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原油的性質(zhì)概述和原油的化學(xué)組分介紹

[2012/11/24]

　　原油是一種有氣味的可燃粘稠液體，它的色澤通常顯黑色或深棕色，常伴有綠色或藍色熒光，相對密度0.75-1.0，熱值43.5-46MJ/kg，粘度范圍很寬，凝固點差別也比較大：零下30度到零上60度，沸點范圍常溫到500℃以上，可溶于多種有機溶劑，不溶于水，但可與水形成乳狀液。

　　原油是一種復(fù)雜的多組分混合物，主要成分是烴類(烷烴、環(huán)烷烴、鏈烯烴和芳香烴等)，其次是數(shù)量不多的非烴組分(含硫化合物、含氧化合物、含氮化合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì))，通常原油都有相似的特性。然而，實際資料表明，不同油田、不同油層、不同油井，甚至同一油井不同時間產(chǎn)出的原油在物理化學(xué)性質(zhì)上也存在著明顯的差異，這種差異反映了原油化學(xué)組成的多樣性和復(fù)雜性。原油的檢測儀器可以參照上海羽通儀器儀表廠的系列原油檢測儀器。

　　一、原油的元素組成

　　原油主要是由C,H及S,O,N五種元素組成，此外還有微量的金屬元素和非金屬元素。在金屬元素中有釩、鎳、鐵、銅、鋁以及鈣、鈦、鎂、鈉、鈷、鋅等，非金屬元素有氯、硅、磷、砷等.它們在原油中的含量一般是C占83.0%-87.0%,H占10.0%-14.0%,S占0.05%-8.00%,N占0.02%~2.00%,O占0.05%-2.00%.

　　到目前為止，一般是用減差法估算原油中的含氧量，而并不直接測定。這種方法得到的含氧量不夠準(zhǔn)確。原油中所含的元素絕大多數(shù)是以有機化合物的形式存在的，主要是C和H組成的烴類，其次是含S,N，O等元素的非烴類化合物。

　　原油中C,H元素含量變化與原油的化學(xué)組成有密切關(guān)系。原油越重所含高分子的烴類就越多，隨分子量增加，C的含量越高，H的含量越少。S,N，O三種元素的含量變化一般與原油中非烴化合物，尤其與膠質(zhì)、瀝青有關(guān)。

　　二、原油的餾分組成

　　原油是一個多組分的復(fù)雜混合物，每個組分有其各自不同的沸點。原油加工的第一步就

　　是利用原油組分沸點的差別，加熱蒸餾，將原油切割成不同沸點的餾分。在原油組分分析

　　中，用某個溫度范圍內(nèi)蒸餾出的餾分百分含量(質(zhì)量或體積)所表示的原油組成稱為餾分組

　　成。不同原油的餾分組成的分布及含量都有差異，有時這種差異還相當(dāng)懸殊。輕質(zhì)原油中低

　　沸點餾分含量相對較高，而重質(zhì)原油中高沸點的餾分含量相對較高。

　　餾分仍是一個混合物，并不是石油產(chǎn)品，還必須進一步加工精制才能成為合格的石油產(chǎn)品。研究原油的化學(xué)組成，一般以石油餾分為對象。

　　三、原油的烴類組成

　　從化學(xué)組成來看，原油餾分可分為烴類和非烴類兩大類。烴類和非烴類存在于原油的各個餾分中，原油的產(chǎn)地不同，其相互含量也大不相同。在同一原油中，隨著沸程增高，烴類含量降低而非烴類含量逐漸增加。

　　原油的烴類化合物主要是烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴，除個別種類的原油外，一般的原油中不含烯烴，但它可在加工過程中產(chǎn)生。

　　(一)烷烴

　　烷烴又稱石蠟烴，是一類飽和的直鏈和支鏈烴化合物，在一般情況下，分子中含有1-4個碳原子的烷烴為氣態(tài);含5-15個碳原子的烷烴為液態(tài)，是原油的主要成分;含16個碳原子以上的烷烴為固態(tài)，懸浮在原油中。由于烷烴所有的碳鏈都完全達到了飽和狀態(tài)，烷烴有較穩(wěn)定的化學(xué)安定性、高閃點和其他優(yōu)越的性能。烷烴凝點較高，在室溫下便失去了流動性，當(dāng)碳原子數(shù)相同時，直鏈正烷烴的熔點比支鏈異烷烴高。烷烴是化學(xué)反應(yīng)緩慢的化合物。具有同樣原子數(shù)，但不同結(jié)構(gòu)的烷烴，稱為異構(gòu)體烷烴。隨著碳原子數(shù)目的增多，其構(gòu)成異構(gòu)體烷烴的數(shù)目也急劇增長。烷烴含量超過25%-30%的原油稱為烷基(或稱石蠟基)原油。

　　(二)環(huán)烷烴

　　環(huán)烷烴是飽和的5個或6個碳原子的環(huán)烴類化合物，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有單環(huán)、雙環(huán)和多環(huán)，依其分子量的不同，可能會帶有烷烴側(cè)鏈，也有可能在一個分子中有若干個飽和環(huán)，它們帶有與烷烴鏈相連接的側(cè)鏈。這類分子中具有的環(huán)烷烴特性的強弱決定于分子中環(huán)烷烴的環(huán)數(shù)多于烷烴側(cè)鏈的程度，環(huán)烷烴幾乎是一切原油的主要成分。由于環(huán)烷烴具有較高的抗爆性、低凝點及較好的潤滑性，并會使制得的油品具有良好的熱安定性和化學(xué)安定性，是電力用油的主要理想成分之一。原油中含有75%-83%的環(huán)烷烴稱為環(huán)烷基原油，是煉制變壓器油的最好選擇。

　　(三)鏈烯烴(非飽和化合物)

　　如果烷烴和環(huán)烷烴的氫原子數(shù)不足，則其碳原子的四個鍵就不都是飽和的，相鄰的兩個碳原子之間，有一個雙鏈，稱為鏈烯烴。由于這類化合物為雙鏈結(jié)構(gòu)，故化學(xué)穩(wěn)定性比烷烴低。一般原油中不含不飽和烴，但原油裂化過程及高溫?zé)峤猱a(chǎn)物中有一定的含量。

　　(四)芳香烴

　　所有原油中都含有芳香族化合物，它們是由苯和少量的縮合環(huán)(如萘)衍生而成的。最簡單的芳香烴是苯(C6H6)。芳香烴分為對稱結(jié)構(gòu)的烴(如苯、萘、蒽)和帶側(cè)鏈的芳香烴(如甲苯)，在同一分子中，環(huán)烷烴環(huán)、烷烴鏈和芳香環(huán)也可能是同時相互連接的。芳香烴比環(huán)烷烴化學(xué)性質(zhì)活潑，它們的活性是完全由側(cè)鏈的數(shù)量和大小決定。原油中芳香烴的含量約為14%-30%。芳香烴與鏈烯烴一樣，也是非飽和化合物。但是，由于芳香烴的環(huán)為共軛雙鏈結(jié)構(gòu)，所以芳香烴在化學(xué)特性上比鏈烯烴穩(wěn)定一些。所有的潤滑油成分中都含有芳香烴，電力用油中當(dāng)然也不例外。

　　由于多環(huán)芳香烴在化學(xué)結(jié)構(gòu)上具有不飽和的雙鍵，因此穩(wěn)定性較差，而且環(huán)數(shù)越多，穩(wěn)定性越低，不飽和性越強。如果變壓器油中多環(huán)芳香烴含量過大，油的閃點就會降低，易著火。另一方面，多環(huán)芳香烴的不穩(wěn)定性又能提高變壓器油運行中的延緩氧化和抵抗酸價的能力。因此，在保證閃點大于140℃的情況下，要在變壓器抽中留有一定數(shù)量的多環(huán)芳香烴，即在原油精制餾分的提純過程中，并不全部除去多環(huán)芳香烴。

　　多環(huán)芳香烴的另一個用途是它能代替液體電介質(zhì)中的一種添加劑--電壓穩(wěn)壓劑，而起到穩(wěn)定電壓的作用。電壓穩(wěn)定劑在變壓器油中能吸收能量、分散電場強度、降低氣泡游離電場，其作用機理現(xiàn)在尚未探明。一般的看法認(rèn)為，它能捕獲電介質(zhì)中的高能離子或高能電子，把局部(微觀)高場強引發(fā)出來的高能離子或高能電子變成低能離子或低能電子。

　　在多環(huán)芳香烴中，芘、苊、螢蒽等烴的示性電壓(DNCV)值均在10-25kV或以上，具有很好的電壓穩(wěn)定作用，可以有效延緩油老化過程。

　　四、原油的非烴組成

　　原油中非烴化合物(雜環(huán)化合物)指分子結(jié)構(gòu)中除含碳、氫原子外，還含有硫、氮、氧等原子的化合物。尤其是環(huán)烷基原油中，還可能含有某些有機酸(環(huán)烷酸)，其中既有延緩油的化學(xué)特性變化(老化)的成分，即天然抗氧化劑，也有加速其老化的成分。原油中非烴組成可分為含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)四類。S,N,O三種元素一般占原油的2%左右，其化合物含量可占10%-20%，甚至更多。這些非烴組分主要集中在原油高沸點餾分中。原油中非烴化合物在數(shù)量上并不占主要地位，但對石油產(chǎn)品的質(zhì)量和使用卻有一定的不良影響，一般在煉制過程中應(yīng)盡最除去。

　　(一)含氧化合物

　　原油中含氧化合物由烴基和含氧官能團兩部分組成，主要有醇(R-OH),酚(Ar-OH),醚(R-O-R’),醛(R-CO-H),酮(R-CO-R’)和酸(R-COOH)。含氧化合物主要有酸性和中性兩大類。酸性含氧化合物中主要有環(huán)烷酸、脂肪酸及酚，總稱石油酸;中性含氧化合物有醛、酮等，其含量很少。

　　原油中含氧化合物主要是酸性含氧化合物，其中環(huán)烷酸最多，占酸性物質(zhì)90%以上，脂肪酸含量少，還有微量的芳香酸、環(huán)烷-芳香酸以及瀝青酸。原油中環(huán)烷酸主要是五元環(huán)和六元環(huán)的環(huán)烷酸(環(huán)戊烷酸、環(huán)己烷酸)，主要集中在200-400℃中間餾分中，在低餾分和高餾分中環(huán)烷酸的含量很少。

　　(二)含硫化合物

　　原油中含硫量大小是評價原油性質(zhì)的一項重要指標(biāo)，通常將原油中含硫量大于2%的稱為高硫石油，低于0.5%的稱為低硫石油，介于0.5%-2%之間的稱為含硫石油。我國多數(shù)原油屬于低硫石油(如大慶原油)及含硫石油(如勝利原油)。

　　硫在原油中存在的形態(tài)有元素硫(S),硫化氫(H2S),硫醇(RSH)和硫醚(RSR’)等；钚粤蚧(元素硫、硫化氫和硫醇等)在原油中存在量極少，大多在加工過程中由其他化合物分解生成，主要集中在低沸點餾分中。非活性硫化物(硫醚、二硫醚和噻吩等)不直接與金屬作用，但受熱分解后生成硫化氫等同樣會腐蝕金屬，大多集中在高沸點餾分中。

　　上述硫化物只是原油中已確定結(jié)構(gòu)的一部分，還有一部分硫化物結(jié)構(gòu)尚待研究，這部分稱殘余殘硫。

　　(三)含氮化合物

　　原油中含氮量一般變化不大，在0.1%-0.4%之間，只有少數(shù)情況下超過0.5%。與其他非烴化合物相似，原油中含氮量與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)密切相關(guān)。主要集中于膠質(zhì)、瀝青質(zhì)中。

　　原油中含氮化合物可分為堿性和中性(及酸性)兩大類。堿性含氮化合物主要是吡啶、哇琳、異喹琳的同系物;中性及酸性含氮化合物有吡硌、吲哚、咔唑的同系物及酞胺等。

　　(四)膠質(zhì)和瀝青質(zhì)

　　膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是一些含有C,H,O,N,S等多環(huán)化合物的混合物，其結(jié)構(gòu)仍不清楚，大致是一些分子量很高的雜環(huán)化合物的混合物。

　　溶于酚的膠質(zhì)在空氣中可氧化縮合形成瀝青質(zhì)，不溶于酚的是一些高分子的膠質(zhì)，它們氧化后可生成酸，但不能生成瀝青質(zhì)。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的存在對油品有害，可使油品顏色加深、氧化安定性下降、粘溫性能變差、氧化后形成積炭。