Групповой химический состав нефти и продуктов ее переработки

Групповым химическим составом нефти называют содержание в ней углеводородов определенных химических групп, характеризуемых соотношением и структурой соединения атомов углерода и водорода.

По углеводородному составу нефти подразделяют: метаново-нафтеновые; нафтеново-метановые; ароматическо-нафтеновые; нафтеново-ароматические; ароматическо-метановые; метаново-ароматические; метаново-ароматические-нафтеновые. Первым ставится название углеводорода, которого в составе нефти больше.

Рисунок 1 – Структура соединений нефти [13]

Алканы (парафиновые углеводороды). Общая формула С_nН_2n+2. Количество алканов в нефти зависит от ее месторождения и составляет 25-30 %. В нефтях некоторых месторождений, с учетом растворенных в них газов, содержание алканов достигает 50-70 %. В различных фракциях одной и той же нефти содержание алканов обычно неодинаково и уменьшается по мере увеличения молекулярной массы фракции и температуры конца ее кипения [12].

По своей структуре алканы бывают нормальные и изоалканы. Изомерная структура алканов существенно влияет на их физические и химические свойства. Температура кипения жидких и температура плавления твердых изоалканов, как правило, ниже, чем у нормальных алканов. Нормальные алканы при низких и умеренных температурах обычно очень инертны, в том числе и по отношению к кислороду. Это способствует, например, высокой химической стабильности бензинов, содержащих нормальные алканы. Изоалканы при умеренных температурах обладают меньшей стабильностью [12].

С повышением температуры стабильность нормальных и изоалканов постепенно понижается, причем понижение стабильности у нормальных алканов происходит сначала примерно таким же темпом, как и у изоалканов, но при температуре 250 – 300 °С скорость взаимодействия с окислителем у нормальных алканов резко увеличивается и становится значительно выше, чем у изоалканов с той же молекулярной массой. Этот факт объясняет более высокую детонационную стойкость изоалканов по сравнению с нормальными алканами [12].

Циклоалканы, или нафтеновые углеводороды (нафтены) являются наиболее распространенным классом углеводородов в нефти. Это насыщенные циклические углеводороды ряда циклопентана и циклогексана, а также более сложные полициклические соединения с 2 – 5 циклами в молекуле. Они очень устойчивы к биоразложению. Общая химическая формула – С_nH_2n [5]. Цикланы содержатся во всех фракциях нефти, и по мере увеличения молекулярной массы и температуры конца кипения фракции количество их в ней возрастает.

Этиленовые углеводороды (алкены или олефины) – ненасыщенные нециклические соединения, содержащие двойные связи между атомами углерода. Общая формула – С_nH_2n. При нормальных условиях углеводороды С₃ и С₄ – газы; С₅ – С₁₈ – жидкости, высшие олефины – твердые вещества [5].

Ароматические углеводороды (арены) непредельные циклические соединения ряда бензола. Ароматическими называют вещества, в составе которых имеются бензольные кольца. Общая формула С_nH_2n-6m. В ароматических соединениях, содержащихся в сырых нефтях, количество атомов углерода колеблется от 6 до 13 [5, 7]. Общее содержание аренов в нефтях относительно невелико. В бензиновых фракциях их содержание обычно не превышает 5 – 25 % и зависит от месторождения нефти. В более тяжелых фракциях содержание аренов может достигать 35 % [12].

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) высокомолекулярные органические соединения, в состав которых входит от трех до восьми бензольных колец. Как и в бензоле, атомы водорода в них могут быть замещены алкильными группами. Содержание ПАУ в нефти составляет 1 – 4%, в том числе бенз(а)пирена – 5·10^-5 – 2·10^-4%; в нефтяных фракциях оно возрастает в ряду тяжелый газойль → смазочные масла → нефтяной остаток [5].

В сырых нефтях содержание асфальтенов и смол может достигать 15%. Эти соединения содержат карбонильную и карбоксильную функциональные группы, а также меркаптогруппы, так как крупные фрагменты их молекул связаны между собой метиленовыми мостиками и гетероатомами кислорода, серы и азота [7].

Элементный состав нефти

Химические элементы, входящие в состав нефти, варьируют от 3% до 4%. Основные химические элементы нефти – это углерод (82-87 %) и водород (12-14 %). Встречается также часто сера, содержание которой достигает до 6,0 %. Среднее содержание кислорода и азота обычно составляет десятые доли процента, но может достигать 2,0%. Минеральные соли, органические кислоты и другие микроэлементы в нефти содержатся на уровне десятых и сотых долей процента [7].

В зависимости от массовой доли серы нефть подразделяют на классы (Таблица 2).

Таблица 2 – Классы нефти [14]

К настоящему времени в нефтях обнаружено более 30 элементов-металлов и 20 элементов-неметаллов, средние концентрации микроэлементов в нефтях уменьшаются в такой последовательности: Cl, V, Fe, Ca, Ni, Na, K, Mg, Si, Al, I, Br, Hg, Zn, P, Mo, Cr, Sr, Rb, Co, Mn, Ba, Se, As, Ga, Cs, Ge, Ag, Sb, U, Hf, Eu, Re, La, Sc, Pb, Au, Be, Ti, Sn. Наибольшего внимания заслуживают переходные и щелочноземельные металлы, способные образовывать комплексы, сюда относятся V, Ni, Fе, Zn, Са, Нg, Сr, Сu, Мn. Источником металлов в нефтях, как предполагают, могут быть организмы-нефтеобразователи, а также адсорбируемые или попавшие (в процессе миграции из пород или вод) микроэлементы, причем наблюдается прямолинейная зависимость между содержанием тех или иных элементов. Например, концентрация V тем больше, чем выше содержание серы, а Ni - чем выше содержание азота, и в целом, чем выше содержание атома-лиганда. Часть металлов в нефтях находится в форме солей органических кислот типа R-СООМ или хелатных комплексов, в которых атом металла размещен в координационном центре порфиринового цикла или в конденсированных ароматических фрагментах [15].