Тема 2. Общие сведения о получении топлива и смазочных материалов

2.1 Химический состав нефти и его влияние на свойства нефтепродуктов

Нефть представляет собой сложную смесь различных соединений углерода с водородом. В ней содержится 83 - 87% углерода; 11 - 14% водорода; 0,1 - 1,2% кислорода; 0,02 - 1,7% азота и 0,01 - 5,5% серы. По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость от темно-коричневого до желтого цветов, плотностью 0,75 - 1,03 г/см^.3. Исходными веществами для образования этой жидкости послужили органические соединения, представляющие собой продукты распада растительных и животных организмов.

Основную массу вещества нефти составляют углеводороды 3-х главных групп: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы) и ароматические (арены), которые как по количеству, так и по свойствам различаются для нефтей разного происхождения. Также в ней содержатся незначительные количества кислородных и азотистых соединений.

У парафиновых углеводородов общая эмпирическая формула С_nН_2n+2 объединяет газообразные углеводороды, начиная с метана СH₄, жидкие, начиная с пентана C₅H₁₂, и твердые (Н-парафины), начиная с гексадекана С₁₆Н₃₄. Газообразные и твердые углеводороды способны растворяться в жидких, из которых, могут вновь выделятся газообразные (при повышении температуру или увеличении давления) и твердые (при понижении температуры).

Молекулы парафиновых углеводородов имеют неразветвленные цепи атомов углерода. Сами углеводороды носят название нормальных. Указанные углеводороды устойчивы к реакциям окисления. Однако с увеличением температуры выше 250 -300°С окислительные процессы у Н- парафинов значительно интенсифицируются.

Кроме Н-парафинов, в нефтепродуктах находятся также изомерные углеводороды (И-парафины), которые имеют иное пространственное расположение атомов. И- парафины при умеренной температуре проявляют более высокую способность вступать в окислительные реакции, но с увеличением температуры эта способность

замедляется, и в области высоких температур И-парафины оказываются более стойкими, чем Н-парафины. Для обеспечения мягкой работы дизельного двигателя важны Н-парафины, а для создания высоких противодетонационных свойств бензинов для карбюраторных двигателей важное значение имеют И-парафины.

Парафиновые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутствие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначительных количествах. Общее содержание парафиновых углеводородов в нефти и продуктах ее переработки составляет около 50 - 60%, причем наиболее высокое их содержание приходится на фракции, выкипающие до 150°С.

Нафтеновые углеводороды имеют цикличное строение, поскольку в их молекулы

входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенные между собой простыми валентными связями. В легких топливных фракциях нефти содержатся моноциклические нафтеновые углеводороды, молекулы которых включают в себя по одному кольцу из пяти или шести атомов углерода. Общая эмпирическая формула моноцикланов С_nН_2n. Представители моноцикланов - циклопентан C₅H₁₀ и циклогексан C₆H₁₂. У более сложных нафтеновых углеводородов в молекулы входят, кроме циклического ядра, одна или несколько боковых цепей, представляющих собой радикалы парафиновых цепных углеводородов. Имея одно и то же число атомов в молекулах, нафтены могут содержать большое количество изомерных структур, которые различаются между собой расположением и строением боковых цепей. Нафтеновые углеводороды в сравнении с парафиновыми при одинаковой молекулярной массе в области невысоких температур устойчивее к реакциям окисления, но несколько уступают алканам. При повышении температуры (около 400°С и выше) цикланы превосходят Н-парафины по стойкости к окислительным реакциям и приближаются к И-парафинам. Нафтеновые углеводороды обладают низкими температурами застывания, являются ценным компонентом зимних сортов топлив и масел. Хорошая устойчивость к окислению при высоких температурах делает эти углеводороды необходимой составной частью топлив для карбюраторных двигателей, улучшая их противодетонационные качества. Содержание нафтеновых углеводородов в нефти составляет 20 - 30% и может быть несколько большим.

Ароматические углеводороды (арены) имеют шестичленное циклическое ядро. Молекула ароматического углеводорода бензола имеет вид С₆Н₆. В легкие фракции нефтей и нефтепродуктов входят моноциклические углеводороды с общей эмпирической формулой C_nH_2n-₆, в составе которых одна или несколько боковых парафиновых цепей. Арены в зависимости от количества и расположения боковых цепей образуют изомерные соединения.

В более тяжелых фракциях наряду с вышеуказанными содержатся бициклические

и полициклические ароматические углеводороды, в молекулы которых входят несколько взаимоконденсированных колец или же кольца, соединенные между собой промежуточными цепями. Ароматические углеводороды обладают высокой термической устойчивостью к реакциям окисления, но вступают в реакцию замещения с сохранением бензольного ядра. Ароматические углеводороды обладают большей вязкостью, плотностью и температурой кипения в сравнении с цикланами и алканами при той же молекулярной массе. С понижением температуры вязкость аренов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных материалов. Ароматические углеводороды устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства карбюраторных топлив. Арены вызывают увеличение периода задержки самовоспламенения дизельного топлива, что способствует жесткой работе дизельного двигателя. В нефти содержание ароматических углеводородов составляет 10 - 30%. Количество ароматических углеводородов возрастает по мере повышения температуры кипения отдельных фракций нефти, доходя до 30 - 35% во фракциях с температурой 250 - 300°С.

В процессе термической переработки нефти образуются также непредельные углеводороды, которые характеризуются наличием двойных или тройных связей между углеродными атомами. Наиболее часто встречаются в нефтепродуктах олефиновые углеводороды (алкены) со структурной формулой С_nН_2n с одной двойной связью (например, этилен С₂H₄). Распространены также и диолефиновые углеводороды (алкадиены) со структурной формулой С_nН_2n-2, которые имеют две двойные связи (бутадиен С₄H₆).