Основные группы углеводородов в нефти
Химический состав нефти и продуктов её переработки принято описывать через содержание ключевых групп углеводородов и других химических соединений. В сырой нефти углеводороды представлены тремя основными классами: парафиновые (алканы), нафтеновые (цикланы или циклоалканы) и ароматические (арены). В процессе переработки, особенно при термических и каталитических методах (таких как крекинг), образуется дополнительная группа — олефиновые углеводороды (алкены), которые отличаются высокой химической активностью.
Парафиновые углеводороды (алканы)
Алканы, или насыщенные углеводороды метанового ряда, являются фундаментальным компонентом нефти. Их общая формула — CnH2n+2. Примерами служат метан (CH4), этан (C2H6), пропан (C3H8) и бутан (C4H10).
Алканы с 1-4 атомами углерода (C1-C4) при пластовых условиях находятся в нефти в растворённом состоянии и выделяются в виде попутного нефтяного газа. Метан и этан — основные компоненты "сухих" природных газов. Газы из газоконденсатных месторождений и попутные нефтяные газы содержат значительные доли более тяжёлых гомологов: пропана, бутана и пентана. Важно отметить, что природные газы обычно почти не содержат сероводорода, хотя есть исключения, как, например, газы Астраханского и Оренбургского месторождений с высоким содержанием как H2S, так и CO2.
Алканы C5-C18 являются жидкими. Начиная с бутана (C4), они существуют в виде изомеров: соединений нормального (линейного) строения и разветвлённого (изостроения). Количество возможных изомеров быстро растёт с увеличением числа атомов углерода. Содержание алканов в нефтях варьируется от 10% до 70%. Разветвлённые изоалканы — ценный компонент автомобильных бензинов и масел.
Твёрдые парафины, условно начинающиеся с C19-C20, в основном представлены нормальными алканами (н-парафинами). Именно они определяют температуру застывания нефти и нефтепродуктов, поэтому их содержание в топливах и маслах строго нормируется. По этому параметру нефти классифицируют: малопарафинистые (до 1.5%), парафинистые (1.51-6%) и высокопарафинистые (более 6%).
Нафтеновые углеводороды (цикланы)
Нафтены — это насыщенные циклические углеводороды общей формулы CnH2n. Они бывают моноциклическими (один цикл) и полициклическими (несколько циклов). В лёгких фракциях (бензин, керосин) преобладают циклопентан (C5) и циклогексан (C6). Полициклические нафтены концентрируются во фракциях, выкипающих выше 300°C, и их содержание может достигать 70-80%. Нафтены обладают отличными эксплуатационными свойствами: высокой теплотой сгорания, плотностью и низкой температурой застывания, что делает их особенно ценными для реактивных топлив.
Ароматические углеводороды (арены)
Арены — это ненасыщенные циклические соединения. Их содержание в нефти непостоянно. В бензиновых фракциях моноциклические арены (например, бензол C6H6, толуол C7H8, ксилолы C8H10) в определённых пределах улучшают детонационную стойкость топлива. Группа БТК (бензол, толуол, ксилолы) — крайне важное сырьё для нефтехимии. К ароматическим также относятся бициклические (нафталиновые) и трициклические (антраценовые) углеводороды.
Олефиновые углеводороды (алкены)
Алкены — ненасыщенные углеводороды формулы CnH2n. Они практически отсутствуют в сырой нефти, но в больших количествах образуются при вторичных процессах переработки (крекинг). Низшие алкены — этилен, пропилен, бутилены — составляют основу заводских газов и являются незаменимым сырьём для производства полимеров. Более тяжёлые алкены (C5 и выше) присутствуют в продуктах вторичного происхождения.
Гетероатомные соединения и неуглеводородные компоненты
Помимо углеводородов, в нефти присутствуют соединения, содержащие атомы других элементов (гетероатомы): серы, азота, кислорода, а также следы металлов. Эти примеси осложняют переработку, ухудшают качество продукции и негативно влияют на экологию.
Серосодержащие соединения
Содержание серы в нефти — важный классификационный признак. Нефти делят на малосернистые (до 0.5%), сернистые (0.51-1.90%) и высокосернистые (более 1.91%). Простейшее соединение — токсичный и коррозионный сероводород (H2S). При переработке сернистой нефти его образуется много, и его улавливают для получения товарной серы. Существуют уникальные месторождения (например, Тенгиз) с аномально высоким содержанием H2S, требующие особых технологий добычи и переработки. Помимо сероводорода, к этой группе относятся меркаптаны (тиолы), сульфиды и тиофены, которые удаляются процессами гидроочистки.
Азот- и кислородсодержащие соединения
Азотистые основания (обычно не более 0.6%) концентрируются в тяжёлых фракциях. Они ядовиты для катализаторов и вызывают помутнение дизельного топлива. Кислородные соединения (нафтеновые кислоты, фенолы) обладают коррозионной активностью. Обе группы удаляются в процессе гидроочистки вместе с сернистыми соединениями.
Смолы и асфальтены
Это высокомолекулярные компоненты нефти. Смолы — вязкие тёмные жидкости, сильные красители, склонные к окислению. Хотя они ухудшают качество топлив, их используют как сырьё для производства кокса. Асфальтены — твёрдые коллоидные частицы, представляющие собой концентрат наиболее сложных гетероатомных соединений. Их обязательно удаляют из масляных фракций (процесс деасфальтизации) для получения качественных базовых масел. Концентрированная смесь смол и асфальтенов образует битум — ценное гидроизоляционное и дорожное связующее.