Какие компоненты содержатся в сырой нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ

Crude Oil Characteristics

Что такое сырая нефть? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно прежде всего сказать, чем она не является. Нефть — не индивидуальное химическое соединение, а смесь соединений. Наиболее интересное свойство, характеризующее поведение нефти, проявляется при нагревании. Если нагреть нефть до температуры кипения и выдерживать ее в этом состоянии, она полностью не испарится.

What is crude oil anyway? The best way to describe it is to start by saying what it is not and how it doesn’t behave. It is not a single chemical compound—it is a mixture of chemical compounds. The most important of its behavioral characteristics happens as it heats up. When you raise it to its boiling temperature and hold it there, it will not totally evaporate.

Для сравнения рассмотрим воду. Нагреем сосуд с водой до 100°С (212°Р) и сохраним подогрев. Что произойдет? Вода начнет кипеть и постепенно испаряться, и в конце концов, если продолжать нагревание — она вся выкипит.

Contrast that with water to make a point. Take the pot of water in Figure 2-1 and heat it to 212°F and keep the heat on. What happens? The water starts to boil—it vaporizes or flashes. Eventually, if you keep the heat on, all the water will boil off.

Если бы в сосуде с водой был термометр, Вы бы обнаружили, что перед испарением последней порции воды температура все еще остается на уровне 100°С. Так получилось, потому что химическое соединение Н2О кипит именно при этой температуре. При атмосферном давлении температура кипения воды — 100°С, не больше и не меньше.

If you had a thermometer in the pot, you would notice that the temperature of the water just before the last bit boiled off would still be 212°F. That’s because the chemical compound H2O boils at 212°F. At atmospheric pressure, it boils at no more, no less.

Состав сырой нефти

Crude Oil Composition

Вернемся к нефти. В отличие от воды, это не одно химическое соединение, а смесь нескольких тысяч разных соединений. Некоторые из них очень простые, например, CH4 (метан); а некоторые — сложные, как, например, С85Н60.Формулы СН4 и С85Н60 — это шифры (брутто-формулы) определенных химических соединений, понятные для химика.

Now back to crude oil. Unlike water, crude is not one chemical compound but thousands of different compounds. Some are as simple as CH4 (methane), some are as complex as C35H60CH4 and C35H50 are the chemist’s shorthand for individual chemical compounds.

Более подробно мы обсудим этот вопрос позднее (чтобы не увязнуть раньше времени). Большинство веществ, входящих в состав нефти, — это определенные комбинации атомов углерода и водорода, которые называются углеводородами. Важно, что каждое из этих соединений характеризуется своей собственной температурой кипения, и в этом заключается самое полезное и наиболее широко используемое в нефтеперерабатывающей промышленности физическое свойство нефти.

No need to get bogged down about that right now. They are all combinations of hydrogen and carbon atoms, called hydrocarbons. The important characteristic, at this moment, is that each of these compounds has its own boiling temperature, and therein lies the most useful and used physical phenomenon in the petroleum industry.

Кривые разгонки

Distillation Curves

Чтобы все стало понятно, возьмем тот же сосуд и заполним его сырой нефтью средней плотности. Затем поднесем к нему горелку и начнем нагревать нефть. Когда температура достигнет 65°С (150°Р), сырая нефть закипит. Теперь мы продолжим нагревание, так чтобы температура оставалась на этом уровне. Через некоторое время мы заметим, что нефть перестала кипеть.

To understand a distillation curve, take the same pot and fill it with a typical crude oil. Put the flame to it and heat it up. As the temperature reaches 150°F, the crude oil will start to boil, as in Figure 2-2. Now keep enough flame under the pot to maintain the temperature at 150°F. After a while, the crude stops boiling.

Следующий шаг состоит в том, чтобы прибавить пламя горелки и нагреть нашу нефть приблизительно до 230°С. Она снова начнет кипеть, а через некоторое время опять перестанет.

For step two, raise the flame and heat the crude to 450°F. Again the crude starts boiling and after a while stops.

Такие шаги можно повторять снова и снова, и все меньше нефти будет оставаться в сосуде. Возможно, Вы уже поняли, что происходит. На первой стадии испарились соединения с температурами кипения ниже 65°С (150°Р); те, что кипят в интервале от 65 до 230°С (450°Р), испарились на второй стадии, и так далее.

You could repeat the steps on and on—more and more crude would boil off. What is happening? The compounds that boil below 150°F vaporized in the first step, the compounds that boil at temperatures between 150°F and 450°F vaporized in the second step, and so on.

Таким образом мы получили так называемую кривую разгонки нефти. Это график, на одной оси которого откладывается температура, а на другой — общий объемный процент выкипевшей нефти. Каждый вид сырой нефти характеризуется своей собственной уникальной кривой разгонки, которая помогает определить, какие химические соединения содержит данная нефть.

What you are developing is called a distillation curve, a plot of temperature on one scale and the percent evaporated on the other, as in Figure 2-3. Each type of crude oil has a unique distillation curve that helps characterize what kinds of hydrocarbons are in that crude.

Как правило, чем больше атомов углерода в соединении, тем выше его температура кипения, как показывает следующий пример:

Generally the more carbon atoms in the compound, the higher the boiling temperature, as shown in the examples below:

Фракции

Fractions

Для дальнейшего обсуждения характеристик сырой нефти будет полезно собрать определенные соединения в группы, называемые фракциями.

To further specify the character of crude oil, the refiners have found it useful to lump certain compounds into groups called fractions.

Фракция (или погон) объединяет все соединения, которые кипят между какими-либо двумя температурами, а эти температуры называют границами кипения фракции или пределами выкипания.

Fractions or cuts are the generic names for all compounds that boil between two given temperatures, called cut points.

Обычно сырая нефть содержит следующие фракции

The typical crude oil has the following fractions:

Важно отметить, что различные нефти сильно различаются по составу. В легких нефтях обычно больше бензина, нафты и керосина, а в тяжелых — газойля и мазута. Возможно, Вы уже пришли к выводу, что вес и температура кипения соединения взаимосвязаны. Это и в самом деле так. В целом, чем тяжелей.соединение, тем выше его температура кипения. И наоборот, чем выше границы кипения фракции, тем тяжелее фракция.

It is important to note that crude oil compositions vary widely. The light crudes tend to have more gasoline, naphtha, and kerosene; the heavy crudes tend to have more gas oil and residue. You might have noticed this from the relationship between the weight of the compounds and the temperature at which they boil. Generally the more carbons, the heavier the compound and the higher the boiling temperature. Conversely, the lower the carbon count, the lighter the fraction and the lower the cut points.

Фракционирование сырой нефти

Cutting Crudes

Чтобы собрать воедино все сказанное выше по поводу кривых разгонки, будет полезно проделать некоторые арифметические действия. Возьмем кривые для двух сырых нефтей, показанные на рисунке 2.5, и определим на основании стадий разгонки, в какой из этих нефтей выше содержание керосиновой фракции (больший керосиновый погон).

To pull together all this information on distillation curves, follow this quick arithmetic manipulation. Take the curves for the two crudes in Figure 2-5 and run through the steps to determine which crude has higher kerosene content—a bigger kerosene cut.

Керосин кипит в интервале 160—230°С (315—450°Р). Используя рисунок 2.5, проделаем следующие операции:

Kerosene has a boiling temperature range from 315°F to 450°F. Using Figure 2-5, complete the following steps:

1. Для более тяжелой нефти начнем от точки 160°С (315°Р) на оси ординат и будем двигаться вправо до пересечения с кривой разгонки. Точку пересечения обозначим точка А. Точка А соответствует 26% на оси абсцисс.

1. For the heavy crude—the curve that starts off lower because it has less light hydrocarbons in it—start from the vertical axis at 315°F and intersect the distillation curve, going right to point A. Point A is at 26% on the horizontal axis

2. Теперь начнем от 230°С (450°Р) и будем двигаться вправо до пересечения с той же самой кривой, получив таким образом точку В. Она отвечает 42% на оси абсцисс.

2. Now start at 450°F and intersect the same distillation curve, going right, at point B, which is 42% on the horizontal axis

3. Рассчитаем изменение объемной доли от исходной до конечной точки кипения керосина, что составляет 42 — 26 = 16%. Таким образом, более тяжелая нефть содержит 16% керосина.

3. Calculate the cumulative volume percentage from the initial boiling point (IBP) of the kerosene to the end point (EP):
42 — 26 = 16%. The heavy crude contains 16% kerosene

4. А теперь те же самые операции проделаем для легкой нефти и найдем 66,5 — 48,5 = 18%.

4. Now do the same procedure for the light crude and find that 66.5 — 48.5 = 18%

Значит, легкая нефть содержит больше керосина, чем тяжелая.

Therefore the light crude has more kerosene in it than the heavy crude.

Плотность

Gravities

Плотность характеризует массу соединения. Химики постоянно используют величину, называемую относительной плотностью, которая является отношением масс неизвестного вещества и хорошо известного, например воды.

Gravities measure the weight of a compound, another important characteristic. Chemists always use a measure called specific gravity that relates everything to something universally familiar—water.

Относительная плотность вещества — это масса некоторого объема этого вещества, деленная на массу того же объема воды.

The specific gravity of any compound is equal to the weight of some volume of that compound divided by the weight of the same volume of water.

Похоже, химический подход показался технологам слишком примитивным. Действительно, в нефтеперерабатывающей промышленности наиболее широко используется такая хитрая величина, как API(плотность, выраженная в единицах Американского института нефти). По какой-то давно забытой причине, плотность АР1, которая измеряется в градусах, находят по следующей формуле:

The chemists’ approach must have been too simple for the petroleum engineers because the popular measure of gravity in the oil industry is a diabolical measure from the American Petroleum’ Institute (API) called API gravity. This measure is right near the head of the list of measurements with long-forgotten logic. The top of the list is, of course, the Fahrenheit scale for temperature. Really, what was Gabriel Fahrenheit thinking when he set the freezing temperature of water at 32° and boiling temperature at 212°? Why not something easy to remember like 0° and 100° centigrade? For some reason, the formula for API gravity, which is measured in degrees, but has nothing to do with temperature (or angles), is:

Если эти формулы повертеть так и сяк, то обнаружатся некоторые факты и зависимости, на которые можно мысленно опереться, обдумывая введенные понятия.

If you play with the formula a little bit, you’ll find the following relationships, which might be the mental hooks on which you can hang the concepts:

1. Для воды относительная плотность равна 1, а API= 10°.

1. Water has a specific gravity of 1 and an API gravity of 10°

2. Чем больше величина плотности в °АР1, тем легче соединение.

2. The higher the API gravity, the lighter the compound, as shown in Figure 2-6

Common knowledge says oil floats on water. The sheen you might have seen from a boat or dock results from oil not dissolving in water and being at an API gravity above 10°. Not all oil weighs that little. Industry lore has stories of barge operators who assumed that all oils are lighter than water. To their horror as they filled their barge with heavy fuel oil, it sank before their eyes. After the fact, they learned they were loading 9° API fuel oil.

3. Для относительной плотности все наоборот. Ниже приведены примеры типичных величин плотности:

Содержание серы

Sulfur Content

Теперь уместно обсудить еще один параметр, по которому могут различаться сырые нефти, а именно содержание серы. Природа наделила сырую нефть таким неудобным свойством, как переменное количество серы в зависимости от типа нефти. Еще более усложняет ситуацию то обстоятельство, что сера содержится не в виде элементной серы, а в виде соединений. Это означает, что она химически связана с молекулой какого-нибудь углеводорода, так что соединения такого типа не так легко отделить от соединений, состоящих только из углерода и водорода.

One more excursion on the subject of crude oil is appropriate at this point—a discussion of the sulfur content in crude oil. One annoying aspect nature endowed on crude oils is the differing amounts of sulfur content in various types of crude oil. To complicate this bequest, the sulfur is not in the form of elemental sulfur—a chemical all by itself—but is usually a sulfur compound. It is chemically bonded to some of the more complicated hydrocarbon molecules so that it is not easily separated from the pure carbon compounds, i.e., not until it is burned.

It will then form one of several smelly or otherwise environmentally objectionable sulfur/oxygen or sulfur/ something compounds. So sulfur removal before hydrocarbons get to the burner tip remains a big issue for refiners today and will be the subject of more words later on.

Americans generally spell sulfur with an f, while the Brithish use a ph. Both are acceptable, but as usual the Yanks are more efficient.

Когда обсуждают сырые нефти с различным содержанием серы, их обычно подразделяют на «сладкие» и «кислые». Эта классификация, которая на первый взгляд кажется необычной и несколько восточной, на самом деле имеет гораздо большее отношение к вкусу, чем Вы могли бы подумать.

The parlance in discussing crude oils of varying sulfur content is to categorize them into sweet crudes and sour crudes. This quaint, faintly oriental designation of sweet and sour has more to do with taste than you might think.

Давным-давно, когда добыча нефти в Пенсильвании только начиналась, нефть использовалась в качестве лампового масла для освещения помещений вместо китового жира. Если керосиновая фракция содержала слишком много серы, то ее сгорание сопровождалось отвратительным запахом. На нефтяных месторождениях Пенсильвании керосин пробовали на вкус, чтобы^ узнать, пригоден ли он для отправки на рынки Нью-Йорка и Филадельфии. Если керосин оказывался сладким, его признавали годным, а если кислым — то считался негодным.

In the early days of Pennsylvania crude oil production, petroleum was primarily sought to make kerosene as a substitute for the whale oil used as lamp oil for indoor lighting. If a kerosene fraction had too much sulfur, it would have an unacceptable smell when it burned. In addition, the sulfur would accelerate the rate at which silver would tarnish—clearly a bad thing to have in the house.

Somewhere along the line, someone discovered that kerosene with higher sulfur content had a more sour taste and that with a low sulfur content had a sweeter taste. Over a time long enough for the designation to become permanent, tasting was generally the acceptable method for determining which crudes would make good lamp oil.

По принятой в настоящее время классификации «сладкие» (малосернистые) нефти содержат не более 0,5 мас.% серы, а кислые (сернистые) — не менее 2,5 мас.%. Нефти с промежуточным содержанием серы иногда называют «среднесладкими» или «среднекислыми», но граница между этими категориями четко не обозначена. Что для одного сладко, для другого может быть кисло — а на вкус нефть больше не пробуют.

Today, sweet crudes typically have 0.5% sulfur content or less, sour 1.5% or more. The area in between is sometimes called intermediate sweet or intermediate sour, but the distinction is not clear. What may be sweet to some may be sour to others, now that refiners have no more tasters around.

Typical sweet crudes are West Texas Intermediate (the popular, traded crude on the New York Mercantile Exchange), most Louisiana and Oklahoma crudes, North Sea, and Nigerian crudes.
Sour crudes include Alaska North Slope, Venezuelan, and West Texas Sour from fields like Yates and Wasson.
Intermediate crudes include California Heavy, such as from the San Joaquin Valley and many of the Middle East crudes.

Измерение объема сырой нефти

Volumes

Разработка нефтяных месторождений в Пенсильвании положила начало еще одной договоренности. На первых порах нефть доставляли на рынок в вагонах или на железнодорожных платформах в 50-галлонных винных бочках (1 галлон США равен 3,785 л). Чтобы учесть потери во время транспортировки, в пункте назначения оплачивалось только 42 галлона. Оплата и теперь производится из того же расчета. Производители вскоре догадались столько нефти и отправлять.

One other convention grew out of the Pennsylvania oil fields, according to oil patch lore. Oil was initially shipped to market by horse-drawn wagon or flatcar in used 46,48, and 50 gallon (gal) wine barrels. Refiners insisted on allowing for spillage and leakage after producers hauled it across not-so-great roads from the oil fields to the refineries.They paid on the basis of 42 gals, which became the «oil barrel.»

В настоящее время для измерения количества нефти сложилось два стандарта. В США, где транспортировка сначала осуществлялась по железной дороге в бочках или в цистернах, а впоследствии — по нефтепроводу, проще всего было измерять нефть по объему. В других странах, преимущественно в Европе, нефть в основном транспортировали по морю. В этом случае более удобно определять вес (водоизмещение).

Transportation in the US was primarily by wagon, train, and eventually truck and pipeline. Measuring the volume made sense. In the rest of the world, particularly in Europe, the industry moved oil by seagoing vessels.

That required calculating the weight of the cargo to assure the load would not exceed the displacement of the ship. King Henry VIII found out the mechanics of displacement when he overloaded his flagship, the Mary Rose, with cannon and troops, and watched it sink off Portsmouth Harbor as it set off to battle the French in 1545.

В результате, в США коммерческие операции с нефтью производятся в баррелях (1 нефтяной баррель равен 159 л), а в Европе чаще в тоннах.

In Europe and Asia, weight usually measured in tonnes (2240 US gals) became the maritime standard by which oil was bought, sold, and transported.

Curiously enough, gasoline at the retail pump has always been sold everywhere by volume, in gallons or liters, more because of the meters than anything else.