В зависимости от состава в широком диапазоне изменяются физические и химические свойства нефти. Меняется консистенция нефти от легкой, насыщенной газами, до густой тяжелой смолообразной. Соответственно и цвет нефти меняется от светлого до темно-красного и черного. Эти свойства зависят от преобладания в составе нефти низкомолекулярных легких углеводородных соединений, либо тяжелых сложно построенных высокомолекулярных соединений.

С химической точки зрения состав нефти и газа очень прост. Основными элементами, образующими нефть и газ, являются углерод – С и водород – Н. Содержание углерода в нефтях – 83 – 89 %, содержание водорода – 12 – 14 %. В небольших объемах в нефтях содержатся сера – S, азот – N и кислород – О. Углерод и водород присутствуют в нефти в виде множества соединений, называемых углеводородами.

Нефть представляет собой горючую маслянистую подвижную жидкость от светло–желтого до темно–красного, коричневого и черного цвета, состоящую из смеси различных углеводородных соединений. В природе нефть очень разнообразна по своему качеству, удельному весу и консистенции: от весьма жидкой и летучей до густой смолообразной.

Известно, что химические элементы соединяются между собой в определенных соотношениях согласно их валентности. Например, молекула воды – Н 2 О состоит из двух атомов водорода, имеющих валентность – 1, и одного двухвалентного атома кислорода.

Самым простым по химическому составу углеводородным соединением является метан – СН 4 . Это горючий газ, являющийся главным компонентом всех природных горючих газов.

Следующим за метаном соединением является этан – С 2 Н 6 ,

Затем, пропан — С 3 Н 8 ,

бутан — С 4 Н 10 , пентан – С 5 Н 12 , гексан – С 6 Н 14 и т.д.

Как отмечалось выше, начиная с пентана, газообразные углеводороды переходят в жидкие, т.е. в нефть. Формула пентана продолжает тот же непрерывный ряд углеводородных соединений, относящихся к группе метановых.

В этой группе все связи углерода задействованы, т.е. использованы на соединение с атомами водорода. Такие соединения называются предельными или насыщенными. Они нереакционноспособные, т.е. не способны присоединять к своей молекуле молекулы других соединений.

Углерод в соединении с водородом способен образовывать бесчисленное множество углеводородных соединений, различающихся своим химическим строением, а, следовательно, и свойствами.

Различают три основные группы углеводородных соединений:

Первая группа – метановые (или алканы ). Их общая формула С n H 2n+2 . Именно об этой группе соединений говорилось выше.

Они являются полностью насыщенными, т.к. все валентные связи использованы. Поэтому химически они наиболее инертны, не способные к химическим реакциям с другими соединениями. Углеродные скелеты алканов представляют собой либо линейные (нормальные алканы), либо разветвленные цепи (изоалканы).

Вторая группа – нафтеновые (или цикланы ). Их общая формула СnH2n. Их основные признаки – наличие пяти – или шестичленного кольца из атомов углерода, т.е. они образуют в отличие от метановых замкнутую циклическую цепь (отсюда — цикланы):

Это тоже насыщенные (предельные соединения). Поэтому в реакции они практически не вступают.

Третья группа – ароматические (или арены ). Их общая формула С n H 2n-6 . Они образованы шестичленными циклами, основанными на так называемом ароматическом ядре бензола – С 6 Н 6 . Их отличительная особенность – наличие двойных связей между атомами.

Среди ароматических углеводородов выделяются моноциклические, бициклические (т.е. сдвоенные кольца) и полициклические, образующие многокольцевые соединения типа пчелиных сот.

Углеводороды, в том числе нефть и газ, не являются веществами определенного и постоянного химического состава. Они представляют сложную природную смесь газообразных, жидких и твердых углеводородных соединений метанового, нафтенового и ароматических рядов. Но это не простая смесь, а система сложного углеводородного раствора, где растворителем являются легкие углеводороды, а растворенными веществами – прочие высокомолекулярные соединения, включая смолы и асфальтены, т.е. даже и неуглеводородные соединения, входящие в состав нефтей.

Раствор от простой смеси отличается тем, что входящие в него компоненты способны химически и физически взаимодействовать, приобретая при этом новые свойства, которые не были присущи исходным соединениям.

Плотность

В ряду физических свойств нефти плотность или удельный вес является важнейшим. Этот показатель зависит от молекулярного веса слагающих ее компонентов, т.е. от преобладания в составе нефти легких или тяжелых углеводородных соединений, от наличия смолистых примесей, асфальтенов и растворенного газа.

Плотность нефти изменяется в широких пределах от 0,71 до 1,04 г/см 3 . В пластовых условиях за счет большого объема растворенного в нефти газа плотность ее в 1,2 – 1,8 раза меньше, чем в поверхностных условиях после ее дегазации. В зависимости от плотности выделяют следующие классы нефтей:

• Очень легкие (до 0,8г/см 3);
• Легкие (0,80-0,84г/см 3)
• Средние (0,84-0,88г/см 3)
• Тяжелые (0,88-0,92г/см 3)
• Очень тяжелые (более 0,92г/см 3)

Вязкость

Вязкость нефти – это свойство оказывать сопротивление перемещению частиц нефти относительно друг друга в процессе ее движения. Вязкость определяет степень подвижности нефти. Измеряется вязкость с помощью прибора – вискозиметра. В системе СИ измеряется в миллипаскалях в секунду (мПа с), в системе СГС — Пуаз, г/(см с).

Существует два вида вязкости: динамическая и кинематическая. Динамическая взякость характеризует собой силу сопротивления перемещению слоя жидкости площадью в 1см2 на 1см со скоростью 1см/сек. Кинематическая вязкость представляет собой свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой с учетом силы тяжести.

Динамическая вязкость определяется по формуле:

где: А — площадь перемещающихся слоёв жидкости (газа); F — сила, необходимая для поддержания разницы скоростей движения между слоями на величину dv; dy — расстояние между движущимися слоями жидкости (газа); dv — разность скоростей движущихся слоёв жидкости (газа).

Кинематическая вязкость также используется в расчетах, она определяется по следующей формуле:

где: μ — динамическая вязкость; ρ — плотность нефти при температуре определения.

В поверхностных условиях нефти делятся на:

1. маловязкие – до 5 мПа с;
2. повышенной вязкости — от 5 до 25 мПа с;
3. высоковязкие – более 25 мПа с.

Меньшей вязкостью обладают легкие нефти, а большей – тяжелые. В пластовых условиях вязкость нефти в десятки раз меньше, чем той же нефти на поверхности после ее дегазации, что связано с ее очень высокой газонасыщенностью в недрах. Это свойство имеет большое значение при формировании залежей углеводородов, т.к. определяет масштабы миграции.

Величина обратная вязкости характеризует текучесть жидкости φ:

1. Малосернистые – до 0,5 %;
2. Сернистые — от 0,5 до 2,0 %;
3. Высокосернистые – более 2 %.

Парафинистость нефти

Это еще одно важное свойство нефти, влияющее на технологию ее добычи и транспортировки по трубопроводам. Парафинистость возникает в нефтях за счет содержания в них твердых компонентов – парафинов (от С 17 Н 36 до С 35 Н 72) и церезинов (от С 36 Н 74 до С 55 Н 112).

Содержание их достигает иногда от 13 до 14 %, а на месторождении Узень в Казахстане – 35 %. Высокое содержание парафина чрезвычайно затрудняет добычу нефти, т.к. при вскрытии пласта и подъема нефти по трубам происходит непрерывное снижение давления и температуры. При этом парафин способен кристаллизоваться и выпадать в твердый осадок, парафинируя как поры в самом пласте, так и стенки НКТ, задвижек и всего технологического оборудования. Чем ближе температура кристаллизации парафина к температуре пласта, тем скорее и интенсивнее наступает процесс парафинизации.

1. Малопарафинистые – менее 1,5 %;
2. Парафинистые – от 1,5 до 6,0 %;
3. Высокопарафинистые – более 6,0 %.

Газосодержание

Газовый фактор может достигать 300 – 500 м 3 /т, но чаще – в пределах 30 – 100 м 3 /т. Встречается и менее — 8 – 10 м 3 /т, например, тяжелые нефти Ярегского месторождения Ухтинского района имеют газовый фактор 1 – 2 м 3 /т.

Давление насыщения

Давление насыщения (или начала парообразования) – это давление, при котором газ начинает выделяться из нефти. В природных условиях давление насыщения может быть равным пластовому или меньше его.

В первом случае весь газ будет растворен в нефти, а нефть — насыщена газом. Во втором случае нефть будет недонасыщена газом.

Сжимаемость

Сжимаемость нефти обусловлена ее упругостью и измеряется коэффициентом сжимаемости – β Н.

где V – исходный объем нефти, м 3 ;

∆V – изменение объема нефти, м 3 ;

∆р – изменение давления, МПа.

Коэффициент сжимаемости характеризует величину изменения объема пластовой нефти при изменении давления на 0,1 МПа. Этот коэффициент учитывается на ранних стадиях разработки, когда упругие силы жидкостей и газов еще не растрачены и поэтому играют заметную роль в энергетике пласта.

где Δt 0 — изменение температуры на 1 0 С.

Коэффициент теплового расширения показывает, на какую часть первоначального объема изменяется объем нефти при изменении температуры на 1 0 С. Этот коэффициент используется при проектировании и применении тепловых методов воздействия на пласт.

Объемный коэффициент нефти

Этот коэффициент показывает, какой объем занимает в пластовых условиях 1м 3 дегазированной нефти за счет насыщения ее газом.

где b Н – объемный коэффициент пластовой нефти, доли единицы;

V пл – объем нефти в пластовых условиях, м 3 ;

V дег – объем той же нефти в поверхностных условиях после ее дегазации, м 0 ;

ρ пов – плотность нефти в поверхностных условиях, т/м 3 ;

ρ пл – плотность нефти в пластовых условиях, т/м 3 .

Объемный коэффициент нефти обычно больше 1, как правило, находится в пределах 1,2–1,8, но иногда достигает 2–3 единиц. Объемный коэффициент используется при подсчете запасов и при определении коэффициента нефтеотдачи пласта.

Усадка нефти и пересчетный коэффициент По объемному коэффициенту можно определить усадку нефти при извлечении ее на поверхность – И, а также пересчетный коэффициент — Θ.

Последний используется в формуле подсчета запасов объемным методом. Пересчетный коэффициент Θ – есть величина обратная объемному коэффициенту – b H .

Как видно, эта формула представляет собой перевернутую формулу объемного коэффициента. Именно она учитывает уменьшение объема нефти (ее усадку) при переходе от пластовых условий к поверхностным.

Температура застывания нефти

Температура застывания — это та температура, при которой охлажденная в пробирке нефть не меняет свой уровень при наклоне в 45º. Температура застывания и плавления нефтей разнообразна. Обычно нефть залегает в пласте в жидком состоянии, но, некоторые из них густеют даже при небольшом охлаждении. Температура застывания растет одновременно с возрастанием содержания в ней твердых парафинов и уменьшением содержания смол. Смолы оказывают противоположный эффект — с увеличением их содержания температура застывания уменьшается.

Оптические свойства нефти

Оптическая активность выражается в способности нефти вращать плоскость поляризованного луча света вправо (редко влево). Оптически активные вещества образуются при жизнедеятельности организмов, и оптическая активность нефти свидетельствует о ее генетической связи с биологическими системами. Основными носителями оптической активности в нефти являются ископаемые молекулы животного и растительного происхождения — хемофоссилии. Нефти из более древних отложений менее оптически активны по сравнению с нефтями из более молодых пород.

Нефти светятся при облучении ее ультрафиолетовыми лучами, т.е обладают способностью к люминесценции. Люминесцируют смолы в не люминесцирующих в основном соединениях — углеводородах. Люминесцирующие вещества имеют определенные спектры цветов люминесценции (бурые, голубые, желтые и др.) и интенсивность свечения, зависит от концентрации. Легкие нефти имеют голубой и синий цвета люминесценции, тяжелые — желтый и желто-бурый.

Знание химического состава природных нефтяных систем служит отправной точкой для прогнозирования их фазового состояния и свойств фаз при различных термобарических условиях, соответствующих процессам добычи, транспортировки и переработки нефтяных смесей. Тип смеси - нефть, газоконденсат или газ - также зависит от ее химического состава и сочетания термобарических условий в залежи. Химический состав определяет возможное состояние компонентов нефтяных систем при данных условиях - молекулярное или дисперсное.

;Нефтяные системы отличаются многообразием компонентов, способных находиться в молекулярном или дисперсном состоянии в зависимости от внешних условий. Среди них встречаются наиболее и наименее склонные к различного рода межмолекулярным взаимодействиям (ММВ), что в итоге обусловливает ассоциативные явления и исходную дисперсность нефтяных систем при нормальных условиях.

Химический состав для нефти различают как элементный и вещественный.

Основными элементами состава нефти являются углерод (83,5-87 %) и водород (11,5-14 %). Кроме того, в нефти присутствуют:

• сера в количестве от 0,1 до 1-2 % (иногда ее содержание может доходить до 5-7 %, во многих нефтях серы практически нет);
• азот в количестве от 0,001 до 1 (иногда до 1,7 %);
• кислород (встречается не в чистом виде, а в различных соединениях) в количестве от 0,01 до 1 % и более, но не превышает 3,6 %.

Из других элементов в нефти присутствуют - железо, магний, алюминий, медь, олово, натрий, кобальт, хром, германий, ванадий, никель, ртуть, золото и другие. Однако, содержание их менее 1 %.

В вещественном плане нефть в основном состоит из углеводородов и гетероорганических соединений.

Углеводороды

Углеводороды (УВ) представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов:

Алканы

Алканы или парафиновые углеводороды – насыщенные (предельные) УВ с общей формулой C n H 2n+2 . Содержание их в нефти составляет 2 - 30-70 %. Различают алканы нормального строения (н-алканы - пентан и его гомологи), изостроения (изоалканы - изопентан и др.) и изопреноидного строения (изопрены – пристан , фитан и др.).

В нефти присутствуют газообразные алканы от С 1 до С 4 (в виде растворённого газа), жидкие алканы С 5 – С 16 , составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы состава С 17 – С 53 и более, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и известны как твёдые парафины. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях, но обычно в небольших количествах - от десятых долей до 5 % (масс.), в редких случаях - до 7-12 % (масс.).

В нефти присутствуют всевозможные изомеры алканов: моно-, ди-, три - , тетразамещенные. Из них превалируют в основном монозамещенные, с одним разветвлением. Метилзамещенные алканы по степени убывания располагаются в ряд: 2-метилзамещенные алканы > 3-метилзамещенные алканы > 4-метил-замещенные алканы.

К 60-м годам относится открытие в нефтях разветвленных алканов изопреноидного типа с метальными группами в положениях 2, 6, 10, 14, 18 и т. д. Обнаружено более двадцати таких УВ в основном состава С 9 -С 20 . Наиболее распространенными изопреноидными алканами в любых нефтях являются фитан С 20 Н 42 и пристан С 19 Н 40 , содержание которых может доходтить до 1,0 -1,5 % и зависит от генезиса и фациальной обстановки формирования нефтей.

Таким образом, алканы в различных пропорциях входят в состав всех природных смесей и нефтепродуктов, а их физическое состояние в смеси - в виде молекулярного раствора или дисперсной системы - определяется составом, индивидуальными физическими свойствами компонентов и термобарическими условиями.

Циклоалканы

Циклоалканы или нафтеновые углеводороды – насыщенные алициклические УВ. К ним относятся моноциклические с общей формулой C n H 2n , бициклические – C n H 2n-2 , трициклические – C n H 2n-4 , тетрациклические – C n H 2n-6 .

По суммарному содержанию циклоалканы во многих нефтях преобладают над другими классами УВ: их содержание колеблется от 25 до 75 % (масс.). Они присутствуют во всех нефтяных фракциях. Обычно их содержание растет по мере утяжеления фракций. Общее содержание нафтеновых углеводородов в нефти растёт по мере увеличения ее молекулярной массы. Исключение составляют лишь масляные фракции, в которых содержание циклоалканов падает за счет увеличения количества ароматических углеводородов.

Из моноциклических УВ в нефти присутствуют в основном пяти- и шестичленные ряды нафтеновых УВ . Распределение моноциклических нафтенов по нефтяным фракциям, их свойства изучены гораздо более полно по сравнению с полициклическими нафтенами, присутствующими в средне- и высококипящих фракциях. В низкокипящих бензиновых фракциях нефтей содержатся преимущественно алкилпроизводные циклопентана и циклогексана [от 10 до 86 % (масс.)], а в высококипящих фракциях - полициклоалканы и моноциклоалканы с алкильными заместителями изопреноидного строения (т.н. гибридные УВ).

Из полициклических нафтенов в нефтях идентифицировано только 25 индивидуальных бициклических, пять трициклических и четыре тетра- и пентациклических нафтена. Если в молекуле несколько нафтеновых колец, то последние, как правило, сконденсированы в единый полициклический блок.

Бицикланы С 7 -С 9 чаще всего присутствуют в нефтях ярко выраженного нафтенового типа, в которых их содержание достаточно высоко. Среди этих углеводородов обнаружены (в порядке убывания содержания): бициклеоктан (пенталан), бициклооктан, бициклооктан, бициклононан (гидриндан), бициклогептан (норборнан) и их ближайшие гомологи. Из трицикланов в нефтях доминируют алкилпергидрофенантрены .

Тетрацикланы нефти представлены главным образом производными циклопентано-пергидрофенантрена - стеранами .

К пентацикланам нефтей относятся углеводороды ряда гопана, лупана, фриделана .

Достоверных сведений об идентификации полициклоалканов с большим количеством циклов нет, хотя на основе структурно-группового и массспектрального анализа можно высказать предположения о присутствии нафтенов с числом циклов, большим пяти. По некоторым данным, высококипящие нафтены содержат в молекулах до 7-8 циклов.

Различия в химическом поведении циклоалканов часто обусловлены наличием избыточной энергии напряжения. В зависимости от размеров цикла циклоалканы подразделяют на малые С 3 , С 4 - хотя циклопропан и циклобутан в нефтях не обнаружены), нормальные (С 5 -С 7 ), средние (C 8 -С 11 ) и макроциклы (от C 12 и более). В основе этой классификации лежит зависимость между размером цикла и возникающими в нем напряжениями, влияющими на стабильность. Для циклоалканов и, прежде всего, для их различных производных, характерны перегруппировки с изменением размеров цикла. Так, при нагревании циклогептана с хлоридом алюминия образуется метилциклогексан, а циклогексан при 30-80°С превращается в метилциклопентан. Пяти- и шестичленные углеродные циклы образуются гораздо легче, чем меньшие и большие циклы. Поэтому в нефтях встречается гораздо больше производных циклогексана и циклопентана, чем производных других циклоалканов.

На основе исследования вязкостно-температурных свойств алкилзамещенных моноциклогексанов в широком интервале температур выяснено, что заместитель по мере его удлинения уменьшает среднюю степень ассоциации молекул. Циклоалканы , в отличие от н-алканов с таким же числом углеродных атомов, находятся в ассоциированном состоянии при более высокой температуре.

Арены

Арены или ароматические углеводороды - соединения, в молекулах которых присутствуют циклические углеводороды с π–сопряжёнными системами. Содержание их в нефти изменяется от 10-15 до 50 %(масс.). К ним относятся представители моноциклических: бензол и его гомологи (толуол, о-, м-, п-ксилол и др.), бициклические: нафталин и его гомологи, трициклические: фенантрен, антрацен и их гомологи, тетрациклические: пирен и его гомологи и другие.

На основе обобщения данных по 400 нефтям показано, что наибольшие концентрации аренов (37 %) характерны для нефтей нафтенового основания (типа), а наименьшие (20 %) - для нефтей парафинового типа. Среди нефтяных аренов преобладают соединения, содержащие не более трех бензольных циклов в молекуле. Концентрации аренов в дистиллятах, кипящих до 500°С, как правило, снижаются на один-два порядка в следующем ряду соединений: бензолы >> нафталины >> фенантрены >> хризены >> пирены >> антрацены .

Общей закономерностью является рост содержания аренов с повышением температуры кипения. При этом арены высших фракций нефти характеризуются не большим числом ароматических колец, а наличием алкильных цепей и насыщенных циклов в молекулах. В бензиновых фракциях обнаружены все теоретически возможные гомологи аренов C 6 -C 9 . Углеводороды с малым числом бензольных колец доминируют среди аренов даже в самых тяжелых нефтяных фракциях. Так, по экспериментальным данным моно-, би-, три-, тетра- и пентаарены составляют соответственно 45-58, 24-29, 15-31, 1,5 и до 0,1 % от массы ароматических углеводородов в дистиллятах 370-535°С различных нефтей.

Моноарены нефтей представлены алкилбензолами. Важнейшими представителями высококипящих нефтяных алкилбензолов являются УВ, содержащие в бензольном ядре до трех метильных и один длинный заместитель линейного, α-метилалкильного или изопреноидного строения. Крупные алкильные заместители в молекулах алкилбензолов могут содержать более 30 углеродных атомов.

Главное место среди нефтяных аренов бициклического строения (диарены) принадлежит прозводным нафталина, которые могут составлять до 95 % от суммы диаренов и содержать до 8 насыщенных колец в молекуле, а второстепенное - производным дифенила и дифенилалканов. В нефтях идентифицированы все индивидуальные алкилнафталины С 11 , С 12 и многие изомеры С 13 -C 15 . Содержание дифенилов в нефтях на порядок ниже содержания нафталинов.

Из нафтенодиаренов в нефтях обнаружены аценафтен, флуорен и ряд его гомологов, содержащих метальные заместители в положениях 1-4.

Триарены представлены в нефтях производными фенантрена и антрацена (с резким преобладанием первых), которые могут содержать в молекулах до 4-5 насыщенных циклов.

Нефтяные тетраарены включают углеводороды рядов хризена, пирена, 2,3- и 3,4-бензофенантрена и трифенилена.

Повышенная склонность аренов, особенно полициклических, к молекулярным взаимодействиям обусловлена низкой энергией возбуждения в процессе гомолитической диссоциации. Для соединений типа антрацена, пирена, хризена и т. п. характерна низкая степень обменной корреляции π–орбиталей и повышенная потенциальная энергия ММВ из-за возникновения обменной корреляции электронов между молекулами. С некоторыми полярными соединениями арены образуют достаточно устойчивые молекулярные комплексы.

Взаимодействие π–электронов в бензольном ядре приводит к сопряжению углерод-углеродных связей. Следствием эффекта сопряжения являются следующие свойства аренов:

• плоское строение цикла с длиной С-С-связи (0,139 нм), занимающей промежуточное значение между простой и двойной С-С-связью;
• эквивалентность всех С-С-связей в незамещенных бензолах;
• склонность к реакциям электрофильного замещения протона на различные группы по сравнению с участием в реакциях присоединения по кратным связям.

Церезины

Гибридные углеводороды (церезины) – углеводороды смешанного строения: парафино–нафтенового, парафино–ароматического, нафтено–ароматического. В основном, это твёрдые алканы с примесью длинноцепочечных УВ, содержащих циклановое или ароматическое ядро. Они являются основной составной частью парафиновых отложений в процессах добычи и подготовки нефтей.

Страница 1

Страница 2

Страница 3

Нефть - ресурс, который лежит в основе современной энергетики. Многие страны прикладывают массу усилий для поиска нового вида топлива, однако, на сегодняшний день и на ближайшее будущее именно нефтепродукты занимают эту нишу. Несмотря на то, что не один выпуск новостей не обходится без упоминания текущей цены на нефть или иных вещей, связанных с ней, очень многие люди не знают, что такое нефть на самом деле. В этом материале мы расскажем о том, какая химическая формула нефти, и из каких элементов она состоит.

История

Стоит заметить, что с нефтью человек познакомился еще во времена Вавилона. Тогда этот ресурс применялся в строительстве из-за его вяжущих качеств. В России на реке Ухте люди собрали нефть с поверхности и использовали в качестве мази. Лишь спустя века, когда были проведены серьезные исследования, человечество узнало химический состав нефти и ее истинное предназначение. Однако и сегодня на вопрос о том, из чего состоит нефть нельзя ответить односложно.

Химическая формула нефти

Формула нефти

Нефть - сложная коллоидная химическая система, состоящая из множества компонентов. Жидкая фаза нефти представляет собой жидкие углеводороды (порядка пяти сотен различных веществ). Также «черное золото» содержит полу-твердые элементы - «тяжелые» углеводороды (например, смолы), которые взвешены в жидкости.

Помимо углеводородной смеси, нефть включает в себя серу, азот, минеральные соли, воду, растворы углеводородных газов.

Стоит заметить, что сырье, добываемое из разных источников, отличается по химическому составу. Каждая нефть - уникальная система, поэтому принята классификация нефти, в зависимости от состава. Чем выше содержание легких углеводородов и меньше содержание механических примесей, серы и других побочных элементов, тем выше ценность конкретного вида «черного золота».

В химическом отношении нефть – сложная смесь углеводородов и углеродистых соединений, она состоит из следующих основных элементов: углерод (84-87 %), водород (12-14 %), кислород, азот и сера (1-2 %), содержание серы возрастает иногда до 3-5 %.

В нефти выделяют углеводородную, асфальто-смолистую части, порфирины, серу и зольную часть.

Главную часть нефти составляют три группы УВ: метановые, нафтеновые и ароматические.

Асфальто-смолистая часть нефти - это темноокрашенное вещество. Оно частично растворяется в бензине. Растворившаяся часть называется асфальтеном, нерастворившаяся - смолой. В составе смол содержится кислород до 93 % от общего его количества в нефти.

Порфирины - особые азотистые соединения органического происхождения. Считают, что они образованы из хлорофилла растений и гемоглобина животных. При температуре порфирины разрушаются.

Сера широко распространена в нефти и в углеводородном газе и содержится либо в свободном состоянии, либо в виде соединений (сероводород, меркаптаны). Количество ее колеблется от 0,1% до 5 %.

Зольная часть - остаток, получающийся при сжигании нефти. Это различные минеральные соединения, чаще всего железо, никель, ванадий, иногда соли натрия.

Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти черной) и по плотности (от легкой 0,65-0,70 , до тяжелой 0,98-1,05).

Начало кипения нефти обычно выше 280С. температура застывания колеблется от +300 до -600С и зависит, в основном, от содержания парафина (чем его больше, тем температура застывания выше). Вязкость изменяется в широких пределах и зависит от химического и фракционного состава нефти и смолистости (содержания в ней асфальто-смолистых веществ). Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии.

Нефть можно классифицировать по разным признакам.

2. По потенциальному содержанию фракций, выкипающих до 3500С

3. По потенциальному содержанию масел

4. По качеству масел

Сочетание обозначений класса, типа, группы, подгруппы и вида составляет шифр технологической классификации нефти.

В зависимости от месторождения нефть имеет различный качественный и количественный состав. Так, например, бакинская нефть богата циклопарафинами и сравнительно бедна предельными углеводородами. Значительно больше предельных углеводородов в грозненской и ферганской нефти. Пермская нефть содержит ароматические углеводороды.

Как известно каждому школьнику, без нефти и нефтепродуктов было бы совершенно невозможно нормальное развитие нашей цивилизации, ведь на получаемых из нефти различных видах топлива ездят автомобили, летают самолеты. Огромное количество различных средств передвижения и всевозможного оборудования (например, передвижные электростанции) сегодня работает на нефтепродуктах. Однако далеко не все знают химический состав нефти и некоторые ее физические свойства. И чтобы восполнить данный пробел, мы и подготовили для вас эту статью. А начнем с общих сведений о нефти.

Общая информация

Нефть - это добываемая в природе горючая маслянистая жидкость, которая состоит из довольно сложной смеси различных органических соединений, в частности - углеводородов. В зависимости от места добычи химический состав нефти может меняться, что влечет за собой и изменение цвета этой горючей жидкости. Нефть может быть и почти черной, и красно-коричневой, и зеленовато-желтой и даже совсем бесцветной. Также нефть отличается специфическим запахом. В природе нефть залегает на глубине от нескольких десятков метров до нескольких километров. Так, на некоторых скважинах нефть выкачивается с глубины до 2-3 км. Подавляющее большинство залежей нефти в земле располагается на глубине от 1 до 3 км. Также нефть может залегать и на малой глубине и даже естественным образом выходить на поверхность. Правда, в этих случаях под влиянием атмосферного воздуха нефть превращается в битумы и битумные пески, а также в полутвердый асфальт и достаточно густую мальту. Далее мы будем говорить главным образом про химический и физический состав и свойства нефти. Заметим только, что с асфальтом и естественными горючими газами нефть роднит похожее химическое строение: все эти вещества в химии называют петролитами. Петролиты - это горючие вещества биологического происхождения, к которым относятся, в том числе и многие виды не только жидкого, но и твердого топлива.

Химический состав нефти

Как вы думаете, из какого количества более простых веществ состоит нефть? Из десяти? Из ста? На самом деле нефть - это смесь около тысячи (!) различных веществ, из которых приблизительно 80% составляют жидкие углеводороды (более пятисот веществ). На долю сернистых веществ в нефти (а их около двухсот пятидесяти) приходится примерно 3%. Несколько меньше кислородных (80-85) и азотистых (30) веществ. Также в нефти может содержаться до 10% воды и до 4% растворенных углеводородных газов. В состав нефти входит и некоторое количество металлосодержащих веществ с содержанием никеля и ванадия. Ну и кроме всего прочего, в нефти в различных пропорциях могут содержаться и минеральные соли, и растворы солей различных органических кислот, и, конечно же, всевозможные механические примеси.

Углеводородный состав нефти

Как вы только что узнали, наибольший процент в любой нефти составляют углеводородные соединения. В зависимости от месторождения их доля может составлять и более 80% - вплоть до 90%. Что же это за соединения? Прежде всего, так называемые нафтеновые и парафиновые. Нафтеновые к объему всего углеводорода составляют от 25 до 70%, а парафиновых может содержаться от 30 до 50%. Также в составе нефти представлены и ароматические углеводородные соединения, и гибридные: нафтено-ароматические, парафино-нафтеновые и другие. Кстати, перечисленные названия соединений служат также и наименованиями для различных типов нефти. Различают парафиновые, нафтеновые, метановые, ароматические нефти (в среде нефтяников для слова «нефть» допустимо употребление множественного числа в значении «типы нефти»). Нефти дается наименование по тому классу углеводородов, которых в ней присутствует более 50%. Если же доминируют два каких-то класса (например, по 30% парафиновых и нафтеновых углеводородов), этот тип нефти получает двойное название по обоим классам. В нашем примере это парафино-нафтеновый тип. Первым в названии идет класс углеводородов, который представлен в том или ином типе нефти в несколько большем количестве. Поэтому различают, например, метано-ароматический и ароматическо-метановый тип, нафтено-ароматический и ароматическо-нафтеновый, нафтено-метановый и метано-нафтеновый и т.д.

Состав нефти по элементам

Поскольку нефть, в зависимости от своего происхождения, может иметь достаточно разнородный состав, о процентном соотношении тех или иных химических элементов в ней можно говорить весьма условно. Тем не менее, отметим, что в различных типах нефти основными составляющими элементами являются углерод, водород и сера, реже - кислород и азот. А всего же в отдельном типе нефти может быть представлено до 80 различных химических элементов. Некоторые из них присутствуют в таких микроскопических количествах, что их содержание в процентах измеряется с использованием отрицательных степеней. Так, например, содержание никеля в отдельных типах нефти колеблется от от 10 ?4 до 10 ?3 % или, если выражать это с помощью десятичной дроби: от 0,0001 до 0,001 %. То есть, в килограмме нефтепродукта может содержаться тысячная или сотая доля грамма никеля. Что касается процентного содержания углерода, то оно может колебаться от 82 до 87%. Водород содержится в нефти в количествах от 11 до 14%, а сера - от 0,01 до 8%. Также в нефти может содержаться до 1,8% азота и до 0,35% кислорода. Из серосодержащих веществ отметим присутствие тиофанов, тиофенов, меркаптанов и моно- и дисульфидов. Азотосодержащие вещества представлены пирролами, карбазолами, индолами, хинолинами, порфиринами и пиридинами, а кислородосодержащие - фенолами, нафтеновыми кислотами и смолисто-асфальтеновыми веществами.

Физический состав нефти

Точнее, речь здесь пойдет о ее физических свойствах. В зависимости от химического состава нефть имеет большое количество оттенков цвета. Как правило, цвет нефти колеблется от темного бурого, почти черного до светло-коричневого, практически прозрачного оттенка. Однако встречаются типы нефти даже изумрудного оттенка, а также красно-коричневого цвета. Молекулярная масса нефти может колебаться от 200 до 450 г/моль вещества. Плотность нефти обычно колеблется в пределах от 0,7 до 1 г на кубический см. По плотности нефть делится на легкую (0,83 и ниже), среднюю (0,83-0,86) и тяжелую (от 0,86). Также следует отметить, что плотность нефти зависит, в первую очередь, от давления и температуры вещества. Температура кипения также может различаться. Легкая нефть может закипать и при 30 градусах по шкале Цельсия, а тяжелая - от 100 и выше. Температура кристаллизации нефти целиком и полностью зависит от содержания в ней парафина. Нефть с низким содержанием парафина кристаллизуется только при очень низких температурах (до -60 градусов Цельсия), а нефти с высоким содержанием парафина иногда требуется и +30 градусов. Также нельзя не сказать про то, что нефть - это вещество, как правило, легко воспламеняемое, но, в зависимости от типа она может вспыхивать и при отрицательных температурах от -30 -35 градусов и при очень высоких - от +120 градусов. В воде нефть не растворяется, однако образует с ней устойчивые эмульсии. Что же касается обезвоживания нефти, которого требуют различные отрасли промышленности, то на сегодняшний день существует сразу несколько эффективных методов разделения нефти и воды.

Фракционный состав нефти

Это один из важнейших показателей качества нефти. При перегонке нефти от нее путем постепенного повышения температуры отделяют различные составляющие - так называемые фракции. Так, петролиевая фракция выкипает при температурах до 100 градусов по шкале Цельсия, бензиновая - до 180, лигроиновая - при температурах от 140 до 180 градусов, керосиновая - от 140 до 220 и, наконец, при температуре от 180 до 350 градусов выкипает и дизельная фракция. Бензиновые фракции называют легкими, поскольку они выкипают раньше всех, керосиновые - средними, а дизельные - тяжелыми. Остаток, который не выкипает даже при температуре 350 градусов, называется мазутом. Разогнанный под вакуумом до температуры свыше 500 градусов мазут называют гудрон. Мазут является основным компонентом для производства различных масел.