§ 9. Нефть и способы ее переработки

Определения и обозначения

Нефть — природная горючая маслянистая жидкость, представляющая собой смесь углеводородов с примесями других веществ. Она состоит из множества компонентов, а не из одинаковых молекул, поэтому её состав может различаться. У компонентов разные температуры кипения, и нефть закипает не при одной постоянной температуре, а в некотором интервале. Это помогает понять, почему её разделяют на части, а не выделяют из неё одно вещество.

Фракционная перегонка — разделение нефти на фракции, то есть группы веществ с близкими температурами кипения. Нефть нагревают, компоненты испаряются, а их пары поднимаются и охлаждаются в колонне. На разных уровнях пары конденсируются, то есть переходят обратно в жидкость, поскольку там достигают подходящей температуры. Так получают отдельные смеси компонентов, не изменяя их химический состав.

Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Он нужен, чтобы из тяжёлых нефтяных фракций получать больше лёгких веществ. Среди продуктов крекинга есть компоненты, используемые для производства бензина. Следовательно, этот процесс меняет сами молекулы, а не просто отделяет одну часть нефти от другой.

Риформинг — переработка углеводородов бензиновой фракции, при которой меняется строение их молекул. В отличие от крекинга, его основная задача не в расщеплении крупных молекул, а в преобразовании уже имеющихся углеводородов. Благодаря риформингу улучшается качество бензина. Этот процесс позволяет повысить ценность бензиновой фракции как топлива.

Как это устроено

Нефть образовалась из остатков древних организмов, которые накапливались в осадочных породах. Сначала органические остатки оказывались погребены под новыми слоями породы, где к ним был ограничен доступ кислорода. Затем на протяжении очень длительного времени давление и температура способствовали их преобразованию. В результате возникла смесь углеводородов, а не одно чистое вещество: исходный материал и условия преобразования были неоднородными.

Смесь отличается от индивидуального вещества тем, что содержит несколько разных веществ, каждое из которых сохраняет свои свойства. В нефти есть углеводороды с разными размерами и строением молекул, а также примеси. Поэтому состав и свойства нефти из разных мест могут различаться. Именно неодинаковость компонентов позволяет разделять их физическими методами, а сама нефть не описывается одной химической формулой.

При первичной переработке нефть нагревают, и часть её компонентов переходит в пар. Пары поступают в ректификационную колонну — высокую установку, в которой температура снижается снизу вверх. Поднимаясь, пар охлаждается, и компоненты конденсируются на тех уровнях, где температура становится подходящей для их кипения и конденсации. Компоненты с более высокой температурой кипения конденсируются ниже, а более летучие пары поднимаются дальше и собираются выше.

В результате перегонки получают нефтяные газы, бензиновую, керосиновую и газойлевую фракции, а внизу остаются мазут и другие тяжёлые остатки. Чем легче и летучее компоненты фракции, тем ниже их температуры кипения и тем выше они обычно отбираются в колонне. Лёгкие газы применяют как топливо и химическое сырьё, бензиновую фракцию — для получения моторного топлива, керосиновую — в том числе как авиационное топливо, а газойлевую — для дизельного топлива. Тяжёлые остатки используют для дальнейшей переработки и получения нефтепродуктов.

Перегонка сортирует компоненты, но не превращает тяжёлые молекулы в лёгкие, поэтому её недостаточно для удовлетворения спроса на топливо. При крекинге тяжёлые углеводороды расщепляют, увеличивая выход веществ с меньшими молекулами, в том числе компонентов бензина. Чтобы улучшить свойства бензиновой фракции, применяют риформинг: он изменяет строение входящих в неё молекул. Значит, выбор процесса зависит от цели — получить больше лёгких продуктов или повысить качество бензина.

Фракции нефти и продукты её переработки

Сравнивайте строки сверху вниз: в целом летучесть уменьшается, а температуры кипения компонентов повышаются. Применение показывает, почему отдельные фракции важны для энергетики и химического производства. Границы фракций не означают, что в каждой содержится одно чистое вещество.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему нефть нельзя представить одной химической формулой. Нужно определить, является ли нефть индивидуальным веществом или смесью. От этого зависит, можно ли записать для неё одну формулу, как для чистого соединения.

1. Вспомним, что индивидуальное вещество имеет определённый состав, а его частицы имеют один и тот же набор атомов.
2. В нефти содержатся разные углеводороды, молекулы которых различаются составом и строением. Кроме того, в ней присутствуют примеси.
3. Состав нефти может изменяться, поэтому нельзя указать неизменное соотношение всех частиц и записать одну формулу.

Ответ: нефть — смесь переменного состава, а не индивидуальное соединение, поэтому единой химической формулы у неё нет.

Задача 2. В ректификационной колонне пары нефти разделяются на фракции. Где будут конденсироваться более летучие компоненты и почему? Чтобы ответить, нужно связать летучесть с температурой кипения и учесть, что верх колонны холоднее низа.

1. Более летучие вещества легче переходят в пар и имеют сравнительно низкие температуры кипения.
2. Такие пары не конденсируются в горячей нижней части, а поднимаются выше вместе с газовой смесью.
3. Выше температура ниже; достигнув подходящего уровня, пары охлаждаются и превращаются в жидкость.

Ответ: более летучие компоненты конденсируются выше тяжёлых фракций, потому что поднимаются в более холодные части колонны.

Задача 3. При переработке тяжёлой фракции нужно увеличить выход лёгких углеводородов, а для бензиновой фракции — улучшить качество топлива. Выберите подходящие процессы и объясните выбор. Сначала определим, требуется ли изменить размер молекул или их строение.

1. Для тяжёлой фракции цель — получить больше лёгких веществ, поэтому нужны реакции, расщепляющие крупные молекулы на более мелкие.
2. Такое расщепление осуществляет крекинг; он увеличивает выход лёгких продуктов, в том числе компонентов бензина.
3. Для бензиновой фракции требуется улучшить качество топлива, а не просто разделить смесь или расщепить все её молекулы.
4. Эту задачу решает риформинг: он изменяет строение молекул углеводородов бензиновой фракции.

Ответ: для тяжёлой фракции выбирают крекинг, чтобы получить больше лёгких углеводородов; для бензиновой — риформинг, чтобы улучшить качество топлива.

Типичные ошибки

Ошибка: считать нефть индивидуальным веществом с одной формулой. Так думают, потому что нефть выглядит как единая жидкость, но внешний вид не показывает число компонентов. В её составе много углеводородов и примесей, а доли компонентов меняются. Проверьте себя: если вещество содержит разные частицы и имеет переменный состав, это смесь.

Ошибка: представлять перегонку как химическую реакцию. Путаница возникает из-за того, что в установке происходят нагревание и охлаждение. Однако при перегонке компоненты в основном испаряются и конденсируются, сохраняя свой состав. Чтобы проверить ответ, спросите себя: образуются ли новые вещества или исходные только переходят между жидким и газообразным состояниями?

Ошибка: путать перегонку и крекинг. Оба процесса связаны с переработкой нефти, поэтому их цель иногда смешивают. Перегонка разделяет компоненты по температурам кипения, а крекинг химически расщепляет молекулы. Проверка простая: если молекулы сохраняются, но распределяются по фракциям, это перегонка; если становятся меньше — крекинг.

Ошибка: считать риформинг способом отделения бензина от нефти. Такое представление возникает из-за того, что риформинг связан с бензиновой фракцией. На деле её получают при разделении, а риформинг изменяет строение содержащихся в ней углеводородов. Проверьте себя: отделяет ли процесс смесь на части или преобразует молекулы ради улучшения качества топлива?

Связь с другими темами

Для понимания переработки нефти нужны знания об углеводородах, алканах и непредельных углеводородах: строение и состав молекул помогают объяснить различия между нефтяными компонентами. Также важно отличать смесь от индивидуального вещества, иначе трудно понять, почему у нефти нет единой формулы. Фракционная перегонка связана с физическими способами разделения смесей — испарением, конденсацией и перегонкой. Крекинг и риформинг пригодятся при изучении органических реакций, промышленного получения топлива и сырья для химического производства.

Что запомнить

• Нефть — природная смесь углеводородов с примесями.
• Фракционная перегонка разделяет компоненты нефти по температурам кипения.
• Более летучие компоненты поднимаются выше в ректификационной колонне.
• Фракции нефти отличаются составом, свойствами и применением.
• Крекинг расщепляет крупные молекулы углеводородов на более мелкие.
• Риформинг изменяет строение молекул бензиновой фракции и улучшает качество топлива.