Характерні температурні переходи та агрегатні перетворення

Нафта та нафтові родовища

Нафта - складна природна суміш вуглеводнів різних класів, яка містить багаточисленні, сірчисті, азотисті, кисневмісні та інші органічні сполуки.

За зовнішнім виглядом - масляниста, горюча рідина темного кольору.

Нафта - каустобілист.

Нафтове родовище - значне природне накопичення нафти у земній корі.

Земна кора - більш міцна тверда частина земної кулі яка оточує більш м'яку і пластичну. Товщина в різних місцях різна:

- на суходолі - 30-40 км

- в океані 5-7 км

- в горах 70 км

Нафтове залягання - природа накопичення нафти у природі колект обмежене непроникними породами, або проникними але просочиними водою, або обома типами.

Походження нафти

Є дві теорії:

1) органічна

2) неорганічна

Неорганічна - засновник Менделеев (1887) - карбідна теорія.

Він вважав що газ утворюється при взаємодії карбідів металів з пластовою водою. Недолік: воосновному утворюється метан і ацитилен, а нафта не утворюється.

Існують також: космічна і вулканічна теорія.

Органічна теорія:

I. походження із залишків тваринних організмів

II. походження із залишків рослинних організмів

III. змішана

Енглер - хімічне обгрунтування цієї теорії. Гефер - геологічне.

Недоліки: кількість нафти подібних нафтопродуктів дуже мала, для 1т нафти потрібно 140т тваринних залишків.

Сапроплєлева теорія.

Сапропєль - гнилистий мул який утворюється на застоєних родовищах як результат гниття рослинних і творинних організмів в анеоробних умовах (без кисня).

Елементарний склад нафти

Основні елементи:

- вуглець С (83-87%)

- водень Н (12-14%)

- інші елементи: N, S, O.

Ρг\см3	C%	H%	S%	N%	O%	Зола%
0,793	85,3		0,03	0,03	0,05	-
0,928	85,47	12,19	0,09	0,2	1,93	0,12

 

Мікроелементи: ванадій, хром, нікель, залізо, кобальт, магній, титан, натрій, кальцій, германій, фосфор, кремній - складають золу.

Фракційний склад нафти

Фракція - окремсй компонент або більш складна частина складної системи, яка має однакову температуру кипіння.

Фракціонування - розділення складової суміші на прості складові або окремі елементи.

Застосовують:

1) перегонку при атмосферному тиску

2) перегонку під вакуумом

3) азеотропна перегонка (дві складові переганяються разом)

4) ректифікація

5) дегазація (фізична стабілізація)

6) екстракція

7) кристалізація з розчинів

8) хроматографія

При перегонці окремі компоненти переходять в газову фазу в порядку підвищення іх температури кипіння. Їх охолоджують, відбирають, визначають масу, об'єм. Таким чином складають уявлення про фракційний склад нафти.

Основні фракції

Температура кипіння
40-180° С	Авіаційний бензин
40-200° С	Автомобільний бензин
200-300° С	Керосин
270-350° С	Лігроїн
Більше 350° С	мазут

 

Мазут складається з фракцій. Соляровий, веретенний, машинний, циліндровий.

Після перегонки мазута залишається гудрон або напів гудрон (високов'язкі мастила, бітум).

Груповий склад нафти

Визначають 3 основні класи вуглеводнів:

1) "М" - метанові або парафінові (алкани)

2) "Н" - поліметиленові або циклоалкани (нафтенові)

3) "А" - ароматині

Класифікаця нафт за груповим вуглеводневим складом:

1) Визначають основний компонент (вміст більше 50%)

2) Визначають наявність додаткового або побічного компонента (вміст більше 25%)

3) Зазначають тип нафти розташовують літери в порядку зменшення компонентів

4) Якщо компонент менший ніж 25% його вміст не зазначають.

5) Якщо всі 3 компоненти знаходяться приблизно в однаковій кількості то їх позначають в порядку їх спадання.

 

Хімічна класифікація нафт

В основу хімічної класифікації нафт покладений груповий склад вуглеводнів фракції, яка википає при 250–300°С. Залежно від переважання у цій фракції вуглеводнів якогось одного класу (більше 50%) нафти діляться на 3 основні типи: метанові, нафтенові, ароматичні. За умови вмісту у цій фракції 25% і більше вуглеводнів інших класів нафти діляться на змішані типи.

За технологічною класифікацією нафти залежно від вмісту в них сірки діляться на 3 класи: І клас – малосірчисті нафти із вмістом в них сірки від 0 до 0,5%; ІІ клас – сірчисті нафти із вмістом сірки від 0,51 до 1,9%; ІІІ клас – високосірчисті нафти із вмістом сірки більше 1,9%.

Молекулярна вага нафти

Молекулярна вага (молекулярна маса) - маса молекули, виражена в атомних одиницях маси.

Молекулярна вага нафти і нафтових фракцій залежить від молекулярної ваги і співвідношення компонентів, що входять в неї.

З підвищенням температури кипіння нафтових фракцій підвищується їх молекулярна вага. Вуглеводневий склад, а отже і молекулярна вага одних і тих же фракцій різних нафт неоднакові.

При одних і тих же температурах кипіння фракції парафінистих нафт мають найбільш високий молекулярний вагу, фракції нафти нафтенових-ароматичного характеру - найменший, а молекулярна вага фракцій нафт з нафтеновою основою займає проміжне положення.

Питома вага та густина нафт

Густина. Нафти розрізняються за густиною, тобто за масою, що міститься в одиниці їх об'єму. Якщо в посудину з нафтою налити воду, то, за винятком рідкісних випадків, нафта спливає. Зазвичай вона легша за воду. Густина нафти, виміряна при температурі 20°С, віднесена до густини води, виміряної при 4°С, називається відносною густиною нафти. Визначення густини можна проводити при будь-якій температурі, а потім вирахувати значення відносної густини, використовуючи коефіцієнт об'ємного розширення, значення якого наводяться у довідковій літературі.

Відносна густина нафт коливається в межах 0,5–1,05 кг/дм3 (зазвичай 0,82–0,95). Нафти з відносною густиною до 0,85 називаються легкими. Своєю легкістю вони зобов'язані переважанню в їх складі метанових вуглеводнів. Відносну густину від 0,85 до 0,90 мають середні нафти, а вище 0,90 – важкі. У важких нафтах містяться переважно циклічні вуглеводні.

Густина нафти залежить від багатьох факторів: хімічної природи речовин, що до неї входять, фракційного складу, кількості смолистих речовин, кількості розчинених газів та ін. Густина нафти залежить від глибини залягання, як правило, зменшуючись з її збільшенням. Винятки з цього правила пояснюють вторинними явищами, наприклад міграцією легких нафт у більш високі горизонти залягання.

При визначенні густини нафт і нафтопродуктів звичайно користуються кількома методами: за допомогою ареометрів (нафтоденсиметрів), методом зваженої краплі, за допомогою гідростатичних ваг, пікнометричним методом (найбільш точний).

У поєднанні з іншими показниками (коефіцієнт заломлювання, молекулярна маса) густина використовується для визначення вуглеводневого чи структурно-групового складу нафтових фракцій.
Питома вага нафти залежить від складу вуглеводнів, змісту смолистих і асфальтових домішок, а також від кількості розчиненого в ній газу Питома вага нафт (тобто вага одного кубічного сантиметра) укладається в межі від 0,75 до 1,00 при температурі 20 градусів за Цельсієм. Така нафту тоне у воді.

В’язкість нафт

В'язкість — одна з найважливіших технічних характеристик нафти, продуктів її переробки, газових конденсатів і фракцій; визначає характер процесів видобування нафти, її піднімання на денну поверхню, промислового збирання і підготовку, умови перевезення і перекачування продуктів, гідродинамічного опору під час їх транспортування по трубопроводах та ін. Для деяких видів палив та мастил в'язкість служить нормованим показником. В'язкість пластових нафт зростає при тисках нижчих від тиску насичення. Визначається впливом двох факторів: виділенням розчиненого газу, що приводить до збільшення в'язкості залишкової нафти, і об’ємним розширенням нафти при зниженні тиску, що приводить до зменшення в'язкості. Великий вплив має перший фактор. Основна частина розроблюваних традиційними способами нафтових родовищ містить у продуктивних пластах нафту з динамічним коефіцієнтом в'язкості в межах 0,5–25 мПа·с, рідше до 70 мПа·с. В'язкість розгазованих нафт значно вища. При цьому вуглеводневі флюїди з динамічним коефіцієнтом в'язкості понад 12–15 мПа·с вважаються нафтами підвищеної в'язкості. Родовища нафти з високою в'язкістю, в тому числі структурною, розробляються із застосуванням спеціальних методів видобування на основі використання теплового впливу, а також загущених або хімічно активних витіснювальних агентів.

Попутні (нафтові) гази

Попутні гази - природні гази, які розчинені у нафті.

Нафта завжди в тій або іншій кількості містить розчинені попутні гази. Верхньою межею газонасиченості є тиск насичення, величина якого залежить від складу нафти і газу та умов знаходження покладу. Не зважаючи на те що в нафтогазоносних басейнах газонасиченість нафт коливається в широкому інтервалі, середні її значення залишаються досить близькими. Так, середній газовий чинник для нафт країн СНД в цілому може бути прийнятий рівним 48 м³/т при коливаннях фонових значень в межах 20 – 110 м³/т. Для стародавніх платформ середня газонасиченість (47 м³/т) дещо нижче, ніж для молодих платформ (55 м³/т).

Застосування газу

Природний газ широко використовується в хімічній промисловості як вихідна сировина. Також використовується як пальне, для опалення житлових будинків, паливо для машин, електростанцій і ін. Сьогодні із понад 50 млн тонн водню, що виробляється у світі, половина отримується шляхом конверсії водяної пари із природним газом. Використання водню, як палива, є основою водневої енергетики.

КОЕФІЦІЄНТ НЕРІВНОМІРНОСТІ СПОЖИВАННЯ ГАЗУ — відношення середньої фактичної витрати газу за певний період (сезон, добу, годину) до середньої витрати за більший відповідний період (відповідно рік, місяць, доба).

Україна відноситься до енергодефіцитних країн, яка задовільняє свої потреби в енергетичних ресурсах за рахунок власного виробництва менше ніж на 50 % (у тому числі по споживанню імпортованого природного газу на душу населення займає перше місце в світі).^[2]

В Радянському Союзі станом на 1989 рік на потреби населення розходувалось 45-50 мільярдів кубометрів природного газу і біля п'яти мільярдів кубометрів зрідженого газу.^[3][4]

Нафта та нафтові родовища

Нафта - складна природна суміш вуглеводнів різних класів, яка містить багаточисленні, сірчисті, азотисті, кисневмісні та інші органічні сполуки.

За зовнішнім виглядом - масляниста, горюча рідина темного кольору.

Нафта - каустобілист.

Нафтове родовище - значне природне накопичення нафти у земній корі.

Земна кора - більш міцна тверда частина земної кулі яка оточує більш м'яку і пластичну. Товщина в різних місцях різна:

- на суходолі - 30-40 км

- в океані 5-7 км

- в горах 70 км

Нафтове залягання - природа накопичення нафти у природі колект обмежене непроникними породами, або проникними але просочиними водою, або обома типами.

Походження нафти

Є дві теорії:

1) органічна

2) неорганічна

Неорганічна - засновник Менделеев (1887) - карбідна теорія.

Він вважав що газ утворюється при взаємодії карбідів металів з пластовою водою. Недолік: воосновному утворюється метан і ацитилен, а нафта не утворюється.

Існують також: космічна і вулканічна теорія.

Органічна теорія:

I. походження із залишків тваринних організмів

II. походження із залишків рослинних організмів

III. змішана

Енглер - хімічне обгрунтування цієї теорії. Гефер - геологічне.

Недоліки: кількість нафти подібних нафтопродуктів дуже мала, для 1т нафти потрібно 140т тваринних залишків.

Сапроплєлева теорія.

Сапропєль - гнилистий мул який утворюється на застоєних родовищах як результат гниття рослинних і творинних організмів в анеоробних умовах (без кисня).

Елементарний склад нафти

Основні елементи:

- вуглець С (83-87%)

- водень Н (12-14%)

- інші елементи: N, S, O.

Ρг\см3	C%	H%	S%	N%	O%	Зола%
0,793	85,3		0,03	0,03	0,05	-
0,928	85,47	12,19	0,09	0,2	1,93	0,12

 

Мікроелементи: ванадій, хром, нікель, залізо, кобальт, магній, титан, натрій, кальцій, германій, фосфор, кремній - складають золу.

Фракційний склад нафти

Фракція - окремсй компонент або більш складна частина складної системи, яка має однакову температуру кипіння.

Фракціонування - розділення складової суміші на прості складові або окремі елементи.

Застосовують:

1) перегонку при атмосферному тиску

2) перегонку під вакуумом

3) азеотропна перегонка (дві складові переганяються разом)

4) ректифікація

5) дегазація (фізична стабілізація)

6) екстракція

7) кристалізація з розчинів

8) хроматографія

При перегонці окремі компоненти переходять в газову фазу в порядку підвищення іх температури кипіння. Їх охолоджують, відбирають, визначають масу, об'єм. Таким чином складають уявлення про фракційний склад нафти.

Основні фракції

Температура кипіння
40-180° С	Авіаційний бензин
40-200° С	Автомобільний бензин
200-300° С	Керосин
270-350° С	Лігроїн
Більше 350° С	мазут

 

Мазут складається з фракцій. Соляровий, веретенний, машинний, циліндровий.

Після перегонки мазута залишається гудрон або напів гудрон (високов'язкі мастила, бітум).

Груповий склад нафти

Визначають 3 основні класи вуглеводнів:

1) "М" - метанові або парафінові (алкани)

2) "Н" - поліметиленові або циклоалкани (нафтенові)

3) "А" - ароматині

Класифікаця нафт за груповим вуглеводневим складом:

1) Визначають основний компонент (вміст більше 50%)

2) Визначають наявність додаткового або побічного компонента (вміст більше 25%)

3) Зазначають тип нафти розташовують літери в порядку зменшення компонентів

4) Якщо компонент менший ніж 25% його вміст не зазначають.

5) Якщо всі 3 компоненти знаходяться приблизно в однаковій кількості то їх позначають в порядку їх спадання.

 

Хімічна класифікація нафт

В основу хімічної класифікації нафт покладений груповий склад вуглеводнів фракції, яка википає при 250–300°С. Залежно від переважання у цій фракції вуглеводнів якогось одного класу (більше 50%) нафти діляться на 3 основні типи: метанові, нафтенові, ароматичні. За умови вмісту у цій фракції 25% і більше вуглеводнів інших класів нафти діляться на змішані типи.

За технологічною класифікацією нафти залежно від вмісту в них сірки діляться на 3 класи: І клас – малосірчисті нафти із вмістом в них сірки від 0 до 0,5%; ІІ клас – сірчисті нафти із вмістом сірки від 0,51 до 1,9%; ІІІ клас – високосірчисті нафти із вмістом сірки більше 1,9%.

Молекулярна вага нафти

Молекулярна вага (молекулярна маса) - маса молекули, виражена в атомних одиницях маси.

Молекулярна вага нафти і нафтових фракцій залежить від молекулярної ваги і співвідношення компонентів, що входять в неї.

З підвищенням температури кипіння нафтових фракцій підвищується їх молекулярна вага. Вуглеводневий склад, а отже і молекулярна вага одних і тих же фракцій різних нафт неоднакові.

При одних і тих же температурах кипіння фракції парафінистих нафт мають найбільш високий молекулярний вагу, фракції нафти нафтенових-ароматичного характеру - найменший, а молекулярна вага фракцій нафт з нафтеновою основою займає проміжне положення.

Питома вага та густина нафт

Густина. Нафти розрізняються за густиною, тобто за масою, що міститься в одиниці їх об'єму. Якщо в посудину з нафтою налити воду, то, за винятком рідкісних випадків, нафта спливає. Зазвичай вона легша за воду. Густина нафти, виміряна при температурі 20°С, віднесена до густини води, виміряної при 4°С, називається відносною густиною нафти. Визначення густини можна проводити при будь-якій температурі, а потім вирахувати значення відносної густини, використовуючи коефіцієнт об'ємного розширення, значення якого наводяться у довідковій літературі.

Відносна густина нафт коливається в межах 0,5–1,05 кг/дм3 (зазвичай 0,82–0,95). Нафти з відносною густиною до 0,85 називаються легкими. Своєю легкістю вони зобов'язані переважанню в їх складі метанових вуглеводнів. Відносну густину від 0,85 до 0,90 мають середні нафти, а вище 0,90 – важкі. У важких нафтах містяться переважно циклічні вуглеводні.

Густина нафти залежить від багатьох факторів: хімічної природи речовин, що до неї входять, фракційного складу, кількості смолистих речовин, кількості розчинених газів та ін. Густина нафти залежить від глибини залягання, як правило, зменшуючись з її збільшенням. Винятки з цього правила пояснюють вторинними явищами, наприклад міграцією легких нафт у більш високі горизонти залягання.

При визначенні густини нафт і нафтопродуктів звичайно користуються кількома методами: за допомогою ареометрів (нафтоденсиметрів), методом зваженої краплі, за допомогою гідростатичних ваг, пікнометричним методом (найбільш точний).

У поєднанні з іншими показниками (коефіцієнт заломлювання, молекулярна маса) густина використовується для визначення вуглеводневого чи структурно-групового складу нафтових фракцій.
Питома вага нафти залежить від складу вуглеводнів, змісту смолистих і асфальтових домішок, а також від кількості розчиненого в ній газу Питома вага нафт (тобто вага одного кубічного сантиметра) укладається в межі від 0,75 до 1,00 при температурі 20 градусів за Цельсієм. Така нафту тоне у воді.

В’язкість нафт

В'язкість — одна з найважливіших технічних характеристик нафти, продуктів її переробки, газових конденсатів і фракцій; визначає характер процесів видобування нафти, її піднімання на денну поверхню, промислового збирання і підготовку, умови перевезення і перекачування продуктів, гідродинамічного опору під час їх транспортування по трубопроводах та ін. Для деяких видів палив та мастил в'язкість служить нормованим показником. В'язкість пластових нафт зростає при тисках нижчих від тиску насичення. Визначається впливом двох факторів: виділенням розчиненого газу, що приводить до збільшення в'язкості залишкової нафти, і об’ємним розширенням нафти при зниженні тиску, що приводить до зменшення в'язкості. Великий вплив має перший фактор. Основна частина розроблюваних традиційними способами нафтових родовищ містить у продуктивних пластах нафту з динамічним коефіцієнтом в'язкості в межах 0,5–25 мПа·с, рідше до 70 мПа·с. В'язкість розгазованих нафт значно вища. При цьому вуглеводневі флюїди з динамічним коефіцієнтом в'язкості понад 12–15 мПа·с вважаються нафтами підвищеної в'язкості. Родовища нафти з високою в'язкістю, в тому числі структурною, розробляються із застосуванням спеціальних методів видобування на основі використання теплового впливу, а також загущених або хімічно активних витіснювальних агентів.

Характерні температурні переходи та агрегатні перетворення

Оскільки нафта не є індивідуальною хімічною сполукою, перехід її з одного агрегатного стану в інший відбувається поступово. Так, переходу з рідкого стану в тверде (застигання) передує загустіння, а переходу з твердого в рідкий (плавлення) - розм'якшення. Звідси випливає, що характерні температури застигання і плавлення не є точними величинами, а охоплюють деякий інтервал температур.

Температура застигання нафти залежить від її складу: чим більше вміст парафіну в нафті, тим вище її температура застигання. Смолисті речовини мають протилежний вплив: з підвищенням їх змісту температура застигання знижується. Таким чином, по температурі застигання нафти можна судити про її хімічний склад.

При випаровуванні нафти, як і будь-яких інших складних сумішей, в першу чергу випаровуються найбільш легкі компоненти, при цьому в залежності від умов випаровування разом з легкими компонентами захоплюється і деяка частина більш важких. На швидкість випаровування рідин впливає безліч факторів: температура, величина поверхні випаровування, висота шару рідини, швидкість струму повітря, що відносить пари. Тому для зберігання нафти необхідні резервуари спеціальної конструкції.

При нагріванні рідини тиск пари над нею поступово зростає і досягає, нарешті, зовнішнього тиску. При цьому пароутворення відбувається вже у всій масі рідини, і рідина закипає.

При кипінні індивідуальної рідини температура залишається постійною, аж до повного википання. Якщо ж ми маємо справу з такою складною сумішшю, як нафта, то при підвищенні температури спочатку закипають і переганяються найлегші частини суміші, при цьому (як і при випаровуванні) захоплюється частина і більш важких компонентів. У міру википання найбільш легких частин їх місце займають більш важкі компоненти, температура кипіння яких вище. Таким чином, температура кипіння нафти не може представляти постійної величини; під час перегонки вона поступово підвищується, і тому відносно до нафти говорять про температурні інтервали кипіння.

 

11 Теплові властивості. Найголовнішою властивістю нафти і горючих газів, яка принесла їм світову славу виняткових енергоносіїв, є їх здатність виділяти при згорянні значну кількість теплоти. Теплотою згоряння називається відношення кількості теплоти, що виділяється при горінні, до маси вигорілого до кінця (тобто до утворення вуглекислоти СО2 і води Н2О) палива.

Нафта, природний горючий газ та їх похідні мають найвищу серед всіх типів палива теплоту згоряння. Теплота згоряння нафти – 41 МДж/кг – в 1,3 більша теплоти згоряння кращих сортів кам'яного вугілля – 31 МДж/кг; теплота згоряння бензину – 42 МДж/кг; дизельного палива – 42,7 МДж/кг, етану, пропану і бутану – відповідно 64,5; 93,4 і 124, а природного газу – 35,6 МДж/м3.

Теплоту згоряння нафти, керосину та інших нафтопродуктів визначають у калориметричній бомбі, а газів – в газовому калориметрі. Для нафт теплота згоряння коливається у вузьких межах: від 40000 до 45000 кДж/кг, причому отримувана величина тим більша, чим менша густина нафт (і відповідно їх фракцій). Теплота згоряння нафтопродуктів залежить також від особливостей їх вуглеводневого складу. Приблизно з похибкою 3–5% теплоту згоряння нафт і нафтопродуктів можна вирахувати за допомогою різноманітних емпіричних формул, наприклад за даними їх елементного аналізу (Д.І. Менделєєв), а також за їх густиною (формула Крего).

12 Оптичні властивості. Майже всі нафти мають властивість обертати площину поляризації променів світла, причому для більшості їх характерне слабке праве обертання. Ця властивість визначається за допомогою поляриметрів.

Оптична активність зростає з підвищенням температури кипіння фракції, тобто збільшенням молекулярної маси. Зовсім не обертають площину поляризації бензинові фракції нафти, малою оптичною активністю володіють нафти, багаті на метанові й нафтенові вуглеводні, а також смоли і нафтенові кислоти. Ця властивість здебільшого притаманна, очевидно, складним чи гібридним нафтеноароматичним вуглеводням. Штучні нафти на відміну від природних оптичної активності не виявляють.

13.Електричні властивості. Нафта і нафтопродукти не проводять електричний струм, вони є діелектриками і характеризуються надзвичайно високим електричним опором. Наприклад, для парафіну він складає від 2 до 0,3·108 Ом·м. Деякі з них застосовуються в електротехнічній промисловості та радіотехніці як ізоляційний матеріал (парафін) чи ізолююче середовище (трансформаторні масла) в трансформаторах, масляних реостатах і вимикачах.

І нафта, і нафтопродукти при терті (в процесі заповнення сховищ і перекачування з великою швидкістю по трубах, а також фільтрації) легко електризуються і на їх поверхні можуть утворюватися й накопичуватися заряди статичної електрики, у зв'язку з чим можуть відбуватися вибухи і пожежі. Найбільш небезпечні щодо цього світлі нафтопродукти, які добре накопичують статичну електрику. Для запобігання небезпеки вибухів апаратуру, резервуари і трубопроводи заземляють, а також застосовують спеціальні антистатичні присадки у нафтопродуктах.

14. Фізико-хімічні властивості нафти та газу в заляганні До фізико-хімічних відносяться властивості, що характеризують стан нафти і нафтопродуктів та їх склад (густина, в'язкість, температура плавлення, замерзання і кипіння, теплота згоряння, молекулярна маси, а також деякі умовні показники (пенетрація, дуктильність)

 

15. Алкани
Алкани, насичені вуглеводні (рос. алканы; англ. alkanes; нім. Alkane) — насичені ациклічні вуглеводні, що мають загальну формулу C_nH_2n+2, їх також називають парафінами. Більшість їх хімічних реакцій з різними реагентами починається з розриву зв'язку С-Н, тоді як їх розпад при високих температурах йде передусім по зв'язках С-С.
Алкани складають значну частину вуглеводнів нафт і природних горючих газів. Із нафти і горючих газів виділено всі алкани нормальної будови, від метану до тритриаконтану (С₃₃Н₆₈) включно. Оскільки алкани містять максимально можливу кількість водню в молекулі, то вони характеризуються найбільшою масовою теплотою згоряння (енергоємністю), а з ростом кількості атомів масова теплота згоряння алканів зменшується (в метану 50207 кДж/кг). Внаслідок низької густини об'ємна теплота згоряння алканів менша, ніж вуглеводнів іншої будови з такою ж кількістю вуглецевих атомів у молекулі. За агрегатним складом алкани діляться на газоподібні (С1-С4), рідкі (С5-С17) і тверді (починаючи з С18), що кристалізуються при 200 °C.
Г а з о п о д і б н а. здатні з водою утворювати, особливо під тиском, молекулярні сполуки — газогідрати, для яких температура розкладу при тиску 0,1 МПа і критична температура відповідно рівні: з метаном — 29 і 21,50 °C, з етаном — 15,8 і 14,50 °C, з пропаном 0 і 8,50 °C. Такі гідрати часто вимерзають на внутрішніх стінках газопроводів. Гідрати — сполуки, включення (клатрати) — являють собою снігоподібні речовини, з загальною формулою М_n Н₂О, де значення n змінюється від 5,75 до 17 в залежності від складу газу і умов утворення. Природні гази містять в основному метан і менше 20% в сумі етану, пропану і бутану, домішки легкокиплячих рідких вуглеводнів — пентану, гексану та інших. Окрім цього присутні в малій кількості оксид вуглецю (IV), азот, сірководень й інертні гази.

Р і д к а., особливо нормальної будови, можуть у порівняно м'яких умовах окиснюватися киснем повітря. Вони є компонентами моторного палива: бензину, газотурбінних (авіаційних, наземних, морських) і дизельних.

Т в е р д а. виділяються із нафтової сировини при виробництві змащувальних олив, оскільки вони викристалізовуються із оливи, зменшуючи її рухомість і зумовлюючи застигання при високих температурах. Тверді алкани діляться на дві групи речовин — власне парафін і церезин.

До насичених вуглеводнів належать метан CH₄, етан C₂H₆ пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀ і багато інших, які за своїми хімічними властивостями подібні до метану. Легкі алкани, наприклад, метан, етан, пропан і бутан — це безбарвні гази; більш важкі — рідини або тверді речовини. У природі вони зустрічаються в природному газі і нафті. Оскільки алкани мають тільки один ковалентний зв'язок, вони називаються насиченими.

Якщо формули насичених вуглеводнів написати в ряд за збільшенням атомів вуглецю, то одержимо так званий гомологічний ряд насичених вуглеводнів, або вуглеводнів ряду метану. У цьому ряді кожний наступний вуглеводень відрізняється від попереднього наявністю в складі молекули однієї і тієї самої групи атомів CH₂.

Хімічний склад насичених вуглеводнів можна виразити однією загальною формулою C_nH_2n+2, де n — число атомів вуглецю, а 2n+2 — число атомів водню. Назви насичених вуглеводнів мають закінчення -ан. Ці назви, за винятком перших чотирьох гомологів, складаються з грецьких назв числівників, які показують кількість атомів вуглецю в молекулі вуглеводню, і закінчення -ан.

Розрізняючись за фізичними властивостями, насичені вуглеводні за хімічними властивостями дуже подібні один до одного. При звичайній температурі вони мало активні. Як і метан, всі вони досить стійкі проти дії кислот, лугів і окисників. Насичені вуглеводні при звичайних умовах вступають у реакцію лише з хлором і бромом, внаслідок чого їх атоми водню послідовно заміщаються атомами галогенів. Однак при нагріванні з сильними окисниками вони окиснюються. Із збільшенням молекулярної маси стійкість насичених вуглеводнів до дії високих температур зменшується.

 

16. Циклоалкани
Циклоалка́ни (інша назва нафтени, циклопарафіни, аліциклічні сполуки) — вуглеводні з одним чи кількома вуглецевими циклами. Загальна формула C_nH_2n або (CH₂)_n. За розмірами циклу поділяють на малі (циклопропан, циклобутан), середні (циклопентан, циклогексан, циклогептан) та великі (n>7).
Загалом циклоалкани подібні за фізичними властивостями до відповідних алканів, проте мають дещо вищі температури топлення та кипіння, більші густини. Цим вони завдячують міцнішим силам Лондона, оскільки циклічна форма сприяє більшій поверхні міжмолекулярних контактів. Циклоалкани виказують практично таку ж хімічну пасивність що й алкани (містять стійкі С-С та С-Н зв'язки). Однак, циклічне напруження (див. нижче) може сприяти підвищеній реактивності.

Нафтенові вуглеводні (циклопарафіни, циклоалкани чи циклани) за хімічними властивостями близькі до представників вуглеводнів жирного ряду, а за циклічною будовою нагадують вуглеводні ароматичного ряду. Нафтени підрозділяють на моноциклічні CnH2n (циклопентан C5H10, циклогексан C6H12); біциклічні CnH2n-2 (декалін C10H18); три - і поліциклічні CnH2n-4, CnH2n-6 і т.п.

Найбільш характерними хімічними реакціями для нафтенів є реакції заміщення: хлорування, нітрування азотною кислотою при нагріванні, окислювання азотною кислотою середньої концентрації з утворенням двухосновних кислот (глутарової - HOOC(CH2)3COOH, адипінової - HOOC(CH2)4COOH і ін.). Нафтени гідруються погано, перетворюючись на алкани. Більш легко здійснюється дегідрогенізація з утворенням аренів при наявності каталізаторів і температурі 300-350 °С.

Нафтени здатні утворювати комплекси з тіомочевиною, що дозволяє відокремити моноциклічні нафтени від поліциклічних, котрі утворюють з тіомочевиною більш міцні комплекси.

Нафтопродукти - це суміш парафінів-нафтенів, аренів. Усі реакції радікальні, тому вони взаємозв’язані.

До головних нафтопродуктів відносять: різні види пального (бензин, дизельне пальне), мазут, гудрон, мастильні матеріали, парафіни тощо.

Первинна переробка нафти полягає в її перегонці. Перегонку здій­снюють на нафтопереробних заводах після відділення з нафти супутних газів. У процесі перегонки нафти одержують світлі нафтопроду­кти: бензин (tкип від 40 до 150-200 °С), лігроїн (tкип 120-240 °С), гас (tкип 150-300 °С), газойль — солярове масло (tкип вища 300 °С), а в залишку — в'язку чорну рідину — мазут.

Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під змен­шеним тиском (щоб попередити розкладання) і виділяють мастила: веретенне, машинне, циліндрове та ін. З мазуту деяких сортів наф­ти виділяють вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгону нази­вають нафтовим пеком або гудроном.

Продукти перегонки нафти мають різне застосування.

Бензин у великих кількостях використовують як авіаційне й автомобільне пальне. Він складається звичайно з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від 5 до 9 атомів Карбону.

Лігроїн служить пальним для дизельних двигунів, а також роз­чинником у лакофарбовій промисловості. Велику кількість його переробляють на бензин.

Гас застосовують як пальне для реактивних і тракторних двигу­нів, а також для побутових потреб. Він складається з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від 9 до 16 атомів Карбону.

Солярове масло використовують як моторне пальне, а мастила — для змащення механізмів.

Вазелін використовують у медицині. Він складається із суміші рідких і твердих вуглеводнів.

Парафін застосовують для одержання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників і олівців, для виго­товлення свічок, гуталіну і т. д. Він складається із суміші твердих вуглеводнів.

Гудрон — нелетка темна маса, після часткового окиснення його застосовують для одержання асфальту.

Мазут, крім переробки на мастила і бензин, використовують як котельне рідке пальне.

Мастила, які виділяються під час перегонки мазуту, називають мінеральними (нафтовими) маслами на відміну від синтетичних масел, які одержують штучно (хоча всі масла є сумішами органічних сполук).

Основні промислові процеси-термічний крекінг:а) легкий крекінг чи візбрекінг мазуту, гудронів; б) важкий крекінг газойлей; в)термодеструктивна перегонка мазуту, пироліз, коксовання.

Термічний крекінг використовували з 1912р. Його основним призначенням було виробництво автомобільного бензину, але зараз створені більш ефективні процеси-каталітичний крекінг, ріформінг та крекінг використовують з метою виробництва котельних палив з мазуту та гудронів, а також термогазойлю.

Візбрекінг-варіант термічного крекінгу, спрямованний на зниження в’язкості котельного палива.

Жорсткий крекінг дистилятних продуктів - це варіант термічного крекінгу з метою здобуття термічного газойлю-сировини для виробки нафтового коксу та технічного нафтового вуглецю.

Технологічні параметри-температура 530-550°С, тиск 2-5 МПа. Реактори-змійовики трубчатої печі крекінгу, другий змійовик,у який додають водяну пару має назвусокінг-секція. Сировина-дистилятні продукти-газойлі (з вакуумної перегонки). Додаткові вимоги-малий вміст сірки, багато поліциклічних ароматичних вуглеводневих (31-74%), малий вміст асфальтенів, низька зоальність.

Коксування нафтових продуктів (залишків) - призначення процесу-здобуття нафтового коксу.

Нафтеновий кокс-тверда речовина з r=1400-1500кг/м3. використовують (С) нафтеновий кокс, як відновлювачта електротехнічний матеріал.

Нафтенові залишки вміщують сполуки з невисокою термічною стійкістю (за рахунок b-зв’язків з С=С чи ароматичним кільцем).

Низкомолекулярні продукти в залишках перетворюються по звичайній схемі в продукти-ніжчі алкени, алкени та інші.

Таким чином здобувають до 705 цінних газоподібних продуктів та рідини, тому коксування нафтенових залишків-це один з засобів переробки залишків після перегонки в дистилятні продукти.

Також до основних нафтопродуктів відносять парафін.

Добре очищений парафін являє собою білу, напівпрозору, аморфну масу з матовим зламом, без запаху і смаку, густиною від 0,865 до 0,94 г/см3. Температура плавлення 23-71 °С, число вуглецевих атомів у молекулах 20-35, молекулярна маса - 300-450. Парафіни складені переважно нормальними алканами і є хімічно стійкими.