"Химия. Базовый уровень", Кузнецова Н.Е., Гара Н.Н.
Нефть — природная смесь углеводородов, из которой получают топливо и сырьё для химической промышленности. Её нельзя разделить на отдельные вещества при одной температуре: компоненты кипят в разных температурных интервалах. Поэтому нефть нагревают и разделяют в ректификационной колонне на фракции. Тяжёлые углеводороды дополнительно подвергают крекингу, чтобы получить больше лёгких компонентов, в том числе для бензина.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нефть — природная маслянистая горючая жидкость, представляющая собой сложную смесь углеводородов с примесями других веществ. Это не одно чистое соединение, а сырьё с меняющимся составом. Понимание этого помогает объяснить, почему нефть перерабатывают, прежде чем использовать.
Фракционная перегонка нефти — разделение нефти на фракции по различию температур кипения компонентов. Фракция — группа веществ, кипящих в близком температурном интервале. Такой способ позволяет получить несколько полезных продуктов из смеси, не выделяя каждый углеводород отдельно.
Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие при нагревании, иногда в присутствии катализатора. Катализатор ускоряет химическую реакцию, но сам в ней не расходуется. Крекинг нужен, чтобы превратить часть тяжёлого сырья в более востребованные лёгкие вещества.
Октановое число — условная характеристика детонационной стойкости автомобильного бензина. Детонацией называют нежелательное быстрое сгорание топливно-воздушной смеси в двигателе. Этот показатель нужен, чтобы оценивать пригодность бензина для работы двигателя без детонации.
Нефть образовалась из органических остатков, которые долгое время преобразовывались в недрах Земли под действием температуры и давления. В ходе этих процессов возникла сложная смесь соединений, а не одно вещество с неизменным составом. Месторождения нефти обычно находятся в пористых горных породах, где жидкость может накапливаться в пустотах. Порода-коллектор удерживает нефть, тогда как окружающие слои могут ограничивать её дальнейшее перемещение.
Компоненты нефти различаются числом атомов углерода, строением молекул и молекулярной массой. Чем отличаются молекулы, тем обычно различаются и температуры, при которых вещества переходят в пар. Поэтому нефть не имеет одной определённой температуры кипения, как чистое вещество. При нагревании она испаряется постепенно, а не превращается в пар целиком в одной точке.
Для разделения нефть нагревают и направляют образовавшиеся пары в ректификационную колонну — вертикальное устройство, в котором температура обычно ниже у верхней части. Поднимаясь, пары охлаждаются, и вещества начинают конденсироваться, то есть переходить из газа в жидкость. Высококипящие компоненты превращаются в жидкость раньше, в более горячей нижней части. Низкокипящие поднимаются выше, где температура ниже, и конденсируются там.
При перегонке получают бензиновую, лигроиновую, керосиновую и газойлевую фракции, а также тяжёлый остаток. Бензиновую фракцию используют для производства автомобильного бензина, а керосиновую — как топливо, в частности авиационное. Газойлевая фракция служит сырьём для дизельного топлива и дальнейшей переработки; лигроиновая тоже может применяться как топливо и химическое сырьё. Конкретный состав и применение продуктов зависят от свойств сырья и процессов на нефтеперерабатывающем заводе.
Одной перегонкой нельзя получить нужное количество лёгких продуктов: значительная часть нефти приходится на тяжёлые углеводороды. При крекинге их крупные молекулы расщепляются на более мелкие, поэтому возрастает выход веществ, подходящих для производства бензиновых компонентов. В нефтепереработке применяют и каталитические процессы: катализаторы меняют скорость и направление превращений, помогая получать топливо с требуемыми свойствами. Качество бензина оценивают, в частности, по его октановому числу.
| Фракция или остаток | Примерный интервал кипения | Основные продукты и применение |
|---|---|---|
| Бензиновая фракция | Примерно 40–200 °C | Компоненты автомобильного бензина, растворители, сырьё для химического производства |
| Лигроиновая фракция | Примерно 150–250 °C | Топливо и сырьё для дальнейшей переработки |
| Керосиновая фракция | Примерно 180–300 °C | Керосин, в том числе авиационное и бытовое топливо |
| Газойлевая фракция | Примерно 250–350 °C | Дизельное топливо и сырьё для дальнейшей переработки |
| Остаток после перегонки | Выше примерно 350 °C | Мазут; сырьё для получения масел, битума и других продуктов |
Интервалы кипения приведены ориентировочно: реальные границы зависят от состава нефти и устройства процесса. Чтобы пользоваться таблицей, сравни температуры кипения: чем они ниже, тем выше соответствующая фракция конденсируется в колонне. Затем по последнему столбцу можно установить, для чего используют полученное сырьё.
Решение. Нужно выяснить, имеет ли нефть одну точку кипения или представляет собой смесь веществ. Затем следует связать температуры кипения компонентов со способом их разделения. Так мы определим, почему для нефти выбирают не однократное испарение при одной температуре, а перегонку с фракционированием.
Ответ: нефть нельзя разделить на составляющие при одной температуре, потому что это смесь компонентов с разными температурами кипения. Для её разделения применяют фракционную перегонку.
Решение. Сначала сравним летучесть фракций: чем вещество легче испаряется, тем обычно ниже его температура кипения. Затем используем устройство колонны: снизу вверх температура уменьшается, поэтому низкокипящие пары поднимаются дальше. Это позволяет установить и порядок кипения, и места сбора фракций.
Ответ: бензиновая → керосиновая → газойлевая. В колонне они собираются сверху вниз в том же порядке: чем выше температура кипения, тем ниже уровень конденсации.
Решение. Гексадекан — алкан с формулой C₁₆H₃₄, а октан и этен имеют формулы C₈H₁₈ и C₂H₄. Подберём коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало. Затем определим, как образование более мелких молекул связано с увеличением выхода лёгких продуктов.
Ответ: C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + 4C₂H₄. При крекинге тяжёлый углеводород превращается в более лёгкие продукты, среди которых появляются компоненты, используемые при производстве бензина.
Нефть иногда считают индивидуальным веществом, потому что она выглядит как однородная жидкость. Но её состав зависит от месторождения, а температура кипения не является одной постоянной величиной. Проверка: спросите себя, можно ли записать для всей нефти одну химическую формулу; если нет, перед вами смесь.
Фракционную перегонку путают с крекингом, поскольку оба процесса используют при переработке нефти. При перегонке вещества разделяются, но их молекулы не изменяются; при крекинге крупные молекулы химически расщепляются. Проверить различие можно по результату: сбор фракций — разделение смеси, появление новых молекул — химическое превращение.
Иногда полагают, что фракции с самой высокой температурой кипения собираются наверху колонны. На самом деле внизу горячее, поэтому высококипящие вещества конденсируются раньше, а низкокипящие поднимаются выше. Проверка: расположите фракции от наиболее высококипящей к наиболее низкокипящей и сопоставьте их с температурой в колонне.
Октановое число могут принимать за показатель теплоты сгорания или доли бензина. Оно характеризует устойчивость топлива к детонации, а не количество энергии, которое выделится при сгорании. Чтобы проверить себя, сформулируйте, от какого нежелательного явления защищает высокое октановое число.
Для понимания переработки нефти нужно знать свойства углеводородов и различие между смесью и чистым веществом. Строение алканов и алкенов помогает объяснить, какие вещества входят в нефтяные фракции и как при крекинге образуются продукты с меньшими молекулами. Эти знания пригодятся при изучении органического синтеза и топлива. Они также помогают обсуждать экологические последствия добычи, переработки и использования углеводородов.
Почему нефть называют смесью, а не веществом?
В нефти содержатся разные углеводороды, отличающиеся строением и молекулярной массой, а также примеси других веществ. Их соотношение меняется от месторождения к месторождению, поэтому нефть не имеет постоянного состава, характерного для индивидуального вещества.
Чем фракционная перегонка отличается от обычной перегонки?
Обычная перегонка позволяет отделить летучую жидкость от менее летучих компонентов или разделить вещества с заметно различающимися температурами кипения. Фракционная перегонка использует колонну, где пары многократно охлаждаются и вновь испаряются, поэтому смесь разделяется на несколько фракций с близкими интервалами кипения.
Почему бензиновую фракцию отбирают выше, чем газойлевую?
Компоненты бензиновой фракции кипят при более низких температурах и поднимаются выше по колонне, прежде чем сконденсироваться. Газойлевая фракция состоит из более высококипящих веществ, поэтому она охлаждается и собирается ниже.
Зачем проводят крекинг нефтяных фракций?
Крекинг расщепляет крупные молекулы тяжёлых углеводородов на более мелкие. Это позволяет увеличить выход лёгких углеводородов, востребованных как компоненты топлива и сырьё для дальнейшего химического производства.
Что показывает октановое число бензина?
Октановое число показывает, насколько бензин устойчив к детонации — слишком быстрому, взрывному сгоранию в двигателе. Чем выше это число, тем лучше топливо сопротивляется детонации при подходящих для двигателя условиях; теплоту сгорания оно не измеряет.
§ 37. Нефть. Нефтепродукты
