原油中的化合物基本上是碳氢化合物或取代的碳氢化合物,按元素组成来看,含有85%–90%的碳和10%–14%的氢,其余的为非碳氢化合物-硫(0.2%–3% )、微量氮(<0.1–2%)、氧(1%–1.5%)和镍、钒、砷、铅和其他金属的有机金属化合物(百万分之几或十亿分之几的浓度) 。由于地层中含有水,或在钻井和生产过程中会注入水和化学品,无机盐如氯化镁、氯化钠和其他无机盐也会与井中的原油伴生。
1) 烃类化合物
仅由碳和氢组成的化合物称为烃。烃按大类分为链烷烃、环烷烃、芳烃和烯烃。原油包含不同比例的这些碳氢化合物,但烯烃除外,烯烃是在加工过程中产生的。
链烷烃属于饱和烃。饱和烃是烃的碳原子的四个键与四个单独的原子结合的一种化合物。例如:甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷,其通用分子式为CnH2n+2,其中n是该化合物中的碳原子数。这些烃的同系物称为烷烃。
烷烃从甲烷开始,甲烷的化学式为CH4。与芳族化合物和烯烃相比,烷烃相对反应性不高。在室温下,烷烃不受强发烟硫酸、强碱或强氧化剂如铬酸的影响。但在阳光下用氯,或在催化剂存在下用溴可缓慢地进行取代反应。链烷烃有正链烷烃和异链烷烃两种。正链烷烃属于直链化合物,异链烷烃属于支链化合物。正链烷烃和异链烷烃具有相同的分子式(即相同数目的碳和氢原子),但是由于异构性,它们的物理和化学性质差异很大。正链烷烃的异构体数目随链烷烃中碳原子数目的增加而增加。例如,碳原子数为5、6和8的链烷烃的异链烷烃分别为3、5和18。异链烷烃比正链烷烃更具反应性,并且在车用汽油中希望有异链烷烃。正链烷烃可以通过热解或催化过程转化为异链烷烃,此过程称为异构化反应。
烯烃属于不饱和烃,即分子式中两个碳原子之间存在双键。通式为CnH2n,该同系物的最小成员为乙烯C2H4。烯烃具有很高的反应性,可以自身反应生成单烯烃。烯烃容易与酸、碱、卤素、氧化剂等发生反应。原油中不含烯烃,但通过正链烷烃的热催化分解或脱氢而生成。像链烷烃一样,烯烃可以是直链(正构)或支链(异构)的烃。烯烃可以通过与溴或碘反应中的溴或碘的数量来测定。它们在氧气存在下很容易转化为二烯烃,并形成胶状物质。存在于石油产品的烯烃可以通过硫酸吸收来脱除。
环烷烃是具有类似烯烃分子通式CnH2n的环状饱和烃,也称为环烷烃。由于它们是饱和的,因此相对不活泼,就像链烷烃一样。环烷烃是用于生产芳族化合物和优质润滑油基础油的理想化合物。
与其他类型的烃相比,芳烃(通常称为苯)在化学上非常活跃。它们的通式为CnH2n-6。这些烃极易被氧化生成有机酸。环烷烃可以在铂催化剂存在下脱氢生成芳烃。低碳芳烃,例如苯、甲苯和二甲苯,是许多石化产品的良好溶剂和前体。石油产品中的芳烃可通过用苯酚,糠醛和二乙二醇等溶剂萃取来分离。
2) 复杂碳氢化合物
原油中还包含大量的烃类,这些烃不属于链烷烃、烯烃、环烷烃或芳烃类,但可以是任何两个或更多族的链烷烃、环烷烃或芳烃的组合基团。通过连接两个或多个环烷烃环或将环烷烃和芳族环、具有芳族环的烷烃链(烷基-芳族化合物)等结合,可以形成大量复杂的烃,比如萘烷,萘和联苯。较重的原油馏分包含这些类型的碳氢化合物。多核(多环)芳烃或多核芳烃(PNA)在原油及其尾油产品中是众所周知的。PNA是焦的前体,由于热效应而形成。多核芳烃即使通过深度加氢裂化也无法轻易分解。
3) 非烃或杂原子化合物
碳氢化合物中常见的杂原子是硫、氧、氮和金属原子。硫化合物再原油中以硫醇、一硫化物和二硫化物形式存在,通式为R-SH、R-S-R1、R-S-S-R1,其中R和R1为烷基。硫醇具有很高的腐蚀性,而单硫和二硫化物无腐蚀性。
环状硫化合物的实例是噻吩和苯并噻吩。硫化氢(H2S)气体以溶解形式与原油结合,并在加热时释放。H2S在高温和湿气存在下具有腐蚀性。含大量H2S的原油称为含硫原油。石油燃料产品中存在的硫在燃烧过程中还会形成各种硫氧化物(SOx),它们是极强的环境污染物。H2S可以通过胺溶液中吸收从气体中脱除。
在轻质馏出物中,硫可能以硫化氢、硫醇和噻吩的形式存在,但在较重的原油馏分中,80%–90%的硫通常存在于烃的复杂环结构中。在这种结构中,硫原子非常稳定且无反应性。因此,如果没有破坏性反应(例如:剧烈的热反应或催化反应),则无法除去重质石油中的硫。如今,硫在精炼过程中被回收并作为产品出售。硫对多种催化剂也有中毒作用。
碳氢化合物中的氮化物通常存在于原油的较重组分中。这些是造成颜色和颜色不稳定以及某些催化剂中毒的原因。石油燃料中的氮会导致氮氧化物(NOx)的产生,而氮氧化物也是大气中的强污染物。氮可以通过催化加氢从石油产品中脱除。像硫一样,如果不发生严重的裂化或氢化反应,则无法除去较重石油中的氮。
含氧化合物:原油中可能含有引起腐蚀的含氧化合物,例如环烷酸、苯酚和甲酚。氧也对许多催化剂有毒。可以通过催化加氢除去氧。过量的氧化合物甚至可能导致爆炸。
原油中还发现了钒、镍、铅、砷等金属化合物。钒和镍以有机金属化合物的形式存在,主要存在于较重的原油馏分中,其中金属原子以卟啉的复杂形式分布在化合物中。包含这些金属化合物的石油燃料可能会损坏燃烧器、管路和燃烧室的壁。