Дослідження Нафти

1. Властивості  нафти

1.1 Походження

Висунуто багато теорій, що пояснюють походження нафту, з них основні — органічна (біогенна) і неорганічна (абіогенної). Більшість вчених в СРСР і за кордоном є прихильниками концепції біогенного освіти нафти. Ще М. В. Ломоносов ("Про шарах земних", 1763) висловив ідею про дистиляційному походження нафти під дією теплоти з орг. речовини, яка дає початок і кам'яним вугіллям. Теорію утворення нафту з сапропелю (органічні мули) вперше запропонував Г. Потонье (1904-05). Найбільший внесок у розвиток органічної теорії належить І. М. Губкіна ("Вчення про нафту", 1932).

Згідно органічної теорії, нафта— рідка гідрофобна фаза продуктів фосилізації (поховання) орг. речовини (керогена) у водно-осадових відкладах. Нафтоутворення являє собою багатостадійний, вельми тривалий процес, що починається ще в живу речовину. Обов'язкове його вимога— існування великих областей занурення земної кори (осадових басейнів), в ході розвитку яких породи, що містять орг. речовина, могли досягти зони зі сприятливими термобаричними умовами для утворення нафти. Основна вихідна речовина нафти — планктон, який би найбільшу біопродукцію у водоймах і накопичення в опадах орг. речовини сапропелевого типу, що характеризується високим вмістом водню. Генерує нафту також гумусова речовину, що утворюється головним чином з рослинних залишків. До неорганічних теорій походження нафти відносяться мінеральна, або карбідна (Д.І.Мендєлєєв, 1877), космічна (В. Д. Соколов, 1889), вулканічна (Ю. Кост, 1905). Загальне для цих та менш поширених неорганічних теорій — синтез вуглеводнів шляхом взаємодії карбідів металів з водою і кислотами (ідея Менделєєва), а також за схемою Фішера-Тропша з водню і оксидів вуглецю.

 

1.2 Фізичні властивості

Нафта —рідина від світло-коричневого (майже безбарвного) до темно-бурого (майже чорного) кольору. Середня молярна маса 220-300 (рідко 450-470). Щільність 0,65-1,05 (зазвичай 0,82-0,95) г / см3; нафту, щільність якої нижче 0,83, наз. легкою, 0,831-0,860-середньої, вище 0,860-важкою. нафту містить велику кількість різних орг. речовин і тому характеризується не температурою кипіння, а температурою початку кипіння рідких вуглеводнів (звичайно> 28 ° С, рідше> = 100 ° С у разі тяжких нафт) і фракційним складом—виходом окремих фракцій, переганяли спочатку при атмосферному тиску, а потім під вакуумом в певних температурних межах, як правило до 450-500 ° С (википає ~ 80% обсягу проби), рідше 560-580 ° С (90-95%). Температура застигання від - 60 до + 30 ° С; залежить переважно від вмісту в нафті парафіну і легких фракцій (чим їх більше, тим ця температура нижче). В'язкість змінюється в широких межах; визначається фракційним складом нафти та її температурою, а також вмістом смолисто-асфальтенових речовин (чим їх більше, тим в'язкість вище). Питома теплоємність 1,7-2,1 кДж / (кг.К); питома теплота згоряння (нижча) 43,7-46,2 МДж / кг; діелектрична проникність 2,0-2,5; електрична провідність 2 10-10-0,3 х 10-18 Ом-1.см-1. Нафта - легкозаймиста рідина; температура спалаху від -35 до + 120 ° С (залежить від фракційного складу і вмісту в нафту розчинених газів). Нафта розчинна в органічних розчинниках, у звичайних умовах не розчинна у воді, але може утворювати з нею стійкі емульсії .

 

 

 

 

 

1.3 Хімічний склад

Нафта являє собою суміш близько 1000 індивідуальних речовин, з яких більша частина - рідкі вуглеводні (> 500 або звичайно 80-90% по масі) і гетероатомних органічні сполуки (4-5%), переважно. сірчисті (близько 250), азотисті (> 30) і кисневі (близько 85), а також металоорганічні з'єднання (в основному ваннадієві і нікелеві); інші компоненти —розчинені вуглеводневі гази (С1-С4, від десятих часток до 4%), вода (від слідів до 10%), мінер. солі (гол. обр. хлориди. 0,1-4000 мг / л і більше), розчини солей органічних кислот та інших, механічні домішки (частинки глини, піску, вапняку).

Вуглеводневий склад: в основному парафінові (звичайно 30-35, рідше 40-50% за об'ємом) і нафтенові (25-75%), меншою мірою—з'єднання ароматичного ряду (10-20, рідше 35%) і змішаного, або гібридного , будови (наприклад, парафінонафтенові, нафтеноароматичні). Гетероатомні компоненти: сірковмісні-Н2S, меркаптани. моно- і дисульфіди, тіофен і тіофани, а також поліциклічні і т.д. (70-90% концентрується в залишкових продуктах - мазуті і гудроні); азотовмісні— переважно гомологи піридину. хіноліну. індолу. карбазолу. пиролу. а також порфірини (б.ч. концентрується у важких фракціях і залишках); кислотовмісні— нафтенові кислоти, феноли. смолисто-асфальтенові речовини та ін. (зосереджені звичайно в висококиплячих фракціях). Елементний склад (%): С—82-87, H—11-14,5, S—0,01-6 (рідко до 8), N—0,001-1,8, О—0,005-0,35 (рідко до 1,2) та ін. Всього в нафти виявлено більше 50 елементів. Так, поряд із згаданими в нафті присутні V (10,5-10,2%), Ni (10,4-10,3%), Cl (від слідів до 2 х 10,2%) і т.д. Зміст зазначених сполук і домішок у сировині різних родовищ коливається в широких межах, тому говорити про середній хімічний склад нафти можна тільки умовно.

 

 

 

1.4 Методи досліджень

Для оцінки якості нафти з метою правильного вибору найбільш раціональної схеми її переробки застосовують комплекс методів (фізичні, хімічні, фізико-хімічні та спеціальні), що реалізуються за різними програмами. В СРСР прийнята (1980) так звана Єдина програма досліджень, що передбачає послідовне визначення загальних характеристик сирої нафти, її фракційного і хімічного складу, а також товарних властивостей окремих фракцій.

До загальних характеристик нафти, визначеним за стандартними методиками, відносять щільність, в'язкість, температуру застигання та інші фіз.-хім. показники, склад розчинених газів і кількостей., зміст смол, смолисто-асфальтенових речовин і твердих парафінів (табл. 2 і 3).

Основний принцип подальшого дослідження нафти зводиться до комбінування методів її поділу на компоненти з поступовим спрощенням складу окремих фракцій, які потім аналізують різноманітними фізико-хімічними методами. Найбільш поширені методи визначення первинного фракційного складу нафти —різні види дистиляції (перегонки) та ректифікації. За результатами відбору вузьких (википають в межах 10-20 ° С) і широких (50-100 ° С) фракцій будують т. зв. криві істинних температур кипіння (ІТК) нафта, встановлюють потенц. вміст у них окремих фракцій, нафтопродуктів або їх компонентів (бензинових, керосіногазойлевих, дизельних, масляних дистилятів, а також мазутів і гудронів), вуглеводневий склад, ін. фіз.-хім. і товарні характеристики. Дистиляцію проводять (до 450 ° С і вище) на стандартних перегінних апаратах, забезпечених ректифікаційними колонками (погонороздільна здатність відповідає 20-22 теоретичним тарілкам). Відбір фракцій, википають до 200 ° С, здійснюється при атм. тиску, до 320 ° С — при 1,33 кПа, вище 320 ° С —при 0,133 кПа. Залишок переганяють в колбі з циліндровим кубом при тиску близько 0,03 кПа, що дозволяє відбирати фракції, що википають до 540-580 ° С.

Виділені в результаті дистиляції фракції піддають подальшому поділу на компоненти, після чого різними методами встановлюють їх зміст і визначають властивості. У відповідності зі способами вираження складу нафти та її фракцій розрізняють груповий, структурно-груповий, індивідуальний і елементний аналіз. При груповому аналізі визначають окремо зміст парафінових, нафтенових, ароматичних і змішаних вуглеводнів (табл. 4-6). При структурно-груповому аналізі вуглеводневий склад нафтових фракції висловлюють у вигляді середнього відносного вмісту в них ароматичних, нафтенових та інших циклічних структур, а також парафінових ланцюгів і інших структурних елементів; крім того, розраховують відносить. кількість вуглецю в парафінах, нафтенах і аренах. Індивідуальний вуглеводневий склад повністю визначається тільки для газових і бензинових фракцій. При елементному аналізі складу нафту або її фракцій висловлюють кількостями (у%) С, Н, S, N, О, а також мікроелементів.

 

1.5 Вплив  групового вуглеводневого складу  нафтопродуктів на їх властивості

Переважання окремих груп вуглеводнів в різних фракціях нафти неоднаково позначається на їх товарних властивостях. Так, бензинові фракції, що містять значні кількості ізопарафінових і ароматичних вуглеводнів, володіють високим, а при підвищеній кількості парафінів нормальної будови — низьким октановим числом. Останнє збільшується для ізопарафінів зі зростанням розгалуженості ланцюга при одному і тому ж числі атомів вуглецю. Дизельні палива, в яких переважають нормальні парафінові вуглеводні, відрізняються легкоюзаймистістю (характеризованою цетановим числом), що погіршується зі збільшенням в них числа бічних ланцюгів. При однаковій розгалуженості моноциклічні нафтени мають, як правило, більш високі цетанові числа, ніж ароматичні вуглеводні; зі зростанням змісту циклів в молекулах цетанове число знижується. Найбільш важко запалюються ароматичні багатоциклічні вуглеводні. Проте присутність значних кількостей н-парафінів різко погіршує низькотемпературні властивості дизельних і реактивних палив. В останніх бажано наявність нафтенів, що володіють високою щільністю і низькою температурою початку кристалізації. Вміст у реактивних і дизельних паливах ароматичних вуглеводнів необхідно обмежувати, так як вони погіршують фотометричні властивості і збільшують нагароутворення в порівнянні з іншими групами вуглеводнів, особливо парафіновими.

Високими індексами в'язкості володіють базові масляні фракції, до складу яких входять переважно. нафтени з невеликим вмістом циклів в молекулах і довгими малоразветвленнимі парафіновими ланцюгами. Нафтенові і ароматичні вуглеводні з відносно високим вмістом циклів мають більш високі щільність і в'язкість (значно зростаючу при зниженні температури), ніж циклічні вуглеводні, які киплять в тих же температурних межах, але з малим числом циклів.

 

1.6 Застосування

Нафта займає провідне місце у світовому паливно-енергетичному балансі: частка її в загальному споживанні енергоресурсів становить 48% (1985). Однак у перспективі ця частка буде зменшуватися внаслідок зростання застосування атомної та інших видів енергії.

У зв'язку з швидким розвитком у світі хімічної та нафтохімічної промисловості потреба в нафту збільшується не тільки з метою підвищення вироблення палив і олив, але і як джерела цінної сировини для виробництва синтетичних каучуків і волокон, пластмас, ПАР, миючих засобів, пластифікаторів, присадок , барвників та ін. (більше 8% від обсягу світового видобутку). Серед одержуваних з нафту вихідних речовин для цих виробництв найбільше застосування знайшли: парафінові вуглеводні —метан, етан, пропан, бутан, пентан, гексани, а також високомолекулярні (10-20 атомів вуглецю в молекулі); нафтенові — циклогексан; ароматичні вуглеводні —бензол, толуол, ксилоли, етилбензол; олефінових і діолефінові —етилен, пропілен, бутадієн; ацетилен.

 

2. Склад нафти  і класифікація

Нафта належить до групи гірських осадових порід разом з пісками, глинами, вапняками, кам'яною сіллю та ін. Вона володіє однією важливою властивістю - здатністю горіти і виділяти теплову енергію. Серед інших горючих копалин вона має найвищу теплотворну здатність. Наприклад, для підігріву котельні або інший установки потрібно нафти значно менше за вагою, ніж кам'яного вугілля.

Усі горючі породи належать до особливого сімейства, який отримав назву каустобіолітів (від грецьких слів "каустос" - горючий, "біос" - життя, "Літос" - камінь, тобто горючий органічний камінь).

У хімічному відношенні нафта— складна суміш вуглеводнів і вуглецевих сполук. Вона складається з наступних основних елементів: вуглець (84-87%), водень (12-14%), кисень, азот, сірка (1-2%). Вміст сірки може доходити до 3-5% . У нафтах виділяють наступні частини: вуглеводневу, асфальто-смолисту, порфірини, сірку і зольную. У кожної нафти є розчинений газ, який виділяється, коли вона виходить на земну поверхню.

Головну частину нафт складають вуглеводні різні за своїм складом, будовою і властивостями, які можуть перебувати в газоподібному, рідкому і твердому стані. Залежно від будови молекул вони поділяються на три класи — парафінові, нафтенові і ароматичні. Але значну частину нафти становлять вуглеводні змішаної будови, що містять структурні елементи всіх трьох згаданих класів. Будова молекул визначає їх хімічні та фізичні властивості.

Парафінові вуглеводні, або як їх ще називають, метанові вуглеводні (алканових, або алкани). Сюди відносять метан СН4, етан С2Н6, структурна будова яких показано на рис.2.1, пропан С3Н8, бутан і ізобутан, що мають формулу С4Н10.

Для вуглецю характерна здатність утворювати ланцюжки, в яких його атоми з'єднані послідовно один з одним. Рештою зв'язками до вуглецю приєднані атоми водню. Кількість атомів вуглецю в молекулах парафінових вуглеводнів перевищує кількість атомів водню в 2 рази, з деяким постійним у всіх молекулах надлишком, рівним 2. Інакше кажучи, загальна формула вуглеводнів цього класу СnН2n + 2. Парафінові вуглеводні хімічно найбільш стійкі і відносяться до граничних вуглеводнів.

Залежно від кількості атомів вуглецю в молекулі вуглеводні можуть приймати одне з трьох агрегатних станів. Наприклад, якщо в молекулі від одного до чотирьох атомів вуглецю (СН4 - С4Н10), то вуглеводні являють собою газ, від 5 до 16 (С5Н16 - С16Н34) - це рідкі вуглеводні, а якщо більше 16 (С17Н36 і т.д.) —тверді.

 Таким чином, парафінові  вуглеводні в нафти можуть  бути представлені газами, рідинами і твердими кристалічними речовинами. Вони по-різному впливають на властивості нафти: гази знижують в'язкість і підвищують пружність парів; рідкі парафіни добре розчиняються в нафті тільки при підвищених температурах, утворюючи гомогенний розчин; тверді парафіни також добре розчиняються в нафті утворюючи справжні молекулярні розчини. Парафінові вуглеводні (за винятком церезинів) легко кристалізуються у вигляді пластинок і пластинчастих стрічок.

Нафтенові (цікланові, або аліциклічні) вуглеводні мають циклічну будову (С / СnН2n), а саме складаються з кількох груп - СН2-, з'єднаних між собою в кільчасту систему. У нафти містяться переважно нафтени, що складаються з п'яти або шести груп СН2:

 Циклопентан      Циклогексан

 

Всі зв'язки вуглецю і водню тут насичені, тому нафтенові нафти мають стійкими властивостями. У порівнянні з парафінами, нафтени мають більш високу щільність і меншу пружність парів і мають кращу розчинну здатність.

Ароматичні вуглеводні (арени) представлені формулою СnНn, найбільш бідні воднем. Молекула має вигляд кільця з ненасиченими зв'язками вуглецю. Найпростішим представником даного класу вуглеводнів є бензол С6Н6, що складається з шести груп СН:

Для ароматичних вуглеводнів характерні велика розчинність, більш висока щільність і температура кипіння.

Асфальто-смолиста частина нафт є речовина темного забарвлення, яке частково розчиняється в бензині. Розчинена частина - асфальтени. Вони мають здатність набухати в розчинниках, а потім переходити в розчин. Розчинність асфальтенів в смолисто-вуглецевих системах зростає зі зменшенням концентрації легких вуглеводнів і збільшенням концентрації ароматичних вуглеводнів. Смола не розчиняється у бензині і є полярними речовинами з відносною молекулярною масою 500-1200. У них містяться основна кількість кисневих, сірчистих і азотистих сполук нафти. Асфальтосмолисті речовини та інші полярні компоненти є поверхнево-активними сполуками нафти і природними стабілізаторами водонафтових емульсій.