"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Нефть — природная смесь множества углеводородов, поэтому её нельзя использовать без разделения и переработки. Сначала нефть перегоняют и получают фракции с близкими температурами кипения: газы, бензин, керосин, газойль и мазут. Затем тяжёлые продукты подвергают крекингу, а бензиновую фракцию — риформингу. Эти процессы позволяют увеличить выход топлива, улучшить его качество и получить сырьё для химической промышленности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нефть — природная смесь углеводородов с примесями соединений серы, кислорода, азота и других веществ. В ней присутствуют молекулы разного размера и строения, поэтому у нефти нет одной химической формулы. Без разделения её нельзя эффективно использовать: отдельные части смеси служат разным видам топлива и сырьём для промышленности.
Нефтяная фракция — часть нефти, выделяемая в определённом интервале температур кипения и состоящая из близких по свойствам углеводородов. Фракция не является чистым веществом, поскольку включает много соединений. Такое разделение удобно тем, что каждой фракции можно подобрать своё применение.
Перегонка нефти — разделение смеси по различию температур кипения. При простой перегонке испарившиеся компоненты конденсируются в одном основном месте, а ректификация многократно повторяет испарение и конденсацию внутри колонны. Поэтому ректификация даёт более узкие и лучше разделённые фракции.
Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие при нагревании, часто с образованием алкенов. Например, из одного алкана могут получиться более лёгкие алкан и алкен. Процесс нужен, чтобы увеличить выход ценных лёгких продуктов и получить сырьё для органического синтеза.
Нефть разделяют потому, что её компоненты кипят при разных температурах и имеют разное назначение. Лёгкие углеводороды удобны для получения бензина и газа, средние входят в состав керосина и дизельного топлива, а тяжёлые используют иначе или перерабатывают дополнительно. Если применять нефть без разделения, невозможно получать продукты с необходимыми свойствами и качеством.
В ректификационной колонне нефть сначала нагревают, и её пары поступают снизу. Поднимаясь, пары встречают более холодные участки и частично конденсируются на тарелках или насадке. Лёгкие компоненты с низкими температурами кипения продолжают движение вверх, а тяжёлые конденсируются раньше и стекают вниз. Поэтому температура в нижней части выше, чем в верхней, а разные фракции отбирают на разных уровнях.
При первичной переработке получают нефтяные газы, бензиновую, керосиновую и газойлевую фракции, а также мазут. Газы используют как топливо и сырьё для химического производства, бензин — преимущественно в двигателях внутреннего сгорания. Керосин применяют как топливо для реактивных двигателей и в других технических целях, газойль — для дизельных двигателей. Мазут используют как тяжёлое топливо или направляют на дальнейшую переработку.
Одной перегонки недостаточно, потому что доля лёгких продуктов в нефти ограничена, а спрос на бензин и химическое сырьё велик. При крекинге тяжёлые молекулы разрываются, и из одной крупной молекулы образуются несколько меньших. Часто одним из продуктов становится алкен, например этен или бутен, который можно использовать для производства полимеров. Так увеличивается выход бензиновых компонентов и полезных веществ для органического синтеза.
Риформинг изменяет не столько размер молекул, сколько их строение. Линейные углеводороды превращаются в разветвлённые, циклические и ароматические соединения, устойчивее работающие в двигателе. Благодаря этому повышается детонационная стойкость бензина, то есть его способность сгорать без вредного преждевременного взрывообразного воспламенения. Побочными и одновременно ценными продуктами процесса являются ароматические углеводороды и водород.
В таблице приведены ориентировочные интервалы кипения: точные значения зависят от состава нефти и условий разделения. Чем выше температура кипения и крупнее молекулы углеводородов, тем ниже в колонне отбирается фракция. По последнему столбцу можно связать состав продукта с его практическим использованием.
| Фракция или продукт | Примерный интервал температур кипения | Основные углеводороды | Применение |
|---|---|---|---|
| Нефтяные газы | до 40 °C | Алканы C₁–C₄ | Топливо, сырьё для химической промышленности |
| Бензиновая фракция | 40–180 °C | Алканы, циклоалканы и арены C₅–C₁₀ | Автомобильное топливо, сырьё для риформинга |
| Керосиновая фракция | 180–240 °C | Углеводороды примерно C₁₀–C₁₆ | Реактивное и техническое топливо |
| Газойлевая, или дизельная, фракция | 240–350 °C | Углеводороды примерно C₁₄–C₂₀ | Дизельное топливо |
| Мазут | выше 350 °C | Тяжёлые углеводороды примерно C₂₀ и выше | Тяжёлое топливо, сырьё для крекинга |
| Продукты крекинга и риформинга | Зависит от продукта | Лёгкие алканы, алкены, арены, водород | Топливо и сырьё для органического синтеза |
Интервалы в таблице не означают, что каждая фракция состоит из одного вещества. Они показывают диапазон кипения смеси и помогают понять порядок её отбора. Для определения применения достаточно сопоставить летучесть, размер молекул и свойства углеводородов.
Условие. Нужно расположить нефтяные фракции по возрастанию температур кипения и определить, какая отбирается в верхней части колонны. Воспользуемся тем, что малые молекулы кипят легче крупных. В колонне температура уменьшается снизу вверх.
Ответ. Нефтяные газы < бензиновая фракция < керосиновая фракция < газойлевая фракция < мазут. В верхней части колонны отбирают нефтяные газы, поскольку они имеют самые низкие температуры кипения.
Условие. Запишем уравнение крекинга декана с образованием алкена и алкана. При разрыве цепи выбираем продукты, в которых сохраняются все атомы исходной молекулы. Декан имеет формулу C₁₀H₂₂.
Ответ. C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀. Продукты реакции — пентан, алкан, и пентен, алкен; над стрелкой можно указать нагревание и условия крекинга.
Условие. Из 1000 кг мазута получили 620 кг бензиновой фракции и 280 кг газообразных продуктов. Требуется найти массу остальных продуктов и массовые доли всех продуктов. При решении считаем, что масса сохраняется.
Ответ. Масса остальных продуктов равна 100 кг. Массовые доли составляют: бензиновая фракция — 62%, газообразные продукты — 28%, остальные продукты — 10%; сумма равна 100%.
Нефть иногда считают индивидуальным веществом с одной формулой, потому что в задачах часто работают с формулами отдельных углеводородов. На самом деле нефть — природная смесь множества соединений и примесей. Проверка проста: у индивидуального вещества постоянный состав, а состав нефти зависит от месторождения.
Перегонку путают с химическим превращением, поскольку нефть нагревают и получают новые продукты. При первичной перегонке в основном меняется расположение компонентов смеси, но сами молекулы не превращаются. Чтобы проверить себя, спросите: появились ли новые вещества из-за разрыва или образования связей; при перегонке ответ обычно отрицательный.
Некоторые думают, что сначала испаряются самые тяжёлые фракции, ведь колонна нагревается снизу. Однако легче испаряются вещества с меньшими температурами кипения, а тяжёлые конденсируются ниже. Проверяйте порядок по температурам кипения, а не по месту нагрева.
Крекинг иногда записывают как бесследное разложение крупной молекулы или забывают уравнять реакцию. Продукты должны содержать столько же атомов каждого элемента, сколько было в исходном углеводороде. Самопроверка состоит в подсчёте атомов углерода и водорода слева и справа от стрелки.
До изучения переработки нефти нужно знать строение и свойства алканов и алкенов, различие температур кипения и правила составления уравнений реакций. Эти знания помогают понять состав фракций и правильно записать крекинг.
Тема связана с топливом и органическим синтезом: продукты нефти используют для получения полимеров и других веществ. Она также подводит к обсуждению экологических последствий добычи, переработки и сжигания углеводородов.
Связь с физикой проявляется в испарении, конденсации и разделении смесей. С технологией тему объединяет устройство ректификационной установки и последовательность промышленных операций.
Почему нефть нельзя разделить на полностью чистые вещества простой перегонкой?
Нефть содержит огромное число углеводородов, причём температуры кипения многих из них близки. Простая перегонка разделяет смесь лишь приблизительно, поэтому получают фракции, а не индивидуальные чистые вещества.
Чем первичная переработка нефти отличается от вторичной?
Первичная переработка основана главным образом на физическом разделении нефти по температурам кипения и не меняет состав молекул. Вторичная переработка включает химические реакции, например крекинг и риформинг, изменяющие строение углеводородов.
Почему бензиновая фракция отбирается выше мазута?
Компоненты бензиновой фракции имеют меньшие температуры кипения и легче испаряются. В колонне температура снижается снизу вверх, поэтому бензиновые пары конденсируются выше, а тяжёлый мазут остаётся внизу.
Зачем проводят крекинг, если бензин уже получают при перегонке?
При перегонке бензина образуется ограниченное количество, а потребность в нём велика. Крекинг расщепляет тяжёлые углеводороды и превращает их в более лёгкие, в том числе бензиновые, продукты.
Как риформинг влияет на качество бензина?
Риформинг изменяет строение углеводородов бензиновой фракции и повышает её детонационную стойкость. Одновременно получают ароматические углеводороды и водород, востребованные в промышленности.
§ 18. Переработка нефти
