Нефть — это смесь очень большого числа химических соединений на основе углеводородов, образовавшихся из исходного органического вещества в результате длительного взаимодействия со средой залегания под воздействием многих факторов.
Элементный химический состав — количественный состав химических элементов, входящих в нефть, выраженный в массовых долях или процентах.
Элементный состав нефтей и природных газов довольно прост. В их строении участвуют главным образом биогенные элементы — основные в структуре любого вещества органического происхождения. Основными компонентами природных нефтей и газов являются углеводороды метанового, нафтенового и ароматического рядов.
Число химических элементов в составе нефтей очень велико, но основными из них являются следующие.
Углерод содержится в различных нефтях в количестве от 79,5 до 87,5% (мас), причем чем тяжелее (по плотности и фракционному составу) нефть, тем содержание выше. Углерод входит в состав всех химических соединений нефти.
Водород составляет 11-14,5% (мас.) нефтей. С утяжелением состава нефти эта величина уменьшается. Так же как углерод, водород является составной частью всех химических соединений нефти.
Водород и углерод являются основными горючими элементами нефти (носителями тепловой энергии), но различаются теплотой сгорания: для водорода она составляет около 133 МДж/кг (267 МДж/моль), а для углерода — 33 МДж/кг (394 МДж/моль).
В связи с этим горючие свойства нефти принято характеризовать соотношением количеств водорода и углерода (Н:С) в %.
Из углеводородов максимальное значение Н:С у метана (33%), и это соотношение убывает с увеличением числа атомов углерода в молекуле. На рис. 2.2 нанесены кривые изменения Н:С для углеводородов насыщенного (алканы, нафтены) и ненасыщенного (арены) рядов. Они показывают, что в одном гомологическом ряду (особенно для алканов) это соотношение существенно меняется только для углеводородов с числом атомов углерода до 10-12, а далее оно меняется незначительно. Больше разница значений Н:С для различных групп углеводородов, и поэтому в зависимости от их соотношения в нефти или в отдельных ее фракциях значение Н:С будет разным.
Природные источники углеводородов
... https://inzhpro.ru/kursovaya/ugol-neft-i-gaz/ Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и газ, уголь и торф. Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет назад из ... содержанием углерода и низким содержанием водорода), которые образовались из сильно изменившихся древесных предшественников. Они не обладают способностью превращаться в нефть и газ. Главными ...
Рис. 2.2.
1 — алканы,
2 — нафтены,
3 — арены
В среднем же для нефтей оно составляет 13-15%, для бензиновых фракций — 17-18%, для тяжелых фракций (>500 °С) — 10-12%. Соотношение Н:С является одной из важных химических характеристик нефти и ее фракций для расчета процессов горения, газификации, гидрогенизации, коксования и др.
Сера входит в состав многочисленной группы серосодержащих гетероатомных соединений. Нефти сильно различаются по содержанию серы: в малосернистых нефтях оно составляет от 0,02 до 0,5%, а в высокосернистых — от 1,5 до 6%. Неравномерно распределяется сера и по фракциям одной и той же нефти. Ее содержание меняется по экстремальной зависимости с минимумом в области температур кипения 100 — 150 °С. В высококипящих фракциях нефти (>400 °С) серы обычно содержится значительно больше, чем в низкокипящих. Сера является одним из нежелательных элементов нефти, так как с углеводородами она образует коррозионно-активные соединения, а при сгорании образует оксиды и через них — серную кислоту, которые опасно загрязняют атмосферу. Содержание серы поэтому является одним из классификационных признаков нефтей, по которому все нефти относят к трем классам — малосернистые, сернистые и высокосернистые.
Азот содержится в нефтях в значительно меньших, чем сера, количествах 10,01-0,6% (маc.) и лишь в отдельных случаях до 1,5% (маc)] Азот образует с углеводородами разных групп азотсодержащие соединения, обладающие различными свойствами, и концентрируется в основном в тяжелых фракциях нефти, кипящих выше 400 °С.
Как и сера, азот является нежелательной примесью нефти из-за отравляющего воздействия его соединений на катализаторы, используемые в нефтепереработке, и образования оксидов азота при сгорании топлив.
Кислород представлен в нефтях такими группами кислых соединений, как карбоновые и нафтеновые кислоты и фенолы. Общее содержание кислорода в нефтях составляет от 0,05 до 0,8% и лишь в отдельных случаях достигает 3,0%. Так же, как азот, кислород концентрируется в тяжелых фракциях нефти, и его количество нарастает с утяжелением фракций.
Нежелательность присутствия кислорода обусловлена высокими коррозионными свойствами его соединений.
Металлы составляют обширную группу гетероэлементов, образующих с углеводородами сложные соединения. Содержание металлов в нефтях невелико и редко превышает 0,05% (мае.) (500 мг/кг).
Всего в нефтях разных месторождений обнаружено около 30 металлов, среди которых наиболее распространенными являются ванадий, никель, железо, цинк, медь, магний, алюминий.
Металлы входят в состав высокомолекулярных соединений нефти, выкипающих от 450 °С и выше. При термокаталитической деструкции этих соединений металлы отлагаются в порах катализаторов, дезактивируя их, а при регенерации катализаторов металлы образуют оксидные соединения, также отрицательно влияющие на катализаторы.
Элементный состав известных нефтяных месторождений приведен в табл. 2.1.
Экспериментальное определение элементного состава нефти основано на сжигании точной навески нефти и химическом или спектральном анализе состава продуктов горения.
Элементный состав нефтей
2. Нафтеновые углеводороды, распределение по фракциям
Нафтеновые углеводороды (циклоалканы) — это группа циклических насыщенных углеводородов общей формулы С n Н 2 n . По числу циклов в молекуле их делят на моно- и полициклические углеводороды.
Серосодержащие соединения нефти и методы их количественного определения
... 1. Серосодержащие соединения нефтей и их свойства В нефтях содержится от 0,01 до 14 % масс. сернистых соединений в пересчете на серу. Низким содержанием серы характеризуются нефти Беларуси, Азербайджана, значительным количеством серосодержащих соединений - нефти Урало-Поволжья ...
Моноциклические
Суммарно моноциклические нафтены содержатся во фракциях до 300 °С примерно 20-30% (мас.) в парафинистых нефтях (ставропольские, дагестанские нефти) и до 85-90% (мас.) в нефтях нафтенового типа (анастасиевская, бузачинские и др.).
Полициклические
При нормальной температуре 20-25 °С высокомолекулярные полициклические нафтены в чистом виде — это твердые вещества. Химия этих нафтенов сейчас интенсивно развивается, поскольку они являются исходными продуктами целого ряда синтезов данных химических продуктов и лекарственных средств.
Бициклические нафтены С n Н 2 n -2 представлены в нефти бициклооктанами, бициклононанами, бициклодеканами со всеми алкилпроизводными:
Суммарное их содержание в средних фракциях нефтей невелико [0,15-0,20% (мас.) на нефть].
Из трициклических нафтенов С n Н 2 n -4 в нефтях обнаружены и исследованы (1933 г.) лишь трициклодекан C10 H16 — адаман-тан и его гомологи:
В нормальных условиях адамантан — кристаллическое вещество с самой высокой температурой плавления среди углеводородов (269 °С).
Особенностью его является то, что пространственное расположение атомов углерода в молекуле адамантана такое же, как в кристаллической решетке алмаза. Он обладает устойчивой структурой, и его термическая деструкция начинается при температуре 660 °С.
Содержание адамантана в нефтях невелико и даже в нефтях, богатых нафтенами (Баку), составляет 0,004-0,01% (мас), т. е. 40-100 мг/кг, — соразмерно с содержанием металлов в нефтах.
В узкой фракции 200-225 °С балаханской нефти, например, обнаружено 2-алкилзамешенных адамантана (С 11 -С14 ) с метильными и этильными заместителями. Их общее содержание составляет 0,2%, что в 20 раз больше, чем нормального адамантана(С10 Н16 ).
Из полициклических нафтенов с большим, чем у адамантана, числом циклов (4 и более) в нефтях обнаружены (в высококипящих фракциях 450 °С и выше) тетрациклододеканы и пента-циклотридеканы, а также диамантан С 14 Н20.
нефть углеводород циклоалкан нафтен
В высококипящих фракциях нафтеновых нефтей распределение нафтенов по числу циклов в молекуле примерно следующее: моноциклические — 30-40%, бициклические — 18-25%, трициклические — 17-20%, тетрациклические — 5-10%.
В целом для нафтенов их свойства характеризуются следующим. При одинаковой с НПУ молекулярной массе они имеют более высокие температуры кипения и плотность и незначительно отличаются от них по теплоте сгорания (Н:С у них 14-17% против 18-20 у алканов).
Наличие алкильных групп в молекуле снижает их температуру плавления тем больше, чем меньше атомов углерода в алкильной цепи.
Нафтены — желательный компонент всех нефтяных топлив, поскольку обладают благоприятным сочетанием таких свойств, как высокие теплота сгорания и плотность, с низкой температурой застывания. Таблица 2.3 Физические свойства некоторых циклоалканов.
Особенно это сочетание важно для топлив для летательных аппаратов, поскольку энергетическая характеристика определяется теплотой, выделяющейся при сгорании 1 л топлива. Поэтому большинство углеводородных реактивных и ракетных топлив являются концентратами нафтеновых 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.
Нафтены обладают также хорошими вязкостно-температурными и смазывающими свойствами и поэтому составляют основную (совместно с ИПУ) часть смазочных и специальных масел. Особенно ценными в этом отношении являются нафтены с разветвленными боковыми алкильными цепями.
В нефтехимии нафтены служат одним из важнейших источников сырья для получения бензола и толуола (реакцией Зелинского), получения капролактама (через стадию окисления циклогексана), получения лекарств (из производных адамантана) и специальных полимеров.
Химические (реакционные) свойства нафтенов существенно зависят от углового (байеровского) напряжения молекул. Так, цикланы С 3 и С4 более реакционноспособны, чем другие, и вступают в реакции, характерные для олефинов (например, галогенирования).
Молекулы от циклопентана и выше менее напряжены и поэтому менее реакционноспособны.
Так, молекула циклогексана существует в виде двух пространственных структур — «кресла» и «ванны» — и по своей реакционной способности близка к н-алканам:
Химические свойства
дегидрируются
изомеризуются
Физические свойства некоторых циклоалканов
|
Название |
Температура плавления, 0 С |
Температура кипения, 0 С |
Плотность С 20 4 |
||
|
Циклопентан |
-94,4 |
49,3 |
0,7454 |
||
|
Метилциклопентан |
-142,7 |
71,8 |
0,7488 |
||
|
Этилциклопентан |
-138,4 |
103,4 |
0,7657 |
||
|
1,1-диметилциклопентан |
-69,7 |
87,8 |
0,7523 |
||
|
цис-1,2-диметилциклопентан |
-53,8 |
99,5 |
0,7723 |
||
|
транс-1,2-диметилциклопентан |
-117,6 |
91,9 |
0,7519 |
||
|
Пропилциклопентан |
-120,3 |
130,8 |
0,7756 |
||
|
Бутилциклопентан |
-108,2 |
156,8 |
0,7843 |
||
|
Изопентилциклопентан |
— |
169,0 |
0,4840 |
||
Циклогексан |
6,6 |
80,9 |
0,7781 |
||
|
Метилциклогексан |
-126,6 |
100,8 |
0,7692 |
||
|
Этилциклогексан |
-114,4 |
132,0 |
0,7772 |
||
|
1,1-диметилциклогексан |
-33,5 |
119,5 |
0,7840 |
||
|
цис-1,2-диметилциклогексан |
-50,1 |
128,0 |
0,7965 |
||
|
транс-1,2-диметилциклогексан |
-89,4 |
125,0 |
0,7760 |
||
|
Пропилциклогексан |
-94,5 |
154,7 |
0,7932 |
||
|
Бутилциклогексан |
-78,6 |
179,0 |
0,7997 |
||
|
Пентилциклогексан |
— |
204,0 |
0,8040 |
||
Циклогексаны, так же как и алканы , окисляются с трудом, образуя дикарбоновые кислоты или продукты окисления без разрыва кольца. Так в присутствии сильных окислителей (KMnO4 , H2 SO4 , HNO3 и др.) при 100 0 С из пяти- и шестичленных циклов образуются дикарбоновые кислоты:
Дикарбоновые кислоты широко применяются в нефтехимическом синтезе. В частности, на их основе получают полиэфирные и полиамидные волокна.
В более лёгких условиях окисления циклоалканы окисляются без разрыва цикла. При этом в зависимости от условий из циклогексана могут быть получены спирт (циклогексанол) или кетон (циклогексанон):
Циклогексанол применяют как растворитель для полимеров, а циклогексанон — в производстве капролактама. Капролактам используется для получения полиамидного волокна — капрона.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/komponentnyiy-sostav-nefti/
1. О.В. Белозерова Химия нефти и газа : учеб. Пособие. — Иркутск : Издательство ИрГТУ, 2011. — 96 с.
2. www.ngpedia.ru «Большая энциклопедия нефти и газа».
