§ 8. Нефть и способы ее переработки

Определения и обозначения

Нефть — природная горючая маслянистая смесь преимущественно жидких углеводородов с примесями других веществ. В её составе могут быть углеводороды разного строения и размера, а также соединения серы, азота и кислорода. Поэтому свойства разных образцов нефти неодинаковы. Нефть важна как сырьё для получения топлива, смазочных материалов и веществ для химической промышленности.

Фракционная перегонка нефти — разделение её компонентов на фракции по различию температур кипения. Фракция представляет собой смесь веществ, которые кипят в близком температурном интервале. При перегонке компоненты испаряются и конденсируются при охлаждении пара, но их молекулы остаются прежними. Этот процесс нужен, чтобы получить из сложной смеси продукты с разными свойствами и применением.

Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие, в том числе с образованием алканов и алкенов. Например, из тяжёлых углеводородов можно получить соединения, входящие в состав моторного топлива. Крекинг изменяет химический состав исходных веществ, поэтому это не способ простого разделения. Его проводят, чтобы увеличить выход востребованных лёгких продуктов.

Риформинг — переработка бензиновых фракций, при которой меняется строение углеводородов и повышается качество бензина. Линейные молекулы могут превращаться в более разветвлённые или циклические соединения. Такие изменения помогают повысить детонационную стойкость топлива. Риформинг нужен для улучшения бензина, а не для расщепления крупных молекул, как при крекинге.

Как это устроено

Нефть не имеет одной точной температуры кипения, потому что состоит из множества веществ, а не из одинаковых молекул. Каждый компонент или группа близких компонентов испаряется при своей температуре. Поэтому при нагревании нефти сначала в пар переходят более летучие вещества, а при дальнейшем повышении температуры — менее летучие. Различие температур кипения позволяет разделять смесь без химического превращения её компонентов.

Нефть нагревают, и образовавшиеся пары направляют в ректификационную колонну — высокую установку с поддонами или другими поверхностями для контакта пара и жидкости. Внизу колонны температура выше, а при движении вверх она постепенно падает. Пары поднимаются и охлаждаются, поэтому вещества с подходящими для данного уровня температурами кипения конденсируются и собираются там. Более летучим компонентам нужно подняться выше, прежде чем они охладятся достаточно для конденсации.

При перегонке получают газовую, бензиновую, лигроиновую, керосиновую и газойлевую фракции, а в остатке остаётся мазут. Лёгкие фракции содержат сравнительно небольшие молекулы и кипят при более низких температурах; их используют, в частности, как топливо. В более тяжёлых фракциях преобладают крупные углеводороды с высокими температурами кипения, поэтому они конденсируются ниже и служат топливом либо сырьём для дальнейшей переработки. Перегонка лишь распределяет исходные компоненты по фракциям: химические связи и состав молекул при этом не меняются.

Одной перегонки недостаточно, потому что доля лёгких фракций в нефти ограничена, а спрос на бензин и другие моторные топлива велик. В тяжёлых остатках находятся крупные молекулы, из которых можно получить более востребованные лёгкие соединения. При крекинге эти молекулы расщепляются; помимо алканов могут образоваться алкены. Таким образом, крекинг увеличивает выход лёгких углеводородов не разделением, а химическим превращением сырья.

При риформинге перерабатывают бензиновые фракции, чтобы изменить строение входящих в них углеводородов. В частности, линейные молекулы превращаются в более разветвлённые или циклические соединения. Такие углеводороды лучше противостоят детонации — слишком раннему и резкому сгоранию топлива в двигателе. Поэтому риформинг повышает качество бензина, хотя, в отличие от крекинга, его основная цель — не расщепить крупные молекулы.

Основные фракции нефти и их применение

Значения температур в таблице приблизительны: состав нефти и границы отбора фракций могут различаться. Поэтому интервалы показывают общий порядок кипения, а не строгие границы для любой нефти. Сопоставляй температуру с размером молекул и применением: чем тяжелее фракция, тем выше обычно температура её кипения.

Разбор задач

Задача 1. Почему компоненты нефти собираются в разных частях ректификационной колонны? Объясните на примере лёгких и тяжёлых углеводородов. Для ответа нужно сравнить их температуры кипения и учесть, что в колонне внизу горячее, чем наверху. Место сбора определяется тем, на каком уровне пар охлаждается до температуры конденсации соответствующего компонента.

1. Лёгкие углеводороды имеют сравнительно низкие температуры кипения, поэтому для конденсации им требуется сильное охлаждение. Поднимаясь по колонне, их пары попадают в более холодные области.
2. Тяжёлые углеводороды кипят при более высоких температурах и конденсируются в более тёплых условиях. Поэтому они обычно собираются в нижней части колонны, а лёгкие — выше.

Ответ: тяжёлые компоненты конденсируются ниже, где температура выше, а лёгкие поднимаются дальше и собираются выше. Это объясняется различием их температур кипения и градиентом температуры в колонне. Речь идёт о разделении компонентов, а не об их превращении друг в друга.

Задача 2. При крекинге углеводород C₁₀H₂₂ распадается с образованием гексана и другого продукта. Определите формулу второго продукта и его класс, если это один углеводород. Считайте, что в реакции сохраняется число атомов каждого элемента. Уравнение начала реакции можно записать так: C₁₀H₂₂ → C₆H₁₄ + ?.

1. Сначала найдём число атомов углерода, оставшихся для второго продукта: 10 − 6 = 4. Значит, формула неизвестного углеводорода начинается как C₄.
2. Теперь вычтем число атомов водорода в гексане: 22 − 14 = 8. Второй продукт имеет формулу C₄H₈.
3. Сравним её с общей формулой алканов CₙH₂ₙ₊₂ и алкенов CₙH₂ₙ. Для n = 4 формуле CₙH₂ₙ соответствует C₄H₈, значит, продукт относится к алкенам.

Ответ: второй продукт — C₄H₈, алкен. Проверка баланса показывает, что слева и справа по 10 атомов углерода и 22 атома водорода. Такой ход решения помогает не только назвать вещество, но и проверить сохранение состава атомов.

Задача 3. Сравните перегонку и крекинг нефти: какой процесс выбрать, чтобы разделить смесь на фракции, а какой — чтобы увеличить выход лёгких углеводородов? Обоснуйте выбор. Важно сначала определить, меняются ли молекулы исходных веществ в каждом процессе. От этого зависит, какой результат можно получить.

1. Если нужно разделить исходную смесь по температурам кипения, выбирают фракционную перегонку. Нагревание и конденсация распределяют компоненты по разным частям колонны, но не расщепляют их молекулы.
2. Если требуется получить больше лёгких углеводородов из крупных молекул, применяют крекинг. При нём химические связи разрываются, образуя более мелкие продукты, в том числе алканы и алкены.

Ответ: для разделения смеси на фракции нужна перегонка, а для увеличения выхода лёгких углеводородов — крекинг. Первая операция физическая, вторая химическая. Если в ответе сказано, что перегонка расщепляет молекулы, процессы перепутаны.

Типичные ошибки

Нефть иногда называют веществом, имея в виду сырьё в целом, но считать её индивидуальным веществом неверно. Такую ошибку допускают, потому что нефть выглядит однородной жидкостью, хотя состоит из множества компонентов. Проверь себя: у чистого вещества есть определённая температура кипения, а смесь нефти кипит в широком интервале температур.

Перегонку порой путают с химической реакцией, поскольку и там и там нефть нагревают. Однако при перегонке меняются агрегатное состояние и распределение компонентов, а не состав молекул. Проверка простая: если описано образование новых веществ из старых, речь идёт уже не о перегонке, а о химическом процессе.

Неверно утверждать, что тяжёлые фракции конденсируются наверху колонны. Ошибка возникает, если забыть, что в верхней части температура ниже, а тяжёлым компонентам нужна более высокая температура для конденсации. Сопоставь температуру кипения фракции с температурой в колонне: тяжёлые вещества собираются ниже, лёгкие — выше.

Крекинг и риформинг — не одно и то же: первый расщепляет крупные молекулы, второй меняет строение углеводородов бензиновой фракции. Их объединяет то, что оба процесса химические, поэтому их легко смешать. Чтобы проверить ответ, спроси себя, что происходит с размером или строением молекул и какую цель преследует процесс.

Связь с другими темами

Для понимания переработки нефти нужны знания об алканах, алкенах и других углеводородах. Их строение и размер влияют на физические свойства, в том числе на температуры кипения, которыми пользуются при перегонке. Тема связана и с изученной в общей химии перегонкой — способом разделения смесей по различию физических свойств.

Крекинг и риформинг помогают увидеть, как органические реакции применяются на производстве. Знание этих процессов пригодится при изучении топлива, свойств углеводородов и рационального использования сырья. Так химические превращения связывают состав нефти с получением нужных продуктов.

Что запомнить

• Нефть — природная смесь углеводородов, а не индивидуальное соединение.
• Фракционная перегонка разделяет компоненты по температурам кипения.
• Лёгкие фракции с более низкими температурами кипения поднимаются выше по колонне.
• Перегонка не изменяет химический состав молекул.
• Крекинг расщепляет крупные углеводороды и увеличивает выход лёгких продуктов.
• Риформинг изменяет строение углеводородов бензиновой фракции и улучшает свойства бензина.