Соединения в составе сырой нефти

Природная маслянистая горючая жидкость известная как нефть имеет сложный и разнообразный состав определяющий её качество. Состав сырой нефти представляющий собой жидкость находящуюся в недрах Земли включает углеводороды, органические соединения и небольшое количества металла.

Сырая нефть не имеет определенной химической формулы, так как её состав отличается в зависимости от месторождения с различными соотношениями компонентов. Как правило не смешивается с водой.состав сырой нефти

Компоненты состава сырой нефти

Хотя углеводороды обычно являются основным компонентом состава сырой нефти, их количество может варьироваться от 50% до 97% в зависимости от типа горючей жидкости и способа ее добычи. Органические соединения, такие как азот, кислород и сера, обычно составляют от 6 до 10% сырой нефти, в то время как металлы, такие как медь, мышьяк, никель, ванадий и железо, составляют менее 1% от общего состава.

Нефть состоит из следующих основных элементов:

  • углерод (50-97%);
  • водород (12-14%);
  • кислород, азот, сера (6-10%);
  • металлы  до 1%.

Неорганические соли хлорида магния, хлоридов натрия и других минеральных веществ также сопровождаются с сырой нефтью из скважины либо из-за воды пласта или воды и химических веществ, закачиваемых во время бурения и добычи.

Типы углеводородов в сырой нефти

Существуют три основных типа углеводородов в сырой нефти: парафины или алканы (15-60%), нафтены или циклоалканы (30-60%), ароматические или арены (3-30%).

Парафиновые углеводороды

Парафиновые насыщенные углеводороды – это соединение, в котором все четыре связи атома углерода связаны с четырьмя отдельными атомами. Примеры это метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан. Название парафины произошло от латинского слова означающего «малоактивный».

Общая молекулярная формула (CnH2n+2), С-углерод, H-водород,  где n-число атомов углерода в этом соединении. Гомологичные ряды этих углеводородов называются алканами. Алканы относительно неактивны по сравнению с ароматическими веществами и олефинами. При комнатной температуре алканы не подвергаются воздействию концентрированной дымящей серной кислоты, концентрированных щелочей или мощных окислителей, таких как хромовая кислота. Алканы проводят реакции замещения медленно с хлором в солнечном свете и с бромом в присутствии катализатора.

Парафины выпускаются как обычные, так и изопарафины. Нормальные парафины представляют собой соединения с прямой цепью, а изопарафины – разветвленные соединения.

Изопарафины более реактивны, чем обычные парафины, и желательны в моторном топливе.

Нормальные парафины могут быть преобразованы в изопарафины термическим или химическим путем. Это называется реакцией изомеризации.

Олефины  эта серия известна как алкены: это ненасыщенные углеводороды, что означает наличие двойной связи между двумя атомами углерода в формуле. Родовая формула (CnH2n), и самый низкий член этого гомологичного ряда этилен, C2H4. Алкены бывают как жидкость так и газ: этилен, бутен, изобутен. Они обладают высокой реакционной способностью и могут сами реагировать на моноолефины.

Олефины не присутствуют в сырой нефти, но они образуются путем термического и каталитического разложения или дегидрирования обычных парафинов.

Олефины обычно нежелательны в готовых продуктах, потому что двойные связи реакционноспособны, а соединения легче окисляются и полимеризуются с образованием смол и лаков, поэтому их можно удалить абсорбцией в серной кислоте.

Нафтены или циклопарафины

Нафтены или циклопарафины: циклические насыщенные углеводороды с общей формулой, как олефины,(CnH2n), также известные как циклоалканы.

Поскольку они насыщены, они относительно неактивны, как парафины. Нафтены являются желательными соединениями для производства ароматических веществ и высококачественных базовых запасов смазочных масел.

Ароматические соединения

Не имеют отношения к запаху  и является понятием, характеризующим структурные молекулы. Термин устоялся из-за приятного запаха этих веществ.

Ароматические соединения часто называемые бензолами, химически очень активны по сравнению с другими группы углеводородов. Их общая формула (CnH2n-6) при n ≥ 6.

Эти углеводороды подвергаются воздействию кислорода с образованием органических кислот.

Ароматические вещества также могут быть получены дегидрированием нафтенов в присутствии платинового катализатора.

Низшие ароматические соединения, такие как бензол, толуол и ксилолы, являются хорошими растворителями и инициаторами для многих нефтехимических продуктов.

Ароматические вещества из нефтепродуктов могут быть отделены экстракцией растворителями, такими как фенол, фурфурол и диэтиленгликоль.

Виды углеводородов в сырой нефти
Тип углеводородов Отличительная черта Основные углеводороды Особенности
Парафины (алканы) Прямая углеродная цепь Метан, этан, пропан, бутан, пентан, гексан Температура кипения увеличивается по мере того, как число атомов углерода увеличивается. С количеством углерода 25-40 % парафины становится восковыми.
Изопарафины (изоалканы) Разветвленная углеродная цепь. Изобутан, изопентан, неопентан, изооктан Число возможных изомеров возрастает в геометрической прогрессии по мере увеличения количества углерода атомы увеличиваются.
Олефины (алкены) Одна пара углеродистых атомов Этилен, пропилен, этен, пропен, бутен, пентен, гексен Общая формула CnH2n. Олефины не  присутствуют в сырой нефти, но образуются во время процесса.
Нежелательно в готовом продукте из-за их высокой реактивности. Низкая молекулярная масса олефинов имеет хорошие антидетонационные свойства.
Циклоалканы

(полиметиленовые углеводороды)

Насыщенные углеводороды

содержат замкнутый углеродный цикл.

Циклопентан, метил-циклопентан, диметилциклопентан циклогексан, 1,2-диметилциклогексан Общая формула  CnH2n, имеющая циклическое строение. Средняя сырая нефть содержит около 50  % нафтенов. Нафтены-скромно хорошие компоненты бензина.
Ароматические или арены 6 атомов углерода в кольце с тремя вокруг Бензол, толуол, ксилол, этилбензол, кумол, нафталин Ароматические вещества нежелательны в керосине и смазочном масле. Бензол является канцерогеном, следовательно, нежелательная часть бензина.

Неуглеводороды или гетероатомные соединения

Общие гетероатомы в углеводородах – это атомы серы, кислорода, азота и металлов.

Соединения серы

Соединения серы присутствуют в сырой нефти в виде меркаптанов органических веществ, сернистые аналоги спиртов, имеющие общую формулу RSH, где R — углеводородный радикал Примерами циклических соединений серы являются тиофены и бензотиофены.

Газ сероводород

Газ сероводород (H2S) связан с сырой нефтью в растворенном виде и выделяется при нагревании. H2S вызывает коррозию при высоких температурах и в присутствии влаги.

Сырая нефть, содержащая большое количество H2S, называется кислой сырой нефтью. Сера, присутствующая в нефтяных топливных продуктах, также образует различные оксиды серы (SOx) при горении, которые являются сильными загрязнителями окружающей среды. H2S может быть удален из газов путем абсорбции в растворе с производными аммиака.

В легких дистиллятах сера может присутствовать в виде H2S, меркаптанов и тиофенов, но в более тяжелых фракциях сырой нефти 80-90% серы обычно присутствует в сложной кольцевой структуре углеводородов. В этой комбинации атом серы стабилен и не реагирует. В результате сера из более тяжелой нефти не может быть удалена без разрушительной реакции, такой как тяжелые термические или каталитические реакции.

В настоящее время сера извлекается при рафинировании и продается в виде продукта. Сера также оказывает отравляющее действие на различные катализаторы.

Соединения азота

Состав сырой нефти может включать соединения азота которые обычно встречаются в более тяжелых видах.

Соединения азота ответственны за цвет и цветовую нестабильность. В общем, чем более асфальтирована нефть, тем выше в ней содержание азота. Азот в нефтяных топливах вызывает образование оксидов азота (NOx), которые также являются сильными загрязнителями атмосферы. Азот может быть удален из нефтепродукты методом каталитического гидрирования.

Соединения азота более стабильны, чем соединения серы, и поэтому их труднее удалить, даже если они присутствуют в очень низких концентрациях.

Кислородные соединения

Сырая нефть может содержать кислородсодержащие соединения, такие как нафтеновые кислоты, фенолы и крезолы, которые ответственны за коррозионную деятельность. Кислород также действует на многие катализаторы. Кислород может быть удален каталитическим гидрированием.

Избыток кислородных соединений может даже привести к взрыву.

Металлы

Металлические соединения ванадия, никеля, свинца, мышьяка и др., также содержатся в сырой нефти.

Ванадий и никель встречаются в виде металлоорганических соединений в основном в более тяжелых фракциях сырой нефти, где атомы металлов распределены внутри соединения в сложной форме, называемой порфиринами.

Нефтяное топливо, содержащее эти металлические соединения, может повреждать горелки, трубопроводы и стенки камер сгорания.

Почему состав сырой нефти так важен?

  1. При обсуждении важно отметить, что состав сырой нефти имеет тенденцию диктовать использование очищенного продукта. Горючая жидкость обычно измеряется в объеме, и для некоторых составов нефти нецелесообразно перерабатывать её в топливо.
  2. Более легкая, менее плотная композиция сырой нефти с соединением, содержащим более высокий процент углеводородов, гораздо более выгодна в качестве источника топлива. В то время как другие, более плотные нефтяные композиции с менее горючим уровнем углеводородов и серы являются дорогостоящими для переработки в топливо и поэтому более пригодны для производства пластмасс и других применений.
  3. К сожалению, мировые запасы ископаемого топлива сильно истощены, и нефтеперерабатывающие заводы вынуждены перерабатывать все больше и больше тяжелой нефти и битума.
  4. В некоторых случаях в процессе рафинирования необходимо удалить углерод и добавить водород, что является дополнительным дорогостоящим этапом процесса рафинирования. Это изменение связано с этим рост затрат на переработку и напрямую влияет на цены нефтепродуктов во всем мире.
Неуглеводороды Состав веществ Особенность
Соединения серы Сероводород, меркаптаны Нежелательно из-за неприятного запаха от 0,5% до 7%
Соединения азота Хинолин, пиридин, пиррол, индол, карбазол Наличие азота в бензине и керосине ухудшает цвет продукта при воздействии солнечных лучей.
Кислородные соединения Нафтеновые Кислоты, фенолы Эти кислоты вызывают коррозию на различных стадиях переработки и вызывают загрязнение окружающей среды