Состав топлив и масел из нефти.

Нефть - основное сырье для производства топлив, масел и синтетических материалов (каучук, пластмассы и др. синтетические волокна).

Топлива и масла получают путем переработки нефти. Среди них – прямая перегонка, термический и каталитический крекинг, гидрокрекинг, а также риформинг. С самого начала развития нефтеперерабатывающей промышленности до сегодняшнего дня получили распространение процессы прямой перегонки нефти.

Сырьевая база. Мировые энергетические потребности на 32 % удовлетворяются за счет нефти, а на транспорте нефть и нефтепродукты практически незаменимы. Ежегодно сжигается более 3 миллиардов тонн нефти. При этом для сжигания 1 кг углеводородного топлива необходимо 15 кг воздуха. Значительный «вклад» в данный негативный процесс вносят автомобили, численность которых составляет около 700 млн. шт. (прогнозируется к 2020 году – 1,1 млрд. шт.).

Нефть представляет собой вязкую, несколько маслянистую жидкость от черного до бурого цвета, иногда с красноватым, зеленоватым, оранжевым оттенком; обычно она темно-бурого цвета. Плотность нефти колеблется от 650 до 1040 кг/м³, в результате чего различают легкие (плотность до 850), средние (850 – 900) и тяжелые (свыше 900) нефти. Теплота сгорания составляет 43,7 – 46,2 МДж/кг.

В химическом отношении нефть представляет собой сложную жидкость, состоящую в основном из углеводородов, т. е. соединений углерода с водородом. Суммарное содержание углерода и водорода в нефти – около 97–98 % (по весу), в том числе углерода 82–87 % и водорода 11,5–14,5 %. Кроме углеводородов в состав нефти в незначительных количествах входят химические соединения (примеси), содержащие кислород, серу и азот. Кислорода, серы и азота в нефти обычно 2–3 % (по весу), в том числе кислорода 0,05–1 %, серы 0,1–7 %, азота 0,001–1,8 %.

Нефть, таким образом, делится на углеводородный и элементарный составы, которые показывают процентное содержание углеводородов и химических элементов.

Таблица 2

Запасы энергетических полезных ископаемых

По химическому составу все углеводороды нефти подразделяют на следующие группы (ряды): парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены) либо бензольные.

Парафиновые углеводороды присутствуют в нефти в количестве 30–35 %, однако в некоторых случаях их содержание превышает 50 %.Они относятся к насыщенным (атомы углерода в молекулах соединяются между собой одинарной валентной связью), имеют цепную структуру и общую эмпирическую формулу – С_nН_2n+2. Входящие в этот ряд метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈) и бутан (С₄Н₁₀) при нормальных условиях, т. е. при давлении 760 мм рт. ст. (0,1 МПа) и температуре 0 °С, находятся в газообразном состоянии.

Парафиновые углеводороды с С₅Н₁₂ до С₁₅Н₃₂ при нормальных условиях находятся в жидком состоянии, а начиная с C₁₆H₃₄ – в твердом состоянии. С повышением их молекулярного веса увеличиваются температуры кипения, плавления и плотность. Парафиновые углеводороды в условиях, близких к нормальным, обладают повышенной химической стойкостью. При возрастании температуры и давления высокомолекулярные парафиновые углеводороды легко расщепляются, образуя более легкие углеводороды.

Изомерные парафиновые углеводороды (имеющие одинаковую формулу, но различное строение) улучшают качество бензинов (детонационную стойкость), а нормальные – качество дизельных топлив (самовоспламеняемость).

Нафтеновые углеводороды присутствуют в нефтепродуктах в значительных количествах от 25 до 75 %. Они имеют циклическую структуру (пять или шесть атомов углерода в кольце) с общей формулой С_nН_2n, обладают большей стойкостью против окисления при высоких температурах, чем нормальные парафиновые углеводороды, и имеют более высокую температуру кипения.

Присутствие легких нафтеновых углеводородов желательно в автомобильных топливах для карбюраторных двигателей, а нафтеновые углеводороды с более сложной структурой (имеющие длинные боковые цепи) улучшают качество смазочных масел, в частности, понижают их температуру застывания и позволяют материалам долго храниться без изменения своих свойств.

Ароматические углеводороды также относятся к циклическим углеводородам. Нефть содержит 10–20 % ароматических углеводородов, которые обычно представлены бензолом (С₆Н₆), его гомологами и производными нафталина. Их общая формула С_nН_2n–6.

Ароматические углеводороды обладают высокими антидетонационными качествами и хорошей химической стойкостью при повышенной температуре. Их присутствие желательно в бензине и в то же время нежелательно в дизельном топливе.

Кроме того, в состав автомобильного топлива могут входить олефиновые (алкены) и диолефиновые (алкадиены) углеводороды. Олефиновые (С_nН_2n) и диолефиновые (С_nН_2n–2) углеводороды либо непредельные имеют цепную структуру, но являются ненасыщенными (атомы углерода в молекулах соединены между собой двойной валентной связью). Простейшие углеводороды олефиновой группы – этилен (С₂Н₄), а диолефиновой группы – пропадиен (С₃Н₄).

Данные углеводороды в нефти не содержатся, но образуются в значительных количествах при переработке нефти. Их присутствие в автомобильном топливе нежелательно, поскольку они неустойчивы и вступают в реакции присоединения, тем самым снижают химическую стабильность бензинов.

Наряду с углеводородами нефть содержит различные сернистые соединения, органические кислоты, азотистые соединения, а также асфальто-смолистые вещества, большинство из которых образовалось в результате взаимодействия с кислородом воздуха.

Наличие органических кислот, получивших название нафтеновых, и сернистых соединений способствует коррозии металлических изделий. Особенностью асфальто-смолистых веществ является склонность к отложениям и повышенным нагарам, а также они придают нефти и нефтепродуктам темный цвет.

Сера по коррозионному воздействию на металл подразделяется на активную (непосредственно вызывающую коррозию – сера (S), меркаптан (R-S-H), сероводород (H₂S)) и неактивную (непосредственно коррозию не вызывающую – сульфиды (соли сероводородной кислоты)). По наличию серы нефть делится на малосернистую (до 0,5 %) и сернистую (свыше 0,5 %).

Наличие некоторых сернистых соединений в нефти и нефтепродуктах придает им специфический неприятный (сероводородный) запах.

Азот содержится в малых количествах преимущественно в тяжелых фракциях нефти. На качество нефтепродуктов азот существенного влияния не оказывает [1, 2, 3].

Истощение нефтяных месторождений и постоянный рост стоимости получаемого топлива привели к тому, что на транспорте стали широко использовать природный и попутный (растворенный в нефти) газы.

Общие запасы России и стран СНГ – более 48 трлн м³, что составляет 1/3 часть мировых запасов. В объемном же исчислении запасы природного газа представлены в таблице 2.

Различают три типа газовых месторождений:

- газовое – газы при обычном давлении и температуре содержат небольшие примеси жидких углеводородов; основные компоненты газа – метан СН₄ (до 98 % объема), этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈ и бутаны С₄Н₁₀ (углеводороды С₁ – С₄);

- газоконденсатные (кроме углеводородов С₁ – С₄) – содержат переменное количество жидких предельных углеводородов, при выходе из скважины на поверхность они конденсируются в виде жидкости; газы по составу близки к природному газу, а конденсат содержит изомеры пентанов С₅Н₁₂, гексанов С₆Н₁₄, гептанов С₇Н₁₆, октанов С₈Н₁₈ (углеводороды С₅ – С₈) и более высококипящие углеводороды;

- залегающий рядом с нефтью, но не растворенный в ней. Состав газа близок к газоконденсатному.

Кроме того, в состав природного газа в незначительном количестве входят азот, диоксид углерода, гелий, аргон.

В настоящее время другими источниками сырья не нефтяного происхождения для получения автомобильных топлив служат каменный и бурый уголь, состоящий из углерода до 75 ÷ 95 %, минеральных примесей и влаги; торф, состоящий (%) из углерода (50 ÷ 60), водорода (4,5 ÷ 6,5), азота (0,8 ÷ 2,9), кислорода (31 ÷ 60), серы (0,1 ÷ 1,5); сланцы (осадочные породы, пропитанные горючими органическими веществами сапролевого типа (до 60 ÷ 80 %)); биомасса, а также водород [2, 6, 15].