Nafta (0)

Koostis

Nafta koosneb põhiliselt süsinikust (82...87%), vesinikust (12...15%), väävlist (1,5%), lämmastikust (0,5%) ning hapnikust (0,5%). Hoolimata sellest, et elemendiline koostis on naftal suhteliselt lihtne, on molekulaarne koostis väga keerukas. Peamised naftat moodustavad ühendid jaotatakse kolmeks: parafiinid, nafteenid ning aromaatsed ühendid. Parafiinide ehk alkaanide keemiline valem on CnH2n+2. Nende keemistemperatuur on 40...200°C. Nad on nafta peamised koostisosad. Nafteenide keemiline valem on CnH2n. Nad on raskemad ning keerukama struktuuriga kui parafiinid. Nende hulka kuulub ka asfalt. Aromaatsed ühendid on keemilise valemiga CnH2n-6. Nende hulka kuulub näiteks benseen . Aromaatsed ühendid kuuluvad küll alati nafta koostisse, kuid moodustavad sellest suhteliselt väikse osa.
Peale süsiniku ja vesiniku sisaldab nafta ka väävlit, hapnikku, lämmastikku, metalle ning mittetäielikult lagunenud orgaanilist ainet. Mida suurem on nafta erikaal, seda suurem on lisandite sisaldus. Näiteks rasked naftad sisaldavad väävlit rohkem kui kerged. Rafineerimise käigus puhastatakse nafta väävlist, sest atmosfääri paiskudes põhjustaks väävel palju keskkonnaprobleeme.
Naftaga koos esineb ka maagaas, mis koosneb lenduvatest süsivesinikest, peamiselt alkaanidest, millest olulisim on metaan .

Omadused

Eri maardlatest ammutatud naftal võib olla väga erinev koostis ning sellest tulenevalt ka erinevad omadused. Nafta on väga tuleohtlik. Nafta erikaal on muutlik, kuid väiksem kui veel. Maapinnal olev nafta on madalama temperatuuri tõttu viskoossem kui sügaval Maa sees olev nafta.
Nafta tiheduse hindamiseks kasutatakse API- skaalat . Vee tihedus API-skaalal on 10, kergemate vedelike tihedus on kümnest suurem. Naftat, mille tihedus on alla 20, loetakse raskeks naftaks, tihedusega 20...25 on keskmine ning tihedusega üle 25 loetakse naftat kergeks.
Nafta värvus ulatub peaaegu värvitust kuni mustani, enamasti on see pruunikat tooni. Et nafta on ühendite segu, millel on erinevad keemis- ning sulamistemperatuurid, ei ole naftal ühtset keemis- ega sulamistemperatuuri. Küll aga tuleb arvestada sellega, et madalatel temperatuuridel muutuvad nafta ja sellest valmistatud tooted viskoossemaks ning võivad seega põhjustada probleeme näiteks õlitatavatel masinatel , mida kasutatakse külmas kliimas.

Teke

Nafta on tekkinud mittetäielikult lagunenud orgaanilisest ainest, mis võis olla nii taimne kui ka loomne ning kasvanud kas meres või maismaal. Suurem osa naftast on tekkinud arvatavasti merelisest fütoplanktonist ning protistidest. Sellised on näiteks sinivetikad ning foraminifeerid. Mattudes läbis orgaaniline aine diageneesi ning muutus kerogeeniks, olles niiviisi osa tekkinud orgaanikarikkast settekivimist, näiteks savikildast. Suurenev rõhk ning temperatuur viib kerogeeni lagunemiseni kergemateks molekulideks, mis hakkavad rõhu tõttu liikuma lähtekivimist välja ülespoole. Ülespoole liikuvatest vedelikest moodustavad süsivesinikud esialgu vaid tühise osa. See protsess toimub enamasti kahe kuni kolme kilomeetri sügavusel. Nafta koguneb poorsemasse kivimisse, näiteks liiva- või lubjakivisse. Nafta liigub ülespoole niikaua , kuni tuleb vastu kivimkiht, mis ei ole liikuvate vedelike jaoks läbitav. Et naftat moodustavad süsivesinikud on veest kergemad, kogunevad nad kõige ülemisse ossa, moodustadeski naftamaardla. Nafta koguneb nn naftapüünistesse, mis on geoloogilised struktuurid, näiteks antiklinaalid või murrangud, mis takistavad magma edasist liikumist. Naftamaardlad on sageli seotud ka soolakuplitega ehk diapiirilaadselt ülespoole liikuvate evaporiitidega.

Kasutus

Nafta on üks olulisemaid maavarasid. Teda kasutatakse peamiselt kütuse ja keemiatööstuse toorainena. Nafta tähtsust tänapäeva majandusele on raske ülehinnata. Naftahinnast sõltuvad enamike teiste kaupade hinnad.
Rahvusvaheliselt tuntuim nafta mahumõõtühik on barrel . Üks naftabarrel võrdub 42 galloni ehk umbes 159 liitriga.

Ajalugu

Nafta esmakasutamise au omistatakse sumeritele. Väga ammu tunti naftat ka Hiinas ja osati sellest petrooleumi saada. Viimast kasutati lambiõlina, ravimina ja vahest kõige enam sõjapidamiseks.
Sedamööda, kuidas arenes nafta töötlemise tehnoloogia ja kasvas nõudlus energiaallikate järele, hakati üha enam täiustama ka nafta saamisviise. Et maapinnale imbunud naftast ei piisanud isegi meie kaugetele eelkäijatele, ehitati esimesed puurtornid Hiinas juba meie ajaarvamise alguseks. Enam-vähem tänapäevane naftapuutorn lasti käiku USA-s Pennsylvanias 1855. aastal. Koos nafta tootmise kasvuga arenes ka nafta töötlemine. Sõiduauto Ford esimene, 1892. aastal loodud mudel tarbis kütusena juba bensiini või piiritust. Aastast 1920 on aga Ameerika Ühendriikides bensiin ametlik autokütus.

Naftaleiukohad

• Cantarelli naftaväli Mehhiko lahes; (BP Deepwater Horizoni naftaplatvorm[1])
  
• Libra naftamaardla Brasiilias, Rio de Janeiro rannikust 183 kilomeetri kaugusel
  
• Rosebanki naftamaardla
  

Suurimad naftatootjad

Järjestatult 2004. aasta andmete alusel, miljonit barrelit päevas:

• Saudi Araabia – 10,37
  
• Venemaa – 9,27 (2010. aastal juba 10,26[2])
  
• Ameerika Ühendriigid – 8,69
  
• Iraan – 4,09
  
• Mehhiko – 3,83
  
• Hiina – 3,62
  
• Norra – 3,18
  
• Kanada – 3,14
  
• Venezuela – 2,86
  
• Araabia Ühendemiraadid – 2,76
  
• Kuveit (OPEC) – 2,51
  
• Nigeeria (OPEC) – 2,51
  
• Suurbritannia – 2,08
  
• Iraak – 2,03
  

http://www.eava.ee/opiobjektid/mto/aerokytus/1_nafta_ja_naftasaadused.html

• 
  

Nafta on maapõues leiduv õlitaoline põlev vedelik helepruunist (peaaegu värvitust) tume pruunini (peaaegu mustani). Kohati tungib nafta ise maapinnale või purskab puuraukudest välja, kuid suure tihedusega ja viskoossusega naftat tuleb maapõuest välja pumbata alates kümnetest meetritest kuni 5-6 km-ni (enamikel juhtudel 1 km-3 km).
Nafta tekkeks on tänapäeval kaks versiooni. Esimese järgi on nafta tekkinud miljonite aastate jooksul madalates meredes elutsenud ning savi- ja liivakihtide alla mattunud taimede ning väikeloomade jäänuste lagunemisel hapniku juurdepääsuta. Teise versiooni järgi, aga loodusliku gaasi ja nafta koostisesse kuuluvad süsivesinikud tekivad maa sisemuses kõrge rõhu ja temperatuuri mõjul ning tungivad maakoores olevate pragude kaudu pinnale. Selle teooria järgi nafta tekkeprotsess jätkub.
Nafta elementkoostis:
C - 82 %...87 %
H - 11 %...14,5 %
S - 0,01 %...6,0 % (harva kuni 8 %)
O - 0,05 %...0,35 % (harva kuni 1,2 %)
N - 0,0001 %..1,80 % Kokku leidub naftas üle 50 elemendi: vanaadiumi (10-5%...10-2 %), niklit (10-4 %...10-3 %), kloori (jälgedest kuni 2 ∙10-2 %) jt.
Nafta koosneb põhiliselt süsinikust ja vesinikust; väävlit, hapnikku ja lämmastikku (heteroaatomeid) kokku 1 %...12 %.
Peamine osa vedelkütustest ja määrdeainetest toodetakse kaasajal naftast. Alternatiivkütuste-biodiisli ja piiritusbensiinide ning taimeõlide baasil valmistatud määrdeainete kasutamine on siiani piiratud.
Alternatiivsete sünteetiliste reaktiivkütuste tööstuslikud tootmise tehnoloogiad on väljatöötamisel. Söe baasil alternatiivse sünteetilise reaktiivkütuse tööstuslik tootmise tehnoloogia on Lõuna-Aafrika Vabariigi firma SASOL Ltd poolt lõplikult väljatöötatud ja kütusena kasutusele võtta lubatud. Firma laiendab tütarettevõtetena tootmist üle maailma.
Nafta ja gaasikondensaadi tarbevarud on maailmas hinnatud 5,2 1011 tonnile. Viimastel aastatel on tarbevaru täienenud (avastatud uusi leiukohti, täpsustatud reservvaru ) keskmiselt 3 - 4 miljardit tonni aastas. Varud paiknevad maailmas äärmiselt ebaühtlaselt. 2/3 varudest on Lähi-Idas, 8% Põhja ja Lõuna Ameerikas, 7% Euroopas, 7% Aafrikas, 6% Aasias, 1% Okeaanias . Riikidest on suurimad varud Saudi-Araabial, Iraagil, Venemaa varud moodustavad maailmavarudest ca 30%. Suuremad naftatootjad on Saudi-Araabia 12%, USA 10% ja Venemaa 9%. Suuremad nafta tarbijad aga USA 25%, EU 18%, Jaapan 8%, Hiina 6%.
Gaasivarusid on maailmas hinnatud 147 trillionit m3 (146·1012 m3), millest 48·1012 m3 paikneb Venemaa territooriumil.
Teisest Maailmasõjast saati on globaalne majanduskasv suuresti baseerunud süsivesinike külluslikel varudel- naftal ja maagaasil.
1950. aastast on ülemaailmne naftatarbimine kasvanud 8-kordseks, 10 miljonist barrelist 80 miljoni barrelini päevas.
Praegu on vanade tööstusmaade tarbimine kogu nafta tarbimisest 2/3, aga arenevad uued majandused Ida-Aasias ja Lõuna-Aasias ning Ladina-Ameerikas hakkavad aastaks 2025 1/2 kogu maailma energiatarbimisest võtma. Nafta kogutarbimine kasvaks 54 % koos vanade tööstusmaade nafta tarbimisega.
Kuna nafta- ja gaasivarud maailmas paiknevad ebaühtlaselt, siis süsivesinikvarudele toimuv võidujooks ägeneb. Vastavalt USA Energeetikaministeeriumi ASPO prognoosidele (joon.1.1) nafta tarbimine areneva maailma poolt 2001 ja 2025 aasta vahel 96 %, maagaasi tarbimine koguni 103 %. Hiina ja India oma 152 %.
Viimase 40 aastaga on leitud vähe uusi leiukohti. Suuremad leiukohad ja kõige suurem töötleja on Saudi-Araabia. Teised suuremad on Iraan, Iraak, Kuweit, Nigeeria, Venemaa ja Venezuela. Kui nafta tootmine on aastast aastasse kasvanud, siis naftamaardlate leidmine on 60-ndatest aastatest stabiilselt langenud, mis on näha joonisel 1.1.
Joonis 1.1.  Naftamaardlate leiud aastatel 1930-2004 gigabarrelites ning ASPO prognoos aastateks 2005-2050. Allikas http://wolf.readinglitho.co.uk/mainpages/discoveries.ht m
Nagu jooniselt 1.1 ASPO (Association for the Study of Peak Oil & Gas) prognoosilt näha, pumbatakse alates 80ndatest aastatest maa seest naftat välja rohkem kui leitakse. See viib tahes- tahtmata mõttele, et millalgi peab nafta maa seest otsa saama.
Kuid otsasaamine ei ole tegelikult kõige olulisem aspekt nafta tootmise juures. Tähtsaim parameeter on ajaühikus pumbatud nafta kogus.
1.2. Nafta ja naftasaaduste tihedus, tiheduse mõõtühikud, absoluutne ja suhteline (relatiivne) tihedus, API kraadid
Nafta tihedus:
väiksem kui 830 kg/m3 - kerge nafta
830 kg/m3...860 kg/m3- keksmine nafta
üle 860 kg/m3- raske nafta Naftaproduktide tihedused:
autobensiinid - 720 kg/m3...775 kg/m3
lennukibensiinidel - ei normita, aga kontrollimine kohustuslik,
tsiviilreaktiivkütustel (Jet A ja Jet A1) - 775 kg/m3-840 kg/m3, Jet B - 751 kg/m3-802 kg/m3
diislikütustel 820 kg/m3...845 kg/m3
kergetel kütteõlidel max 860 kg/m3
raskel kütteõlil- max 1020 kg/m3  
Tiheduse väljendamise viisid:
1. Absoluutne e aine tihedus - ühetaolise aine ruumala ühiku mass valitud temperatuuril.
Tiheduse mõõtühikuks SI süsteemis on kg/m3 kohta. Praktikas on kasutusel naftasaaduste puhul ka kg/l, g/cm3. 2. Suhteline (relatiivne) tihedus - kahe aine tiheduse suhe, mis on määratud standartsetes füüsikalistes tingimustes.
Vedelate ja tahkete ainete jaoks teda mõõdetakse temperatuuril t, destilleeritud vee tiheduse suhtes. Näiteks , , Suhteline tihedus on ühikuta suurus. USA-s võrdlustemperatuuriks 60°F (15,67oC), mille juures vee tihedus on 0,9990 g/cm3.
Nafta ja naftaproduktide suhtelise tihedusena on kasutusel uuritava aine ja referentsaine - vee tiheduse suhe 60°F juures: USA-s on kasutusel nafta ja naftaproduktide tiheduse iseloomustamiseks API (American Petroleum Institut ) kraadid.
API kraadide ja relatiivse tiheduse vaheline seos:
API tiheduse mõõtmised võivad olla teostatud teistel temperatuuridel kui 60oF, kuid tulemused esitatakse alati standardtemperatuuri 60oF juures.
, kus
T = uuritav temperatuur, oF
AT = API tihedus temperatuuril T ja
A60 = API tihedus 60 oF juures Koostatud on naftaproduktide tiheduse temperatuurist sõltuvuse tabelid - ASTM Petroleum Measurment Tables nii 60oF juures kui ka 15oC juures.
Celsiuse kraade teisendatakse valemitega
ja Naftaproduktide tiheduse mõõtmiseks kasutatakse naftadensimeetreid.  API tiheduse mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalseid API naftadensimeetreid, mille skaala on gradueeritud API kraadides .
 
Tiheduse sõltuvustemperatuurist
kus - standardtihedus 15,0 oC juures
- temperatuur tihedusemääramise ajal
- paranduskoefitsient e- tegur tiheduse temperatuurisõltuvusejaoks ( IP 160/99)
Nafta ja naftasaadused koosnevad paljudest orgaanilistest ühenditest, millel ei ole kindlat keemistemperatuuri. Neid iseloomustatakse keemistemperatuuri alguse ja fraktsioonkoostisega.
Keemise temperatuuri algus on temperatuur, mille juures destillatsiooniseadme vastuvõtu silindrisse kondenseeerub esimene tilk.
Fraktsioonkoostis on üksikute süsivesinikfraktsioonide väljakeenud maht kindlal temperatuuril.
Sõltuvalt proovi süsivesinikkoostisest, kui süsivesinike keemistemperatuurid on kuni (450...500) oC, on destillatsioon teostatav atmosfääri rõhul.
Kõrgemate keemistemperatuuridega fraktsioonide kättesaamiseks tuleb teostada vaakumdestillatsioon.
Naftaproduktide kergemad fraktsioonid on destilleeritavad atmosfääri rõhul, raskemad fraktsioonid ainult vaakumdestillatsiooni teel.
Fraktsioneeriv destillatsioon laboratoorsetes tingimustes teostatakse alljärgnevalt: destilllatsioonikolbi võetakse 100 ml kütust, kuumutatakse aurustumiseni, aurud kondenseeritakse jahutis ja kondenseerunud vedelik kogutakse mõõtsilindrisse. Termomeetriga registreeritakse temperatuurid ja märgitakse üles proovi keemistemperatuuri algus ja edasi nt iga 5oC tagant kondenseerunud vedeliku maht.
Fraktsioonkoostis iseloomustab produkti aurumise kergust. Naftast keeb kuni (450-500)oC 80% proovi mahust, harvem (560-580)oC 90-95%.
Aviobensiinide keemistemperatuuride vahemik (40 - 160..180)oC
Diislikütusel (180...360)oC
Reaktiivpetroolil (140...250)oC
Nafta ja naftasaadused on erineva süsivesinikkoostisega vedelikud. Vedelikke iseloomustab voolavus, mida saab kirjeldada viskoossuse kaudu. Suure viskoossega saadus voolab raskelt ja aeglaselt (näit toornafta). Kui naftaprodukt voolab kiiresti, siis on tema viskoossus väike (näit bensiin, reaktiivpetrool).
Madalamolekulaarsetes vedelikes , mis asuvad süsivesinike ühes homoloogilises reas, kasvab viskoossus lineaarselt molekulmassi kasvuga. Ta kasvab aga ka molekulisse tsükli ja polaarsete gruppide lisandumisega.
Viskoossuseks ehk sisehõõrdumiseks nimetatakse vedelike omadust avaldada vastupanu tema osakeste vastastikusele liikumisele välise jõu toimel.
Vedelike kihtide takistamist liikumisele põhjustavad molekulaartõmbejõud.
Andmed viskoossuse kohta on vajalikud vedeliku hoiustamise sobiva temperatuuri valikul , ümberpumpamisel või vedeliku sissepritsel mootorisse.
Viskoossust määratakse vedelatel naftaproduktidel, nn njuutonilistele vedelikele , mille viskoossus ei sõltu libisemiskiirusest.
Mittenjuutoniliste (setetega) vedelike puhul see nii ei ole. See fenomen põhjustab erineva läbimõõduga viskosimeetrite mõju määratud viskossuse tulemustele.
Viskoosssuse väljendamine
Viskoossuse suurust võib väljendada absoluutsena dünaamilise ja kinemaatilise viskoossuse ühikutes või suhtelistes ühikutes.
Dünaamiline viskoossus on õli sisemine takistus voolamisele.
Dünaamilise viskoossuse ühikuks SI süstemis on võetud sellise vedeliku viskoossus, mis osutab vastupanu 1 N kahe vastatstikuse nihkuvate kihtide pinnaga 1 m2, mis asuvad üksteisest 1 m kaugusel ja liiguvad kiirusega 1 m/s. Vastastikku liikuvate kihtide skeem on esitatud joonisel 1.2.
 
 
a) S=1m2, h=1m
b) F=1N, v=1 m/s
Joonis 1.2. Vedeliku kihtide nihkumise skeem: a) paigalseisus; b) liikumise alguses.
SGS- süsteemis dünaamilise viskoossuse ühikuna võetakse see takistav jõud (düünides), mis avaldub kahe 1 cm2 suuruse ja teineteisest 1 cm kaugusel asuvate vedelike pindade suhtelisel liikumisel kiirusega 1 cm/s. Kui seejuures on takistava jõu suurus 1 düün, siis vedeliku viskoossus on 1 puaas (dünaamilise viskoossuse ühik). Vedeliku laminaarse voolamise puhul takistava jõu suurus düünides (eelpool märgitud tingimustel) on arvuliselt võrdne selle vedeliku viskoossusega puaasides (1 puaas on 100 sentipuaasi).
Dünaamilise viskoossuse mõõtühik SI-süsteemis on paskal -sekund (Pa∙s), tihti kasutatakse millipaskalsekundit (mPa∙s). CGS- süsteemis on ühikuks puaas (P), tavaliselt tema sajandikosa sentipuaas (cP).
Viskoossuse mõõtühikud erinevates mõõtühikute süsteemides
Viskoossus
Mõõdusüsteem
Mõõtühikud
Ühiku dimensioon
Dünaamiline
CGS
puaas ja sentipuaas või
dyn .s /cm2 ehk g/cm .s
 
 
njuuton -sekund
ruutmeetri kohta
N .s/m2
 
SI
paskal-sekund
Pa.s
 
 
sentipaskal-sekund
cPa.s
 
 
millipaskal-sekund
mPa.s
Kinemaatiline
CGS
stooks ja sentistooks
cm2 /s; mm2/s
 
SI
ruutmeeter / sekund
m2 /s
Viskoossusühikute vahekord on järgmine:
1 puaas = 0,0102 kG . s/m2 = 0,1 N . s/m2
1 kG . s/m2 = 9,806 N . s/m2
1 stooks = 10-4 m2/s
1 centistooks = 10-6 m2/s  
Dünaamilist viskoossust kasutatakse suure viskoossusega naftaproduktide iseloomustamiseks. Teda määratakse otseselt rotatsioonviskosimeetriga. Dünaamilise viskoossuse määramist kasutatakse mootoriõlide puhul, millel on suur viskoossus ja õlide viskoossuse määramisel madalatel temperatuuridel. Praktikas kasutusel - minirotatsioon viskosimeeter (MVR, joonis 1.3), mille abil mõõdetakse mootoriõlide pumbatavuse piirtemperatuure (ASTM D3829 ja D4684). Pumbatavuse all mõeldakse madalaimat temperatuuri, mille puhul uuritavat mootoriõli saab panna piisaval hulgal voolama õlipumba abil. Sõltuvalt mootoriõli liigist on neil väga erinev pumbatavuse piirtemperatuur.
Joonis 1.3. Minirotatsioon - viskosimeeter
Dünaamilist viskoosssust võib praktiliselt määrata spetsiaalses viskosimeetris, kuid küllaldase täpsusega saab teda ka arvutada, kui on teada vedeliku kinemaatiline viskoossus ja tema tihedus samal temperatuuril,
 
, kus on dünaamiline viskoossus, Pa.s, - tihedus, kg/m3, - kinemaatiline viskoossus, m2/s.
Kinemaatiline viskoossus on vedeliku sisemine takistus voolamisele raskusjõu toimel. Kindla koguse läbipaistva vedeliku (õli) voolamisaega määratakse kapillaarviskosimeetriga ( Canon -Fenske, Ubbelohde, Sil, Saybolt, Pinkevitch jt).
Viskosimeeter on seadis vedelike viskoosssuse mõõtmiseks. Kinematilist viskoossust ei mõõdeta otseselt, vaid määratakse aeg, mis kulub kindla vedelikukoguse voolamiseks läbi kapillaarviskosimeetri.
 
Joonis 1.4. Pinkevich tüüpi kapillaarviskosimeeter.
Mõõtmiste tulemuste põhjal arvutatakse kinemaatiline viskoossus [mm2/s], [cSt] ühikuteks:
kus t - vedeliku voolamise aeg sekundites läbi viskosimeetri kapillaari ja C - viskosimeetri konstant (passist).
Kuna viskoossus sõltub temperatuurist, siis tema väärtust ei anta ilma temperatuurita, vaid alati tuuakse ära temperatuur, mille juures ta on määratud.
Standardite ja tehniliste tingimustega on erinevate naftaproduktide kinemaatiline viskoossus normeeritud erinevatel temperatuuridel: 20oC, 40oC, 50oC, 80oC, 100oC juures.
Kinemaatilise viskoossuse mõõtühik SI-süsteemis on ruutmeeter sekundi kohta (m2/s). Praktikas kasutatakse sellest miljon korda väiksemat ühikut - mm2 /s). Kasutusel on ka CGS- süsteemi ühik stooks (St) ja sellest sada korda väiksem ühik sentistooks (cSt)- inglise teadlase Stokesi järgi.
1 mm2/s=1cSt, 1cSt=10-6m2/s.
Kaasajal kasutatakse võimaluse korral arvutite abi kütuste ja õlide parameetrite määramisel. Olgu siin toodud üks näide - arvutiga kontrollitav Ubbelohdi viskosimeeter (Schott KPG Ubbelohde Viscometer), mis on kasutatav vedelike viskoossuse määramiseks temperatuuridel kuni 363 K (90 oC) ( praeguseks limiteeritud termostaadi poolt) vahemikus 0,3 kuni 100 mm2/s (cSt). Seadme skeem on toodud joonisel 1.5.
 
Joonis 1.5. Arvutiga kontrollitav Ubbelohde viskosimeeter.
Allikas http://www.ltp-oldenburg.de/ubbelohde_vi.ht m
Kinemaatilist viskoossust väljendatakse ka tingühikutes. Tingviskoossust - suhtelist viskoossust - mõõdetakse spetsiaalsetes viskosimeetrites, mis mõõdavad viskoossust tingviskoossuse ühikutes - Redwoodi sekundites, Engleri kraadides, Saybolt universaal-ja furoolsekundites.
Kasutusel on kolm eri tüüpi viskosimeetreid:
1) Redwoodi viskosimeeter, mida tuntakse standartse Briti viskosimeetrina. Mõõdab Redwoodi sekundeid. Redwoodi sekundid on aeg, mis kulub 50 ml testitava vedeliku (õli) läbivoolamiseks fikseeritud temperatuuril läbi seadme kalibreeritud ava. Seade on kasutuses kahes variandis: Redwoodi viskosimeeter tüüp-I ja Redwood tüüp- II. Kui läbivoolamise aeg ületab 2 000 s, siis kasutatakse tüüpi-II. 2) Engleri viskosimeeter, mis mõõdab Engleri kraade sarnaselt Redwoodi sekunditega, on kasutuses Euroopas. Engleri viskosimeetrist voolutatakse läbi fikseeritud temperatuuril 200 ml õli läbi kalibreeritud ava. 3) Saybolti viskosimeetrid, mis on Ameerikas kasutuses: I- tüüp Saybolt furoolviskosimeeter, mille abil ajamõõtja järgi määratakse Saybolti furoolsekundeid (SSF), mis kulub 60 ml proovi läbivoolutamiseks ; II- tüüp- Saybolt universaalviskosimeeter, mille abil määratakse ajamõõtja järgi Saybolti universaalsekundeid (SSU), mis kulub 60 ml proovi läbivoolutamiseks. Furoolviskosimeeter on loodud mootorikütuste ja õlide jaoks. Universaalviskosimeeter teiste (enamviskoossete) tööstuslike määrete ja õlide jaoks. Saybolt universaalsekundid (SUS)- vedeliku kinemaatiline viskoossus, mis on määratud 60 cm3 vedeliku läbivoolu ajaga sekundites läbi standartse ava. Antud õli jaoks Saybolt universaalsekundite väärtus võib olla 10 korda kõrgem kui Saybolt furoolsekundite väärtus samal temperatuuril.  
Joonis 1.6. Shelli Engleri viskosimeeter naftaproduktide jaoks (valmistaja China Hangyu Industry Company Limited - http://oilpurification.en.ecplaza.net/13.asp ).
Engleri viskosimeeter on kalibreeritud avaga, produkti soojendamist võimaldava küttekehaga seadis 200 ml proovi voolutamiseks. Tingviskoossus on aegade suhe, mis kulub teatud temperatuuril viskosimeetrist 200 ml uuritava vedeliku ja samasuguse koguse vee läbivooluks. Vee läbivoolutamise aeg mõõdetakse temperatuuril 20oC.
Selle suhte arv kirjeldab antud vedeliku tingviskoossust Engleri kraadides temperatuuril t ja näitab mitu korda on uuritava vedeliku viskoossus suurem vee viskoossusest.
 
Dünaamilise ja kinemaaatilise viskoossuse ühikute teisendamine - Sentistooksi (cSt), SentiPuaasi (cP), Saybolt universaalsekundite (SSU) ja furoolsekundite(SSF), Engleri kraadide teisendamine. Nende seos absoluutse viskoossusega.
Kinemaatilise viskoossuse () ja tingviskoossuse Engleri kraadides vaheline seos:
, (cSt)   Eriti paksude õlide puhul, kus tingviskoossus on üle 10 Engleri kraadi, kasutatakse valemit:
, (cSt) Kinemaatilise viskoossuse ühikute teisendamise kokkuvõtlik tabel:
CentiPuaasid (cP)
CentiStooks (cSt) x Tihedus
SSU1
Centistooks (cSt) x 4.55
Engleri kraadid1 x 7.45
Centistooksid (cSt)
Redwoodi sekundid1 - 4.05
Centistooksid (cSt)
1- kui sentistooksid (mm2/s) on suuremad kui 50
Et leida Saybolti universaalne viskoossus temperatuuril t määratud kinemaatilise viskoossuse jaoks, korrutatakse Saybolt universaalne viskoossus 100oF juures koefitsendiga
l =(t-100)0.000064.
Kui kinemaatiline viskoossus on kõrgem kui 1300 centiStoksi 122oF juures, siis Saybolti universaalne viskoossus tingühikutes väljendatuna on:
Saybolt universaalsekundid = centiStokes x 0,4717. Kui õli kinemaatiline viskoossus on enam kui 1300 centiStoksi 210 oF juures, siis viskoossus Saybolti furoolsekundites väljendatuna on leitav seosest:
Log(Saybolt Furol Sec - 2.87) = 1.0276 (Log(Centistokes)) - 0.3975
1.8. Nafta keemiline koostis
Nafta koosneb ligi 1000 individuaalsest süsivesinikust: enamikus, rohkem kui 500 e 80 %-90 % vedelatest ja
heteroaatomilistest orgaanilistest ühenditest (4%-5 %):
enamikus väävlitsisaldavad (umbes 250),
lämmastikkusisaldavad (rohkem kui 30) ja
hapnikkusisaldavad( ligikaudu 85), aga ka
metallorgaanilisted ühendid (enamikus vanaadiumi ja nikli );
ülejäänud on süsivesinikgaasid C1-C4 - 0,1 %...4 %,
vesi (jälgedest kuni 10 %) ning
mineraalsoolad (põhiliselt kloriidid 0,1 mg/l...400 mg/l ja enam, orgaaniliste hapete soolad, jt),
mehhaanilised lisandid (saviosad, liiv, lubjakivi ).
Süsivesinikkoostis: põhiliselt alkaanid (tavaliselt 30 %-35 %), harvem 40 %-50 %, nafteenid (25%-75 %). Vähemal määrala aromaatse rea ühendeid (10 %-20 %, harvem 35 %) ja sega- e hübriidtüüpi, nt parafiin - nafteen , nafteen-aromaatsed.
Heteroaatomilised komponendid on: väävlitsisaldavad- väävelvesinik H2S, merkaptaanid, mono- ja disulfiidid, tiofeenid, tiofaanid, aga ka polütsüklilised jt (70-90 %), millised kogunevad nafta destillatsiooni jääkproduktidesse- masuuti ja gudrooni, lämmastikkusisaldavad - ülekaalukalt püridiinirea homoloogid kinoliin, indool, karbasool, pürool, aga ka porfiriinid (kontsentreeruvad rasketesse fraktsioonidesse ja jääkidesse); hapnikkusisaldavad - nafteenhapped, fenoolid, vaikasfalteenained jt.
Põhiosa naftast moodustavad mitmesugused küllastunud süsivesinikud. Nende molekulid võivad olla väga keeruka ehitusega. Süsiniku aatomid võivad neis moodustada pikki ahelaid või rõngaid (tsükleid) ja nende kombinatsioone.
Küllastunud süsivesinike põhigruppe on kolm:
1) alkaanid
2) tsükloalkaanid (nafteenid)
3) areenid (aromaatsed süsivesinikud) Süsivesinikud, mille molekulis on 1...4 süsinikuaatomit, on gaasilised , suurema arvu süsinikuaatomite korral vedelad või tahked .
Süsivesinike omadused igas rühmas määrab molekulide struktuur ja moolmass. Moolmassi kasvades suureneb süsivesinike tihedus ja viskoossus ning tõuseb sulamis- ja keemistemperatuur.
1.9. Nafta töötlemine kütusteks ja määrdeaineteks
Nafta eeltöötlust alustatakse nafta setitamisest, mille tulemusena eraldatakse, temast vesi ja mineraalained - savi, liiv, lubjakivi jm.
Järgneb lihtne füüsikaline eraldusprotsess, mida kutsutakse destillatsiooniks.
Destillatsioon on menetlus vedelike puhastamiseks neis lahustunud tahketest ainetest või madalama keemistemperatuuriga vedeliku eraldamiseks kõrgema keemistemperatuuriga vedelikest aurustamise ja auru taasvedeldamise teel.
Destilleerimisel ei muutu süsivesinike struktuur. Olenevalt nafta leiukohast saadakse temast otsedestilleerimisel 10%...15% bensiini, 15%...20% reaktiivmootorikütust, 15%...20% diislikütust ja umbes 50% masuuti. Viimase teistkordsel destillatsioonil valmistatakse mitmesuguseid määrdeaineid.
Naftat destilleeritakse pidevalt töötavates destillatsiooniseadmetes normaalrõhul (atmosfäärdestillatsioon) ja seejärel raksemad naftafraktsioonid vaakumis (vaakumdestillatsioon).
Destillerimisel võetavad peamised fraktsioonid on: gaasid, bensiin (40...210) oC, ligroiin - (120...240) oC, petrool - (150...320) oC, gaasiõli - (180...360) oC, solaarõli - (300...400) oC.
Seejärel pumbatakse järelejäänud masuut , kuumutades auruga 430 oC, vaakumdestillatsioonikolonni, kus aurustuvad ja eralduvad õlifraktsioonid. Järelejäänud gurdoonist toodetaks suure viskoossusega jääkõlisid peamiselt lennunduse jaoks.
Joonis 1.8. Nafta töötlemise lihtne skeem.
Hiljem sai destillatsioonist pidevalt jätkuv protsess. Kaasajal on enamik protsesse pideva vooluga - moderne toorõli rafineerimise perioodiline protsess.
Joonis 1.9. Kaasaegne nafta rafineerimise kompleksskeem.
 
Destillatsioonikolonnis (vt joonis 1.9 bensiini tootmise osa) madalamate keemistemperatuuridega süsivesinikud propaan ja butaan - tõusevad üles kolonni tippu. Otsevoolu (stright run) bensiin, petrooleum ja diislikütuse fraktsioonide vaheltvõte toimub kolonni madalamaltelt positsioonidelt. Otsevoolu produktid isoleeritakse lihtsa destillatsiooniga. Süsivesinikke, mille keemistemperatuurid on kõrgemad diislikütuse omadest ei aurustata; nad jäävad vedelikuks ja langevad kolonni põhja (atmosfäärsed jäägid e atm gaasiõli:AGO-Atmospharic Gas Oil). Algselt kasutati atmosfäärseid jääke teekatete valmistamiseks ja tihendusmaterjalina, pitseerimismaterjalina jm. Hiljem leiti, et jääkidest saab täiendavalt vaakumdestillatsiooniga kõrge väärtusega määrdeõlisid ja parafiini toota.
Vaakumdestillatsioon vajab tugevat, lakkamatut püstisuunalist differentseeritud rõhku ja keerukat rõhu kontrollsüsteemi.
Nafta otsedestillatsioonil (joonis 1.8) saadavate kütuste kogused ja kvaliteet ei vasta tänapäeva vajadustele, sest otsedestillatsioonil saadakse suhteliselt vähe bensiini (15 %..25 %). Et bensiini ja ja teiste vedelkütuste koguseid suurendada, on välja töötatud kaasaegne nafta rafineerimise komplekssüsteem. (joonis 1.9)
Rafineerimise komplekssüsteem põhineb otsedestillatsioonil saadavate fraktsioonide, töötlemisjääkide ja gaaside (etaan, butaan) edasisel töötlemisel kvaliteetsete naftaproduktide saamiseni .
Rafineerimine on abinõude süsteem, mille tulemusena suure molekulmassiga molekulid lõhustatakse ( krakkimine ), väikese molekulmassiga (gaaside) molekulid liidetakse (alküülimine, polümerisatsioon) ja molekulide struktuuri muudetakse (katalüütiline reformeerimine, vesinikmenetlus).
Kaasajal on naftatöötlemisel bensiini osakaalu suurendamiseks kasutuses järgmised krakkimise moodused:
a) termiline krakkimine
b) katalüütiline krakkimine
c) vesinikkrakkimine Saades teada, et atmosfäärse destillatsiooni jääkides (AGO) olevaid kõrgema keemistemperatuuriga süsivesinikke (suuremate hargnenud ahelatega molekule) saab edasi lõhustada e krakkida madalama keemistemperatuuriga süsivesinikeks kõrgeid temperatuure rakendades, avanes võimalus rahuldada suurenenud nõudlust bensiini järele.Termilist krakkimist on kasutatud alates 1913.a. Termilisel krakkimisel saadakse rohkelt olefiine, millel on kõrgem oktaaniarv, aga nad võivad põhjustada mootoris setete teket. Tänapäevaste standardite järgi, oli varane krakitud bensiin madalakvaliteediline ja väikese jõudlusega, aga teda oli piisavalt neil päevil bensiini tarbivate sõidukite jaoks.
Hiljem rakendati kuumuse toimele katalüsaatori toime, muutes termilise krakkimise katalüütiliseks krakkimiseks. Katalüsaator on aine, mis kiirendab või mõnel teisel viisil hõlbustab (kergendab) keemilist reaktsiooni, ilma et ta ise keemiliselt muutuks.
a) Termilist krakkimist kasutatakse masuudi ja teiste raskete destillerimisfraktsioonide töötlemiseks temperatuuril kuni 490 oC ja rõhul 2 MPa, raskemaid destillatsiooniprodukte (gaasiõlid, pertooleum, ligroiin) krakitakse temperatuuril üle 500 oC ning rõhul 5...7 MPa. Neis tingimustes toimub peamiselt molekulide lõhustumine ning saadakse suures koguses bensiini. See on alkeenirikas (olefiinirikas), mistõttu on ebastabiilne. Seetõttu töödeldakse edasi, vt joonis 1.9.
b) Katalüütiliselt krakitakse peamiselt kergeid destillatsiooniprodukte (gaasiõli), kusjuures temperatuur on 510 oC...540 oC, rõhk 0,3 MPa. Katalüsaatoreina kasutatakse alumosilikaate, metallide oksiide Cr2O3 , Al2O3 ja puhtaid metalle Pt, Ni. Katalüütilisel krakkimisel toimub peale molekulide lõhustumise veel molekulide struktuuri muutumine ( isomeerimine , vesiniku ümberpaigutumine) ning alkaanide ja tsülkloalkaanide muundumine areenideks (aromatiseerumine).
Katalüütilise krakkimisega saadakse kõrgema kvaliteediline bensiin kui termilise krakkimisega. Katalüütilist krakkimist on mitmeid variatsioone, aga vedelik katalüütiline krakkimine (Fluid catalytic cracking, FCC) on enamikes modernsetes rafineerimise tehastes bensiini tootmise tähtsaim osa. Termin tuli praktikast tahke katalüsaatori vedeldamisest seetõttu, et katalüsaatorit sai krakkimise reaktsiooni sektsioonist katalüsaatori regenereerimise sektsiooni viia ja sealt tagasi krakkimise sektsiooni ja nii edasi pidevas tsüklis.Vedelik katalüütiline krakkimine toodab edasise rafineerimisprotsessi jaoks, näiteks alküleerimise jaoks teisi vajalikke lähteaineid.
c) Vesinikkrakkimine
Vesinikkrakkimine on sarnane katalüütilisele krakkimisele selles, et ta kasutab katalüsaatorit, aga katalüsaator on vesinikkeskkonnas. Vesinikkrakkimine võimaldab lõhustada süsivesinikke, mis on katalüütilise krakkimise suhtes püsivad. On üldiselt enamkasutatav diislikütuse tootmisel kui bensiini tootmisel.
Järgmine protsesside grupp (katalüütiline reformeerimine, alküülimine, polümeerimine, isomeerimine) tõstab rafineerimisel bensiini oktaaniarvu ühispanust.
Need protsessid ennetavad detonatsioonivastaste lisandite kasutamist. Nad on saanud kõige tähtsamateks kütuse tootmisprotsessideks, sest pliid bensiini oktaaniarvu tõstjana kasutatakse üha vähem.
Kõrgeoktaaniliste bensiinide tootmiseks ilma detonatsioonivastase pliilisandita on ainult üks tee, kasutada loomupäraselt kõrge-oktaanilisi süsivesinikke või oksügenaate, sest mõlemad omavad kõrgeid oktaaniarve.
Katalüütiline reformeerimine on protsess, kus destilleerimisel või termilisel krakkimisel saadud bensiin kuumutatakse üle 500 oC rõhul 5..7 MPa ja katalüsaatorite juuresolekul.
Reformeerimise protsessis muudetakse sirge ahelaga parafiinid aromaatseteks ühenditeks.
Näit. normaalheptaan viiakse tsüklilisse normaalheptaani (RON=0) vormi, mille järel eemaldatakse vesinikku, saades tolueeni (RON = 120). Seega molekulide struktuuri muutmisega tõuseb oluliselt bensiini kvaliteet (alkaanirikkas bensiinis suureneb oluliselt areenide hulk).
Katalüsaatorite Ni, Pt mõjul tekib ka suures koguses väävelvesinikku, mille tõttu väheneb kütuste väävlisisaldus.
Alküülimine on protsess, kus rõhu ja katalüsaatorite mõjul toimub väikese molekulmassiga (peamiselt gaasiliste alkaanide ja alkeenide molekulide liitumine.
Levinum on isobutaani alküülimine isobuteeniga
C4H10 + C4H8 → C8H18 .
Protsess toimub temperatuuril (0...20) oC, rõhul 1,5 MPa (15 kg/cm2), katalüsaatoriteks väävelhape ja fluorvesinik.
Alküülimise tulemusena saadakse väärtuslikke bensiini komponente - alküülbensiine.
Polümeerimine on protsess, mille toimel olefiinid , tüüpilised C3 olefiinide propüleenid polümeriseeritakse kõrgema molekulmassiga kõrgemateks olefiinideks C6, C9, C12 jne.
Polümeristasioonil kaksiksidemeid sisaldavad (soovimatud ebastabiilsed) olefiinid muudetakse parafiinideks enne nende blendimist (ühtlaseks segamist) bensiinideks
Isomeerimine tõstab rafineerimisel saavutatava oktaaniarvu ühispanust muutes sirge ahelaga (tüüpilised C5 ja C6 parafiinid nende harunenud isomeerideks.
Antud süsinike aatomite arvuga harunenud isomeerid on kõrgema oktaaniväärtusega kui nende haranemata ahelaga isomeerid.
Hüdrogeeniv desulfureerimine on üks vesiniktöötlusmeetoditest.
Vesinikutöötluse tähtsaim ülesanne on väävliühendite kõrvaldamine väävelvesinikuna kõrgendatud temperatuuridel ja sobiliku katalüsaatori juuresolekul rafineeritavast kütuse voost. H2S eraldatakse gaasijoast solvendiga (näit amiiniga) pesemisel ja seejärel muudetakse elementaarseks väävliks.
Vesiniktöötlusega eemaldatakse kütusevoost väävliga koos lämmastiku, hapniku ja arseeniühendid Pt-katalüsaatori juuresolekul.
Protsessi viiakse läbi diapasoonis pehmetest selektiivsetest -vesinikuga töötlusest kõrge reaktsioonivõimega olefiinide kõrvaldamisest kuni raske vesiniktöötluseni - aromaatsete ühendite muutmiseni naftaleenideks.
Väävlikõrvaldamine e desulfureerimine on üks näide vesinikmenetlusprotsessidest. Madalam väävlisisaldus on vajalik ka kütusevoo reformeerimisel, sest väävliliig deaktiveerib katalüsaatori.
Vedelik- katalüütilisel krakkimisel väävliliig lähteaines põhjustab vedelik - krakkbensiinides kõrgema väävli taseme ja suurema hulga SO2 tekke katalüsaatori regenereerimisel.
1.9.9. Bensiinide blendimine
Selleks et tagada bensiinile esitatavate kõikide nõuete täitmist, on bensiini tootmise viimaseks astmeks mitmesuguste eri kütusevoogude blendimine ( segamine homogeenseks).
Lõplikult valmistatud bensiini jaoks on tavaline kuue või enama voo ühtesegamine ja vajalike manuste juurde lisamine talle vajalike omaduste andmiseks