Свойства нефти и нефтепродуктов

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов широкого физико-химического состава, которая содержит растворенный газ, воду, минеральные соли, механические примеси и служит основным сырьем для производства жидких энергоносителей (бензина, керосина, дизельного топлива, мазута), смазочных масел, битумов и кокса.

По внешнему виду нефть – маслянистая, чаще всего темная жидкость, флуоресцирующая на свету. Цвет ее зависит от содержания и строения смолистых веществ. В нефти можно найти примеси самых разных видов. Во время перемещения нефтяных фракций по магистральным нефтепроводам и установкам нефтеперерабатывающих заводов эти примеси могут оказывать вредное влияние на оборудование, катализаторы и качество конечных продуктов.

В нефти можно обнаружить более половины элементов таблицы Менделеева.

Основными химическими элементами, входящими в состав соединений нефти, являются углерод и водород, на их долю приходится соответственно от 83 % до 87 % и от 11% до 14%.

Определить индивидуальный химический состав нефти практически невозможно, поэтому ограничиваются определением отдельных групп соединений.

Состав нефти

Состав нефти

Главную часть нефти составляют углеводороды, различные по своему составу, строению и свойствам, которые могут находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. В зависимости от строения молекул они подразделяются на три класса:

- метановые (парафиновые) (общая формула - С_пН_2п+2);

- нафтеновые (общая формула - С_пН_2п);

- ароматические (общая формула - С_пН_2п-6).

Углеводородная часть

Алканы

Нафтены

Арены

Гетероатомные соединения

Смолы

Асфальтены

O-содержащие

N-содержащие

S-содержащие

Неорганические соединения

Вода

Соли

Механические примеси

Металлические комплексы

В зависимости от преобладания в нефти одного из трех представителей углеводородов (более 50%) различают метановые, нафтеновые или ароматические нефти. В случае, когда к преобладающему присоединяется другой класс углеводородов в количестве не менее 25%, то им дают комбинированное название, например, метано-нафтеновые, нафтено-ароматические.

Кроме углеводородов в состав нефти входят высокомолекулярные гетероатомные органические вещества:

- кислородсодержащие (смолы, асфальтены, нафтеновые кислоты);

- азотсодержащие (порфирины);

- серосодержащие (меркаптаны).

Из неорганических соединений в нефти могут присутствовать сероводород, сульфиды и элементарная сера.

При сгорании нефти получается зола (сотые доли процента), в состав которой входят различные неорганические соединения, чаще всего соединения металлов: оксиды кальция, магния, железа, алюминия, кремния, натрия и ванадия (соединения последнего являются переносчиками кислорода и способствуют активной коррозии).

Основные физико-химические свойства, характеризующие свойства нефти и нефтепродуктов, следующие:

- фракционный состав;

- плотность;

- вязкость;

- температура застывания;

- тепловые свойства (теплоемкость, теплопроводность);

- ДНП;

- электрические свойства;

- взрывопожароопасные свойства;

- токсичность.

Знание этих физико-химических свойств нефти необходимо для контроля качества и квалифицированного использования при транспортировке.

Фракционный состав

Нефть, представляющую собой сложную смесь углеводородов, разделяют путем перегонки на отдельные части; каждая из них является менее сложной смесью углеводородов, близких по составу, которые принято называть фракциями. Эти фракции не имеют постоянной температуры кипения в отличие от индивидуальных углеводородов. Они выкипают в определенных интервалах температур: имеют температуры начала кипения t_н.к. и конца кипения t_к.к..

Таким образом, под фракционным составом нефти и нефтепродуктов понимают содержание в них различных фракций, выкипающих в определенных температурных пределах.

Например, при перегонке нефти, имеющей типичный состав, можно получить: 31% бензиновых фракций, 10% керосиновых, 51% дизельных, 20% базового масла и около 15% составит мазут.

Нефти различных месторождений заметно отличаются по фракционному составу, от которого зависят виды и качество разнообразных получаемых товарных нефтепродуктов.

Фракции, выкипающие до 350^оС при атмосферном давлении, называют светлыми. Названия фракциям присваиваются в зависимости от направления их дальнейшего использования. В основном, при атмосферной перегонке получают следующие светлые нефтепродукты:

- до 140^оС - бензиновая фракция,

- 140-180^оС – лигроиновая фракция (тяжелая нафта),

- 140-220^оС (180-240^оС) - керосиновая фракция,

- 180-350^оС (220-350^оС, 240-350^оС) - дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят).

Остаток атмосферной перегонки нефти, выкипающий выше 350^оС, называется мазутом. Мазут разгоняют под вакуумом и в зависимости от дальнейшего направления их переработки получают следующие фракции:

- 350-500^оС - вакуумный газойль (для получения топлива и масел);

- более 500^оС - вакуумный остаток (гудрон).

Получение масел происходит в следующих температурных интервалах:

- 300-400^оС (350-420^оС) - легкая масляная фракция (трансформаторный дистиллят);

- 400-450^оС (420-490^оС) - средняя масляная фракция (машинный дистиллят);

- 450-490^оС - тяжелая масляная фракция (цилиндровый дистиллят);

- выше 490^оС - гудрон.

Мазут и продукты его переработки – темные фракции.

Плотность

Плотность – один из основных показателей качества нефти и нефтепродуктов. В первую очередь ее значение важно для учетно-расчетных операций: этот показатель используют при проведении между поставщиком и покупателем для определения количества продукта на всем пути следования нефти.

Кроме того, знание плотности позволяет дать приблизительную характеристику нефти, судить о ее химическом составе, происхождении, качестве. Например, более высокая плотность указывает на большее содержание ароматических углеводородов, а более низкая – на большее содержание парафиновых УВ. Углеводороды нафтеновой группы занимают промежуточное положение.

Различают абсолютную и относительную плотность.

Под абсолютной понимают массу вещества в единице объема:

ρ = m / V, (6)

где ρ – абсолютная плотность, кг/м³ или г/см³;

m – масса вещества, кг или г;

V – объём вещества, м³ или см³.

Плотность зависит от температуры вещества. При повышении температуры плотность уменьшается, а при понижении – увеличивается.

Плотность в стандартных условиях определяют при 15ºС и 20ºС.

Относительная плотность (удельный вес) - это отношение плотности вещества при температуре t₂ к плотности дистиллированной воды при температуре t₁. В нашей стране приняты t₂=20^оС и t₁=4^оС. В других странах относительную плотность определяют при t₂=t₁=15^оС (60 F).

Относительная плотность – величина безразмерная.

В зарубежных странах используют специальную функцию относительной плотности (удельного веса) при 60ºF, разработанную Американским институтом нефти - плотность в градусах API. Если плотность в градусах API больше 10, то нефть легче и плавает на поверхности воды, а если меньше 10, то тонет.

Определяют плотность в градусах API по специальным таблицам.

Методы определения плотности нефти/нефтепродуктов описаны в ГОСТ 3900-85, метод А (при 20ºС), ГОСТ Р 51069-97 (при 15ºС), Р 50.2.075-2010, Р 50.2.076-2010.