Нафта

Зміст 

1 Фізичні властивості нафти

2  Хімічні елементи і сполуки в нафті

3 Хімічні елементи і сполуки в нафті

4 Окремі складові

5 Класифікація груп сполук і їх характеристика

6 Загальна характеристика

7 Окремі складові

8 Класифікація груп сполук і їх характеристика

9 Література

               

   Що ж таке нафта? Теплотехнік відповість, що це прекрасне, висококалорійне паливо. Але хімік заперечить: ні! Нафта – це складна суміш рідких вуглеводнів, у яких розчинені газоподібні й інші речовини. І щоб перелічити всі продукти, одержувані з нафти, потрібно витратити кілька аркушів, тому що їх уже кілька тисяч.

Ще Д.І. Менделєєв помітив,0 що розпалювати  вогнище нафтою все рівно, що топити її грошима.

Нафта (від перс. neft) - пальна масляниста рідина зі специфічним запахом, розповсюджена в осадовій оболонці Землі і яка є найважливішою корисною копалиною.

 

                            Фізичні властивості нафти

Найголовнішою властивістю нафти, які принесли їй світову славу виняткових енергоносіїв, є її здатність виділяти при згорянні значну кількість тепла. Нафта і її похідні володіють найвищою серед усіх видів палив теплотою згоряння. Теплота згоряння нафти – 41 МДж/кг, бензину – 42 МДж/кг. Важливим показником для нафти є температура кипіння, що залежить від будови вхідних до складу нафти вуглеводнів і коливається від 50 до 550°С.

Нафта, як і будь-яка рідина, при визначеній температурі закипає і переходить у газоподібний стан. Різні компоненти нафти переходять у газоподібний стан при різній температурі. Так, температура кипіння метану –161,5°С, етану –88°С, бутану 0,5°С, пентану 36,1°С. Легені нафти киплять при 50–100°С, важкі – при температурі більш 100°С.

Розходження температур кипіння вуглеводнів  використовується для поділу нафти  на температурні фракції. При нагріванні нафти до 180–200°С википають вуглеводні бензинові фракції, при 200–250°С – лігроїнові, при 250–315°С – керосиново-газойлеві і при 315–350°С – масляній. Залишок представлений гудроном. До складу бензинової і лигроиновой фракцій входять вуглеводні, що містять 6–10 атомів вуглецю. Гасова фракція складається з вуглеводнів з , газойлева – і т.д.

Важливим є властивість нафти  розчиняти углеводородние гази. У 1 м3 нафті може розчинитися до 400 м3 пальних газів. Велике значення має  з'ясування умов розчинення нафти і  природних газів у воді. Нафтові вуглеводні розчиняються у воді вкрай незначно. Нафти розрізняються по щільності. Щільність нафти, обмірюваної при 20°С, віднесеної до щільності води, обмірюваної при 4°С, називається відносної. Нафти з відносною щільністю 0,85 називаються легенями, з відносною щільністю від 0,85 до 0,90 – середніми, а з відносною щільністю понад 0,90 – важкі. У важких нафтах містяться в основному циклічні вуглеводні. Колір нафти залежить від її щільності: світлі нафти мають меншу щільність, чим темні. А чим більше в нафті смол і асфальтенів, тим вище її щільність. При видобутку нафти важливо знати її в'язкість. Розрізняють динамічну і кінематичну в'язкість. Динамічною в'язкістю називається внутрішній опір окремих часток рідини руху загального потоку. У легкій нафті в'язкість менше, ніж у важкій. При видобутку і подальшому транспортуванні важкі нафти підігрівають. Кінематичною в'язкістю називається відношення динамічної в'язкості до щільності середовища. Велике значення має знання поверхневого натягу нафти. При зіткненні нафти і води між ними виникає поверхня типу пружної мембрани. Капілярні явища використовуються при видобутку нафти. Сили взаємодії води з гірською породою більше, ніж у нафти. Тому вода здатна витиснути нафту з дрібних тріщин у більш великі. Для збільшення нафтовіддачі шарів використовуються спеціальні поверхнево-активні речовини (УПАВШИ). Нафта має неоднакові оптичні властивості. Під дією ультрафіолетових променів нафта здатна світитися. При цьому легені нафти світяться блакитним світлом, важкі – бурим і жовто-бурої. Це використовується при пошуку нафти. Нафта є діелектриком і має високий питомий опір. На цьому засновані електрометричні методи встановлення в розрізі, розкритому свердловиною, нафтоносних шарів.

 

                 Хімічні елементи і сполуки в нафті

Нафта складається головним чином  з вуглецю – 79,5 – 87,5 % і водню  – 11,0 – 14,5 % від маси нафти. Крім них у нафті присутні ще три елементи – сірка, кисень і азот. Їхня загальна кількість переважно складає 0,5 – 8 %. У незначних концентраціях у нафті зустрічаються елементи: ванадій, нікель, залізо, алюміній, мідь, магній, барій, стронцій, марганець, хром, кобальт, молібден, бор, миш'як, калій і ін. Їхній загальний зміст не перевищує 0,02 – 0,03 % від маси нафти. Зазначені елементи утворюють органічні і неорганічні сполуки, з яких складається нафта. Кисень і азот знаходяться в нафті тільки в зв'язаному стані. Сірка може зустрічатися у вільному стані чи входити до складу сірководню.

 

                 Хімічні елементи і сполуки  в нафті

З нафти виділяють різноманітні продукти, що мають велике практичне значення. Спочатку від неї відокремлюють розчинені вуглеводні (переважно метан). Після відгону летучих вуглеводнів нафту нагрівають. Першими переходять у газоподібний стан і відганяються вуглеводні з невеликим числом атомів вуглецю в молекулі, що мають відносно низьку температуру кипіння. З підвищенням температури суміші переганяються вуглеводні з більш високою температурою кипіння. У такий спосіб можна зібрати окремі суміші (фракції) нафти. Найчастіше при такій перегонці одержують три основні фракції, що потім піддаються подальшому поділу. Основні фракції нафти наступні:

Фракція, що збирається від 400 до 2000 С, - газолінова фракція бензинів – містить вуглеводні від З5Н12 до З11Н24. При подальшій перегонці виділеної фракції одержують: газолін (від 400 до 700 С), бензин (від 700 до 1200 С) – авіаційний, автомобільний і т.д.

Лігроїнова фракція, що збирається в межах від 1500 до 2500 С, містить вуглеводні від З8Н18 до З14Н30. Лігроїн застосовується як пальне для тракторів.

Гасова фракція включає вуглеводні від З12Н26 до З18Н38 з температурою кипіння від 1800 до 3000С. гас після очищення використовується як пальне для тракторів, реактивних літаків і ракет.

Газойль (вище 2750 С) – дизельне паливо.

Мазут – залишок від перегонки. Містить вуглеводні з великим числом атомів вуглецю (до багатьох десятків) у молекулі. Мазут також розділяють на фракції:

Солярові олії – дизельне паливо,

Мастила (авіатракторні, авіаційні, індустріальні  й ін.),

Вазелін (основа для косметичних  засобів і лік).

 

З деяких сортів нафти одержують парафін (для виробництва сірників, свіч і ін.). Після відгону залишається гудрон. Його широко застосовують у дорожнім будівництві.        Загальна характеристика Визначення хімічного складу нафт і їхніх фракцій трудомістке, і до кінця нездійсненне на сьогодні завдання. Навіть склад бензинів відомий лише на 80%. Тому зараз використовуються методи аналізу, що дозволяють визначити груповий хімічний чи структурно-груповий склад нафти і її фракцій. Найменш вивчені компоненти висококиплячих фракцій нафти. При складанні матеріального балансу групового складу враховуються тільки три класи вуглеводнів: насичені аліфатичні (алкани), нафтенові (циклани) і ароматичні (арени). Крім того, іноді наводять деталізований груповий склад, що відображає також вміст різних індивідуальних вуглеводнів, що входять до складу кожної з груп.

                                 Окремі складові

Гібридні вуглеводні -сконцентровані переважно у висококиплячих фракціях нафти, що ускладнює визначення їх групового хімічного складу.

Алкани та ізоалкани -є у всіх нафтах у кількостях від 3-5 до 50-60% і більше. Алкани при кімнатній температурі інертні до дії багатьох хімічних реагентів і здатні тільки до реакцій заміщення.

До групи рідких при звичайних температурах алканів входять гомологи метану від пентану (С5Н12) до гексадекану (С16Н34) як нормальної, так і ізоструктури. Багато з них, що киплять від 28 (ізопентан) до 300 °C, входять до складу головної маси нафт, однак максимальна їхня кількість міститься у фракціях, що википають від 200 до 300 °C.

Рідкі алкани входять до складу майже всіх нафт, однак їхній вміст у різних нафтах коливається від 40 до 0%. Розроблено карбамідний метод визначення і виділення нормальних алканів, оснований на здатності карбаміду СО(NH2)2 утворювати при звичайній температурі тверді комплексні сполуки з алканами, тобто клатратні сполуки чи аддукти. Ізоалкани можна також виділити з їхньої суміші з нормальними алканами хлорсульфоновою кислотою, з якою вони взаємодіють при кімнатній температурі.

Рідкі алкани є основним компонентом товарних нафтопродуктів і сировиною для хімічної переробки. Найбільш легкокиплячі рідкі алкани широко застосовують як розчинники. Це насамперед петролейний ефір, що википає при 36-75 °C, а також звичайні бензини і лігроїни, у складі яких є рідкі алкани. У двигунах внутрішнього згоряння найбільш небажаними компонентами бензину є нормальні, високомолекулярні алкани, а найнеобхідніші широкорозгалуженні ізоалкани, що мають низьку здатність до детонації. До твердих алканів відносять як нормальні, так і ізоалкани від гексадекану С16Н34, що має температуру плавлення 18,10С до гептоконтану С70Н142 з температурою плавлення понад 100 °C. Суміші твердих алканів входять до складу нафтових парафінів (технічний, медичний, сірниковий), церезинів, які виділяють з нафти, й озокериту ("земляний віск").

Добре очищений парафін являє собою білу, напівпрозору, аморфну масу з матовим зламом, без запаху і смаку, густиною від 0,865 до 0,94 г/см3. Температура плавлення 23-71 °C, число вуглецевих атомів у молекулах 20-35, молекулярна маса – 300-450. Парафіни складені переважно нормальними алканами і є хімічно стійкими.

Церезини- зовні важко відрізнити від парафінів, але вони мають температуру плавлення 65-88 °C, складені переважно ізопарафінами з числом вуглецевих атомів 36-55 і мають молекулярну масу 500-750. Їх виділяють з важких залишків вакуумної перегонки нафт, переважно нафтенового типу при їхній депарафінізації і з горючого мінералу – озокериту. Церезин з озокериту одержують шляхом виплавлення з породи, з важких фракцій (сирий церезин) після відповідної очистки.

Парафіни і церезини -застосовують при виготовленні свічок і сірників, для обробки тканин, просочення паперу, в електротехніці як діелектрики, у граверній справі й ін. Важливим застосуванням парафіну, як хімічної сировини, є переробка його в жирні кислоти шляхом окиснювання повітрям при температурі 140 °C з каталізаторами (солями марганцю, кобальту й ін.).

Ароматичні вуглеводні (арени) представлені в нафтах в основному моноциклічними вуглеводнями, а також невеликими кількостями біциклічного ряду нафталіну, трициклічного ряду антрацену і більш конденсованих вуглеводнів. Арени відрізняються високою реакційною здатністю, вступаючи в реакції заміщення, приєднання і конденсації.

Реакція сульфування протікає вже  при кімнатній температурі при збовтуванні вихідного продукту з чотирма об'ємами концентрованої (не менш 99%) сірчаної кислоти. Сульфокислоти, що утворюються, переходять у кислотний шар і за зменшенням об'єму вуглеводневого шару після відстоювання визначають вміст аренів. Для видалення з нафтопродуктів ненасичених вуглеводнів їх попередньо обробляють однаковим об'ємом 80-85% розчину сірчаної кислоти, не взаємодіючим з аренами.

У нафтах містяться від 1 до 35% аренів, у деяких фракціях до 70%. В усіх нафтах бензолу міститься менше, ніж  толуолу, а загальна кількість ксилолів перевищує вміст толуолу. Зі збільшенням молекулярної маси фракцій вміст ароматичних вуглеводнів у них підвищується.

Ароматичні вуглеводні – надзвичайно цінна сировина для промисловості органічного синтезу, після виділення їх з нафти. Інший напрямок їхнього використання – безпосередньо в складі нафтових фракцій, що складають моторні палива, тому що вони найменш схильні до детонації. Однак небажана присутність аренів у дизельному паливі, тому що вони погіршують процес його згоряння, а в паливах для повітряно-реактивних двигунів (ПРД) їхня кількість обмежується до 20-22%, оскільки вони збільшують сажеутворення. Вміст аренів обмежується в бензині «уайт-спірит» (до 16%) і бензині для гумової промисловості (до 3%) у зв'язку з їхньою токсичністю.

Нафтенові вуглеводні (циклопарафіни, циклоалкани чи циклани) за хімічними  властивостями близькі до представників  вуглеводнів жирного ряду, а за циклічною будовою нагадують вуглеводні ароматичного ряду. Нафтени підрозділяють на моноциклічні CnH2n (циклопентан C5H10, циклогексан C6H12); біциклічні CnH2n-2 (декалін C10H18); три – і поліциклічні CnH2n-4, CnH2n-6 і т.п.

Найхарактернішими хімічними реакціями  для нафтенів є реакції заміщення: хлорування, нітрування азотною кислотою при нагріванні, окислювання азотною кислотою середньої концентрації з утворенням двоосновних кислот (глутарової – HOOC(CH2)3COOH, адипінової – HOOC(CH2)4COOH і ін.). Нафтени гідруються погано, перетворюючись на алкани. Більш легко здійснюється дегідрогенізація з утворенням аренів при наявності каталізаторів і температурі 300-350 °C. Нафтени здатні утворювати комплекси з тіомочевиною, що дозволяє відокремити моноциклічні нафтени від поліциклічних, котрі утворюють з тіомочевиною міцніші комплекси.

Визначення кількісного вмісту нафтенів у сумішах вуглеводнів  проводиться після попереднього видалення неграничних і ароматичних вуглеводнів, у результаті чого задача зводиться до визначення нафтенів у суміші з алканами. Цю суміш називають граничним залишком. Вміст нафтенів у граничному залишку визначається методом анілінових точок чи методом питомих рефракцій. Нафтенові вуглеводні входять до складу всіх нафт (25-75%), причому в більшості нафт вони переважають. Кількість нафтенів у фракціях зростає в міру збільшення їхньої густини. Моноциклічні нафтени містяться в основному у фракціях до 300 °C, біциклічні з'являються в середніх бензинових (130-150 °C) і зберігаються у висококиплячих, трициклічні знаходяться у фракціях, що википають при температурі понад 200 °C.

Неграничних вуглеводнів природні нафти не містять чи містять дуже мало, але вони часто складають  значну частину рідких і газоподібних продуктів термічної деструктивної переробки нафти і її фракцій. Висока реакційна здатність неграничних вуглеводнів дозволяє використовувати їх як сировину для органічного синтезу, однак вони знижують хімічну стабільність нафтопродуктів. Асфальтосмолисті речовини є невід'ємним компонентом майже всіх нафт. Після відгону з нафти світлих фракцій, легких олій, а також важких мазутних фракцій залишається складна суміш смолистих продуктів, що представляють собою темну і густу масу – гудрон, кількість якого в смолистих нафтах може досягати 40%. Смолисті й асфальтові речовини, що складають гудрон, розглядаються як високомолекулярні (молекулярна маса понад 500) гетероорганічні сполуки складної гібридної будови, що включають вуглець, водень, кисень, сірку й азот.

          Класифікація груп сполук і їх характеристика

За розчинністю смолисті й асфальтові речовини поділяють на групи:

– нейтральні нафтові смоли –  розчинні в петролейному ефірі , який не має ароматичних вуглеводнів;

– нафтові нейтральні асфальтени – розчинні в бензолі, але не розчинні в петролейному ефірі;

– асфальтенові кислоти і їхні ангідриди – смолисті речовини кислотного характеру, розчинні в спирті і не розчинні в петролейному ефірі;

– карбени – речовини частково розчинні в піридині і сірковуглеці;

– карбоїди – речовини, не розчинні ні в яких розчинниках.

Загальний вміст смолистих і асфальтових речовин у нафтах коливається від 1 до 40%, причому кількість смолистих речовин найбільша у нафтах високої густини, багатих ароматичними вуглеводнями. Вони використовуються в дорожному будівництві, виробництві лаків, в будівельній справі і для інших цілей.

До кисневих сполук нафти відносять  нафтенові і жирні кислоти, феноли. Нафтенові кислоти є у всіх нафтах (0,07-5%), однак найбільше їх у нафтенових нафтах. Нафтенові кислоти  утворюють солі з металами, і таким  чином руйнують їх. У зв'язку з  цим нафтенові кислоти з нафтопродуктів намагаються видалити у вигляді  лужних солей, наприклад, натрієвих  мил, відомих за назвою "милонафт".