Определение фракционного состава нефтепродуктов

Назначение методов определения фракционного состава

Фракционный состав представляет собой ключевую характеристику нефти и нефтепродуктов, определяющую их применимость для конкретных технологических целей. Данный показатель отражает распределение углеводородных компонентов по температурам кипения и непосредственно влияет на эксплуатационные свойства топлив, включая пусковые характеристики двигателей, скорость прогрева силовых установок и полноту сгорания.

Определение фракционного состава выполняется методами лабораторной дистилляции, которые классифицируются на атмосферные и вакуумные, простые и ректификационные. Выбор конкретного метода зависит от природы анализируемого продукта, требуемой точности результатов и целей испытания. Для контроля качества товарных топлив применяются методы атмосферной перегонки согласно ГОСТ 2177-99 и ASTM D86, обеспечивающие оперативное получение данных при приемлемой воспроизводимости. Для глубокого анализа сырой нефти используется метод истинных температур кипения по ASTM D2892, предоставляющий детальную информацию о потенциальных выходах фракций.

Метод ГОСТ 2177-99: атмосферная перегонка нефтепродуктов

Государственный стандарт ГОСТ 2177-99 представляет собой полный аутентичный текст международного стандарта ISO 3405-88 с дополнительными требованиями, отражающими специфику отечественной нормативной базы. Документ введен в действие с 1 января 2001 года, заменив предыдущую редакцию ГОСТ 2177-82. Стандарт предусматривает два способа проведения испытания в зависимости от типа анализируемого продукта.

Способ А: светлые нефтепродукты

Способ А применяется для анализа автомобильных бензинов, авиационных бензинов, топлив для турбореактивных двигателей, растворителей с установленной точкой кипения, нафты, уайт-спирита, керосина, газойлей и дистиллятных жидких топлив. Проба объемом 100 мл помещается в стандартную перегонную колбу из термостойкого стекла с установленным термометром. Нагрев осуществляется с регулируемой интенсивностью для обеспечения скорости конденсации дистиллята 4-5 мл/мин.

Температура охлаждающей жидкости в приемнике устанавливается в диапазоне 0-5°C для легких фракций и 15-25°C для средних дистиллятов. В ходе испытания регистрируются температуры начала кипения, выкипания 10%, 50%, 90%, 95% и конца кипения, а также объемы остатка и потерь. Метод обеспечивает воспроизводимость ±6-8°C и повторяемость ±2-3°C для точки 50% перегонки бензинов.

Способ Б: нефть и темные нефтепродукты

Способ Б предназначен для анализа нефти и темных нефтепродуктов, характеризующихся повышенной вязкостью и склонностью к термическому разложению при высоких температурах. Методика идентична способу А с корректировкой параметров нагрева для предотвращения крекинга углеводородов. При разногласиях в оценке качества продукции применяется способ А как арбитражный.

Метод ASTM D86: стандартная атмосферная дистилляция

Стандарт ASTM D86 является одним из старейших методов испытания под юрисдикцией комитета ASTM D02, ведущего историю от перегонки по Энглеру. Текущая редакция D86-23ae2 опубликована в 2023 году и охватывает атмосферную дистилляцию нефтепродуктов и жидких топлив с использованием лабораторной установки периодического действия для количественного определения характеристик диапазона кипения.

Область применения и ограничения

Метод применим для светлых и средних дистиллятов, включая моторные топлива с оксигенатами и без них, авиационные бензины, авиационные турбинные топлива, дизельные топлива, биодизельные смеси до 30 объемных процентов, морские топлива, специальные нефтяные дистилляты, нафту, уайт-спирит, керосин и печные топлива первого и второго сортов. Метод разработан для анализа дистиллятных топлив и не применим к продуктам, содержащим значительные количества остаточного материала.

Стандарт предусматривает как ручные, так и автоматизированные приборы. Аппаратура включает перегонную колбу из боросиликатного стекла по спецификации E1405 или кварца с содержанием 99,9% SiO₂, термометр соответствующего диапазона, конденсатор с охлаждением, градуированный приемник и источник нагрева — газовую горелку или электронагреватель.

Интерпретация результатов

Ключевыми точками кривой перегонки являются начальная температура кипения (IBP), температуры при 10%, 50%, 90% выкипания и конечная температура кипения (FBP). Для бензинов дополнительно определяется показатель E200 — процент испарившегося продукта при температуре 200°C, характеризующий летучесть топлива. Полученные данные применяются для оценки пусковых характеристик двигателей, определения склонности к паровым пробкам, прогнозирования полноты сгорания и соответствия экологическим нормативам.

Метод ASTM D2892: истинная температура кипения

Стандарт ASTM D2892 описывает методику атмосферно-вакуумной ректификации стабилизированной сырой нефти до конечной температуры отбора 400°C в пересчете на атмосферный эквивалент. Метод использует ректификационную колонку эффективностью от 14 до 18 теоретических тарелок, работающую при флегмовом числе 5:1. Полученная кривая дистилляции соответствует лабораторной методике, обозначаемой как 15/5 или TBP (True Boiling Point — истинная температура кипения).

Принцип работы установки

Установка для определения ИТК включает ректификационную колонку с насадкой типа Pro-Pak, Heli-Pak, металлической сеткой или перфорированными тарелками, обеспечивающими необходимое число теоретических ступеней разделения. Перегонка проводится в три последовательных режима по давлению: атмосферное давление, вакуум 100 мм рт.ст. и вакуум 10 мм рт.ст. с возможностью снижения до 2 мм рт.ст. по согласованию сторон. Флегмовое число поддерживается на уровне 5:1 для всех режимов давления, допускается снижение до 2:1 для самого низкого уровня вакуума.

Процессорное управление минимизирует время оператора, требуемое для каждой дистилляции. Система позволяет вызов сохраненных программ с заданными температурными точками отбора фракций, скоростями нагрева и флегмовым числом для каждой фракции. Предусмотрено автоматическое отключение по завершении цикла. Фракционный коллектор автоматически собирает дистилляты в приемники на основе заданных температурных точек при атмосферном давлении или вакууме. Объем колбы варьируется от 2 до 100 литров в зависимости от конфигурации установки.

Получаемые продукты и данные

Метод детализирует процедуры получения сжиженного газа, дистиллятных фракций и остатка стандартизированного качества, на которых могут быть получены аналитические данные, а также определение выходов перечисленных фракций в массовых и объемных процентах. На основании этой информации строится график зависимости температуры от массового процента перегонки. Полученные фракции анализируются непосредственно или компаундируются для создания образцов для аналитических исследований, инженерных расчетов и оценки качества продукции.

Метод служит аналитическим инструментом для исследования нефтяных смесей, за исключением СУГ, очень легких нафт и смесей с начальной температурой кипения выше 400°C. Продолжительность полного цикла испытания составляет 8-12 часов, включая переходы между режимами давления с интенсивным охлаждением для минимизации времени между последовательными стадиями.

Сравнительный анализ методов

Методы простой атмосферной перегонки ГОСТ 2177-99 и ASTM D86 основаны на принципе однократного испарения с постепенным повышением температуры. Эти методы характеризуются относительно низкой разделительной способностью, что обусловлено отсутствием ректификационной колонки. Получаемая кривая перегонки отражает условия, близкие к промышленному процессу однократного испарения, применяемому на установках атмосферной перегонки нефти.

Концептуальные различия

Метод ASTM D2892 реализует принцип ректификации с использованием противоточного контакта паровой и жидкой фаз в насадочной или тарельчатой колонке. Наличие 15 теоретических тарелок обеспечивает существенно более высокую разделительную способность по сравнению с простой дистилляцией. Флегмовое число 5:1 означает, что на каждую единицу отбираемого дистиллята пять единиц конденсата возвращается в колонку для улучшения разделения компонентов.

Применение вакуума в методе ASTM D2892 позволяет снизить температуру кипения высококипящих фракций, предотвращая их термическое разложение. Температуры, полученные при пониженном давлении, пересчитываются в атмосферный эквивалент с использованием номограмм или таблиц, что обеспечивает сопоставимость данных вне зависимости от условий проведения испытания.

Корреляция между методами

Кривые перегонки, полученные методами простой дистилляции и ректификации, не являются идентичными для одного и того же образца. Кривая ИТК располагается выше кривой атмосферной перегонки в средней части диапазона температур. Для пересчета данных между методами применяются эмпирические корреляции, учитывающие природу нефтепродукта и интервал температур. Температура начала кипения по ИТК рассчитывается как 1,57 × Т(НК ГОСТ) - 118, температура конца кипения — 0,787 × Т(КК ГОСТ) + 57.

Области практического применения

Методы атмосферной перегонки ГОСТ 2177-99 и ASTM D86 широко применяются для контроля качества товарных нефтепродуктов в соответствии с техническими регламентами и стандартами на продукцию. Эти методы закреплены в спецификациях на автомобильные бензины ГОСТ 32513-2023, дизельные топлива ГОСТ 305-2013, авиационные керосины ГОСТ 10227-86 и другие виды топлив. Фракционный состав нормируется для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик и соответствия экологическим нормам.

Промышленная переработка нефти

Метод ASTM D2892 применяется для комплексного анализа сырой нефти при разработке технологических схем нефтеперерабатывающих заводов. Данные ИТК используются проектными организациями для расчета материального баланса установок, определения оптимальных температурных режимов ректификационных колонн и прогнозирования выходов целевых продуктов. Лаборатории нефтяных компаний применяют этот метод для оценки качества поставляемого сырья и оптимизации схем смешения различных сортов нефти.

Научные исследования

Методы определения фракционного состава используются в научно-исследовательских работах по изучению состава нефтей различных месторождений, разработке новых технологических процессов переработки углеводородного сырья и созданию альтернативных видов топлив. Детальный анализ узких фракций методом ИТК позволяет установить закономерности распределения углеводородов различных классов и определить оптимальные направления использования нефтяного сырья.