Гетероатомные, высокомолекулярные и минеральные соединения нефти - Химия нефти и газа
Гетероатомные соединения нефти и газа - это производные углеводородов или неорганические соединения, содержащие один или несколько атомов кислорода, серы, азота или других элементов. Количество гетероатомных соединений зависит от возраста и происхождения нефти и газа.
Основную долю гетероатомных веществ природного газа составляют CO2, H2S и N2. Углекислый газ образуется в результате разложения нефтяных кислот и сложных эфиров, а сероводород и молекулярный азот - в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Гетероатомные компоненты необходимо удалять из природного газа, так как они ухудшают его энергетические характеристики,
Массовое содержание гетероатомов в нефти обычно меньше, чем в природном газе, при этом она содержит больше серо - и азотсодержащих соединений и значительно меньше - кислородсодержащих.
Кислородсодержащие соединения составляют обычно 1-2 % от массы нефти. Это в основном органические соединения - карбоновые кислоты и фенолы. В нефти встречаются также спирты, кетоны, простые и сложные эфиры, в том числе лактоны (циклические сложные эфиры). Основное количество этих соединений содержится в труднокипящих высокомолекулярных фракциях нефти - смолах и альфальтенах.
В состав нефтяных кислот входят алифатические, алициклические (так называемые нафтеновые), ароматические кислоты, а также кислоты смешанного строения. Алифатические кислоты присутствуют во всех фракциях нефти, кроме наиболее низкокипящих. Среди них наибольший интерес представляют кислоты изопреноидной структуры, цепь которых может включать до 25 атомов углерода, например :
Нафтеновые кислоты являются производными циклоалканов (нафтенов) и могут содержать от 1 до 5 насыщенных углеводородных циклов, например:
Примеры ароматических и нафтено-ароматических кислот нефти:
В смолисто-асфальтеновой фракции нефти присутствуют асфальтогеновые кислоты, содержащие атомы серы и азота.
Нефтяные фенолы по своему строению приближаются к нефтяным кислотам.
Серосодержащие соединения составляют основную долю гетероатомных соединений нефти и заметно влияют на ее технологические характеристики. В нефтях сера в основном встречается в виде органических соединений - меркаптанов (тиолов, или тиоспиртов), сульфидов (тиоэфиров), производных тиофена, а также более сложных соединений, содержащих одновременно атомы серы, азота и кислорода:
Меркаптаны и диалкилсульфиды встречаются в легких фракциях нефти, тиацикланы - в средних, тиофен и его производные - в средних и высококипящих. Среди производных тиофена наиболее распространены арилтиофены, например, бензотиофен.
В нефтях присутствуют также такие неорганические соединения, как растворенная элементарная сера и сероводород.
Все серосодержащие соединения нефти являются ценными веществами, однако в настоящее время они преимущественно уничтожаются гидрированием до сероводорода. Серосодержащие соединения являются ядами по отношению к катализаторам термической переработки нефти, поэтому их необходимо предварительно удалять.
В число азотсодержащих соединений нефти в основном входят гомологи и производные пиридина и пиррола:
Важными производными пиррола являются нефтяные порфирины, которые встречаются в виде комплексов с ионами ванадила (VO2+) и никеля (Ni2+).
Особым классом гетероатомных соединений нефти являются Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ). САВ - это наиболее высокомолекулярные органические соединения нефти. Они концентрируются в тяжелых нефтяных остатках - гудронах и битумах и содержат, наряду с кислородом, азотом и серой, микропримеси металлов и зольные компоненты (коллоидные частицы).
Между смолами и асфальтенами нет четкой границы. Они имеют примерно одинаковый состав, содержат структурные фрагменты алканов, циклоалканов и аренов.
Основные различия между смолами и асфальтенами:
- 1) смолы имеют более жидкую консистенцию и представляют собой вязкие малоподвижные жидкости или аморфные твердые тела от темно-коричневого до темно-бурого цвета. Асфальтены - это аморфные твердые тела темно-бурого или черного цвета; 2) смолы имеют меньшую молекулярную массу (700-1000 а. е.м.), чем асфальтены (2000-140000 а. е.м.); 3) смолы растворимы в углеводородах нефти, тогда как асфальтены нерастворимы; 4) асфальтены содержат большее количество ароматических колец и меньшее количество алкановых и циклоалкановых фрагментов по сравнению со смолами.
САВ нефти делят на четыре группы в зависимости от их растворимости в органических растворителях: 1) мальтены и смолы (наиболее растворимые компоненты гудронов и битумов), 2) асфальтены, 3) карбены и 4) карбоиды. Карбены и карбоиды обладают наименьшей растворимостью. Они образуются при термической переработке нефти в результате конденсации и поликонденсации молекул мальтенов, смол и асфальтенов.
Строение основного числа САВ точно не установлено. Примеры предполагаемых структур САВ нефти приведены на рис. 1.
Молекулы САВ образуют между собой надмолекулярные структуры - ассоциаты с числом молекул от 1 до 5 и более. Эти ассоциаты образуются за счет комплексообразования ароматических колец, поэтому склонность молекул САВ к ассоциации возрастает с увеличением их ароматичности. Наибольшая степень ассоциации наблюдается у асфальтенов, которые содержат три ароматических или гетероароматических фрагмента. Ассоциаты асфальтенов имеют плоскую форму - форму стопок или пакетов (рис. 2).
Рисунок 1
Рисунок 2
Эти стопки или пакеты являются ядрами коллоидных частиц, которые придают нефти и ее тяжелым фракциям особые физико-химические свойства (см. разд. 9). Чем выше содержание САВ в нефти, тем больше ее вязкость и плотность, меньше текучесть.
Предполагается, что САВ накопились в нефти в результате очень медленного окисления, полимеризации, конденсации и поликонденсации низкомолекулярных органических соединений, содержавшихся в остатках растительного и животного вещества.
САВ оказывают существенное влияние на технологические и потребительские характеристики нефти и нефтепродуктов. При высоких температурах они накапливаются в нефти с высокой скоростью, что приводит к образованию значительных отходов. Несмотря на то, что САВ нефти содержат множество ценных соединений, рациональных методов их выделения или химической переработки не существует. До сих пор отходы САВ практически полностью уничтожают сжиганием, тем самым сильно загрязняя окружающую среду. В связи с этим весьма актуальной является проблема рационального использования САВ нефти.
В нефти в очень небольшом количестве находятся Микроэлементы - различные металлы (щелочные и шелочноземельные металлы, а также металлы подгрупп меди, цинка, ванадия, бора, молибдена и др.) и неметаллы (Si, P, As, галогены), которые в виде ионов входят в состав неорганических и органических соединений.
Основную долю неорганических соединений нефти составляют соли минеральных кислот (находятся в виде водных растворов) и минеральные породы (в виде тонкодисперсных взвесей).
Органические металлсодержащие соединения нефти бывают следующих видов:
1) элементорганические соединения, в которых атом металла связан с атомами углерода, например:
Элементорганические соединения встречаются как в легких, так и в тяжелых фракциях нефти; нефть химический углеводород алкен
2) соли органических кислот, которые образуются при их взаимодействии с минеральными солями щелочных и щелочноземельных металлов, содержащихся в пластовых водах:
3) комплексы металлов с органическими молекулами, например:
Среди внутрикомплексных комплексов металлов наиболее известны порфириновые комплексы ванадия и никеля. В смолах и асфальтенах встречаются хелатные комплексы более сложного строения, в которых комплексообразование осуществляется за счет атомов азота, серы и кислорода. Сами смолы и асфальтены также способны образовывать комплексы с различными металлами переменной валентности.
Примечательно, что ванадий и никель встречаются в нефти в значительно больших концентрациях, чем другие микроэлементы. Обычно в сернистых нефтях превалирует ванадий, а в малосернистых - никель.
Сведения о составе и количестве микроэлементов нефти необходимы при разработке и эксплуатации нефтегазовых месторождений для решения вопросов о происхождении нефти, оконтуривания районов ее залегания, изучения вопросов миграции и аккумуляции нефти.
Микроэлементы нефти значительно влияют на процессы ее переработки и качество нефтепродуктов. В своем большинстве они являются катализаторными ядами (быстро дезактивируют промышленные катализаторы нефтепереработки). В связи с этим важно знать состав и содержание микроэлементов в нефти и нефтепродуктах. Большая часть их концентрируется в смолисто-асфальтеновых фракциях нефти, при сжигании которых образуются оксиды ванадия и никеля, вызывающие сильную коррозию топливной аппаратуры и отравляющие окружающую среду.
Похожие статьи
-
Типы классификации нефтей - Химия нефти и газа
Нефти классифицируют по Генетическим и технологическим признакам . Генетическая классификация учитывает состав исходного природного материала и условия...
-
Нефть - это природная дисперсная система жидких органических соединений, главную часть которых составляют углеводороды различной молекулярной массы. С...
-
ОЧИСТКА И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ - Химия и методы переработки нефти
Обычная сырая нефть из скважины - это зеленовато-коричневая легко воспламеняющаяся маслянистая жидкость с резким запахом. На промыслах она хранится в...
-
Важнейшие строительные материалы и их соединения - Химия в строительстве
Большинство строительных материалов представляют собой смеси разнообразных химических соединений, которые, в свою очередь, состоят из химических...
-
КРЕКИНГ-ГАЗ, БЕНЗИН - Химия и методы переработки нефти
Вторичные газообразные продукты получаются из нефти в результате различных процессов крекинга. Тяжелые фракции при крекинге дают бензин, а бензиновые...
-
КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ - Пластические массы и изделия на их основе
Классификация высокомолекулярных соединений может проводиться по различным признакам. Ниже приводится несколько видов классификации высокомолекулярных...
-
Электронные пары, Ионная связь, Соединения металлов - Химия в строительстве
Некоторые химические элементы, атомы которых укомплектованы на электронных орбитах 8 электронами, не склонны вступать в соединения с другими элементами....
-
При изучении реакций замещения в бензольном кольце было обнаружено, что если в нем уже содержится какой-либо заместитель, то в зависимости от его...
-
Алканы и циклоалканы нефти и природных газов - Химия нефти и газа
Алканы составляют значительную часть нефти и природных газов. По агрегатному состоянию алканы нефти и газа делятся на газообразные (С1 - С4), жидкие (С5...
-
Катализаторы При алкилировании ароматических углеводородов (бензол, толуол и др.) хлорпроизводными в промышленности в качестве катализатора используют...
-
Алкены и циклоалкены (олефины и циклоолефины) Алкены встречаются в нефти довольно редко, тогда как алкины вообще не встречаются. Однако алкены и алкины в...
-
Реакции замещения, Окисление - Химия нефти и газа
Наиболее важные реакции замещения алканов и циклоалканов - галогенирование, нитрование, сульфирование, сульфохлорирование и сульфоокисление - идут по...
-
ТЕРМИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ - Химия и методы переработки нефти
Склонность к дополнительному разложению более тяжелых фракций сырых нефтей при нагреве выше определенной температуры привела к очень важному успеху в...
-
Комплексные соединения, их номенклатура, типы, строение, свойства - Основы химии
Соединения, в состав которых входят сложные ионы, существующие как в кристалле, так и в растворе, называются комплексными, или координационными. Согласно...
-
ВВЕДЕНИЕ - Нефть и ее свойства
Бурный научно-технический прогресс и высокие темпы развития различных отраслей науки и мирового хозяйства в XIX - XX вв. привели к резкому увеличению...
-
Происхождение нефти Истоки современных представлений о происхождении нефти возникли в XVIII - начале XIX века. М. В. Ломоносов заложил гипотезы...
-
Реагирует с неметаллами: 4Al + 3O2 > 2Al2O3 ; 2Al + 3Br2 > 2AlBr3 c оксидами металлов:2Al + Fe2O3 > Al2O3 + 2Fe (алюмотермия)c водой (если...
-
РИФОРМИНГ - Химия и методы переработки нефти
Риформинг - это процесс преобразования линейных и нециклических углеводородов в бензолоподобные ароматические молекулы. Ароматические углеводороды имеют...
-
Химическая связь - это взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решетке в результате действия между атомами электрических сил притяжения....
-
ПЕРЕГОНКА - Химия и методы переработки нефти
Периодическая перегонка. На начальных этапах развития нефтехимической промышленности сырая нефть подвергалась так называемой периодической перегонке в...
-
Комплексные соединения - соед-я, обр-ся сочетанием нескольких, способных к существованию ионов, сост. из атома в опр. валентном сост-ии, связ. с одной...
-
СИНТЕЗ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ - Пластические массы и изделия на их основе
Природные (естественные) органические высокомолекулярные соединения образуются в процессе биосинтеза в клетках растений и живых организмов и для...
-
Или N экв.1=n экв.2 для газообразных ве-в наряду с понятием молярного V (22,4 моль/л), исп-ся понятие - молярный объем эквивалента-это V одного моль...
-
Реакции расщепления - Химия нефти и газа
Они имеют огромное значение для процессов переработки нефти и газа. Эти реакции при обычной температуре практически не протекают, и только при 250-500 0С...
-
ДРУГИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА БЕНЗИНА - Химия и методы переработки нефти
Кроме крекинга и риформинга существует несколько других важных процессов производства бензина. Первым из них, который стал экономически выгодным в...
-
Соединения железа - Химия железа
Железный купорос FeSO4.7H2O получают путем растворения обрезков стали в 20-30%-ной серной кислоте: Железный купорос - светло-зеленые кристаллы, хорошо...
-
СЕРА И ЕЕ СОЕДИНЕНИЯ, Растворяем серу - Сера и ее соединения
Сера широко распространена на Земле. Многочисленные залежи серы в свободном состоянии находятся в Мексике, Польше, на острове Сицилия, в США, СССР и...
-
Классификация. - Полимерные соединения
По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен,...
-
Кислоты, Образование ионов, Важнейшие кислоты - Химия в строительстве
При растворении оксидов неметаллов в воде образуются кислоты. Например, при растворении хлора и водорода образуются соляная и фтористая кислота....
-
Теллур - Химия элементов VI группы
Теллур -- химический элемент 16-й группы, 5-го периода в периодической системе, имеет атомный номер 52; обозначается символом Te (лат. Tellurium) . Атом...
-
А) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих...
-
Простые и сложны вещества - Классы неорганических соединений
Простые вещества образованы атомами одного химического элемента. Все простые вещества можно разделить на неметаллы и металлы. К неметаллам относят только...
-
Магнийорганические соединения. - Химический элемент Магний
Соединения магния с органическими кислотами. Ацетат магния Mg(CH3COO)2 - хорошо растворимое в воде соединение. Оксалат магния MgC2O4 - труднорастворимое...
-
Нахождение в природе и основные соединения - Биогенные элементы. Сера
Сера химический месторождение Сера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание оценивается в 0,05% по массе. В природе часто...
-
Основные классы неорганических соединений
Классификация неорганических веществ прошла долгий путь развития и складывалась постепенно, начиная с первых опытов алхимиков, вплоть до наших дней,...
-
Необходимое для химической промышленности сырье получают из нефти двумя путями. Один путь состоит в том, что вещество, уже присутствующее в сырой нефти,...
-
Нефть и ее переработка - Химические свойства насыщенных углеводородов
Нефть - природное ископаемое, представляющее собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она является ценнейшим продуктом, с...
-
Состав нефти и ее свойства - Нефть и нефтяная промышленность
Нефть - это горная порода. Она относятся к группе осадочных пород вместе с песками, глинами, известняками, каменной солью и др. Мы привыкли считать, что...
-
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ - Химия и методы переработки нефти
Катализатор - это вещество, которое ускоряет протекание химических реакций без изменения сути самих реакций. Каталитическими свойствами обладают многие...
-
ХИМИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ ИЗ НЕФТИ - Химия и методы переработки нефти
Получение нефтепродуктов путем фракционирования. Нефтяная промышленность - это главный производитель химикатов. Ее первые успехи в разделении...
Гетероатомные, высокомолекулярные и минеральные соединения нефти - Химия нефти и газа