Фракційний, груповий і елементарний склад нафти і продуктів її переробки - студопедія
Нафта являє собою в'язку, маслянисту рідину з характерним запахом. Колір її залежить від розчинених в ній смол: темно-бура, буро-зелена, а іноді світла, майже безбарвна. На світлі нафту злегка флуоресціює. Вона легше води і завжди утворює на водній поверхні розтікаються (до мономолекулярного шару) плями. Щільність нафти залежить від родовищ і коливається від 770 до 880 кг / м 3.
Кінематична в'язкість більшості нафт рідко перевищує 40-60 мм 2 / с при 20 ° С. У воді нафту не розчиняється, а при інтенсивному перемішуванні утворює стійкі, повільно розшаровуються емульсії. Так як нафта являє складну суміш індивідуальних вуглеводнів, то вона не має певних фізичних констант, таких, як температура кипіння, температура застигання і ін.
При розгляді фізичних і хімічних властивостей нафти розрізняють три види її складів: фракційний, груповий хімічний і елементний.
Фракційний склад нафти. При атмосферному тиску і підвищенні температури з нафти випаровуються послідовно різні індивідуальні вуглеводні. Залежно від температурного інтервалу, в якому википають нафтопродукти, вони згруповані в різні фракції. Отже, фракцією називається група вуглеводнів, що википає в певному інтервалі температур.
Нижче наведені інтервали температури (° С), в яких википають загальноприйняті фракції нафти.
Толіва для реактивних двигунів .......... ... 120 - 315
Після відгону цих фракцій залишається в'язка чорна рідина, звана мазутом (від арабського слова макзулат. Що означає «покидьок»). Довгий час, до кінця XIX ст. мазут в промисловості не застосовували, він був відходом нафтопереробки. Це пояснювалося тим, що подальша його переробка була пов'язана з великими труднощами, так як температура перегонки мазутних фракцій при атмосферному тиску вище, ніж температура їх термічної деструкції, т. Е. Розриву молекул на частини під дією температури. Розділити мазут на фракції вдалося тільки при зниженому тиску (4-6 кПа). Цей процес, званий вакуумним, дозволив отримати з мазуту соляровим фракції і дистилятів мастила (легкі, середні і важкі), в тому числі і базові масла для двигунів внутрішнього згоряння.
Після відгону з мазуту масляних фракцій залишається гудрон або напівгудрон, які використовують для отримання залишкових масел і бітуму.
Хімічні групи (гомологічні ряди) вуглеводнів характеризуються перш за все кількісним співвідношенням атомів вуглецю і водню. Це співвідношення виражається загальною формулою групи.
Розглянемо основні; групи вуглеводнів, що містяться в нафті і продуктах її переробки.
Алкани (парафінові вуглеводні) є насиченими вуглеводнями (в них відсутні подвійні зв'язку). Загальна хімічна формула алканів Сn Н2N + 2 (де n - число атомів вуглецю).
За своєю структурою алкани бувають нормальні і ізоалкани.
Структура нормальних алканів є неразветвленную ланцюжок атомів вуглецю, вільні валентності якого зайняті воднем.
Якщо ланцюжок атомів вуглецю має одне або кілька розгалужень, структура називається ізомерної, а мають таку структуру алкани називають ізоалканамі. Загальна формула при цьому зберігається (Сn Н2N + 2).
Ізомерна структура алканів істотно впливає на їх фізичні та хімічні властивості. Температура кипіння рідких і температура плавлення твердих ізоалканов, як правило, нижче, ніж у нормальних алканів. Нормальні алкани при низьких і помірних температурах зазвичай дуже інертні, в тому числі і по відношенню до кисню. Це сприяє, наприклад, високу хімічну стабільність бензинів, що містять нормальні алкани. Ізоалкани при помірних температурах володіють меншою стабільністю.
З підвищенням температури стабільність нормальних і ізоалканов поступово знижується, причому зниження стабільності у нормальних алканів відбувається спочатку приблизно таким же темпом як і у ізоалканов, але при температурі 250-300 ° С швидкість взаємодії з окислювачем у нормальних алканів різко збільшується і стає значно вище, ніж у ізоалканов з тієї ж молекулярної масою. Залежно від числа атомів вуглецю алкани мають газоподібне, рідке або тверде агрегатний стан. Алкани, у яких число атомів вуглецю n = 1. 4, при нормальних умовах є газами (метан, етан, пропан, бутан). При n = 5. 15 це - рідини, і після n = 16 (гексадекан) нормальні алкани - тверді речовини (що знаходяться в нафти і продуктах її переробки в розчиненому стані).
Циклани (нафтенові вуглеводні) також є насиченими вуглеводнями.
Циклани можуть складатися з моноциклических структур зазвичай п'яти або шести членів (тобто груп СН2), а також бициклических, рідше з'єднань з трьох кілець. Для поліциклічних сполук загальні формули мають вигляд Сn Н2N-2; Сn Н2N-4 і Сn Н2N-6 в залежності від кількості циклів (тобто кілець). Циклани, що складаються з трьох або чотирьох кілець, в нафтах не виявлені.
За хімічними властивостями і особливо по окислювальному стабільності циклани при нормальних температурах практично так само стабільні, як і нормальні алкани, а при високих температурах (400 ° С і вище) наближаються за стійкістю до ізоалканам, т. Е. Мають більшу хімічну стабільність, ніж нормальні алкани.
Деякі моноціклани і поліціклани мають гібридну структуру, в якій до кілець приєднані ланцюжка алканових структур.
У продуктах переробки нафти, особливо в бензинах термічного крекінгу, міститься значна кількість ненасичених вуглеводнів - алкенов і алкадеінов (олефінів і деолефінов).
Алкени, так само як і алкани, мають нормальні і ізомерні структури, Причому ізоалкени різноманітніші, ніж ізоалкани, так як змінюють свої властивості в залежності не тільки від розташування і кількості бічних ланцюгів, але і від місця подвійного зв'язку.
Алкадеіни мають дві подвійні зв'язку, і це викликає ще більшу їх нестабільність і реакційну здатність, ніж у алкенів. Їх загальна формула Сn Н2N-2.
Присутність в нафтопродуктах алкадиенов надає їм ряд негативних якостей, в тому числі схильність до смолообразованія.
Алкени і алкадеіни - ненасичені вуглеводні, і їх присутність в паливах вкрай небажано, тому що скорочує термін можливого їх зберігання. У нафтах вони практично не містяться.
Найпростішим вуглеводнем ароматичного ряду (ареною) є бензол С6 Н6. Він має шестізвенную кільцеву структуру з трьома чергуються подвійними і одинарними зв'язками.
Для моноциклических аренов загальна формула має вигляд Сn Н2N-6.
Структура більш складних поліциклічних аренів (наприклад, нафталіну) має в своїй основі з'єднання двох або декількох бензолових шестізвенних кілець.
Подвійні зв'язку аренов стійкі і не розриваються навіть при впливі азотної та сірчаної кислот, коли відбувається реакція заміщення одного з атомів водню (а не реакція приєднання). Розриву подвійних зв'язків у аренов можна домогтися тільки при високій температурі і в присутності каталізаторів.
Вуглець і водень входять до складу нафти у вигляді різних сполук вуглеводнів; кисень і азот знаходяться зазвичай у зв'язаному вигляді (нафтенові кислоти, смоли, феноли, аміни і ін.). Сірка може бути як у зв'язаному, так і у вільному стані.
Домішки, що містяться в нафтах, впливають на якість одержуваних з неї палив і мастильних матеріалів. Сучасні методи переробки нафти дозволяють повністю звільнити її від домішок і, в першу чергу, від особливо шкідливих, таких, як сірка та її сполуки, нафтові смоли і ряд інших. Однак слід враховувати, що очищення нафти або отриманих з неї продуктів пов'язана зі значними витратами енергії, реактивів, часу і робочої сили, а деякі способи очищення - і з втратою певної кількості цінних продуктів і забрудненням навколишнього середовища.