Основные свойства нефтепродуктов

Общая классификация нефти

Нефть и газ – это горные породы. Они относятся к группе осадочных пород. Горные породы – это не только твердые вещества, но и жидкие и даже газообразные. К ним относятся нефть и газ. Одно из важных свойств нефти и газа – это способность гореть. Этим качеством обладают также и другие осадочные породы: торф, бурый и каменный уголь, антрацит. Все горючие породы образуют особое семейство каустобиолитов (греч. «каустос» – горючий, «биос» – жизнь, «литос» – камень, то есть горючий органический камень). Различают каустобиолиты угольного ряда и каустобиолиты нефтяного ряда, которые называются битумами, к ним относятся нефть и газ.

В табл. 1 приведены основные составные элементы горючих пород.

Все каустобиолиты содержат углерод, водород и кислород, но в разном соотношении.

Таблица 1

Основные элементы горючих пород

Тип	Порода	Содержание основных элементов, %	С/Н
С	Н	О
Угольные	Антрацит	94,0	1,6	1,0	63,0
Каменный уголь	86,4	5,0	8,6	17,0
Бурый уголь	69,9	6,4	23,7	10,9
Торф	63,8	6,4	29,7	9,8
Нефтяные (битумы)	Нефть тяжелая	86,4	13,1	0,5	6,6
Нефть легкая	84,3	14,0	1,7	6,0

В химическом отношении нефть – это сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, содержащая также кислород, азот, серу и реже другие элементы. Нефть состоит из следующих основных элементов: углерода (84–87 %), водорода (12–14 %), кислорода, азота и серы (1–2 %).

В нефти содержатся три большие группы углеводородов: предельные, нафтеновые и ароматические углеводороды.

· Предельные углеводороды (алканы), формула которых C_nH_2n+2, то есть углеводородная цепочка всегда окружена водородной оболочкой. Этот ряд алканов можно представить следующим образом:

1) n=1 до 4 (то есть четыре составляющие ряда) – это газы CH₄÷C₄H₁₀;

2) следующие 12, то есть от n = 5 до n = 16 – это жидкости C₅H₁₂÷C₁₆H₃₄;

3) начиная с n = 17 алканы могут находиться в нефти в твердом состоянии в виде кристаллов и входят в состав парафинов. Отсюда ещё одно название углеводородов – парафиновые. Название первых десяти углеводородов по порядку:

CH₄ – метан

C₂H₆ – этан

C₃H₈ – пропан

C₄H₁₀ - бутан

C₅H₁₂ – пентан

C₆H₁₄ – гексан

C₇H₁₆ – гептан

C₈H₁₈ – октан

C₉H₂₀ – нонан

C₁₀H₂₂ – декан.

Начиная с четвертого углерода – бутана, все имеют несколько разновидностей – изомеров. Изомеры соответственно различаются по структуре, по прочности связей, а поэтому различаются по свойствам: например, температура плавления и кипения у изомеров ниже, чем у основных углеродов. Лучшие бензины для современных бесшумных автомобилей состоят не из истинных бензинов, а из их изомеров.

Нафтеновые углеводороды – циклические насыщенные углеводороды со структурной формулой C_nH_2n. В их молекулах как бы «не хватает» двух атомов водорода, такие углеводороды называют ещё непредельными или алкенами, в природной нефти их нет, они образуются при её вторичной переработке.

У нафтенов может быть не одно, а несколько колец – отсюда название: моноциклические, бициклические или полициклические со структурными формулами C_nH_2n-2 и C_nH_2n-4 (цикланы).

Ещё одно название – циклопарафины произошло от способности колец нафтенов удерживать при себе цепочку метановых углеводородов. Это свойство определяет большую плотность, чем у метановых, в нормальных условиях – это всегда жидкости.

· Ароматические углеводороды получили название из-за специфических запахов. Структурная формула C_nH_2n-m, где m – четные числа. Представителем ароматических углеводородов являются бензол C₆H₆ и его производные (гомологи). Ароматические углеводороды сильно недонасыщены водородом, но химически малоактивны. В нормальных условиях – это жидкости, имеют низкую температуру застывания: от -25 до -88 ^оС.

Если в нефти преобладает один из трех представителей углеводородов (более 50%), то её соответственно называют метановой, нафтеновой, ароматической. Если в нефти содержится кроме преобладающего ещё один из трех углеводородов в количестве не менее 25 %, то нефти дают комбинированное название, например метано-нафтеновая.

Классификация нефти по углеводородному составу определяет нефть как раствор чистых углеводородов и органических соединений, то есть углеводородов, содержащих в молекуле атомы кислорода или азота, или серы. Заметьте, не смесь, а раствор (причем не такой, как раствор сахара в воде) – раствор различных соединений друг в друге.

Характеристиками нефти кроме углеводородного состава являются ещё две – элементный и фракционный составы.

Углеводородов большое многообразие, но элементный состав нефти колеблется в небольших пределах: углерод – 83–87%, водород – 11–14%. Доля других элементов, объединенных в группу смолисто-асфальтовых веществ, составляет от 2 до 6%. При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента), состоящая из окислов кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия, ванадия. Соединения ванадия являются переносчиками кислорода и способствуют интенсивной коррозии.

Сера в нефти находится в виде сероводорода, сульфидов, иногда – в свободном виде. Сера и её соединения активно взаимодействуют с металлами, также вызывая сильную коррозию.

По содержанию серы нефть делят на три класса: малосернистая (до 0,2 %), сернистая (0,2–3,0 %), высокосернистая (более 3,0 %).

Следующая примесь – азот, он безвреден и инертен, почти не контролируемый при проводимых анализах нефти. Доля его в нефти не превышает 1,7 %.

Элементарный (химический) состав нефти полностью не известен. Трудность определения состава заключается в следующем:

- во-первых, в нефти можно обнаружить более половины элементов таблицы Менделеева;

- во-вторых, уже сейчас обнаружено 425 индивидуальных углеводородов и 380 углеводородов, содержащих серу, азот и кислород.

Соединения из нефти выделяют пока лишь путем перегонки, при этом состав нефти может значительно измениться в результате различных реакций.

Следующее понятие – твердые углеводороды. Это родственники нефти и их довольно много.

Мальты – очень вязкие, полужидкие смолистые нефти. Плотность – 0,97–1,0, то есть они едва-едва не тонут в воде.

Кериты – ещё более плотные вещества, на них почти не действуют органические растворители, они практически не содержат ни серы, ни азота, ни кислорода.

Элькериты и антраксолиты – разнообразная группа минералов неясного происхождения, состоящая почти из чистого углерода.

Асфальты – твердые аморфные углеводородные вещества различной степени плавности и твердости, содержащие неодинаковое количество серы, кислорода и азота. Они отличаются невысокой температурой плавления и поддаются действию сильных растворителей бензина и бензола. Плотность больше, чем у воды. Самое большое месторождение чистого асфальта открыто в Венесуэле – это смоляное озеро Бермудез. Его площадь – более 440 Га, глубина залегания – 6 м.

Состав нефти и асфальта принципиально различается тем, что в нефти всегда есть доля парафина (нефть Ставрополья содержит до 28 % парафина), а в асфальте его нет совсем. Искусственные бензины, получаемые из асфальта, по качеству превосходят натуральные.

1. Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигающим усилиям. Единицей измерения динамической вязкости (Па·с) является давление, необходимое для поддержания разности скоростей, равной 1 м/с между двумя параллельными слоями жидкости площадью 1 м, находящимися друг от друга на расстоянии 1 м. Наибольшей вязкостью обладают высококипящие углеводороды, а из нефтепродуктов – масла и мазут, вязкость которых в сотни раз выше, чем у бензинов. Большое содержание в нефти парафинов, смол и асфальтенов повышает её вязкость. Наблюдается зависимость: чем больше в нефти парафина, тем меньше в её составе смол и асфальтенов; чем больше геологический возраст нефти, тем больше в её составе парафина.

Вязкость не путайте с текучестью. Это две взаимообратные характеристики: чем больше вязкость, тем меньше текучесть. Итак, смазочные масла можно получить из фракций, выкипающих при температуре выше 350 ^оС. По температуре кипения сверхвязкие масла близки с твердыми углеводородами – парафинами.

Для трубопроводного транспорта вязкость – очень важная характеристика. Когда высокая текучесть нефти, тогда нет проблем при транспортировке её по трубопроводам. В условиях Тюменского севера случаются ситуации, когда нефть при низких температурах становится очень вязкой и транспортировать её оказывается невозможно. Тогда транспортники прибегают к подогреву нефти.

При добыче высокопарафинистой нефти снижается и даже полностью прекращается дебит скважин из-за закупорки их асфальтопарафиновыми отложениями (АСПО). Из скважин их приходится удалять механическим путем, тепловой обработкой, промывкой растворителями.

Парафин при перекачке высокопарафинистой нефти отлагается на внутренних стенках трубопровода. В магистральных трубопроводах толщина отложений парафина достигает 30 мм. Чтобы предотвратить это явление, при транспортировке нефти применяют способ горячей перекачки. При этом каждые 25–150 км длины трубопровода нефть дополнительно подогревают. Одним из крупнейших в мире горячих нефтепроводов является трубопровод Усть-Гурьев-Куйбышев, который перекачивает высокопарафинистые мангышлакские нефти. Такую нефть перед закачкой в трубу нагревают до 67–77 ^оС.

2. Цвет – нефть обычно темно-коричневого или черного цвета, но встречается всех оттенков палитры, в том числе и белая.

Чистые углеводороды бесцветны, а цвет нефть приобретает из-за содержащейся в ней серы и смолистых веществ.

3. Флюоресценция – способность тонких пленок нефти переливаться всеми цветами радуги. Бакинская нефть имеет синеватый оттенок, пенсильванская – зеленоватый, а после очистки – фиолетовый.

4. Плотность – количество вещества, заключенного в единице объема. Плотность нефти колеблется в пределах от 0,73 до 1040 кг/м³.

Нефть обычно легче воды (наблюдаются радужные круги в водоемах).

Легкой нефтью называют нефть с плотностью ниже 900 кг/м³. Мазут имеет плотность от 900 до 990 кг/м³, керосин – 800–840, бензины 700–800, газовые конденсаты – 650–720 кг/м³.

5. Диэлектрические свойства углеводородов нефти в 2–3 раза выше, чем у стекла. Эти свойства используются для создания жидких изоляторов, трансформаторных масел. Нефтепродукты способны накаливать электрический заряд. Это опасно. При трении о железо в бензине возникает заряд до 2 кВ, поэтому у бензовозов заднее шасси снабжено металлической цепью до земли. Электропроводность значительно увеличивается при наличии в нефтепродуктах растворов солей.

6. Теплота сгорания – количество тепла, выделяемое при полном сгорании топлива. Теплота сгорания нефти значительно выше, чем таких взрывчатых веществ, как порох, нитроглицерин и даже тротил. Первые попытки изобретателей двигателя внутреннего сгорания использовать в качестве горючего порох окончились неудачей.

7. Температура вспышки – температура, при которой смесь паров нефти и воздуха вспыхивает при поднесении к ней открытого источника огня. Продукты с температурой вспышки ниже 61 ^оС относятся к легковоспламеняющимся, выше 61 ^оС – к горючим.

Температурой вспышки определяется безопасность пользования керосиновыми фонарями и лампами, пригодность смазочного масла для двигателей, где имеют место нагревающиеся и трущиеся части. Для бензинов температура вспышки определяет порог взрывоопасности при определенном соотношении его паров с воздухом.

8. Температура застывания – температура, при которой продукт теряет текучесть. С увеличением содержания в нефтепродуктах тяжелых углеродов температура застывания уменьшается.

9. Стабильность – способность продукта сохранять свой состав и основные качества в условиях транспорта, хранения и эксплуатации.

10. Регенерация – способность продукта к восстановлению исходных свойств и качеств.

11. Газовый фактор характеризует количество газа, растворимого в единице объема нефти.

В нефтяном газе меньше метана, чем в газах чисто газовых месторождений, больше этана, пропана, бутана. Долгое время попутный газ сжигался на факелах. Сейчас научились его использовать, хотя и не полностью. В Сургуте, например, на нефтяном газе работает одна из крупнейших тепловых электростанций. На газобензиновых заводах научились получать бензин. По газопроводу Нижневартовск – Томск – Кузбасс нефтяной газ питает крупные предприятия горняков.

Существуют различные классификации нефти: химическая, геохимическая, товарная, технологическая.

Согласно химической классификации выделяют метановую, нафтеновую, ароматическую, а также переходную (то есть метанонафтеновую, нафтенометановую и т.д.) нефть.

Геохимическая классификация учитывает не только химический состав нефти, но и геологический возраст отложений, из которых нефть получена, глубину залегания этих отложений и другие признаки.

Товарная и технологическая классификации учитывают в основном содержание фракций, выкипающих при температуре до 350 ^оС, содержание парафина и масел.

По содержанию фракций, перегоняющихся до 350 ^оС, нефть делят на три типа: Т1 – не менее 45 %; Т2 – 30,0–44,9 %, Т3 – менее 30 %.

По содержанию масел различают 4 группы нефти:

М1 – не менее 25 % масел в расчете на нефть;

М2 – 15–25 % в расчете на нефть и не менее 45 % в расчете на мазут;

М3 – 15–25 % в расчете на нефть и 30–45 % в расчете на мазут;

М4 – менее 15 % в расчете на нефть.

По вязкости масел, получаемых из нефти, всю нефть делят на две группы:

Н1 – индекс вязкости выше 85;

Н2 – индекс вязкости 40–85;

По содержанию парафина нефть делят на три вида:

П1 – малопарафиновая (не более 1,5 %);

П2 – парафиновая (1,51–6,00 %);

П3 – высокопарафиновая (более 6 %).

Для любой промышленной нефти, используя эту классификацию можно определить наиболее выгодные пути её переработки.

Дата добавления: 2014-01-07