Химический состав нефти и бензина

Химический состав нефти, влияние каждого из компонентов на ее качество. Строение нафтеновых углеводородов и их отличие от парафиновых. Химическая активность алкенов и алкaдиенов. Детонационная стойкость бензина, октановое число и методы его повышения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Контрольная работа

по эксплуатационным материалам

Химический состав нефти. Влияние каждого из компонентов на качество нефти

Нефть (через тур. neft, от перс. нефт; восходит к аккадскому напатум - вспыхивать, воспламенять), горючая маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространенная в осадочной оболочке Земли; важнейшее полезное ископаемое. Нефть образуется вместе с газообразными углеводородами обычно на глубине более 1,2-2 км; залегает на глубинах от десятков метров до 5-6 км. Однако на глубинах св. 4,5-5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначит. количеством легких фракций нефти. Макс. число залежей нефти располагается на глубине 1-3 км. Вблизи земной пов-сти нефть преобразуется в густую мальту, полутвердый асфальт и др.

Нефть представляет собой сложную смесь различных соединений углерода с водородом. По элементному составу она содержит 83-87% углерода, 11...14% водо-рода, 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, плотно-стью 0,75...1,03 г/см.

Нефть имеет органическое происхождение. Исходными веществами для обра-зования нефти послужили органические соединения, представляющие собой про-дукты 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 происхожде-ния. В нефти содержатся также незначительные количества кислородных и азоти-стых соединений.

Парафиновые углеводороды. Общая эмпирическая формула СnН2n+2 объединяет газообразные углеводороды, начиная с метана СH4, жидкие, начиная с пентана C5H12, и твердые (Н- парафины), начиная с гексадекана С16Н34 Газообразные и твердые уг-леводороды способны растворятся в жидких, из которых, могут вновь выделятся га-зообразные (при повышении температуру или увеличения давления) и твердые (при понижении температуры).

Молекулы парафиновых углеводородов имеют неразветвленные цепи атомов углерода. Сами углеводороды носят название нормальных. Указанные, углеводо-роды устойчивы к реакциям окисления. Однако с повышением., температуры за 250...300°С окислительные процессы у Н- парафинов значительно интенсифициру-ются.

Кроме Н- парафинов, в нефтепродуктах находятся также изомерные углеводо-роды (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 стой-кими, чем Н- парафины. Для обеспечения мягкой работы дизельного двигателя важны Н-парафины, а для создания высоких противодетонационных свойств бензи-нов для карбюраторных двигателей важное значение имеют И- парафины. Парафи-новые углеводороды имеют высокую температуру застывания, поэтому их присутст-вие в зимних сортах дизельных топлив и смазочных масел допускается в незначи-тельных количествах.

Общее содержание парафиновых углеводородов в нефти и продуктах ее пере-работки составляет около 50...60%, причем наиболее высокое их содержание прихо-дится на фракции, выкипающие до 150°С.

Нафтеновые углеводороды имеют цикличное строение, поскольку в их моле-кулы входят замкнутые кольца атомов углерода, соединенные между собой про-стыми 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 СnН2n. Пред-ставители 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 содер-жать большое количество изомерных структур, которые различаются между собой расположением и строением боковых цепей.

Нафтеновые углеводороды в сравнении с парафиновыми при одинаковой моле-кулярной массе в области невысоких температур устойчивее к реакциям окисления, но несколько уступают Н- 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, яв-ляются ценным компонентом зимних сортов топлив и масел. Хорошая устойчивость к окислению при высоких температурах делает эти углеводороды необходимой со-ставной частью топлив для карбюраторных двигателей, улучшая их противодетона-ционные 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 углево-дороды с общей эмпирической формулой CnH2n-6, в составе которых одна или не-сколько боковых парафиновых цепей. Арены в зависимости от количества и распо-ложения боковых цепей образуют изомерные соединения.

В более тяжелых фракциях наряду с вышеуказанными содержатся бицикличе-ские и полициклические ароматические углеводороды, в молекулы которых входят несколько взаимоконденсированных колец или же кольца, соединенные между со-бой промежуточными цепями. Ароматические углеводороды обладают высокой термической устойчивостью к реакциям окисления, но вступают в реакцию замеще-ния с сохранением бензольного ядра. Ароматические углеводороды обладают боль-шей вязкостью, плотностью и температурой кипения в сравнении с цикланами и ал-канами при той же молекулярной массе. С понижением температуры вязкость аре-нов резко возрастает, что отрицательно сказывается на свойствах смазочных мате-риалов.

Ароматические углеводороды устойчивы к реакциям образования перекисей, что повышает противодетонационные свойства карбюраторных топлив. Арены вы-зывают увеличение периода задержки самовоспламенения дизельного топлива, что способствует жесткой работе дизельного двигателя.

В нефти содержание ароматических углеводородов составляет 10...30%. Коли-чество 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 оле-финовые углеводороды (алкены) со структурной формулой СnН2n с одной двойной связью (например, этилен С2H4). Распространены также и диолефиновые углеводо-роды (алкадиены) со структурной формулой СnН2n-2, которые имеют две двойные связи (бутадиен С4H6).

Наличие двойных связей в молекулах алкенов и алкaдиенов способствует их повышенной химической активности. Они легко окисляются и имеют склонность к реакциям присоединения и уплотнения (полимеризации). Чем больше число двой-ных связей в молекуле и выше температура, тем интенсивнее протекает процесс окисления. В результате полимеризации образуются высокомолекулярные смоли-сто- асфальтовые вещества, из-за чего непредельные углеводороды в большинстве случаев нежелательны для моторного топлива и смазочных масел. Малая стабиль-ность непредельных углеводородов является следствием смолообразования в топ-ливе при хранении, особенно в крекинг- бензинах.

Органические кислоты - это соединения, содержащие кислород. Основными ор-ганическими кислотами, содержащимися в нефти и нефтепродуктах, являются наф-теновые кислоты, относящиеся к карбоновым кислотам. Нафтеновые кислоты не вызывают коррозию черных металлов, но с цветными металлами (особенно с цин-ком и свинцом) взаимодействует интенсивно, образуя соли.

В результате окислительных процессов в нефтепродуктах образуются также ок-сикислоты, в молекулах которых, кроме карбоксильной, присутствует гидроксиль-ная группа ОН.

Смолисто-асфальтовые вещества являются сложными соединениями углерода, водорода, кислорода, иногда серы. Они подразделяются на нефтяные смолы, ас-фальгены, карбены и карбоиды и кислые нефтяные смолы.

Нейтральные смолы - это полужидкие тягучие вещества, темно-желтого или коричневого цветов, обладающие сильной окрашивающей способностью. Плотность около 1,0 г/см3 . Элементный состав 80...85 % С, 10% Н, 5,..10% О. Смолы легко рас-творяются в нефтепродуктах.

Асфальгены представляют собой темно-бурые или черные твердые вещества, также обладающие сильной окрашивающей способностью. Плотность их более 1 г/см3. В асфальгенах по сравнению со смолами несколько больше содержится угле-рода и меньше водорода. Они растворяются в тяжелых фракциях нефти (масляных) и нефтяных смолах, образуя коллоидные растворы. Асфальгены при нагревании выше 300°С разлагаются.

Карбены и карбоиды, образующиеся из асфальгенов, по мере их уплотнения имеют более темный цвет. Они трудно растворимы.

Кислые нефтяные смолы (асфальгеновые кислоты и их ангидриды) - это полу-твердые или твердые вещества с плотностью более 1 г/см3 нерастворимые в бензи...