Арены или ароматические углеводороды

Содержание.

 

1. Углеводороды нефти. Арены………………………………………………………………1

 

2.  Эксплуатационные свойства нефтяных масел…………………………………………...2

 

3.  Смолообразование в процессах термической переработки нефти……………………...3

 

4.  Очистка нефтепродуктов щелочью……………………………………………………….4

 

5. Основные направления химической переработки нефтяного сырья…………………....5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Углеводороды нефти. Арены.

 

  Углеводороды нефти — это сложные и чрезвычайно разнообразные по своему составу и строению органические молекулы, хранящие информацию о составе и строении соединений, составляющих липидную основу древней живой материи: водорослей, бактерий и высших растений. Особенно большое значение имело открытие так называемых реликтовых углеводородов, или биологических меток ( хемофоссилий ),— соединений, сохранивших основные черты строения, свойственные исходным биологическим молекулам. Суммарная концентрация таких соединений достигает в ряде нефтей 35- 40%, а число таких углеводородов превышает цифру 500.

 Углеводороды (УВ) представляют собой органические соединения углерода и водорода. В нефти в основном содержатся следующие классы углеводородов.

Алканы или парафиновые углеводороды – насыщенные (предельные) УВ с общей формулой CnH2n+2. Содержание их в нефти составляет  2 – 30-70 %. Различают алканы нормального строения (н-алканы – пентан и его гомологи), изостроения (изоалканы – изопентан и др.) и изопреноидного строения (изопрены – пристан, фитан и др.)

 В нефти присутствуют газообразные  алканы от С1 до С4 (в виде растворённого газа), жидкие алканы С5 – С16, составляют основную массу жидких фракций нефти и твёрдые алканы состава С17 – С53 и более, которые входят в тяжёлые нефтяные фракции и известны как твёдые парафины. Твёрдые алканы присутствуют во всех нефтях, но обычно в небольших количествах – от десятых долей до 5 % (масс.), в редких случаях – до 7-12 % (масс.).  В Томской области нефть Чкаловского месторождения содержит до 18 % твердых парафинов.

  В зависимости от внутрипластовых условий и компонентного состава пластовой залежи определяется тип месторождения – газовое, газоконденсатное или нефтяное.     Основные компоненты чисто газовых месторождений - низкомолекулярные алканы – метан, этан, пропан и бутан (н- и изостроения) в индивидуальном виде при нормальных условиях (0,1 МПа и 20°С) являются газами. В нефтяных природных газах доминируют алканы.

 Кроме алканов в состав природных газов могут входить оксид (СО) и диоксид углерода (СО2), сероводород (Н2S), азот (N2), а также инертные газы – Не, Аг, Ne, Xe. Если при изотермическом снижении давления в пласте тяжелые компоненты природного газа выделяются в виде жидкой фазы (конденсата), то такие смеси называют газоконденсатными. При этом часть конденсата может безвозвратно теряться в породе. Содержание конденсата (С5 и высшие) в газе зависит от его состава и пластовых условий (температуры и давления, достигающее 25-40 МПа).

Количественным критерием отнесения  залежи к газоконденсатным месторождениям служит газоконденсатный фактор, равный количеству газа (м3) при нормальных условиях, в котором растворен 1 м3 конденсата при пластовых условиях.

   Арены или  ароматические углеводороды – соединения, в молекулах которых присутствуют циклические углеводороды с π–сопряжёнными системами. Содержание их в нефти изменяется от 10-15 до 50 %(масс.). К ним относятся представители моно-циклических: бензол и его гомологи (толуол, о-, м-, п-ксилол и др.), бициклические: нафталин и его гомологи, трициклические: фенантрен, антрацен и их гомологи, тетрациклические: пирен и его гомологи и другие.

  Моноарены нефтей представлены алкилбензолами. Важнейшими представителями высококипящих нефтяных алкилбензолов являются УВ, содержащие в бензольном ядре до трех метильных и один длинный заместитель линейного, α-метилалкильного или изопреноидного строения. Крупные алкильные заместители в молекулах алкилбензолов могут содержать более 30 углеродных атомов.

   Главное место среди нефтяных аренов бициклического строения (диарены) принадлежит прозводным нафталина, которые могут составлять до 95 % от суммы диаренов и содержать до 8 насыщенных колец в молекуле, а второстепенное – производным дифенила и дифенилалканов. В нефтях идентифицированы все индивидуальные алкилнафталины С11, С12 и многие изомеры С13-C15. Содержание дифенилов в нефтях на порядок ниже содержания нафталинов.

  Триарены представлены в нефтях производными фенантрена и антрацена (с резким преобладанием первых), которые могут содержать в молекулах до 4-5 насыщенных циклов.

Нефтяные тетраарены включают углеводороды рядов хризена, пирена, 2,3 и 3,4 бензофенантрена и трифенилена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксплуатационные свойства нефтяных масел.

 

  Основное назначение нефтяных масел состоит в том, чтобы снизить трение между твердыми поверхностями движущихся частей различных механизмов, станков, двигателей, машин и тем самым предотвратить их износ. При наличии масляной смазки сухое трение металлических поверхностей заменяется трением слоев вязкой жидкости между собой. Сила сцепления между молекулами масла и материала смазываемой поверхности превышает силу взаимного сцепления молекул масла, вследствие чего на поверхности металла образуется прочный слой смазывающего материала. Наличие такого слоя исключает возможность сухого трения, а так как коэффициент трения между слоями жидкой смазки в несколько десятков раз ниже коэффициента сухого трения, то энергетические затраты на преодоление сил трения при использовании смазки значительно снижаются.

  Нефтяные масла представляют собой смесь жидких высококипящих фракций, очищенных от нежелательных примесей. Нефтяные масла иногда называют минеральными - с тем, чтобы отличить от синтетических масел, которые представляют собой органические соединения, полученные многоступенчатым синтезом. По способу выделения из нефти минеральные масла подразделяют на дистиллятные, остаточные и компаундированные, т. е. получаемые смешением дистиллятных и остаточных компонентов.

  В зависимости от метода очистки различают следующие масла: неочищенные (полученные непосредственно при перегонке нефти), выщелоченные, кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки, гидрокрекинга.

По области применения нефтяные масла подразделяют на смазочные и специальные. В свою очередь смазочные масла делят на индустриальные, моторные, масла для прокатных станов, вакуумные, цилиндровые, энергетические, трансмиссионные, осевые, приборные, гидравлические.

  Индустриальные масла предназначены для смазывания различного промышленного оборудования. В марках всех индустриальных масел цифра показывает значение кинематической вязкости  при  50°С.

   Основными эксплуатационными характеристиками нефтяных смазочных масел являются вязкостно-температурные свойства, подвижность при низких температурах, устойчивость против окисления.

Вязкость. Требования, предъявляемые  к вязкости смазочных масел, весьма различны; они зависят от характера  и скорости движения трущихся поверхностей, удельных нагрузок. Так, вязкость автомобильных  масел составляет 6—12 мм2/с, а для смазывания подшипников машин резиновой промышленности необходимо масло вязкостью 175—220 мм2/с (оба значения при 100°С).

  Вязкость масляных фракций, полученных из одной и той же нефти, растет с увеличением температурных пределов перегонки фракций. Вязкость фракций с одинаковыми пределами перегонки, полученных из разных нефтей или даже полученных из одной нефти, но очищенных разными способами, может оказаться неодинаковой. Вязкость зависит от углеводородного состава масляных фракций, который в свою очередь определяется химическим составом нефти и способом удаления нежелательных компонентов (очистки).

  Наименьшую вязкость имеют алкаиы. Вязкость алканов Сго—См при 50°С составляет 7—9 мм2/с. Удаление алканов из масляных фракций увеличивает вязкость масел. Разветвленные алканы по вязкости незначительно отличаются от нормальных.

  Вязкость циклоалканов и аренов заметно выше, чем алканов, причем вязкость аренов выше, чем вязкость циклоалканов. При удалении из масляных фракций аренов и циклоалкано-аренов наблюдается снижение вязкости масел.

  Вязкостно-температурные свойства. Для масел, работающих в широком диапазоне температур, в частности моторных, большое значение имеют вязкостно-температурные свойства. Необходимо, чтобы вязкость масел с уменьшением температуры повышалась не резко, т. е. чтобы кривая зависимости вязкости от температуры была по возможности более пологой.

  Для оценки вязкостно-температурных свойств применяют два показателя:  коэффициент вязкости и индекс вязкости. Коэффициент вязкости представляет собой отношение кинематической вязкости масла при 50 и 100°С или при двух любых других температурах, соответствующих крайним значениям интервала температур работы исследуемого масла. Для масел с пологой температурной кривой вязкости характерны низкие значения коэффициента вязкости. Коэффициент вязкости не полностью отражает ход кривой изменения вязкости масел в зависимости от температуры и потому не получил широкого распространения.

Общепринятой является оценка вязкостно-температурных  свойств масел по индексу вязкости (ИВ). В СНГ индекс вязкости определяют по специальным стандартным таблицам в зависимости от вязкости масла  при 50 и 100 °С.

Вязкость масел зависит от температуры  и углеводородного состава масел. Наиболее пологую кривую зависимости  вязкости от температуры имеют нормальные алканы, ИВ у них превышает 200°С. У алканов с разветвленной цепью он ниже и уменьшается с увеличением степени разветвленности.

 

Для циклических аренов и циклоалкапои характерны следующие особенности:

 

1) вязкостно-температурные свойства  улучшаются с увеличением отношения  углеродных атомов боковых алкильных  цепях к числу углеродных атомов в циклической части молекул;

2)    ИВ снижается при  увеличении числа колец в молекуле  углеводорода;

3)   ИВ алкилзамещенных бензола, циклогексана, нафталина и декалина растет    почти    пропорционально числу углеродных атомов в молекуле;

4)    циклоалканы  имеют    лучшие    вязкостнотемпературные свойства, чем арены.

 

  Чтобы получить масла с высокими вязкостно-температурными свойствами, необходимо максимально удалить из масляных фракций смолисто-асфальтеновые вещества, извлечь (но не полностью) полициклические арены с короткими боковыми цепями. В масле должны быть полностью сохранены алкилзамещенные циклоалканов, аренов и циклоалканоаренов с большим числом углеродных атомов в боковой цепи.

  Подвижность при низких температурах. Потеря подвижности масел при низких температурах происходит по двум причинам: из-за резкого повышения вязкости масла и вследствие появления в масле структур, состоящих из кристаллов твердых углеводородов. В первом случае масло сохраняет все свойства ньютоновской жидкости, хотя и становится практически неподвижным. Во втором случае оно приобретает свойства, присущие дисперсным (неньютоновским) системам: вязкость масла начинает зависеть от скорости сдвига и от времени приложения нагрузки.

  Показателем, контролирующим подвижность масел при низких температурах, является температура застывания. Температура застывания автомобильных и дизельных масел колеблется от —10 до —40°С, а для масел, применяющихся в турбореактивных авиационных двигателях, должна быть не выше —55°С. Низкозастывающие масла получают, удаляя из фракций твердые алканы, полициклические арены и цикло-алканоарены с короткой цепью.

  Смазывающая способность. В ряде случаев, когда смазочные масла применяют при больших нагрузках и малых скоростях, не удается получить стабильный смазывающий слой определенной толщины. Поэтому большое значение приобретает возможность создания на металлической поверхности очень тонкого (0,1—1,0 мкм), но прочного смазочного слоя. Этот тип смазки носит название граничной смазки, а способность масел создавать такой слой характеризуют термином маслянистость, или смазывающая   способность.

  Химическая стабильность. Для масел (турбинных, компрессорных, моторных и др.), которые многократно циркулируют через узлы трения, одним из важнейших показателем является стойкость против окисления кислородом воздуха. Окисление компонентов масла представляет собой сложный процесс, развитие которого зависит от химического и прежде всего    углеводородного состава масел, а также от условий эксплуатации. Показано, что первичными продуктами окисления углеводородов являются пероксиды, которые затем разлагаются и превращаются в другие кислородсодержащие соединения.

Накопление кислородсодержащих соединений в масле вредно сказывается на эксплуатационных свойствах.

Установлено, что по химической стабильности наилучшими свойствами обладают малоцикличные циклоалканы и арены, а также гибридные углеводороды с длинными боковыми цепями.

  Стойкость масел к воздействию кислорода характеризуют следующие показатели: общая склонность масел к окислению; коррозионная активность масел; склонность к лакообразованию; склонность к образованию осадка в двигателях внутреннего сгорания. Для определения этих показателей предложен комплекс методов лабораторных и моторных испытаний.

 

Смолообразование в процессах  термической переработки нефти.

 

 В настоящее время общей тенденцией нефтяной отрасли является уменьшение разведанных запасов лёгкой нефти, практически весь прирост запасов происходит за счет тяжелой вязкой сернистой нефти.

Запасы нефти, удобные для добычи и переработки, истощаются ускоренными  темпами. В то же время, по данным экспертов, мировые запасы тяжелой нефти  составляют более 810 миллиардов тонн.