Физико-химические свойства нефти

Основные физико-химические свойства

• Плотность
• Вязкостные свойства
• Поверхностное натяжение
• Застывание и плавление, загустевание и размягчение, испарение, кипение и перегонка
• Растворимость и растворяющая способность
• Молекулярная масса
• Тепловые свойства
• Цвет, флуоресценция и люминесценция
• Оптические свойства
• Электрические свойства
• Элементный состав нефти
• Фракционный состав нефти

Физические свойства нефти

• Плотность
• Вязкость
• Оптические свойства
• Содержание серы
• Температура застывания
• Объемный коэффициент
• Парафинистость
• Сжимаемость
• Давление насыщения
• Газосодержание
• Коэффициент теплового расширения

Параметр	Значение (нормальные условия)
Плотность	0,65 … 1,05 г/см3
Вязкость кинематическая	2 … 300 мм2/с
Средняя молекулярная масса	220 … 400 г/моль
Температура застывания	-62 … +35 °С
Температура вспышки	-35 … +121 °С
Диэлектрическая проницаемость	2,0 … 2,5
Удельная теплоемкость	1,7 … 2,1 кДж/(кг·К)
Удельная теплота сгорания	43,7 … 46,2 МДж/кг

Молекулярная масса

Молекулярная масса нефтей и нефтепродуктов – это усредненная величина, поскольку нефти – сложные смеси органических соединений различного строения и молекулярной массы. Молекулярная масса изменяется в широких пределах, но для большинства нефтей она колеблется в пределах 220-300. Она возрастает, так же, как и плотность, для нефтяных фракций с повышением температуры кипения.

Молекулярную массу нефтепродуктов, как и индивидуальных веществ, определяют различными методами, что объясняется разнообразием свойств этих продуктов. Молекулярная масса определяется криоскопическим методом – по понижению температуры кристаллизации раствора исследуемого продукта, например в бензоле, нитробензоле и др.; эбулиоскопическим – по повышению точки кипения (в случае легких нефтяных функций); методом Раста – по понижению температуры плавления сплава исследуемого вещества с камфорой, бензойной кислотой, дифениламином и др. (для более высококипящих нефтепродуктов).

Кроме того, молекулярную массу нефтепродуктов можно рассчитывать по эмпирическим формулам. Чаще всего используется формула Б.П. Войнова:

М = а + bt + сt 2, где t – средняя температура кипения продукта, °С; а, b, с – постоянные, числовые значения которых различны для каждой группы углеводородов

Классификация по плотности

Плотность нефти изменяется в пределах 730—1040 кг/м³. На практике для её измерения чаще используют единицы измерения грамм на кубический сантиметр (г/см³) и соответственно плотность нефти колеблется в пределах 0,730—1,040 г/см³. Наиболее распространенные величины плотности нефти — 0,82-0,90 г/см³.

В РФ согласно методическим рекомендациям по применению классификации запасов и ресурсов нефти и горючих газов по плотности выделяют следующие классы нефти:

 

Классификация по вязкости

При добыче и транспортировке нефти большое значение имеет такое ее свойство, как вязкость. Различают динамическую и кинематическую вязкость. Динамической вязкостью называется внутреннее сопротивление (трение) отдельных частиц жидкости движению общего потока.

У легких нефтей вязкость меньше, чем у тяжелых. Она уменьшается также с повышением температуры, так как при этом увеличивается расстояние между молекулами. Поэтому при добыче и дальнейшей транспортировке по трубопроводам тяжелые нефти требуют подогрева. При 80-100°С вязкость тяжелых нефтей приближается к вязкости легких.

Для характеристики вязкости нефтей и нефтепродуктов на практике наиболее широко используется кинематическая вязкость, равная отношению динамической вязкости к плотности жидкости при температуре определения.

Вязкость очень сильно зависит от температуры, поэтому всегда указывается температура ее определения. Вязкость нефти при 50°С колеблется в пределах 1,2-55 сСт (сантистоксов) и зависит от ее химического и фракционного состава, содержания асфальто-смолистых веществ. Чем легче фракционный состав нефти и чем выше ее температура, тем ниже вязкость; чем больше асфальто-смолистых веществ, тем она выше.

Классификация по сере

Сера – это элемент, который обычно содержится в сырой нефти и нефтепродуктах. Сера считается загрязняющим компонентом, так как при ее сжигании образуются оксиды серы. Следовательно, большинство готовых нефтепродуктов имеют ограничение на то, сколько серы они могут содержать, что делает удаление серы важной частью общего процесса переработки.

В зависимости от массовой доли серы нефть в РФ подразделяют на классы:

1. малосернистая – до 0,6% мас.;
2. сернистая – от 0,61 до 1,8% мас.;
3. высокосернистая – от 1,81 до 3,5% мас.;
4. особо высокосернистая > 3,5% мас.

Сера также может нанести вред некоторым катализаторам, используемым в технологических установках переработки нефти, поэтому ее необходимо удалять.

Большая часть серы в сырой нефти удаляется в процессе переработки. Некоторые из них удаляются в конверсионных процессах, поскольку молекулы углеводородов, содержащие серу, крекируются и образуют H2S. Сера также удаляется с помощью процессов гидроочистки, где сера в углеводороде заменяется атомом водорода, а высвобожденная сера соединяется с двумя свободными водородами с образованием газа H2S.

Оптические свойства

Почти все нефти обладают способностью вращать плоскость поляризации лучей света, причем для большинства их характерно слабое правое вращение. Это свойство определяется с помощью поляриметров. Оптическая активность возрастает с повышением температуры кипения фракции, т.е. с увеличением молекулярной массы.

Совершенно не вращают плоскость поляризации бензиновые фракции нефти, малой оптической активностью обладают нефти, богатые метановыми и нафтеновыми углеводородами, а также смолы и нафтеновые кислоты.

Это свойство в наибольшей мере присуще, по-видимому, сложным или гибридным нафтеноароматическим углеводородам. Искусственные нефти в отличие от природных оптической активности не проявляют.

Электрические свойства

Нефть и нефтепродукты не проводят электрический ток, они являются диэлектриками и характеризуются чрезвычайно высоким электрическим сопротивлением. Например, для парафина оно составляет от 2 до 0,3·10 8 Ом·м.

Некоторые из них применяются в электротехнической промышленности и радиотехнике в качестве изоляционного материала (парафин) или изолирующей среды (трансформаторные масла) в трансформаторах, масляных реостатах и выключателях.

И нефть, и нефтепродукты при трении (в процессе заполнения хранилищ и перекачки с большой скоростью по трубам, а также фильтрации) легко электризуются и на их поверхности могут образовываться и накапливаться заряды статического электричества, в связи с чем могут происходить взрывы и пожары. Наиболее опасны в этом отношении светлые нефтепродукты, которые хорошо накапливают статическое электричество.

Для предотвращения опасности взрывов аппаратуру, резервуары и трубопроводы заземляют, а также применяют специальные антистатические присадки в нефтепродуктах. Диэлектрическая проницаемость нефтей и нефтепродуктов по сравнению с другими диэлектриками невелика и их диэлектрическая постоянная колеблется в узких пределах. Пробивное напряжение нефтепродуктов зависит от многих факторов – влажности, примесей, температуры, давления.

Фракционный состав нефти

Нефть и нефтепродукты обычными методами перегонки невозможно разделить на индивидуальные соединения. Это делается путем перегонки на отдельные части, любая из которых является менее сложной смесью. Такие части называют фракциями, или дистиллятами.

Фракция – это группа углеводородов, которая выкипает в определенном интервале температур. Нефтяные фракции в отличие от индивидуальных соединений не имеют постоянной температуры кипения. Они выкипают в определенных интервалах температур, то есть имеют температуру начала и конца кипения. Эти обе температуры зависят от химического состава фракции.

Фракционный состав нефтей и нефтепродуктов показывает содержание в них различных фракций, выкипающих в определенных температурных пределах. Для определения фракционного состава нефтей и их отдельных частей в лабораторной практике наибольшее распространение получили следующие методы перегонки:

1. Низкотемпературная ректификация – для сжиженных газов и фракций углеводородов, кипящих при температуре ниже 20°С.
2. Среднетемпературная перегонка – для нефтепродуктов, выкипающих до 350°С.
3. Вакуумная перегонка – для жидкостей, выкипающих при температуре выше 350°С.
4. Молекулярная дистилляция – для высокомолекулярных веществ.

Химические свойства нефти

С химической точки зрения состав нефти и газа очень прост. Основными элементами, образующими нефть и газ, являются углерод – С и водород – Н. Содержание углерода в нефтях – 83 – 89 %, содержание водорода – 12 – 14 %. В небольших объемах в нефтях содержатся сера – S, азот – N и кислород – О. Углерод и водород присутствуют в нефти в виде множества соединений, называемых углеводородами.

Известно, что химические элементы соединяются между собой в определенных соотношениях согласно их валентности. Например, молекула воды – Н₂О состоит из двух атомов водорода, имеющих валентность – 1, и одного двухвалентного атома кислорода.

Н – О – Н

Самым простым по химическому составу углеводородным соединением является метан – СН₄. Это горючий газ, являющийся главным компонентом всех природных горючих газов.

Обычное содержание метана в природных газах превышает 90 – 95 %.

Н

ן

Н–С–Н

ן

Н

Следующим за метаном соединением является этан – С₂Н₆,

Н H

ן ן

Н – С – С – H,

ן ן

Н H

Затем, пропан – С₃Н₈,

Н H H

ן ן ן

Н – C – С – C – H

ן ן ן

Н H H

бутан – С₄Н₁₀, пентан – С₅Н₁₂, гексан – С₆Н₁₄ и т.д.

Классификация по химическому составу

Соотношение углеводородов сырой нефти меняется в зависимости от ее происхождения. Распределение углеводородов по различным видам сырой нефти зависит от наличия нефтяных пластов. Химические и физические свойства будут варьироваться в зависимости от различных источников происхождения.

Наиболее важными и наиболее распространенными углеводородами в сырой нефти являются прямые и разветвленные алканы (называемые парафинами), циклоалканы (называемые нафтенами), ароматические углеводороды и наиболее сложные химические вещества, такие как асфальтены, молекулярная масса которых составляет 800-2500.

Содержание углеводородов в нефти:

• парафины 15-60%,
• нафтены 30-60%,
• ароматических вещества 3-30%,
• остальное-асфальтеновые соединения.

Типы нефтей по содержанию углеводородов

Парафинистые нефти

• парафины + нафтены > 50%
• парафины > нафтены
• парафины > 40%

Нафтеновые нефти

• парафины +нафтены > 50%
• нафтены > парафины
• нафтены > 40%

Парафино-нафтеновые нефти

• ароматика < 50%
• парафины < 40%
• нафтены < 40%

Нафтено-ароматические нефти

• ароматика > 50%
• нафтены > 25%
• парафины < 10%

Средне-ароматические нефти

• ароматика > 50%
• парафины > 10%

Асфальтено-ароматические нефти

• нафтены < 25%
• парафины < 10%

Содержание парафинов

Нефть с высоким содержанием парафинов создает трудности при переработке и перекачке, а также в производстве дистиллятов и остаточных топлив с высокой температурой застывания и смазочных масел, которые необходимо подвергать дорогостоящим процессам депарафинизации.

По содержанию парафиновых углеводородов различают нефти:

1. Малопарафинистые не более 1.5
2. Парафинистые 1.5 – 6
3. Высокопарафинистые более 6

Содержанию смол и асфальтенов