Сырая нефть является смесью химических веществ, состоящих из нескольких сотен компонентов. Однако основную массу нефти составляют углеводороды: алканы (парафин СnН2n+2); циклоалканы (нафтены СnН2n); арены (ароматические СnНn (бензол, толуол)). В основу квалификации нефтей положено преимущественное содержание в них какого-либо класса углеводородов. Различают парафиновые нефти (грозненские, башкирские, татарские нефти); нафтеновые (Бакинские); парафинонафтеновые (сураханские); ароматические (Чусовская) и др. Кроме того, в органическую часть нефти входят смолистые и асфальтеновые вещества, сернистые соединения, нафтеновые кислоты, фенолы и др. По содержанию серы, нефти квалифицируются на: малосернистые (от 0,1 до 0,5 % серы); сернистые (до 2,5 – 3 % серы); высокосернистые (более 3 % серы). Нефть содержит также минеральные примеси (неорганические): воду, которая представлена в виде стойких эмульсий. Вода содержит в своем составе растворенные соли (NaCl, CaCl2 и др.). Кроме того, нефть содержит взвешенные механические примеси песка, глины, соли тяжелых металлов.
Важнейшие нефтепродукты
1. Жидкие топлива, которые разделяются на моторные и котельные. Моторные топлива подразделяются на:
- а) карбюраторное – включает в себя авиационные и автомобильные бензины и тракторное топливо.
- б) реактивное представляет собой фракции керосина различного состава или их смесь с бензиновыми фракциями (авиакеросин).
- в) дизельное, которое включает в себя газойли и соляровые фракции.
- г) котельное топливо, которое используют в топках тепловозов, пароходов, ТЭЦ и в промышленных печах (прямогонный мазут, флотский мазут и различные крекинг остатки) Флотский мазут имеет температуру замерзания не выше +4 ºС.
2. Газообразные топлива – это сжиженные газы, применяемые для коммунально-бытового обслуживания (смеси пропан-бутана в различных соотношениях).
3. Смазочные масла подразделяются на масла общего назначения и специальные. Масла общего назначения применяют для смазывания трущихся поверхностей (моторные, компрессорные, турбинные и т.д.). Специальные масла – трансформаторные (с температурой застывания не выше минус 40 ºС), конденсаторное, кабельное и др.
4. Консистентные смазки – их насчитывается более ста наименований. Они представляют собой нефтяные масла, загущенные специальными мылами, твердыми углеводородами (парафины, церезины) и другими загустителями. Смазки делятся на две группы: универсальные и специальные.
5. Индивидуальные углеводороды – алканы (метан, этан, пропан, бутан и др.); алкены (этилен, пропилен, бутилен и др.); ароматические (бензол, толуол, ксилолы и др.). Кроме того, из нефти выделяют предельные углеводороды с большой молекулярной массой (С16 и выше) – это твердые парафины и церезины. Они применяются в парфюмерии, спичечной промышленности, пищевой, в качестве загустителей смазок, изготовлении свеч и других целях.
6. Нефтяные битумы получают из тяжелых нефтяных остатков (гудронов, асфальтенов, экстрактов селективной очистки, слопов и др.) в основном путем их частичного окисления. Они используются в дорожных, строительных, кровельных работах и др.
7. Нефтяной кокс и технический углерод получают путем высокотемпературной обработки тяжелых нефтяных остатков без доступа кислорода, используют в металлургии для изготовления угольных электродов, абразивных материалов и др.
Одним из важнейших нефтяных продуктов являются моторные карбюраторные топлива – авиационные и автомобильные бензины. Важнейшим свойством бензина, характеризующим устойчивость против преждевременного воспламенения в камере сгорания, является его детонационная стойкость.
Детонация – это взрывоподобное сгорание топливной смеси со скоростью около 1,5 км/с, которое приводит к разрушению двигателей и снижению их мощности. Это свойство бензина, начиная с 1927 года, во всем мире измеряется октановым числом (ОЧ). Оно представляет собой условное число, равное процентному содержанию изооктана в его смеси с нормальным гептаном, эквивалентной по своей детонационной стойкости испытуемому бензину в стандартных условиях испытания.
При этом условно принимается, что ОЧ нормального гептана, имеющего цепочечное строение молекул и поэтому легко детонирующего, равно «0», а для изооктана, имеющего разветвленную структуру молекул и поэтому обладающего высокой стойкостью к детонации, равно 100 пунктам. В настоящее время эта шкала уже устарела, так как найдены углеводороды, имеющие ОЧ выше 100 пунктов (например, этилбензол 104, толуол – 107). Поэтому сейчас октановая шкала расширена до 120 пунктов.
Определение ОЧ производится двумя методами – моторным и исследовательским.
Для этого служит одна и та же испытательная установка, состоящая из одноцилиндрового двигателя, но при различных режимах его работы. Моторный метод более «жесткий» (900 об/мин) и моделирует загородную езду. Исследовательский метод более «мягкий» (600 об/мин) и моделирует езду в черте города. Поэтому исследовательский метод дает завышенные значения ОЧ (до 4 пунктов).
Для характеристики детонационной стойкости дизельного топлива (t кип = 200 – 350 0С) используется так называемое «цетановое число». Цетановое число цетана (C 16H34) принято равным ста пунктам, а — метилнафталина (С10Н7СН3) – десяти.
Прямогонные бензины, получаемые при прямой перегонке нефти, характеризуются низким ОЧ (не выше 50 – 70 пунктов), что является совершенно недостаточным для использования в современных автомобильных двигателях. Это объясняется тем, что они состоят, в основном из низкооктановых компонентов – цепочечных углеводородов.
Для повышения ОЧ прямогонных бензинов используют два основных метода.
Первый и наиболее старый из них заключается во введении в состав бензинов антидетонационных присадок. Наиболее старой антидетонационной присадкой является тетраэтилсвинец в смеси с этилбромидом, дихлорэтаном, монохлорнафталином. Такой бензин называется этилированным. В зависимости от «приемистости» прямогонных бензинов их ОЧ повышается от 18 до 20 пунктов. Однако эта присадка высокотоксичная и ухудшает условия эксплуатации двигателей.
В настоящее время найдены и используются другие присадки (метанол, метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) и др.). Кроме меньшей токсичности они содержат в своем составе кислород, который способствует более полному сжиганию топлива и снижению токсичности выхлопных газов. Метанол является эффективной добавкой, но ядовит и плохо растворим в бензинах при низких температурах. Поэтому более предпочтительной в настоящее время считается МТБЭ.
Второй, более современный и радикальный метод основан на изменении структуры цепочечных молекул с малой детонационной стойкостью, входящих в состав прямогонных бензинов, с целью их разветвления (изомеризации) без изменения молекулярной массы, а также структурной перестройки с изменением числа атомов водорода (риформинга). Оба эти процесса относятся к группе вторичных каталитических процессов переработки нефти.
Одной из важнейших интегральных характеристик технического совершенства НПЗ является показатель глубины переработки нефти. Он рассчитывается как отношение объема всех нефтепродуктов, вырабатываемых предприятием в качестве товарных продуктов, за вычетом механических потерь и мазута к объему перерабатываемой нефти. Таким образом, чем меньше на предприятии выпускается в качестве товарного продукта мазута и больше вовлекается его в дальнейшую переработку, тем выше глубина переработки нефти. На современных НПЗ глубина переработки достигает 87 – 90 % и даже больше.