенное – производным дифенила и дифенилалканов. В нефтях идентифицированы все индивидуальные алкилнафталины С11, С12 и многие изомеры С13-C15. дифенилов в нефтях на порядок ниже содержания нафталинов.

Из нафтенодиаренов в нефтях обнаружены аценафтен, флуорен и ряд его гомологов, содержащих метальные заместители в положениях 1-4.

Триарены представлены в нефтях производными фенантрена и антрацена (с резким преобладанием первых), которые могут содержать в молекулах до 4-5 насыщенных циклов.

Нефтяные тетраарены включают углеводороды рядов хризена, пирена, 2,3- и 3,4-бензофенантрена и трифенилена.

Повышенная склонность аренов, особенно полициклических, к молекулярным взаимодействиям обусловлена низкой энергией возбуждения в процессе гомолитической диссоциации. Для соединений типа антрацена, пирена, хризена и т. п.

характерна низкая степень обменной корреляции π–орбиталей и повышенная потенциальная энергия ММВ из-за возникновения обменной корреляции электронов между молекулами.

С некоторыми полярными соединениями арены образуют достаточно устойчивые молекулярные комплексы.

Взаимодействие π–электронов в бензольном ядре приводит к сопряжению углерод-углеродных связей. Следствием эффекта сопряжения являются следующие свойства аренов:

• плоское строение цикла с длиной С-С-связи (0,139 нм), занимающей промежуточное значение между простой и двойной С-С-связью;
• эквивалентность всех С-С-связей в незамещенных бензолах;
• склонность к реакциям электрофильного замещения протона на различные группы по сравнению с участием в реакциях присоединения по кратным связям.

Церезины

Гибридные углеводороды (церезины) – углеводороды смешанного строения: парафино–нафтенового, парафино–ароматического, нафтено–ароматического. В основном, это твёрдые алканы с примесью длинноцепочечных УВ, содержащих циклановое или ароматическое ядро. Они являются основной составной частью парафиновых отложений в процессах добычи и подготовки нефтей.

Страница 1

Страница 2

Страница 3

Источник: http://proofoil.ru/Oilchemistry/chemicalconstituents.html

Основные физико-химические свойства нефти и ее состав

Физические и химические свойства, природа происхождения нефти давно интересует ученых. Благодаря успешному изучению физико-химических свойств нефти, человечество получило возможность открывать новые месторождения этого полезного ископаемого, находить ему новое применение и получать максимальный эффект от использования.

Характеристика нефти в глубинных пластах и на поверхности земли сильно отличаются, так как в первом случае она подвергается воздействию экстремальной температуры и высокого давления.

Хотя сегодня мало кто сомневается в органической природе нефтепродуктов, сторонники их минерального происхождения не сдаются. Родоначальником теории о неорганической природе нефти является Д. И. Менделеев.

На основе состава нефти он выдвинул гипотезу об ее минеральном происхождении и вывел химическую формулу, согласно которой под воздействием высокой температуры на больших глубинах земли может происходить процесс синтеза углеводородов в результате взаимодействия воды и карбида металлов.

Позднее немецкий ученый К. Шорлеммар, изучая нефть и ее свойства, обнаружил в составе образцов из Пенсильванских месторождений предельные углероды метанового ряда. В 1861 году А. М. Бутлеров представил подробное разъяснение о строении углеводородов, составе и физических свойствах нефти.

Химический состав и формула

В этом разделе рассматриваются основные химические свойства нефти. Постараемся узнать, имеется ли определенная химическая формула нефти. Предельно важными характеристиками для исследования являются: элементарный, фракционный и углеводородный состав нефти.

Начиная изучать химический состав нефти, исходим из ее определения. Нефть – это смесь углеводородов, молекулы которых содержат в своем составе примеси кислорода, серы, азота с чистыми углеводородами (т.е. не содержащими примеси других химических элементов).

Фракционный состав

Качественные показатели сырья определяются лабораторным путем при ее ректификации. Этот процесс основан на разделении первичного сырья на фракции при нагревании. Каждая фракция имеет определенную температуру кипения, после которой она начинает испаряться. Различают следующие виды фракций:

• Легкие. К таковым относят петролейные и бензиновые фракции с предельной температурой выкипания до 140 °С (при атмосферном давлении).
• Средние. Их получают путем перегонки при атмосферном давлении. К этим нефтям относят керосиновые, дизельные, лигроиновые фракции, выкипающие в диапазоне температур от 140 до 350 °С.
• Тяжелые. Подлежат только вакуумной перегонке. При температуре 350-500 °С получают вакуумный газойль, более 500 °С – гудрон.

Легкие и средние фракции относятся к светлым дистиллятам, тяжелые фракции называют мазутом. Обычная нефть содержит 31 % бензина, 10 % керосина, 15 % дизельного топлива, 20 % масел, 24 % мазута.

Групповой углеводородный состав

Согласно исследованиям групповой состав нефти можно выразить тремя большими соединениями углеводородов:

• предельных;
• непредельных;
• ароматических.

Предельные углеводороды

Очень часто их называют метановыми из-за простого строения, а химическое название группы – алканы. Формула метана по структуре напоминает амебу – в качестве ядра выступает атом углерода, роль протоплазмы играют 4 атома водорода. Цепочку структуры алканов нормального строения можно выразить по формуле CnH2n+2, т.е.

каждый последующий углеводород будет иметь больше предыдущего на 1 атом углерода, окруженный оболочкой из атомов водорода. Представители этого ряда встречаются как в газообразном виде – СН4-С4Н10, так и в жидком состоянии – С5Н12-С17Н36. Начиная с С18Н38, углеводороды обретают вид кристалла, входящего в состав парафина.

Отсюда происходит их название – парафиновые углеводороды.

Наличие изомеров можно назвать их отличительной особенностью. Начиная с 4-го по порядку члена, углеводороды имеют одинаковые формулы, но отличаются по строению молекул. При этом главный член ряда построен в виде несложной цепочки, а изомеры имеют ветвистую цепь.

Разнообразие этих углеводородов вызывает повышенный интерес к ним, главным образом, из-за возможности создания новых видов топлива, а также схожестью некоторых изомеров с органическими веществами по строению. Сегодня лучшие бензины получают из изомеров.

Несмотря на это изомеры остаются не изученными до конца, так как 11-й член ряда имеет 159 видов, 18-й (октодекан) – более 60 тысячи разновидностей изомеров.

Физические свойства

Различают следующие основные физические свойства нефти: плотность, вязкость, сжимаемость и другие.

Плотность определяется как соотношение массы к объему. Различают легкую и тяжелую нефть, в зависимости от того по какую сторону она находится от плотности 900 кг/м3. Газовые конденсаты, бензин, керосин относятся к легкой, а мазут к тяжелой нефти.

Электрические свойства

Рассматривая электрические свойства нефти необходимо отметить, что во многом они зависят от ее состава.

Безводная нефть является диэлектриком, парафины могут выступать в качестве изоляторов, а некоторые масла годятся для заливки трансформаторов.

Она также способна удерживать и накапливать электрические заряды, возникающие от ее трения об стенки резервуаров. Эту способность можно отнести к вредным и опасным свойствам нефти, создающим угрозу возникновения пожара от малейшей искры.

Кроме того, определенный интерес вызывают реологические свойства нефти. При определенных условиях некоторые ее виды обладают свойством самопроизвольного повышения прочности с течением времени. К таковым можно отнести нефть с большим содержанием парафинов и асфальто-смолистых веществ. Неньютоновская жидкость не обладает реологическими свойствами.

Вязкость нефти

Вязкость нефти определяется ее подвижностью, т.е. способностью сопротивляться перемещению частиц относительно друг друга.

Другим словом, вязкость это свойство, которое отвечает на вопрос, какое ее свойство используют в первую очередь, перекачивая по нефтепроводу. Различают динамическую и кинематическую вязкость.

Первая из них зависит от времени и измеряется в паскалях секундах. Кинематическая вязкость характеризует ее изменение в зависимости от температуры.

Источник: https://OilGazInfo.ru/himiya-nefti/osnovnye-fiziko-himicheskie-svojstva-nefti-i-ee-sostav