Конспект урока: Нефть и способы её переработки

Состав нефти

Нефть является густой маслянистой жидкостью от светло-коричневого до чёрно-бурого цвета с характерным запахом. Нефть легче воды. В земной коре она появилась миллионы лет назад в процессе разложения остатков растений и животных.

Вместе с запасами нефти встречается и попутный нефтяной газ. Он растворяется в нефти, а также располагается над ней под давлением в виде «газовой шапки». Во время бурения давление падает и газ выходит из скважины, отделяясь от нефти.

Попутный нефтяной газ имеет аналогичное происхождение, что и природный газ. Его выделяют, так как он встречается в залежах вместе с нефтью. По составу он немного отличается от природного газа меньшим содержанием метана за счёт увеличения углеводородов с большей молекулярной массой (рис. 1).

Рисунок 1. Состав попутного нефтяного газа

Раньше нефтяной газ не использовался. Его сжигали. Сейчас его разделяют на несколько фракций (рис. 2).

Рисунок 2. Фракции попутного нефтяного газа

Сухой газ схож с природным газом. Из него получают ацетилен и этилен. Пропан-бутановая смесь применяется в качестве горючего в баллонах автомобилей, работающих на газе, а также в газовых зажигалках. Газовый бензин применяется как добавка к бензинам.

Сама же нефть по своему составу представляет собой смесь углеводородов, как правило, алканов, содержащих от 6 до 50 атомов углерода. Причём это могут быть вещества как разветвлённого, так и неразветвлённого строения. Помимо алканов в нефти содержатся ароматические углеводороды и другие вещества (рис. 3).

Рисунок 3. Схема состава нефти

Кислородные соединения представлены нафтеновыми кислотами и фенолами, сернистые соединения — меркаптанами, неорганические вещества: известь, кремнезем, оксиды железа и марганца.

Ректификация (перегонка) нефти

Первичная переработка нефти заключается в её ректификации, или перегонке (рис. 4). Сначала от неё отделяют попутные нефтяные газы, затем нагревают до 350 ºС и образовавшиеся пары вводят снизу в специальную ректификационную колонну.

Рисунок 4. Схема переработки нефти методом ректификации

Там нефть снова подвергается нагреванию. 

Причём идёт постепенное увеличение температуры, в результате чего нефть разделяется на несколько смесей, называемых фракциями.

При температуре 40–200 ºС отгоняется фракция бензина, содержащая углеводороды от ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12 }$до ${\mathrm{C}}_{11}{\mathrm{H}}_{24}.$

Следующая фракция образуется при температуре 150–250 ºС. Это лигроин (от ${\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18}$ до ${\mathrm{C}}_{14}{\mathrm{H}}_{30})$. Он применяется как горючее для тракторов, частично идёт на переработку в бензин.

Керосиновая фракция (от ${\mathrm{C}}_{12}{\mathrm{H}}_{26}$ до ${\mathrm{C}}_{18}{\mathrm{H}}_{38}$) получается при повышении температуры от 180 до 300 ºС. Очищенный впоследствии керосин применяется как горючее для реактивных самолётов и ракет.

Газойль, или дизельное топливо образуется при температуре более 275 ºС. Соответственно, он содержит углеводороды с большей молекулярной массой.

Остаток нефти после перегонки называется мазут. Из него впоследствии получают соляровое масло, смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток из мазута называется гудрон, применяемый для создания асфальтного покрытия.

Октановое число

Вы наверняка знаете, что бензин сгорает в двигателе внутреннего сгорания с образованием углекислого газа и воды. Некоторые смеси горят со взрывом, что называется детонацией. Это приводит к преждевременному износу двигателя.

Поэтому для характеристики качества бензина разработана специальная октановая шкала. За 0 взята способность к детонации неразветвлённого гептана $({\mathrm{СH}}_3-{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_5-{\mathrm{CH}}_3)$, а за 100 — достаточно устойчивого к детонации углеводорода  2,2,4-триметилпентана.

Этот углеводород является изомером октана, поэтому отсюда и пошли такие названия, как октановое число и октановая шкала.

Так, например, 96 бензин по способности к детонации соответствует смеси 96 % изооктана (2,2,4-триметилпентан) и 4 % гептана.

Крекинг нефтепродуктов

Рисунок 5. В. Г. Шухов

С крекингом алканов вы уже знакомились во время изучения темы «Предельные углеводороды. Алканы».

 

Крекинг разработал знаменитый отечественный инженер Владимир Григорьевич Шухов (автор телебашни на Шаболовке) в конце XIX века. 

 

В основе крекинга идёт расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие при высокой температуре (термический крекинг). Например, из гексадекана $\left({\mathrm{C}}_{16}{\mathrm{H}}_{34}\right)$ можно получить октан, входящий в состав бензиновой фракции:

 

${\mathrm{C}}_{16}{\mathrm{H}}_{34} \to {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{18} + {\mathrm{C}}_8{\mathrm{H}}_{16}$.

 

Зелинский Н. Д. усовершенствовал процесс, используя в качестве катализаторов оксид алюминия и оксид кремния (каталитический крекинг).

 

При каталитическом крекинге идёт не только расщепление, но и изомеризация и ароматизация  углеводородов. Следовательно, образуются бензины с большим октановым числом.

 

Таким образом, из низших сортов нефти можно получать высококачественное топливо.

Риформинг нефти

Риформинг нефти заключается в частичной ароматизации бензиновой фракции, то есть получении ароматических углеводородов из алканов, которые увеличивают стойкость к детонации, а значит, получаются бензины с большим октановым числом. Это уже  знакомая для вас реакция по теме «Арены». Таково, например, получение толуола из гептана: 

Процесс обычно ведут при нагревании на платиновом катализаторе.

Более дешёвый путь повышения октанового числа бензинов — это добавление в бензин специальных добавок, например, тетраэтилсвинца $\left(\mathrm{Pb}{\left({\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_5\right)}_4\right).$ Однако из-за опасности данного соединения (из-за содержания свинца!) его запретили в России с 2002 года.

Более безопасный метод — это введение кислородсодержащих веществ (метиловый или этиловый спирт), увеличивающих детонационную стойкость и не дающих вредных выхлопных газов.

Разбирая процессы крекинга и риформинга, не забывайте, что нефть является не только топливом, но ценным сырьём в нефтехимии. Из неё синтезируют полиэтилен, полипропилен, синтетический каучук, пластмассы, искусственные ткани, шампуни, духи, лекарственные препараты (например, ацетилсалициловая кислота), антибиотики, антисептики, удобрения, ядохимикаты, косметику, красители, ароматизаторы; выделяют серу и даже создают синтетические белки.

Поэтому нефть — это чрезвычайно важный продукт, от добычи и переработки которого зависит мировая экономика.

Однако, у этой «медали» есть и  вторая сторона. Необходимо помнить об экологических проблемах, связанных с разливами нефти, а также об исчерпаемости её месторождений. По оценкам добывающих компаний при современном потреблении нефти в мире её осталось на 47 лет.

Ответы

Упражнение 1

а) ${\mathrm{C}}_{14}{\mathrm{H}}_{30} \to {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{14} + {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16}$

в) ${\mathrm{CH}}_3-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3 \to {\mathrm{CH}}_3-\mathrm{CH}\left({\mathrm{CH}}_3\right)-{\mathrm{CH}}_2-{\mathrm{CH}}_3$

Упражнение 2

${\mathrm{C}}_{16}{\mathrm{H}}_{34}$  → октан + октен-1 → октан 

                  ↓

              2,2,4-триметилпентан

${\mathrm{C}}_{16}{\mathrm{H}}_{34} \to {\mathrm{CH}}_3-{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_6-{\mathrm{CH}}_3 + {\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_4-{\mathrm{CH}}_3$

${\mathrm{CH}}_2=\mathrm{CH}-{\mathrm{CH}}_2{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_4-{\mathrm{CH}}_3 + {\mathrm{H}}_2 \to {\mathrm{CH}}_3-{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_6-{\mathrm{CH}}_3$