Химический состав нефти
Углеводороды нефти и нефтепродуктов. Гетероатомные соединения и минеральные компоненты природной маслянистой горючей жидкости со специфическим запахом. Методы контроля состава и свойств нефтепродуктов. Кислородные, сернистые, азотистые соединения.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.11.2021 |
| Размер файла | 456,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ИГУ») Геологический факультет
Кафедра Геология Нефти и Газа
Реферат
«Химический состав нефти»
По дисциплине «Нефтепромысловая геохимия»
Выполнил студент Заочного отделения
Т.А. Латышева
Иркутск 2021
Оглавление
- Введение
- 1. Состав нефти
- 1.1 Химический состав нефти
- 1.1.1 Углеводороды нефти и нефтепродуктов
- 1.1.1.1 Алканы
- 1.1.1.2 Циклоалканы
- 1.1.1.3 Арены и углеводороды смешанного строения
- 1.1.1.4 Непредельные углеводороды
- 1.1.2 Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти
- 1.1.3 Кислородные соединения
- 1.1.4 Сернистые соединения
- 1.1.5 Азотистые соединения
- 1.1.6 Смолисто-асфальтовые вещества
- Заключение
Введение
Энергетические ресурсы играют ведущую роль в современной экономике. Уровень развития производительных сил каждого государства определяется в значительной степени масштабам», потребления энергоресурсов. О важной роли энергоресурсов свидетельствует то обстоятельство, что более 70 % добываемых в мире полезных ископаемых относится к источникам энергии. Основные виды энергоресурсов -- уголь, нефть, природный газ, гидроэлектроэнергия и ядерная энергия.. В настоящее время нефть -- основной источник энергии в большинстве стран мира. На топливах, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного и воздушного транспорта, поднимаются космические ракеты, вырабатывается электроэнергия на тепловых электростанциях. Современный уровень цивилизации и технологии был бы немыслим без той дешевой и обильной энергии, которую предоставляет нам нефть. Сегодня она имеет несколько значений для народного хозяйства страны:
сырье для нефтехимии в производстве синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей;
источник для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных материалов (битумы, гудрон, асфальт);
сырье для получения ряда белковых препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его роста.
Природный газ, открытый тысячи лет назад, стал незаменимым энергоносителем в большей части промышленно развитого мира. В самом благоприятном положении находятся страны, имеющие хотя бы небольшие собственные запасы природного газа, в то время как некоторые страны, например Япония, должны импортировать практически весь требующийся газ. В районах, богатых нефтью, обычно имеются и значительные запасы природного газа. К таким регионам относятся Россия, США, Ближний Восток, Мексика, некоторые районы Южной Америки, а также европейские страны, прилегающие к Северному морю.
Промышленное использование природного газа - в качестве различных видов технологического топлива - стимулируется возможностями более точного регулирования генерируемого теплового потока по сравнению с другими видами топлива. В силу этого природный газ находит все более широкое применение в тех отраслях промышленного, для которых строго регламентирована подача тепла, имеет важное практическое значение: в пищевой, стекольной, керамической и цементной промышленности, при производстве кирпича, фарфора и других хрупких материалов. Потребление природного газа приобретает все более широкие масштабы и в современной нефтехимии, использующей углеводородный газ в качестве сырья для получения аммиака, азотных удобрений и т.п.
Широкое использование газообразного топлива в жилищно-коммунальном хозяйстве и сфере услуг обусловлено такими потребительскими свойствами, как высокая калорийность, удобство применения и чистота сгорания.
Все большее распространение получает использования газа в качестве топлива на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Говоря о потреблении газообразного топлива, следует подчеркнуть, что наряду с природным газом, в качестве технологического и коммунально- бытового топлива, а также химического сырья, используются искусственные газы: заводской, нефтезаводской, коксовый, доменный и т.д.
В настоящее время на долю различных видов искусственного газа в целом приходится около 15% совокупного потребления газообразных углеводородов.
1. Состав нефти
Нефть представляет собой взаимный сопряжённый раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Надо подчеркнуть, что нефть - это не смесь веществ, а раствор углеводородов и гетероатомных органических соединений. Это означает, что при изучении нефти к ней надо подходить как к раствору.
Нефть - не просто растворённое вещество в растворителе, а взаимный раствор ближайших гомологов и иных соединений друг в друге. Наконец, сопряжённым раствор назван в том смысле, что, растворяясь друг в друге, ближайшие по строению структуры образуют систему, представляющую нефть в целом.
Если нарушается сопряжённое взаимное растворение ближайших компонентов, то может частично разрушиться и система нефти. Например, если разгонкой убрать из нефти средние фракции, то при соединении головных фракций лёгкого бензина с остаточными тяжёлыми фракциями может и не произойти растворения, а часть смолистых веществ выпадет в осадок - система сопряжённого взаимодействия будет нарушена.
Собственно нефть представляет собой жидкий ископаемый минерал, залегающий в пористых осадочных породах земной коры, в трещинах, расселинах и других пустотах материнских горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и т.п.)
Нефть представляет собой тёмно-коричневую, иногда почти бесцветную, а иногда даже имеющую чёрный цвет жидкость.
Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным углем, бурым углем и сланцами, которые получили название каустоболитов. В отличие от других горючих ископаемых нефть состоит из готовой смеси различных углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твёрдых горючих ископаемых требуется специальная термическая обработка. Поэтому нефть является ценнейшим сырьём как для получения разнообразных моторных топлив и смазочных масел, так и продуктов нефтехимического синтеза.
1.1 Химический состав нефти
В состав нефти входит около 425 углеводородных соединений. Главную часть нефтей составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические. 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.
1.1.1 Углеводороды нефти и нефтепродуктов
Углеводороды - наиболее простые по составу органические соединения. Их молекулы построены из атомов только двух элементов - углерода и водорода. Общая формула CnHm. Они различаются по строению углеродного скелета и характеру связей между атомами углерода (схема 1).
По первому признаку их делят на ациклические (алифатические) углеводороды, молекулы которых построены из открытых углерод - углеродных цепочек, например, гексан и изогексан:
и циклические (карбоциклические) углеводороды.
Карбоцикличекие углеводороды, обладающие особыми свойствами («ароматический характер»), получили название ароматических, например:
Другие карбоциклические углеводороды, например, циклогексан, называются алициклическими:
По характеру связей между углеродными атомами углеводороды могут быть насыщенные, или предельные (алканы), и ненасыщенные (непредельные). Последние могут содержать разное количество двойных (алкены, алкадиены, циклоалкены и др.), тройных (алкины, циклоалкины и др.) связей или те и другие одновременно:
Схема 1 Классификация углеводородов
1.1.1.1 Алканы
Алканы - алифатические углеводороды, в молекуле которых атомы углерода связаны между собой и с атомами водорода одинарной связью (у-связь). Осюда и другое их название - предельные, или насыщенные, углеводороды. Родоначальник и простейший представитель алканов - метан СН4. В молекуле метана, как и в молекулах других алканов, атом углерода находится в состоянии sp3- гибридизации. Общая формула соединений этого ряда СnH2n+2. Каждый последующий
Алканы занимают исключительно важное место среди углеводородов нефти. Так, природные газы представлены почти исключительно алканами.
Общее содержание алканов в нефтях составляет 40-50% (об.), а в некоторых нефтях оно достигает 50-70%. Однако есть нефти, в которых содержание алканов составляет всего 10-15%.
Лёгкие фракции любых нефтей почти целиком состоят из алканов. С повышением средней молекулярной массы фракций нефти содержание в них алканов уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200-300 0С, их содержится обычно не более 55-61%, а к 500 0С количество этих углеводородов снижается до 19-5% и менее.
Жидкие алканы. Содержание жидких алканов в зависимости от месторождения нефти колеблется от 10 до 70 %. Наиболее богаты ими мангышлакские, сибирские, татарские, башкирские нефти. При фракционной разгонке эти углеводороды попадают в бензиновый (С5-С10) и керосиновый (С11-С16) дистилляты. В настоящее время в нефтях найдены все возможные изомеры пентана, гексана и гептана.
Обычно нефть содержит, главным образом, два-четыре десятка индивидуальных нормальных и изомерных алканов, остальные присутствуют в незначительных количествах.
Наиболее характерно содержание алканов нормального и слаборазветвлённого строения. Причём из последних наиболее часто встречаются метилзамещённые.
В табл. 5 приведены усреднённые данные о содержании индивидуальных алканов в бензиновых фракциях нефтей.
Из 18 изомеров октана обнаружено 17. Из 35 возможных изомеров нонана обнаружено 24.
Декан и его десять изомеров выделены, а большая часть обнаружены спектроскопическим методом.
Из углеводородов С11-С16 найдены ундекан, додекан, три- и тетрадекан, пентадекан и гексадекан.
Таблица 5 Относительное содержание алкановых углеводородов во фракциях различных нефтей
|
Углеводороды |
Среднее содержание во фракции, % от суммы алканов |
||
|
для нефтей СНГ |
для зарубежных нефтей |
||
|
Фракция 60-95 0С |
|||
|
н-гексан |
23,0 |
35,9 |
|
|
2-метилпентан |
14,9 |
14,0 |
|
|
3-метилпентан |
12,0 |
12,0 |
|
|
2,2-диметилпентан |
3,3 |
1,5 |
|
|
2,4-диметилпентан |
4,0 |
3,5 |
|
|
2,3-диметилпентан |
8,8 |
2,6 |
|
|
3,3-диметилпентан |
1,7 |
- |
|
|
2-метилгексан |
14,0 |
20,0 |
|
|
3-метилгексан |
14,9 |
10,5 |
|
|
3-этилпентан |
3,4 |
- |
|
|
Фракция 95-122 0С |
|||
|
н-гептан |
52,6 |
49,2 |
|
|
2,2-диметилгексан |
1,1 |
5,7 |
|
|
2,3-диметилгексан |
4,0 |
11,8 |
|
|
2,4-диметилгексан |
4,7 |
5,1 |
|
|
2-метилгептан |
23,8 |
- |
|
|
3-метилгептан |
8,1 |
- |
|
|
4-метилгептан |
5,7 |
28,2 |
В некоторых нефтях обнаружены изопреноидные углеводороды -разветвлённые алканы с правильным чередованием метильных заместителей в цепи через три метиленовые группы:
Содержание их в различных нефтях составляет до 9 %.
Изопреноидные углеводороды представляют особенный интерес для геохимии нефти, поскольку обладают специфической структурой, характерной для биохимических компонентов. Особенности их строения и высокая концентрация в различных нефтях свидетельствуют в пользу их биогенной природы.
При изучении распределения в нефтях нормальных алканов и алканов изостроения обнаружены закономерности, связанные с типом нефти. В нефтях метанового типа преобладают нормальные алканы (до 50 %). В нефтях нафтенового типа содержатся преимущественно изоалканы (до 75 % и более). Они могли образоваться в нефтях из фитола - ненасыщенного алифатического спирта растительного происхождения, который является составной частью хлорофилла.
Так как нефти метанового типа относятся к старым нефтям, преобладание в них алканов нормального строения объясняют протеканием реакций отщепления боковых цепей у углеводородов изостроения. Преимущественное содержание изоалканов в нафтеновых нефтях свидетельствует, что они относятся к молодым, не претерпевшим ещё значительных превращений.
Жидкие алканы имеют большое значение в жидких топливах. Установлено, что нормальные алканы являются носителями детонирующих свойств, в результате чего их присутствие в бензинах нежелательно.
Напротив, они желательны в дизельном топливе, т. к. с увеличением длины цепи повышается так называемое цетановое число, которое характеризует способность дизельного топлива к воспламенению.
Алканы разветвлённого строения придают бензинам антидетонационные свойства, характеризуемые октановым числом.
Жидкие алканы, входя в состав бензина, керосина и других продуктов переработки нефти, используют в первую очередь как топлива. Значительное количество нормальных алканов используют для получения синтетических жирных кислот, спиртов и поверхностно-активных веществ. Кроме того, они являются сырьём для микробиологической промышленности, производящей белково-витаминные концентраты.
Твёрдые алканы. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях. Для всех твёрдых алканов укрепилось техническое название “парафины”. Парафинов в нефтях содержится мало (0,1-5%). Однако встречаются высокопарафинистые нефти с содержанием 7-27% твёрдых парафинов.
Основная их масса содержится в мазуте, при перегонке которого углеводороды с числом углеродных атомов от 17 до 35 попадают в масляные дистилляты, а С36-С55 остаются в гудроне. По химическому составу углеводороды, выделенные из масляных фракций, составляют более 75% нормальных алканов и небольшие количества циклоалканов и разветвлённых углеводородов. Они имеют температуру плавления 45-54 0С, температуру кипения до 550 0С, плотность 0,860-0,940 и молекулярную массу 300-500. Твёрдые углеводороды с числом углеродных атомов от 36 до 55 носят название церезины. В состав церезинов входят алканы нормального и изостроения, которые могут содержать в молекуле циклоалкановые и ароматические структуры. Церезины имеют температуру плавления 65-88 0С, температуру кипения выше 600 0С, молекулярную массу 500-750. По внешнему виду похожи на воск.
Парафины легко кристаллизуются в виде пластинок и пластинчатых лент. Церезины же кристаллизуются в виде мелких игл, поэтому они не образуют прочных застывающих систем, как парафины.
В нефти парафины находятся в растворённом и взвешенном состоянии. На холоде растворимость их в нефти и нефтяных фракциях невелика, но при нагревании около 40 0С парафины неограниченно растворяются в них. Так как в недрах Земли повышенная температура, то в нефтях парафины находятся в растворённом состоянии, выделяясь из них в виде твёрдой фазы при подъёме нефти на поверхность. Поэтому при содержании их в нефти в пределах 1,5-2 % парафины отлагаются в скважинах и промысловых нефтесборных трубопроводах, затрудняя эксплуатацию скважин и транспорт нефти.
Парафины и церезины имеют разнообразное применение в химической промышленности, в производстве вазелина, в пропитке древесины, аппретировании тканей, в качестве изолирующего материала в электро- и радиотехнике.
Парафины применяют в качестве загустителя в производстве пластических смазок. Особенно большое значение они имеют, также как и жидкие алканы, для производства синтетических жирных кислот и спиртов.
1.1.1.2 Циклоалканы
Циклоалканы или цикланы - углеводороды, содержащие в молекуле циклы (кольца), построенные из атомов углерода (карбоциклические соединения), связанные между собой у-связью. Из рассмотренной ранее классификации (см. с. 17 ) следует, что цикланы входят в состав алициклических соединений. Общая формула циклоалканов CnH2n. Следовательно, молекулы цикланов, не имеющие заместителей, состоят из связанных между собой и замкнутых в кольца групп СН2 (метиленовая группа); отсюда и другое их название - полиметиленовые соединения.
В технической литературе (в том числе и в нефтяной) циклоалканы называют нафтенами. Последнее название им дал В.В. Марковников, впервые открывший эти углеводороды в 1833 году в бакинских нефтях.
Циклоалканы по числу циклов в молекуле подразделяются на моноцикланы (общая формула СnН2n), бицикланы (СnН2n-2) и полицикланы (СnН2n-4, СnН2n-6 и т.д.).
Нефти содержат от 25 до 75 % (масс.) циклоалканов. Содержание и распределение структур циклоалканов по фракциям определяется типом нефти.
Моноциклические циклоалканы являются преобладающими компонентами нефти. Они представлены преимущественно метилзамещёнными циклопентанами и циклогексанами. Преобладают соединения, замещённые в положении 1,3 и 1,2,3. Циклогексановые гомологи более распространены, чем циклопентановые. Аномально высокое содержание этих углеводородов связано с происхождением нефти. В небольшом количестве в нефтях найдены алкилциклогептаны.
Из бициклоалканов в нефтях найдены конденсированные
и их гомологи. Наиболее широко распространены имеющие практическое значение декалины. Кроме конденсированных бициклоалканы могут быть представлены в нефтях гомологами дициклопентила и циклогексила, циклопентилциклогексила и дициклогексилметана:
Из трициклических циклоалканов в нефтях обнаружен лишь трицикло (3.3.1.1.3,7)декан (адамантан) и его гомологи:
Молекула адамантана очень устойчивая. Кристаллическая решётка у него такая же, как у алмаза.
В высших фракциях нефти содержатся полициклические алканы, молекулы которых представляют системы конденсированных 4,5 и 6-ти циклов с короткими боковыми цепями (терпаны, стераны), происхождение которых связывается со стероидами, широко распостранёнными в живой природе.
Моноциклические циклоалканы с длинными боковыми цепями, а также циклоалканы сложной конденсированной структуры представляют собой при обычной температуре твёрдые вещества. Они являются компонентами парафинов и церезинов.
В настоящее время из нефтей выделяют лишь циклогексан, который используют в нефтехимическом синтезе, и производные адамантана, применяемые в различных областях (лекарственные вещества, полимеры и др.). Другие циклоалканы нефтей используют в качестве добавок к бензинам, либо перерабатывают с целью получения ароматических углеводородов.
Чем больше циклоалканов содержат бензины и керосины, тем более высококачественными топливами они являются. По отношению к детонационной стойкости они занимают среднее положение между алканами нормального строения и аренами. Наиболее высокими антидетонационными свойствами обладают циклопентан и циклогексан.
В дизельных топливах желательны моноциклоалканы с длинными боковыми цепями. Для реактивных топлив особенно желательны малоразветвлённые моноциклоалканы, поскольку при сгорании они выделяют много тепла и обладают низкой температурой застывания.
Для смазочных масел предпочтительнее моно- и бициклические циклоалканы с длинными боковыми цепями. Они имеют хорошую вязкость, смазывающую способность, низкую температуру застывания.
Непредельными или ненасыщенными углеводородами называются соединения, содержащие двойные или тройные связи. Непредельные углеводороды образуют несколько гомологических рядов, состав которых выражается одной из следующих формул: СnH2n, CnH2n-2, CnH2n-4 и т. д.
1.1.1.3 Арены и углеводороды смешанного строения
Арены, или ароматические углеводороды, - соединения, содержащие в молекуле особую циклическую группировку из шести атомов углерода, которая называется бензольной группировкой (бензольное ядро):
бензольное ядро
Название углеводородов этой группы «ароматические соединения» - случайное и сегодня потеряло свой первоначальный смысл. Действительно, первые открытые соединения или обладали специфическим, иногда приятным запахом, или были выделены из природных сильно пахнущих продуктов. Но количество «ароматных» веществ среди многочисленных известных соединений этой группы невелико. В то же время наблюдается ряд особенностей в строении, физических свойствах и химическом поведении этих веществ, связанных с наличием в молекуле бензольных группировок.
Различают одноядерные (одна бензольная группировка в молекуле) и многоядерные ароматические углеводороды, содержащие две или более бензольные группировки. В молекулах аренов в качестве боковых цепей могут находиться углеводородные радикалы с неразветвлённой или разветвлённой углеродной цепочкой, а также содержащие двойные или тройные связи и циклические группировки:
Следовательно, арены могут содержать в молекуле наряду с ароматическими ядрами разнообразные по строению алифатические цепи, а также включать в состав молекулы другие (не содержащие ядер бензола) циклические группировки.
Первый и один из наиболее важных представителей гомологического ряда одноядерных ароматических углеводородов - бензол С6Н6. Отсюда и общее название гомологического ряда - ряд бензола.
Высококипящие фракции нефти главным образом состоят в основном из углеводородов смешанного (гибридного) строения. Это полицикличекие углеводороды, молекулы которых содержат циклоалкановые структуры, конденсированные с аренами.
В керосино-газойлевых фракциях содержатся простейшие гибридные бициклические углеводороды и их гомологи:
Ареновые циклы гибридных углеводородов имеют преимущественно короткие (метильные или этильные) заместители, циклоалкановые кольца - один или два довольно длинных алкильных заместителя. Особенно много гибридных углеводородов в масляных фракциях. Строение их изучено мало.
Гибридные углеводороды являются нежелательными компонентами смазочных масел, поскольку они ухудшают вязкостные свойства и уменьшают стабильность их против окисления.
Общее содержание аренов в нефтях составляет 10-20 % масс., а в ароматических нефтях их содержание доходит до 35%. Наиболее богаты аренами молодые нефти.
Общим для всех нефтей является повышение содержания аренов с температурой выкипания нефтяных фракций.
Содержание моноциклических производных ряда бензола в бензиновых фракциях колеблется от 5 до 25 % в зависимости от месторождения исходной нефти.
В этих фракциях присутствуют все метилзамещённые изомеры бензола до С10 включительно. Толуол, м-ксилол и 1,2,4 - триметилбензол представляют основные компоненты нефти. Среди дизамещённых гомологов бензола преобладают 1,3-, среди триалкилбензолов -1,3,5 и 1,2,4-изомеры.
В керосиновых и газойлевых фракциях содержится от 15 до 35 % аренов. Кроме гомологов бензола здесь обнаружены нафталин, бифенил, бифенилэтан и их метилпроизводные. Нафталин присутствует в очень небольших количествах, подтверждая общую закономерность, в соответствии с которой первые члены гомологических рядов всегда находятся в нефтях в меньших концентрациях по сравнению с вышестоящими гомологами. В более высококипящих фракциях присутствуют полициклические арены, такие как антрацен, фенантрен, пирен, флуорен, хризен, перилен и их алкильные (главным образом, метильные) производные.
Среднее содержание аренов, характерное для нефтей СССР различных типов (в % масс, в расчёте на арены): бензольные - 67%, нафталиновые - 18%, фенантреновые - 8%, хризеновые и бензофлуореновые - 3%, пиреновые - 2%, антраценовые 1%, прочие арены - 1. Гомологи фенантрена присутствуют в значительно большем количестве, чем гомологи антрацена, что согласуется с относительным содержанием этих структур в растительных и животных тканях.
Арены являются желательными компонентами карбюраторных топлив, так как обладают высокими октановыми числами (толуол -103, этилбензол - 98).
Присутствие аренов в значительных количествах в дизельном и реактивном топливах ухудшает условие сгорания, и поэтому крайне нежелательно.
Полициклические арены с короткими боковыми цепями ухудшают эксплуатационные свойства масел и поэтому они из них удаляются.
Арены являются ценным сырьём для нефтехимического синтеза, при производстве синтетических каучуков, пластмасс, синтетических волокон, анилино-красочных и взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов. Наибольшее значение имеют бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, нафталин.
1.1.1.4 Непредельные углеводороды
Ранее считалось, что алкены либо не содержатся в нефтях, либо содержатся в незначительных количествах. В конце 80-х годов было показано, что в ряде нефтей Восточной Сибири, Татарии и других районов России содержание алкенов может доходить до 15-20% от массы нефти.
В небольших количествах они найдены и в канадской нефти. Из неё выделены углеводороды от С6Н12 до С13Н26. В небольших количествах непредельные углеводороды присутствуют в продуктах простой перегонки нефти. Значительное количество непредельных углеводородов содержится в газах термической и каталитической переработки нефтяных фракций (до 25 %). Большое количество газообразных алкенов содержится и в жидких продуктах крекинга - бензинах. В них присутствуют алкены нормального и изостроения, циклоалкены (циклопентен, циклогексен и их гомологи), арены с двойной связью в боковой цепи (стирол, инден и их гомологи).
Алкадиены содержатся в продуктах парофазного крекинга и пиролиза в количествах от 5 до 10% (масс.). В основном это 1,3-бутадиен, 1,3-пентадиен (пиперилен), циклопентадиен.
Непредельные углеводороды повышают октановое число топлив. Однако вследствие высокой реакционной способности они легко окисляются кислородом воздуха (особенно диены). В результате окисления образуются осадки и смолы, которые могут привести к нарушению работы двигателей. Поэтому для получения стабильных к окислению нефтепродуктов их либо подвергают очистке от непредельных углеводородов, либо добавляют антиокислители.
Непредельные углеводороды являются важнейшим сырьём для нефтехимической промышленности. На их основе производят большую часть всех нефтехимических продуктов.
1.1.2 Гетероатомные соединения и минеральные компоненты нефти
Гетероатомными называют соединения, в которых кроме атомов углерода содержатся гетероатомы (O, S, N). Во всех нефтях присутствуют гетероатомные соединения: кислородные, сернистые, азотистые. В нефтях содержатся гетероатомные соединения как циклического, так и в значительно меньшей степени ациклического характера. Содержание и соотношение их зависит от возраста и происхождения нефти.
Количество гетероатомных соединений в низкомолекулярной части нефти невелико (до 10%). Основная их масса концентрируется в высокомолекулярной части (до 40%) нефти и особенно в смолисто-асфальтовом остатке (до 100%).
Смолисто-асфальтовых веществ больше в молодых нефтях, и поэтому они обычно содержат больше гетероатомных соединений.
Присутствие определённых гетероатомных соединений и их содержание в нефтях имеет большое значение для решения вопроса об исходном материале нефти и процессов её преобразования в период созревания.
1.1.3 Кислородные соединения
Содержание кислородных соединений в нефти достигает 10%. Основная часть кислорода, содержащегося в нефтях, приходится на долю смолисто-асфальтовых веществ (около 90%). Остальные кислородные соединения представлены органическими кислотами, фенолами, кетонами и эфирами.
1.1.4 Сернистые соединения
В нефтях содержатся как неорганические, так и органические соединения серы: элементарная сера, сероводород, тиолы, сульфиды, ди- и полисульфиды, тиофены. Из них основную долю составляют сульфиды и тиофены.
Существуют и смешанные серу- и кислородсодержащие соединения - сульфоны, сульфоксиды.
В настоящее время в нефтях обнаружено более 250 серусодержащих соединений.
Элементарная сера содержится в нефтях в растворённом состоянии. Количество её может колебаться от 0,0001 до 0,1 % (масс.) и, как правило, пропорционально содержанию серы в нефти.
Элементарная сера содержится лишь в нефтях, связанных с известняковыми или сульфатно-доломитовыми отложениями. При хранении таких нефтей элементарная сера собирается в отстое на дне нефтехранилищ.
При нагревании нефти (в процессе перегонки) сера частично реагирует с углеводородами:
Сера попадает в дистилляты из исходной нефти, а также образовывается в них за счёт термического распада сераорганических соединений.
Сероводород в пластовых условиях может содержаться как в газах, так и в растворённом состоянии в нефтях. Количество растворённого в нефтях сероводорода может доходить до 0,02% масс. При нагревании нефти в процессе её переработки сероводород образуется за счёт разложения нестабильных сераорганических соединений. Образование сероводорода происходит и при взаимодействии элементарной серы с углеводородами.
В зависимости от природы нефти содержание серы в нефтях может изменяться от десятых долей до нескольких процентов.
Содержание различных классов сернистых соединений в некоторых нефтях представлено в табл. 11.
Распределение сернистых соединений по фракциям нефти различно. С повышением температуры кипения фракций содержание сернистых соединений увеличивается.
Таблица 11 Распределение сернистых соединений в высокосернистых нефтях различных месторождений России
|
Регион |
Содержание серы, % масс. |
Распределение серы в расчёте на общее её содержание, % масс |
|||
|
Тиолы |
Сульфиды |
Гомологи тиофена и высокомолекулярные структуры |
|||
|
Башкирская АССР |
1,9-4,0 |
0-10 |
6-40 |
50-94 |
|
|
Татарская АССР |
0,9-4,0 |
0-2,6 |
11-36 |
61-89 |
|
|
Куйбышевская обл. |
2,0-3,7 |
0,09-7,3 |
7,4-24 |
69-92 |
|
|
Оренбургская обл. |
2,6-3,2 |
0,72-2,7 |
7,3-20 |
77-92 |
|
|
Пермская обл. |
1,0-3,1 |
0-7,2 |
7,6-29 |
63-93 |
|
|
Сибирь |
0,9-3,0 |
0-74 |
0-28 |
26-92 |
Большая часть (70-90% масс.) их сосредоточена в тяжёлых нефтяных остатках (мазуте и гудроне) и особенно в асфальто-смолистой части.
Распределение сернистых соединений по нефтяным фракциям зависит от типа нефти (табл. 12).
Таблица 12 Распределение серы по фракциям сернистых и высокосернистых нефтей, % масс.
|
Регион |
Фракции, 0С |
||||
|
н.к.-120 |
120-200 |
200-250 |
250-300 |
||
|
Башкирская АССР |
0,02-0,57 |
0,08-1,74 |
0,35-2,5 |
0,67-3,95 |
|
|
Татарская АССР |
0,02-0,25 |
0,05-1,04 |
0,17-2,29 |
0,72-3,13 |
|
|
Куйбышевская обл. |
0,02-0,27 |
0,02-0,75 |
0,02-1,61 |
0,07-3,18 |
|
|
Оренбургская обл. |
0,01-0,18 |
0,11-0,67 |
0,38-1,17 |
1,18-2,4 |
|
|
Пермская обл. |
0,02-0,10 |
0,06-0,59 |
0,12-1,56 |
0,25-2,59 |
|
|
Сибирь |
0,01-0,05 |
0,02-0,36 |
0,16-0,72 |
0,43-1,58 |
Содержание сернистых соединений в нефтяных фракциях можно приближённо определять по эмпирической формуле А.К. Каримова:
где r- содержание сернистых соединений в данной фракции, % масс.;
а - содержание серы в данной фракции, % масс.;
М - молекулярная масса фракции.
В табл. 13 для примера приведён групповой состав сернистых соединений двух нефтей с общим содержанием серы в одной около 1 % (Сызранская нефть), в другой около 5% (Чусовская нефть).
Таблица 13 Групповой состав сернистых соединений некоторых нефтей
|
Температура выкипания фракций 0С |
Количество серы, % масс. на фракцию |
Количество серы в % масс. на общее содержание серы в данной фракции в виде: |
||||||
|
сероводорода |
элементарной серы |
меркаптанов |
сульфидов |
дисульфидов |
* остаточное |
|||
|
Сызранская нефть |
||||||||
|
до 200 |
0,18 |
5,4 |
13,6 |
39,7 |
1,6 |
1,1 |
38,6 |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
200-300 |
1,02 |
1,0 |
10,4 |
1,0 |
1,9 |
8,8 |
76,9 |
|
|
Чусовская нефть |
||||||||
|
до 200 |
0,40 |
7,3 |
4,3 |
15,4 |
32,4 |
0,5 |
40,0 |
|
|
200-300 |
2,78 |
0,0 |
2,1 |
2,5 |
15,1 |
11,8 |
68,2 |
1.1.5 Азотистые соединения
Содержание азота в составе нефтей не превышает 0,3%, а содержание азотистых соединений максимально достигает 10% в высокосмолистых нефтях.
Содержание азота в нефтях зависит, главным образом, от географического расположения месторождений и, в меньшей степени, от геологической формации, из которой получена нефть. Нефти с наибольшим содержанием азотистых соединений добываются из третичных отложений.
В лёгких фракциях нефти азотистые соединения отсутствуют или обнаруживаются в ничтожных количествах. С увеличением температуры кипения фракций содержание азотистых соединений в них возрастает, и, как правило, больше половины азотистых соединений сосредоточено в смолисто-асфальтовой части.
В нефтях обнаружены азотистые соединения, относящиеся к классу аминов и амидов кислот.
1.1.6 Смолисто-асфальтовые вещества
Смолисто-асфальтовые вещества - сложная смесь наиболее высокомолекулярных компонентов нефти, содержание которых достигает 10-50 % масс. В высококонцентрированном виде смолисто - асфальтовые вещества находятся в природе в виде природных битумов. Смолисто-асфальтовые вещества представляют собой гетероорганические соединения гибридной структуры, включающие в состав молекул азот, серу, кислород и некоторые металлы (Fe, Mg, V, Ni и др.). На долю углеводородной части смолисто-асфальтовых веществ приходится 80-95% всей молекулы. Наиболее богаты смолисто-асфальтовыми веществами молодые нефти ароматического основания. Нефти более старые, алканового основания, содержат смолисто-асфальтовых веществ значительно меньше.
Смолисто-асфальтовые вещества нефти принято разделять на группы в соответствии с растворимостью их в различных растворителях.
Смолисто-асфальтовые вещества объединяют две большие группы высокомолекулярных соединений нефти - смолы и асфальтены, в химическом составе, строении и свойствах которых имеется много общего. Соотношение между смолами и асфальтенами в нефтях и тяжёлых остатках, где в основном они концентрируются, составляет от 9:1 до 7:1.
Смолы. Состав и свойства нефтяных смол зависят от химической природы нефти. Несмотря на различную природу нефтей различных месторождений, содержание углерода и водорода в смолах колеблется в сравнительно узких пределах (в % масс.) С- от 79 до 87, Н- от 9-11. В смолах нефтей различных месторождений неодинаковое количество гетероатомов. Так, содержание кислорода колеблется от 1 до 7 % масс., серы от десятых долей процента до 7-10%. В некоторых смолах содержится азот (до 2 %).
Смолы составляют от 70 до 90 % всех гетероорганических соединений нефти. Они богаче водородом, чем асфальтены, на 1-2%. Большую часть смол составляют нейтральные вещества. Кислотные продукты представлены главным образом асфальтеновыми кислотами.
Нефти алканового основания (парафинистые нефти) характеризуются высоким содержанием смол (46%) нейтрального характера.
Основными структурными элементами молекулы нефтяных смол являются конденсированные циклические системы, в состав которых входят ароматические, циклоалкановые и гетероциклические кольца, соединённые между собой короткими алифатическими мостиками и имеющие по несколько алифатических, реже циклических заместителей в цикле. По Сергиенко С.Р., строение молекул смол можно представить одной из следующих формул:
Смолы представляют собой очень вязкие малоподвижные жидкости, а иногда и твёрдые аморфные вещества от тёмно-коричневого до бурого цвета. Плотность их близка к 1,1 г/мл, молекулярная масса от 600 до 1000.
Смолистые вещества термически и химически нестабильны, легко окисляются и конденсируются, превращаясь при этом в асфальтены.
Смолы легко сульфируются, переходя в раствор серной кислоты. На этом основан сернокислотный способ очистки топлив и масел. Смолистые вещества образуют комплексы с хлоридами металлов, фосфорной кислотой.
Асфальтены являются более высокомолекулярными соединениями, чем смолы. Они отличаются от смол не только несколько меньшим содержанием водорода, но и более высоким содержанием гетероатомов. Предполагают, что асфальтены являются продуктами конденсации смол.
На основании многочисленных исследований химического строения молекул асфальтенов считают, что последние представляют собой полициклическую, ароматическую, сильно конденсированную систему с короткими алифатическими заместителями у ароматических ядер. В молекулах асфальтенов присутствуют также пяти- и шестичленные гетероциклы. В зависимости от природы нефти количественное соотношение ароматических, нафтеновых и гетероциклических структурных элементов может меняться в широких пределах.
Предложены следующие типы полициклических структур - звенья молекул смол и асфальтенов:
Кислород в асфальтенах входит не только в состав гетероциклов, но и в различные функциональные группы: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и сложноэфирные.
Сера входит также в состав сульфидных мостиков между фрагментами молекул асфальтена. Обнаружены циклические соединения, содержащие сульфоксидную группу.
Атомы азота находятся в составе пиридиновых и пиррольных колец, причём последние чаще всего встречаются в виде порфириновых комплексов ванадия и никеля.
Асфальтены представляют собой твёрдые аморфные вещества, плотность их выше 1,14, молекулярная масса от 2000 до 4000.
Асфальтены, выделенные из сырых нефтей, хорошо растворяются в сероуглероде, хлороформе, бензоле, циклогексане и других органических растворителях, но не растворяются в низших алкановых углеводородах. На этом свойстве основано выделение асфальтенов из нефти и нефтепродуктов.
При нагревании асфальтены размягчаются, но не плавятся; при температуре выше 300 0С они переходят в кокс и газ.
Полярные центры, возникающие в молекуле за счёт гетероатомов и сопряжённых систем-электронов ароматических фрагментов обуславливают склонность асфальтенов к ассоциации даже в разбавленных растворах. Эту способность асфальтены сохраняют и в нефтях. При достаточно большой концентрации асфальтенов они образуют коллоидную систему, которая определяет вязкость нефти.
Асфальтены химически активны. Они легко вступают в реакции окисления, сульфирования, галогенирования, нитрования, несколько труднее гидрируются. Асфальтены склонны к комплексообразованию с хлоридами металлов и ортофосфорной кислотой.
Из асфальтенов нефтяных остатков (продуктов термической переработки нефти) выделяют две подгруппы соединений в зависимости от растворимости -карбены и карбоиды. Карбены нерастворимы ни в каких углеводородах и частично растворимы только в пиридине и сероуглероде; карбоиды не растворяются практически ни в чём.
Эти вещества отсутствуют в сырой нефти, они образуются в качестве вторичных продуктов высокотемпературной переработки нефти в присутствии кислорода или воздуха.
Следует сказать, что в природе самостоятельно существуют твёрдые смолообразные чёрные вещества - асфальты. Их залегание обычно связано с нефтяными залежами. Предполагают, что они образованы при испарении и одновременном окислении нефти в местах её выхода на земную поверхность. В своём составе они содержат высокомолекулярные углеводороды, смолы и асфальтены.
Смолисто-асфальтовые вещества, найденные в нефти, имеют разное происхождение. Часть их составляют вещества, имеющие, по всей вероятности, реликтовый характер. Другая часть - продукты окисления и осернения высокомолекулярных углеводородов или абиогенного преобразования некоторых малоустойчивых гетероатомных соединений и углеводородов, преимущественно высокоциклической природы.
Присутствие смолисто-асфальтовых веществ в топливах и смазочных маслах нежелательно. Они ухудшают цвет, увеличивают нагарообразование, понижают смазочную способность масел. Смолисто-асфальтовые вещества отравляют катализаторы, вызывают закоксовывание аппаратуры при переработке нефти. В то же время смолисто-асфальтовые вещества входят в состав природных асфальтов и остатков вакуумной перегонки нефти и битумов, придают им ряд ценных технических свойств, позволяющих широко использовать их в народном хозяйстве.
В настоящее время битумы расходуются ежегодно десятками миллионов тонн. Большей частью они используются в составе дорожных покрытий как связующий, герметизирующий и гидроизоляционный материал для создания кровли, гидроизоляции фундаментов зданий и гидротехнических сооружений. Они служат для электроизоляции кабелей, аккумуляторов, входят в состав некоторых резин, лаков.
Очень важной областью их применения являются поверхностные покрытия подземных трубопроводов для защиты их от коррозии. Эффективность этого метода защиты определяется не только высокими гидроизоляционными свойствами битумных покрытий, но также и их хорошим электроизолирующим действием, сильно уменьшающим вредное воздействие блуждающих токов. В особенности ответственной является защита от коррозии магистральных нефтепроводов и газопроводов.
Битум может входить в состав промывочной жидкости, используемой при бурении. Качество битумов зависит от содержания в них различных смолисто-асфальтовых веществ. Так, асфальтены придают битумам твёрдость, повышают их температуру размягчения, а нейтральные смолы обеспечивают эластичность и повышают прочность.
Заключение
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.
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.
нефть гетероатомный углеводород азотистый
Список литературы
1. Сыркин А.М. Основы Химии нефти и газа [Текст]/ А.М.Сыркин, Э. М. Мовсумзаде//2002
2. Мухаметзянов А.Х. Метрологическое обеспечение методов испытаний и средств контроля состава и свойств нефти и газа и продуктов их переработки/А.Х.Мухаметзянов//1992
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Гетероатомные соединения, содержание их в нефти и распределение по фракциям. Химические свойства нефтяных кислот. Способность сернистых соединений к гидродесульфированию. Азотистые соединения нефтей. Прибор для пиролитического лампового определения серы.
курсовая работа [452,1 K], добавлен 06.10.2011Элементный и фракционный состав нефти. Краткая характеристика компонентов: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды, кислородные, сернистые и смолисто-асфальтеновые соединения. Углубленная переработка нефти, термический и каталитический крекинг.
курсовая работа [166,2 K], добавлен 11.03.2011Изучение химического состава нефти - горючей маслянистой жидкости, распространенной в осадочной оболочке Земли; важнейшего полезного ископаемого. Обобщение основных способов переработки нефти - обезвоживания, обессоливания, стабилизации и перегонки.
презентация [635,7 K], добавлен 22.05.2012Наиболее распространенные кислородсодержащие соединения нефти: кислоты и фенолы. Структурно-групповой анализ керосиновых и масляных фракций. Изучение смолисто-асфальтеновых веществ. Определение индивидуального состава нефтепродуктов и содержания азота.
реферат [30,2 K], добавлен 02.03.2012Общие сведения о запасах и потреблении нефти. Химический состав нефти. Методы переработки нефти для получения топлив и масел. Селективная очистка полярными растворителями. Удаление из нефтепродуктов парафиновых углеводородов с большой молекулярной массой.
реферат [709,3 K], добавлен 21.10.2012Смесь жидких органических веществ. Получение различных сортов моторного топлива. Групповой состав нефтей. Углеводный состав нефти. Алканы, циклоалканы, арены, гетероатомные соединения. Влияние химического состава бензинов на их антидетонационные свойства.
реферат [38,1 K], добавлен 21.06.2015Нефть как сложная смесь жидких органических веществ, в которых растворены твердые углеводороды и смолистые вещества. Методы заводской переработки нефти, сущность процесса и характеристика колонн ректификации, фракционная перегонка нефтепродуктов.
курсовая работа [82,9 K], добавлен 11.02.2010Задачи и цели переработки нефти. Топливный, топливно-масляный и нефтехимический варианты переработки нефти. Подготовка нефти к переработке, ее первичная перегонка. Методы вторичной переработки нефти. Очистка нефтепродуктов. Продукты переработки нефти.
курсовая работа [809,2 K], добавлен 10.05.2012Состав и структура нефти. Ее физические и химические свойства. Характеристика неуглеводороднных соединений. Расчет удельной теплоёмкости нефти. Порфирины как особые органические соединения, имеющие в своем составе азот. Методы классификация нефти.
презентация [1,5 M], добавлен 04.05.2014Характеристика нефтепродуктов - смеси углеводородов и их производных, а также индивидуальных химических соединений, получаемых при переработке нефти. Особенности этапов промышленного производства (процесс компаундирования) товарных продуктов из нефти.
контрольная работа [31,6 K], добавлен 28.01.2010Развитие представлений об органическом происхождении нефти. Парафиновые, нафтеновые и ароматические углеводороды. Давление насыщения нефти газом. Температура кристаллизации, помутнения, застывания. Различие свойств нефти в пределах нефтеносной залежи.
учебное пособие [1,4 M], добавлен 05.02.2014Общие сведения о нефти: физические свойства, элементный и химический состав, добыча и транспортировка. Применение и экономическое значение нефти. Происхождение углеводородов нефти. Биогенное и абиогенное происхождение. Основные процессы нефтеобразования.
реферат [37,8 K], добавлен 25.02.2016Сущность нефтеперерабатывающего производства. Разделение нефтяного сырья на фракции. Переработка фракций путем химических превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов. Атмосферно-вакуумная перегонка нефти.
презентация [157,1 K], добавлен 29.04.2014Химические свойства простых веществ. Общие сведения об углероде и кремнии. Химические соединения углерода, его кислородные и азотсодержащие производные. Карбиды, растворимые и нерастворимые в воде и разбавленных кислотах. Кислородные соединения кремния.
реферат [801,5 K], добавлен 07.10.2010Характеристика физических и химических свойств нефти, ее добыча, состав и виды фракций при перегонке. Особенности переработки нефти, сущность каталитического крекинга и коксования. Применение нефти и экологические проблемы нефтеперерабатывающих заводов.
презентация [329,5 K], добавлен 16.05.2013Физико-химические свойства нефти. Методы осуществления перегонки, их достоинства и недостатки. Влияние технологических параметров на данный процесс. Характеристика и применение нефтепродуктов, полученных на установке атмосферно-вакуумной перегонки.
курсовая работа [129,3 K], добавлен 05.03.2015Химический состав нефти и его влияние на свойства нефтепродуктов. Методы, основанные на окислении серы и последующим определением оксидов. Определение содержания серы в дизельном топливе, бензине, смазочных маслах. Механизм коррозионных процессов.
дипломная работа [663,2 K], добавлен 10.12.2013Сущность экологических проблем, вызванных аварийными разливами нефти и нефтепродуктов, увеличением продуктов полимерных отходов. Способы получения полиолефиновых порошков, их особенные свойства. Разработка технологии получения сорбентов нефти из отходов.
статья [464,4 K], добавлен 22.02.2010Основные методы количественного химического анализа, применяемые при определении нефтепродуктов в водах. Удаление экстрагента путем выпаривания. Интенсивность флуоресценции растворов различных нефтепродуктов в гексане. Метод газовой хроматографии.
статья [96,9 K], добавлен 02.06.2009Химический состав нефти, влияние каждого из компонентов на ее качество. Строение нафтеновых углеводородов и их отличие от парафиновых. Химическая активность алкенов и алкaдиенов. Детонационная стойкость бензина, октановое число и методы его повышения.
контрольная работа [27,6 K], добавлен 22.09.2011
