Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Которая распространена в зоне осадочной оболочки земной коры. Она является одним из самых важных полезных ископаемых для человека. Нефть представляет собой весьма сложную смесь цикланов, аренов и алканов. Также в ней присутствуют кислородные, сернистые и азотистые соединения. В составе нефти обнаружено свыше тысячи специфических которые содержат около девяноста процентов углерода, пятнадцати процентов водорода, пяти процентов серы, одного процента азота и трех процентов кислорода. Также нефть включает и небольшую примесь соединений минерального характера. Зольность нефти очень мала, она не превышает и одной десятой процента. Нефть бывает трех видов:

1. Легкая.

2. Средняя.

3. Тяжелая.

Сгорает нефть при теплоте около 43,7-46,2 МДж/кг, что является ее огромным преимуществом среди других горючих веществ.

В состав нефти могут входить и легкие фракции, которые кипят при двухстах градусах по Цельсию. Они в основном состоят из метановых углеводородов, то есть алканов. Содержание таких легких фракций в нефтяных продуктах, добытых на разных местонахождениях, может сильно отличаться. Циклоалканы, а также углеводороды ароматического типа, то есть арены, в составе нефти имеют существенное значение.

Наиболее токсичными компонентами, входящих в состав нефти и нефтепродуктов, справедливо считаются (арены). Их называют хроническими токсикантами. К самым активным из них и быстродействующим можно отнести бензол, толуол и ксилол, так как они являются низкокипящими веществами. Большое число разнообразных аренов считается опасными мутагенами и канцерогенами. Самая опасная группа аренов - это группа полиароматических углеводородов.

Химический состав нефти также включает в себя большую долю твердых метановых углеводородов - так называемых парафинов. Их содержание в нем может превышать пятнадцать процентов.

1. Нефть малопарафинового состава. В них не более полутора процента парафинов в составе.

2. Нефть среднепарафинового состава. В этой нефти содержится до шести процентов парафина.

3. Высокопарафиновая нефть. Здесь парафина содержится более 6 процентов.

С экологической точки зрения важными компонентами нефти являются По содержанию этих продуктов нефть также подразделяют на три группы:

1. Малосернистая нефть. Она содержит до половины процента серы.

2. Сернистая нефть. Здесь содержание серы не превышает двух процентов.

3. Высокосернистая нефть. Это все нефтяные продукты, содержащие более двух процентов серы.

Свойства нефти, по которым идет основное определение высоты ее качества, включают в себя:

1. Плотность. В отношении нефти чаще всего имеют в виду ее плотность по отношению к дистиллированной нефти обычно варьирует от 0,8 до 0,9 г/см3, но встречаются также виды нефти, плотность которых может достигать и 0,98 г/см3.

2. Вязкость. Выделяют условную, кинематическую и динамическую вязкость.

3. Молекулярная масса. Это самый важный показатель качества нефтяных продуктов. Молекулярная масса большей части нефтепродуктов не превышает 300 г/моль.

4. Это очень важный показатель для нефтепродуктов, которые являются сложными смесями различных веществ.

5. Фракционный состав. Все вещества, которые даже в малом количестве входят в состав нефти, имеют огромное значение для ее качества.

СТУДЕНТАМ: Надо написать РУКОПИСНЫЙ КОНСПЕКТ в тетради и выучить. Промысловую подготовку нефти и газа смотрите в книге Коршака и Шаммазова. Все остальные вопросы есть в лекциях.

Физические свойства нефти

Природные газы и их свойств

Поровые и трещинные коллекторы нефти и газа

Строение газонефтяной залежи, ВНК, ГНК, контуры

Геофизические исследования скважин (каротаж)

Оборудование призабойной зоны скважин

Режимы нефтяных и газовых залежей

Варианты заводнения нефтяных залежей

Подготовка воды для заводнения

Методы слежения за обводнением добычных скважин

Механические методы повышения производительности скважин

Химические методы повышения производительности скважин

Кислотные обработки песчаных пластов

Кислотные обработки карбонатных пластов

Физические методы повышения производительности скважин

Методы повышения нефтеотдачи и газоотдачи пластов:

Закачка в пласт воды

Нагнетание в пласт газов-растворителей

Термические методы

Фонтанный способ эксплуатации

Компрессорная эксплуатация скважин

Насосная эксплуатация скважин:

Штанговая скважинная насосная установка

Пгружной электроцентробежный насос

Стадии разработки нефтяных месторождений

Разработка газовых и газоконденсатных месторождений

Насыпи, свайные и крупноблочные основания

Платформы гравитационного типа

Каркасные, самоподъемные и полупогружные платформы

Промысловая подготовка нефти:

Дегазация

Обезвоживание

Обессоливание и стабилизация

Промысловая подготовка газа

Очистка от механических примесей

Очистка от сероводорода и углекислого газа

Состав нефти

Нефть – это жидкое полезное ископаемое, состоящее в основном из углеводородных соединений. По внешнему виду это маслянистая, обычно коричневатая или чёрная жидкость со специфическим запахом. Однозначно говорить о составе нефти сложно, потому что в ней присутствуют сотни различных твёрдых, жидких и газообразных соединений. Важнейшими характеристиками нефти являются её элементный, фракционный и групповой состав.

2.2.1. Элементный и фракционный состав нефти

Элементный состав нефтей характеризуется обязательным нали­чием пяти химических элементов – C, H, O, N и S. Углерода в нефти 82,5–87 %, водорода 11,5–14,5 %, кислород встречается в виде различных соединений (кислоты, фенолы, эфиры) в количестве 0,05–3,6 %. Азота в нефти не более 1,7 %, содержание серы составляет от десятых долей процента до 5–8, редко 14 %. Сера – крайне нежелательный компонент нефти, потому что она способствует коррозии оборудования.

При сжигании нефтей образуется небольшое количество золы – обычно сотые доли процента. В золе обнаружены кальций, магний, железо, алюминий, кремний, фосфор, ванадий, никель, германий, хром и др. Считается, что эти элементы входили в состав органических соединений, из которых образовалась нефть.

Нефть состоит из многокомпонентной смеси углеводородов. Обычными методами перегонки не удаётся разделить их на индивидуальные соединения со строго определёнными физическими константами. Поэтому пользуются понятием фракционного состава нефти. Фракция (дистиллят) – это доля нефти, выкипающая в заданном интервале температур. При температуре начала кипения выпадает первая капля сконденсировавшихся паров. Испарение фракции прекращается при температуре конца кипения . Процентное содержание фракций в нефтях характеризует возможность получения дистиллятов моторных топлив и смазочных масел. Бензины выкипают в пределах 30–205 о С, керосины при 150–315, дизельные топлива при 180–350, масла до 350 о С и выше. Большинство нефтей содержит 15–25 % бензиновых фракций, выкипающих до 180 о С, и 45–55 % фракций с температурой конца кипения 300–350 о С.

2.2.2. Групповой состав нефти

Групповой состав нефти характеризует количественное содержание трёх основных групп углеводородов: парафиновых, нафтеновых и ароматических (рис. 2.2). Выбор метода переработки, ассортимент и эксплуатационные свойства получаемых нефтепродуктов зависят от группового состава.

Парафиновые (метановые, или алканы) углеводороды имеют химическую формулу С n H 2 n +2 , где n – число атомов углерода. Оно может меняться от 1 до 60. В нормальных условиях при атмосферном давлении и температуре плюс 20 о С соединения с числом атомов углерода от 1 до 4 – это газы метан, этан, пропан, бутан. Если n равно 5–15, то это жидкости; при n ³16 парафины представляют собой твёрдые вещества. Температура плавления парафинов находится в пределах 52–62 о С. На глубине в условиях высоких температур и давлений они находятся в жидком состоянии, но при добыче начинают выпадать из нефти на забое скважин, в подъёмных трубах или промысловых нефтепроводах, тем самым засоряя их.

а б в

Рис. 2.2. Структурные формулы углеводородов:

а – парафиновые, или метановые (алканы); б – нафтеновые (цикланы);

в – ароматические (арены)

В парафиновых углеводородах валентность всех атомов углерода насыщена до предела. Каждый атом углерода связан с соседями простыми одинарными связями, поэтому метановые углеводороды называют насыщенными , или предельными. Химическая активность таких соединений небольшая.

Нафтеновые углеводороды (цикланы) открыл в 1880-х гг. русский учёный В. В. Марковников. Цикланы имеют общую формулу С n H 2 n , их молекулы циклического строения. Нафтеновые углеводороды, как и метановые, тоже насыщенные . Они являются основными компонентами моторных топлив и смазочных масел.

Ароматические углеводороды (арены) – важная и обширная группа. Их формула С n H 2 n -6 , где n начинается с 6. В структуре аренов имеются особые связи: атомы углерода через один соединены не одинарными, а двойными связями. Арены – непредельные углеводороды (ненасыщенные), для них характерны реакции замещения атомов водорода атомами других элементов – хлора, брома, йода; они вступают в реакцию с кислотами. Ещё ароматические углеводороды легко реагируют с водородом и в присутствии катализатора могут восстанавливаться до нафтенов. Это свойство используется при переработке нефтей на нефтеперерабатывающих заводах. Арены – хорошие растворители органических веществ, но они ядовиты. Индивидуальные ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилолы, нафталин – ценное сырьё для нефтехимического и органического синтеза.

Общий состав

Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80-90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4-5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты - растворённые углеводородные газы (C 1 -C 4 , от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси.

Углеводородный состав

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30-35, реже 40-50 % по объёму) и нафтеновые (25-75 %). В меньшей степени - соединения ароматического ряда (10-20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).

В зависимости от количества атомов углерода и водорода в молекуле углеводороды могут быть газами, жидкостями или твердыми веществами. Углеводороды с числом атомов углерода, равным 1-4, в нормальных условиях - газы. Углеводороды, содержащие от 5 до 15 атомов углерода, - жидкости, а углеводороды, содержащие в молекуле более 15 атомов углерода, - твердые вещества. Газообразные парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан и бутан) присутствуют в нефти в растворенном состоянии и при выходе нефти на поверхность выделяются из нее в виде попутных газов. Жидкие парафиновые углеводороды составляют основную жидкой часть нефти. Твердые парафиновые углеводороды растворены в нефти и могут быть выделены из нее.

Элементный состав нефти и гетероатомные компоненты

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие - H 2 S ,меркаптаны , моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны , а также полициклические и т. п. (70-90 % концентрируется в остаточных продуктах - мазуте и гудроне ); азотсодержащие - преимущественно гомологи пиридина , хинолина ,индола , карбазола , пиррола , а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие - нафтеновые кислоты, фенолы , смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005-0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V (10 −5 - 10 −2 %), Ni (10 −4 −10 −3 %), Cl (от следов до 2·10 −2 %) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

Кроме углеводородной части, в нефти содержатся небольшая не углеводородная часть - соединения серы, азота и кислорода. Серы в нефти бывает довольно много – до 5%, и она приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов.

В незначительных количествах в нефтях встречаются ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец, хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и другие химические элементы.

Главные элементы, из которых состоят компоненты нефти – углерод и водород. Содержание углерода и водорода в различных нефтях колеблется в сравнительно узких пределах и составляет в среднем для углерода 83,5-87% масс., для водорода 11,5-14% масс. По высокому содержанию водорода нефть занимает исключительное положение среди остальных каустобиолитов. В гумусовых углях содержание водорода в среднем 5% масс., в твердых сапропелитовых образованиях – 8% масс. Повышенное содержание водорода объясняет жидкое состояние нефти.

Наряду с углеродом и водородом во всех нефтях присутствуют сера, кислород и азот. Азота в нефтях от 0.001-0,3 до 1,8% масс. Содержание кислорода колеблется в пределах 0,1-1,0% масс. Однако в некоторых высокосмолистых нефтях оно может быть и выше.

Значительно отличаются нефти по содержанию серы. В нефтях многих месторождений серы сравнительно мало 0,1-1,0% масс. Но доля сернистых нефтей с содержанием серы от 1 до 3% масс. в последнее время значительно возросла. Существуют и сильно осерненные нефти с содержанием серы выше 3% масс.

В очень малых количествах в нефтях присутствуют другие элементы, главным образом, металлы (ванадий, никель, магний, хром, титан, кобальт, калий, кальций, натрий и др.). Обнаружены также фосфор и кремний. Содержание этих элементов выражается незначительными долями процента. В различных нефтепродуктах был найден германий с содержанием 0,15 - 0,19 г/т.

В соответствии с элементным составом основная масса компонентов нефти – углеводороды. В низкомолекулярной части нефти, к которой мы условно можем отнести вещества с молекулярной массой не более 250 - 300 и перегоняющиеся до 300-350 о С, присутствуют наиболее простые по строению углеводороды. Они принадлежат к следующим гомологическим рядам:

С п Н 2п+2 – парафины, метановые углеводороды, алканы;

С п Н 2п - циклопарафины, моноциклические полиметиленовые

углеводороды, нафтены, цикланы (алкилциклопентаны и алкилциклогексаны);

С п Н 2п-2 - дициклопарафины, бициклические полиметиленовые

углеводороды (пятичленные, шестичленные и смешанные);

С п Н 2п-4 – трициклопарафины, трициклические полиметиленовые углеводороды (пятичленные, шестичленные и смешанные);

С п Н 2п-6 – моноциклические ароматические углеводороды, бензольные углеводороды, арены;

С п Н 2п-8 – бициклические смешанные нафтено-ароматические углеводороды;

С п Н 2п-12 – бициклические ароматические углеводороды.

В бензиновой фракции практически присутствуют только три класса углеводородов: алканы, цикланы и ароматические ряда бензола. В керосиновой

и газойлевой фракциях значительную долю составляют би- и трициклические углеводороды.

Непредельных углеводородов с ненасыщенными связями в цепи, как правило, в сырых нефтях нет. Имеются отдельные нефти с незначительным содержанием непредельных углеводородов (Бредфорд, США).

Помимо углеводородов в низкомолекулярной части нефти присутствуют: - кислородные соединения – нафтеновые кислоты, фенолы;

Сернистые соединения – меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены;

Азотистые соединения – пиридиновые основания и амины.

Количество всех этих гетероатомных веществ, перегоняющихся в пределах 300-350 о С невелико, так как основная масса кислорода, серы и азота концентрируется в высокомолекулярной части нефти.

При заводской перегонке сернистых нефтей, вследствие термического разложения сложных гетероатомных соединений, в товарных светлых дистиллятах может накопиться до 5% масс. и более низкомолекулярных сернистых соединений.

При оценке содержания гетероатомных соединений надо учитывать, что в сернистых, кислородных и азотистых соединениях сера, кислород и азот связаны с различными углеводородными радикалами и на 1ч (масс.) этих элементов приходится 10 - 20 ч (масс.) углерода и водорода.

Мало изучен химический состав высокомолекулярной части нефти, к которой условно относят вещества, перегоняющиеся выше 350 о С. Речь идет о мазуте, масляных фракциях и гудроне. Молекулярная масса компонентов этой части нефти колеблется от 300 до 1000. Эта часть нефти представляет собой смесь веществ разнообразного состава и строения.

Основные типы соединений, входящие в эту смесь:

Высокомолекулярные парафиновые углеводороды С п Н 2п+2;

Моно- и полициклические циклопарафиновые углеводороды с длинными или короткими боковыми парафиновыми цепями от С п Н 2п до С п Н 2п-10 ;

Моно- и полициклические ароматические углеводороды с боковыми парафиновыми цепями от С п Н 2п-6 до С п Н 2п-36 ;

Смешанные (гибридные) полициклические нафтено-ароматические углеводороды с боковыми парафиновыми цепями от С п Н 2п-8 до С п Н 2п-22 ;

Разнообразные органические соединения полициклического гибридного характера, молекулы которых состоят из чисто углеродных колец, циклов, содержащих гетероатомы – серу, кислород или азот, а также длинных или коротких парафиновых цепей;

Смолисто-асфальтеновые вещества – смолы и асфальтены; эти наиболее сложные по строению вещества нефти характеризуются полициклическим строением и обязательным присутствием кислорода, в них также концентрируется основная масса азота и металлов; содержание смол в некоторых нефтях доходит до 30-40%масс.

Основные типы соединений, входящие в нефть. Парафиновые углеводороды. Углеводороды этого класса органических соединений присутствуют во всех нефтях и являются одной из основных составных ее частей. Распределяются они по фракциям неравномерно, концентрируясь в нефтяных газах и бензиново-керосиновых фракциях. В масляных дистиллятах их содержание резко падает. Для некоторых нефтей характерно полное отсутствие парафинов в высококипящих фракциях.

Газообразные углеводороды метан, этан, пропан, бутан, изобутан, 2,2-диметилпропан при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии. Все они входят в состав природных и нефтяных попутных газов.

Газы нефтяных месторождений называются попутными нефтяными газами. Эти газы растворены в нефти и выделяются из нее при выходе на поверхность. Состав нефтяных попутных газов отличается от сухих содержанием этана, пропана, бутанов и высших углеводородов.

Жидкие углеводороды. По своим температурам кипения углеводороды от пентана до декана и все их изомеры должны попасть при разгонке нефти в бензиновый дистиллят.

Твердые углеводороды. Твердые парафины в нефтях находятся в растворенном или взвешенном кристаллическом состоянии. В парафинистых и высокопарафинистых нефтях их содержание повышается до 10-20% масс. При перегонке мазута в масляные фракции попадают парафины, имеющие состав С 18 -С 35 . В гудронах концентрируются более высокоплавкие углеводороды С 36 -С 53 – церезины.

Присутствие твердых углеводородов в смазочных и специальных маслах недопустимо, так как они повышают температуру застывания и уменьшают подвижность масел при низких температурах. Поэтому масла подвергают специальной очистке – депарафинизации.

Метановые углеводороды относятся к ряду С„Н 2п+2 , они занимают исключительно важное место среди углеводородов нефти. Так, при­родные газы представлены исключительно метановыми углеводоро­дами и чаще всего почти целиком самим метаном. Легкие фракции лю­бых жидких нефтей также почти целиком состоят из метановых угле­водородов. Правда, по мере повышения среднего молекулярного веса фракций нефти содержание в них метановых углеводородов резко уменьшается. В средних фракциях, выкипающих в пределах 200- -300° С, метановых углеводородов содержится обычно уже не более 25-33%, а к 500° С метановые углеводороды нефти практически полностью выклиниваются. В высших фракциях нефти метановые углеводороды представляют собой твердые вещества - парафин и час­тично церезин. Кроме того, большое влияние на структуру и свой­ства сложных полиметиленовых, ароматических и так называемых гибридных углеводородов оказывают боковые цепи из радикалов ме­танового ряда.

ВЫВОД: В конкретных нефтях метановых углеводородов может содержаться больше или меньше. В общем очевидно, что метановые углеводороды составляют основу большинства природных газов и легких фракций жидкой нефти, что заслуживает особого внимания, так как именно эти составляющие в наибольшей мере являются исходными веществами для современного органического и нефтехимического синтеза.

Нафтеновые.

Циклоалканы (С п Н 2п) - нафтеновые углеводороды - входят в состав всех фракций нефтей, кроме газов. В среднем в нефтях различных типов они содержатся от 25 до 80% масс. Бензиновые и керосиновые фракции представлены в основном гомологами циклопентана и циклогексана, преимущественно с короткими (С 1 - С З) алкилзамещенными цикланами. Высококипящие фракции содержат преимущественно полициклические гомологи цикланов с 2 - 4одинаковыми или разными цикланами сочлененного или конденсированного типа строения. Распределение цикланов по фракциям нефти самое разнообразное. Их содержание растет по мере утяжеления фракций и только в наиболее высококипящих масляных фракциях падает. Можно отметить следующее распределение изомеров цикланов: среди С 7 - циклопентанов преобладают 1,2 - и 1,3-диметилзамещенные; С 8 - циклопентаны представлены преимущественно триметилзамещенными; среди алкилциклогексанов преобладает доля ди- и триметилзамещенных, не содержащих четвертичного атома углерода.

Под нафтеновыми углеводородами стали понимать не только моноциклические, но и полициклические полиметиленовые углеводороды нефтяного происхождения.

Нафтены входят в состав всех нефтей и присутствуют во всех фракциях. Их содержание растет по мере утяжеления фракций. Только в наиболее высококипящих масляных фракциях их количество уменьшается за счет увеличения ароматических структур.

Моноциклические нафтены представлены циклопентановыми и циклогексановыми структурами. В бензиновых и керосиновых фракциях обнаружено более 80 индивидуальных представителей этого класса углеводородов состава С 5 -С 12 . В относительно больших количествах в нефтях присутствуют: метилциклогексан, циклогексан, метилциклопентан, некоторые диметильные гомологи циклопентана. В незначительных количествах обнаружены циклогептан и метилциклогептан. Во фракциях выше 200 о С присутствуют бициклические и полициклические нафтены с числом циклов не более шести.

ВЫВОД: Нафтеновые углеводороды являются наиболее высококачественной составной частью моторных топлив и смазочных масел. Моноциклические нафтеновые углеводороды придают автобензинам, реактивным и дизельным топливам высокие эксплуатационные свойства и являются более качественным сырьем в процессах каталитического риформинга.

Ароматические углеводороды .

Арены представлены в нефти моноциклическими и полициклическими. Обычно нефти содержат 15-20% аренов. В ароматических (смолистых) нефтях их содержание доходит до 35%. В зависимости от распределения ароматических углеводородов по фракциям нефти можно подразделить на три группы:

нафтено-ароматические - нефти, ароматические углеводороды которых (в основном, полициклические) концентрируются в высших фракциях. Это тяжелые смолистые нефти с плотностью > 0,9;

нафтеновые - нефти, ароматические углеводороды которых концентрируются в основном в средних фракциях. Плотность таких нефтей 0,85-0,9;

3) парафинистые нефти - нефти, ароматические углеводороды которых сконцентрированы в легких фракциях (до 300°С).

Во фракциях до 200°С (бензиновые фракции) содержатся только гомологи бензола. В нефтях найдены все гомологи бензола, включая С9. Монозамещенные гомологи бензола, содержащие 4 и более атомов углерода в боковой цепи, встречаются редко. Наиболее распространенными являются толуол, этилбензол, ксилолы (м-ксилол преобладает как более термодинамически устойчивый), затем триметилбензолы, далее идут кумол, пропилбензол, метилэтилбензолы.

Во фракциях 200-350°С преобладают алкилбензолы, главным образом ди- и тризамещенные, молекулы которых содержат метальные группы и алкильную группу состава C 7 -Cg. Кроме гомологов бензола, в этих фракциях содержатся гомологи нафталина (моно-, би-, три- и тетрамети л нафталины). Найдены также гомологи дифенила. Нафталин встречается редко.

Во фракциях >350°С, кроме высших гомологов бензола и гомологов нафталина, содержатся диарилалканы - углеводороды, в молекулах которых

изолированные ароматические ядра связаны с углеводородным мостиком, например:

В высших фракциях содержатся в небольшом количестве также гомологи полициклических углеводородов с конденсированными кольцами, таких как:

Основная же часть этих углеводородов концентрируется в гудроне. Широко представлены в высших фракциях нефтей углеводороды смешанного строения, молекулы которых содержат наряду с ароматическими

В нефтях обнаружены многие ближайшие гомологи бензола с одним, двумя, тремя и четырьмя заместителями в ядре. Заместителем чаще всего является радикал метил, доказано наличие и таких углеводородов как изопропил бензол (кумол), пропилбензол, бутилбензолы, диэтилбензол и гомологи с различными заместителями в боковых цепях.

В средних фракциях нефти (200-350 о С) наряду с производными бензола присутствуют также нафталин и его ближайшие гомологи, т.е. бициклические конденсированные ароматические углеводороды.

В высших фракциях нефти обнаружены более сложные полициклические ароматические углеводороды с тремя, четырьмя и пятью конденсированными кольцами. Они являются гомологами нафталина, дифенила, аценафтена, антрацена, фенантрена, пирена, бензантрацена, хризена, фенантрена, перилена.

Присутствие ароматических углеводородов в бензинах весьма желательно, так как они обладают высокими октановыми числами. Наоборот, наличие их в значительных количествах в дизельных топливах (средние фракции нефти) ухудшает процесс сгорания топлива. Полициклические ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями, попадающие при разгонке нефти в масляные фракции, должны быть удалены в процессе очистки, так как их присутствие вредно отражается на эксплуатационных качествах смазочных масел. Индивидуальные ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, изопропилбензол и нафталин – ценное сырье для многих процессов нефтехимического и органического синтеза.

Углеводороды смешанного строения. Значительная часть углеводородов нефти имеет смешанное или гибридное строение. Это означает, что в молекулах таких углеводородов имеются разные структурные элементы: ароматические кольца, пяти- и шестичленные циклопарафиновые циклы и алифатические парафиновые цепи.

Масляные фракции почти целиком состоят из углеводородов смешанного строения. Их можно разделить на три типа: парафино-циклопарафиновые; парафино-ароматические; парафино-циклопарафино-ароматические.

Кислородные соединения . Основная часть кислорода, находящегося в нефти, входит в состав смолистых веществ, и только около 10% его приходится на долю кислых органических соединений - карбоновых кислот и фенолов. Нейтральных кислородных соединений в нефтях очень мало. В свою очередь, среди кислых соединений преобладают соединения, характеризующиеся наличием карбоксильной группы - нефтяные кислоты.

Среди них преобладают кислоты изостроения, включая и изопреноидные, и с четным числом углеродных атомов. Карбоновые кислоты - производные моноциклических нафтенов с общей формулой С п Н 2п-1 СООН или С п Н 2п - 2 О 2 получили название нафтеновых кислот.

Промышленное значение из всех кислородных соединений нефти имеют только нафтеновые кислоты и их соли-нафтенаты, обладающие хорошими моющими свойствами. Отходы щелочной очистки нефтяных дистиллятов –мылонафт используются при изготовлении моющих средств для текстильного производства.

Технические нефтяные кислоты (асидол), выделяемые из керосиновых и легких масляных дистиллятов, находят применение в качестве растворителей смол, каучука и анилиновых красителей, для пропитки шпал, для смачивания шерсти др. Натриевые и калиевые соли нафтеновых кислот служат в качестве деэмульгаторов для обезвоживания нефти.

Сернистые соединения. Сера является наиболее распространенным гетероэлементом в нефтях и нефтепродуктах. Содержание ее в нефтях колеблется от сотых долей до 5-6% масс. реже до 14% масс. Богаты серосодержащими соединениями нефти Урало-Поволжья и Сибири: количество серы в арланской нефти достигает до 3,0% масс., а в Усть-Балыкской до 1,8% масс. Из зарубежных наиболее высоким содержанием серы отличаются нефти: албанская (5-6% масс.), месторождения Эбано-Пануко (Мексика, 5,4% масс.), Роузл-Пойнт (США - до 14% масс.). В последнем случае практически все соединения нефти являются серосодержащими.

Распределение серы по фракциям зависит от природы нефти и типа сернистых соединений. Как правило, их содержание увеличивается от низко- к высококипящим и достигает максимума в остатке от вакуумной перегонки нефти-гудроне. В нефтях идентифицированы следующие типы серосодержащих соединений:

Элементарная сера и сероводород - не являются непосредственно сероорганическими соединениями, но появляются в результате деструкции последних;

Меркаптаны-тиолы, обладающие, как и сероводород, кислотными свойствами и наиболее сильной коррозионной активностью;

Алифатические сульфиды (тиоэфиры)- нейтральны при низких температурах, но термически мало устойчивы и разлагаются при нагревании свыше 130-160°С с образованием сероводорода и меркаптанов;

Моно- и полициклические сульфиды - термически наиболее устойчивые.

Сероводород обнаруживается в сырых нефтях не так часто и значительно в меньших количествах, чем в природных газах, газоконденсатах и нефтях

Меркаптаны (тиолы) имеют строения RSН, где R - углеводородный заместитель всех типов (алканов, цикланов, аренов, гибридных) разной молекулярной массы. Температура кипения индивидуальных алкилмеркаптанов С 1 -С 6 составляет при атмосферном давлении 6-140°С. Они обладают очень неприятным запахом. Это свойство их используется в практике газоснабжения городов и сел для предупреждения о неисправности газовой линии. В качестве одоранта бытовых газов используется этилмеркаптан.

По содержанию тиолов нефти подразделяют на меркаптановые и безмеркаптановые. В аномально высоких концентрациях меркаптаны содержатся в газоконденсатах и нефтях Прикаспийской низменности. Так, во фракции 40-200°С Оренбургского газоконденсата на долю меркаптанов приходится 1% из 1,24%масс. общей серы. Обнаружена следующая закономерность: меркаптановая сера в нефтях и газоконденсатах сосредоточена главным образом в головных фракциях.

Элементная сера, сероводород и меркаптаны как весьма агрессивные сернистые соединения являются наиболее нежелательной составной частью нефтей. Их необходимо полностью удалять в процессах очистки всех товарных нефтепродуктов.

Сульфиды (тиоэфиры) составляют основную часть сернистых соединений в топливных фракциях нефти (от 50 до 80%масс. от общей серы в этих фракциях). Нефтяные сульфиды подразделяют на 2 группы: диалкилсудьфиды (тиоалканы) и циклические диалкилсульфиды RSR" (где R и R" - алкильные заместители). Тиалканы содержатся преимущественно в парафинистых нефтях, а циклические - в нафтеновых и нафтено-ароматических. Тиоалканы С 2 -С 7 имеют низкие температуры кипения (37-150°С) и при перегонке нефти попадают в бензиновые фракции. С повышением температуры кипения нефтяных фракций количество тиоалканов уменьшается, и во фракциях выше 300°С они практически отсутствуют. В некоторых легких и средних фракциях нефтей в небольших количествах (менее 15% масс. от суммарной серы в этих фракциях) найдены дисульфиды RSSR" . При нагревании они образуют серу, сероводород и меркаптаны.

Моноциклические сульфиды представляют собой пяти- или шестичленные гетероциклы с атомом серы. Кроме того, в нефтях идентифицированы полициклические сульфиды и их разнообразные гомологи.

В средних фракциях многих нефтей преобладают тиоцикланы. Среди тиоцикланов, как правило, более распространены моноцикличеекие сульфиды. Полициклические сульфиды при разгонке нефтей преимущественно попадают в масляные фракции и сконцентрированы в нефтяных остатках.

Все серосодержащие соединения нефтей, кроме низкомолекулярных меркаптанов, при низких температурах химически нейтральны и близки по свойствам аренам. Промышленного применения они пока не нашли из-за низкой эффективности методов их выделения из нефтей. В ограниченных количествах выделяют из средних (керосиновых) фракций некоторых нефтей сульфиды для последующего окисления в сульфоны и сульфокислоты. Сернистые соединения нефтей в настоящее время не извлекают, а уничтожают гидрогенизационными процессами. Образующийся при этом сероводород перерабатывают в элементную серу или серную кислоту. В то же время в последние годы во многих странах мира разрабатываются и интенсивно вводятся многотоннажные промышленные процессы по синтезу сернистых соединений, аналогичных нефтяным, имеющих большую ценность. Среди них наибольшее промышленное значение имеют меркаптаны. Метилмеркаптан применяют в производстве метионина - одорант топливных газов.

Тиолы С 1 -С 4 - сырье для синтеза агрохимических веществ, применяются для активации (осернения) некоторых катализаторов в нефтепереработке. Тиолы от бутилмеркаптана до октадецилмеркаптана используют в производстве присадок к смазочным и трансформаторным маслам, к смазочно-охлаждающим эмульсиям, применяемым при холодной обработке металлов, в производстве детергентов, ингредиентов резиновых смесей. Тиолы С 8 -С 16 являются: регуляторами радикальных процессов полимеризации в производстве латексов, каучуков, пластмасс. В качестве регуляторов полимеризации наибольшее применение нашли третичный додецилмеркаптан и нормальный додецилмеркаптан. Меркаптаны применяют для синтеза флотореагентов, фотоматериалов, красителей специального назначения, косметики,в фармакологии, и многих других областях.

Сульфиды служат компонентами при синтезе красителей, продукты их окисления - сульфоксиды, сульфоны и сульфокислоты используют как эффективные экстрагенты редких металлов и флотореагенты полиметаллических руд, пластификаторы и биологически активные вещества. Перспективно применение сульфидов и их производных в качестве компонентов ракетных топлив, инсектицидов, фунгицидов, гербицидов, пластификаторов, комплексообразователей и т.д. За последние годы резко возрастает применение полифениленсульфидных полимеров. Они характеризуются хорошей термической стабильностью, способностью сохранять отличные механические характеристики при высоких температурах, высокой химической стойкостью и совместимостью с различными наполнителями. Твердые покрытия из полифенилсульфида легко наносятся на металл, обеспечивая надежную защиту его от коррозии, что уже подхвачено зарубежной нефтехимической промышленностью, где наблюдается полифенилсульфидный «бум». Важно еще подчеркнуть, что в этом полимере почти одна треть массы состоит из серы.

Тиофен и 2-метилтиофен являются эффективными выносителями соединений марганца из карбюраторных двигателей при использовании в качестве антидетонатора циклопентадиенилкарбонилмарганца. В настоящее время этот антидетонатор широко применяется в США, где около 40% неэтилированных бензинов содержат не свинцовые антидетонаторы.

Учитывая наличие значительных ресурсов серосодержащих соединений в нефтях, исключительно актуальной является проблема их извлечения и рационального применения в народном хозяйстве.

Азотистые соединения.. Органических азотистых соединений в нефтях в среднем не более 2-3% масс. и максимально (в высокосмолистых нефтях) до 10% масс. Большая часть азота концентрируется в тяжелых фракциях и в остаточных продуктах.

Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ) концентрируются в тяжелых нефтяных остатках (ТНО) - мазутах, полугудронах, гудронах, битумах, крекинг-остатках и др. Суммарное содержание САВ в нефтях в зависимости от их типа и плотности колеблется от долей процентов до 45%масс. а в ТНО достигает до 70% масс. Наиболее богаты САВ молодые нефти нафтено-ароматического и ароматического типа.

САВ представляют собой сложную многокомпонентную исключительно полидисперсную по молекулярной массе смесь высокомолекулярных углеводородов и гетеросоединений, включающих, кроме углерода и водорода, серу, азот, кислород и металлы, такие как ванадий, никель, железо, молибден и т.д. Выделение индивидуальных САВ из нефтей и ТНО исключительно сложно. Молекулярная структура их до сих пор точно не установлена. Современный уровень знаний и возможности инструментальных физико-химических методов исследований позволяют лишь дать вероятностное представление о структурной организации, установить количество конденсированных нафтено-ароматических и других характеристик и построить среднестатистические модели гипотетических молекул смол и асфальтенов.

В практике исследования состава и строения нефтяных, угле- и коксохимических остатков широко используется сольвентный способ Ричардсона, основанный на различной растворимости групповых компонентов в органических растворителях (слабых, средних и сильных). По этому признаку различают следующие условные групповые компоненты:

Растворимые в низкомолекулярных (слабых) растворителях (изооктане, петролейном эфире) - масла и смолы.

Смолы извлекают из мальтенов адсорбционной хроматографией (на силикагеле или оксиде алюминия);

Нерастворимые в низкомолекулярных алканах С 5 -С 8 , но растворимые в толуоле, четыреххлористом углероде - асфальтены;

Нерастворимые в бензине, толуоле и четыреххлористом углероде, но растворимые в сероуглероде и хинолине - карбены;

Нерастворимые ни в каких растворителях – карбоиды.

В нефтях и нативных ТНО (т.е. не подвергнутых термодеструктивному воздействию) карбены и карбоиды отсутствуют. Под термином «масла» принято подразумевать высокомолекулярные углеводороды с молекулярной массой 300-500 смешанного (гибридного) строения. Методом хроматографического разделения из масляных фракций выделяют парафино-нафтеновые и ароматические углеводороды, в том числе легкие (моноциклические), средние (бициклические) и полициклические (три и более циклические). Наибольшее значение представляют смолы и асфальтены, которые часто называют коксообразующими компонентами и которые создают сложные технологические проблемы при переработке ТНО. Смолы - вязкие малоподвижные жидкости или аморфные твердые тела от темно-коричневого до темно-бурого цвета с плотностью около единицы или несколько больше. Они представляют собой плоско конденсированные системы, содержащие 5-6 колец ароматического, нафтенового и гетероциклического строения, соединенные посредством алифатических структур. Асфальтены - аморфные, но кристаллоподобной структуры твердые тела темно-бурого или черного цвета с плотностью несколько больше единицы. При нагревании не плавятся, а переходят в пластическое состояние при температуре около 300° С, а при более высокой температуре разлагаются с образованием газообразных и жидких веществ и твердого остатка - кокса. Они в отличие от смол образуют пространственные конденсированные кристаллоподобные структуры. Наиболее существенные отличия смол и асфальтенов проявляются по таким основным показателям, как растворимость в низкомолекулярных алканах, отношение С:Н, молекулярная масса.

Смолы образуют истинные растворы в маслах и топливных дистиллятах, а асфальтены в ТНО находятся в коллоидном состоянии. Растворителем для асфальтенов в нефтях являются ароматические углеводороды и смолы. Благодаря межмолекулярным взаимодействиям асфальтены могут образовывать ассоциаты - надмолекулярные структуры. На степень их ассоциации сильно влияет среда. Так, при низких концентрациях в бензоле и нафталине (менее 2 и 16% масс. соответственно) асфальтены находятся в молекулярном состоянии. При более высоких значениях концентраций в растворе формируются ассоциаты, состоящие из большого числа молекул. Именно способностью к ассоциатообразованию обусловливается разнобой на 1-2 порядка в результатах определения молекулярной массы асфальтенов в зависимости от метода ее определения.

Строение и свойства асфальтенов существенно зависят от происхождения ТНО. Так, асфальтены из остатков деструктивного происхождения характеризуются по сравнению с нативными «рыхлыми» асфальтенами меньшей молекулярной массой, преимущественной конденсированностью в плоскости, меньшим количеством и длиной алифатических структур и в связи с этим большей компактностью (и обладают меньшей вязкостью).

Соотношение смол к асфальтенам в нефтях и ТНО колеблется в широких пределах - (7-9):1 в остатках прямой перегонки, до (1-7):1 - в окисленных остатках (битумах).

В ТНО термодеструктивных процессов появляются карбены и карбоиды.

Карбены - линейные полимеры асфальтеновых молекул с молекулярной массой (100-185) тыс., растворимые лишь в сероуглероде и хинолине.

Карбоиды являются сшитым трехмерным полимером (кристаллитом), вследствие чего они не растворимы ни в одном из известных органических растворителей.

Все САВ отрицательно влияют на качество смазочных масел (ухудшают цвет, увеличивают нагарообразование, понижают смазывающую способность и т.д.) и подлежат удалению. В составе нефтяных битумов они обладают рядом ценных технических свойств и придают им качества, позволяющие широко использовать их. Главные направления использования: дорожные покрытия, гидроизоляционные материалы, в строительстве, производство кровельных изделий, битумно-асфальтеновых лаков, пластиков, пеков, коксов, связующих для брикетирования углей, порошковых ионитов и др.

В основу классификации нейтральных смолистых веществ положено их отношение к различным растворителям. По этому признаку принято различать следующие группы:

Нейтральные смолы, растворимые в легком бензине (петролейном эфире), пентане, гексане;

Асфальтены, нерастворимые в петролейном эфире, но растворимые в горячем бензоле;

Карбены, частично растворимые только в пиридине и сероуглероде;

Карбоиды - вещества, практически ни в чем нерастворимые.

Смолы обладают сильной красящей способностью. Темная окраска дистиллятов, как и сырой нефти, обусловлена в основном присутствием в них нейтральных смол. Характерная особенность нейтральных смол - их способность уплотняться в асфальтены под воздействием таких факторов, как нагревание, обработка адсорбентами или серной кислотой. Особенно легко этот процесс протекает при нагревании и одновременном продувании воздуха.

Асфальтены - это наиболее высокомолекулярные гетероорганические соединения нефти. По внешнему виду асфадьтены - порошкообразные вещества бурого или черного цвета. Относительная плотность их выше единицы, молекулярная масса около 2000. По элементному составу асфальтены отличаются от нейтральных смол меньшим содержанием водорода и большим – углерода и гетероатомов.

Все САВ отрицательно влияют на качество смазочных масел и подлежат удалению. В составе нефтяных битумов они обладают рядом ценных технических свойств. Главные направления их использования: дорожные покрытия, гидроизоляционные материалы, производство кровельных изделий, коксов.

Нейтральные смолы и асфальтены представляют собой сложные смеси высокомолекулярных гетероатомных соединений. Они различаются между собой по молекулярной массе, элементному составу и степени ненасыщенности. В общей формуле (без гетероатомов) С n Н 2 n - x значение x в нейтральных смолах колеблется в пределах 10-34, а для асфальтенов может достигать 100-120.

ВЫВОД: При рассмотрении группового химического со­става нефти можно грубо разделить нефть на две части соедине­ний: выкипающие приблизительно до 360° С, состоящие в основном из углеводородов и лишь в незначительной части из гетероатомных соединений (кислородные - фенолы, нафтеновые кислоты; серни­стые - меркаптаны, сульфиды, дисульфиды, тиофены; азотистые - пиридиновые основания и имины), и кипящие выше 360° С, состоящие в основном из гетероатомных соединений, содержащих в составе мо­лекул О, S и N, и в меньшей мере из углеводородов (парафины, гиб­ридные углеводороды).

Вопросы для самопроверки

Каков состав парафиновых углеводородов нефти?

Какими структурами представлены в нефти моноциклические нафтены?

3. Почему нафтены являются желательными компонентами моторных топлив и смазочных масел?

4. Какие арены обнаружены в нефтях?

5. Какие фракции нефти почти целиком состоят из углеводородов смешанного строения?

Какими классами соединений представлены в нефти кислородсодержащие соединения?

Как распределяется сера по фракциям нефти?

Что представляют собой азотистые соединения нефти?

Что представляют собой смолы?

10. Главные направления использования смолисто-асфальтеновых веществ.

11. Что представляют собой асфальтены по углеводородному составу?

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Нефть представляет собой сложную смесь различных, в основном жидких углеводородов (алканов, циклоалканов и ароматических), в которых растворены твердые и газообразные углеводороды.

Нефть - это маслянистая жидкость, имеющая окраску от светло-бурого до почти черного цвета (рис. 1), с характерным запахом. Залегает в толще земной коры на разных глубинах. Она немного легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см 3) и практически в ней не растворяется.

Рис. 1. Внешний вид нефти.

Нефть представляет собой сложную смесь различных, в основном жидких углеводородов. Потому она не имеет ни четкой молекулярной формулы, ни постоянной температуры кипения. Состав нефти различается в зависимости от месторождения. Например, бакинская нефть богаты циклоалканами, грозненская - предельными углеводородами. Кроме углеводородов нефть содержит органические соединения, включающие кислород, серу и азот.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2