油品分析基础知识

-1-第一章油品分析基础知识第一节石油及其产品的物理性质石油及其产品的物理性质是生产和科研中评定油品质量和控制加工过程的主要指标。加工一种原油之前，先要测定它的各种物理性质，如沸点范围(馏分组成)、相对密度、粘度、凝点、闪点、残炭、含硫量等，称为原油评价实验。根据原油评价才能确定原油的合理加工方案。石油和油品的物理性质与其化学组成密切相关。由于石油和油品都是复杂的混合物，所以它们的物理性质是所含各种成分的综合表现。与纯化合物的性质有所不同，石油和油品的物理性质往往是条件性的，离开了一定的测定方法、仪器和条件，这些性质也就失去了意义。石油和油品性质测定方法都规定了不同级别的统一标准，其中有国际标准(简称ISO)、国家标准(简称GB)、中国石油化工总公司行业标准(简称SH)等等。一、密度和相对密度在规定温度下，单位体积内所含物质的质量称为密度，单位是克/厘米3或千克/米3。我国国家标准GB/T1884-83规定，20℃时密度为石油和液体石油产品的标准密度，以ρ20表示。其它温度下测得的密度用ρt表示。油品的密度与规定温度下水的密度之比称为油品的相对密度，用d表示，是无量纲的。由于4℃时纯水的密度近似为1克/厘米3（3.98℃时水的密度为0.99997克/厘米3），常以4℃的水为比较标准。我国常用的相对密度为d204（即20℃时油品的密度与4℃时水的密度之比）；油品的密度与其组成有关。同一原油的不同馏分油，随沸点范围升高，密度增大。当沸点范围相同时，含芳香烃愈多，密度愈大；含烷烃愈多，-2-密度愈小。密度是评价石油质量的主要指标，通过密度和其它性质可以判断原油的化学组成。二、蒸气压在一定温度下，液体与其液面上方蒸气呈平衡状态时，该蒸气所产生的压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压。蒸气压愈高，说明液体愈容易气化。纯烃和其它纯的液体一样，其蒸气压只随液体温度而变化，温度升高，蒸气压增大。石油及石油馏分的蒸汽压与纯物质有所不同，它不仅与温度有关，而且与气化率（或液相组成）有关，在温度一定时，气化量变化会引起蒸气压的变化。油品的蒸气压通常有两种表示方法:一种是油品质量标准中的雷德(Reid)蒸气压，是在规定条件(38℃、气相体积与液相体积之比为4:1)下测定的。另一种是真实蒸气压，指气化率为零时的蒸气压。三、沸点与馏程纯物质在一定外压下，当加热到某一温度时，其饱和蒸气压等于外界压力，此时液体就会沸腾，此温度称为沸点。在外压一定时，纯化合物的沸点是一个定值。石油及其馏分或产品都是复杂的混合物，所含各组分的沸点不同，所以在一定外压下，油品的沸点不是一个温度点，而是一个温度范围。将一定量的油品放入仪器中进行蒸馏，经过加热、气化、冷凝等过程，油品中低沸点组分易蒸发出来，随着蒸馏温度的不断提高，较多的高沸点组分也相继蒸出。蒸馏时流出第一滴冷凝液时的气相温度叫初馏点，馏出物的体积依次达到10%、20%、30%……90%时的气相温度分别称为10%点(或lO%馏出温度)、30%点……90%点，蒸馏到最后达到的气体的最高温度叫干-3-点(或终馏点)。从初馏点到干点(或终馏点)这一温度范围称为馏程，在此温度范围内蒸馏出的部分叫馏分。馏分与馏程或蒸馏温度与馏出量之间的关系叫原油或油品的馏分组成。在生产和科研中常用的馏程测定方法有实沸点蒸馏与恩氏蒸馏，它们不同的是：前者蒸馏设备较精密，馏出时的气相温度较接近馏出物的沸点，温度与馏出的重量百分数呈对应关系:而后者蒸馏设备较简便，蒸馏方法简单，馏程数据容易得到，但馏程并不能代表油品的真实沸点范围。所以，实沸点蒸馏适用于原油评价及制定产品的切割方案，恩氏蒸馏馏程常用于生产控制、产品质量标准及工艺计算，例如馏程是汽油、喷气燃料、柴油、灯用煤油、溶剂油等的重要质量指标。特性因数K（原油特性因数是根据相对密度和沸点组合成的复合常数，常用来判断原油的化学组成。各类烃的特性因数不同。烷烃最高，环烷烃次之，芳烃最低。）对原油的分类、确定原油加工方案等是十分有用的。四、平均分子量石油是多种化合物的复杂混合物，石油馏分的分子量是其中各组分分子量的平均值，因此称为平均分子量（简称分子量）。石油馏分的平均分子量随馏分沸程的升高而增大。汽油的平均分子量约为100～120，煤油为180～200，轻柴油为210～240，低粘度润滑油为300～360，高粘度润滑油为370～500。五、粘度粘度是评价原油及其产品流动性能的指标，是喷气燃料、柴油、重油和润滑油的重要质量标准之一，特别是对各种润滑油的分级、质量鉴别和用途具有决定意义。粘度对油品流动和输送时的流量和压力降也有重要影响。粘度是表示液体流动时分子间摩擦而产生阻力的大小。粘稠的液体比-4-稀薄的液体流动得慢，因为粘稠液体在流动时产生的分子间的摩擦力较大。粘度的大小随液体组成、温度和压力不同而异。粘度的表示方法有动力粘度、运动粘度及恩氏粘度等。国际标准化组织(ISO)规定统一采用运动粘度。动力粘度是表示液体在一定剪切应力下流动时内摩擦力的量度，其值为所加于流动液体的剪切应力和剪切速率之比。在我国法定单位制中以帕·秒表示，习惯上用厘泊为单位。1厘泊=10-8帕·秒=1毫帕·秒。运动粘度表示液体在重力作用下流动时内摩擦力的量度，其值为相同温度下液体的动力粘度与其密度之比，在法定单位制中以米2/秒表示。在物理单位制中运动粘度单位为厘米2/秒(斯)，常用单位是毫米2/秒，叫厘斯(即百分之一斯)。1米2/秒=10000斯=1000000厘斯(毫米2/秒)。恩氏粘度是条件性粘度，常用于表示油品的粘度。恩氏粘度是在规定条件下，从仪器中流出200毫升油品的时间(秒)与20℃时流出200毫升蒸馏水所需时间(秒)的比值，以ºE来表示。石油及其馏分或产品的粘度随其组成不同而异。含烷烃多(特性因数大)的石油馏分粘度较小，含环状烃多（特性因数小)的粘度较大。一般地，石油馏分愈重、沸点愈高，粘度愈大。温度对油品粘度影响很大。温度升高，液体油品的粘度减小，而油蒸气的粘度增大。油品粘度随温度变化的性质称为粘温性质。粘温性质好的油品，其粘度随温度变化的幅度较小。粘温性是润滑油的重要指标之一，为了使润滑油在温度变化的条件下能保证润滑作用，要求润滑油具有良好的粘温性质。油品粘温性质的表示方法常用的有两种，即粘度比和粘度指数(VI)。-5-粘度比最常用的是50℃与100℃运动粘度的比值，也有用-20℃与50℃运动粘度的比值，分别表示为γ50℃/γ10O℃和γ-20℃/γ50℃粘度比愈小，粘温性愈好。粘度指数是世界各国表示润滑油粘温性质的通用指标，也是ISO标准。粘度指数愈高，粘温性质愈好。油品的粘温性质是由其化学组成所决定的。烃类中以正构烷烃的粘温性最好，环烷烃次之，芳香烃的最差。烃类分子中环状结构越多，粘温性越差，侧链越长则粘温性越好。六、低温性能燃料和润滑油通常需要在冬季、室外、高空等低温条件下使用，所以油品在低温时的流动性是评价油品使用性能的重要项目，原油和油品的低温流动性对输送也有重要意义。油品低温流动性能包括浊点、冰点、结晶点、倾点、凝点和冷滤点等，都是在规定条件下测定的。油品在低温下失去流动性的原因有两种。一种是对于含蜡很少或不含蜡的油品，随着温度降低，油品粘度迅速增大，当粘度增大到某一程度，油品就变成无定形的粘稠状物质而失去流动性，即所谓粘温凝固。另一种原因是对含蜡油品而言，油品中的固体蜡当温度适当时可溶解于油中，随着温度的降低，油中的蜡就会逐渐结晶出来，当温度进一步下降时，结晶大量析出，并连结成网状结构的结晶骨架，蜡的结晶骨架把此温度下还处于液态的油品包在其中，使整个油品失去流动性，即所谓构造凝固。浊点是在规定条件下，清晰的液体油品由于出现蜡的微晶粒而呈雾状或浑浊时的最高温度。若油品继续冷却，直到油中出现肉眼能看得到的晶体，此时的温度就是结晶点。油品中出现结晶后，再使其升温，使原来形成的烃类结晶消失时的最低温度称为冰点。同一油品的冰点比结晶点稍高1～3℃。-6-浊点是灯用煤油的重要质量指标，而结晶点和冰点是航空汽油和喷气燃料的重要质量指标。纯化合物在一定温度和压力下有固定的凝点，而且与熔点数值相同。而油品是一种复杂的混合物，它没有固定的凝点。所谓油品的凝点，是在规定条件下测得的油品刚刚失去流动性时的最高温度，完全是条件性的。倾点是在标准条件下，被冷却的油品能流动的最低温度，冷滤点是表示柴油在低温下堵塞滤网可能性的指标，是在规定条件下测得的油品不能通过滤网时的最高温度。国内已开始逐渐采用倾点代替凝点，冷滤点代替柴油凝点作为油品低温性能的指标。油品的低温流动性与其化学组成有密切关系。油品的沸点愈高，特性因数愈大或含蜡量愈多，其倾点或凝点就愈高，低温流动性愈差。七、闪点、燃点和自燃点油品是易着火的物质。油品蒸气与空气的混合气在一定的浓度范围内遇到明火就会闪火或爆炸。混合气中油气的浓度低于这一范围，油气不足，而高于这一范围，空气不足，都不能发生闪火爆炸。因此，这一浓度范围就称为爆炸范围，油气的下限浓度称为爆炸下限，上限浓度称为爆炸上限。闪点是在规定条件下，加热油品所逸出的蒸气和空气组成的混合物与火焰接触发生瞬间闪火时的最低温度。由于测定仪器和条件的不同，油品的闪点又分为闭口闪点和开口闪点两种，两者的数值是不同的。通常轻质油品测定其闭口闪点，重质油和润滑油多测定其开口闪点。石油馏分的沸点愈低，其闪点也愈低。汽油的闪点约为-50～30℃，-7-煤油的为28～60℃，润滑油的为130～325℃。燃点是在规定条件下，当火焰靠近油品表面的油气和空气混合物时即着火并持续燃烧至规定时间所需的最低温度。测定闪点和燃点时，需要用外部火源引燃。如果预先将油品加热到很高的温度，然后使之与空气接触，则无需引火，油品因剧烈的氧化而产生火焰自行燃烧，称为油品的自燃。发生自燃的最低温度称为油品的自燃点。闪点和燃点与烃类的蒸发性能有关，而自燃点却与其氧化性能有关。所以，油品的闪点、燃点和自燃点与其化学组成有关。油品的沸点越低，其闪点和燃点越低，而自燃点越高。含烷烃多的油品，其自燃点低，但闪点高。闪点、燃点和自然点对油品的储存、使用和安全生产都有重要意义，是油品安全保管、输送的重要指标，在储运过程中要避免火源与高温。第二节石油产品的使用要求和规格一般来讲，石油产品是指石油直接生产的产品，并不包括以石油为原料合成的各种石油化工产品，现在的石油产品约有800多种。我国将石油产品主要分为六大类，分别是：燃料、润滑剂、溶剂和石油化工原料、石油沥青、石油蜡和石油焦。燃料主要包括汽油、喷气燃料（航空煤油，简称航煤）、柴油等发动机燃料及灯用煤油、燃料油等，我国石油产品中燃料占80%，其中约60%是各种发动机燃料。润滑剂包括润滑油和润滑脂，润滑剂产品的特点是产量小，仅占石油产品的约2%，但又是每种机械必不可少的，故品种达到数百种之多。石油化工原料主要包括制取乙烯的原料和生产烃的原料等，主要为石油化学提供合成的原料。石油沥青主要用于道路、建筑防水等方面，其产量约占石油产品的3%，石油蜡是轻工、化工和食品等工业部门的原料，-8-约占石油产品的1%。石油焦可用于炼铝及炼钢，也可以再加工生产石墨电极等产品，约占石油产品的2%。液体燃料与固体燃料相比较，具有热值高（石油产品热值为40000～48000千焦/千克，煤的热值为25000～33500千焦/千克）、灰分少、对环境污染小及输送使用方便等优点，因而广泛用于国民经济各个部门。不仅对液体燃料（特别是发动机燃料）的数量要求日益增加，而且对质量也提出了更高的要求。提高燃料的质量，可以提高发动机的效率，延长设备使用年限，降低燃料消耗，减少废气对环境的污染。一、汽油汽油主要用于汽化器式发动机或点燃式发动机(简称汽油机），是小轿车、摩托车、载重汽车、快艇、小型发电机和螺旋桨式飞机等的燃料。国产车用汽油有70、85、90、93、97等几种牌号，主要的质量要求有以下四个方面：二、柴油柴油是压燃式发动机(简称柴油机)的燃料。与汽油机相比，柴油机的热功效率高，燃料比消耗低，比较经济，因而在我国应用很广泛。它主要用作载重汽车、大轿车、拖拉机、船