Алканы (парафиновые углеводороды).

Алканы или предельные (насыщенные) углеводороды (формула С_nН_{2n + 2}) – основная часть углеводородов нефти, они имеют наибольшее значение Н/С. В зависимости от строения алканы представлены углеводородами нормального и разветвленного типов изо-строения, свойства которых существенно различаются по ряду показателей. По физическому состоянию в нормальных условиях алканы делят на газообразные, жидкие и твердые.

Газообразные алканы с числом атомов углерода от 1 до 4-х (C₁-C₄) выделяются при добыче в виде попутного газа. Легкие углеводороды C₁-С₂ составляют основную часть природных газов.

Одним из специфических свойств газообразных алканов является способность образовывать с водой газовые гидраты – кристаллические вещества, внешне похожие на снег или рыхлый лед. Образование гидратов осложняет транспортирование природного газа из-за забивки коммуникаций, и борьба с ними ведется путем предварительной осушки газа, подогрева мест их образования, добавкой ингибиторов (спиртов, например метанола) и др.

Метан СН₄ – бесцветный нетоксичный газ без запаха и вкуса. В состав метана входит 75% углерода и 25% водорода; масса 1 м³ метана равна 0,717 кг. При атмосферном давлении и температуре –162^оС метан сжижается и его объём уменьшается почти в 600 раз. Поэтому сжиженный природный газ является перспективным энергоносителем для многих отраслей народного хозяйства.

Природный газ является в настоящее время одним из основных бытовых и экологически чистых промышленных топлив. Он используется также в качестве сырья для производства водорода и технического углерода (сажи). Природные и попутные газы представляют собой не только высококалорийное топливо, но и ценное сырьё для химической промышленности.

Углеводороды С₃-С₄ (пропан, бутан) – ценное нефтехимическое сырье для получения пластмасс, каучуков, ароматических углеводородов, спиртов и других ценных продуктов.

Быстро развивается и использование легких углеводородов в качестве моторных топлив в наземном и воздушном транспорте (в сжатом или сжиженном виде).

Пропан и бутан относятся к сжиженным углеводородным газам. Как уже отмечалось, в нормальных условиях они находятся в парах. При температуре –42,1 и –0,5⁰С соответственно и при давлении 101,3 кПа они переходят в кипящее состояние (т.е. в жидкое). Данные газы, наряду с метаном и этаном, обладают весьма высоким коэффициентом объёмного расширения и это необходимо учитывать при заполнении систем резервуаров, сохраняя требуемый объём для паровой фазы в целях обеспечения требуемых условий безопасной эксплуатации. Из табл. 1.4.1 видно, что при одном и том же повышении температуры пропан расширяется в 16,1 раз больше, чем вода, и в 3,2 раза больше, чем керосин. Бутан расширяется в 11,2 раз больше, чем вода, и в 2,23 раза больше, чем керосин.

Таблица 1.4.1Коэффициент объёмного расширения сжиженных углеводородов, керосина и воды

Жидкие алканы – это углеводороды с числом атомов углерода от С₅ (t _кип = 36 °С) до C₁₈ (t _кип = 320 °С), т.е. они входят в состав легкой части нефти (бензинокеросиновые фракции). По своему строению они делятся на алканы нормального строения и разветвленные алканы (изоалканы). Первые часто называют "нормальные парафиновые углеводороды" (НПУ) или "жидкий парафин", а вторые – "изопарафиновые углеводороды" (ИПУ).

Число изомеров резко возрастает по мере увеличения числа углеродных атомов в молекуле. Так, например, бутан С₄Н₁₀ имеет 2 изомера, углеводород С₅Н₁₂ – 3, С₆Н₁₄ – 5, С₇Н₁₆ – 9, С₁₀Н₂₂ – 75, С₁₃Н₂₈ – 802, а у С₂₀Н₄₂ – может быть 366 319 изомеров и т. д. Не все изомеры получены. Однако строение получаемых изомеров можно заранее предвидеть.

Жидкие алканы нормального строения, выделенные из нефтяных фракций, находят очень широкое применение в качестве:

технологических и бытовых растворителей (C₅-C₈);

сырья для производства белково-витаминных концентратов (С₁₀-C₁₈);

сырья для получения хлорпарафинов, используемых как полимерные компози­ции (линолеумы) и пластификаторы, для получения искусственной кожи, пленок, лаков и т.д.

Присутствие НПУ в нефтяных моторных топливах в разной мере влияет на их свойства. В бензинах их присутствие нежелательно, так как они, будучи наименее стойкими к окислению, имеют наименьшую детонационную стойкость и ухудшают моторные свойства топлива.

В авиационных керосинах их присутствие практически недопустимо из-за ухудшения низкотемпературных свойств топлива, поскольку НПУ имеют высокие температуры застывания, а в этих топливах недопустимо образование кристаллов при температурах до –60⁰С.

В дизельных топливах они желательны с точки зрения обеспечения хорошей воспламеняемости, так как у них максимальное соотношение Н/С. С другой стороны, они, как и в авиационных керосинах, повышают температуру застывания топлива и тем самым ухудшают этот важный эксплуатационный показатель. Поэтому в дизельных топливах допустимое количество НПУ определяется нормой по температуре застывания на соответствующую марку топлива. (Эта норма составляет от –10°С до –50°С.)

Жидкие ИПУ – ценнейшие компоненты всех моторных топлив, поскольку они обладают сочетанием необходимых для топлив свойств: максимальным (как и НПУ) соотношением Н/С и, соответственно, запасом энергии; низкими температурами застывания; высокой детонационной стойкостью (что важно для бензинов), хорошей воспламеняемостью (важно для дизельных топлив).

Они (как и НПУ) имеют низкую плотность, что является отрицательным качеством для авиационных топлив.

Твёрдые алканы условно начинают считать таковыми с углеродов С₁₉ или С₂₀ и до максимально возможных в нефти. Термин «твёрдые» в этом случае тоже условен, поскольку твёрдыми фактически являются только алканы нормального строения, а изоалканы выше С₁₉ в значительной своей части при нормальной температуре остаются жидкими. Твёрдые НПУ С₁₉-С₃₅ содержатся в основном во фракции нефти 330-500⁰С. В более высококипящих фракциях их содержание резко уменьшается, в них преобладает ИПУ и гибридные структуры (цикланы и арены с длинными цепями).

Твёрдые НПУ – наиболее высокозастывающие углеводороды нефти, они определяют температуру застывания нефти в целом (и соответственно её транспортабельность и другие эксплуатационные качества). Их содержание в нефтях колеблется от 0,5 до 20 % (мас.).