石油及其主要产品化学组成和物理性能

石油及其主要产品化学组成和物理性能

１、石油的化学组成

1.1 颜色与密度

石油(俗称原油)通常是黑色、褐色或黄色的流动或半流动的粘稠液体，由于含有硫等其它物质,一般都有不同程度的臭味。

多数原油的密度集中在750~950kg/ｍ3之间,也有个别原油的密度在100０kｇ/m3以上或在８00 kｇ/m3以下。

1.2 元素组成

一般而言,原油由以下几种元素或化合物组成:碳——８3～8７%，氢——１１~14%，硫——１～3％(硫化物、二硫化物和单质硫等),氮——低于1％（以带胺基的碱性化合物为主)，氧——低于１％（存在于二氧化碳、苯酚、酮和羧酸等有机化合物中），金属和非金属物质——低于1％(镍、铁、钒、铜、砷等）。根据硫含量的不同，可分为低硫原油（硫含量小于0.5%)、含硫原油(硫含量０.5~２.０%）和高硫原油(硫含量大于2.0%)三类。

碳／氢原子比（有时也称氢/碳原子比）是反映原油属性的一个重要参数,与其原有的化学结构有关系。

1.3 烃类组成

原油中的烃类成分主要分为烷烃、环烷烃、芳香烃,这些烃类组成是以气态、液态、固态的化合物存在。根据烃类成分的不同，原油也可分为石蜡基原油、环烷基原油和中间基原油三类。石蜡基原油含烷烃较多；环烷基原油含环烷烃、芳香烃较多；中间基原油介于二者之间。

原油中的烃类含量因为产地种类不同差异很大,相对密度较小的轻质原油中

烃类含量可能大于9０%，而相对密度较大的重质原油中的烃类含量甚至可能小于5０%。

炼油厂加工的的原油通常为液态。原油中含的液体状态烃按其沸点不同，可以分为低沸点馏分、中间馏分以及高沸点馏分。低沸点馏分，如在汽油馏分中含有C５～C１0的正构烷烃、异构烷烃、单环环烷烃、单环芳香烃(苯系）。中间馏分,如在煤油、柴油馏分中含有C１0～Ｃ20的正异构烷烃、带侧链的单环环烷烃、双环及三环环烷烃、双环芳烃。高沸点馏分,如在润滑油馏分中含有C20~Ｃ36左右的正异构烷、环烷烃和芳香烃。

1．４非烃化合物

原油中非烃化合物主要包括含硫、含氮、含氧化合物和胶状沥青状物质等。原油中含硫化合物包括活性硫化物和非活性硫化物。原油中氮的分布随着馏分沸点升高,其氮含量迅速增加,约有８0%的氮集中在４0０℃以上的重油中。在原油中,氧元素都是以有机含氧化合物的形式存在的,主要分为酸性含氧化合物和中性含氧化合物两大类。原油中含氧化合物化合物主要以酸性含氧化合物为主，其中主要是环氧酸,占原油酸性含氧化合物的９０%。

2、石油及其主要石油产品的物理性能

２．1 标准密度和相对密度

我国规定2０℃时的密度为石油产品(简称油品)的标准密度。原油的相对密度，在我国是指在一个标准大气压下，20℃原油与4℃纯水单位体积的质量比，又称比重。原油相对密度一般在0．7５-0.95之间，少数大于0．95或小于０．７5。通常相对密度在0．9-1.0的原油称为重质原油，小于0．9的原油称为轻质原油。

分子量相近的不同烃类之间密度差异很大，芳烃>环烷烃>烷烃。

同一种原油沸点增加，分子量增大,密度增大。

对不同原油,同样沸程（又称馏程,见２.7的定义）,相对密度差异很大。一般来说，环烷基原油>中间基原油>石蜡基原油。

2.2 特性因数（K)

以烃类绝对温度表示平均沸点（Ｔ)的立方根对相对密度作图,所得曲线的斜率称为特性因数K。它是反映原油或原油馏分化学组成特性的特性数据，对于了解原油分类和确定原油加工方案，油品的化学组成及油品的其它特性都十分有用。

含烷烃多的石蜡基原油馏分Ｋ值较大,约为12.1~13；含芳烃多的环烷基原油馏分Ｋ值小一些，约为１０.５~11.5。同族烃K值相近,不同族烃K值不同。K的平均值，烷烃约为13,环烷烃约为11.5，芳烃约为10．5。

2．3 平均相对分子量

在炼油设备计算中,应用最多的是平均相对分子量。平均相对分子量相当于把混合物看作一个“单一组分”，这一“单一组分”的相对分子量就是平均相对分子量。石油馏分的平均相对分子量随馏分沸程的升高而增大。汽油约为100~120,煤油约为1８0～20０,轻柴油约为２10~24０,低粘度润滑油约为300~360，高粘度润滑油约为370～5０0。

2．4 粘度

原油粘度是指原油在流动时所引起的内部摩擦阻力。原油粘度大小取决于温度、压力、溶解气量及其化学组成，温度增高其粘度降低，压力增高其粘度增大,

溶解气量增加其粘度降低，轻质油组分增加,粘度降低。原油粘度变化较大，一般在１－100MＰa·ｓ之间,粘度大的原油俗称稠油,稠油由于流动性差而开发难度增大。一般来说，粘度大的原油密度也较大。含烷烃多的原油馏分粘度较小,含环状烃的原油馏分粘度较大,原油馏分愈重、沸点愈高，则其粘度愈大。

2.5 油品低温性能

含蜡很少或不含蜡的油品,在温度下降时,粘度迅速升高,当粘度达到一定程度后，油品就变成无定形的玻璃状物质,失去流动性，这种凝固称为粘温凝固。含蜡原油或油品，在温度下降过程中，由于蜡结晶析出而引起的凝固称为构造凝固。

在规定条件下冷却油品，出现用肉眼可以分辨结晶时的最高温度称为结晶点。

在规定条件下冷却油品到出现结晶后,再使其升温,使原来形成的结晶消失的最低温度称为冰点。同一油品的冰点比结晶点高1~3℃。

在严格的仪器、操作条件下测得油品刚失去流动时的最高温度称为凝点。

油品能从规定仪器中流出的最低温度称为倾点,它比凝点能更好的反映油品的低温性能。

在规定压力和冷却速度下,测得20ml试油开始不能全部通过362目过滤网时的最高温度称为冷滤点。冷滤点能较好的反映柴油的泵送和过滤性能。

2.6 油品燃烧性能

在加热油品时，随着油品温度升高，油品上方空气中的油气浓度逐渐增大，当用外来的火源去引燃油气混合气时，发现在一定浓度范围内，油品上方会出现瞬间闪火或爆炸现象。当油气浓度低于这一范围,油气不足，而高于这一范

围则空气不足,都不能闪火爆炸,这一油气浓度范围称为爆炸范围。其下限浓度称为爆炸下限,其上限浓度称为爆炸上限。

油品在常压下,油气混合气相当于爆炸下限或上限时的油品温度称为闪点。闪点越低表明其着火危险性越大,油品以其闪点作为着火危险等级的分级标准。

油品在规定条件下加热到被外部火源引燃并连续燃烧不少于5秒钟时的

最低温度称为燃点。

把油品预热到很高的温度，然后使其与空气接触，不需引火，油品即可能因剧烈氧化而产生火焰自行燃烧,这个让油品产生自燃的最低温度称为自然点。

油品是由具有不同沸点的烃化合物组成的混合物,与水（沸点为１00℃）不同,没有固定的沸点。其闪点随着具有不同沸点化合物的含量比例不同而各有差异。沸点越高,闪点也高。如油品中煤油闪点在４０℃以上,柴油在50～６5℃之间,重油在８0～1２0℃之间,润滑油要达到300℃左右。自燃点却相反，沸点高的油品,自燃点降低，如汽油自燃点为415~530℃，裂化残渣油自燃点约为270℃,石油沥青则降至２30~2４0℃左右。

2.7 蒸汽压和馏程

在一定温度下,一种物质液相与其上方的气相呈平衡状态时,该蒸汽所产生的压力称为饱和蒸汽压,简称蒸汽压。蒸汽压愈高的液体愈易于气化。

原油和油品是各种烃类和非烃类的复杂混合物，在一定压力下，它的沸点随着气化率增加而不断升高。蒸馏时，从开始有油品馏出时的最低温度（初馏点）到全部液体蒸发后最后达到的最高气相温度(终馏点又称干点）,这一温度范围称为油品的馏程，又称沸程。

3、炼油生产装置的主要产品

3.１汽油

汽油是消耗量最大的油品之一。汽油的馏程为３０～2２0℃,密度约为700~7８０ｋg／m3。易燃易挥发,爆炸极限为1.4～7.6％。

汽油产品根据用途可分为航空汽油、车用汽油、溶剂汽油三大类。前两者主要用作汽油机的燃料,广泛用于汽车、摩托车、快艇、直升飞机、农林业用飞机等。溶剂汽油则用于合成橡胶、油漆、油脂、香料等生产；汽油组分还可以溶解油污等水无法溶解的物质，起到清洁油污的作用;汽油组分作为有机溶液，还可以作为萃取剂使用。

汽油在发动机气缸中燃烧时的抗爆震能力称为抗爆性,是汽油最重要的指标之一。汽油的抗爆性是用辛烷值来表示的,人为规定异辛烷的辛烷值为10０,正庚烷的辛烷值为0，汽油牌号即为其辛烷值。如车用汽油，依据国V标准,牌号分别为89号、9２号、95号、98号，号数越大,抗爆性能越好。需要注意，汽油辛烷值只表示汽油的抗爆震程度，并不表示汽油中异辛烷的真正含量。

汽油主要由石油炼制得到的直馏汽油组分、催化裂化汽油组分、催化重整汽油组分等不同汽油组分经精制后与高辛烷值组分调和制得。

汽油由烃类组成,对分子量大致相同的不同烃类，其辛烷值:正构烷烃<环烷烃、烯烃<正构烯烃<异构烷烃和异构烯烃＜芳烃。同族烃类，分子量越小,沸点越低,辛烷值越大。汽油的干点降低，辛烷值会升高。

3．2 航空煤油

航空煤油是指作为喷气式(涡喷、涡扇、涡桨、涡轴等燃气轮机）航空发动机燃料使用的煤油,学名喷气燃料，简称航煤。航空煤油的馏程为150~315℃,密度约为77５~830ｋg/ｍ3。易燃易挥发,挥发后与空气混合形成爆炸性的混合气体,

爆炸极限为2－3％。

对航空涡轮发动机来说,，燃气轮机是靠很细的喷嘴把燃料喷成云雾状跟高压高温空气充分混合,产生猛烈燃烧而工作。汽油容易挥发,太容易燃烧,不安全。柴油黏度太大，燃气轮机里不适合。喷气燃料分很多种,一般分1、2、3、4号和高闪点喷气燃料五个品种,其中比较常用是3号喷气燃料。

３号喷气燃料是由直馏馏分、加氢裂化和加氢精制等装置生产的航煤组分及必要的添加剂调和而成的一种透明液体，主要由不同馏分的烃类化合物组成。3号喷气燃料密度适宜，热值高，燃烧性能好,能迅速、稳定、连续、完全燃烧，且燃烧区域小,积炭量少，不易结焦；低温流动性好，能满足寒冷低温地区和高空飞行对油品流动性的要求；热安定性和抗氧化安定性好，可以满足超音速高空飞行的需要；洁净度高,无机械杂质及水分等有害物质，硫含量尤其是硫醇性硫含量低,对机件腐蚀小。

3.3 柴油

柴油分为轻柴油和重柴油两大类，其馏程分别为18０-370℃和350-410℃,密度约为790~85０kｇ/ｍ3。柴油质量要求是燃烧性能和流动性好，其重要技术指标分别为十六烷值和凝点。

同车用汽油一样，柴油也有不同的牌号。柴油按凝点分级，轻柴油有５、0、-１0、－２０、-35、-50六个牌号，重柴油有10、20、30三个牌号，依据使用外部环境温度选用柴油的牌号。我国柴油汽车主要选用后5个牌号的柴油,外部环境温度在4℃以上时选用0#柴油,在４~ -5℃时选用-１0#柴油,在-5～－１4℃时选用-2０#柴油，在－１４~ -29℃时选用-35#柴油。

柴油主要通过原油蒸馏、催化裂化、加氢裂化、石油焦化、柴油加氢等过程生产的柴油馏分直配或调配而成。

柴油十六烷值表示其发火性能。它的制定是用两种燃烧性能十分悬殊的烃类作为基准物:一种是十六烷,它的燃烧性能良好,把它的十六烷值定为10０；另一种是α-甲基萘,因其燃烧性能差，而把它的十六烷值定为零。柴油十六烷值是指与所测柴油自燃性相当的标准燃料中所含正构十六烷烃的体积百分数，愈高其自燃性愈好。对于柴油，十六烷值并非愈高愈好,十六烷值愈大,燃料太易自然,尚未与空气完全混合均匀就开始燃烧,易出现燃烧不完全,分离的炭来不及燃烧，会随着废气排走,造成燃料过多消耗，部分烃类热分解（5００~７00℃），产生黑烟。另外,十六烷值过大,凝点高,低温流动性差。所以，一般规定十六烷值不高于6５。

3.4 液化气与石油焦

液化石油气是炼油工艺生产装置在石油炼制过程中产出的多种低沸点低碳数的烃类混合物,没有固定的组分。主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯和少量的乙烷、戊烷、戊烯等。在常温常压下（2０℃、1０0kpa）呈气体状态，只有在增高压力或降低温度的条件下,才变成液体,故称为液化石油气。液态液化石油气的密度约为5８0 kg/ m3，气态密度约为:2.35kｇ／m3，比空气重。液化石油气气体的密度随着温度和压力的不同而发生变化。液体密度受温度影响较大,温度上升密度变小,同时体积膨胀，由于液体压缩性很小,因此压力对密度的影响也很小，可以忽略不计。液化气的爆炸范围为 1.5~9.5%,易爆性是液化石油气最大的特点。

石油焦（生焦）是一种黑色或暗灰色的固体焦炭，是各种渣油、沥青或重油在高温下（490~5５0℃)分解、缩合、焦化后而制得的,是焦化过程所特有的产品。

石油焦的组分主要为沥青质,含碳9０~97%，含氢1.5～8%，同时还含有少量的硫、氮、氯及重金属化合物。石油焦的形态随生产过程、操作条件及进料性质的不同而有所差异。石油焦外观通常为黑褐色多孔固体不规则块状，此种焦又称为海绵焦。第二种品质较佳的石油焦叫做针状焦，与海绵焦比，由于其具较低的电阻及热膨胀系数，因此更适合做电极。有时还有另一种坚硬石油焦亦会产生，称之为球状（弹丸)焦,这种焦形如弹丸，表面积少,不易焦化,故用途不多。

３.5 其它石油产品

化工原料油。在大型炼油化工一体化企业中，其炼油工艺生产装置还生产大量的化工原料油,作为乙烯系列生产装置和芳烃系列生产装置的原料。乙烯系列生产装置和芳烃系列生产装置的副产品也可以作为炼油工艺生产装置的原料、调和油品的组分或产品。大型炼油化工一体化企业，更易于实现原油价值链的最大化，是新建企业的方向。

燃料油又称重油，可以分为常压重油、减压重油、催化重油和混合重油。混合重油一般指减压重油和催化重油的混合,包括渣油、催化油浆和部分沥青的混合，其特点是粘度大,含非烃化合物、胶质、沥青质多。燃料油分为船用内燃机燃料油和炉用燃料油两大类,两类都包括馏分油和残渣油。馏分油一般是由直馏重油和一定比例的柴油混合而成,用于中速或高速船用柴油机和小型锅炉。残渣油主要是减压渣油、裂化渣油或二者的混合物，也可以调入适量裂化轻油制成重质石油燃料油,作为低速柴油机、部分中速柴油机、各种工业炉或锅炉的燃料。

润滑油一般由基础油和添加剂两部分组成。基础油是润滑油的主要成分,决定着润滑油的基本性质,添加剂可以弥补和改善基础油性能方面的不足,赋予某些新的性能,是润滑油的重要组成部分。润滑油基础油主要分矿物基础油、合成基

础油以及生物基础油三大类。矿物基础油应用广泛，用量很大（约占95%以上)，但有些应用场合则必须使用合成基础油和生物基础油调配的产品,因而使这两种基础油得到迅速发展。矿物基础油主要以常减压装置的润滑油馏分和渣油馏分为原料生产，其化学成分包括高沸点、高分子量烃类和非烃类混合物。润滑油最主要的性能是粘度、氧化安定性和润滑性,它们与润滑油馏分的组成密切相关。

石油沥青是原油加工过程的一种产品。在常温下是黑色或黑褐色的粘稠液体、半固体或固体，主要含有烃类及非烃类衍生物，其性质和组成随原油来源和生产方法的不同而变化。因为沥青的化学组成复杂，对组成进行分析很困难，且其化学组成也不能反映出沥青性质的差异,所以一般不作沥青的化学分析。通常从使用角度出发,将沥青中按化学成分和物理力学性质相近的成分划分为若干个组,这些组就称为“组分”。石油沥青的组分包括油分、胶质和沥青质。主要用途是作为基础建设材料、原料和燃料，应用范围如交通运输（道路、铁路、航空等）、建筑业、农业、水利工程、工业(采掘业、制造业)、民用等各部门。

石蜡又称晶形蜡，是固态高级烷烃的混合物，在47°Ｃ~64°C之间出现熔化，密度约为900 ｋg/ m3。主要组分为直链烷烃(约为80%~95%)，还有少量带个别支链的烷烃和带长侧链的单环环烷烃(两者合计含量在2０%以下)。石蜡是从原油蒸馏所得的润滑油馏分经进一步加工而得。根据加工精制程度不同，可分为全精炼石蜡、半精炼石蜡和粗石蜡3种。