Анализ нефти и нефтепродуктов

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2016

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

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 : [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. фе-
дер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. – 88 с.

ISBN 978-5-7996-1675-5

К435

ISBN 978-5-7996-1675-5
© 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

На обложке:

производственная практика студентов

на месторождении «Сибнефть – Ноябрьскнефтегаз»

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 макси-
мального выхода моторных топлив, масел и сырья для нефтехи-
мических производств, соответствующих нормативным показате-
лям их качества.

В учебно-методическом пособии ставится задача формирова-

ния у студентов четких представлений о тесной связи физико-хи-
мических и эксплуатационных свойств топлив, масел и других неф-
тепродуктов со свойствами исходного сырья и методами его перера-
ботки. 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 про-
ведении научных исследований, инженерных расчетов, проекти-
рования технологических процессов переработки, транспортиров-
ки, хранения нефти и нефтепродуктов, проведении расчетов с по-
требителями.

Каждая лабораторная работа содержит необходимые теорети-

ческие сведения, цель работы, сущность метода, необходимые сред-
ства 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 нефте-
продукты. Фракционный состав оценивается объемным или массо-
вым 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 слож-
ной смеси углеводородов нефти на отдельные фракции с различ-
ными температурными интервалами кипения путем испарения
нефти и последующей дробной конденсацией образовавшихся па-
ров [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 оставшие-
ся пары, обогащенные низкокипящими компонентами, полностью
конденсируют;

– ректификация – дистилляция с многократно повторяющей-

ся дефлегмацией паров и одновременным испарением низкокипя-
щих компонентов из образующейся флегмы, чем достигают макси-
мальной концентрации низкокипящих фракций в парах перед их
полной конденсацией.

Эти три варианта дистилляции нефти положены в основу боль-

шинства лабораторных методов определения ее фракционного со-
става и нефтепродуктов, причем в первом из них достигается наи-
меньшая четкость выделения фракции из кипящей нефти, а в по-
следнем – 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 резуль-
таты 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 начала 
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 (после 
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 графике 
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 интервале 
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, что-
бы 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 (осве-
тительный 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 раз-
гонки – 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, со-
ответствующими его природе и условиям перегонки при ручном
методе. Таким прибором может служить, например, автоматичес-
кий 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 автомати-
ческом 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 при-
бором под управлением встроенного микропроцессора и специа-
лизированного программного обеспечения полностью в автомати-
ческом режиме, в соответствии с требованиями выбранного стан-
дарта и параметров анализа.

После завершения перегонки прибор автоматически выклю-

чается.

Результатом разгонки являются показания термометра (датчи-

ка температуры) при указанном проценте отгона или проценте от-
гона (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 обыч-
но разделение паровой и жидкой фаз происходит однократно, по-
этому такой процесс называется однократной перегонкой, или од-
нократным испарением (ОИ).

Выход паровой фазы (доля отгона) определяют при темпера-

турах t1, t2, t3, t4 и т. д., определяя при этом значения выхода фрак-
ций (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 од-
новременно 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. Соот-
ветственно 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 распределение 
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 дефлегмацией (
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