Текст учебника. Урок 9. Нефть и способы ее переработки

Нефть и способы её переработки

1. Нефть как сложная смесь углеводородов

Нефть — это ценнейшее природное ископаемое, играющее ключевую роль в современной экономике. Её часто называют «чёрным золотом». С химической точки зрения нефть представляет собой сложную смесь, состоящую преимущественно из углеводородов различного строения — алканов, циклоалканов и аренов. Помимо углеводородов, в её состав входят соединения, содержащие серу, кислород и азот.

Нефть — это маслянистая жидкость от тёмно-коричневого до чёрного цвета, обладающая характерным запахом. Она легче воды и в ней не растворяется. В природном виде сырая нефть не используется. Чтобы превратить её в полезные продукты, необходимо провести переработку, которая делится на физические и химические методы.

2. Физические методы переработки: перегонка и ректификация

Первичная переработка нефти направлена на разделение её на отдельные фракции — группы углеводородов с близкими температурами кипения. Этот процесс основан на физическом свойстве веществ — разнице в их температурах кипения.

• Перегонка (дистилляция) — это процесс испарения жидкости с последующей конденсацией её паров. При нагревании нефти в первую очередь испаряются углеводороды с самыми низкими температурами кипения. Их пары отводятся и охлаждаются, превращаясь в жидкий дистиллят.

• Ректификация — это более совершенный и эффективный процесс, который проводится в специальных аппаратах — ректификационных колоннах. Внутри колонны создаётся градиент температур: внизу жарко, а вверху холоднее. Поднимающиеся пары встречаются со стекающим конденсатом и многократно испаряются и конденсируются. Это позволяет добиться чёткого разделения смеси.

Основные фракции, получаемые при ректификации нефти:

• Бензин (tкип ≈ 40–200 °C) — применяется как топливо для автомобильных двигателей.

• Лигроин (нафта) (tкип ≈ 150–250 °C) — используется как сырьё для химической промышленности и как горючее для тракторов.

• Керосин (tкип ≈ 180–300 °C) — топливо для реактивных самолётов и ракет, осветительное средство.

• Газойль (дизельное топливо) (tкип ≈ 200–350 °C) — топливо для дизельных двигателей.

• Мазут — густая чёрная жидкость, остающаяся после отгонки лёгких фракций. Мазут используется как котельное топливо, а также подвергается дальнейшей переработке для получения смазочных масел, парафина и битума.

3. Химические методы переработки: крекинг

Физическими методами невозможно существенно увеличить выход наиболее ценной фракции — бензина. Для решения этой проблемы были разработаны химические методы, главным из которых является крекинг.

Крекинг (от англ. to crack — расщеплять) — это процесс термического или каталитического разложения тяжёлых углеводородов нефти (например, содержащихся в мазуте) на более лёгкие с образованием углеводородов бензиновой фракции.

Различают два основных вида крекинга:

• Термический крекинг проводится при высокой температуре (450–550 °C) и повышенном давлении. При этом длинные молекулы алканов разрываются на более короткие молекулы алканов и алкенов.
  C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆
  Однако бензин, полученный термическим крекингом, обладает невысоким качеством.

• Каталитический крекинг — это более современный и эффективный процесс. Он проводится при температуре 450–500 °C в присутствии катализаторов (алюмосиликаты). Катализаторы ускоряют реакцию и позволяют получать бензин с более высокими эксплуатационными характеристиками. Бензин каталитического крекинга имеет более высокую детонационную стойкость.

4. Понятие об октановом числе бензинов

Детонационная стойкость — это способность топлива сопротивляться самопроизвольному воспламенению (взрывному горению) в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Детонация приводит к снижению мощности двигателя и его быстрому износу.

Для количественной оценки детонационной стойкости бензинов введено понятие октанового числа.

За эталоны приняты два углеводорода:

• н-гептан (C₇H₁₆) — обладает очень низкой детонационной стойкостью. Его октановое число условно принято за 0.

• изооктан (2,2,4-триметилпентан C₈H₁₈) — обладает высокой детонационной стойкостью. Его октановое число условно принято за 100.

Октановое число бензина — это процентное содержание изооктана в такой смеси с н-гептаном, которая по своей детонационной стойкости эквивалентна данному бензину.

Например, если бензин имеет октановое число 92, это означает, что он детонирует так же, как смесь, состоящая из 92% изооктана и 8% н-гептана.

Чем выше октановое число, тем выше качество бензина. Повысить октановое число можно с помощью каталитического крекинга, риформинга, а также путём добавки специальных присадок — антидетонаторов.

Выводы

1. Нефть — это сложная смесь углеводородов, которая служит основным источником топлива и сырьём для химической промышленности.

2. Первичная переработка нефти (перегонка и ректификация) — это физический процесс разделения её на фракции based на разнице температур кипения.

3. Крекинг — химический процесс разложения тяжёлых углеводородов на более лёгкие, позволяющий увеличить выход бензина.

4. Качество бензина характеризуется его октановым числом, которое показывает стойкость топлива к детонации.