- Состав нефти
- Ректификация (перегонка) нефти
- Октановое число
- Крекинг нефтепродуктов
- Риформинг
- изучить состав нефти и попутного нефтяного газа
- изучить основные фракции, образующиеся при перегонке нефти
- рассмотреть процессы крекинга нефтепродуктов и риформинга
- научиться составлять уравнения химических реакций крекинга и риформинга
- рассмотреть понятие «октановое число»
- Какие алканы являются жидкими по агрегатному состоянию?
- Какие алканы содержатся в природном газе?
- Что такое крекинг?
- Какие ароматические углеводороды вы помните?
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).
Раньше нефтяной газ не использовался. Его сжигали. Сейчас его разделяют на несколько фракций (рис. 2).
Сухой газ схож с природным газом. Из него получают ацетилен и водород. 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).
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 .
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 до
Следующая фракция образуется при температуре 150–250 ºС. Это лигроин (от до . Он применяется как горючее для тракторов, частично идёт на переработку в бензин.
Керосиновая фракция (от до ) 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.
Ректификация, или перегонка — разделение жидких смесей на фракции, различающиеся температурами кипения.
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 , 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
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 можно получить октан, входящий в состав бензиновой фракции:
.
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 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.
Риформинг — химический процесс, в результате которого углеводороды подвергаются ароматизации, что увеличивает октановое число образующихся бензинов.
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.
Упражнение 1
Заполните пропуски в уравнениях реакций, назовите химический процесс.
а)
б)
в)
Упражнение 2
Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения.
→ октан + октен → октан
↓
2,2,4-триметилпентан
Формулы веществ записывайте структурно.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается бензин марки 92 от бензина марки 96?
2. С какой целью проводят крекинг углеводородов?
3. На какие фракции разделяют нефть в результате ректификации?
4. Что такое риформинг? Для чего он необходим?
Ответы
Упражнение 1
а)
в)
Упражнение 2
→ октан + октен-1 → октан
↓
2,2,4-триметилпентан