Анализ нефти и нефтепродуктов

Ю. Г. Кирсанов, М. Г. Шишов, А. П. Коняева

АНАЛИЗ НЕФТИ
И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Рекомендовано методическим советом УрФУ
в качестве учебно-методического пособия для студентов,
обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры
по направлению подготовки 18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

2-е издание, стереотипное

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

УДК 665.6/.7(07)
ББК  35.514я7
 К435

В учебно-методическом пособии дана характеристика некоторых основных показателей, применяемых при контроле качества нефти, моторных топлив и смазочных масел в соответствии с действующими стандартами. Приведены методики анализа отдельных показателей. В описаниях лабораторных
работ изложены теоретические сведения и сущность каждого метода, показаны средства измерений и реактивы, лабораторные установки, дан ход выполнения работы.
Для студентов, осваивающих дисциплину «Технология переработки нефтегазового сырья».

Кирсанов, Ю. Г.
      Анализ нефти и нефтепродуктов [Электронный ресурс]: 
[учеб.-метод. пособие] / Ю. Г. Кирсанов, М. Г. Шишов, А. П. 
Коняева ; [науч. ред. О. А. Белоусова] ; М-во образования и 
науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. — 2-е изд., стер. — 
М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. ун-та, 2017. — 88 с.

ISBN 978-5-9765-3126-0 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1675-5 (Изд-во Урал. ун-та)

К435

© Уральский федеральный университет, 2016

Рецензенты:
О.  Ф.  С и д о р о в,  доктор технических наук,
заведующий лабораторией технологии новых процессов
Восточного научно-исследовательского углехимического института;
Е.  Б.  С ы с у е в,  кандидат фармацевтических наук,
руководитель Испытательного центра «УРАЛТЕСТ-ЭКСПЕРТИЗА»

Научный редактор
О.  А.  Б е л о у с о в а,  кандидат технических наук,
доцент кафедры химической технологии топлива
и промышленной экологии УрФУ

УДК  665.6/.7(07)
ББК  35.514я7

ISBN 978-5-9765-3126-0 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1675-5 (Изд-во Урал. ун-та)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................. 4

1.  Фракционный состав нефти и нефтепродуктов .............................. 6

Простая дистилляция ............................................................................. 7
Определение фракционного состава автоматическим анализатором   9
Непрерывная простая дистилляция .................................................... 10
Дистилляция с дефлегмацией .............................................................. 11
Ректификация ........................................................................................ 13
Фракционный состав моторных топлив .............................................. 16
Лабораторная работа 1
Определение фракционного состава нефти и нефтепродуктов ....... 18

2.  Плотность нефти и нефтепродуктов ................................................ 24

Плотность как показатель свойств нефти и нефтепродуктов ........... 24
Лабораторная работа 2
Определение плотности нефтяных фракций и нефтепродуктов ....... 27

3.  Вязкость нефти и нефтепродуктов .................................................. 30

Вязкость, характеристика видов вязкости и ее значение
для оценки качества нефтепродуктов ................................................. 30
Лабораторная работа 3
Определение кинематической вязкости нефтепродуктов ................. 33

4.  Средняя температура кипения нефтяных фракций .................... 37

Характеристические точки кипения нефтяных фракций ................... 37
Графическое определение температур кипения ................................ 38
Лабораторная работа 4
Определение средних температур кипения нефтяных фракций ....... 41

5.  Вода в нефти и нефтепродуктах ...................................................... 46

Значение обезвоживания и обессоливания нефти
на промыслах и предприятии .............................................................. 46
Лабораторная работа 5
Определение содержания воды в нефтепродуктах ............................ 50

6.  Температура вспышки и температура воспламенения
       нефтепродуктов .................................................................................... 53

Взрыво- и пожароопасные свойства нефтепродуктов ...................... 53
Лабораторная работа 6
Определение температуры вспышки и температуры
воспламенения нефтепродуктов .......................................................... 57

Определение температуры вспышки в закрытом тигле ............... 57
Определение температуры вспышки в открытом тигле .............. 61

7.  Непредельные соединения в нефтепродуктах ............................... 68

Непредельные углеводороды и их влияние
на качество моторного топлива ........................................................... 68
Лабораторная работа 7
Определение содержания непредельных углеводородов
в нефтепродуктах ................................................................................. 70

8.  Нефтяные битумы .............................................................................. 74

Технические свойства битумов ........................................................... 74
Классификация битумов ...................................................................... 76
Лабораторная работа 8
Определение температуры размягчения битумов и нефтяных пеков   78

9.  Групповой химический состав битумов ......................................... 81

Характеристика группового состава битумов .................................... 81
Лабораторная работа 9
Определение содержания веществ,
не растворимых в толуоле, пеках и битумах ...................................... 82

Список библиографических ссылок ......................................................... 85

Список рекомендованной литературы ..................................................... 87

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Технология переработки нефтегазового сырья»

предусматривает изучение основных технологических процессов
переработки нефти и газообразных углеводородов с целью максимального выхода моторных топлив, масел и сырья для нефтехимических производств, соответствующих нормативным показателям их качества.

В учебно-методическом пособии ставится задача формирова
ния у студентов четких представлений о тесной связи физико-химических и эксплуатационных свойств топлив, масел и других нефтепродуктов со свойствами исходного сырья и методами его переработки. В пособии дана характеристика физико-химических свойств
нефти и нефтепродуктов и их тесной связи с эксплуатационными
показателями.

Практическое освоение методик лабораторного контроля основ
ных физико-химических показателей нефти, моторных топлив и
других нефтепродуктов способствует углублению теоретических
знаний студентов по изучаемым дисциплинам, необходимых при проведении научных исследований, инженерных расчетов, проектирования технологических процессов переработки, транспортировки, хранения нефти и нефтепродуктов, проведении расчетов с потребителями.

Каждая лабораторная работа содержит необходимые теорети
ческие сведения, цель работы, сущность метода, необходимые средства измерений и реактивы, описание лабораторной установки и ход
выполнения работы, контрольные вопросы.

1. ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ

НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Выбор направления переработки нефти основан на определе
нии ее фракционного состава. Для топлива также нормируется
фракционный состав, который характеризует один из важнейших
его показателей – испаряемость.

Под процессом фракционирования понимается разделение

многокомпонентных смесей, к которым относится нефть и нефтепродукты. Фракционный состав оценивается объемным или массовым выходом отдельных фракций, выкипающих в определенных
температурных интервалах или до определенной температуры.

В основе всех методов определения фракционного состава

нефти лежит дистилляция – физический метод разделения сложной смеси углеводородов нефти на отдельные фракции с различными температурными интервалами кипения путем испарения
нефти и последующей дробной конденсацией образовавшихся паров [см.: 1, 2].

В зависимости от числа ступеней конденсации паров различа
ют три варианта дистилляции нефти:

– простая дистилляция (перегонка) – образующиеся при ис
парении нефти пары полностью конденсируют;

– дистилляция с дефлегмацией – из образовавшихся при испа
рении нефти паров конденсируют часть высококипящих фракций,
возвращая их в виде жидкой флегмы в кипящую нефть, а оставшиеся пары, обогащенные низкокипящими компонентами, полностью
конденсируют;

– ректификация – дистилляция с многократно повторяющей
ся дефлегмацией паров и одновременным испарением низкокипящих компонентов из образующейся флегмы, чем достигают максимальной концентрации низкокипящих фракций в парах перед их
полной конденсацией.

Эти три варианта дистилляции нефти положены в основу боль
шинства лабораторных методов определения ее фракционного состава и нефтепродуктов, причем в первом из них достигается наименьшая четкость выделения фракции из кипящей нефти, а в последнем – наибольшая. Данные методы могут быть периодическими
и непрерывными [см.: 1].

Простая дистилляция

Методы простой дистилляции могут быть периодическими

и непрерывными [см.: 1]. Метод периодической дистилляции, как
наиболее простой, стандартизирован практически во всех странах,
в том числе в России, что позволяет иметь сопоставимые результаты при определении фракционного состава нефти и продуктов
ее переработки независимо от страны и места его проведения.

Сущность метода заключается в перегонке 100 см3 испытуемого

образца и проведении постоянных наблюдений за показаниями
термометра и объемами конденсата.

В процессе дистилляции нефти фиксируют температуру па
ров t термометром и объем жидкости V в приемнике в следующие
моменты:

– в момент падения первой капли в приемник (температура на
чала кипения – tнк), когда V = 0;

– когда объем жидкости в приемнике составляет 10 мл, 20 мл,

30 мл и т. д. до 90 мл (V10, V20, V30 и т. д. до V90) фиксируют t10, t20, t30
и т. д. до t90;

– когда температура по термометру достигнет максимума (пос
ле t90) и начнет снижаться – температура конца кипения (tкк). После этого нагрев колбы прекращают и через некоторое время фиксируют общий выход фракций в мл – Vк.

Результаты измерений представляют в виде таблицы или на гра
фике в виде кривой фракционного состава 1 (рис. 1.1). На оси абсцисс откладывают выход фракций в % (об.): 0, 10, 20, 30 и т. д.
до 90 % (об.), а по оси ординат – значения температуры tнк, t10 и т. д.

Этим методом состав нефти может быть определен в интерва
ле температур от начала кипения (обычно 30–35 °С) до температуры кипения не выше 320–340 °С, поскольку при атмосферном давлении более высококипящие углеводороды нефти подвергаются
термической деструкции и нарушается природный химический состав нефти.

Фракционный состав тяжелой (высококипящей) части нефти

(выше 320–340 °С) определяют при пониженных давлениях, чтобы выкипание тяжелых фракций шло не выше 340–350 °С. Далее
делают пересчет температур на нормальное атмосферное давление
(101,1 кПа).

tкк

t90

t80

t70
t60
t50
t40
t30
t20

t10

tнк

4
3

1

2

4

1

2

3

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100

Выход, %

Температура, °С

Рис. 1.1. Кривые фракционного состава нефти [1, рис. 2.4]:

1 – простая перегонка; 2 – однократное испарение; 3 – дистилляция с дефлегма
цией; 4 – ректификация (кривая ИТК); выход в % об. – 1; в % мас. – 2, 3, 4

В условиях промышленной перегонки нефти отбирают фрак
ции со следующими температурными пределами выкипания:

– бензиновая фракция (от начала кипения до 180 °С) содержит

смесь легких парафиновых (C5 – C9), ароматических и нафтеновых
углеводородов;

– керосиновая фракция (180–270 °С) содержит углеводороды

C10 – C15, используется в качестве компонента моторного топлива
для реактивных и дизельных двигателей, для бытовых нужд (осветительный керосин);

– дизельная фракция (270–350 °С) содержит углеводороды C16 –

C20 и может быть использована в качестве компонента дизельного
топлива;

– мазут – нефтяной остаток (выше 350 °С) содержит парафины

и церезины, асфальто-смолистые вещества.

При разгонке мазута под вакуумом отбирают газойлевую фрак
цию (350–500 °С) или узкие фракции (в интервале температур 350–
600 °С) для получения масел. Остаточный продукт вакуумной разгонки – гудрон.

Определение фракционного состава

автоматическим анализатором

ГОСТ 2177-99 (Прил. А) допускает определение фракционно
го состава нефти и нефтепродуктов при помощи автоматического
аппарата [см.: 3].

Прибор для автоматической перегонки контролирует испыта
ние 100 см3 испытуемого продукта в соответствии с условиями, соответствующими его природе и условиям перегонки при ручном
методе. Таким прибором может служить, например, автоматический анализатор фракционного состава нефти и нефтепродуктов
при атмосферном давлении PAC OptiDist [4].

Прибор PAC OptiDist позволяет производить анализ фракцион
ного состава любых групп нефтепродуктов полностью в автоматическом режиме.

При этом оператор обязан осуществлять следующие действия:
– наполнить мерный цилиндр продуктом;
– перелить его в колбу для разгонки;
– установить колбу и цилиндр в соответствующие отделения;
– указать группу разгонки;
– запустить анализ со встроенного компьютера.
В дальнейшем в процессе анализа оператор должен осуществ
лять контроль:

– температуры нагревателя;
– времени до начала кипения;
– температуры первой капли (начало кипения);
– скорости разгонки;
– температуры паров;
– конца кипения по падению температуры паров или датчику

последней капли. Контроль в данном случае осуществляется прибором под управлением встроенного микропроцессора и специализированного программного обеспечения полностью в автоматическом режиме, в соответствии с требованиями выбранного стандарта и параметров анализа.

После завершения перегонки прибор автоматически выклю
чается.

Результатом разгонки являются показания термометра (датчи
ка температуры) при указанном проценте отгона или проценте отгона (объем конденсата) при заданном показании термометра.

Показания термометра должны быть с учетом поправок на по
грешность термометра и на барометрическое давление.

Перегонку нефти ведут до 300 °С. При этом фиксируют темпе
ратуру начала кипения и объемы конденсатов при 100, 120, 150,
160 °С и далее через каждые 20 °С до 300 °С.

Непрерывная простая дистилляция

При периодической перегонке содержимое перегонного аппара
та частично или полностью отгоняется. Процесс сопровождается

непрерывным изменением состава паровой и жидкой фаз, а также
температуры отбора паров.

В случае использования непрерывной перегонки изучаемый

продукт непрерывно вводят в перегонный аппарат. При этом обычно разделение паровой и жидкой фаз происходит однократно, поэтому такой процесс называется однократной перегонкой, или однократным испарением (ОИ).

Выход паровой фазы (доля отгона) определяют при темпера
турах t1, t2, t3, t4 и т. д., определяя при этом значения выхода фракций (кривая 2 на рис 1.1).

Кривая ОИ всегда более пологая, чем кривая фракционного

состава, полученная простой перегонкой из колбы, и пересекает
ее вблизи точки 50 % (на несколько градусов выше или ниже). Это
связано с тем, что в данном случае в паровую фазу переходит одновременно большее число углеводородов, чем при постепенном
испарении из колбы. Поэтому температура паров при малой доле
их отгона при ОИ фиксируется большей, чем по кривой 1. Соответственно при выходе более 50 % температура паров ниже, чем
при перегонке из колбы, где испаряется более концентрированный
по высококипящим углеводородам остаток.

Таким образом, при ОИ имеет место менее четкое распределе
ние углеводородов между паровой и жидкой фазами, чем при таком
же выходе паровой фазы при простой перегонке из колбы. Об этом
свидетельствует также наклон кривой к оси абсцисс: чем он больше, тем более четко разделяются углеводороды при дистилляции.

Дистилляция с дефлегмацией

В отличие от простой перегонки при дистилляции с дефлегма
цией (рис. 1.2) пары из отгонной колбы 1 до выхода их на конденсацию проходят охлаждаемый участок (дефлегматор), где в первую очередь частично конденсируются высококипящие углеводороды, и образовавшаяся жидкость (флегма) II стекает обратно
в колбу. За счет этого покидающие колбу пары III обогащаются

легкокипящими компонентами, что повышает четкость разделения
углеводородов при таком способе дистилляции.

Методика дистилляции и интерпретация ее результатов анало
гичны рассмотренным для простой перегонки, однако получаемая
кривая фракционного состава будет иметь несколько больший наклон по сравнению с кривой, полученной простой перегонкой (кривая 3 на рис. 1.1).

Четкость разделения зависит от доли сконденсировавшихся

паров в дефлегматоре (от высоты дефлегматора), чем она больше,
тем больше обогащение паров легкокипящими компонентами.

Рис. 1.2. Схема установки с дефлегматором (а)

и принцип его работы (б) [1, рис. 2.9]:

1 – колба; 2 – дефлегматор; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – мерный приемник;
6 – нагреватель; 7 – штатив; I – поток выкипающих паров; II – сконденсированная

флегма; III – поток пара на конденсацию

1

1

2

3

4

5

6

7

4

4

II
I

III

a

б