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

Из чего же состоит нефть? Нефть состоит из углеводородов. Углеводороды – это такие молекулы, каркас которых построен из атомов (С), соединенных между собой в различные конфигурации.

Существует несколько теорий химических связи, объясняющих причину возникновения и разрыва химической связи между молекулами.

  Но нам для объяснения природы химических связей достаточно только теории валентных связей.

К остальным неспаренным электронам могут присоединяться атомы водорода (H), у которого имеется один неспаренный электрон. Так образуются углеводороды. Для того чтобы было проще, пару электронов принято изображать чертой или двумя точками.

Как уже было сказано, в нефти присутствуют различные углеводороды, каждый из которых обозначается свой брутто-формулой. Единой химической формулы нефти просто не существует. Нефть – это целый список химических формул, поскольку это множество веществ в одной маслянистой смеси.

Строение углеводородов

Существуют простые углеводороды – метан, у которого один атом углерода (формула CH4). Более тяжелое вещество с двумя атомами углерода – этан (формула C2H6). Важно помнить, что различное строение обуславливает различные физико-химические свойства.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Асфальт

На реальных производствах чаще всего используют понятие фракционного состава.

В химическом отношении нефть – взаиморастворимая смесь газообразных, жидких и даже твердых углеводородов с примесями гетероорганических соединения серы, азота, кислорода и других элементов.

В зависимости от состава нефть имеет цвет от буро-коричневого до черного. Элементарный состав нефти различен для разных типов и для разных месторождений.

В среднем он может быть охарактеризован следующими цифрами: углерод – (82,5 – 87) %, водород – (11,5 – 14,5) %, кислород – (0,1 – 0,35) %, азот – до 1,8 %, сера – до 10 % [1].

Углеводороды в нефти представлены соединениями различных классов. В основном это парафиновые углеводороды (алканы) – CnH2n+2; нафтеновые углеводороды (цикланы) – CnH2n; ароматические соединения – углеводороды, содержащие в своем составе разнообразные гомологи бензола, а так же гибридные углеводородные соединения.

Цвет нефти меняется в зависимости от ее фракционного состава. Чем выше температура выкипания, тем темнее будет нефть или ее фракция.

Источник: http://proNPZ.ru/neft/iz-chego-sostoit.html

Химические свойства нефти

Химические свойства нефти

Нефть и природный газ, залегающие в недрах в своем естественном состоянии, подвергаются воздействию температур и давлений, значительно превосходящих атмосферные.

Во всех нефтях растворено то или иное количество природного газа, и если последнее превышает количество газа, необходимое для полного насыщения нефти при свойственных данному природному резервуару температуре и давлении, избыточный свободный газ скапливается в виде газовой шапки.

Изменения давления и температуры, происходящие при извлечении нефти из скважин и производстве химических анализов, приводят к испарению и выделению из нее, а также разрушению некоторых входящих в ее состав углеводородов.

Трудность выделения из нефти отдельных углеводородов (УВ) может быть проиллюстрирована хотя бы тем фактом, что на извлечение и анализ только 234 входящих в состав нефти соединений потребовалось 37 лет. Огромные успехи, достигнутые в области разработки методов анализа УВ, к числу которых относится внедрение в практику исследований газовой хроматографии и масс-спектрометрии, а также разработка вопросов геохимии содержащихся в УВ изотопов, сделали возможным быстрое анализирование молекул УВ и уточнили наши представления о составе многих нефтяных фракций.

Геологов интересуют прежде всего химические и физические свойства входящих в состав нефти соединений в условиях недр; в частности химическая природа и характер превращений соединений, возникающих вследствие неоднократных изменений в течение геологического времени пластовых температур и давлений ‑ изменений, сопутствующих образованию, миграции и аккумуляции УВ. С другой стороны, специалиста по нефтепереработке больше интересует, какое из многочисленных, имеющих промышленное значение соединений можно получить искусственным путем из данной нефти на нефтеперерабатывающем предприятии. Многие, если не большинство, из этих искусственно получаемых продуктов не имеют аналогов в составе нефтей и природных газов, залегающих в природных резервуарах, однако понимание некоторых процессов, моделируемых в лабораториях и на нефтеперерабатывающих предприятиях, может оказать большую помощь в изучении вопросов генезиса естественных УВ и асфальтово-смолистых веществ.

Несмотря на свое, казалось бы, полное, сходство, нефти из двух различных природных резервуаров никогда не бывают абсолютно одинаковыми, ввиду того что каждая из них состоит из смеси бесчисленного количества различных УВ. Однако типовые химические анализы нефтей, природных газов и асфальтов характеризуются большим сходством данных, которые укладываются в общую схему, как, например в табл. 1.

Таблица 1:  Химический состав типичных нафтидов (вес.%)

Химия нафтидов является разделом органической химии, которая представляет собой по существу химию соединений углерода [точнее, углерода и водорода].

Органическая химия [которую можно было бы называть химией кахигенов (Cahygens)] — это обширная и сложная отрасль науки; к настоящему времени установлено около полумиллиона различных соединений углерода, и еще большее число их, несомненно, ждет своего открытия.

Простейшими органическими соединениями являются те из них, которые состоят лишь из углерода и водорода и известны как углеводороды. Послед­ние составляют основную массу химических соединений, входящих в состав большинства нафтидов — природного газа, нефти и природного асфальта.

Большая часть нафтидов содержит также ряд подчиненных элементов, таких, как сера, азот и кислород, которые, однако, соединяясь с органическим углеродом и водородом, образуют сложные молекулы.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов химии нафтидов, полезно дать краткий обзор основных понятий и терминологии, используемых в химии углеводородов (УВ).

В насыщенных углеводородах (иногда называемых также алканами) валентность всех атомов углерода насыщена одиночными связями. Например, все парафины относятся к насыщенным УВ, поскольку в них каждый атом углерода соединен с другими атомами углерода лишь одной связью, а остальные электроны атома углерода имеют также одновалентные [ковалентные] связи с электронами атомов водорода. Насыщенные УВ более устойчивы и химически менее активны, так как внешние электронные оболочки входящих в их состав атомов углерода и водорода заполнены разделенными электронными парами. Таким образом, соединения этого типа обладают электронной структурой химически устойчивых и благородных инертных газов.

Ненасыщенными углеводородами называются соединения, в которых валентности некоторых атомов углерода не насыщаются одиночными связями, в результате чего такие атомы соединяются между собой двумя или тремя ковалентными связями.

Примером может служить бензол С6Н6, в котором нет достаточного количества атомов водорода, способного удовлетворить потребность в электронах атомов углерода.

В связи с этим три из шести атомов углерода соединены с другими его атомами двойными связями [в действительности строение бензола более сложное]. Ненасыщенные УВ менее устойчивы, чем насыщенные, и характеризуются по сравнению с последними более высокой химической активностью.

Поэтому УВ с двойными и тройными связями легко вступают в соединение с другими веществами, а при нагревании разлагаются с переходом в более насыщенные УВ (с одиночными связями).

Изомерами называются вещества одинакового состава, но с различной молекулярной структурой и, следовательно, обладающие разными свойствами.

Первым изомером в парафиновом [метановом] ряду УВ является изо-бутан С4Н10 (приставка «изо» означает «изомер»), характеризующийся разветвленной цепью в отличие от нормального бутана (м-бутана С4Н10).

Структурные формулы этих двух соединений выглядят следующим образом:

Существуют также три пентана, характеризующиеся одинаковой моле­кулярной формулой С5Н12, содержащие 83,33% углерода и 16,67% водорода и имеющие молекулярный вес 72,15; однако каждый из них обладает своей, отличной от других температурой кипения:

Число изомеров быстро возрастает для все более высоких членов парафинового ряда.

Существует 5 возможных изомеров гексана (СвН14), 18 изомеров октана (С8Н18), 75 изомеров декана (С10Н22) и 802 изомера тридекана (С13Н28).

В олефиновом ряду (СnН2n) структурная изомерия начинается с третьего члена, или бутена (С4Н8), и возрастает до 13 изомеров у гексена (С6Н12), 27 изомеров у гептена (С7Н14) и т. д.

Математически рассчитано, что у парафиновых углеводородов, молекула которых содержит 18 атомов углерода и 38 атомов водорода, имеется 60 523 возможных изомера, причем количество их возрастает более чем вдвое¹ с появлением в молекуле каждого дополнительного атома углерода. Хотя, вероятно, лишь небольшая часть этих веществ в действительности присутствует в измеряемых количествах в нафтидах, нельзя лишний раз не подчеркнуть исключительной сложности состава семейства углеводородов.

Крекингом называется процесс, в результате которого менее летучие компоненты нафтидов подвергаются сложным изменениям при нагревании до высоких температур и большом давлении в присутствии или отсутствии катализаторов.

В таких условиях связи между атомами углерода разрываются, и образуется несколько новых соединений с более низкими температурами кипения. Благодаря этому молекулы соединений с высокими температурами кипения преобразуются в новые соединения, попадающие уже в бензиновую фракцию.

Таким образом, сложные молекулы, обладающие высоким молекулярным весом, «расщепляются» (cracked), или делятся на более простые.

Крекинг как один из технологических процессов при переработке нефти дает возможность получать из каждого барреля нефти значительно большее количество бензина по сравнению с естественным содержанием в ней этой фракции до крекинга, а также создавать много новых соединений.

Полимеризация представляет собой, по существу процесс, обратный крекингу, поскольку она обусловливает соединение ряда малых молекул с образованием одной более крупной молекулы. Это процесс объединения простых молекул, ведущий к возникновению более сложных.

Гидрогенизацией именуется процесс присоединения дополнительных атомов водорода к атомам углерода с двойными и тройными связями.

Гидрогенизация превращает ненасыщенные углеводороды в соединения, молекулы которых содержат большее количество атомов водорода, и в конце концов переводит их в насыщенные углеводороды с одиночными ковалентными связями.

Водород всегда добавляется в виде одной молекулы. Приведем следующий пример гидрогенизации:

Источник водорода, необходимого для образования нафтидов с насыщенными УВ, не известен.

Водород может высвобождаться в результате вулканических процессов, протекающих в недрах Земли, в процессе разложения органического вещества под действием бактерий или при расщеплении и деградации молекул тяжелых нефтей с возрастанием температур и давлений по мере увеличения глубины погружения природного резервуара, что, возможно, сопровождается дополнительным воздействием каких-либо катализаторов, а также бактериальной или химической реакции, посредством которой H2S разлагается на свободную серу и Н2

Источник: https://oborudka.ru/handbook/328.html

Химический состав нефти и газа

Химический состав нефти и газа

Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.

В лучшем сорте угля – антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.

Конечно, чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями… Но в данном случае мы говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.

В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле – около 86%, а вот водорода побольше – 13% против 5-6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало – всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.

Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos – жгучий, bios – жизнь и lithos – камень. Можете теперь перевести сами.

Такое название может показаться не совсем точным. Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть, а тем более природный газ?…

Замечание вполне резонное. Однако, наверное, Вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает «руда»). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с Вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь ввиду, что минералы бывают не только твердыми.

В химическом отношении нефть – сложнейшая смесь углеводородов, подразделяющаяся на две группы – тяжелую и легкую нефть. Легкая нефть содержит примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато соответственно, большее количество водорода и кислорода.

Главную часть нефтей составляют три группы углеводородов – алканы, нафтены и арены.

Алканы (в литературе Вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула СnH(2n+2). Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5-16 атомах углерода это жидкости, а свыше – уже твердые вещества, парафины.

К нафтанам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содердится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 и их гомологи. И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом.

А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод-углерод! Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.

Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 – типичных представителей каждого из этих классов:

Кроме углеродной части в нефти имеются асфальто-смолистая составляющая, порфирины, сера и зольная часть.

Асфальто-смолистая часть – темное плотное вещество, которое частично растворяется в бензине. Растворяющуюся часть называют асфальтеном, а нерастворяющуюся, понятно, смолой.

Порфирины – особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Многие ученые полагают, что когда-то они образовались из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

И, наконец, зольная часть. Это то, что остается после сжигания нефти. В золе, обычно содержатся соединения железа, никеля, ванадия и некоторых других веществ. Об их использовании мы поговорим в дальнейшем.

К сказанному, пожалуй, можно добавить, что геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутаны и другие алканы – от С5 и выше. Более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

Использование природного газа началось давно, но осуществлялось поначалу лишь в местах его естественных выходов на поверхность. В Дагестане, Азербайджане, Иране и других восточных районах с незапамятных времен горели ритуальные «вечные огни», рядом с ними процветали за счет паломников храмы.

Позже отмечены случаи применения природного газа, получаемого из пробуренных скважин или колодцев и шурфов, сооружаемых для разных целей.

Еще в первом тысячелетии нашей эры в китайской провинции Сычуань при бурении скважин на соль было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь.

Практичные люди из Сычуаня довольно скоро научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Вот Вам пример типично энергетического применения.

В течение многих столетий человек использовал такие подарки природы, но промышленным освоением эти случаи не назовешь.

Лишь в середине 19 века природный газ становится технологическим топливом, и одним из первых примеров можно привести стекольное производство, организованное на базе месторождения Дагестанские огни.

Кстати, в настоящее время более 60% стекольного производства базируется на использовании в качестве технологического топлива именно природного газа.

Коксовому газу быстро нашлось бытовое применение – появились газовые рожки для освещения улиц и помещений. В 1798 году в Англии было устроено газовое освещение главного корпуса мануфактуры Джеймса Уатта, а в 1804 году образовалось первое общество газового освещения.

В 1818 году газовые фонари осветили Париж. И очень скоро коксование стали применять для получения не столько металлургического кокса, сколько сначала светильного, а потом и бытового газа.

Газификация быта стала синонимом прогресса, процессы газификации топлива совершенствовались, а получаемый газ стали все чаще называть «городским газом».

Интересно отметить, что совершенствование пирогенетической технологии шло по пути более полного использования топливного потенциала. При сухой перегонке типа коксования в газ переходит не более 30-40% теплоты топлива.

При окислительной газификации с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добыить перевода в газ до 70-80% и более потенциальной теплоты.

Практически при газификации твердого топлива в зольном остатке органических соединений не остается.

Однако у газа, получаемого при окислительной газификации, теплота сгорания ниже, чем у газа при коксовании. Поэтому при производстве городского газа комбинировали процессы коксования с газификационными.

Тем самым удалось достичь необходимой для нормальной работы горелок теплоты сгорания получаемого бытового газа не менее 16,8 Мдж/м3 (4000 ккал/м3).

Итак, газ заменил другие виды топлива сначал для освещения, затем для приготовления пищи, отопления жилищ. Но почти столетие для этих целей использовался практически только искусственный газ, полученный из твердых топлив. А что же природный газ?

Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах 20 века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 метров и более) позволила обеспечить надежную сырьевую базу газовой промышленности.

Развитию новой отрасли помешала вторая мировая война. Тем не менее уже в 1944 году начались изыскательские работы по прокладке первого промышленного газопровода Саратов-Москва. Это был первенец, за которым в 50-х годах последовали Дашава-Киев, Шебелинка-Москва.

В следующие десятилетия весь СССР пересекали мощные трассы, по которым в настоящее время передаются огромные количества природного газа. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок.

Доля природного газа превысила 60-процентный рубеж в энергетике производства цемента, стекла, керамики, других строительных материалов, приближается к 50 % в металлургии и машиностроении.

Применение природного газа в стационарных энергетических установках позволяет с учетом снижения расхода на собственные нужды электростанций увеличить их КПД на 6-7%, повысить производительность на 30% и более.

Следующая глава

Источник: https://public.wikireading.ru/130726

Химический состав нефти | Дистанционные уроки

Автор статьи — Саид Лутфуллин

Как известно, органическая химия изучает углеводороды и их производные. Поэтому углеводороды – это основное сырье для органического синтеза.
Основные источники углеводородов:

1. Природный газ.
2. Нефть.
3. Попутный нефтяной газ.
4. Каменный уголь.

Нефть – представляет собой маслянистую темного цвета жидкость. Образовалась она из отложений неразложившейся органики, источником которой послужили трупы умерших живых организмов.

За многовековой период времени при соответствующих условиях (высокая температура, высокое давление) органика претерпевала всевозможные преобразования. В итоге вся органика разложилась до самых химически инертных соединений: алканов, циклоалконов и ароматических углеводородов.

Из этих веществ и состоит нефть.

Углеводы с небольшим числом атомов углерода в строении имеют газообразное состояние.

Они «всплывают» на поверхность, и над жидкой нефтью образуют слой газа (попутный нефтяной газ). Природный газ – тоже полезное ископаемое, по большей части (на 80-90%) состоит из метана, в отличие от попутного газа, где содержание метана ниже (30-50%).

Остановимся подробнее на нефти.

Первый этап: первичная переработка нефти.Сначала нефть очищают от воды, солей, легких летучих углеводородов (метана).

Потом проводят ректификацию.

Ректификация – это способ разделения смесей на составляющие ее вещества. Нефть нагревают, она переходит в газообразную фазу. Более легкие углеводороды (пентан, к примеру) имеет меньшую температуру конденсации, чем более тяжелые (например, декан).

Этот принцип лежит в основе ректификации.В результате ректификации углеводороды из нефти «сортируются» по их температурам конденсации, т.е.

разделяются на фракции (как в парламенте): бензиновая (C5 – C11), лигроиновая (С8 – С14), керосиновая (С12 – С18), газойлевая (дизельное топливо) (С14 – С25).

Оставшиеся углеводороды с большим числом атомов углерода в молекуле – мазут.

Из него получают смазочные масла, гудрон, парафин для свечек и т.д..

Полученные фракции используют как источник первичного сырья для химической промышленности, так и в качестве топлива.

Для топлива есть важная характеристика, о которой вы, наверняка, слышали, но не задумывались что она означает.

Характеристика эта – октановое число.

Вам известно, что если начать сжимать топливо, то оно рано или поздно взорвется. И то, насколько топливо можно сжать, без детонации, показывает октановое число.

То есть октановое число является показателем детонационной устойчивости топлива при сжатии.

От чего оно зависит?

Для этого обратимся к теории химического строения А.М. Бутлерова, красной нитью проходящей через всю органическую химию.

• Рассмотрим н-октан и его изомер изооктан (2,2,4-триметилпентан):
• эти два углеводорода благодаря различию в химическом строении имеют различную детонационную устойчивость (если начать сжимать н-октан быстрее рванет).

Следовательно смеси содержащие в разном соотношении эти два изомера, будут тоже иметь различную детонационную устойчивость при сжатии. И что отражают цифры в октановом числе?

Разберем на конкретном примере.

Есть бензин с октановым числом 92.

Что это означает? Это означает, что данный бензин имеет такую же детонационную устойчивость при сжатии, как искусственно приготовленная смесь, состоящая на 92% (по объему) из изооктана и на 8% из н-октана.

1. Понятное дело, что чем сильнее можно сжать топливо без детонации, то есть чем выше у него октановое число, тем лучше, тем более эффективна работа двигателя.
2. Поэтому производители преследуют цель повысить октановое число своего продукта.
3. Это достигается вторичной переработкой.
4. Полученные фракции углеводородов подвергаются некоторым химическим преобразованиям.
5. Крекинг

В результате этого процесса более тяжелые углеводороды превращаются в более легкие (связи С–С в углеводородах рвутся). Это позволяет повысить выход легких фракций (например, бензиновой)в процессе переработки нефти.

Различают термический и каталитический крекинг.

Термический крекинг протекает при высокой температуре, в результате образуется много непредельных углеводородов, и, как правило, углеводороды с неразветвленной цепью.

Каталитический крекинг (благодаря использованию катализатора) требует меньшей температуры, и в результате него образуются больше предельных разветвленных углеводородов. Отсюда очевидны преимущества каталитического крекинга над термическим:

большее содержание разветвленных углеводородов обеспечивает большее октановое число, а меньшее содержание непредельных углеводородов – большую устойчивость к окислению при хранении.

Риформинг

 Еще один каталитический процесс. В результате него происходит:

1. Насыщение непредельных углеводородов (что обеспечивает большую устойчивость при хранении).
2. Изомеризация (образование разветвленных цепей из неразветвленных, в результате чего происходит увеличение октанового числа топлива).
3. Дегидроциклизация (превращение алканов в ароматические углеводороды).

Вторичная переработка позволяет повысить качество топлива.

Думаю, нет необходимости говорить о практической значимости нефти. Она является основным источником сырья для органической химии.

Сегодня буквально все получают из продуктов нефтепереработки. При том необходимо помнить, что нефть – это ксенобиотик. И загрязнение ею и продуктами ее переработки окружающей среды наносят огромный вред природе.

Необходимо проявлять осторожность в обращении с нефтью, использовать ее разумно и не допускать утечек.

Обсуждение: «Химический состав нефти»

(Правила комментирования)

Источник: https://distant-lessons.ru/ximicheskij-sostav-nefti.html

Химический состав нефтепродуктов

Элементный состав нефти и нефтепродуктов.

Для правильного выбора метода переработки нефти, составления материальных балансов некоторых процессов необходимо знать элементарный состав нефти и нефтепродуктов.Основную часть нефти и нефтепродуктов составляют углерод (83-87%) и водород (12-14%). Их содержание, иногда и соотношение, полезно знать для расчетов некоторых процессов.

Например, теплота сгорания котельных топлив является важным показателем, от которого зависит расход топлива. Теплота сгорания зависит от элементного состава топлив. Высокая теплота сгорания жидких топлив объясняется высоким содержанием в них водорода и углерода и малой зольностью. Входящие в состав топлива кислород, азот, влага и негорючие минеральные вещества являются балластом.

Процентное отношение массового содержания водорода к содержанию углерода (100НС) показывает сколько необходимо добавить водорода к сырью в процессе гидрокрекинга, чтобы получить желаемые продукты. Отношение 100 Н/С в бензине равно 17-18, в нефти 13-15, в тяжелых фракциях 9-12.

Данные элементного состава и структурно-группового состава узких фракций масел и тяжелых остатков, из которых выделение индивидуальных соединений невозможно, позволяет значительно расширить представления о структуре веществ, входящих в эти фракции, и построить модель их «средней» молекулы.

Элементный анализ на углерод и водород основан на безостаточном сжигании органической массы нефтепродукта в быстром токе кислорода до диоксида углерода и воды. Последние улавливают, и по их количеству рассчитывают содержание указанных элементов.Во всех нефтях наряду с углеводородами имеется значительное количество соединений, включающих такие гетероатомы,как сера, азот и кислород.

Кислородсодержащие соединения в отечественных нефтях редко составляют больше 10%. Эти компоненты нефти представлены кислотами, эфирами, фенолами и др. Содержание кислорода в нефтяных фракциях возрастает с повышением их температуры кипения, причем до 90-95% кислорода приходится на смолы и асфальтены.

Наиболее распространенными кислородсодержащими соединениями нефти являются кислоты и фенолы, которые обладают кислыми свойствами и могут быть выделены из нефти или ее фракций щелочью. Их суммарное количество обычно оценивают кислотным числом (количество мг КОН, пошедшего на титрование 1 г нефтепродукта).

Содержание веществ с кислыми свойствами также, как и всех кислородсодержащих соединений, убывает с возрастом и глубиной нефтяных залежей.Процентное содержание кислорода чаще всего определяют по разности между ста и суммарным содержанием всех остальных элементов в процентах. Это неточный метод, так как на его результатах сказываются погрешности определения всех остальных элементов.

Имеются прямые методы определения кислорода, например, гравиметрический метод пиролиза нефтепродуктов в токе инертного газа в присутствии платинированного графита и оксида меди. О содержании кислорода судят по массе выделившегося СО2.Сера является наиболее распространенным гетероэлементом в нефтях и нефтепродуктах.

Содержание ее в нефти колеблется от сотых долей процента до 14% (нефтепроявление Роузл Пойнт, США). В последнем случае почти все соединения нефти являются серосодержащими.Как и кислородсодержащие соединения нефти, серосодержащие неравномерно распределены по ее фракциям. Обычно их содержание увеличивается с повышением температуры кипения.

Однако в отличие от других гетероэлементов, содержащихся в основном в асфальто-смолистой части нефти, сера присутствует в значительных количествах в дистиллятных фракциях.

В нефтях сера встречается в виде растворенной элементарной серы, сероводорода, меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и производных тиофена, а также в виде сложных соединений, содержащих одновременно атомы серы, кислорода и азота в различных сочетаниях.Серосодержащие соединения наиболее вредны как при переработке, так и при использовании нефтепродуктов.

Серный ангидрид (SО3) сильнее, чем SО2 влияет на нагарообразование, износ и коррозию в двигателе, а также на качество масла, При наличии SО3 в продуктах сгорания повышается точка росы и тем самым облегчается конденсация Н2SO4 на стенках гильз цилиндров и усиливается коррозия.

При воздействии на масло Н2SО4 образуются смолистые продукты, образующие затем нагар, обладающий в результате повышенного содержания серы большой плотностью и абразивностью и способствующий износу двигателя.Сернистые соединения могут вызвать временное обратимое отравление. Вместе с тем, при длительном воздействии сернистых соединений, отравление зачастую бывает необратимым.

Отравление сернистыми соединениями избирательно ведет к падению активности катализатора лишь в отношении реакций ароматизации углеводородов. При этом возрастает расщепляющее действие катализатора.

Снижение скорости реакции ароматизации, с одной стороны, и усиление реакций распада, с другой, вызывает нарушение селективности процесса, ослабление гидрирующей функции катализатора ведет за собой также более быстрое закоксовывание катализатора. Наиболее чувствительны к действию сернистых соединений полиметаллические ренийсодержащие катализаторы.Содержание азота в нефти редко превышает 1%.

Оно снижается с глубиной залегания нефти. Азотистые соединения сосредоточены в высококипящих фракциях нефти, и особенно в тяжелых остатках. Обычно азотсодержащие соединения делят на две большие группы: азотистые основания и нейтральные азотистые соединения.Азотистые основания сравнительно легко выделяются минеральными кислотами и поэтому наиболее изучены.

Нейтральные азотистые соединения нефти представлены арилпроизводными пиррола и амидами кислот. С увеличением температуры кипения нефтяных фракций увеличивается содержание в них нейтральных азотистых соединений и падает содержание основных.Интересным типом азотсодержащих соединений являются нефтяные порфирины.

Они содержат в молекуле 4 пиррольных кольца и встречаются в виде комплексов с ванадилом VО+2 или никелем. Порфириновые комплексы чаще всего присутствуют в нефти в виде мономолекулярных соединений. Эти соединения различаются алкильными заместителями. Могут встречаться порфирины, которые на перифирии содержат конденсированные с пиррольными ароматическое или ароматическое кольцо.

Порфириновые комплексы нефти обладают каталитической активностью. Предполагают, что они играют определенную роль в реакциях диспропорционирования водорода в процессах генезиса нефти.Азотсодержащие соединения являются сильнейшим ядом для катализаторов процесса гидрокрекинга.

Образовавшиеся в процессе окисления оксиды азота восстанавливаются медью до азота, который улавливают после поглощения СО2, и по его объему определяют количество азота в нефтепродукте. По методу Кьельдаля нефтепродукт окисляют концентрированной серной кислотой. Из образовавшегося сульфата аммония азот выделяют при обработке щелочью в виде аммиака, который улавливают титрованием раствором кислоты.

К минеральным компонентам нефти относятся содержащиеся в нефти соли, образованные металлами и кислотами, металлические комплексы, а также коллоидно-диспергированные минеральные вещества. Элементы, входящие в состав этих веществ. Часто называют микроэлементами, их содержание колеблется от 10-8 до 10-2 %.

В состав нефти входят многие металлы, в том числе щелочные и щелочноземельные, металлы подгруппы меди, цинка, бора, ванадия, а также типичные неметаллы.Внутримолекулярные комплексы относительно хорошо изучены на примере порфириновых комплексов ванадила и никеля. Кроме порфириновых в нефтях обнаружены псевдопорфириновые и другие более сложные внутримолекулярные комплексы, где помимо азота в комплексообразовании участвуют атомы кислорода и серы в различном сочетании.Несмотря на малое содержание в нефти микроэлементы значительно влияют на процессы ее переработки и дальнейшее использование нефтепродуктов. Большиство элементов, находящихся в нефти в микроколичествах являются каталитическими ядами, быстро дезактивирующими промышленные катализаторы нефтепереработки. Поэтому для правильной организации технологического процесса и выбора типа катализатора необходимо знать состав и количество микроэлементов. Большая их часть концентрируется в смолистом остатке, поэтому для при сжигании мазутов образующаяся пятиокись ванадия сильно корродирует топливную аппаратуру и отравляет окружающую среду.До недавнего времени содержание и состав микроэле6ментов нефти определяли исключительно спектральным анализом золы. Этот метод может внести значительные искажения, особенно когда при озолении образуются летучие соединения.Химико-атомно-спектральный метод анализа нефти и нефтепродуктов на содержание микроэлементов. Метод включает в себя пробоподготовку и прямой анализ полученного раствора атомно-эмиссионным методом с индуктивно связанной плазмой и атомно-адсорбционным методом с пламенным электролитическим атомизаторами. Для анализа используются специально приготовленные образцы сравнения. Метод позволяет определять в нефти и нефтепродуктах содержание микроэлементов до уровней концентраций 0,1-100мгт.

Групповой состав нефти и нефтепродуктов.

Даже узкие фракции представляют собой сложные смеси гетероорганических соединений. Для технических целей достаточно знать суммарное содержание углеводородов по классам.

Общее содержание алканов в нефти составляет 25-30 %. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях перегоняющихся при 200-300oС, их содержание обычно уже не превышает 55-61 %.

Алканы нефти представлены изомерами нормального и разветвленного строения, так в нефтях глубокого превращения алканы часто составляют 50 % и более от содержания всех изомеров. Нефти нафтеновой природы содержат в основном алканы изостроения. Массовое содержание циклоалканов колеблется от 25 до 75 %, они присутствуют во всех фракциях. Их содержание растет по мере утяжеления фракции.

Содержание аренов в нефти изменяется от 15 до 50 %. Они представлены в нефтях бензолом и его гомологами, а также производными би- и полициклических углеводородов.Определение аренов в бензинах проводят комбинированным методом анилиновых точек, сущность которого сводится к расчету массового содержания аренов в процентах.

Этот эксресс-метод состоит в селективном измерении на анализаторе двойных связей количества озона, израсходованного на озонирование ненасыщенных соединений в моторных топливах.Определение содержания парафиновых и нафтеновых углеводородов в бензинах проводят по удельной рефракции, причем используется зависимость удельной рефракции от температуры кипения.

Структурно-групповой анализ керосиновых и масляных фракций методом n-d-M. По этому методу находят распределение углерода между структурными элементами, входящими в среднюю молекулу исследуемого продукта, а также содержание нафтеновых и ароматических колец в этой молекуле.

Определение нафтеновых углеводородов в нефтяных маслах проводят фотоэлектроколориметрическим методом определения натровой пробы. Сущность метода заключается в воздействии раствора NaОН на масла с последующим отделением щелочной вытяжки, подкислении и определении степени ее помутнения по оптической плотности.

Групповое распределение углеводородов на алкано-, циклоалкановую и ареновую фракции, а также разделение аренов по степени цикличности проводят методом ЖАХ. Пробу хроматографируют, разделяют на хроматографические фракции, определяют выход каждой фракции, показатель преломления, дисперсию и строят номограмму: показатель преломления по оси ординат и выход фракции по оси абсцисс.

Фракцию до резкого подъема кривой относят к алкано-циклоалкановой.Широкое распространение получил метод ФИА — жидкостной хроматографии на силикагеле в присутствии флуоресцирующих (люминисцирующих) индикаторов. В анализируемую фракцию вводят небольшое количество флуоресцирующих индикаторов и красителя.

«Ароматический» индикатор хорошо растворим в аренах, но не растворим в других углеводородах. При ультрафиолетовом облучении колонки зона аренов дает ярко-голубую флуоресценцию. Найдены также «олефиновые» индикаторы. По отношению высоты соответствующей зоны к высоте слоя адсорбента рассчитывают содержание алкенов и аренов в нефтяной фракции или нефтепродукте.Для определения группового состава используют также метод ИК-спектроскопии. Определяют содержание парафинов, изопарафинов, ароматических углеводородов, нафтенов, олефинов, а также октанового числа углеводородных топливах. Метод основан на использовании спектрометрии в ближней ИК-области спектра.

Определение индивидуального состава нефтепродуктов.

Анализ прямогонных бензиновых фракций проводят методом ГАХ с использованием капиллярных колонок. Рекомендуется предварительно разделять бензиновую фракцию ректификацией на фракции.

Анализ высококипящих компонентов керосино-газойлевых и масляных фракций нефти значительно более сложная задача, чем анализ бензиновых фракций. Полная идентификация даже углеводородов керосиновых фракций практически невыполнимая задача.

Вторая колонка, содержащая в качестве адсорбента ТЗК, модифицированный вазелином, служит для определения углеводородов С2 — С5, в том числе цис-, транс-изомеры, алкадиены, алкины.В бензиновых фракциях методом масс-спектроскопии определяют содержание н-алканов и изоалканов, ц-пентановых и ц-гексановых углеводородов, алкилбензолов.

В керосино-газойлевых и масляных фракциях определяют содержание алканов, моно-, би-, трицикланов и др. С помощью масс-спектроскопии можно оценивать такие структурные характеристики, как степень конденсации колец, средняя длина заместителей, средняя степень замещения.

Метод хрома-масс-спектроскопии-комбинирование газовой и жидкостной хроматографии, позволяющих разделять анализируемую фракцию на компонентыю с масс-спектрометрической идентификацией. Создание приборов типа Хромасс позволяет определять структуру индивидуальных компонентов нефти и нефтепродуктов.

Определение содержания воды.

Вода относится к минеральным примесям нефти наряду с золой, песком и т.д. Сырая нефть- сырье с содержанием воды до 200 — 300 кг/т.

Вода является нежелательной примесью и по техническим нормам не допускается в нефтепродуктах. При охлаждении образует кристаллы льда, которые забивают топливные фильтры; при разогреве нефтепродуктов образуется пар, увеличивается давление в трубопроводе, что ведет к их разрыву.Содержание воды в масле усиливает его склонность к окислению, а также ускоряет процесс коррозии металлических деталей.Присутствуя в карбюраторных топливах, вода снижает их теплотворную способность. Засоряет карбюратор, вызывает закупорку распыляющих форсунок. Т.о., наличие воды усложняет переработку нефти и вредно сказывается на эксплуатационных свойствах нефтепродуктов.Качественный метод определения воды для темных нефтепродуктов — проба на потрескивание: продукт нагревают в пробирке до 150oС в масляной бане. Если наблюдается потрескивание, вспенивание, вздрагивание продукта, то это указывает на наличие воды в нефтепродукте.Количественный метод определения воды в нефтепродукте — метод Дина и Старка. Метод основан на дистилляции смеси воды, содержащейся в пробе, и органического растворителя, не смешивающегося с водой. Дистиллят собирают в калиброванный приемник и измеряют объем перегнанной воды.

Источник: http://uralenerdgi.ru/himicheskiysostav

Химический состав нефти

Нефть — жидкость сложного химического состава. Основными компонентами нефти являются:84ч87% — углерод (С), 12ч14% — водород(Н), 1ч3% — кислород(О), 1ч5% — сера(S), 0ч1% — азот(N).Соединения углерода и водорода называются углеводородами CmHn. Углеводороды подразделяются на две группы: алифатические и циклические.

К группе алифатических относятся насыщенные парафиновые (алкановые, метановые) и ненасыщенные (непредельные). Непредельные в свою очередь подразделяются на алкеновые (олефиновые, этиленовые), алкадиеновые (диолефиновые, диеновые) и алкиновые (ацетиленовые). К группе циклических углеводородов относятся ароматические (ареновые) и циклановые.

Циклановые в свою очередь подразделяются на циклоалкановые (нафтеновые), циклоалкеновые и циклоалкиновые .

Парафиновые углеводороды могут быть нормального строения (нормальные парафины) и изомерного строения (изопарафины).

Для нормальных парафинов характерна общая эмпирическая формула СnH2n+2 и строение в виде цепи с одинарными связями между молекулами СН3 — (СН2)n-2 — СН3, например нормальный октан С8Н18 : СН3 — СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — СН2 . Для изопарафинов характерна общая эмпирическая формула СnH2n+2 и наличие боковых связей между молекулами, например изооктан С8Н18:, используемый как эталонное топливо при определении октанового числа бензинов.

Нормальные парафины обладают наиболее высокой самовоспламеняемостью и химической стабильностью, что делает их необходимыми в дизтопливах, а низкая детонационная стойкость делает их нежелательными в бензинах.

При низких температурах нормальные парафины способствуют помутнению и застыванию нефтепродуктов, поэтому ограничиваются в летних дизтопливах. Кроме того они обладают низкими смазывающими свойствами.

Изопарафины обладают высокой детонационной стойкостью, что делает их необходимыми в современных бензинах и низкой самовоспламеняемостью, что делает их нежелательными в дизтопливах.

Для непредельных углеводородов характерна линейная и разветвленная структура и наличие двойных и тройных связей между молекулами. Для олефинов характерна общая эмпирическая формула СnH2n и наличие одной двойной связи между молекулами. Для диенов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-2 и наличие как минимум двух двойных связей между молекулами.

Для алкинов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-2 и наличие тройной связи между молекулами.

Непредельные углеводороды используются и для получения синтетических топлив и масел (алкилаты, поли-б-олефины)

Для ароматических углеводородов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-6к и наличие одного или нескольких бензольных колец (к -количество колец), например:

Ароматические углеводороды обладают высокой детонационной стойкостью, необходимой для бензинов и низкой самовоспламеняемостью, что делает их нежелательными в дизтопливах. Повышенное их содержание в бензинах увеличивает нагарообразование в камере сгорания и выброс несгоревших углеводородов с отработавшими газами. Их наличие в маслах ухудшает вязкостно-температурную характеристику.

Для нафтеновых углеводородов характерна общая эмпирическая формула СnH2n и наличие одного кольца с одинарными связями между молекулами, например:

Для циклоалкеновых углеводородов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-2 и наличие двух колец с с одинарными связями между молекулами, например:

Для циклоалкиновых углеводородов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-4 и наличие трех колец с одинарными связями между молекулами. В целом для цикланов характерна общая эмпирическая формула СnH2n-2(к-1) и наличие нескольких колец с одинарными связями между молекулами (к -количество колец).

В циклановых углеводородах могут присутствовать и боковые связи, например:

По своим свойствам цикланы занимают промежуточное положение между парафиновыми и ароматическими. Наиболее часто они присутствуют в маслах.

Активные сернистые соединения непосредственно вызывают коррозию металлов, поэтому должны быть удалены из нефтепродуктов. Неактивные сернистые соединения непосредственной коррозии не вызывают, однако при сгорании серы образуются серный и сернистый ангидриды: S + O2 > SO2 ? 2S +3O2 > 2SO3, которые загрязняют атмосферу и вызывают газовую коррозию выпускных клапанов.

При сгорании водорода образуется вода, которая при взаимодействии с SO2 и SO3 образует минеральные кислоты: H2O + SO2 > H2SO3 и H2O + SO3 > H2SO4, которые вызывают жидкостную коррозию, в первую очередь цилиндров двигателя. Наличие некоторых неактивных сернистых соединений в маслах улучшает их противоизносные и противозадирные свойства. (R -углеводородный радикал).

Кислородсодержащие соединения могут быть в виде органических кислот, оксикислот, фенолов, смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов

Органические кислоты R- COOH и оксикислоты R- ОН -COOH вызывают коррозию в первую очередь цветных металлов, способствуют образованию отложений в механизмах. Вместе с тем, присутствуя в маслах, высокомолекулярные кислоты улучшают их смазочные свойства.

Фенолы R- OH (R- для фенола ароматический углеводородный радикал) являются очень ядовитыми. Смолы способствуют образованию отложений в механизмах (осадков, лаков, нагара). Вместе с тем, присутствуя в маслах, они улучшают их смазочные свойства.

Смолы нестойки и в результате процессов окисления и полимеризации образуют асфальтены, карбены и карбоиды.

Асфальтены являются твердыми соединениями, которые растворяются в маслах и не растворяются в топливах. Они способствуют образованию отложений в механизмах. Вместе с тем, присутствуя в трансмиссионных маслах, они улучшают их смазочные свойства.

Азотистые соединения могут быть в виде пиридина C5H5N, хинолина C7H7N, аммиака NH3 и др. Они обладают неприятным запахом, а также разрушающе действуют на катализаторы в процессе переработки нефти.

Неорганические соединения в нефти могут быть в виде солей и воды, вызывая коррозию металлов и разрушая катализаторы в процессе переработки нефти.

Источник: https://studbooks.net/2266205/matematika_himiya_fizika/himicheskiy_sostav_nefti