ХИМИЯ НЕФТИ. Химия формула нефти


Химический состав и физические свойства нефти

Физические и химические свойства, природа происхождения нефти давно интересует ученых. Благодаря успешному изучению физико-химических свойств нефти, человечество получило возможность открывать новые месторождения этого полезного ископаемого, находить ему новое применение и получать максимальный эффект от использования.

Характеристика нефти в глубинных пластах и на поверхности земли сильно отличаются, так как в первом случае она подвергается воздействию экстремальной температуры и высокого давления.

Хотя сегодня мало кто сомневается в органической природе нефтепродуктов, сторонники их минерального происхождения не сдаются. Родоначальником теории о неорганической природе нефти является Д. И. Менделеев. На основе состава нефти он выдвинул гипотезу об ее минеральном происхождении и вывел химическую формулу, согласно которой под воздействием высокой температуры на больших глубинах земли может происходить процесс синтеза углеводородов в результате взаимодействия воды и карбида металлов.

Позднее немецкий ученый К. Шорлеммар, изучая нефть и ее свойства, обнаружил в составе образцов из Пенсильванских месторождений предельные углероды метанового ряда. В 1861 году А. М. Бутлеров представил подробное разъяснение о строении углеводородов, составе и физических свойствах нефти.

Химический состав и формула

В этом разделе рассматриваются основные химические свойства нефти. Постараемся узнать, имеется ли определенная химическая формула нефти. Предельно важными характеристиками для исследования являются: элементарный, фракционный и углеводородный состав нефти.

Начиная изучать химический состав нефти, исходим из ее определения. Нефть – это смесь углеводородов, молекулы которых содержат в своем составе примеси кислорода, серы, азота с чистыми углеводородами (т.е. не содержащими примеси других химических элементов).

Фракционный состав

Качественные показатели сырья определяются лабораторным путем при ее ректификации. Этот процесс основан на разделении первичного сырья на фракции при нагревании. Каждая фракция имеет определенную температуру кипения, после которой она начинает испаряться. Различают следующие виды фракций:

  • Легкие. К таковым относят петролейные и бензиновые фракции с предельной температурой выкипания до 140 °С (при атмосферном давлении).
  • Средние. Их получают путем перегонки при атмосферном давлении. К этим нефтям относят керосиновые, дизельные, лигроиновые фракции, выкипающие в диапазоне температур от 140 до 350 °С.
  • Тяжелые. Подлежат только вакуумной перегонке. При температуре 350-500 °С получают вакуумный газойль, более 500 °С – гудрон.

Легкие и средние фракции относятся к светлым дистиллятам, тяжелые фракции называют мазутом. Обычная нефть содержит 31 % бензина, 10 % керосина, 15 % дизельного топлива, 20 % масел, 24 % мазута.

Групповой углеводородный состав

Согласно исследованиям групповой состав нефти можно выразить тремя большими соединениями углеводородов:

  • предельных;
  • непредельных;
  • ароматических.

Предельные углеводороды

Очень часто их называют метановыми из-за простого строения, а химическое название группы – алканы. Формула метана по структуре напоминает амебу – в качестве ядра выступает атом углерода, роль протоплазмы играют 4 атома водорода. Цепочку структуры алканов нормального строения можно выразить по формуле Cnh3n+2, т.е. каждый последующий углеводород будет иметь больше предыдущего на 1 атом углерода, окруженный оболочкой из атомов водорода. Представители этого ряда встречаются как в газообразном виде – СН4-С4Н10, так и в жидком состоянии – С5Н12-С17Н36. Начиная с С18Н38, углеводороды обретают вид кристалла, входящего в состав парафина. Отсюда происходит их название – парафиновые углеводороды.

Наличие изомеров можно назвать их отличительной особенностью. Начиная с 4-го по порядку члена, углеводороды имеют одинаковые формулы, но отличаются по строению молекул. При этом главный член ряда построен в виде несложной цепочки, а изомеры имеют ветвистую цепь.

Изомеры отличаются от нормальных углеводородов по структуре, а также по прочности связей, что приводит к отличию и в свойствах. У них более низкая температура плавления и кипения. Разнообразие этих углеводородов вызывает повышенный интерес к ним, главным образом, из-за возможности создания новых видов топлива, а также схожестью некоторых изомеров с органическими веществами по строению. Сегодня лучшие бензины получают из изомеров. Несмотря на это изомеры остаются не изученными до конца, так как 11-й член ряда имеет 159 видов, 18-й (октодекан) – более 60 тысячи разновидностей изомеров.

Непредельные углеводороды

Они имеют структуру по формуле Cnh3n. Они представляют собой циклические насыщенные углеводороды, у молекул которых не достает 2-х атомов водорода. Эти углеводороды называются нафтеновыми кислотами или алкенами. В природной нефти они отсутствуют, их образование связано со вторичной обработкой сырья. Нафтены могут иметь несколько колец. Этим объясняется название полициклических аренов (ароматических углеводородов) со структурными формулами Cnh3n2, Cnh3n_4. Эта группа углеводородов имеет и другое название – циклопарафины в связи с тем, что их кольца способны удерживать вокруг себя цепочки метановых углеводородов. Этим вызваны их большая плотность, высокая температура кипения и плавления в сравнении с метановыми углеводородами. Циклопарафины легко вступают во взаимодействие с галогенами и кислородом. В обычных условиях они находятся в жидком состоянии.

Ароматические углеводороды

Название этих углеводородов происходит из греческого «арома», т.е. пахучее вещество. Их структурная формула представлена в виде Cnh3n-m, где m – четное число. Характерным представителем этих углеводородов является бензол – С6Н6 и его гомологи (производные). В ароматических углеводородах имеет место сильный дефицит атомов водорода. Несмотря на это они химически не активны, в нормальных условиях находятся в жидком состоянии с температурой застывания от -25 до -88 °С.

От соотношения этих 3-х групп углеводородов происходит название нефти: метановый, нафтеновый или ароматический. Возможно и комбинированное название, если в составе нефти к преобладающей группе имеется не менее 25% другого углеводорода. Например, метанонафтеновый бензин.

Элементарный состав

Хотя существует множество видов углеводородов, элементарный состав нефти не отличается многообразием. Элементный состав нефти состоит из следующих компонентов:

  • углерода – 83-87%;
  • водорода – 11-14%;
  • смолисто-асфальтовых веществ – 2-6%.

Последние из перечисленного компонентного состава нефти представляют собой органические соединения углерода, водорода, серы, азота и различных металлов. К ним можно отнести нейтральные смолы, асфальтены, карбены и карбоиды.

При сгорании нефти образуется зола, но на ее долю приходится сотые доли процента. Она состоит из оксидов различных металлов. В нефти имеется небольшое количество сероводорода. Взаимодействуя с металлами, сера вызывает очень сильную коррозию. Она имеет резкий запах. Различают несколько групп нефти по содержанию серы: несернистые (до 0,2 %), малосернистые (0,2 — 1,0 %), сернистые (1,0 — 3,0 %), высокосернистые (более 3 %). Азот является безвредной и инертной примесью, его доля составляет не более 1,7 %.

Физические свойства

Различают следующие основные физические свойства нефти: плотность, вязкость, сжимаемость и другие.

Плотность определяется как соотношение массы к объему. Различают легкую и тяжелую нефть, в зависимости от того по какую сторону она находится от плотности 900 кг/м3. Газовые конденсаты, бензин, керосин относятся к легкой, а мазут к тяжелой нефти.

Электрические свойства

Рассматривая электрические свойства нефти необходимо отметить, что во многом они зависят от ее состава. Безводная нефть является диэлектриком, парафины могут выступать в качестве изоляторов, а некоторые масла годятся для заливки трансформаторов. Она также способна удерживать и накапливать электрические заряды, возникающие от ее трения об стенки резервуаров. Эту способность можно отнести к вредным и опасным свойствам нефти, создающим угрозу возникновения пожара от малейшей искры.

Кроме того, определенный интерес вызывают реологические свойства нефти. При определенных условиях некоторые ее виды обладают свойством самопроизвольного повышения прочности с течением времени. К таковым можно отнести нефть с большим содержанием парафинов и асфальто-смолистых веществ. Неньютоновская жидкость не обладает реологическими свойствами.

Вязкость нефти

Вязкость нефти определяется ее подвижностью, т.е. способностью сопротивляться перемещению частиц относительно друг друга. Другим словом, вязкость это свойство, которое отвечает на вопрос, какое ее свойство используют в первую очередь, перекачивая по нефтепроводу. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Первая из них зависит от времени и измеряется в паскалях секундах. Кинематическая вязкость характеризует ее изменение в зависимости от температуры.

oilgazinfo.ru

Почему нельзя записать химическую формулу нефти? м?)

Нефть и нефтепродукты представляют собой сложную жидкую смесь близкокипящих углеводородов и высокомолекулярных углеводородных соединении с гетероатомами кислорода, серы, азота, некоторых металлов и органических кислот. Определить индивидуальный химический состав нефти практически невозможно, поэтому ограничиваются определением группового химического состава, т. е. отдельных рядов и групп углеводородов. Несмотря на многообразие углеводородов, основными структурными элементами нефти являются углерод и водород, а элементарный состав колеблется в небольших пределах: углерод 83-87%, водород 11-14%. На долю других элементов, объединяемых группой, смолисто-асфальтеновые вещества представляют собой высокомолекулярные органические соединения, содержащие углерод, водород, серу, азот и металлы. К ним относятся: нейтральные смолы, растворимые в бензинах; асфальтены, не растворимые в петролейном эфире, но растворимые в горячем бензоле; карбены, растворимые в сероуглероде; карбониты, ни в чем не растворимые. При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента) , состоящая из окислов кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия и ванадия.

Сама нефть состоит из множества соединений, каждое из которых имеет свою формулу.

Потому что нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ

нефть-это сборный продукт, что-то вроде общего названия различных органических соединений

Химическая формула нефти была засекречена известным учёным Клайпероном-Менделевым. До сих пор все химики свято блюдут запрет.

touch.otvet.mail.ru

ХИМИЯ НЕФТИ

Переработка Нефти

Система Природы должна быть действительно красивой — ведь в химии мы обнаруживаем, что соединения — всегда красивые целые числа и никаких дробей

Р Букминстер Фуллер

До сих пор при обсуждении свойств сырой нефти и процессов ее переработки нам удавалось избегать основ химии, но это счастливое время подошло к концу. Все остальные процессы нефтепереработки являются по боль­шей части химическими реакциями. Так как Вы не обяза­ны были изучать химию, а я изучал физическую химию и сдал ее как минимум на тройку, то Вам придется уз­нать кое-что об углеводородах, прежде чем двигаться дальше.

Не пропускайте эту главу! Если Вы хотите полностью разобраться в последующих семи главах, Вам придется оставить на этом месте закладку.

Атомы и молекулы

Физики периодически удивляют ученый мир тем, что разбивают материю на все более мелкие частицы, еще менее понятные обычным людям, чем нейтроны и элект­роны. Но нам повезло: для нефтепереработки не требуется ничего, что было бы меньше атомов. Примеры атомов — это углерод, водород, сера или кислород, которые обо­значаются соответственно символами С, Н, S и О.

Свойства веществ зависят от того, из каких атомов они состоят и каким образом атомы связаны в группы, называемые молекулами. Самые важные правила касают­ся валентностей и химических связей.

Валентность. Каждый вид атомов (элемент) обладает способностью соединяться с другими атомами в соответ­ствии со своей структурой. Например, атом углерода все­гда хочет присоединить к себе четыре других атома, а атом водорода — только один.

Определение: Валентность атома некоторого элемента равна числу атомов водорода (или их эквивалента), с которым этот атом может соединиться.

Химическая связь. Вид соединения между двумя атома­ми называется химической связью. Вы можете считать, что это сила электростатического взаимодействия.

Углеводороды

Самый простой пример, иллюстрирующий все три по­нятия — валентность, химическая связь и углеводород — это метан, который состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, его формула СН4. Посмотрите на его структуру и Вы увидите, что все правила валентно - сти

Н I

Н-с-н

I

Н

Метан (СН4)

Рис. 5.1. Метан.

Если теперь мы рассмотрим следующий простейший углеводород, этан, то обнаружим некоторое усложнение. Формула этана С2Нб - Можно видеть, что каждый углерод окружен четырьмя связями, а каждый водород — одной. Обратите внимание, что один атом углерода присоеди­нен к другому. Это обычное дело. Между прочим, когда водород упоминается как отдельное соединение, то его формула всегда потому что водород именно так и существует: один атом водорода присоединяется ко вто­рому, и таким образом правило валентности выполняет­ся для обоих атомов.

I I

Н-с-с-н

I I

Н н

Этан (С2н6)

Рис. 5.2. Этан.

Целый класс углеводородов можно представить, по­лучая новые соединения точно так же, как из метана был получен этан. Эти соединения являются предельны­ми углеводородами (алканами) или парафинами общей формулы СпН2п+2- Примеры таких углеводородов — про­пан, нормальный бутан (н-бутан) и нормальный пентан (н-пентан).

Н н н

Н н н н

Н н н н н

Н-с-с-с-н

Н-с-с-с-с-н

Н-с-с-с-с-с-н

Н н н

Н н н н

Н н н н н

Пропан

Нормальный бутан

Нормальный пентан

(С3Н8)

(С4Н10)

(С5Н12)

Рис. 5.3. Пропан, нормальный бутан и нормальный пентан

Что означает слово «нормальный» перед словами бу­тан и пентан? Дело в том, что атомы в углеводородах и можно расположить несколькими спосо­

Бами. Один из способов показан на рисунке 5.3, но кро­ме того, мы могли бы изобразить ответвление от одного из внутренних атомов углерода. Соединения С4Н10 и которые при этом получатся, являются парафи­новыми углеводородами изостроения и называются изо - бутан и изопентан.

Хотя н-бутан и изобутан имеют одинаковые брутто - формулы, их поведение различно. Они кипят при разных температурах, имеют разные плотности (потому что по - разному упакованы), а кроме того, они вступают в раз­ные химические реакции, что будет видно в главе, по­священной алкилированию.

При обсуждении легких углеводородов используют сле­дующее соглашение. Если смесь или поток содержит толь­ко этан, пропан и, возможно, водород, но не содержит бутана и более крупных (тяжелых) молекул, такую смесь или поток называют «пропан и более легкие продукты», или Сз~. Также можно сказать, что она не содержит бута­на и более тяжелых продуктов, то есть С4+. Это соглаше­ние работает для всех углеводородов до включительно.

Нафтены

Другой класс углеводородов — это циклические соеди­нения, содержащие, как правило, больше четырех ато­мов углерода. Если цепочку из пяти атомов углерода свер­нуть в кольцо, получается циклопентан (С5Н10). Обрати­те внимание, что циклопентан содержит меньше атомов водорода, чем н-пентан или изопентан. Также существу­ют и циклы большего размера, например, циклогексан. Этот класс соединений называется нафтенами или на - 1)теновыми углеводородами.

Н. н

Н v н

-С О—N|_J

Н 1 LH Н/

Н 'Ч / ^н Н Н н

Метальный радикал

Метилциклогексан

(С7Н14)

Рис. 5.6. Метилциклогексан.

Помимо простых парафиновых и циклических углево­дородов, бесконечное число возможностей появляется в результате соединения молекул этих двух типов между собой. Простейшим примером является метилциклогек - сан — результат присоединения группы СН3 (она

Называется метильной группой или метальным радика­лом) к циклогексану, вместо одного из его водородных атомов (рис. 5.6).

Олефиновые и ароматические углеводороды

Можно получить молекулу, в которой есть два атома углерода и только четыре атома водорода. На первый взгляд, при этом нарушаются правила валентности, ко­торые Вы изучали предыдущие пять минут. Но химичес­кое соединение этилен построено так, что атомы

Н н

I I

Н-с-с-с=с-н

I I I I

Н Н I I

С=с

I I

Н н

Этилен

(С2Н4)

Н н н н

Рис. 5.7. Олефиновые углеводороды.

Углерода связаны двойной связью, и это компенсирует недостаток водородных атомов (рис. 5.7). Что смешно: двойная связь, удерживающая вместе два атома углеро­да, не прочнее, чем одинарная связь, а слабее. Можно себе представить, что две связи занимают место, где мог­ла быть одна связь. Поэтому соединение оказывается хи­мически неустойчивым, может довольно легко реагиро­вать с другими веществами и при этом превращаться в новое соединение, в котором уже нет двойной связи. По этой причине этилен очень часто используют для синтеза более сложных химических соединений. Например, если прицепить друг к другу много молекул этилена, полу­чится полиэтилен.

Принципиальная характеристика олефинов — это то, что в них на два атома водорода меньше, чем в соответ­ствующем насыщенном парафине (то есть в парафине, содержащем полный комплект водородных атомов), и, значит, их общая формула

Олефинов в природе не существует. Возможно, что только Бог может создать дерево, но с олефинами он не справился. Их нет в сырой нефти — они появляются, потому что их создают люди с помощью процесса кре­кинга, несколько вариантов которого мы рассмотрим в последующих главах. Это обстоятельство, которое на пер­вый взгляд не связано с обсуждаемой темой, находит отражение в проектировании установок для нефтепере­работки и будет обсуждаться в главе VII.

Другие олефины, представляющие интерес с точки зрения нефтепереработки, это пропилен (С3Нб) и бути­лен (С4Н8). Как и этилен, эти соединения можно вводитьв реакции с другими веществами, поэтому они пригод­ны в качестве сырья для ряда химических процессов и процессов нефтепереработки.

Ароматические углеводороды являются еще одним ис­ключением из правил валентности. Рассмотрим цикли­ческое соединение циклогексан. Каждый атом углерода связан с двумя другими атомами углерода и к нему при­цеплено два атома водорода. Если убрать один из водоро - дов от каждого углеродного атома, то правило валентнос­ти нарушится и, чтобы оно снова выполнялось, между углеродными атомами можно поместить некоторое коли­чество двойных связей. Для этого требуется, чтобы двой­ная связь была у каждого второго атома углерода (рис. 5.8). Мы получили молекулу CgHg, бензол. Представ­ление, что каждая вторая связь в бензольном кольце — двойная, является сильно упрощенным. Более реальное представление оперирует понятиями резонансных струк­тур и перескакивающих связей.

Если удалить один из водородов из молекулы бензола, а на его место посадить группу получится углеводо­

Род состава С7Н8, толуол (группа СН3 называется ме - тильным радикалом, а группа — этильным радика­

Лом. Названия радикалов похожи на названия соответ-

Н I

Н

Н-с-н

I

Н

Н

Н-с-н

Н-с-н

I

Н I

Н

Бензол

(С6Н6)

Ксилол (диметилбензол) (QHjo)

Рис. 5.8. Ароматические углеводороды.

Ствующих парафинов — метана и этана). Если два водо­рода в бензольном кольце заменить на два метальных радикала, то получится молекула состава ксилол.

Двойные связи в бензольном кольце достаточно неус­тойчивы и химически активны. Поэтому бензол широко используется как строительный блок для получения но­вых веществ в химической промышленности. Толуол и ксилол — тоже ценные соединения; выделение аромати - ки в нефтепереработке рассматривается в главе XVI.

Понятие «ароматика» включает все соединения, в мо­лекулах которых есть бензольное кольцо. Однако на прак­тике этот термин часто используется только по отноше­нию к бензолу, толуолу и ксилолам. Между прочим, на­звание ароматика возникло из-за своеобразного сладко­ватого углеводородного запаха, присущего большинству этих соединений.

Вы могли заметить, что как только число атомов угле­рода становится больше шести, число их различных ком­бинаций в структуре возрастает лавинообразно. Поэтому индивидуальным соединениям уделяется очень мало вни­мания. Чтобы описать состав нефти или нефтепродукта, иногда указывают процентное содержание парафинов, нафтенов и ароматики; эти группы веществ обычно ха­рактеризуются соответствующими физическими свойства­ми (плотность, вязкость, температура кипения и т. д.).

УПРАЖНЕНИЯ

Изобутан является изомером нормального бутана. По­чему у пропана нет изомера?

Сколько различных структур может иметь изобутан? А изопентан? Изобутилен?

Перечислите четыре типа структур, описанные в этой главе.

Существует три разных ксилола. Сможете ли Вы изо­бразить те два из них, которые не приведены на ри­сунке в этой главе?

Почему толуол только один?

Если вы хотя бы раз в своей жизни анализировали варианты топлива для автономной системы газоснабжения, то наверняка встречались с такой разновидностью, как пропан-бутановая смесь. У пытливого ума тут же возникает …

Если Вам слишком жарко, уходите из кухни Гарри С Трумэн Многие экономические соображения, влияющие на производство различных нефтепродуктов, связаны с ко­личеством теплоты, которое выделяется при их сжига­нии. Действительно, чтобы выбрать, …

Уильям Д. Леффлер Начало—самая важная часть работы Платон «Республика» Если Вы открыли эту книгу, Вам уже не требуется введение в ее предмет — Вы и так им занимаетесь. Вряд ли …

msd.com.ua