Химия нефти и газа

ХИМИЯ НЕФТИ И ГАЗА

В.Д. РЯБОВ

3-е издание, исправленное и дополненное

Москва
ИНФРА-М

2021

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 

профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов 

высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 

21.03.01 «Нефтегазовое дело» (квалификация (степень) «бакалавр») 

(протокол № 1 от 20.01.2021)

УДК 665.6(075.8)
ББК 35.514я73
 
Р98

Р е ц е н з е н т ы:

Р.З. Магарил, профессор;
О.П. Паренаго, профессор

ISBN 978-5-16-015106-9 (print)
ISBN 978-5-16-107610-1 (online)

© Рябов В.Д., 2009, 2014
© Рябов В.Д., 2021, с изменениями

Рябов В.Д.

Р98 
 
Химия нефти и газа : учебное пособие / В.Д. Рябов. — 3-е изд., испр. 

и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2021. — 311 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат). — DOI 10.12737/1017513.

ISBN 978-5-16-015106-9 (print)
ISBN 978-5-16-107610-1 (online)
В учебном пособии приведены современные данные о составе и свой
ствах углеводородов и других соединений нефти и газа, о физико-химических способах и методах разделения и идентификации компонентов нефти 
(молекулярная спектроскопия, масс-спектрометрия, спектроскопия ЯМР, 
электронного парамагнитного резонанса, атомно-адсорбционная спектроскопия, нейтронно-активационный анализ). Рассмотрены химизм и механизм термических и каталитических превращений компонентов нефти 
в основных процессах переработки нефтяного сырья, а также проблемы 
происхождения нефти и превращения нефти в окружающей среде.

Соответствует требованиям федеральных государственных образова
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.

Предназначено для обучения по курсу «Химия нефти и газа», для под
готовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов по направлению подготовки «Нефтегазовое дело». Может быть использовано 
для обучения по другим направлениям в вузах нефтегазового профиля 
и представлять интерес для специалистов, работающих в области химии 
и технологии переработки нефти и в других сферах нефтяной и газовой 
промышленности.

УДК 665.6(075.8)

ББК 35.514я73

Предисловие к третьему изданию

Третье издание учебного пособия «Химия нефти и газа» исправлено и дополнено современными данными о составе углеводородов 
нефти, их анализе и о гидрогенизационных процессах переработки 
углеводородного сырья.
В главу 1 внесены дополнения, касающиеся высокоэффективной 
жидкостной хроматографии.
Также в пособие включены данные работ в области изучения 
олефинов нефтей месторождений России, в частности, исследований лаборатории химии нефти Института нефтехимического 
синтеза Российской академии наук.
Материал дополнен современными данными о процессах гидрогенизационной переработки нефтяных продуктов с высоким содержанием ароматических углеводородов и гидродепарафинизации 
дизельных фракций нефти.
В результате освоения материала студенты:
 
• преобретут знания о химии нефти и газа;
 
• научатся обобщать результаты научных исследований;
 
• овладеют современными методами исследований состава неф тей 
и газов.
Автор приносит извинение читателям за то, что в некоторых 
ссылках на печатные издания, приведенных в книге, отсутствуют 
названия статей.

Предисловие

Химия нефти как наука начала 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 имени 
И.М. Губкина. С 1930 г. преподавание данной дисциплины было 
начато А.Ф. Добрянским в Ленинградском технологическом институте имени ЛенСовета. 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 вопросами не только изучения химического состава нефтей, 
свойств углеводородов и других компонентов нефти, но и первичной, термокаталитической, химической переработки нефти, 
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» (1933 г.) и «Технология нефтехимического синтеза» 
(1960-е 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.
Исследование химического состава нефтей, нефтепродуктов, 
газоконденсатов и газов с помощью современных физико-химических методов анализа.
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, их способности 
к межмолекуляр ным взаимодействиям и фазовым переходам 
и свойствам нефтепро дуктов.

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) точки зрения.
Исследование проблемы происхождения нефти.
Соответствует указанной науке содержание курса «Химия 
нефти и газа» как учебной дисциплины. На рис. П1 приведены 
логическая схема и структура данного курса и его связь с другими 
дисциплинами учебного плана.
Во введении данного учебного пособия приведены краткие 
сведения о роли нефти и газа в современном мире, об основных 
нефтедобыва ющих странах и нефтяных месторождениях, предварительные данные о химическом и фракционном составе нефтей, 
химической класси фикации нефтей. Эти данные необходимы 
при изу чении главы 1, на основании которой изложена глава 2.
Из химических свойств компонентов нефти рассматриваются 
только те, которые либо имеют аналитическое значение, либо необходимы при изучении процессов термической и каталитической 
переработки нефтяного сырья.
Методы определения состава различных фракций нефти и нефтепродуктов обобщены в главе 3 учебного пособия.
В главе 4 рассмотрены данные о составе, строении, свойствах 
и анализе кислородных, сернистых, азотистых, смолисто-асфальтеновых, минеральных компонентов нефти.
Глава 5 основана на изучении термических и каталитических 
превращений углеводородов и других соединений нефти в условиях 
основных процессов термокаталитической переработки нефтяного 
сырья. Также здесь приведены данные о превращениях углеводородов в условиях реакций алкилирования и ступенчатой полимеризации и изомериза ции с целью получения высокооктановых компонентов моторных топлив.
В главе 6 исследуются вопросы происхождения нефти и ее отдельных компонентов.
Настоящему учебному пособию предшествовал ряд книг, подготовленных и изданных автором в разные годы: «Химия нефти 
и газа» (1976), «Физико-химические методы исследования углеводородов и других компонентов нефти» (первое (1979) и второе 
издания (1996)), «Химический состав, свойства и анализ углеводородов и других соединений нефти» (первое (1983) и второе издания (1997)), «Термические и каталитиче ские превращения угле

водородов и других компонентов нефти» (1982), «Химия нефти 
и газа» (первое (1998) и второе издания (2004)).

О Р Г А Н И Ч Е С К А Я             Х И М И Я

Т Е Х Н О Л О Г И Я        П Е Р Е Р А Б О Т К И         Н Е Ф Т И

Физика
Аналитическая 
химия

Вводная часть курса 
«Химия нефти 
и газа»

Физическая химия

Глава II
Углеводороды нефти, 
газа и нефтепродуктов

Глава III 
Гетероатомные и минеральные компоненты нефти

Глава I
Физико-химические методы 
исследования нефтей и газов

Глава IV
Методы определения состава 
нефтяных фракций

Глава VI
Происхождение нефти

Глава V
Термические и каталитические 
превращения компонентов нефти

Рис. П1. Логическая схема и структура курса «Химия нефти и газа» и его связь 
с другими дисциплинами учебного плана

Введение

Нефть наряду с каменным углем, бурым углем и сланцами — 
горючее ископаемое. Она является жидкостью и содержит 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 и другие горючие ископаемые представляют 
собой потенциальные ресурсы углеводородов. Их природные запасы 
значительно превосходят запасы нефти. Так, в 1958 г. мировые запасы каменного угля составляли 7500 млрд т, тогда как мировые разведанные2 запасы нефти — 33 млрд т. В 1964 г. мировые разведанные 
запасы нефти в зарубежных странах равнялись 40 млрд т, в 1971 г. — 
60 млрд т. В настоящее время мировые разведанные запасы нефти 
равны 100 млрд т3. Следовательно, увеличение разведанных запасов 
нефти невелико. В 1964 г. мировая до быча нефти составила 1,4 млрд 
т, в 1970 г. она увеличилась почти вдвое — 2,3 млрд т, в 1971 г. выросла до 2,5 млрд т. В настоящее время мировая добыча нефти стабилизировалась на уровне ~3,5 млрд т.
В табл. В1 представлено распределение добычи нефти по основным нефтедобывающим странам.

Таблица В1

Крупнейшие нефтедобывающие страны

Страна
Добыча нефти, млн т

1987 г.
1993 г.
1996 г.
2000 г.
2010 г.
2014 г.

СССР
625
390
(СНГ) 
З51
(СНГ) 
316
(Россия) 
480
(Россия) 
498
(Россия) 

США
460
340
322
290
255
460

Саудовская 
Аравия
209
402
390
402
446
480

1 
В настоящее время только 5–7% добываемой нефти и газа исполь зуется 
для получения продуктов нефтехимического синтеза.
2 
В зарубежных странах.
3 
Прогнозные запасы нефти в мире оцениваются в 250 млрд т.

Страна
Добыча нефти, млн т

1987 г.
1993 г.
1996 г.
2000 г.
2010 г.
2014 г.

Иран
112
181
183
177
191
153

Китай
133
145
156
162
184
206

Мексика
143
155
142
151
163
125

Объединенные 
Арабские 
Эмираты

—
—
—
—
129
138

Венесуэла 
90
116
147
151
126
122

Нигерия
64
94
100
99
110
118

Канада
86
97
90
99
124
177

Норвегия
—
—
157
160
122
—

Кувейт
61
93
90
88
109
128

Бразилия
—
—
—
—
103
110

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.
Так как мировые запасы других горючих ископаемых, в частности каменного угля, довольно велики, на первый взгляд истощение запасов нефти не должно 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 (угля, сланцев) необходима их специальная 
термическая обработка, нагревание без доступа воздуха, в результате получаются 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. В2).

Таблица В2

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

Окончание табл. В1

Из табл. В2 видно, что нефть значительно богаче водородом; 
следовательно, выход углеводородов из нефти выше. Таким 
образом, нефть является наиболее ценным сырьем для химической 
переработки, по это му в связи с ограниченными запасами нефти 
большое значение приобретает исследование путей ее наиболее 
рацио нальной переработки1. Например, предположим, что открыто 
новое месторождение нефти. Сразу же возникает проблема ее переработки. Что можно получать из этой нефти? Топлива или масла 
либо то и другое? Представляет ли эта нефть интерес как источник 
углеводородов — сырья для химической переработки?
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо детальное исследование химического состава нефтей с применением современных 
методов физико-химического анализа. Таким образом, изучение состава нефтей — одна из важнейших задач химии нефти.
В разработке научных основ исследования нефтей выдающуюся 
роль сыграли труды российских и советских ученых Ф.Ф. Бейльштейна, Д.И. Менделеева, А.А. Курбатова, В.В. Марковникова, 
М.И. Коновалова, Л.В. Гурвича, изучавших химический состав 
кавказских нефтей; С.С. Наметкина, А.В. Топчиева, Ал.А. Петрова, 
А.Ф. Добрянского, П.И. Санина, исследовавших состав 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, работавших в области каталитических превращений углеводородов.
Существенный вклад в развитие химии углеводородов нефти 
внесли работы зарубежных исследователей, и прежде всего немецкого химика К. Шорлеммера по исследованию алканов нефтей, 
ученых Вошборна, Россини, Мейра, представляющих Американский нефтяной институт, а также Уотермана и Флюгера, Ван Неса 
и Ван Вестена.
Рассмотрим кратко понятие нефти как природного объекта. 
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и органических соединений серы, азота, кислорода; это маслянистая 
жидкость, обычно темно-бурого цвета, хотя встречаются нефти 
и светлые. Относительная плотность нефтей колеблется обычно от 
0,8 до 0,9, а молекулярная масса — от 200 до 300. Нефть обычно 
залегает в пористых породах — песках, песчаниках, известняках 
(коллекторы). Часто в месторождении нефти сопутствуют вода 
и большие количества газа (рис. В1).

1 
Важное значение имеет проблема уменьшения потерь нефти при транспортировке; эти потери составляют около 2% в год от мировой добычи нефти 
(Экология. 1999. 19–20 окт.).

Газ

Нефть

Вода

Рис. В1. Схема нефтяного месторождения

Вода, имеющая бóльшую плотность, чем нефть, занимает в нефтяном месторождении нижнюю часть, а газ — верхнюю. Нефть обычно залегает на уровне от 2 до 5 км, иногда и на бóльшей глубине, 
вследствие этого она находится в довольно жестких условиях. Температура в пласте может достигать 200°C и более. Давление в нефтяном пласте зависит от глубины залегания и от температуры 
(упругость паров углеводородов); оно обычно составляет 10,0–
15,0 МПа, но может достигать и более высоких значений.
Газовым месторождениям соответствуют высокие значения температуры и давления. На некоторых газовых месторождениях, где 
высоки давление и температура (20,0–40,0 МПа и 100–200°C), соответствующие надкритической области, в газе может содержаться 
значительное количество углеводородов, являющихся жидкими 
при нормальных условиях. В процессе добычи газа при его выходе на поверхность давление снижается и происходит выделение 
жидких углеводородов из газовой фазы (так называемая обратная 
или ретроградная конденсация). Образующаяся при этом жидкая 
углеводородная фаза называется конденсатом. Такие месторождения называются конденсатными. Конденсаты представляют 
собой смесь алканов, нафтенов и аренов с концом кипения 300–
350°C.
Сравнительно жесткие условия, в которых находятся нефти 
и газоконденсаты, обусловливают практически полное отсутствие 
таких химически активных соединений, как алкины, алкадиены, 
альдегиды, спирты.
Как уже отмечалось, основными элементами, входящими в состав нефти, являются углерод и водород. Содержание углерода 
в нефти обычно колеблется от 82 до 87%, водорода — от 12 до 13%. 
На долю серы, кислорода и азота приходится обычно 1–5%. Чаще 
всего встречается в нефтях сера; ее содержание может достигать