Химический состав нефти

Нафтеновые кислоты: свойства и применение

Это карбоновые кислоты алициклического ряда, по большей части одноосновные. Они содержат один или несколько пяти- или шестичленных углеродных циклов. Именно нафтеновые кислоты составляют большую часть кислотосодержащих компонентов различных нефтей. Их извлекают раствором щелочи, так называемым «высаливанием» нафтенатов.

При нормальных условиях нафтеновые кислоты – вязкие, бесцветные, при стоянии желтеющие жидкости, практически нерастворимые в воде. Сами являются хорошими растворителями смол и камедей. Смешиваются с большинством органических растворителей, обладают всеми химическими свойствами карбоновых кислот.

Наибольшее применение имеют соли нафтеновых кислот. Соли щелочных металлов (мылонафты или нафтенаты) используют в качестве эмульгаторов и средств для дезинфекции, а также как средство для мытья шерсти. Соли меди широко применяют как дезинфицирующее средство для пропитки шпал, канатов, тканей, соли алюминия и свинца – в качестве специальных добавок, присадок к смазочным маслам и топливу.

Кроме этого, мылонафты применяются как добавки к бетонным смесям и растворам, делают их водоотталкивающими, что очень важно, так как позволяют делать растворные смеси пластичными за счет смазки с получением своеобразного действия особых пленок, называемых тонкоориентированными

Физические и химические свойства нафтенов

По физическим свойствам нафтеновые углеводороды – жидкости, иногда — с очень резкими неприятными запахами, которыми славится сырая нефть. Именно нафтены оказывают лечебное действие в специальной нафталанской грязи, с помощью которой лечат многие кожные заболевания.

По химическим свойствам нафтеновые углеводороды аналогичны насыщенным ациклическим углеводородам ряда метана. Исключение составляет циклопропан, который ведет себя в некоторых реакциях как ненасыщенный углеводород, присоединяя атомы с разрывом кольца. В большинстве химических реакций нафтеновые углеводороды выступают как насыщенные, с линейной цепью атомов углерода. Однако использование химических реакций с разрывом циклов делает возможным применение нафтеновых углеродов в качестве прекрасного сырья для химического синтеза: получения ароматических углеводородов и других ценных продуктов для химической промышленности разных отраслей путем каталитического риформинга.

Тяжелые углеводород

Тяжелые углеводороды, присутствующие в газе, на зеркале образуют несмачива-емую пленку, и это занижает результаты измерений. Индикатор кондиционности газов Харьков — 1М используется для контроля работы промысловых установок подготовки газа и головных сооружений магистральных газопроводов, эффективности применения ингибиторов гидратообразования, в частности метанола, а также при определении фазовых характеристик газов. Указанный прибор малогабаритный и может эксплуатироваться в стационарных и полевых условиях на открытом воздухе.
 

Тяжелые углеводороды удаляют из ОКГ абсорбцией поглотительным маслом ( ПМ), а непредельные углеводороды-каталитическим гидрированием. На рис. 9.8 приведена принципиальная схема очистки ОКГ.
 

Тяжелые углеводороды, содержащиеся в газе, выделяют главным образом для облегчения условий компрессии, создания нормальных условий для осушки пирогаза и удаления из него методом гидрирования ацетиленовых примесей. В настоящее время для выделения тяжелых углеводородов из газа пиролиза применяют процессы конденсации и абсорбции. Наиболее просто тяжелые углеводороды выделяются при переработке газа пиролиза этана. В этом случае газ на выходе из компрессора промывают маслом, а иногда дополнительно очищают на угольных адсорберах.
 

Тяжелые углеводороды С и выше более прочно удерживаются силикагелем и при регенерации удаляются не полностью.
 

Тяжелые углеводороды, присутствующие в газе, на зеркале образуют несмачиваемую пленку, и это занижает результаты измерений. Полированный металлический стержень б с одного торца охлаждается, а с другого — подогревается. Анализируемый газ обтекает стержень, и конденсация углеводородов и влаги на нем происходит в соответствии с градиентом температуры, который измеряется с помощью термометров, вмонтированных в карманы по высоте стержня.
 

Тяжелые углеводороды скапливаются обычно в нижней зоне — у пола, в лотках, извлечь их отсюда можно только принудительной вытяжкой. Схема вытяжной вентиляции во всех насосных однотипная. Две трети загрязненного воздуха удаляется из верхней зоны через фонарь и одна треть из нижней — осевыми вентиляторами во взрывозащищенном исполнении. Воздух, удаляемый вытяжными агрегатами, выбрасывается в атмосферу на уровне 2 м над крышей.
 

Тяжелые углеводороды ( Се и выше) Состав тяжелых компонентов пирогаза исследован мало. В большинстве случаев бывает известна суммарная концентрация углеводородов С5, что для проектирования узлов выделения тяжелых углеводородов совершенно недостаточно. Как минимум, надо иметь следующие данные: средний молекулярный вес суммы углеводородов С5, кривую температурной разгонки их и общий химический состав — парафины, олефины, циклические углеводороды.
 

Тяжелые углеводороды ( выше С1о — С13) могут попасть в систему газоразделения в виде паров смазочных масел из компрессоров и замерзнуть в ней.
 

Тяжелые углеводороды выводятся из системы для разделения и использования, а нагретый хладоноситель подается самотеком в контактную колонну-теплообменник холодильного цикла 3, в которую подается жидкий хладагент, например пропан.
 

Тяжелые углеводороды на газобензиновых заводах улавливают абсорбцией при обычной или пониженной температуре, низкотемпературной конденсацией и адсорбцией твердыми поглотителями.
 

Тяжелые углеводороды, имеющиеся в природных газах, также вредно действуют на мозг и нервную систему человека. При долгом нахождении в этой среде может наступить потеря сознания и в некоторых случаях смерть. Углеводороды выше этана С2Н6 тяжелее воздуха и поэтому колодцы и вообще низкие места являются очагами их скопления.
 

Тяжелые углеводороды имеют глубинное происхождение.
 

Легкое углеводород

Легкие углеводороды содержатся в нефтях, природных горючих газах, а также в газах, получаемых при переработке нефти, особенно с применением термоконтактных и каталитических процессов.
 

Легкие углеводороды — метан, этан и этилен очень быстро насыщают адсорбент ( в течение 1 — 2 ч) и в дальнейшем, если их концентрация на входе в аппарат не меняется, выходная концентрация сравнивается с входной. Если же концентрации этих углеводородов на входе резко колеблются, то адсорбер играет роль сглаживающего буфера.
 

Легкие углеводороды как исходное сырье для получения всех этих синтетических материалов имеют особо важное значение.
 

Легкие углеводороды ( С3 и ниже), содержащиеся в конденсате III-VI ступеней, отделяют от фракции С4 и возвращают перед IV ступенью сжатия.
 

Легкие углеводороды и другие газы выходят неразделенным пиком и попадают в две последовательно расположенные ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Ловушка шестиходового крана 19 заполнена металлической стружкой для увеличения поверхности теплообмена и при температуре жидкого азота в ней вымораживаются легкие углеводороды и двуокись углерода.
 

Легкие углеводороды ( Ci — C5) можно извлечь с помощью вакуумного дегазатора, а тяжелые почти невозможно. Выходя из раствора в виде пара, эти газы причиняют много неприятностей.
 

Легкие углеводороды, конденсирующиеся из газа, называются газовым бензол-бензином.
 

Легкие углеводороды содержатся в природных горючих газах ( чисто газовых, нефтяных и газоконденсатных месторождений), а также в газах, получаемых при переработке нефти.
 

Легкие углеводороды и другие газы выходят неразделенным пиком и попадают в две последовательно расположенные ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Ловушка шестиходового крана 19 заполнена металлической стружкой для увеличения поверхности теплообмена и при температуре жидкого азота в ней вымораживаются легкие углеводороды и двуокись углерода.
 

Легкие углеводороды, выходящие с верха колонны, конденсируются в конденсаторе-холодильнике 5 и собираются в емкости 6, откуда они передаются потребителям как широкая фракция легких углеводородов. Стабильная нефть из куба колонны 4 проходит теплообменник 1, где отдает тепло поступающей на установку сырой нефти, и направляется потребителям.
 

Легкие углеводороды ( Се) выходят из предколонки.
 

Легкие углеводороды н — С4 и я — С5 целесообразно выделять из бензиновых фракций четкой ректификацией, углеводороды н — С6 — предпочтительно адсорбцией на цеолитах, а для выделения н — Ст лучше всего использовать цеолиты. Применение цеолитов наиболее выгодно также для выделения нормальных парафинов из кероси-но-газойлевых фракций. Способ извлечения парафинов с мочевиной, по-видимому, более целесообразно применять при переработке дизельных топлив и масляных дистиллятов.
 

Соли нафтеновых кислот как сиккативы

Высоленные гидроокисями из содержащихся в нефти кислот (мылонафты) свинца, кобальта, марганца и цинка широко используют как сиккативы для масляных красок. Сиккатив (на позднелатинском означает «высушивающий») – вещество, применяемое для ускорения высыхания красок. С химической точки зрения — катализатор окислительной полимеризации растворов растительных масел и их производных.

Мылонафты, или нафтенаты, среди сиккативов являются самыми дешевыми, наиболее стабильны при хранении, но, к сожалению, имеют примеси и характерный неприятный запах, поэтому для масляной живописи не применяются.

Реликтовые и преобразованные углеводороды

Все углеводороды нефти делят на две группы:

1. Преобразованные – утратившие особенности строения, характерные для исходных биоорганических молекул.
2. Реликтовые, или хемофоссилии – те углеводороды, которые сохранили характерные особенности строения исходных молекул независимо от того, были ли эти углеводороды в исходной биомассе или сформировались позднее из других веществ.

Реликтовые углеводороды, входящие в состав нефти, подразделяются на две группы:

• изопреноидного типа – алициклического и алифатического строения, с числом циклов в одной молекуле до пяти;
• неизопреноидного – в основном алифатические соединения, имеющие н-алкильные или слаборазветвленные цепи.

Реликтов изопреноидного строения значительно больше, чем неизопреноидного.

Выделено свыше 500 реликтовых углеводородов нефти, и их число увеличивается с каждым годом.

Методы исследования углеводородного состава нефти

Для технических целей достаточно установление состава нефти по содержанию в ней отдельных классов углеводородов. Фракционный состав нефти важен для выбора направления переработки нефти.

С целью определения группового состава нефти применяют различные методы:

• Химические подразумевают проведение реакции (нитрования или сульфирования) взаимодействия реагента с определенным классом углеводородов (алкенами или аренами). По изменению объема или количеству получившихся продуктов реакции судят о содержании определяемого класса углеводородов.
• Физико-химические включают экстракцию и адсорбцию. Так проводят экстрагирование аренов диоксидом серы, анилином или диметилсульфатом, с последующей адсорбцией этих углеводородов на силикагеле.
• Физические включают определение оптических свойств.
• Комбинированные — наиболее точные и самые распространенные. Сочетают в себе два каких-либо метода. Например, удаление аренов химическим или физико-химическим методом и измерение физических свойств нефти до и после их удаления.

Для научных целей важно определить точно, какие углеводороды в нефти содержатся или преобладают. Для выявления отдельных молекул углеводородов используют газожидкостную хроматографию с использованием капиллярных колонок и установления температуры, хромато-масспектрометрию с компьютерной обработкой и построением хроматограмм по отдельным характеристическим фрагментным ионам (масс-фрагментография или масс-хроматография)

Используются также спектры ЯМР на ядрах 13С

Для выявления отдельных молекул углеводородов используют газожидкостную хроматографию с использованием капиллярных колонок и установления температуры, хромато-масспектрометрию с компьютерной обработкой и построением хроматограмм по отдельным характеристическим фрагментным ионам (масс-фрагментография или масс-хроматография). Используются также спектры ЯМР на ядрах 13С.

Современные схемы анализа состава углеводородов нефти включают предварительное разделение на две или три фракции с разными температурами кипения. После этого каждую из фракций разделяют на насыщенные (парафиново-нафтеновые) и ароматические углеводороды с помощью жидкостной хроматографии на силикагеле. Далее ароматические углеводороды следует разделить на моно-, би- и полиароматические с помощью жидкостной хроматографии с использованием оксида алюминия.

Сравнительная таблица углеводородов

Вред для организма человека

Некоторые виды С2-С5 и С1-С10 способны оказывать на людей даже очень серьезное мутогенное влияние. Именно поэтому на предприятиях должны в точности соблюдаться нормативы в отношении ПДК в воздухе рабочей зоны углеводородов нефти и пр. В первую очередь такие соединения наносят вред сердечно-сосудистой системе человека. Также при длительном нахождении в среде с повышенной концентрацией углеводородов у людей обычно меняются в худшую сторону показатели крови. Прежде всего у пострадавших понижаются уровень гемоглобина и эритроцитов.

Также при превышении в воздухе ПДК углеводороды могут крайне негативно влиять и на печень людей. Помимо этого, такие соединения наносят значительный вред эндокринной системе. При длительном их воздействии у человека нарушается работа эндокринных желез. Кроме того, такие вещества оказывают крайне вредное воздействие на нервную систему и легкие.

В масштабах города углеводороды, помимо всего прочего, способны образовывать так называемый фотохимический смог. В процессе сложных превращений в атмосферном воздухе из соединений этого типа образуются крайне токсичные вещества. Это могут быть, к примеру, альдегиды или кетоны.

Изопреноидные алканы

К изопреноидным алканам относят разветвленные углеводороды с правильным чередованием метильных групп. Например, 2,6,10,14-тетраметилпентадекан или 2,6,10-триметилгексадекан. Изопреноидные алканы и алканы с неразветвленной цепью составляют преобладающую массу биологического исходного материала нефти. Конечно, вариантов изопреноидных углеводородов гораздо больше.

Для изопреноидов характерна гомологичность и неравновесность, то есть для разных нефтей характерен свой набор этих соединений. Гомологичность является следствием разрушения более высокомолекулярных источников. В изопреноидных алканах можно выявить «провалы» в концентрациях каких-либо гомологов. Это следствие невозможности разрыва их цепи (образования этого гомолога) в том месте, где находятся метильные заместители. Эту особенность используют для определения источников образования изопреноидов.

Тепловые свойства

Удельная теплоемкость нефти (то есть количество энергии, необходимое, чтобы нагреть 1 килограмм вещества на 1 градус Кельвина) колеблется в пределах от 1,7 до 2,2 кДж/кг∙К при 20 °C. Чем выше плотность нефти, тем ниже ее теплоемкость. Для сравнения, удельная теплоемкость воды при той же температуре составляет около 4,18 кДж/кг∙К.

Теплопроводность нефти зависит от многих факторов, таких как состав, температура, давление, фазовое состояние. Алканы обладают наименьшей теплопроводностью, а ароматические углеводороды – наибольшей (при одинаковом количестве атомов углерода).

Одним из основных свойств нефти, придающих ей исключительную ценность как сырью для производства топлива, является удельная теплота сгорания. Эта величина характеризует отношение тепловой энергии, выделившейся при горении, к массе полностью сгоревшего топлива.

По удельной теплоте сгорания нефть и нефтепродукты (а также природный горючий газ) превосходят все остальные виды топлива. Так, для сырой нефти этот параметр составляет 40–45 МДж/кг (для лучших каменных углей – 31 МДж/кг)

Теплота сгорания зависит от плотности и в некоторой степени от особенностей химического состава, но колеблется в довольно узких пределах, то есть это важное свойство присуще всем разновидностям «жидкого черного золота». Легкие бензиновые фракции обладают еще большей теплотворной способностью

Допустимые концентрации в атмосферном воздухе и как избежать загрязнения

Контроль за ПДК углеводородов в воздухе рабочей зоны предприятий должен производиться, таким образом, самый тщательный. Несоблюдение норм по содержанию в воздухе цехов таких соединений обязательно приведет к болезням сотрудников завода или фабрики.

Однако, конечно же, предприятия, работающие с углеводородами, должны следить в том числе и за тем, чтобы эти вещества ни в коем случае не загрязняли окружающую среду. Попадают в атмосферу, в воду и почву соединения этого типа чаще всего при транспортировке их по трубопроводам. При этом потери таких веществ в результате испарения и утечек могут происходить как по всей длине магистрали, так и на насосных станциях.

Для предельных и непредельных углеводородов ПДК в атмосферном воздухе на настоящий момент в России никакими федеральными документами, к сожалению, не регламентируются. Однако существуют гигиенические нормативы в отношении концентрации некоторых конкретных соединений этой разновидности. К примеру, ПДК в атмосфере составляет:

• для метана — 50 мг/м3;
• бутана — 200 мг/м3;
• пентана — 100/25 мг/м3;
• гексана — 60 мг/м3.

Для того чтобы не допустить превышения ПДК в атмосферном воздухе углеводородов предельных и непредельных, при прокладке трубопроводов применяют разного рода изоляционные покрытия. Чаще всего при этом предприятия используют для этой цели битумную мастику. Также компаниями могут применяться и электрохимические методы защиты магистралей. Помимо этого, для предотвращения загрязнения атмосферы, почвы и воды специалисты проводят систематический контроль за состоянием трубопроводов с помощью детекторов утечек.

Загрязнять атмосферу углеводородами могут, безусловно, и сами химические и нефтяные предприятия. Чтобы избежать выбросов большого количества таких соединений в окружающую среду, на заводах этой специализации часто используется современный метод улавливания углеводородов. При больших концентрациях (170-250 г/м3) таких соединений для этого применяют конденсацию охлаждением, при средних (140-175 г/м3) — абсорбцию, при низких (50-140 г/м3) — также абсорбцию. В большинстве случаев такие несложные методики позволяют без особых трат в точности соблюдать в газовой и в нефтяной промышленности ПДК углеводородов, выбрасываемых в окружающую среду.

Нафтеновые углеводороды: применение, свойства, формула

Эти соединения — органические вещества, в большом количестве получаемые из нефти. Свое название они получили от слова нефть (по-гречески naphtha).

К нафтеновым углеводородам относятся соединения алициклического ряда насыщенных углеводородов, т. е. имеющих молекулы округлой формы, замкнутые циклы. Свое название они получили в 1883 году. Его ввели в органическую химию ученые В. В. Марковников и В. Н. Оглоблин. К нафтенам относят дополнительно углеводороды с несколькими пяти- и шестичленными циклами (в том числе и конденсированные, например, декалин). Не совсем правильно относить к нафтенам все подряд циклоалканы (цикланы).

Тяжелые углеводородные газы

Тяжелые углеводородные газы и пары Сг — Сб присутствуют в большом количестве в древних отложениях палеозоя. По мере перехода к более молодым мезозойским породам содержание углеводородов С2 — С6 уменьшается. Закономерному изменению состава газа соответствует закономерное изменение углеводородного состава нефти, заключающееся в возрастании доли метановых углеводородов с увеличением глубины их залегания.
 

Тяжелые углеводородные газы не образуются в почве и подпочве, в торфяниках и на заболоченных площадях.
 

Тяжелые углеводородные газы пропан, бутан и пентан при сжатии легко переходят Б жидкое состояние. Из табл. 2 видно, что для перевода пропана в жидкое состояние при 20 С достаточно сжать его до давления 8 5 кГ / см, а при одновременном охлаждении газа требуется еще меньшее давление. Пентан даже при нормальном давлении легко переходит в жидкость, если ere температура снижается ниже 4 — 36 4 С.
 

Наиболее тяжелые углеводородные газы, отличающиеся максимальной растворимостью в нефти, выделяются в особом резервуаре, носящем название газового сепаратора или трапа, куда нефть поступает по трубам из скважины. Именно здесь в результате изменения давления и скорости движущегося газонефтяного потока происходит отделение ( сепарация) газа от нефти, нефтяной пыли, воды и механических примесей. Разделению способствует разница в плотности газа, воды, нефти и примесей. Из нижней части сепаратора отводится вода, из средней — нефть, а из верхней части — попутный нефтяной газ, поступающий на очистку и затем по трубопроводу на газоперерабатывающий завод.
 

Обычно тяжелые углеводородные газы при тех же условиях содержат паров воды меньше, чем легкие. Наличие в газе H2S и СО2 увеличивает содержание паров воды, а наличие азота — уменьшает.
 

Самые тяжелые углеводородные газы отделяются от нефти в газовых сепараторах. Трап предназначен для отделения ( сепарации) нефти я газа и для очистки газа от нефтяной пыли. На рис. 105 показана схема оборудования трала.
 

При прохождении газовой смеси через колонки тяжелые углеводородные газы адсорбируются силикагелем и затем выделяются непрерывным потоком воздуха при нагреве силикагеля. Анализируемая газовая смесь поступает в колонки 1 и 2 поочередно. Разделение газовой смеси связано с замедленным ( за счет теплоизоляции) прогревом силикагеля и различием коэффициентов адсорбции индивидуальных углеводородов.
 

Давления обратного испарения значительно уменьшаются, если в составе нагнетаемого газа содержатся тяжелые углеводородные газы — этан, пропан или углекислота. Но объем потребного газа остается весьма высоким.
 

В проектируемой Балаханской нефтяной шахте в шахтной атмосфере, кроме метана, могут присутствовать и другие более тяжелые углеводородные газы: этан, пропан, бутан, а также пары нефти, значительно повышающие степень взры-воопасности горючей смеси в горных выработках и к тому же являющиеся токсичными.
 

В связи с этим при выделении газа из его естественного выхода или из скважины легкий метан устремляется вверх, а тяжелые углеводородные газы и пары стелятся по земной поверхности и лишь медленно рассеиваются в атмосфере. Эти тяжелые газы и пары могут накопляться в пониженных участках рельефа — в котлованах и лощинах. Известны случаи, когда такое накопление тяжелых газов приводило к взрывам.
 

В баллончике 5 мы имеем, таким образом, следующие компоненты: этан, этен, пропан, пропен, бутан и бутены, а также и некоторые другие, более тяжелые углеводородные газы, если таковые присутствовали в анализируемой смеси.
 

Газогеохимические исследования территории, проводимые для обеспечения экологической безопасности в процессе реализации хозяйственной деятельности. Скапливаясь, биогазы ( метан, двуокись углерода, а также тяжелые углеводородные газы, окислы азота, аммиак, сероводород и др.) могут образовывать пожа-ро — и взрывоопасные или токсичные концентрации.