Химия нефти и газа

В. Д. Рябов
ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА
Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов
Российской Федерации по нефтегазовому образованию в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки дипломированных
специалистов 130500 «Нефтегазовое дело»
Москва
ИД «ФОРУМ»
2012

УДК 54(075.8)
ББК 24я73
Р98
Р е ц е н з е н т ы :
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ,
заведующий кафедрой «Химия и технология нефти и газа»
Тюменского государственного нефтегазового
университета Р. З. Магарил;
доктор химических наук, профессор института нефтехимического
синтеза им. А. В. Топчиева РАН О. П. Паренаго
Рябов В. Д.
Р98
Химия нефти и газа: учебное пособие. — М.: ИД «ФОРУМ»,
2012. — 336 с.: ил. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-8199-0390-2
Приведены современные данные о составе, свойствах, методах анализа
углеводородов и других компонентов нефти и газа.
Рассмотрены химические основы термических и каталитических превращений углеводородов и гетероатомных соединений нефти.
Излагаются основные гипотезы неорганического и органического происхождения нефти.
Книга предназначена в качестве учебного пособия по курсу «Химия
нефти и газа» для подготовки бакалавров, магистров и дипломированных
специалистов по направлению 130500 «Нефтегазовое дело». Книга может
быть использована для подготовки специалистов по другим направлениям
в вузах нефтегазового профиля и может представлять интерес для специалистов, работающих в области химии и технологии переработки нефти и в
других областях нефтяной и газовой промышленности.
УДК 54(075.8)
ББК 24я73
ISBN 978-5-8199-0390-2
© В. Д. Рябов, 2012
© ИД «ФОРУМ», 2012

Предисловие
Химия нефти как наука получила свое развитие в конце
XIX в. и по мере накопления знаний о нефти, ее составе и свойствах окончательно сформировалась в первые десятилетия XX в.
Как учебная дисциплина «Химия нефти» была впервые в
мире включена в учебные планы подготовки инженеров-технологов по переработке нефти С. С. Наметкиным в 1927 г. в Московской горной академии, а затем в Московском нефтяном институте им. И. М. Губкина. С 1930 г. преподавание «Химии нефти»
было
начато
также
в
Ленинградском
технологическом
институте им. Ленсовета А. Ф. Добрянским. По мере развития и
дифференциации химии вообще и химии нефти в частности изменялись ее цели, задачи и содержание. В первой половине
XX в. химия нефти занималась не только вопросами изучения
химического состава нефтей, свойств углеводородов и других
компонентов нефти, но также проблемами переработки нефти —
первичной, термокаталитической, химической; вопросами химической очистки нефтепродуктов. В соответствии с этим и составлялись учебные программы и готовились учебные пособия
по химии нефти.
После создания учебных курсов «Технология переработки
нефти» (с 1933 г.) и «Технология нефтехимического синтеза»
(в 60-х гг.) из программы курса «Химия нефти» были исключены
вопросы технологии переработки нефти и нефтехимического
синтеза. В связи с развитием инструментальных физико-химических методов исследования потеряли значение многие химические методы выделения, количественного определения и идентификации компонентов нефти, которые раньше излагались в
курсе «Химия нефти».
В настоящее время «Химия нефти и газа» как наука решает
следующие задачи:
1. Исследование химического состава нефтей, нефтепродуктов, газоконденсатов и газов с помощью современных физико-химических методов анализа.

Предисловие
2. Исследование физико-химических свойств углеводородов
и других компонентов нефти и их влияния на свойства нефтепродуктов, установление связи между строением молекул и надмолекулярных структур компонентов нефти и свойствами нефтепродуктов.
3. Исследование химизма и механизма термических и каталитических превращений компонентов нефти, в том числе взаимных превращений углеводородов как высокотемпературных (в
процессах переработки нефти), так и низкотемпературных, что
важно как с аналитической, так и с геохимической (превращение нефтей в природе) точек зрения.
4. Исследование проблемы происхождения нефти.
В соответствии с этим находится и содержание курса «Химия
нефти и газа» как учебной дисциплины.
На рис. 1 приведена логическая схема и структура курса «Химия нефти и газа» в связи с другими дисциплинами учебного
плана.
Во вводной части курса приводятся краткие сведения о роли
нефти и газа в современном мире, об основных нефтедобывающих странах и нефтяных месторождениях, предварительные данные о химическом и фракционном составе нефтей, химической
классификации нефтей. Эти данные необходимы при изучении
I главы «Физико-химические методы исследования нефти и
газа». На основании этой главы рассматривается материал II главы «Углеводороды нефти и продуктов ее переработки». Из химических свойств компонентов нефти рассматриваются только те,
которые имеют либо аналитическое значение, либо необходимы
при изучении процессов термической и каталитической переработки нефтяного сырья.
Методы определения состава различных фракций нефти и
нефтепродуктов обобщены в отдельном разделе II главы курса.
В III главе «Гетероатомные соединения и минеральные вещества нефти» рассматриваются данные о составе, строении,
свойствах и анализе кислородных, сернистых, азотистых, смолисто-асфальтеновых, минеральных компонентов нефти.
IV глава посвящена термическим и каталитическим превращениям углеводородов и других соединений нефти в условиях
основных процессов термокаталитической переработки нефтяного сырья. В этой главе приводятся также данные о превращениях углеводородов в условиях реакций алкилирования и сту

Предисловие
5
Рис. 1. Логическая схема и структура курса «Химия нефти и газа» в связи
с другими дисциплинами учебного плана

Предисловие
пенчатой полимеризации и изомеризации с целью получения
высокооктановых компонентов моторных топлив.
В V главе рассматриваются вопросы происхождения нефти,
ее отдельных компонентов и проблемы превращения нефтей в
природе.
Логическая схема и структура курса показывает также связь
отдельных разделов курса между собой и с другими дисциплинами учебного плана.
Настоящему учебнику предшествовал ряд учебных пособий,
подготовленных автором и изданных в РГУНГ им. И. М. Губкина в разные годы. Это конспект лекций по курсу «Химия нефти
и газа» (1976), «Физико-химические методы исследования углеводородов и других компонентов нефти» (1979; 1996), «Химический состав, свойства и анализ углеводородов и других соединений нефти» (1983; 1997), «Термические и каталитические превращения углеводородов и других компонентов нефти» (1982),
«Химия нефти и газа» (1998; 2004).

Вводная часть
Нефть является горючим ископаемым наряду с каменным
углем, бурым углем и сланцами. В отличие от других горючих
ископаемых нефть — жидкость и содержит очень мало минеральных негорючих примесей, что обусловливает ее высокую теплотворную способность 42 000 кДж/кг (10 000 ккал/кг).
Несмотря на высокую теплотворную способность, сырая
нефть не используется в качестве топлива, так как представляет
собой богатый источник углеводородов — ценного сырья для
получения нефтепродуктов (бензина, дизельных топлив, смазочных масел и т. д.) и продуктов нефтехимического синтеза1.
Нужно отметить, что другие горючие ископаемые также
представляют собой потенциальные ресурсы углеводородов. Их
природные запасы значительно превосходят запасы нефти. Так, в
1958 г. мировые запасы каменного угля были равны 7500 млрд т,
тогда как мировые разведанные2 запасы нефти — 33 млрд т.
В 1964 г. мировые разведанные запасы нефти в зарубежных странах составляли 40 млрд т, в 1971 г. — 60 млрд т. В настоящее время мировые разведанные запасы нефти равны 100 млрд т. Прогнозные запасы нефти в мире оцениваются в 250 млрд т. Следовательно,
увеличение
разведанных
запасов
нефти
невелико.
В 1964 г. добыча нефти составила 1,4 млрд т. В 1970 г. мировая
добыча нефти увеличилась почти вдвое — 2,3 млрд т, в 1971 г. —
2,5 млрд т. В настоящее время мировая добыча нефти стабилизировалась на уровне 
3,5 млрд т.
В табл. 1 представлено распределение добычи нефти по основным нефтедобывающим странам.
Если принять условно, что добыча нефти в мире стабилизируется в ближайшие 10 лет на уровне 3—4 млрд т в год, то запасы нефти истощатся через несколько десятков лет.
1 В настоящее время только 5—7 % добываемой нефти и газа используется для получения продуктов нефтехимического синтеза.
2 По зарубежным странам.

Вводная часть
Таблица 1. Крупнейшие нефтедобывающие страны
¹
Страна
Добыча нефти, млн т/г
1987
1993
1996
2000
2004
2006
1
СССР
625
390
(СНГ)
351
(СНГ)
316
(Россия)
459
480
2
США
460
340
322
290
268
255
3
Саудовская Аравия
209
402
390
402
441
446
4
Иран
112
181
183
177
194
191
5
Китай
133
145
156
162
173
184
6
Мексика
143
155
142
151
169
163
7
ОАЭ*
—
—
—
—
122
129
8
Венесуэла
90
116
147
151
107
126
9
Нигерия
64
94
100
99
113
110
10
Канада
86
97
90
99
121
124
11
Норвегия
—
—
157
160
146
122
12
Кувейт
61
93
90
88
101
109
13
Бразилия
—
—
—
—
97,7
103
* Объединенные Арабские Эмираты.
Так как мировые запасы других горючих ископаемых, в частности каменного угля, велики, то на первый взгляд истощение
запасов нефти не должно бы вызывать особой тревоги. Но на самом деле это не так. Дело в том, что нефть состоит из готовых
углеводородов, тогда как для получения углеводородов из твердых горючих ископаемых (уголь, сланцы) необходима их специальная термическая обработка — нагревание без доступа воздуха,
в результате получается смесь жидких продуктов углеводородного характера и значительные количества остатка. Общий выход
углеводородов при их получении из нефти намного выше, чем
из других горючих ископаемых. Это объясняется различием элементного состава нефти и других горючих ископаемых (табл. 2).

Вводная часть
9
Таблица 2. Элементный состав различных горючих ископаемых
Горючие ископаемые
С, %
H, %
Антрацит
95
2,5
Каменный
и бурый уголь
85
5,4
Нефть
84—87
12—13
Газ
75
25
Из табл. 2 видно, что нефть значительно богаче водородом;
следовательно, выход углеводородов из нефти выше. Таким образом, нефть является более ценным сырьем для химической переработки, и в связи с ограниченными запасами нефти большое
значение приобретает исследование путей ее наиболее рациональной переработки1. Например, предположим, что открыто
новое месторождение нефти, сразу же возникает проблема ее переработки. Что можно получать из этой нефти? Топлива, или
масла, или то и другое? Представляет ли эта нефть интерес как
источник углеводородов — сырья для химической переработки?
Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо детальное исследование химического состава нефти с применением современных методов физико-химического анализа. Таким образом, изучение состава нефтей является одной из важнейших задач химии нефти.
В разработке научных основ исследования нефтей выдающаяся роль принадлежит трудам российских и советских ученых:
Ф. Ф. Бейльштейна, Д. И. Менделеева, А. А. Курбатова, В. В. Марковникова,
М. И. Коновалова,
Л. В. Гурвича
—
по
изучению
химического
состава
кавказских
нефтей;
С. С. Наметкина,
А. В. Топчиева, Ал. А. Петрова, А. Ф. Добрянского, П. И. Санина — по исследованию состава ряда нефтей и природных газов
нашей страны; А. М. Бутлерова, В. Н. Ипатьева, Н. Д. Зелинского, С. С. Наметкина, Б. А. Казанского, А. Ф. Платэ — в области
каталитических
превращений
углеводородов.
Существенный
1 Важное значение имеет также решение проблемы уменьшения потерь нефти при транспортировке; эти потери составляют около 2 % в
год от мировой добычи нефти (Экология. 1999. 19—20 окт.).

Вводная часть
вклад в развитие химии углеводородов нефти внесли работы зарубежных исследователей. Это прежде всего работы немецкого
химика К. Шорлеммера по исследованию алканов нефтей, ученых Американского нефтяного института: Э. Вошборна, Ф. Россини, Б. Мейра, А. Стрейфа, а также исследования Г. Вотермана,
К. ван Неса и Х. ван Вестена.
Рассмотрим теперь кратко понятие о нефти как природном
объекте. Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и органических соединений серы, азота, кислорода. Это
маслянистая жидкость, обычно темно-бурого цвета, хотя встречаются нефти и светлые. Относительные плотности нефтей колеблются обычно между 0,8 и 0,9, а молекулярная масса в пределах 200—300. Нефть обычно залегает в пористых породах —
песках, песчаниках, известняках (коллекторы). Часто в нефтяном месторождении вода и большие количества газа сопутствуют нефти (рис. 2).
Рис. 2. Схема нефтяного месторождения
Вода, имеющая бîльшую плотность, чем нефть, занимает в
нефтяном месторождении нижнюю часть, а газ — верхнюю.
Нефть обычно залегает на больших глубинах — от 2 до 5 км, иногда и на бoльшей глубине, и вследствие этого она находится в довольно жестких условиях. Температура в пласте может достигать
больших значений — 200 °C и более. Давление в нефтяном пласте
зависит от глубины залегания и температуры (упругость паров углеводородов); оно обычно составляет 10,0—15,0 МПа, но может
достигать и более высоких значений.
В газовых месторождениях значения температуры и давления
также высоки. В некоторых газовых месторождениях с высокими
давлением и температурой (20,0—40,0 МПа и 100—200 °C), соответствующими надкритической области, в газе может содержаться значительное количество углеводородов, являющихся жидки