Химический состав и физические свойства нефтей

Дистиллятные масла (авиационные; автомобильные; автотракторные дизельные; индустриальные – машинные трансформаторные, турбинные, цилиндровые; белые масла – парфюмерное и вазелиновое медицинское – и др.), образующиеся после раз гонки мазута, отбираются уже не по температуре кипения и плотности, а по величине их вязкости.

Рис. 4. Структурные формулы метановых углеводородов

 

Остаток после перегонки мазута (при температуре выше 500°С) называется гудроном или полугудроном в зависимости от вязкости и используется для приготовления высоковязких смазочных масел, строительных и дорожных материалов (битумы нефтяные).

Перегонке на масла подвергаются только мазуты так называемых «масляных нефтей». В ряде случаев мазуты таких «масляных нефтей» используются самостоятельно (без перегонки на масла) или в смеси с другими нефтепродуктами в качестве смазочных мазутов, т. е. дешевых смазочных материалов. Значительно больше мазута применяется в качестве топлива, в том числе для судовых двигателей. Особенно большое количество мазута служит сырьем для переработки на легкие моторные топлива.

Нефти разных месторождений очень отличаются одна от одной по фракционному составу, а отсюда – и по потенциальному содержанию бензиновых, керосиновых, дизельных и масляных дистиллятов. Очевидно, что фракционный состав нефти определяет пути ее промышленной переработки.

Большинство нефтей содержит в среднем 15–30% фракций, выкипающих при температуре до 200°С, 40–50% фракций, которые перегоняются в интервале 300–360°С.

Легкие нефти, не вмещающие масляных фракций, встречаются редко. Большей частью они сопутствуют газам в газоконденсатных месторождениях и их называют газоконденсатами.

Групповой химический состав нефти

Углеводороды, составляющие основу нефти и горючих газов, представлены множеством индивидуальных соединений. Химический состав нефти полностью не известен, но уже установлено 425 углеводородных соединений, каждое из которых в свою очередь является исходным для более сложных соединений. В зависимости от строения молекул углеводороды, входящие в состав нефтей и природных газов, подразделяются на три основные группы: метановые, или парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены). Представители этих групп отличаются друг от друга соотношением числа атомов углерода и водорода, которое выражается общей формулой группы, и характером их внутренних структурных связей.

      Рис. 5. Структурные формулы нафтеновых углеводородов

Таким образом, групповым химическим составом нефти называют содержание в ней углеводородов определенных химических групп, которые характеризуются соотношением и структурой соединений атомов углерода и водорода.

Метановые углеводороды (алканы) – насыщенные углеводороды, в которых отсутствуют двойные связи. Общая формула С n Н 2 n+ 2,

где n – число атомов углерода. Такое атомарное соотношение углерода и водорода в углеводородах данной группы было установлено английскими химиками еще в 1833 г. В указанной формуле nизменяется от 1 до 60. Это значит, что в природе существует последовательный ряд постепенно усложняющихся метановых углеводородов. Каждый последующий член в этом ряду отличается от предыдущего на один атом углерода и два атома водорода. Подобный ряд называется гомологическим (греч. «хомос» – похожий), а его члены – гомологами.

Существование гомологических рядов для углеводородных соединений было установлено в 1843 г. выдающимся французским химиком Шарлем Фредериком Жераром. Это открытие имело большое значение для понимания закономерностей изменения состава нефтей.

Для углеводородов метанового ряда характерно образование открытых увеличивающихся цепочек (рис.4).

В молекулах углеводородов метанового ряда валентность всех атомов углерода насыщена до предела, поэтому метановые углеводороды называются насыщенными, или предельными. В силу этого они обладают малой химической активностью. Отсюда произошло еще одно их название – парафиновые (лат. «парум аффинис» – малородственный, т.е. инертный, не склонный к реакциям) углеводороды. Парафинами называется смесь углеводородов метанового ряда с молекулярной массой от 240 и выше. Содержание парафиновых углеводородов в нефтях колеблется от долей процента до 20% и больше.

В зависимости от молекулярной массы и химической структуры метановые углеводороды находятся в газообразной, жидкой и твердой фазах. Так, первые четыре члена ряда (метан, этан, пропан, бутан) при нормальных условиях (101,32 кПа и 0°С) – газы, углеводороды от пентана до пентадекана C 15 H32 при тех же условиях – жидкости, а от гексадекана C 16 H 34 и выше – твердые вещества.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) были открыты в 80-х годах прошлого века русским ученым В. В. Марковниковым. Их общая формула С n Н 2 n. Молекулы нафтеновых углеводородов состоят из нескольких метиле новых групп – СН 2, соединенных в замкнутое кольцо, или цикл (рис.5).

Поэтому такие углеводороды называют еще полиметиленовыми, или цикланами (греч. «циклос» – круг, окружность). Нафтеновые углеводороды, как и метановые, являются насыщенными. Молекулы могут состоять из одного или двух, трех и более объединенных метиленовых колец.

В нефти содержатся преимущественно нафтены, кольца которых состоят из пяти или шести групп – СН 2. К кольцам – циклам – могут присоединяться и боковые цепочки метанового строения. В этом случае атом водорода в метиленовой группе =СН 2 будет замещен на какой-либо углеводородный радикал – метил СН 3, этил C 2 H 5 и др. Таким образом, без разрыва нафтенового кольца получаются новые углеводороды – производные циклопентана и циклогексана. Ими могут быть, например, метилциклопентан, или метилпентаметилен (C 6 H 12), этилциклогексан, или этилгексаметилен (C 8H 16), и т. д.

 

Рис..6. Структурные формулы ароматических углеводородов

 

Нафтеновые углеводороды – важная составная часть моторного топлива и масел. Автомобильным бензинам они придают высокие эксплуатационные свойства.

Нафтеновые углеводороды легких фракций нефтей широко используются как сырье для получения ароматических углеводородов, бензола и толуола, а нафтеновые углеводороды бензиновых фракций в процессе каталитического риформинга превращаются в ароматические.

Ароматические углеводороды – одна из наиболее важных и обширных групп углеводородов. Их формула С n Н 2 n3m, где n начинается с 6, m может быть выражено четными числами от 6 и выше. В структурном отношении молекула ароматических углеводородов имеет вид замкнутого кольца (цикла), объединяющего радикалы – СH (рис.6).

В отличие от молекулы нафтенов в ароматическом кольце атомы углерода через один соединены не одинарными связями, а двойными. Поэтому ароматические углеводороды являются ненасыщенными (непредельными) соединениями, но в то же время вследствие замкнутого циклического (кольцевого) строения они малоактивны. Для них характерны реакции замещения атомов водорода атомами других элементов – хлора, брома, йода и др.

Самое простое строение среди ароматических углеводородов характерно для бензола С 6 Н 6 (кольцо – «шестиугольник»). Остальные известные ароматические углеводороды являются, по сути дела, его производными.

В сравнении с другими группами углеводородов ароматические имеют наибольшую плотность. По вязкости они занимают промежуточное положение между парафиновыми и нафтеновыми.

Ароматические углеводороды – ценные компоненты бензинов, однако они снижают качество реактивных и дизельных топлив, поскольку ухудшают характеристики их сгорания.

Ненасыщенные углеводороды (алкены, алкадиены) встречаются в нефтях очень редко и в небольших количествах.

В табл.2 на примере нефтей некоторых месторождений приведены обобщенные показатели содержания парафиновых, нафтеновых и ароматических фракций.

Таблица 2. Содержание углеводородных фракций, %

 

Регионы размещения нефтяных месторождений	Парафиновые фракции	Нафтеновые фракции	Ароматические фракции
Предкарпатье	47–49	26–35	18–25
Днепровско-Донецкая впадина	28–66	22–53	12–33
Беларусь	60–71	13–27	11–21
Литва	73–74	22–23	4–5
Азербайджан (материк)	28–56	39–68	2–17
Азербайджан (море)	35–56	27–60	1–20
Дагестан	58–62	25–31	11–13
Чечено-Ингушетия	51–61	16–41	8–28
Калининградская обл.	70–74	21–26	4–5
Краснодарский край	20–47	42–56	11–50
Ставропольский край	51–65	20–37	12–15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Веб-сайт : http://energetika.in.ua/
2. Веб-сайт: ru.wikipedia.org
3. Веб-сайт: http://www.ngfr.ru/