Состав и свойства нефти и газа

     Определение состава и концентрации этих элементов  проводят главным образом спектральным анализом золы, полученной при сжигании нефти.

     В заметно больших количествах  по сравнению с другими элементами в нефти содержится ванадий и никель, которые связаны в металлопорфириновые комплексы.

     В высокосернистых нефтях содержание ванадия достигает 2·10^-2%, никеля 1·10^-2%, содержание других металлов значительно меньше.

     Изучение  микроэлементов нефти представляет большой интерес в связи с проблемой происхождения нефти. Наличие в нефти многих элементов, характерных для растений и животных, является доказательством их родства.

     Присутствующие  в нефтях металлы затрудняют её переработку. Многие металлы и, в первую очередь, ванадий и никель снижают активность катализаторов, ускоряют процесс отложения кокса в печах. При сгорании котельных топлив образуется оксид ванадия (V), который способствует коррозии.

     Присутствующие  в нефтяных коксах микроэлементы нефти загрязняют продукцию электротермических производств (алюминий, железо и др.). Металлоорганические комплексы зачастую обладают поверхностно-активными свойствами и адсорбируются на границе раздела нефти и воды, способствуя образованию эмульсий.

     Металлоорганические соединения. Металлоорганические соединения V, Ni, Cu, Zn и других металлов, содержащихся в нефтях, в основном, сосредоточены в гудроне, хотя некоторая часть (до 0,01%) их летуча и при перегонке переходит в масляные дистилляты.

Основная  часть металлов связана со смолами и асфальтенами. Значительная часть металлов находится в нефтях в виде металлопорфириновых комплексов. Содержание металлорганических соединений в нефтях с высоким содержанием гетероорганических соединений, смол и асфальтенов значительно - на 2-3 порядка – выше, чем в малосернистых нефтях с низким содержанием асфальто-смолистых веществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Групповой химический  состав нефтей

     Из  элементного состава следует, что  нефть в основном состоит из углеводородов. Наиболее широко в нефти представлены углеводороды трёх классов: алканы, циклоалканы и арены.

     Присутствуют также  углеводороды смешанного строения. Сравнительно жёсткие условия, в  которых в  природе находится нефть (температура  до 200 ⁰С и более), обусловливает незначительное содержание лишь в некоторых нефтях таких химически активных углеводородов, как алкены и алкины.

     Соединения с циклическими и полициклическими структурами  преобладают в нефтях, приуроченным к относительно молодым отложениям (третичным), а алифатические структуры более характерны для нефтей из палеозойских отложений.

     Из неуглеводородных компонентов нефтей известны кислородные, сернистые, азотистые соединения, также  смолы и асфальтены, содерджащие  и кислород, и серу, и азот, но с  не вполне ясной химической природой. Имеются и некотрые другие элементно – органические соединения, но характер их тоже пока не совсем ясен.

     Нефть содержит также  и минеральные вещества.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.3 Фракционный состав  нефти 

     Для оценки качества добываемой нефти и  выбора методов её дальнейшей переработки  большое значение имеет распределение  содержащихся в ней углеводородов  по температурам кипения. Лабораторные исследования химического состава нефтей начинают с фракционной перегонки: отбирают узкие фракции, выкипающие в пределах двух-трёх, а иногда и одного градуса. В этих фракциях определяют содержание отдельных групп или индивидуальных углеводородов.

     При лабораторном техническом контроле от начала кипения до 300 ⁰С отбирают 10-градусные, а затем 50-градусные фракции.

     На промышленных перегонных установках выделяют фракции, выкипающие в более широких температурных  интервалах. Такие фракции обычно называют дистиллятами. Перегонку на таких установках вначале проводят при атмосферном давлении, отбирая следующие дистилляты:

- бензиновый (н.к.  ÷ 170-200 ⁰С);

- лигроиновый (160 ÷ 200 ⁰С);

- керосиновый (180 ÷ 270-300 ⁰С);

- газойлевый (270 ÷ 350 ⁰С).

Промежуточные:

- керосино - газойлевый (270 ÷ 300 ⁰С);

- газойле - соляровый  (300 ÷ 350 ⁰С);

- кубовый остаток  - мазут.

     Из фракций, выкипающих до 350 ⁰С, смешением (компаундированием) составляют так называемые светлые нефтепродукты:

бензины авиационные и автомобильные; бензины и лигроины - растворители; керосины - реактивное и тракторное топливо; осветительный керосин; газойли - дизельное топливо.

     Кубовый остаток (более 350 ⁰С) - мазут, перегоняют в вакууме для предотвращения разложения компонентов, входящих в его состав, получая масляные дистилляты: соляровый, трансформаторный, веретённый, автоловый, цилиндровый и кубовый остаток - гудрон (или полугудрон). Масляные дистилляты идут на приготовление смазочных масел и пластичных смазок.

     Из гудрона (полугудрона) получают наиболее вязкие смазочные масла и битум.

     В зависимости от месторождения нефти имеют отличие  по фракционному составу, выражающееся в различном выходе бензиновых, керосиновых  и других фракций.

 
 

1.4 Элементный и изотопный  состав нефтей

     Несмотря  на то, что нефть залегает в различных  геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах. Он характеризуется обязательным наличием пяти химических элементов - углерода, водорода, серы, кислорода и азота  при резком количественном преобладании первых двух. Содержание углерода в нефтях колеблется в пределах 83-87%, в природных газах 42-78%. Водорода в нефтях 11-14%, в газах 14-24%. Из других элементов в нефтях чаще всего встречается сера. Её содержание в отдельных нефтях достигает 6-8%. В природных газах сера обычно содержится в виде сероводорода, количество которого иногда достигает 23% (Астраханское месторождение) и даже более 40% (Техас).

Содержание  кислорода в нефтях иногда достигает 1-2%. В природных газах кислород присутствует преимущественно в виде СО₂, количество которого изменяется от концентраций, близких к нулю, до почти чистых углекислых газов (80% СО₂ - Семидовское месторождение в Западной Сибири, 99% СО₂ - Нью-Мехико).

     Содержание  азота в нефтях не превышает 1%, а  в природных газах может достигать десятков процентов. Некоторые природные газы почти полностью состоят из азота (85-95 % N₂, месторождение Вест-Брук в Техасе).

В природных  газах присутствуют гелий, аргон  и другие инертные газы. Содержание гелия в газах обычно менее 1-2%, хотя в некоторых случаях оно достигает 10%. Концентрация аргона в газах, как правило, не превышает 1 %, и лишь в некоторых случаях достигает 2 %.

     В составе нефти в очень малых  количествах присутствуют и другие элементы, главным образом металлы: алюминий, железо, кальций, магний, ванадий, никель, хром, кобальт, германий, титан, натрий, калий и др. Обнаружены также фосфор и кремний. Содержание этих элементов не

превышает нескольких долей процента, определяется геологическими условиями залегания нефти. Так, основным элементами мезозойских и третичных нефтей является железо. В палеозойских нефтях Волго-Уральской области повышенное содержание ванадия и никеля. Считается, что часть микроэлементов находится в нефти с момента её образования в осадочных породах, а другая часть накапливается в последующий период существования нефтей.

Элементный  состав некоторых нефтей приведен в  табл. 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 1

Элементарный  состав некоторых нефтей (% масс.)

 

     Большой интерес для выяснения геохимической  истории нефтей представляет изотопный  состав нефтей, т.е. соотношение в  них изотопов углерода, водорода, серы и азота. По имеющимся данным, отношение масс различных изотопов в нефтях составляет: ¹²С/¹³С 91-94, Н/Д (¹Н/²Н) 3895-4436, ³²S/³⁴S - 22-22,5, ¹⁴N/¹⁵N - 273-277.

     Различные компоненты одной и той же нефти  имеют неодинаковый изотопный состав элементов. Низкокипящие фракции характеризуются облегчённым составом углерода. Различие в протонном составе наблюдается и для отдельных классов соединений (например, ароматические углеводороды богаче изотопом ¹³С, чем парафиновые углеводороды).

1.5 Определение содержания воды

     Вода  относится к минеральным примесям нефти наряду с золой, песком и  т.д. Сырая нефть- сырье с содержанием  воды до 200 - 300 кг/т.

Вода  является нежелательной примесью и  по техническим нормам не допускается  в нефтепродуктах. При охлаждении образует кристаллы льда, которые забивают топливные фильтры; при разогреве нефтепродуктов образуется пар, увеличивается давление в трубопроводе, что ведет к их разрыву.

     Содержание  воды в масле усиливает его  склонность к окислению, а также  ускоряет процесс коррозии металлических деталей.

     Присутствуя в карбюраторных топливах, вода снижает  их теплотворную способность. Засоряет карбюратор, вызывает закупорку распыляющих  форсунок. Т.о., наличие воды усложняет  переработку нефти и вредно сказывается  на эксплуатационных свойствах нефтепродуктов.

     Качественный  метод определения воды для темных нефтепродуктов - проба на потрескивание: продукт нагревают в пробирке до 150^oС в масляной бане. Если наблюдается потрескивание, вспенивание, вздрагивание продукта, то это указывает на наличие воды в нефтепродукте.

     Количественный  метод определения воды в нефтепродукте - метод Дина и Старка. Метод основан  на дистилляции смеси воды, содержащейся в пробе, и органического растворителя, не смешивающегося с водой. Дистиллят  собирают в калиброванный приемник и измеряют объем перегнанной воды.  

     2.Состав  газа

     Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ.