Лекция 7
Гетероатомные соединения нефти. Кислородные соединения нефти и газа. Нафтеновые кислоты, их состав, содержание в нефти и распределение по дистиллятам. Методы выделения нафтеновых кислот и количественное их определение. Химическая характеристика и установление строения нафтеновых кислот, их применение. Фенолы.
План лекции
1. Виды гетероатомных соединений нефти
2. Кислородные соединения нефти
3. Распределение кислородных соединений нефти по фракциям
1. При элементарном анализе нефти суммарное содержание углерода и водорода в ней составляет менее 100 %. Это происходит потому, что в балансе элементов, составляющих нефть, кроме основных элементов (углерода и водорода) обычно присутствуют: кислород, азот и сера, образующие кислородные, сернистые и азотистые соединения. Эти соединения, содержащие неуглеводородные элементы в своем составе, называют гетероатомными соединениями.
Кислородсодержащие углеводороды в нефти главным образом представлены кислотами, фенолами, кетонами и эфирами, реже лактонами, ангидридами и фурановыми соединениями. Относятся они к различным классам соединений, структура их отвечает структуре углеводородов данной фракции нефти. Основная часть кислородсодержащих соединений сосредоточена в высококипящих фракциях, начиная с керосиновой. Учеными доказано, что до 90-95 % кислорода приходится на смолы и асфальтены.
Среди кислородных соединений нефти следует отметить нафтеновые и нефтяные кислоты, фенолы, асфальтогенные кислоты; возможны эстолиды (сложные продукты уплотнения оксикислот) и еще достаточно неисследованные кислородные соединения асфальтенов и другие составляющие смолистых веществ нефти. Кислород занимает следующее после, серы место по содержанию гетероатомов в нефти.
Больше всего, кислорода в смолистых веществах нефти, где его содержание достигает 6 –7 %. В смолистых веществах содержатся до 90 % всего кислорода нефтей; если считать на нефть, то в смолистых веществах, кислорода содержится от 0,1 до 1 %. Следует отметить, что в высокосмолистыхнефтях содержание кислорода достигает 2 %.
Следующее место после смолистых веществ среди кислородных соединений занимают нафтеновые и нефтяные кислоты и, наконец, фенолы; последние содержатся в столь небольших количествах, и они не имеют никакого практического значения. Нейтральные кислородные соединения также содержатся в незначительных количествах.
2. Нефтяные кислоты. Этот термин утвердился сравнительно недавно, под ним подразумеваются все кислоты, входящие в состав нефти и ее фракции. Термин «нефтяные кислоты» следует отличать от термина «нафтеновые кислоты», под которым понимают циклопентан- и циклогексанкарбоновые кислоты.
По химическому составу нафтеновые кислоты довольно разнообразны. Их радикалы содержат нафтеновое пяти- или шестичленное кольцо, которое часто отделено от карбоксильной группы одной или несколькими метиленовыми группами. Кроме того, само кольцо может иметь метильные заместители. По мере увеличения молекулярной массы нафтеновые кислоты могут содержать би- и полициклические ядра. Как все карбоновые кислоты, нафтеновые кислоты способны образовывать галогенангидриды, амиды, ангидриды, сложные эфиры и вступать в другие реакции, характерные для этого класса соединений.
Большой интерес с точки зрения практики представляют соли нафтеновых кислот. Большинство солей нафтеновых кислот не кристаллизуется и имеет коллоидный характер, а иногда мазеобразную консистенцию. Соли щелочных металлов хорошо растворимы в воде и используются как технические мыла (мылонафт). Нафтенаты кальция и алюминия служат загустителями масел при получении пластичных смазок, а нафтенаты свинца входят как компонент смазок, работающих под повышенным давлением. Нафтенаты свинца, кобальта и марганца используются в качестве сиккативов (веществ, ускоряющих полимеризацию олифы) в лакокрасочной промышленности, нафтенаты меди предохраняют древесину и ткани от бактериального разложения. Довольно широкое применение получили нафтенаты алюминия. Их раствор в скипидаре применяется в качестве лака, а способность диспергировать в бензине с образованием золей и гелей позволила использовать их в качестве компонента зажигательных смесей (напалма).
Нафтеновые, кислоты содержатся в средних фракциях нефти. Они были впервые выделены из нефти еще в 1861 году. В самом общем виде их можно изобразить формулой СnНmСООН. Поскольку вначале эти кислоты выделялись из нафтеновых нефтей и последующими исследованиями было доказано содержание в составе этих кислот пятичленных и шестичленных нафтеновых колец, то наименование – нафтеновые кислоты более подходящее.
Нафтеновые кислоты при переработке фракций должны из них удаляться, так как эти кислоты коррозионно-активны, реагируют с оксидами металлов, а при подогреве – с самими металлами. Так, нафтеновые кислоты легко образуют соли со свинцом, цинком, медью, менее с железом и еще менее с алюминием.
Среднее содержание кислорода в кислородсодержащих соединениях следующее, %:
Нафтеновые кислоты............................. 10
Фенолы ................................................. 5
Смолы .................................................... 6
Отсюда можно рассчитать, принимая среднее содержание нафтеновых кислот 0,5 %, фенолов 0,05 и смол 15 %, что в среднем 95 %. кислорода приходится на смолы.
Фенолы. Среди кислородсодержащих соединений по содержанию в нефти фенолы стоят на втором месте после кислот.
Общее содержание фенолов в нефти, как было сказано выше, невелико. Обычно оно несколько повышается в нефтях с меньшим количеством нафтеновых кислот. Фенолы хорошо разделяются методами газожидкостной хроматографии и могут быть идентифицированы с помощью ИК-спектроскопии. В более тяжелых продуктах выделены в виде фракций полициклические фенолы.
Эфиры. Присутствие сложных эфиров в нефтях было обнаруженоеще в прошлом столетии. Основная масса эфиров сосредоточена во фракциях, перегоняющихся выше 370°С, и в тяжелых остатках и может составлять до 1,3% от этих продуктов. Исследования состава концентратов эфиров, выделенных из тяжелых остатков некоторых нефтей, с помощью ИК-спектроскопии показали, что они имеют насыщенный характер.
3. В средне- и высококипящих фракциях нефти кислоты представлены главным образом нафтеновыми кислотами. Содержание нафтеновых кислот возрастает от керосиновой до дизельной и газойлевой фракций, а затем в масляных фракциях снова понижается.
Наибольшее количество нафтеновых кислот приходится на средние фракции. В более высококипящих фракциях содержание этих кислот убывает, но из гудрона еще можно выделить до 0,3 % нафтеновых кислот. Нафтеновые кислоты представляют, собой жидкости или твердые вещества. Плотность этих кислот несколько уменьшается с повышением среднего молекулярной массы фракции. Йодное число возрастает, а кислотное число достигает максимума у кислот из вазелинового дистиллята и затем опять снижается. Нафтеновые кислоты образуют водорастворимые соли со щелочами. На этом свойстве основан метод выделения их из дистиллята. При подкислении серной кислотой водного раствора солей щелочных металлов нафтеновые кислоты выделяются в отдельный (верхний) слой в свободном виде. Эти же соли представляют собой мыла с хорошими моющими свойствами (мылонафт); 40%-ный водный раствор этих солей применяют как стимулятор роста растений.
Распределение нафтеновых кислот по дистиллятам нефти показывает, что главная масса их приходится на соляровые масла и дистилляты легких масел. Бензин практически не содержит кислот, в керосине их также мало, но в соляровых дистиллятах количество их достигает 2% и больше. Последующие дистилляты содержат все меньшие количества нафтеновых кислот, хотя в гудроне их содержание составляет до 0,3%. Несомненно, что с увеличением температуры кипения содержание нафтеновых кислот падает, может быть вследствие разрушения их при высоких температурах в условиях перегонки.
ИК-спектры некоторых нефтей месторождения Тенгиз показывают поглощение в области 1710 см-1, что свидетельствует о присутствии структур, содержащих кислород.
Контрольные вопросы
1. Главные представители кислородосодержащих углеводородов нефти
2. Химический состав нафтеновых кислот
3. Фенолы, эфиры. Методы определения их содержания в нефти
4. Роль кислородосодержащих углеводородов в нефти и нефтепродуктах
Лекция 8
Сернистые соединения нефти. Разновидности сернистых соединений в нефти, их физические и химические свойства. Качественные и количественные определения общего содержания серы. Содержание сернистых соединений в различных видах нефти. Влияние присутствия сернистых соединений на свойства нефтепродуктов.
План лекции
1. Виды сернистых соединений нефти
2. Содержание сернистых соединений в нефти и нефтепродуктах
3. Влияние сернистых соединений на свойства нефтепродуктов
1. Большая часть мировых запасов нефти в настоящее время является сернистой или высокосернистой. Большая часть нефтей стран СНГ относится к сернистым и высокосернистым. Месторождения Волго-Уральской впадины, Западной Сибири, часть нефтей Казахстана и Южного Узбекистана содержат серы от 1 до 2 % (масс). Более того, на территории старых нефтеносных районов с малосернистой нефтью открывают новые месторождения с сернистой и даже высокосернистой нефтью (Южноэмбинский район). Все это требует глубокого изучения состава и свойств сернистых соединений нефти, методов их удаления и использования.
Сера в нефтях может встречаться в небольших количествах, а иногда может превышать 3 %. В настоящее время нефть большей части мировых запасов является сернистой или высокосернистой.
Сернистые соединения нефтей существенно отличаются по химическому составу. В нефтях сернистые соединения могут содержаться как в растворенном, так и в коллоидном состоянии. Сернистые соединения представлены как в виде элементарной серы, так и растворенного сероводорода, меркаптанов (тиоспирты, тиолы), сульфидов (тиоэфиры) и полисульфидов, циклических сульфидов (типа тетрагидротиофена) и производных тиофена. Кроме того существуют смешанные серу- и кислородсодержащие соединения – сульфоны, сульфоксиды и сульфоновые кислоты. В смолисто-асфальтеновой части нефти наблюдаются еще более сложные соединения, содержащие одновременно атомы серы, азота и кислорода.
2. Распределение серы по фракциям нефти различно, вообще содержание серы увеличивается от низших фракций к высшим. В тяжелых нефтяных остатках обычно содержится от 70 до 90 % (масс.) всех сернистых соединений, особенно в асфальто-смолистой части.
В общем можно сказать, что востатке нефти, кипящем выше 350 0С, заключается более 75 % всей серы, имеющейся в нефти. При этом надо еще иметь в виду, что часть первичных сернистых соединений разлагается при перегонке.
Свободная сера неоднократно была обнаружена в сырых нефтях по образованию черной модификации киновари при встряхивании со ртутью. Некоторые нефти содержат достаточно большие количества сероводорода, который при взаимодействии с кислородом воздуха превращается в элементарную серу, что, возможно, является причиной возникновения серных месторождений. Наличие серы в дистиллятах нефти можно объяснить именно этой реакцией, так как перегретый водяной пар всегда содержит свободный кислород (из воздуха, растворенного в воде, превращаемой в пар). Свободная сера при продолжительном взаимодействии с углеводородами, при нагревании образует сероводород. Количество ее может колебаться от 0,0001 до 0,1% (масс.) и, как правило, пропорционально содержанию серы в нефти.
В нефтях сероводород встречается довольно часто. Сероводород может иметь в нефти вторичное происхождение, по-видимому, из меркаптанов, некоторые из которых разрушаются уже при перегонке. По некоторым наблюдениям сернистая нефть, освобожденная от сероводорода продуванием воздуха или обработкой щелочными растворами, при нагревании даже при относительно невысоких температурах снова образует сероводород.
Установлено, что наиболее стабильны (при 200-300°С) серосодержащие соединения в нефти песчаных отложений, тогда как в известняковых нефтях разложение начинается при 40 –80 °С. Возраст нефти и содержание в ней сернистых соединений не сказываются на их стабильности.
3. Сернистые соединения - нежелательные компоненты нефти, так как вследствие своей способности к распаду с выделением сероводорода и элементарной серы, которые способствуют коррозии и разрушению оборудования и тем самым значительно затрудняют процессы переработки. Нежелательно наличие сернистых соединений и в готовых нефтепродуктах. Однако в этом случае приходится учитывать в основном активные соединения серы, к которым относятся меркаптаны, сероводород и элементарная сера. Эти вещества оказывают отрицательное действие при переработке сырой нефти и нефтяных фракций, из-за своей высокой коррозионной способности даже при низких температурах.
Увеличение содержания серы в моторных топливах увеличивает расход топлива, снижает мощность и увеличивает износ двигателя. Повышение содержания серы в топливе приводит к ухудшению экологического состояния окружающей среды.
Сернистые соединения должны быть удалены из перерабатываемых нефтяных фракций наиболее подходящим путем – извлечением или разрушением до простейших соединений, облегчающих их удаление. Разработаны методы облагораживания топлива путем гидрирования (гидроочистка), при котором удаляется сера, кислород и азот в виде летучих соединений.
Контрольные вопросы
1. Сернистые соединения нефти
2. Распределение серы по фракциям нефти
3. Основные представители сернистых соединений нефти
4. Классификация нефти по содержанию серы.
Лекция 9
Азотистые соединения нефти. Разновидности азотистых соединений, их краткая характеристика. Качественные и количественные определения азота в нефти и нефтепродуктах. Влияние азотистых соединений на свойства нефтепродуктов.
План лекции
1. Виды азотистых соединений нефти
2.Содержание азотистых соединений в нефти и нефтепродуктах
3. Влияние азотистых соединений на свойства нефтепродуктов
1. Как и другие гетерогенные соединения, азотистые соединения в нефти связаны главным образом со смолистыми компонентами, и поэтому существует явный параллелизм между содержанием азота в нефти и ее плотностью, зависящей большей степени от количества смол. В связи с этой зависимостью отмечается также падение содержания азота вместе с увеличением возраста нефти или степенью ее превращения.
Содержание азота в нефтяных фракциях растет вместе с температурой кипения фракций и абсолютно и относительно. Очевидно, азотистые соединения нефти содержатся в каких-то высокомолекулярных соединениях, частично разрушающихся при перегонке. В первичной форме азотистые соединения могут и не иметь основного характера и приобретают его только тогда, когда в результате распада высокомолекулярных соединений освобождаются более простые формы, уже имеющие основной характер.
Азотистые соединения лучше всего извлекаются в виде солей при обработке смесью из серной кислоты и спирта, при содержании в кислоте 40 % моногидрата и при температуре порядка 50°С. Такая сравнительно слабая кислота практически не взаимодействует с другими компонентами нефти.
Азотистые соединения, по сравнению с кислородными и сернистыми, содержатся в нефти в значительно меньших количествах. Как и другие гетероатомные соединения нефти, они неравномерно распределены по фракциям, и, как правило, больше половины их сосредоточено в смолисто-асфальтеновой части.
Природа азотистых соединений основного характера была выяснена уже давно. Это, в основном, гомологи пиридина, хинолина, гидропиридина и гидрохинолина. Азотистые основания нефти способны образовывать хлороплатинаты, анализ которых на платину, углерод, водород и хлор позволяет определенно говорить о природе азотистых оснований.
По химическим свойствам азотистые соединения нефти четко подразделяются на азотистые основания, которые сравнительно легко выделяются из нефти кислотами, и нейтральные азотсодержащие соединения, выделение и идентификация которых является весьма трудным.
2. Распределение азотистых соединений нефти по ее фракциям, как уже сказано, неравномерно. Известно, что бензиновые фракции практически не содержат азота или содержат только следы. Большая часть азотистых оснований сосредоточена в дизельной и широкой газойлевой фракциях. Бестужевым было приведено распределение видов азотистых соединений по фракциям вильмингтонской нефти. Основная масса азотистых соединений сосредоточена в тяжелом остатке после отбора дистиллятных фракций, перегоняющихся до 500 °С. Основную массу азотистых соединений этого остатка составляют производные карбазола и пиррола, т. е. нейтральные азотистые соединения, а на азотистые основания приходится около трети всего азота, содержащегося в остатке.
3. Все азотсодержащие соединения термически стабильны и не оказывают заметного влияния на эксплуатационные свойства нефтепродуктов.
Контрольные вопросы
1. Основные виды азотистых соединений в нефти
2. Распределение азотистых соединений в нефтепродуктах
3. Назовите представителей нейтральных азотистых соединений
Лекция 10
Гетеросоединения органической массы твердых горючих ископаемых. Классификация. Методы исследования и характеристика групп смолистых веществ. Содержание их в нефти и нефтепродуктах. Минеральные компоненты нефти. Минеральные соли и соли органических кислот, феноляты, металлокомплексные соединения нефти, микроэлементы, обнаруженные в нефтях. Вода в нефти. Методы качественного определения минеральных компонентов нефти. Межмолекулярные взаимодействия. Надмолекулярные структуры. Ассоциаты. Комплексы. Роль межмолекулярных взаимодействий смолисто-асфальтеновых веществ и углеводородов в процессах переработки нефти.
План лекции
1. Виды и характеристика смолистых веществ
2. Виды минеральных компонентов нефти
3. Межмолекулярное взаимодействие. Виды надмолекулярных структур.
1. Смолисто-асфальтеновые вещества не относятся к определенному классу органических соединений. Они представляют собой сложную смесь высокомолекулярных соединений гибридной структуры, включающую в состав молекул кислород, серу, азот, а также некоторые металлы в переменных количествах, в силу чего не могут быть отнесены к углеводородам. Так как указанные гетерогенные элементы присутствуют в нефтях в связи с очень тяжелыми углеводородными радикалами, то при достаточно высоком содержании смолистых веществ нельзя считать нефть только углеводородной смесью. Нефтяные смолы представляют собой высокомолекулярные вещества темно-бурого цвета, коллоидно распределенные в нефти и практически не переходящие в ее дистилляты при перегонке.
Молекулярная масса смол нефти изменяется в пределах 460-1600 и асфальтенов – от 1600 до 5500. Молекулярная масса вторичных асфальтенов снижается до 600-900. Аналогичное снижение молекулярной массы характерно и для вторичных смол.
Смолы присутствуют во всех нефтях и их содержание в них колеблется в довольно широком диапазоне: от десятых долей процента до десятков процентов. Кроме того, встречаются тяжелые смолистые нефти, в которых содержание смолисто-асфальтеновых веществ достигает 10-50% (масс), например некоторые нефти Казахстана, Средней Азии, Республики Коми (РФ), Башкортостана, добываемые пока в ограниченном количестве. Наиболее богаты смолисто-асфальтеновыми веществами молодые нефти ароматического основания.
Асфальтены и смолы, выделяемые из нефти, в условиях, исключающих изменения их состава и структуры, обозначаются термином нативные, а претерпевшие изменения или образовавшиеся в процессе технологической переработки нефти называются вторичными.
Высокая молекулярная масса смолистых веществ приводит к тому, что при перегонке почти все смолы остаются в неперегоняющемся остатке – гудроне. Гетерогенные элементы содержатся в смолистых веществах в виде соединений неизвестной структуры. При перегонке смолы разрушаются и образуют соединения, представляющие собой измененные осколки исходных сложных молекул. Собственно они и известны под названиями сернистых и азотистых соединений нефти. Процесс самопроизвольного разукрупнения смолистых веществ в общем случае мог происходить еще в недрах.
Смолы представляют собой смесь из многих веществ, сходство которых определяется общим планом строения и высокой молекулярной массой. Среди смолистых веществ находятся вещества с молекулярной массой больше 1000 наряду с более низкомолекулярными. В силу этого растворимость смолистых компонентов различна, чем пользуются для условного разделения смол на несколько групп. В химическом отношении смолистые вещества неактивны, что не позволяет разделять их с помощью функциональных реактивов. В то же время довольно высокие полярные свойства смол дают возможность адсорбировать их силикагелем и другими поверхностно-активными веществами.
2.Под минеральными компонентами нефти подразумеваются неорганические вещества, определяемые в ней после высушивания, отстаивания и фильтрования. Минеральные компоненты в нефти содержатся в виде солей, образованных металлами и кислотами, металлических комплексов, а также коллоидно-диспергированных минеральных веществ. Элементы, входящие в состав этих веществ, часто называют микроэлементами.
Общее содержание минеральных компонентов в нефти определяется сжиганием и прокаливанием смолистого остатка от перегонки нефти. Так как этот процесс связан с высокими температурами, понятно, что полученная зола и ее состав не имеет ничего общего с теми соединениями, в виде которых минеральные вещества находились в нефти. Многие карбонаты, сульфаты, галогениды и другие соединения при прокалке или разлагаются, или улетучиваются. Вследствие этого сведения о наличии галоидов, селенистых и сернистых соединений не полны и, во всяком случае, не точны.
Реагируя своими активными соединениями, нефть заимствует из вмещающих пород кальций, натрий, железо, алюминий и некоторые другие, широко распространенные элементы. Эти элементы всегда присутствуют в нефтяной золе.
Общее содержание зольных элементов обычно очень низкое. Оно не превосходит сотых, реже десятых долей процента на нефть. Смолистые нефти, вообще говоря, богаче зольными элементами, однако наблюдаются и исключения. Например, нефть с относительной плотностью 0,939 из Бинагадов содержит около 20 % смолистых веществ и 0,0138 % золы, тогда как менее смолистая нефть из Раманов с относительной плотностью 0,8640 с содержанием смолистых веществ около 12% при сжигании оставляет 0,15% золы, т.е. в десять раз больше.
В составе нефтей найдено более 40 различных элементов , которые можно разделить на три группы:
1) металлы переменной валентности (V, Ni, Fe, Mo, Co, W, Сг, Си, Mn, Pb, Ga, Ag, Ti); 2) щелочные и щелочноземельные металлы (Na, К, Ва, Са, Sr, Mg); 3) галогены и другие элементы (С1, Вг, I, Si, Al, Zn и др.).
3. Под действием сил межмолекулярного взаимодействия смолисто-асфальтеновые вещества формируют ассоциаты – пакеты конденсированных ароматических углеводородов. Асфальтены образуют трехмерную структуру из ароматических полициклических монослоев. Устойчивость надмолекулярных структур асфальтенов определяется наличием в них свободных радикалов, о чем свидетельствуют явление парамагнетизма и высокая концентрация парамагнитных центров у асфальтенов. Образованные асфальтено-смолистыми соединениями надмолекулярные структуры называются сложными структурными единицами, которые состоят из ядра и сольватной оболочки, окружающей ядро. Ядро представляет собой ассоциат из наиболее высокомолекулярных соединений и характеризуется определенной толщиной, упорядоченностью и прочностью. Сольватный слой образуется на границе раздела фаз за счет адсорбции и локальной диффузии компонентов дисперсионной среды, из более низкомолекулярных углеводородов и гетероатомных соединений. Такие пакеты распределены в жидкой углеводородной фазе и образуют ядра нефтяной частицы. Ближним слоем к ядру находятся смолы, окружающие ядро сольватной оболочкой. Затем следует переходный слой из углеводородов средней молекулярной массы. В этом слое силы, притягивающие молекулы друг к другу, почти не действуют. Такая система легко разрушается в присутствии сторонних веществ, которыми могут быть стенки хранилищ или трубопроводов. Поэтому для транспортировки нефти необходимо вводить в ее состав стабилизирующие агенты.
Контрольные вопросы
1. Характеристика групп смолистых веществ
2. Минеральные компоненты нефти и методы их определения
3. Вода в нефти
4. Надмолекулярная структура нефти
Лекция 11
Основные характеристики связей в молекулах углеводородов. Термическая стабильность углеводородов различных рядов. Химизм и механизм превращения индивидуальных углеводородов различных рядов.
План лекции
1. Термическая деструкция углеводородов
2. Энергия связей в молекулах углеводородов
3. Химизм термических превращений
1. К процессам термической деструкции относят термический крекинг, пиролиз и коксование. Термическая деструкция углеводородов – это расщепление, распад на части под действием температур. Однако, при термической деструкции в интервале 500-900 °С протекают не только реакции распада вещества (распад, дегидрирование, деалкилирование, дециклизация), но и реакции синтеза (конденсация, полимеризация, алкилирование, циклизация непредельных углеводородов). Реакции первой группы – это эндотермические, а второй группы – экзотермические. Реакции обеих групп протекают с изменением объема, то изменение внешнего давления имеет большое значение.
2. Энергия разрыва связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы гомолитически разорвать связь между атомами в молекуле. Связи в молекуле неравноценны. Наименьшей энергией связи обладает связь углерод-гетероатом. На ее разрыв необходимо затратить наименьшее количество энергии, и при термическом воздействии эта связь будет разрываться первой. Следом будут разрываться связи углерод-углерод в парафинах (распад), нафтенах (дециклизация), будут отрываться боковые цепи в ароматических молекулах (деалкилирование). Самыми прочными углерод-углеродными связями являются ароматические и ацетиленовые связи. Поэтому, в термических процессах одним из продуктов реакции являются конденсированные ароматические системы, получающиеся по реакциям конденсации ароматических и циклизация непредельных углеводородов (кокс, смола пиролиза, тяжелые смолы парофазного и жидкофазного крекинга). Не равноценны связи одного типа в пределах одной молекулы. Для высокомолекулярных парафиновых углеводородов разорвать цепь по середине молекулы проще, чем разрывать связи углерод-углерод на концах молекулы. Это же относится к связям С-Н в молекулах углеводородов.
В реакциях углеводородов отрыв атома водорода всегда легче происходит от третичного атома углерода, труднее - от вторичного, еще труднее от первичного. Наименьшая вероятность отрыва водорода характерна для метана.
Основные типы углеводородов нефти можно расположить по термической стабильности в следующий возрастающий ряд: нормальные алканы, разветвленные алканы, нафтены, ароматические углеводороды, гибридные нафтено-ароматические углеводороды, полициклические ароматические углеводороды.
3. Алканы в условиях термического крекинга, как правило, распадаются с образованием парафина и олефина. Причем, чем больше молекулярная масса алкана, тем ближе к середине молекулы произойдет разрыв. Низкомолекулярные алканы, такие, как этан, пропан и бутан, могут подвергаться реакции дегидрирования. Метан в условиях крекинга не разлагается.
![]() |
Следует отметить, что при распаде молекулы на неравные осколки углеводород с меньшим молекулярным весом получается предельным, а с большим — непредельным.
Олефины в термических реакциях в зависимости от условий в основном претерпевают распад на алкены и алкины с меньшей молекулярной массой, но возможны реакции полимеризации и уплотнения, т. с. циклизации с последующей конденсацией.
Для нафтенов характерны следующие группы реакций:
1. деалкилирование или укорочение боковых парафиновых цепей;
2. дегидрирование нафтенового кольца с образованием циклоолефинов и ароматических углеводородов; астичная или полная дециклизация полициклических нафенов после деалкилирования;
3. распад моноциклических нафтенов на олефины
Ароматические углеводороды термически устойчивы и поэтому накапливаются в продуктах термических процессов. Ароматические углеводороды с длинными боковыми цепями способны деалкилироваться с образованием преимущественно монометилированных ароматических углеводородов.
Ароматические углеводороды без заместителей (голоядерные) и ароматические углеводороды с низким числом углеродных атомов в цепи практически не подвергаются распаду. В условиях термических процессов они способны конденсироваться с выделением водорода.
В результате образуются высококонденсированные нелетучие и нерастворимые в хинолине вещества, из которых затем получается твердый углеродистый остаток — кокс или сажа.
Контрольные вопросы
1. Термическая стабильность углеводородов
2. Химизм превращения индивидуальных углеводородов
3. Механизм превращения парафиновых углеводородов
4. Механизм превращения нафтеновых углеводородов
5. Механизм превращения аромаических углеводородов