Что такое фракционный состав нефти
Нефть – уникальное природное полезное ископаемое, которое представляет собой черную жидкость маслянистой консистенции, имеющую специфический вид и запах. На сегодняшний день нет единого научного мнения о ее происхождении в природе. Так, наиболее популярная теория гласит, что процессы нефтеобразования проходили миллионы лет, а само полезное ископаемое являет собой остатки органических веществ. Иными словами, нефть образовалась из очень древних живых организмов.
Несмотря на то что данная теория получила всеобщее признание, отдельные ученые заявляют, что этот природный ресурс имеет абиогенное происхождение. Иными словами, нефть есть результат химического и физического воздействия высоких температур и давления на неорганические вещества.
Это полезное ископаемое крайне неоднородно распространено по планете. Так, наиболее крупные месторождения приходятся на районы Персидского и Мексиканского заливов, Западную Сибирь, Каспий, Норвежское море и т. д. На сегодняшний день многие из них близки к исчерпанию, что заставляет правительства и нефтяные компании проводить усиленную геологоразведку и совершенствовать методы нефтедобычи для разработки более труднодоступных участков залегания ресурса.
Нефть имеет крайне сложный химический состав. По сути, она состоит из огромного количества различных соединений, обладающих разной молекулярной массой. На сегодняшний день не существует методик, которые бы позволили получать из нефти-сырца необходимый конечный продукт. Однако возможно разделение ее на фракции, углубленная переработка которых позволяет решить данную проблему.
По сути, фракция нефти представляет собой определенную группу соединений, объединенных общими химическими свойствами. Основной их особенностью выступает тот факт, что выкипают они только в определенном температурном интервале. Это их свойство позволяет осуществлять процесс ректификации, то есть первичной перегонки нефти. При использовании различных методов очистки происходит вторичная перегонка для получения более качественного продукта.
В соответствии со стандартами, принятыми в нефтеперерабатывающей промышленности, существует определенная градация фракций. Так, они бывают:
- Легкими.
В их число входят петролейная и бензиновая фракции. Они образуются при температуре до +140 градусов.
- Средние.
Считаются лигроиновые, керосиновые и дизельные. Вместе с легкими они относятся к светлым нефтяным фракциям.
- Тяжелые.
При высокой температуре, составляющей более +350 градусов, и в условиях вакуума образовывается мазут (темная фракция). Из него путем углубленной перегонки получают вакуумный газойль, а также гудрон в качестве остатка.
Способы получения
Для производства берется нефть, которую перегоняют при температуре 35-180 °C. В небольшом количестве могут добавляться вторичные фракции. Еще при производстве применяются природный газ, уголь и горючие сланцы.
В современном производстве из нефти убирают фракцию НК-180 °C. Затем ее еще разделяют на фракции: НК-62 °C или НК-85 °C. Именно последние фракции получили распространение в дальнейшем использовании для изготовления товарного бензина.
Виды и свойства нефтяных фракций
Современные методы нефтепереработки позволяют проводить ректификацию сырой нефти для получения соответствующих фракций. Они имеют разные физико-химические свойства и, соответственно, применяются в различных отраслях промышленности и сферах народного хозяйства. Разберем каждую фракцию более подробно.
Петролейная фракция
Представляет собой смесь жидких и легких углеводородов (гексанов и пентанов). Эту фракцию еще называют петролейным эфиром. Он получается из газоконденсата, легких нефтяных фракций и попутных газов. Петролейный эфир делится на легкий (интервал кипения – от 40-ка до 70-ти градусов C) и тяжелый (от 70-ти до 100-а). Поскольку это – наиболее быстро выкипающая фракция, при разделении нефти она выделяется одной из первых.
Петролейный эфир – это бесцветная жидкость, плотность которой составляет от 0,650 до 0,695 грамм на кубический сантиметр. Он хорошо растворяет различные жиры, масла, смолы и прочие соединения углеводородов, поэтому его часто используют как растворитель в жидкостной хроматографии и при экстракции из горных пород нефти, углеводородов и битумоидов.
Кроме того, именно петролейным эфиром нередко заправляют зажигалки и каталитические грелки.
Бензиновая
Эта нефтяная и конденсатная фракция является сложной углеводородной смесью различных типов строения. Около семидесяти компонентов вышеуказанной смеси имеют температуру выкипания до 125 градусов C , и ещё 130 компонентов этой фракции выкипают в промежутке от 125-ти по 150-ти градусов.
Компоненты этой углеродной смеси и служат материалом для изготовления различного топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания. В состав этой смеси входят разные виды углеводородных соединений, включая разветвленные и неразветвленные алканы, вследствие чего эту фракцию часто обрабатывают термическим риформингом, который превращает в разветвленные неразветвленные молекулы.
Основу состава бензиновых нефтяных фракций составляют изомерные и нормальные парафиновые углеводороды. Из нафтеновой углеводородной группы больше всего метилциклопентана, метилциклогексан и циклогексана. Кроме того, высокая концентрация углеродных соединений легкой ароматической группы, таких, как метаксилол и толуол.
Состав фракций бензинового типа зависит от состава перерабатываемой нефти, поэтому октановое число, углеводородный состав и другие бензиновые свойства различаются, в зависимости от качества и свойств исходного нефтяного сырья. Другими словами, получить высококачественный бензин можно далеко не из любого сырья. Моторное топливо плохого качества имеет значение октанового числа, равное нулю. Высококачественное же имеет этот показатель на уровне 100.
Октановое число бензина, полученного из нефти-сырца, редко бывает больше 60-ти. Особую ценность в бензиновой нефтяной фракции представляет наличие в ней циклопентана и циклогексана, а также их производных. Именно такие углеводородные соединения служат сырьем для производства ароматических углеводородов, таких, как бензол, исходная концентрация которого в сырой нефти крайне мала.
Лигроиновая
Подвид включает в себя тяжелые элементы. Насыщенность ароматическими углеводородами больше, чем у других соединений. Является компонентом для производства товарных бензинов, осветительных керосинов, реактивного топлива, органическим растворителем. Выступает как наполнитель бытовой техники. Химический состав: полициклические, циклические и ненасыщенные углеводороды. Отличается наличие серы, процент от общей массы которой зависит от месторождения, уровня залегания и качества сырьевого продукта.
Керосиновая
Керосиновая фракция нефти — в первую очередь это топливо для реактивных двигателей. Используется в производстве лакокрасочной продукции и добавляется как растворитель в краску для стен и полов. Выступает сырьем в процессах синтеза веществ. Соединения углеводов с повышенным содержанием парафина. Наблюдается низкое содержание ароматических углеводов. Керосиновая фракция выделяется при атмосферной перегонке в пределах + 220°С.
Дизельная
Подвид находит применение в изготовлении дизельного топлива для быстроходных видов транспорта, а также используется как вторичное сырье. В процессе обработки выделяется керосин, используемый для в лакокрасочной промышленности и приборостроении, изготовлении химии для автотранспорта. Преобладание смесей углеводородов нафтена. Для получения топлива, которые не застывает при -60°С, состав проходит карбамидную депарафинизацию. Это перемешивание всех компонентов в течение 1 часа и последующая фильтрация через воронку Бюхнера.
Мазут
В этой смеси присутствуют:
- углеводороды с массой молекул в пределах от 400-т до 1000-и;
- нефтяные смолы (масса – от 500-т до 3000);
- асфальтены;
- карбены;
- карбоиды;
- органические соединения на основе металлов и неметаллов (железа, ванадия, никеля, натрия, кальция, титана, цинка, ртути, магния и так далее).
Свойства и качественные характеристики мазута также зависят от свойств и характеристик перерабатываемой нефти-сырца, а также от степени отгона светлых дистиллятов.
Основные характеристики мазутов:
- вязкость при температуре 100 градусов С – от 8-ми до 80-ти миллиметров в квадрате в секунду;
- показатель плотности по 20-ти градусах – от 0,89-ти до1-го грамма на кубический сантиметр;
- интервал застывания – от минус 10-ти до минус 40-ка градусов;
- концентрация серы – от 0,5 до 3,5 процентов;
- золы – до 0,3 процентов.
Вплоть до конца девятнадцатого столетия мазуты считали непригодными для использования отходами и просто выбрасывали. В настоящее время их применяют в качестве жидкого топлива для котельных, а также используют в качестве сырье для вакуумной перегонки, поскольку тяжелые компоненты нефтяного сырья при нормальном давлении атмосферы перегнать невозможно. Это связано с тем, что в этом случае достижение нужной (весьма большой) температуры их кипения приводит к разрушению молекул.
Мазут нагревают более чем до семи тысяч градусов в специальных трубчатых печах. Он переходит в пар, после чего его разгонку осуществляют под вакуумом в ректификационных колоннах и разделяют на отдельные масляные дистилляты, а в качестве остатка получают гудрон.
Из дистиллятов, полученных из мазута, делают веретенное, цилиндровое и машинное масло. Также при обработке мазута при более низких температурах получают компоненты, которые можно в дальнейшем переработать в моторное топливо, парафин, церезин и разные виды масел.
Из гудрона путем его продувки горячим воздухом получаются битум. Из остатков, полученных после крекинга и перегонки, получают кокс.
Котельный мазут бывает следующих марок:
- флотский Ф5 и Ф12 (относится к легкому виду топлива);
- топочный М40 (средний вид котельного топлива);
- топочный М100 и М200 (тяжелое котельное топливо).
Флотский мазут, как понятно из названия, применяется котлах морских и речных судов, а также как топливо для газотурбинных двигателей и установок.
Топочный мазут М40 также пригоден для использования в судовых котлах, а также подходит для использования в отопительных котельных и промышленных печах.
Мазуты М100 и М200, как правило, применяют на больших ТЭЦ.
Гудрон
Это – остаток, который образуется после всех процессов отгонки прочих нефтяных компонентов (атмосферных и вакуумных), которые выкипают при температурах ниже 450-ти – 600-т градусов.
Выход гудрона составляет от десяти до сорока пяти процентов от общей массы перерабатываемого нефтяного сырья. Он представляет собой либо вязкую жидкость, либо твердый черный продукт, похожий на асфальт, блестящий на изломе.
Гудрон состоит из:
- парафины, нафтены и углеводороды ароматической группы – 45-95 процентов;
- асфальтены – от 3-х до 17-ти процентов;
- нефтяные смолы – от 2-х до 38-ми процентов.
Помимо этого, в нем присутствуют почти все металлы, содержащиеся в нефтяном сырье. К примеру, ванадия в гудроне может быть до 0,046 процента. Показатель плотности гудрона зависит от характеристик исходного сырья и от степени отгона всех светлых фракций, и варьируется от 0,95 до 1,03 грамм на кубический сантиметр. Его коксуемость колеблется от 8-ми до 26-ти процентов общей массы, а температура плавления находится в пределах от 12-ти до 55 градусов.
Гудрон широко применяется для изготовления дорожного, строительного и кровельного битумов, а также кокса, мазута, смазочных масел и некоторых видов моторного топлива.
Методы определения фракционного состава нефтепродуктов
Фракционирование нефти необходимо, чтобы выбрать направления переработки сырьевой базы, узнать точное содержание базовых масел при перегонке нефти. На основании этого классифицируются все свойства фракций.
- Метод A — использование автоматических аппаратов для определения фракционного состава нефти и отдельных псевдокомпонентов. Колбы используются из термостойкого стекла, дно и стенки которых одинаковой толщины.
- Метод B – применение четырехгнездного, или шестигнездного аппарата. Колбы с круглым дном вместимостью 250 см3. Метод применяется только для разгонки темных нефтепродуктов.
Температура кипения нефти
Вообще для каждого индивидуального вещества температура кипения при определенном давлении представляет собой физическую константу.
Поскольку, как было сказано выше, нефть – это смесь большого количества органических веществ, которые кипят при разных градусных величинах, понятие «температура кипения нефти» является не совсем корректным. Скорее можно говорить о температурах для различных нефтяных фракции. Однако для простоты изложения мы будем говорить о кипении нефти, подразумевая тем самым составляющие её вещества.
Следует учитывать тот факт, что на прогревание углеводородной смеси до нужных температурных значений значительно влияет содержание в ней воды. Если этой воды в сырье много, то оно прогревается даже случаях, когда точки начала кипения достаточно высока. Это обусловлено тем, что вода температуру кипения резко снижает.
Кроме того, этот показатель напрямую зависит от содержания в сырых углеводородах смолистых фракций.
Легкие марки сырья, в которых содержание смол незначительно, кипят при нагреве их до 300 – 350-ти градусов. Тяжелые марки этого сырья могут закипать при 550-ти – 600 градусах.
Этот показатель при перегонке зависит от фракционного состава сырья, и его величина постоянно меняется. Первыми закипают самые легкие нефтяные фракции, По мере того, как выкипают легкие углеводороды, начинается испарение более тяжелых компонентов, и нагрев в процессе переработки постоянно растет.
Начальная температура, при которой закипает сырая нефтяная смесь, зависит от процентного содержания компонентов с низкими точками кипения.
Некоторые марки этого сырья начинают закипать менее, чем при 100 градусах Цельсия (иногда даже при сорока), а вот окончание выкипания в процессе перегонки (если используется вакуумная установка) может происходить при 410 – 420-ти градусах.
Диффузия нефтяных жидких и парообразных смесей, температуры выкипания нефтяных фракций, условия растворения газа в жидком сырье и условия его последующего выделения в процессе нагрева, вопросы парциальных давлений составляющих сырье компонентов, влияние на перегонку водяного пара, условия конденсации испаряющихся паров, образование флегмы и другие процессы – все это подчиняется общим законам физической химии.
Чтобы избежать возможного распада углеводородов с высокой молекулярной массой, возникла потребность в снижении точки кипения сырья в процессе его перегонки. Для этого в установках первичной переработки стали использовать вакуум и водяной пар.
[spoiler title=»Источники»]
- https://fabricators.ru/article/neftyanye-frakcii
- https://OilResurs.ru/news/pryamogonnyy-benzin/
- https://okzrusholding.ru/neft/frakcii-nefti-i-nefteproduktov.html
- https://neftok.ru/raznoe/fraktsionnyj-sostav-nefteproduktov.html
- https://zen.yandex.ru/media/id/5e1c5eb09c944600ad966620/frakcionnyi-sostav-nefti-i-nefteproduktov-5e4807d66e1cd54e7a5c98dc
- http://kaminproekt.ru/blog/piroliz/2019/10/27/fraktsionnyy-sostav-nefti-i-nefteproduktov/
- https://oilyug.ru/spravka/frakcionnyy-sostav-nefti-i-nefteproduktov.html
- https://neftok.ru/raznoe/temperatura-kipeniya-nefti.html
[/spoiler]