Что такое нефть ее состав. Углеводороды нафтеновой группы. Общая химическая структура нефти

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?

Происхождение нефти

Свойства нефти

Физические свойства

Средняя молекулярная масса

Плотность

лёгко й, 0,831-0,860 - средней , выше 0,860 - тяжёлой .

(обычно > фракционным составом

Температура кристаллизации парафина лёгких фракций

Вязкость фракционным составом нефти и её температурой

Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/(кг∙К).

43,7-46,2 МДж/кг.

2,0-2,5

от до .

Температура вспышки

Химический состав

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 (>

Углеводородный состав

парафиновые нафтеновые (10-20, реже 35 %) и смешанного

Геология нефти

Заключающие нефть породы обладают сравнительно высокой пористостью и достаточной для её извлечения проницаемостью. Породы, допускающие свободное перемещение и накопление в них жидкостей и газов, называются коллекторами. Пористость коллекторов зависит от степени отсортированности зёрен, их формы и укладки, а также и от наличия цемента. Проницаемость определяется размером пор и их сообщаемостью. Главнейшими коллекторами нефти являются пески, песчаники, конгломераты, доломиты, известняки и другие хорошо проницаемые горные породы, заключённые среди таких слабопроницаемых пород, как глины или гипсы. При благоприятных условиях коллекторы могут быть трещиноватые метаморфические и изверженные породы, находящиеся в соседстве с осадочными нефтеносными породами.

Различного типа залежи нефти в гидравлически незамкнутых (1-3) и замкнутых (4-6) ловушках: 1 - пластовые сводовые нефтяные и газонефтяные залежи; 2 - массивная сводовая газонефтяная залежь; 3 - нефтяная залежь в выступе палеорельефа, первичного (напр., рифа) или вторичного (эрозионного); 4 - нефтяная залежь, экранированная стратиграфическим несогласием; 5 - нефтяная залежь в ловушке первичного (фациального, литологического) выклинивания коллектора; 6 - тектонически экранированная залежь нефти; а - нефть; б - газ; в - вода.

Часто нефтяная залежь занимает лишь часть коллектора и поэтому в зависимости от характера пористости и степени цементации породы (гетерогенности залежи) обнаруживается различная степень насыщенности нефтью отдельных её участков в пределах самой залежи.

Обычно нефть в залежи сопровождается водой, которая ограничивает залежь вниз по падению слоёв либо по всей её подошве. Кроме того, в каждой залежи нефти вместе с ней находится т. н. плёночная, или остаточная вода, обволакивающая частицы пород (песков) и стенки пор. В случае выклинивания пород коллектора или обрезания его сбросами, надвигами и т п. дизъюнктивными нарушениями залежь может либо целиком, либо частично ограничиваться слабопроницаемыми породами. В верхних частях нефтяной залежи иногда сосредоточивается газ (т. н. «газовая шапка»).

При добыче нефти скважинами не удаётся целиком извлечь всю нефть из залежи, значительное количество её остаётся в недрах земной коры. Для более полного извлечения нефти применяются специальные приёмы, из которых большое значение имеет метод заводнения (законтурного, внутриконтурного, очагового) . Нефть в залежи находится под давлением вследствие чего вскрытие залежи, особенно первыми скважинами, сопровождается риском газонефтепроявлений (очень редко фонтанными выбросами нефти).

Предложено несколько классификаций месторождений и залежей нефти как в России, так и за рубежом. Нефтяные месторождения различаются друг от друга по типу структурных форм и условиям их образования. Залежи нефти и газа различаются друг от друга по формам ловушек-коллекторов и по условиям образования в них скоплений нефти.

Сорта нефти

Введение сортности необходимо в связи с разностью состава нефти (содержания серы, различного содержания групп алканов, наличия примесей) в зависимости от месторождения. Стандартом для цен служит нефть сортов WTI и Light Sweet (для западного полушария и вообще ориентиром для других сортов нефти), а также Brent (для рынков Европы и стран ОПЕК).

Чтобы упростить экспорт были придуманы некие стандартные сорта нефти, связанные либо с основным месторождением, либо с группой месторождений. Для России это тяжёлая Urals и лёгкая нефть Siberian Light. В Великобритании - Brent, в Норвегии - Statfjord, в Ираке - Kirkuk, в США - Light Sweet и WTI. Часто бывает, что страна производит два сорта нефти - лёгкую и тяжёлую. Например в Иране это Iran Light и Iran Heavy.

Очистка нефти

Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 году, в период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В Санкт-Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах - лучинами. Но уже тогда во многих церквях горели неугасаемые лампады. В них наливалось горное масло, которое было ничем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом.

В конце XVIII столетия была изобретена керосиновая лампа. С появлением ламп возрос спрос на керосин. Очистка нефти - удаление из нефтепродуктов нежелательных компонентов, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства топлив и масел. Химическая очистка производится путём воздействия различных реагентов на удаляемые компоненты очищаемых продуктов. Наиболее простым способом является очистка 92-96 % серной кислотой или олеумом, применяемая для удаления непредельных и ароматических углеводородов. Физико-химическая очистка производится с помощью растворителей, избирательно удаляющих нежелательные компоненты из очищаемого продукта. Неполярные растворители (пропан и бутан) используются для удаления из остатков переработки нефти (гудронов) ароматических углеводородов (процесс деасфальтации). Полярные растворители (фенол и др.) применяются для удаления полициклических ароматических углеродов с короткими боковыми цепями, сернистых и азотистых соединений из масляных дистиллятов. При адсорбционной очистке из нефтепродуктов удаляются непредельные углеводороды, смолы, кислоты и др. Адсорбционную очистку осуществляют при контактировании нагретого воздуха с адсорбентами или фильтрацией продукта через зерна адсорбента. Каталитическая очистка - гидрогенизация в мягких условиях, применяемая для удаления сернистых и азотистых соединений.

Применение нефти.

Непосредственно сырая нефть практически не применяется (сырая нефть наряду с нерозином применяется для пескозащиты - закрепления барханных песков от выдувания ветром при строительстве ЛЭП и трубопроводов). Для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля её в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости и уменьшения добычи.

В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей, и др. (более 8 % от объёма мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды - метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, а также высокомолекулярные (10-20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые; ароматические углеводороды - бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые и диолефиновые - этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именно комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углём, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов. Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

Так же продукты нефтепереработки используются в панелях солнечных батарей. Солнечные панели могут помочь домовладельцам и бизнесменам использовать возобновляемые и энергии, то есть энергию солнечного света, но большинство панелей по-прежнему состоят из нефтяных смол, а пластмассовые детали из фотоэлектрических элементов. В скором времени это могут произойти изменения, поскольку многие компании начали разрабатывать новые био-смолы и биопластик, которые могли бы заменить компоненты батарей на нефтяной основе.

Как уже было сказано, в России производится нефть сорта Urals, которая получается смешением тяжелой, высокосернистой нефти Урала и Поволжья с легкой западносибирской нефтью.

Urals - сорт высокосернистой нефти (содержание серы около 1,3%), которая представляет собой смесь из нефти, добываемой в Ханты-Мансийском автономном округе и Татарстане. Основные производители черного золота Urals - это организации ««Роснефть»», «Лукойл», «Сургутнефтегаз», «нефтяная компания «Газпром нефть»», «ТНК-BP» и «группа Татнефть». Цена российской нефти определяется дисконтированием цены на Brent, поскольку российская нефть считается менее качественной ввиду высокого содержания серы, а также тяжёлых и циклических углеводородов.

В последнее время в Российской Федерации предпринят ряд шагов для того, чтобы повысить качество черного золота Urals путём исключения из него высокосернистой татарстанской нефти (в республике Татарстан планируется построить новые нефтеперерабатывающие мощности для того, чтобы из местной нефти делать бензин, а не пускать её в газопровод). Сама по себе Западно-Сибирская нефть приемлемого качества. За рубежом она известна под маркой Siberian Light.

Нефть марки Urals поставляется через Новороссийск и по системе газопроводов «Дружба».

Siberian Light - сорт нефти (содержание серы около 0.57%), добываемой в Ханты-Мансийском автономном округе. Основные производители черного золота Siberian Light - это фирмы ««Роснефть»», «Лукойл», «Сургутнефтегаз», «НК «Газпром нефть»», «ТНК-BP».

В отрасли теплоснабжения в качестве топлива для паровых котлов, котельных установок и промышленных печей нашел свое применение продукт переработки нефти – мазут. Мазу́т, жидкий продукт темно-коричневого цвета, остаток после выделения из нефти или продуктов ее вторичной переработки бензиновых, керосиновых и газойлевых фракций, выкипающих до 350-360°С.

Мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта.

Заключение.

Таким образом, нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Разведанные запасы нефти составляют (на 2004) 210 млрд т (1200 млрд баррелей), неразведанные - оцениваются в 52-260 млрд т (300-1500 млрд баррелей). Мировые разведанные запасы нефти оценивались к началу 1973 года в 100 млрд т (570 млрд баррелей). Таким образом, в прошлом разведанные запасы росли (также растёт и потребление нефти - за последние 35 лет оно выросло с 20 до 30 млрд баррелей в год). Однако, начиная с 1984 г., годовой объем мировой нефтедобычи превышает объём разведываемых запасов нефти.

Мировая добыча нефти в 2006 г. составляла около 3,8 млрд т в год, или 30 млрд баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной - ещё на 10-50 лет.

Несмотря на существование таких прогнозов, правительство России планирует увеличение добычи нефти к 2030 году до 530 млн т в год. Также имеются большие запасы нефти (3400 млрд баррелей) в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой нефти при нынешних темпах потребления хватит на 110 лет. В настоящее время компании ещё не могут производить много нефти из нефтяных песков, но ими ведутся разработки в этом направлении.

Список использованной литературы.

1. http://ru.wikipedia.org – описание свойств нефти.

2. http://enc.fxeuroclub.ru – описание добычи нефти.

3. http://omrpublic.iea.org/supplysearch.asp - точные данные по добыче нефти.

4. Виноградов А. П. Галимов Э. М. «Изотопия углерода и проблема происхождения нефти.» - «Геохимия». 1970. № 3

Нефть: определение и описание.

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Сегодня нефть является одним из важнейших для человечества полезных ископаемых.

Нефть обнаруживается вместе с газообразными на глубинах от десятков метров до 5-6 км. Однако на глубинах свыше 4,5-5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1-3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др. образования - например, битуминозные пески и битумы.

Происхождение нефти

Нефтеобразование - стадийный, весьма длительный (обычно 50-350 млн лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Выделяется ряд стадий:

· Осадконакопление - во время которого остатки живых организмов выпадают на дно водных бассейнов;

· биохимическая - процессы уплотнения, обезвоживания и биохимические процессы в условиях ограниченного доступа кислорода;

· протокатагенез - опускание пласта органических остатков на глубину до 1,5-2 км, при медленном подъёме температуры и давления;

· мезокатагенез или главная фаза нефтеобразования (ГФН) - опускание пласта органических остатков на глубину до 3-4 км, при подъёме температуры до 150 °C. При этом органические вещества подвергаются термокаталитической деструкции, в результате чего образуются битуминозные вещества, составляющие основную массу микронефти. Далее происходит отгонка нефти за счёт перепада давления и эмиграционный вынос микронефти в песчаные пласты-коллекторы, а по ним в ловушки;

· апокатагенез керогена или главная фаза газообразования (ГФГ) - опускание пласта органических остатков на глубину более 4,5 км, при подъёме температуры до 180-250 °C. При этом органическое вещество теряет нефтегенерирующий потенциал и реализовывает метаногенерирующий потенциал.

И. М. Губкин выделял также стадию разрушения нефтяных местозарождений.

История добычи нефти исчисляется с 6-го тысячелетия до н.э. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в китайской провинции Сычу-ань. Первым способом добычи - сбор нефти с поверхности водоемов, который до нашей эры применялся в Мидии, Вавилонии и Сирии.

Свойства нефти

Физические свойства

Нефть - жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета.

Средняя молекулярная масса 220-300 г/моль (редко 450-470).

Плотность 0,65-1,05 (обычно 0,82-0,95) г/см³.

Нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгко й, 0,831-0,860 - средней , выше 0,860 - тяжёлой .

Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжёлых не́фтей) и фракционным составом - выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450-500 °C (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560-580 °C (90-95 %).

Температура кристаллизации от −60 до + 30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже).

Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различных не́фтей, добываемых в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше).

Удельная теплоёмкость 1,7-2,1 кДж/(кг∙К).

Удельная теплота сгорания (низшая) 43,7-46,2 МДж/кг.

Диэлектрическая проницаемость 2,0-2,5

Электрическая проводимость [удельная] от до .

Нефть - легковоспламеняющаяся жидкость. Температура вспышки от −35 до +121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов).

Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

Химический состав

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 (C1-C4, 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).

Нефть - ресурс, который лежит в основе современной энергетики. Многие страны прикладывают массу усилий для поиска нового вида топлива, однако, на сегодняшний день и на ближайшее будущее именно нефтепродукты занимают эту нишу. Несмотря на то, что не один выпуск новостей не обходится без упоминания текущей цены на нефть или иных вещей, связанных с ней, очень многие люди не знают, что такое нефть на самом деле. В этом материале мы расскажем о том, какая химическая формула нефти, и из каких элементов она состоит.

История

Стоит заметить, что с нефтью человек познакомился еще во времена Вавилона. Тогда этот ресурс применялся в строительстве из-за его вяжущих качеств. В России на реке Ухте люди собрали нефть с поверхности и использовали в качестве мази. Лишь спустя века, когда были проведены серьезные исследования, человечество узнало химический состав нефти и ее истинное предназначение. Однако и сегодня на вопрос о том, из чего состоит нефть нельзя ответить односложно.

Химическая формула нефти

Формула нефти

Нефть - сложная коллоидная химическая система, состоящая из множества компонентов. Жидкая фаза нефти представляет собой жидкие углеводороды (порядка пяти сотен различных веществ). Также «черное золото» содержит полу-твердые элементы - «тяжелые» углеводороды (например, смолы), которые взвешены в жидкости.

Помимо углеводородной смеси, нефть включает в себя серу, азот, минеральные соли, воду, растворы углеводородных газов.

Стоит заметить, что сырье, добываемое из разных источников, отличается по химическому составу. Каждая нефть - уникальная система, поэтому принята классификация нефти, в зависимости от состава. Чем выше содержание легких углеводородов и меньше содержание механических примесей, серы и других побочных элементов, тем выше ценность конкретного вида «черного золота».

Полезное ископаемое, представляющее из себя маслянистую жидкость. Это горючее вещество, часто черного цвета, хотя цвета нефти в разных районах различаются. Она может быть и коричневой, и вишневой, зеленой, желтой, и даже прозрачной. С химической точки зрения нефть - это сложная смесь углеводородов с примесью различных соединений, например, серы, азота и других. Ее запах также может быть различным, так как зависит от присутствия в ее составе ароматических углеводородов, сернистых соединений.

Углеводороды , из которых состоит нефть, - это химические соединения состоящие из атомов углерода (C) и водорода (H). В общем виде формула углеводорода - C x H y . Простейший углеводород, метан, имеет один атом углерода и четыре атома водорода, его формула - CH 4 (схематично он изображен справа). Метан - легкий углеводород, всегда присутствует в нефти.

В зависимости от количественного соотношения различных углеводородов, составляющих нефть, ее свойства также различаются. Нефть бывает прозрачной и текучей как вода. А бывает черной и настолько вязкой и малоподвижной, что не вытекает из сосуда, даже если его перевернуть.

С химической точки зрения обычная (традиционная) нефть состоит из следующих элементов:

• Углерод – 84%
• Водород – 14%
• Сера – 1-3% (в виде сульфидов, дисульфидов, сероводорода и серы как таковой)
• Азот – менее 1%
• Кислород – менее 1%
• Металлы – менее 1% (железо, никель, ванадий, медь, хром, кобальт, молибден и др.)
• Соли – менее 1% (хлорид кальция, хлорид магния, хлорид натрия и др.)

Нефть (и сопутствующий ей углеводородный газ) залегает на глубинах от нескольких десятков метров до 5-6 километров. При этом на глубинах 6 км и ниже встречается только газ, а на глубинах 1 км и выше - только нефть. Большинство продуктивных пластов находятся на глубине между 1 и 6 км, где нефть и газ встречаются в различных сочетаниях.

Залегает нефть в горных породах называемых коллекторами. Пласт-коллектор - это горная порода способная вмещать в себе флюиды, т.е. подвижные вещества (это могут быть нефть, газ, вода). Упрощенно коллектор можно представить как очень твердую и плотную губку, в порах которой и содержится нефть.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ НЕФТИ

Образование нефти – процесс весьма и весьма длительный. Он проходит в несколько стадий и занимает по некоторым оценкам 50-350 млн. лет.

Наиболее доказанной и общепризнанной на сегодняшний день является теория органического происхождения нефти или, как ее еще называют, биогенная теория. Согласно этой теории нефть образовалась из останков микроорганизмов, живших миллионы лет назад в обширных водных бассейнах (преимущественно на мелководье). Отмирая, эти микроорганизмы образовывали на дне слои с высоким содержанием органического вещества. Слои, постепенно погружаясь все глубже и глубже (напомню, процесс занимает миллионы лет), испытывали воздействие усиливающегося давления верхних слоев и повышения температуры. В результате биохимических процессов, происходящих без доступа кислорода, органическое вещество преобразовывалось в углеводороды.

Часть образовавшихся углеводородов находилась в газообразном состоянии (самые легкие), часть в жидком (более тяжелые) и какая-то часть в твердом. Соответственно подвижная смесь углеводородов в газообразном и жидком состоянии под воздействием давления постепенно двигалась сквозь проницаемые горные породы в сторону меньшего давления (как правило, вверх). Движение продолжалось до тех пор, пока на их пути не встретилась толща непроницаемых пластов и дальнейшее движение оказалось невозможным. Это так называемая ловушка , образуемая пластом-коллектором и покрывающим ее непроницаемым пластом-покрышкой (рисунок справа). В этой ловушке смесь углеводородов постепенно скапливалась, образовывая то, что мы называем месторождением нефти . Как видите, месторождение на самом деле не является местом рождения . Это скорее местоскопление . Но, как бы там ни было, практика названий уже сложилась.

Поскольку плотность нефти, как правило, значительно меньше плотности воды, которая в ней всегда присутствует (свидетельство ее морского происхождения), нефть неизменно перемещается вверх и скапливается выше воды. Если присутствует газ, он будет на самом верху, выше нефти.

В некоторых районах нефть и углеводородный газ, не встретив на своем пути ловушку, выходили на поверхность земли. Здесь они подвергались воздействию различных поверхностных факторов, в результате чего рассеивались и разрушались.

ИСТОРИЯ НЕФТИ

Нефть известна человеку с древнейших времен. Люди уже давно обратили внимание на черную жидкость, сочившуюся из-под земли. Есть данные, что уже 6500 лет назад люди, жившие на территории современного Ирака, добавляли нефть в строительный и цементирующий материал при строительстве домов, чтобы защитить свои жилища от проникновения влаги. Древние египтяне собирали нефть с поверхности воды и использовали ее в строительстве и для освещения. Нефть также использовалась для герметизации лодок и как составная часть мумифицирующего вещества.

Во времена древнего Вавилона на Ближнем Востоке велась довольно интенсивная торговля этим «черным золотом». Некоторые города уже тогда буквально вырастали на торговле нефтью. Одно из семи чудес света, знаменитые Висячие сады Серамиды (по другой версии - Висячие сады Вавилона ), также не обошлись без использования нефти в качестве герметизирующего материала.

Не везде нефть собирали только с поверхности. В Китае более 2000 лет назад при помощи стволов бамбука с металлическим наконечником бурили небольшие скважины. Изначально скважины предназначались для добычи соленой воды, из которой извлекалась соль. Но при бурении на бОльшую глубину из скважин добывали нефть и газ. Неизвестно нашла ли нефть применение в древнем Китае, известно только, что газ поджигали для выпаривания воды и извлечения соли.

Примерно 750 лет назад известный путешественник Марко Поло в описании своих путешествий на Восток упоминает использование нефти жителями Апшеронского полуострова в качестве лекарства от кожных болезней и топлива для освещения.

Первые упоминания о нефти на территории России относятся к XV веку. Нефть собирали с поверхности воды на реке Ухта. Также как и другие народы, здесь ее использовали в качестве лекарственного средства и для хозяйственных нужд.

Хотя, как мы видим, нефть была известна с древнейших времен, она находила довольно ограниченное применение. Современная история нефти начинается с 1853 года, когда польский химик Игнатий Лукасевич изобрел безопасную и удобную в обращении керосиновую лампу. Он же по данным некоторых источников открыл способ извлекать из нефти керосин в промышленных масштабах и основал в 1856 году нефтеперегонный завод в окрестностях польского города Ulaszowice.

Еще в 1846 году канадский химик Абрахам Геснер придумал, как получать керосин из угля. Но нефть позволяла получать более дешевый керосин и в гораздо большем количестве. Растущий спрос на керосин, использовавшийся для освещения, породил спрос на исходный материал. Так было положено начало нефтедобывающей промышленности.

По данным некоторых источников первая в мире нефтяная скважина была пробурена в 1847 году в районе города Баку на берегу Каспийского моря. Вскоре после этого в Баку, входящем в то время в состав Российской империи, было пробурено столько нефтяных скважин, что его стали называть Черный город.

Тем не менее, рождением российской нефтяной промышленности принято считать 1864 год. Осенью 1864 года в Кубанской области был осуществлен переход от ручного способа бурения нефтяных скважин к механическому ударно-штанговому с использованием паровой машины в качестве привода бурового станка. Переход к этому способу бурения нефтяных скважин подтвердил свою высокую эффективность 3 февраля 1866 года, когда было закончено бурение скважины 1 на Кудакинском промысле и из нее забил фонтан нефти. Это был первый в России и на Кавказе фонтан нефти.

Датой начала промышленной мировой нефтедобычи , по данным большинства источников, принято считать 27 августа 1859 года. Это день, когда из пробуренной «полковником» Эдвином Дрейком первой в США нефтяной скважины был получен приток нефти с зафиксированным дебитом. Эта скважина глубиной 21,2 метра была пробурена Дрейком в городе Тайтусвиль, штат Пенсильвания, где бурение водяных скважин часто сопровождалось проявлениями нефти.

Новость об открытии нового источника нефти с помощью бурения скважины разнеслась по округе Тайтусвиля со скоростью лесного пожара. К тому времени переработка, опыт обращения с керосином и подходящий тип лампы для освещения уже были отработаны. Бурение нефтяной скважины позволило получить достаточно дешевый доступ к необходимому сырью, дополнив, таким образом, последний элемент в зарождение нефтяной отрасли.

Химический состав нефти довольно сложен и зависит от ряда факторов, таких как: условия образования и происхождение залежей, их географическое месторасположение, глубина залегания и др. В среднем в состав нефти входит около 1000 индивидуальных соединений.

Основными соединениями нефти (до 90%) являются углеводороды с молекулярной массой 220 - 400 г/моль (иногда до 500 г/моль), большинство из которых имеет жидкое агрегатное состояние. Попутный нефтяной газ (ПНГ), растворенный в нефти, также в основном состоит из низших предельных углеводородов - главным образом, из пропана и изомеров бутана.

Кроме углеводородов, в состав нефти входят гетероатомные соединения , содержащие в своей структуре как органическую составляющую, так и неорганические элементы, в том числе металлы. Так, например, специфический запах и цвет в основном обусловлены присутствием азот-, серо- и кислородсодержащих соединений, в то время как большинство углеводородов в химическом составе нефти, за исключением ароматических, в чистом виде лишены запаха и цвета.

В химический состав нефти входит ряд неорганических веществ . В первую очередь это вода , содержание которой иногда доходит до 10%, а также некоторое количество растворенных в ней минеральных солей .

В таблице ниже приведен стандартный химический состав нефти:

Углеводороды

Углеводороды в нефти представляют три основные класса:

• Алканы (насыщенные углеводороды, или парафины)
• Циклоалканы (по-другому - нафтены)
• Ароматические углеводороды (арены).

Гетероатомные органические соединения

Гетероатомные органические соединения нефти представлены следующими группами:

• Сернистые соединения
• Кислородные соединения
• Азотосодержащие соединения
• Смолисто-асфальтеновые вещества
• Другие элементорганические соединения

Минеральные соли

Сырая нефть может содержать до 15 кг/т минеральных солей . Как правило, основные минеральные соли - это хлориды, гидрокарбонаты, йодиды, бромиды, преимущественно, щелочных и щелочноземельных металлов.В результате гидролиза таких солей образуется HCl, которая в свою очередь вызывает коррозию аппаратуры. Поэтому при поставке сырой нефти на нефтеперерабатывающее предприятие, вводят ограничение на содержание солей до 50 мг/л, а на перегонку - не более 5 мг/л.

Вода и механические примеси

В процессе добычи нефти, на поверхность также поступает пластовая (или "нефтяная") вода. В среднем сырая нефть содержит около 200 - 300 кг/т воды. При этом ее содержание с момента начала добычи постепенно увеличивается, порой достигая к концу эксплуатации скважины 90-98%.

Вода в нефти содержится как в чистом виде, так и в форме эмульсий, поэтому ее отделение проводят в два этапа. Основную массу воды отстаивают в специальных отстойных резервуарах, а для отделения эмульсий нефть обрабатывают специальными деэмульгаторами. Окончательное обезвоживание и обессоливание нефти проводят на специальных установках подготовки нефти (УНП) и электрообезвоживающих, обессоливающих установках (ЭЛОУ). Последние как правило сопряжены с блоком первичной перегонки нефти - атмосферно-вакуумной трубчаткой (ЭЛОУ - АВТ).

Механические примеси нефти представляют собой взвешенные частицы песка, известняка и глины.

Попутный нефтяной газ

Попутный нефтяной газ (ПНГ) - смесь газообразных низших предельных углеводородов, растворенных в нефти, которые в свою очередь могут растворять предельные углеводороды с большим числом атомов углерода, а также бензол и толуол. Кроме этого ПНГ может содержать углекислый газ, азот и сероводород. Содержание ПНГ в нефти может достигать 100 м 3 /т.

В процессе добычи, сырую нефть подают в специальные трапы-сепараторы, где ПНГ отделяют путем последовательного снижения давления. Увлеченный вместе с газом конденсат отделяют в промежуточных приемниках. Далее ПНГ отправляют на газоперерабатывающий завод. После таких процедур в нефти, тем не менее, остается около 4% растворенных газов, которые высвобождаются в процессе перегонки.