Нефть

ВВЕДЕНИЕ 

    Бурный  научно-технический прогресс и  высокие  темпы  развития  различных

отраслей науки  и мирового хозяйства  в  XIX  –  XX  вв.  привели  к  резкому

увеличению потребления  различных полезных  ископаемых,  особое  место  среди

которых заняла нефть.

   Нефть  начали добывать на берегу  Евфрата за 6 – 4 тыс. лет до  нашей  эры.

Использовалась  она и в качестве  лекарства.  Древние  египтяне  использовали

асфальт   (окисленную   нефть)   для   бальзамирования.   Нефтяные    битумы

использовались  для приготовления строительных  растворов.  Нефть входила в

состав «греческого  огня». В средние века нефть использовалась для  освещения

в ряде городов  на Ближнем Востоке, Южной Италии и др.  В  начале  XIX  в.  в

России, а в  середине XIX в. в Америке из нефти путем  возгонки  был  получен

керосин. Он использовался  в лампах. До середины XIX в.  нефть  добывалась  в

небольших количествах  из глубоких колодцев вблизи  естественных  выходов  ее

на поверхность. Изобретение  парового,  а  затем  дизельного  и  бензинового

двигателя привело  к бурному развитию нефтедобывающей  промышленности. 

   Нефть   –  это  маслянистая  горючая   жидкость,  обладающая  специфическим

запахом, обычно  коричневого  цвета   с  зеленоватым  или  другим  оттенком,

иногда почти  черная, очень редко бесцветная. 
 

                  ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И СОЕДИНЕНИЯ  В НЕФТЯХ 
 

   Нефти  состоят главным образом из  углерода – 79,5 – 87,5 %  и   водорода  –

11,0 – 14,5 % от  массы нефти.  Кроме  них   в  нефтях  присутствуют  еще   три

элемента –  сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет  0,5

– 8  %.  В  незначительных  концентрациях  в  нефтях  встречаются  элементы:

ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций,  марганец,

хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др.  Их  общее  содержание  не

превышает 0,02  –  0,03  %  от  массы  нефти.  Указанные  элементы  образуют

органические  и  неорганические  соединения,  из  которых   состоят   нефти.

Кислород и  азот находятся в нефтях только в  связанном состоянии. Сера  может

встречаться в  свободном состоянии или входить  в состав сероводорода. 
 

                          Углеводородные соединения 
 

   В состав  нефти входит около 425 углеводородных  соединений.

   Нефть   в природных условиях состоит   из  смеси  метановых,  нафтеновых  и

ароматических  углеводородов.   По   углеводородному   составу   все   нефти

подразделяются  на:  1)  метаново-нафтеновые,  2)  нафтеново-метановые,   3)

ароматическо-нафтеновые,  4)   нафтеново-ароматические,   5)   ароматическо-

метановые, 6) метаново-ароматические и 7)  метаново-ароматическо-нафтеновые.

Первым в  этой  классификации  ставится  название  углеводорода,  содержание

которого в  составе нефти меньше.

   В нефти  также содержится  некоторое   количество  твердых  и  газообразных

растворенных  углеводородов.  Количество  природного  газа   в   кубометрах,

растворенного  в  1  т  нефти  в  пластовых  условиях,  называется   газовым

фактором.

   В нефтяных (попутных) газах кроме метана  и  его  газообразных  гомологов

содержатся пары пентана, гексана и гептана. 
 

                              Гетеросоединения 
 

   Наряду  с  углеводородами  в  нефтях  присутствуют  химические  соединения

других  классов.  Обычно  все  эти   классы   объединяют   в   одну   группу

гетеросоединений (греч. «гетерос» – другой).

   В нефтях  также обнаружено более 380 сложных  гетеросоединений, в которых

к углеводородным ядрам присоединены такие элементы, как сера, азот и

кислород. Большинство  из указанных соединений относится  к классу сернистых

соединений – меркаптанов. Это очень слабые кислоты с неприятным  запахом.  С

металлами они  образуют солеобразные соединения –  меркаптиды. В нефтях

меркаптаны представляют собой соединения, в которых к  углеводородным

радикалам присоединена группа SH.

                           Рис. 1. Метилмеркаптан. 

Меркаптаны разъедают  трубы  и  другое  металлическое  оборудование  буровых

установок.

Главную массу  неуглеводородных соединений в  нефтях  составляют  асфальтово-

смолистые  компоненты.  Это  темно-окрашенные  вещества, содержащие  помимо

углерода и  водорода кислород,  азот  и  серу.  Они  представлены  смолами  и

асфальтенами. Смолистые  вещества заключают около  93%  кислорода  в  нефтях.

Кислород  в  нефтях  встречается  в  связанном  состоянии  также  в  составе

нафтеновых кислот (около 6%) – [pic], фенолов  (не  более  1%)  –  [pic],  а

также жирных кислот и их производных – [pic](Р). Содержание азота  в  нефтях

не превышает 1%. Основная его масса содержится в смолах. Содержание  смол  в

нефтях может  достигать 60% от массы нефти, асфальтенов – 16%.

   Асфальтены  представляют собой черное твердое   вещество.  По  составу  они

сходны со смолами, но характеризуются  иными  соотношениями  элементов.  Они

отличаются большим  содержанием железа, ванадия,  никеля  и  др.  Если смолы

растворяются  в жидких углеводородах всех групп, то  асфальтены  нерастворимы

в  метановых  углеводородах,  частично  растворимы  в  нафтеновых  и   лучше

растворяются  в ароматических. В “белых”  нефтях  смолы  содержатся  в  малых

количествах, а  асфальтены вообще отсутствуют. 

                             ПРОИЗВОДНЫЕ НЕФТЕЙ 

   В 1888 г.  предложено называть  все  горючие   ископаемые  каустобиолитами.

Они подразделяются на две группы: угли и битумы. К  битумам  (лат.  “битумен”

–  смола)  отнесли  нефть  и  горючие  газы,  а  также   твердые   вещества,

родственные нефтям. При классификации производных  нефти выделяют две  ветви.

Одна  из  них  объединяет  последовательные  продукты  изменения  нефтей   с

нафтеновым  основанием  –  минералы  асфальтового  ряда.  Ко  второй   ветви

относятся продукты изменения нефтей  с  парафиновым  основанием  –  минералы

парафинового  ряда.

   Продукты  изменения нефтей с нафтеновым  основанием  подразделяют  на  три

группы: группу асфальтов, группу асфальтитов  и  группу  керитов.  К первой

группе относятся  мальты и  асфальты.  Мальты  –  это  черные,  очень  густые

смолистые нефти. Они богаты серой и кислородом. Асфальты представляют  собой

буро-черные или  черные  вязкие,  слегка  эластичные  или  твердые  аморфные

вещества. Асфальтиты отличаются от асфальтов большей твердостью,  хрупкостью

и  большей  обогащенностью   смолисто-асфальтовыми   компонентами.   Мальты,

асфальты и  асфальтиты полностью растворяются в  органических  растворителях.

В отличие от них кериты (нефтяные угли) не  плавятся  и  не  растворяются  в

органических  растворителях.

   Основными  продуктами изменения нефтей  с парафиновым  основанием  являются

озокериты. Это  –  воскообразные  вещества  плотностью  меньше  единицы.  Они

хорошо растворяются в бензине, бензоле, скипидаре и сероуглероде. Они  легко

воспламеняются  и  горят  ярким  коптящим  пламенем.  Озокерит  –  это  смесь

алканов от  [pic]  до  [pic].  Вторичные  компоненты  представлены  маслами,

смолами и асфальтенами. 

                         ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ 

   Главнейшим  свойством нефти, принесшим   им  мировую  славу  исключительных

энергоносителей, является их способность выделять при  сгорании  значительное

количество теплоты. Нефть и ее производные  обладают  наивысшей  среди  всех

видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти  – 41 МДж/кг,  бензина

– 42 МДж/кг. Важным показателем  для  нефти  является  температура  кипения,

которая  зависит  от  строения  входящих  в  состав  нефти  углеводородов  и

колеблется от 50 до 550°С.

   Нефть,  как и любая жидкость,  при   определенной  температуре  закипает  и

переходит в  газообразное состояние. Различные  компоненты нефти  переходят  в

газообразное  состояние при различной температуре. Так,  температура  кипения

метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С,  пентана  36,1°С.  Легкие  нефти

кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре  более 100°С.

   Различие  температур кипения  углеводородов   используется  для  разделения

нефти на температурные  фракции. При нагревании нефти до  180–200°С  выкипают

углеводороды  бензиновой фракции, при 200–250°С – лигроиновой, при  250–315°С

– керосиново-газойлевой и при  315–350°С  –  масляной.  Остаток  представлен

гудроном. В состав бензиновой и  лигроиновой  фракций  входят  углеводороды,

содержащие  6–10   атомов   углерода.   Керосиновая   фракция   состоит   из

углеводородов с [pic], газойлевая – [pic] и т.д.

   Важным  является свойство нефтей растворять  углеводородные газы.  В  1  м3

нефти может  раствориться до 400 м3 горючих  газов.  Большое  значение  имеет

выяснение условий  растворения нефти  и  природных  газов  в  воде.  Нефтяные

углеводороды  растворяются в воде крайне незначительно. Нефти различаются  по

плотности. Плотность  нефти, измеренной  при  20°С,  отнесенной  к  плотности

воды, измеренной при 4°С, называется относительной.  Нефти  с  относительной

плотностью 0,85 называются легкими, с относительной плотностью  от  0,85  до

0,90 – средними, а с относительной  плотностью  свыше  0,90  –  тяжелыми.  В

тяжелых нефтях содержатся в основном циклические  углеводороды.  Цвет  нефти

зависит от ее плотности: светлые  нефти  обладают  меньшей  плотностью,  чем

темные. А чем  больше в нефти смол и асфальтенов, тем выше ее плотность.  При

добыче  нефти  важно   знать   ее   вязкость.   Различают   динамическую   и

кинематическую  вязкость.  Динамической  вязкостью   называется   внутреннее

сопротивление отдельных частиц жидкости движению  общего  потока.  У  легких