ХИМИЯ НЕФТИ
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕФТИ
Общие сведения
;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:
В вещественном плане нефть в основном состоит из углеводородов и гетероорганических соединений.
Углеводороды
(УВ) представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов:
Алканы
Циклоалканы
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 С7-С9 чаще всего присутствуют в нефтях ярко выраженного нафтенового типа, в которых их содержание достаточно высоко. Среди этих углеводородов обнаружены (в порядке убывания содержания): бицикле[3,3,0]октан (пенталан), бицикло[3,2,1]октан, бицикло[2,2,2]октан, бицикло[4,3,0]нонан (гидриндан), бицикло[2,2,1]гептан (норборнан) и их ближайшие гомологи. Из трицикланов в нефтях доминируют алкилпергидрофенантрены.
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.
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
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 C6-C9. 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.
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.
Содержание в нефтях полиаренов с пятью и большим числом конденсированных бензольных циклов очень невелико. Из таких углеводородов в тяжелых нефтяных фракциях обнаружены: 1,2- и 3,4-бензопирены, перилен, 1,2,5,6-дибензоантрацен, 1,1,2-бензоперилен и коронен.
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:
Церезины
Нефть, Газ и Энергетика
Блог о добычи нефти и газа, разработка и переработка и подготовка нефти и газа, тексты, статьи и литература, все посвящено углеводородам
Состав и физикохимические свойства нефтей
Нефть представляет собой сложную смесь органических соединений, преимущественно углеводородов, их производных и гетероатомных соединений. Вследствие изменчивости химического состава, физико-химические свойства нефтей различных месторождений и даже различных пластов одного месторождения отличаются большим разнообразием.
По консистенции нефти различаются от легко подвижных до высоковязких (почти не текучих) или застывающих при нормальных условиях. Цвет нефтей меняется от зеленовато-бурого до чёрного.
В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов:
Различают алканы нормального (н-алканы – пентан и его гомологи) строения, изостроения (изоалканы – изопентан и др.) и изопреноидного строения (изопрены – пристан, фитан и др.). В нефти присутствуют газообразные алканы от С1 до С4 (в виде растворённого газа), жидкие алканы С5 – С16
составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы С17 – С53, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и известны как парафины.
Из моноциклических углеводородов в нефти присутствуют в основном пяти- и шестичленные нафтены. Содержание нафтенов растёт по мере увеличения молекулярной массы нефти.
Гибридные углеводороды (церезины) – углеводороды смешанного строения: парафино-нафтенового, парафино-ароматического, нафтено-ароматического. В основном это твердые алканы с примесью длинноцепочечных углеводородов, содержащих циклановое или ароматическое ядро. Они являются основной составной частью парафиновых отложений в процессах добычи и подготовки нефтей.
Гетероатомные соединения – углеводороды, в состав молекул которых входят кислород, сера, азот, металлы. К ним относятся:
Подавляющая часть гетероатомных соединений содержится в наиболее высокомолекулярных фракциях нефти, выкипающих выше 300оС. В нефтях Западной Сибири на их долю приходится до 15%.
В нефтях содержатся в малых количествах минеральные вещества и вода.
Фракционный состав нефти отражает содержание соединений, выкипающих в определенных интервалах температур. Нефти выкипают в очень широком интервале температур – 28-540°С. Различают следующие основные фракции нефти:
— 28-180°С – широкая бензиновая фракция;
— 180-320°С – широкая керосиновая фракция;
— 150-240°С – осветительный керосин;
— 180-280°С– реактивное топливо;
— 140-340°С – дизельная топливо (летнее);
— 180-360°С – дизельная топливо (зимнее );
— 350-500°С – широкая масляная фракция;
— 380-540°С – вакуумный газойль.
Фракционирование осуществляется на установкая АВТ – атмосферно-вакуумная трубчатка.
Нефть, происхождение, свойства и состав
Нефть, происхождение, свойства и состав.
Нефть – это полезное ископаемое органического происхождения, природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений.
Описание нефти:
Нефть – это полезное ископаемое органического происхождения, природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений.
Внешне нефть представляет собой легковоспламеняющуюся жидкость, цвет которой может быть черным, буро-коричневым, светло-коричневым, грязно-желтым, темно-коричневым, светлым жёлто-зелёным либо насыщенно-зелёным. Встречается нефть и совсем без цвета.
Нефть имеет специфический запах, который может быть различным и варьируется от легкого приятного до тяжёлого и очень неприятного.
Нефть легче воды, практически не растворима в ней. Но при определенных условиях может образовывать с водой стойкие эмульсии. Растворяется в органических растворителях.
Нефть относится к невозобновляемым полезным ископаемым.
Название нефти:
Слово нефть иностранного происхождения. Из какого языка оно пришло в русский доподлинно неизвестно. Слово «нефть» в различных произношениях встречается в турецком, персидском, индийском, арабском, ассирийском, аккадском, древнеиранском и семитских языках.
В английском языке оно пишется как «petroleum», произошло от греческого petra – «горный» и латинского oleum – «масло» и буквально означает «горное масло». Данным словом англичане и американцы, как правило, обозначают сырую нефть.
В немецком языке оно пишется как «Еrdöl», что буквально означает «земляное масло», а, например, в венгерском – кооlаj – «каменное масло».
Классификация нефтей по плотности. Легкая нефть. Средняя нефть. Тяжёлая нефть.
В зависимости от плотности нефть подразделяется на виды:
Нефть плотностью 0,831-0,86 г/см 3 – средняя нефть.
А плотностью выше 0,86 г/см 3 – тяжёлая нефть.
Происхождение и образование нефти (теории и гипотезы):
Существует две гипотезы – теории происхождения (образования) нефти: биогенная (органическая) теория и абиогенная (неорганическая, минеральная, карбидная) теория.
Впервые биогенную теорию происхождения нефти и природного газа в 1759 году высказал М.В. Ломоносов. В далеком геологическом прошлом Земли погибшие живые организмы (растения и животные, преимущественно – водоросли и зоопланктон) опускались на дно водоемов, образуя илистые осадки. В результате различных химических, физико-химических и биохимических процессов они разлагались в безвоздушном пространстве. Из-за движения земной коры эти остатки опускались все глубже и глубже – на глубину до 6 километров, где под действием высокой температуры (до 250 о С) и высокого давления превращались в углеводороды: природный газ и нефть. Низкомолекулярные углеводороды (т.е. собственно природный газ) образовывался при более высоких температурах и давлениях. Высокомолекулярные углеводороды – нефть – при меньших. Углеводороды, поднимаясь вверх к поверхности земли из-за своей меньшей плотности, мигрировали через вышележащие осадки, проникали в пористые осадочные горные породы, называемые коллекторами, и, встречая на своем пути непроницаемые пласты (где дальнейшее движение вверх оказывалось невозможным), попадали в ловушки, где образовывали залежи (скопления) – месторождения нефти и газа. Собственно месторождение – это не место рождения, а место скопления нефти и газа. Если во время такой миграции углеводороды не встречали толщу непроницаемых пластов (т.е. не попадали в ловушку), то, в конце концов, выходили на поверхность. На поверхности они подвергались воздействию различных внешних факторов, в результате чего рассеивались и разрушались.
Физические свойства нефти:
| Наименование параметра: | Значение: |
| Плотность, г/см 3 |
(зависит от температуры и давления)
Химический (компонентный, углеводородный и элементный) состав:
Нефть это сложная смесь различных углеводородных и неуглеводородных компонентов.
В состав нефти входят около тысячи различных химических индивидуальных веществ, из которых:
– жидкие углеводороды, составляющие ее большая часть (более 500 веществ или обычно 80-90 % по массе);
– гетероатомные органические соединения (4-5 %): преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (более 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые);
– остальные компоненты: растворённые углеводородные газы (от метана CН4 до бутана C4Н10 включительно, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1-4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др.;
– механические примеси (частицы песка, глины и т.п.).
Жидкие углеводороды представлены парафиновыми (обычно 30-35 %, реже 40-50 %) и нафтеновыми соединениями (25-75 %), соединениями ароматического ряда (10-20, реже 35 %) и соединениями смешанного или гибридного строения (например, парафино-нафтеновыми, нафтено-ароматическими).
Парафины (от лат. parum «мало» + affinis «родственный») – воскоподобная смесь предельных углеводородов (алканов) преимущественно нормального строения состава от С18Н38 (октадекан) до С35Н72 (пентатриоконтан) включительно и температурой плавления 45-65 °C.
Нафтены, также циклоалканы, полиметиленовые углеводороды, цикланы или циклопарафины – это циклические насыщенные углеводороды, по химическим свойствам близкие к предельным углеводородам. Имеют химическую формулу CnH2n и циклическое строение (т.е. замкнутые кольца из углеродных атомов).
Ароматические соединения (арены) – циклические органические соединения, которые имеют в своём составе ароматическую систему.
Сернистые соединения, содержащиеся в нефти: сероводород H2S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические (гетероциклические) сернистые соединения и т.п. 70-90 % сернистых соединений концентрируется в остаточных продуктах – мазуте и гудроне.
Азотистые соединения, содержащиеся в нефти: преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины. Большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках.
Кислородные соединения, содержащиеся в нефти: нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества. Сосредоточены обычно в высококипящих фракциях углеводородов.
Углеводороды нефти
Нефть — это важное полезное ископаемое, которое используется и как топливо, и как промышленное сырье. Возьмите в руки смартфон, посмотрите в окно, посмотрите на стены, на мебель, на одежду — все это производные нефти. Лаки, краски, удобрения, парфюмерия, вся пластмасса, даже асфальт — это все производные нефти. Но мне бы хотелось, чтобы сейчас мы поговорили о нефти не как о топливе и промышленном сырье, а как об источнике фундаментальных знаний о жизни нашей планеты, чтобы мы изучили ее состав на молекулярном уровне.
Рекомендуем по этой теме:
Микробиолог Александра Пошибаева о поиске новых месторождений нефти, неорганической теории ее происхождения и роли прокариот и эукариот в образовании углеводородов
Как известно, нефть и газ залегают на различных глубинах, иногда они выходят на поверхность земли. Нефть и газ находятся не в озерах, не в огромных пустотах под землей, а в породах-коллекторах, которые имеют большую пористость, чтобы туда могло войти много нефти, и проницаемость, чтобы эта нефть могла оттуда выйти. В качестве аналога можно представить обычную губку, наполненную водой. Чтобы нефть сохранилась в породах, необходимо наличие вышезалегающих непроницаемых слоев, которые называются породами-покрышками. Породами-коллекторами могут служить известняки, песчаники, а породами-покрышками — соляные и глинистые толщи.
Считается, что нефть и газ образовались в нефтегазоматеринских толщах, то есть таких породах, где находится огромное количество органического вещества. Откуда взялось это органическое вещество? Многие горные породы, а именно осадочные породы, образовались в результате осадков, например, морского ила или глубоководной глины. В этих осадках происходило захоронение колоссальных количеств биомассы. Трудно представить, какое количество органического вещества накапливается и осаждается в Мировом океане каждый день. Можно только предположить, сколько осадилось его за всю геологическую летопись нашей планеты.
При определенных условиях в нефтегазоматеринских толщах могут образоваться нефть и газ. По мельчайшим трещинами, по пустотам они могут мигрировать в вышележащие слои пород-коллекторов, причем в определенных геологических структурах земной коры могут образоваться колоссальные скопления нефти и газа. Сохранность таких скоплений обеспечивается наличием вышезалегающих непроницаемых пород-покрышек. Нефти залегают в древних породах. Например, возраст самой древней породы, в которой была найдена нефть, более одного миллиарда лет. Есть и молодые нефти, залегающие в породах, которым сотни и десятки миллионов лет.
Нефти бывают разные. У одних нет легкой фракции, например у бензина и керосина. Бывают тяжелые нефти — это остаточные нефти, из которых мигрировали легкие углеводороды или биодеградированные нефти. Исследование углеводородов нефти на молекулярном уровне помогает решать как теоретические вопросы, связанные с происхождением нефти, так и практические вопросы, связанные с поиском и разведкой новых нефтяных месторождений и промышленным освоением уже разрабатываемых месторождений. Всеми этими вопросами занимается органическая геохимия.
Эта дисциплина возникла в 1960-е годы. Ее целью является изучение на молекулярном уровне особенностей состава и строения органических молекул земной коры, морей и океанов. Причем если биогеохимия — это геохимия живого вещества, то органическая геохимия занимается изучением мертвого органического вещества, которое захоранивалось в осадочных породах. Исследуются как современные соединения, так и соединения, которые были накоплены сотни миллионов лет тому назад. В нашей стране существует несколько крупных школ. Это школа академика Алексея Эмильевича Конторовича в Новосибирске и школа профессора Александра Александровича Петрова в Москве, а сейчас его ученика профессора Гурама Николаевича Гордадзе.
Из каких соединений состоит нефть? В основном это углеводороды, а также смолы и асфальтены. Подробно остановимся на наиболее изученном классе углеводородов — это углеводороды нефти. Дело в том, что все нефти мира от самых древних до самых молодых содержат один и тот же набор углеводородов. Это насыщенные углеводороды, то есть алканы, циклоалканы и углеводороды алмазоподобного строения, а также ароматические углеводороды. Причем кроме углеводородов алмазоподобного строения превалируют углеводороды-биомаркеры — соединения, сохранившие черты строения, свойственные исходным биоорганическим молекулам. Например, нормальные алканы образовались из нормальных и насыщенных жирных кислот. А изо- и антеизоалканы образовались из изо- и антеизокислот за счет процесса декарбоксилирования. То есть происходит только декарбоксилирование, то есть отщепление COH-группы, а сам углеводородный фрагмент остается неизменным.
Рекомендуем по этой теме:
Три вопроса про нефть
Эксперты исследовательских институтов Канады, Австралии и Великобритании отвечают на главные вопросы о нефти
Изопренаны — это углеводороды, содержащие изопреновые кирпичики 2-метилбуто-1,3-диен. Считается, что они образовались из фитола — спирта, являющегося боковой цепочкой хлорофилла, который находится у растений. Интересно отметить, что только в самых древних нефтях мира обнаружены 12 и 13 метилалканы. Об их происхождении пока известно лишь то, что алканы такого строения в нефтях более молодого возраста не обнаружены. Помимо этого, в нефтях есть и циклические углеводороды-биомаркеры, моноциклы, циклопентаны, циклогексаны, бициклы, декалины, гидринданы, трициклы хелантаны, тетрациклы стераны и пентациклы терпаны. А также углеводороды алмазоподобного строения: адамантаны, диамантаны, триамантаны, тетрамантаны.
В нефтях континентального генезиса наблюдается превалирование углеводородов ряда циклогексана стерана состава 29 C и присутствует терпан или анан. А в нефтях морского генезиса превалируют углеводороды ряда циклопентана стерана состава 27 C, а терпан или анан вовсе отсутствуют. Что касается углеводородов алмазоподобного строения, для них характерно то, что они выдерживают очень высокие температуры и не подвергаются биодеградации. В то время как на ранних стадиях биодеградации бактериями сначала съедаются нормальные алканы, потом изоалканы, затем циклоалканы и даже ароматические углеводороды.
Таким образом, изучая углеводородный состав нефтей и органического вещества пород на молекулярном уровне, мы можем сделать следующие важные выводы. Какое исходное органическое вещество было для данной нефти — морское или континентальное. В каких литолого-фациальных условиях эта нефть образовалась. Иными словами, в каких породах нефть образовалась — глинистых или карбонатных. Например, мы можем сказать о том, какова степень солености вод в конкретном бассейне осадконакопления, окислительно-восстановительные условия. Мы можем определить степень преобразованности нефти, то есть зрелости.
В исходном органическом веществе для нефти находятся термодинамически слабоустойчивые углеводороды. В процессе созревания органического вещества эти соединения преобразуются в более термодинамически устойчивые углеводороды. То есть мы можем проследить эволюцию органического вещества в конкретном бассейне осадконакопления. Мы можем сказать о биодеградации нефти. И наконец, изучая углеводородный состав нефтей на молекулярном уровне, мы можем сказать о геологическом возрасте данной нефти. А под геологическим возрастом мы подразумеваем возраст тех нефтематеринских толщ, которые эту нефть генерировали.
Все перечисленные выводы имеют большое значение в нефтегазопоисковой, нефтегазопромысловой геохимии. А какое будущее у исследований углеводородов на молекулярном уровне? Это, безусловно, проведение междисциплинарных комплексных исследований совместно с геологами, химиками, микробиологами, палеонтологами. Важно изучать не только нефти, но и рассеянное органическое вещество пород.
Рекомендуем по этой теме:
Директор Центра добычи углеводородов Сколтеха Михаил Спасенных о нетрадиционных источниках нефти и методах их разработки
Мы исследовали нефти и органическое вещество пород в нижнекембрийских отложениях на юге Восточной Сибири. Промышленная значимость этих нефтеносных толщ очень велика. До недавнего времени считалось, что источниками этой нефти являются более древние толщи. Предполагалось, что эта нефть мигрировала в вышележащие слои. Однако в результате комплексных исследований мы показали, что это не так, а именно: порода, которая содержит в себе нефть, то есть порода-коллектор, является одновременно нефтегазоматеринской. То, что раньше геологи считали просто природным резервуаром для нефти, то есть породой-коллектором, может являться той породой, в которой образуется эта нефть. Учитывая, что породы такого типа широко распространены в этом регионе, обнаружение новых месторождений в этих отложениях возрастает в несколько раз.
Таким образом, изучение углеводородного состава нефтей и рассеянного органического вещества имеет огромное значение при поисках, разведке и разработке нефтяных месторождений. Помимо этого, изучение углеводородного состава нефтей помогает нам ответить на вопросы, связанные с эволюцией жизни на нашей планете.