§ 1.1. Свойства и состав нефти

Месторождения нефти располагаются в недрах Земли на глубинах свыше 1,5 км (встречаются и менее глубокие месторождения, вплоть до поверхностных выходов) в куполообразных складках земной коры, где сверху располагаются углеводородные газы (нефтяной газ), затем нефтяной пласт, а внизу вода. Нефтяной пласт состоит из частиц пористых пород (песков, известняков и пр.), пустоты между которыми заполнены жидкой нефтью.

Природная нефть представляет собой маслянистую, практически нерастворимую в воде жидкость, обладающую резким характерным запахом. Обычный цвет нефти темно-бурый с зеленоватым отливом,

но встречаются почти бесцветные (светлые) и почти черные нефти. С физико-химической точки зрения нефть является природной

многокомпонентной органической жидкостью, состоящей из большого количества (свыше 800) индивидуальных химических соединений, наибольшую часть из которых составляют углеводородные соединения (углеводороды) с различным составом и молярной массой. В углеводородах нефти (как и в большинстве других органических веществ) внутримолекулярные связи носят ярко выраженный ковалентный характер, что обусловливает их общие характерные свойства: ЭТИ вещества не являются электролитами, не диссоциируют в растворах на ионы и сравнительно медленно взаимодействуют друг с другом.

У углеводородов, входящих в состав нефти, с увеличением количества атомов углерода в молекуле возрастают молярная масса, плотность, вязкость, температуры плавления и кипения (рис. 1.1). Углеводороды, содержащие от 1 до 5 атомов углерода, при нормальных условиях являются газами. Жидкие углеводороды, содержащие в молекуле от 5 до 20 атомов углерода, входят в состав бензина и дизельного топлива. В состав моторных масел входят углеводороды с числом атомов углерода в молекуле приблизительно от 20 до 70.

В нефти имеются гетероорганические соединения серы, кислорода, азота, некоторых металлов, а также вода и растворенные в ней соли. Эти соединения принято относить к примесям. Основная часть примесей концентрируется в тяжелых частях нефти.

Плотность нефтей различных месторождений лежит в диапазоне 770 — 840 кг/м^3 . Кинематическая вязкость 35 — 70 мм^2 /с. Встреча­ются более тяжелые нефти, у которых плотность достигает 1040 кг/м . Высшая теплота сгорания нефти 43 000—45 5000 кДж/кг.

Принято различать элементный, групповой и фракционный составы нефти.

Элементный состав определяет, какие химические элементы и в каком соотношении содержатся в нефти. Основные элементы, входящие в состав нефти,— углерод (84—87%) и водород (12—15%); могут присутствовать сера, азот, кислород и некоторые другие элементы, в том числе и металлы, в частности ванадий, серебро, медь, никель. Например, в каждой тонне нефти месторождения Бокан (Венесуэла) содержится 120 г ванадия и 150 г никеля, в нефти Саматлорского месторождения помимо ванадия и никеля содержатся золото, хром и марганец. В нефти некоторых месторождений концентрация металлов настолько высока, что делает рациональным их промышленное получение.

Групповой состав определяется классами входящих в нефть углеводородов, из которых основными являются: алканы (синонимы: нафтеновые, полиметиленовые) и ароматические (бензольные, арены).

Физико-химические свойства углеводородов в каждом классе определяются структурой молекул и их молярной массой. В нефтях различных месторождений количественное соотношение между отдельными классами углеводородов может значительно изменяться.

Рис. 1.1. Зависимость среднеобъемной температуры кипения tср о и

относительной плотности d предельных углеводородов от их молярной

массы М

В зависимости от содержания в нефти трех основных классов углеводородов — метановых, нафтеновых и ароматических — различают метановые, метанонафтеновые, нафтеновые, нафтеноароматические и ароматические нефти.

Фракционный состав нефти определяется при ее разделении по температурам кипении входящих соединений. При этом выделяют отдельные фракции нефти. Фракцией называют часть жидкости, выкипающую в определенном диапазоне температур. При одной и той же температуре могут выкипать углеводороды, различным составом. Следовательно, в одну и ту же фракцию могут входить углеводороды разных классов.

Примеси. Наибольшее влияние на качество ТиС оказывают присутствующие в нефти в виде примесей сернистые и кислородные соединения, объединяемые под общим названием «гетероорганические соединения». Эти соединения имеют относительно большую молярную массу и соответственно выкипают при более высоких температурах, т.е. с увеличением температуры перегонки фракции содержание гетероорганических соединений в ней возрастает. Присутствие этих веществ оказывает многостороннее влияние на эксплуатационные характеристики двигателей и в первую очередь на их коррозионный износ.

Наличие сернистых соединений в ТиС ухудшает их эксплуатационные показатели —снижает топливную экономичность, мощность и долговечность двигателя, повышает токсичность отработавших газов и их вредное воздействие на окружающую среду. В зависимости от характера коррозионного воздействия на элементы двигателя принято сернистые соединения, входящие в состав нефти, разделять на активные и неактивные. К активной группе относят серу, сероводород и меркаптаны. Находясь в составе жидких нефтепродуктов, эти вещества обладают повышенной коррозионной агрессивностью по отношению к конструкционным материалам. К неактивной группе относят сульфиды, дисульфиды, полисульфиды и т.п. В отличие от активных неактивные сернистые соединения практически нейтральны в жидких нефтепродуктах, но при сгорании в двигателе они образуют серный и сернистый ангидриды —вещества, вызывающие интенсивную коррозию цилиндро-поршневой группы и выпускного тракта ДВС. Наличие любых сернистых соединений в топливе обусловливает повышенную токсичность отработавших газов двигателя.

Основную часть кислородных соединений в нефти составляют органические (главным образом нафтеновые кислоты) и смолисто-асфальтеновые вещества. Эти вещества представляют собой сложные кислородсодержащие органические соединения с большой молярной массой (вследствие чего основная их часть сосредоточена в высококипящих фракциях).

Смолисто-асфальтеновые вещества принято делить на смолы,

асфальтогенные кислоты, асфальтены, карбены и карбоиды.

Смолы — высокомолекулярные кислородсодержащие вещества в состав которых могут входить сера, азот и некоторые металлы.

Асфальтогенные кислоты (полинафтеновые кислоты) —смолистые вещества, входящие и состав высокомолекулярных частей нефти.

Асфальтены—высокомолекулярные твердые и мазеобразные вещества (молярная масса 1600 — 6000). При нагревании свыше 450 °С они разлагаются с образованием газа и кокса.

Карбены — продукты полимеризации и поликонденсации асфальтенов (полимеризация — реакция, и результате которой молекулы.

исходного низкомолекулярного соединения —монометра —соединяются друг с другом, образуя новое вещество — полимер, молярная мас са которого в целое число раз больше, чем у мономера. Поликонденсация —процесс образования полимера, сопровождающийся частичным изменением химического состава образовавших его мономеров, т.е. состав элементарного звена полимера отличается от состава исходного мономера).

Карбоиды — комплекс высокомолекулярных соединений, образующих при окислении и термическом разложении нефти и нефтепродуктов. Они представляют собой твердые вещества черного цвета, нерастворимые в органических и минеральных растворителях.