Нефть ее состав

Химический состав нефти и газа

Что такое нефть и газ известно всем. И в то же время даже специалисты не могут договориться между собой о том, как образуются нефтяные залежи. Такая ситуация покажется не столь уж странной, если начать знакомиться с «биографией» этого полезного ископаемого.
В лучшем сорте угля – антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.
Конечно, чистого угля в природе практически не бывает: его пласты всегда засорены пустой породой, различными вкраплениями и включениями… Но в данном случае мы говорим не о пластах, месторождениях, а лишь об угле как таковом.
В нефти содержится почти столько же углерода, сколько и в каменном угле – около 86%, а вот водорода побольше – 13% против 5-6% в угле. Зато кислорода в нефти совсем мало – всего 0,5%. Кроме того, в ней есть также азот, сера и другие минеральные вещества.
Такая общность по элементному составу, конечно, не могла пройти незамеченной для ученых. И потому нефть вместе с газом относят к тому же классу горных пород, что уголь (антрацит, каменный и бурый), торф и сланцы, а именно – к классу каустобиолитов.
Это замысловатое слово составлено из трех греческих слов: kaustikos – жгучий, bios – жизнь и lithos – камень. Можете теперь перевести сами.
Такое название может показаться не совсем точным. Как это к классу камней, пусть органического происхождения, пусть даже и горючих, можно отнести жидкую нефть, а тем более природный газ?…
Замечание вполне резонное. Однако, наверное, Вы удивитесь еще больше, когда узнаете, что нефть специалисты относят к минералам (хотя латинское слово minera означает «руда»). Вместе с газом она относится к числу горючих полезных ископаемых. Так уж сложилось исторически, и не нам с Вами эту классификацию менять. Просто давайте иметь ввиду, что минералы бывают не только твердыми.
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.
Алканы (в литературе Вы можете также столкнуться с названиями предельные углеводороды, насыщенные углеводороды, парафины) химически наиболее устойчивы. Их общая формула СnH(2n+2). Если число атомов углерода в молекуле не более четырех, то при атмосферном давлении алканы будут газообразными. При 5-16 атомах углерода это жидкости, а свыше – уже твердые вещества, парафины. К нафтенам относят алициклические углеводороды состава CnH2n, CnH(2n-2) и CnH(2n-4). В нефтях содердится преимущественно циклопентан С5Н10, циклогексан С6Н10 и их гомологи. И наконец, арены (ароматические углеводороды). Они значительно беднее водородом, соотношение углерод/водород в аренах самое высокое, намного выше, чем в нефти в целом. Содержание водорода в нефтях колеблется в широких пределах, но в среднем может быть принято на уровне 10-12% тогда как содержание водорода в бензоле 7,7%. А что говорить о сложных полициклических соединениях, в ароматических кольцах которых много ненасыщенных связей углерод-углерод!

Они составляют основу смол, асфальтенов и других предшественников кокса, и будучи крайне нестабильными, осложняют жизнь нефтепереработчикам.
Посмотрите, как устроены молекулы пентана С5Н10, циклогексана С6Н12 и бензола С6Н6 – типичных представителей каждого из этих классов:




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.
Использование природного газа началось давно, но осуществлялось поначалу лишь в местах его естественных выходов на поверхность. В Дагестане, Азербайджане, Иране и других восточных районах с незапамятных времен горели ритуальные «вечные огни», рядом с ними процветали за счет паломников храмы.
Позже отмечены случаи применения природного газа, получаемого из пробуренных скважин или колодцев и шурфов, сооружаемых для разных целей. Еще в первом тысячелетии нашей эры в китайской провинции Сычуань при бурении скважин на соль было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь. Практичные люди из Сычуаня довольно скоро научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола. Вот Вам пример типично энергетического применения.
В течение многих столетий человек использовал такие подарки природы, но промышленным освоением эти случаи не назовешь. Лишь в середине 19 века природный газ становится технологическим топливом, и одним из первых примеров можно привести стекольное производство, организованное на базе месторождения Дагестанские огни. Кстати, в настоящее время более 60% стекольного производства базируется на использовании в качестве технологического топлива именно природного газа.
Вообще говоря, преимущества газового топлива стали очевидны довольно давно, пожалуй, с момента появления промышленных процессов термической (без доступа воздуха) деструкции твердых топлив. Развитие металлургии привело к замене примитивных смолокурен коксовыми печами. Коксовому газу быстро нашлось бытовое применение – появились газовые рожки для освещения улиц и помещений. В 1798 году в Англии было устроено газовое освещение главного корпуса мануфактуры Джеймса Уатта, а в 1804 году образовалось первое общество газового освещения. В 1818 году газовые фонари осветили Париж. И очень скоро коксование стали применять для получения не столько металлургического кокса, сколько сначала светильного, а потом и бытового газа. Газификация быта стала синонимом прогресса, процессы газификации топлива совершенствовались, а получаемый газ стали все чаще называть «городским газом».
Интересно отметить, что совершенствование пирогенетической технологии шло по пути более полного использования топливного потенциала. При сухой перегонке типа коксования в газ переходит не более 30-40% теплоты топлива. При окислительной газификации с добавлением кислорода, воздуха, водяного пара можно добыить перевода в газ до 70-80% и более потенциальной теплоты. Практически при газификации твердого топлива в зольном остатке органических соединений не остается.
Однако у газа, получаемого при окислительной газификации, теплота сгорания ниже, чем у газа при коксовании. Поэтому при производстве городского газа комбинировали процессы коксования с газификационными. Впоследствии, уже в 20 веке, появилась возможность повысить калорийность бытового газа, включив в схему газификации операцию каталического метанирования – превращения части оксида углерода и водорода, содержащихся в газе окислительной газификации, в метан. Тем самым удалось достичь необходимой для нормальной работы горелок теплоты сгорания получаемого бытового газа не менее 16,8 Мдж/м3 (4000 ккал/м3).
Итак, газ заменил другие виды топлива сначал для освещения, затем для приготовления пищи, отопления жилищ. Но почти столетие для этих целей использовался практически только искусственный газ, полученный из твердых топлив. А что же природный газ?
Дело в том, что всерьез стали искать и разрабатывать месторождения природного газа в 20-х годах 20 века. И лишь в 30-х годах техника бурения на большие глубины (до 3000 метров и более) позволила обеспечить надежную сырьевую базу газовой промышленности.
Развитию новой отрасли помешала вторая мировая война. Тем не менее уже в 1944 году начались изыскательские работы по прокладке первого промышленного газопровода Саратов-Москва. Это был первенец, за которым в 50-х годах последовали Дашава-Киев, Шебелинка-Москва. В следующие десятилетия весь СССР пересекали мощные трассы, по которым в настоящее время передаются огромные количества природного газа. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок. Доля природного газа превысила 60-процентный рубеж в энергетике производства цемента, стекла, керамики, других строительных материалов, приближается к 50% в металлургии и машиностроении.

Применение природного газа в стационарных энергетических установках позволяет с учетом снижения расхода на собственные нужды электростанций увеличить их КПД на 6-7%, повысить производительность на 30% и более.

Характеристики сырой нефти

Сырой нефтью называют нефть, получаемую непосредственно из скважин. При выходе из нефтяного пласта нефть содержит частицы горных пород, воду, а также растворенные в ней соли и газы. Эти примеси вызывают коррозию оборудования и серьезные затруднения при транспортировке и переработке нефтяного сырья.
Таким образом, для экспорта или доставки в отдаленные от мест добычи нефтеперерабатывающие заводы необходима промышленная обработка сырой нефти: из нее удаляется вода, механические примеси, соли и твердые углеводороды, выделяется газ.

Газ и наиболее легкие углеводороды необходимо выделять из состава сырой нефти, т.к. они являются ценными продуктами, и могут быть утеряны при ее хранении. Кроме того, наличие легких газов при транспортировке сырой нефти по трубопроводу может привести к образованию газовых мешков на возвышенных участках трассы. Очищенную от примесей, воды и газов сырую нефть поставляют на нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ), где в процессе переработки из нее получают различные виды нефтепродуктов. Качество, как сырой нефти, так и нефтепродуктов, получаемых из нее, определяется ее составом: именно он определяет направление переработки нефти и влияет на конечные продукты.
Важнейшими характеристиками свойств сырой нефти являются: плотность, содержание серы, фракционный состав, а также вязкость и содержание воды, хлористых солей и механических примесей.
Плотность нефти, зависит от содержания тяжелых углеводородов, таких как парафины и смолы. Для ее выражения используется как относительная плотность нефти, выраженная в г/см3, так и плотность нефти, выраженная в единицах Американского института нефти — API, измеряемая в градусах.

Относительная плотность = масса соединения/ масса воды
API = (141,5/ относительная плотность) — 131,5,

Нефть

Относительная плотность, г/см3

Плотность API, °API

Легкая 0,800-0,839 36°-45,4°
Средняя 0,840-0,879 29,5°-36°
Тяжелая 0,880-0,920 22,3°-29,3°
Очень тяжелая 0,880-0,920 Менее 22,3°

По плотности можно ориентировочно судить об углеводородном составе сырой нефти и нефтепродуктов, поскольку ее значение для углеводородов различных групп различно. Более высокая плотность сырой нефти указывает на большее содержание ароматических углеводородов, а более низкая — на большее содержание парафиновых углеводородов. Углеводороды нафтеновой группы занимают промежуточное положение. Таким образом, величина плотности до известной степени будет характеризовать не только химический состав и происхождение продукта, но и его качество. Наиболее качественными и ценными являются легкие сорта сырой нефти (российская Siberian Light). Чем меньше плотность сырой нефти, тем легче процесс ее переработки нефти и выше качество получаемых из нее нефтепродуктов.
По содержанию серы сырую нефть в Европе и России подразделяют на малосернистую (до 0,5%), сернистую (0,51-2%) и высокосернистую (более 2%), в США — на сладкую (до 0,5%), среднесладкую/ среднекислую (0,51-2%) и кислую (более 2%). Классификация, принятая в США, кажущаяся на первый взгляд необычной, имеет, однако, прямое отношение к вкусу. На заре добычи нефти в Пенсильвании, получаемый из нее керосин использовался в качестве лампового масла для освещения помещений. Керосин с большим содержанием серы давал отвратительный запах при сгорании, поэтому больше ценился керосин с низким содержанием серы, сладкий на вкус. Отсюда и произошла эта терминология.
Нефть является смесью нескольких тысяч химических соединений, большинство из которых — комбинация атомов углерода и водорода — углеводороды; каждое из этих соединений характеризуется собственной температурой кипения, что является важнейшим физическим свойством нефти, широко используемым в нефтеперерабатывающей промышленности. На каждой из стадий кипения нефти испаряются определенные соединения, этот процесс называют перегонкой нефти. Соединения, испаряющиеся в заданном промежутке температуры, называются фракциями, а температуры начала и конца кипения — границами кипения фракции или пределами выкипания. Фракции, выкипающие до 350°С, называют светлыми дистиллятами. Фракция, выкипающая выше 350°С, является остатком после отбора светлых дистиллятов и называется мазутом. Мазут и полученные из него фракции — темные. Названия фракциям присваиваются в зависимости от направления их дальнейшего использования.
Как правило, сырая нефть содержит следующие фракции из которых потом получаются и основные продукты нефти:

Температура кипения

Фракции

выше 430°C Мазут
230-430°С Газойль
160-230°С Керосин
105-160°С Нафта
32-105°С Бензин
менее 32°С Углеводородные газы

Различные нефти сильно отличаются по составу. В легкой нефти (light oil) обычно больше бензина, нафты и керосина, в тяжелых — газойля и мазута. Наиболее распространены нефти с содержанием бензина 20-30%.
Присутствие механических примесей в составе сырой нефти объясняется условиями ее залегания и способами добычи. Механические примеси состоят из частиц песка, глины и других твердых пород, которые, оседая на поверхности воды, способствуют образованию нефтяной эмульсии. В отстойниках, резервуарах и трубах при подогреве сырой нефти часть механических примесей оседает на дне и стенках, образуя слой грязи и твердого осадка. При этом уменьшается производительность оборудования, а при отложении осадка на стенках труб уменьшается их теплопроводность. Массовая доля механических примесей до 0,005% включительно оценивается как их отсутствие.
Вязкость определяется структурой углеводородов, составляющих нефть, т.е. их природой и соотношением, она характеризует свойства распыления и перекачивания нефти и нефтепродуктов: чем ниже вязкость жидкости, тем легче осуществлять ее транспортировку по трубопроводам, производить ее переработку. Особенно важна эта характеристика для определения качества масленых фракций, получаемых при переработке нефти и качества стандартных смазочных масел. Чем больше вязкость нефтяных фракций, тем больше температура их выкипания.

В 21 веке нефть и нефтепродукты являются неотъемлемой частью жизни людей. Без нефтепродуктов не обходится ни одна сфера человеческой деятельности. Нефтепродукт – это не только смесь углеводородов, но и химическое соединение, которое получают из нефти.
Главные виды нефтепродуктов:

  • топливо (бензин, керосин, дизельное топливо)
  • ГСМ
  • растворители
  • нефтехимическое сырье
  • электроизоляционные составы.

Любые нефтепродукты получают методом перегонки нефти. Вследствие перегонки из первичного сырья выделяются разные газообразные вещества. Главное устройство для перегонки — ректификационная колонна.

Нефтяные топлива

Большая популярность нефтяных фракций как топлива обусловлена высоким уровнем их теплоты сгорания, а также не высокой ценой и удобным использованием. В процессе сгорания одного килограмма нефтяного топлива можно получить не менее 41670 кДж тепла, в то время как при сгорании такого же количества угля — примерно 33 330 кДж тепла, а древесины – лишь 19 500 кДж. Уровень себестоимости добычи нефтепродуктов примерно в 6 раз меньше, чем угля. Также жидкие топлива обладают рядом достоинств перед твердыми, в особенности в процессе перевозки и применения.

Любое топливо для двигателей и разных топочных устройств должно отвечать таким условиям:

  • при сгорании должно выделяться наибольше количество тепла за конкретное время. Процесс их горения должен быть плавным и полным, при этом должно образовываться наименьше количество токсичных и коррозионно-агрессивных соединений и отложений
  • своевременно должны образовываться однородные смеси паров топлива с воздухом, уровень испаряемости должен быть оптимальным
  • топливо должно бесперебойно подаваться по системе питания в силовой агрегат в различных погодных условиях. Не должно возникать проблем с транспортировкой и хранением
  • эксплуатационные свойства не должны ухудшаться со временем
  • температура застывания и помутнения должна быть низкой
  • в составе не должно быть коррозионно-агрессивных и механических примесей
  • не высокая цена.

Именно таким требованиям и удовлетворяют нефтяные топлива. Они главный источник энергии почти для всех типов моторов наземной, морской и авиационной техники. Тем не менее, новейшие силовые агрегаты требуют, чтобы топливо имело целый перечень специфических свойств. Именно по этой причине все нефтяные топлива разделили на пять категорий:

  • для поршневого мотора с принудительным зажиганием (автомобильный и авиационный бензин)
  • для поршневого двигателя с воспламенением от сжатия (дизельное топливо для быстроходных и тихоходных моторов)
  • для реактивного двигателя (дозвуковая и сверхзвуковая авиация)
  • для газотурбинного мотора и установок (транспортных и стационарных);
  • для котельных установок (транспортных и стационарных).

Нефтяное масло

Нефтяное масло — это жидкая смесь высокомолекулярных углеводородов с очень высокой температурой кипения в пределах 300—600 °C. В основном это алкилнафтеновые и алкилароматические масла, которые получают в процессе переработки нефти. В состав масел входят предельные, нафтеновые, ароматические и гибридные углеводороды, а также металлорганические и гетеропроизводные. С повышением вязкости и плотности нефтяного масла, усложняется его состав. Так как разделить фракции на отдельные компоненты очень сложно, то определяют количество отдельных групп соединений.
Выделяю такие виды нефтяных масел:

  • остаточные
  • дистилляционные
  • компаундированные
  • консервационные
  • изоляционные
  • белые
  • смазочные.

Именно из нефтяных масел производят смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, а также гидравлические жидкости.

В последние годы набирает популярность способ преобразования исходного нефтяного сырья в более дорогостоящие продукты при помощи гидрокрекинга. В результате такого процесса получают масла, себестоимость которых более низкая, а свойства приближены к синтетическим.
По областям применения делятся на смазочные масла, электроизоляционные масла и консервационные масла. Используются также в косметической промышленности.
Чтобы придать особые свойства нефтяным маслам, в них вносят специальные присадки. Из нефтяных масел производят пластичные и технологические смазки, специальные жидкости, к примеру, смазочно-охлаждающие жидкости.

Товарные нефтепродукты

В процессе перегонки нефти типичного состава получают:

  • 31% бензиновых фракции
  • 10% керосиновых
  • 51% дизельных
  • 20% базового масла
  • 15% мазута.

Все перечисленные фракции представляют собой основу для производства товарных нефтепродуктов. Перечень товарных нефтепродуктов довольно обширен и разнообразен. Российская промышленность выпускает как минимум 500 наименований нефтепродуктов.
Специалисты делят их на:

  • светлые — бензин, керосин, топливо для реактивных моторов, дизельное топливо
  • темные — масло и мазут
  • пластичные смазки
  • нефтехимические продукты.

Любой вид топлива имеет свои свой¬ства, которые обусловлены методом их сжигания.
Главным использованием нефти можно назвать изготовление топлив и масел (примерно 0,7-0,8 т/т нефти). Помимо этого, в процессе переработки нефти изготавливают:

  • парафины
  • церезины
  • воски
  • вазелины
  • пластические смазки
  • битумы
  • нефтяной кокс
  • прочие нефтепродукты разного назначения.

Однако в числе самых важных целей современной нефтеперерабатывающей отрасли значится обеспечение сырьем нефтехимических заводов. В то время как перечень главных топлив можно фактически заменить в обозримом будущем на альтернативные виды, к примеру, водород, природный газ, сжиженный газ, топливо из метанола, то заменить нефтяное сырье, предназначенное для изготовления различных нефтехимических продуктов маловероятно. Стоит отметить, что доля нефти, а именно, самые дорогих нефтяных фракций, которые используются для создания нефтехимического сырья, демонстрирует динамику к увеличению в большей части развитых государств.
Товарные нефтепродукты по своим физико-химическим показателям должны удовлетворять нормам существующих стандартов. За границей пользуются стандартами ASTM, а также стандартами Европейского союза, Японии и прочих важных государств.

Нефтяной кокс

Это соединение представляет углерод нефтяного происхождения, а именно твёрдый остаток вторичной переработки нефти или нефтепродуктов. Он применяется для создания электродов и коррозионностойких аппаратов, в качестве восстановителя в процессе получения ферросплавов.
Нефтяной кокс – это продукт твердой консистенции, имеющий темно-серый или почти черный цвет. Его получают в процессе коксования нефтяного сырья.
К основным показателям относятся:

  • количество S серы
  • количество золы
  • количество влаги
  • объем летучих веществ
  • гранулометрический состав
  • уровень механической прочности.

Существуют такие виды нефтяного кокса:

  • малосернистые (до 1% серы)
  • сернистые (до 2% серы)
  • высокосернистые (свыше 2% серы)
  • малозольные (до 0,5% золы)
  • среднезольные (0,5-0,8% золы)
  • высокозольные (свыше 0,8% золы)
  • кусковой (частицы имеют размер свыше 25 мм)
  • «орешек» (от 6 до 25 мм)
  • мелочь (до 6 мм).

Где же применяется нефтяной кокс? К основным сферам его использования можно отнести:

  • производство алюминия. В этом процессе кокс является восстановителем (анодная масса) в ходе выплавки алюминия из алюминиевых руд (бокситов). Количество необходимого кокса колеблется в пределах 550 — 600 кг/т алюминия
  • производство электродов для сталеплавильных печей
  • производство карбидов (кальция, кремния), используемых в процессе изготовления ацетилена
  • производстве шлифовочных материалов
  • производство проводников, огнеупоров
  • высокосернистые коксы пригодны в качестве восстановителей и сульфидирующих агентов
  • особые сорта кокса применяются в качестве конструкционного материала для производства химической аппаратуры, которая должна работать в условиях агресивных сред, к примеру, в ракетной технике.

Прежде чем приступить к использованию нефтяного кокса его необходимо облагородить (прокалить) на нефтеперерабатывающих комбинатах.

В процессе прокаливания испаряются летучие фракции и часть гетероатомов (к примеру, S и V), уменьшается показатель удельного электрического сопротивления.
Даже пищевая промышленность использует нефтяной кокс в процессе изготовления сахара, как заменитель доменного кокса.

НЕФТЕПРОДУКТЫ

ПЛОТНОСТЬ ПРИ 20* С, г/см3

Авиационный бензин

0,73-0,75

Автомобильный бензин

0,71-0,76

Топливо для реактивных двигателей

0,76-0,84

Дизельное топливо

0,80-0,85

Моторное масло

0,88-0,94

Мазут

0,92-0,99

Нефть

0,74-0,97

Добавить комментарий

Закрыть меню