"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Нефть — природная смесь углеводородов и примесей, из которой получают топливо, смазочные материалы, битум и сырьё для химической промышленности. При перегонке нефть разделяют на фракции по интервалам температур кипения, а при крекинге крупные молекулы превращают в более мелкие. Эти процессы помогают получать нужные продукты, но действуют по-разному: перегонка разделяет смесь, крекинг меняет состав веществ. Качество бензина, в частности его стойкость к детонации, характеризует октановое число.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Нефть — природная сложная смесь углеводородов с примесями. В ней встречаются алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды, а также небольшие количества соединений серы, азота и кислорода. Поэтому у нефти нет одной химической формулы, а её цвет, вязкость и плотность зависят от состава. Это определение помогает не путать нефть с чистым веществом и понимать, почему её перерабатывают поэтапно.
Нефтяная фракция — часть нефти, выделяемая в определённом интервале температур кипения. В неё попадают вещества, температуры кипения которых близки, поэтому фракция обычно содержит много соединений, а не одно. Названия бензиновая, керосиновая и другие указывают на характерные свойства и применение таких смесей. Понятие фракции нужно, чтобы описывать результат перегонки без ошибочного приписывания ему одной формулы.
Фракционная перегонка нефти — разделение нефти на фракции благодаря различию температур кипения её компонентов. При нагревании пары поднимаются по колонне, охлаждаются и конденсируются на разных уровнях. Так можно отделить группы веществ, не превращая их молекулы в другие соединения. Этот способ используют, когда нужно распределить исходную смесь на полезные части.
Крекинг — расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие под действием высокой температуры, иногда в присутствии катализатора — вещества, ускоряющего реакцию. При таком превращении меняется химический состав исходного сырья. Среди продуктов могут быть алканы и алкены, то есть углеводороды с двойной связью. Крекинг нужен для получения большего количества лёгких топливных компонентов и ценного химического сырья.
Нефть считают смесью, потому что в ней одновременно присутствует множество разных углеводородов, а не молекулы одного вида. Одни компоненты отличаются длиной углеродной цепи, другие — её строением или наличием цикла. Кроме них, в нефти есть небольшие количества примесей, которые тоже влияют на свойства и необходимость очистки. Поэтому состав нефти описывают в целом, а не одной формулой вроде CₙH₂ₙ₊₂.
Разделение в колонне становится возможным из-за неодинаковых температур кипения компонентов. Нефть нагревают, и её пары поступают в ректификационную колонну — высокую установку, где температура постепенно снижается снизу вверх. Восходящий пар охлаждается, а компоненты конденсируются на тех уровнях, где условия подходят их температурам кипения. Более летучие вещества обычно собираются выше, а менее летучие — ниже; затем продукты отводят отдельно.
Фракция не становится чистым веществом, потому что перегонка не сортирует каждую молекулу по отдельности. В одном интервале кипения оказываются разные углеводороды с близкими физическими свойствами, а границы разделения не являются абсолютно резкими. Поэтому бензиновая или керосиновая фракция — это группа компонентов, а не соединение с фиксированной формулой. Такой способ разделения удобен на производстве, хотя не даёт чистых индивидуальных веществ.
Крекинг нужен потому, что тяжёлые фракции содержат крупные молекулы, а спрос на лёгкое моторное топливо может быть выше, чем количество бензина, получаемого прямой перегонкой. При нагревании, а иногда и при действии катализатора, связи в больших молекулах разрываются. В результате образуются более короткие углеводороды, в том числе компоненты бензина и алкены. Это химическое превращение позволяет полнее использовать нефть и получать сырьё для дальнейшего синтеза.
Качество бензина зависит не только от того, какие углеводороды в нём есть, но и от их строения. При сжатии топливно-воздушной смеси в двигателе нежелательно самопроизвольное быстрое сгорание, называемое детонацией. Бензин с большей детонационной стойкостью лучше сопротивляется такому процессу; разветвлённые углеводороды обычно устойчивее к детонации, чем соответствующие неразветвлённые. Октановое число выражает эту стойкость по принятой шкале сравнения, а не долю конкретного вещества в бензине.
| Фракция или продукт | Примерный интервал температур кипения | Преобладающий состав | Основное применение |
|---|---|---|---|
| Газовая фракция | Ниже примерно 40 °C | Лёгкие углеводороды, главным образом C₁–C₄ | Топливо, сырьё для химического синтеза |
| Бензиновая фракция | Примерно 40–180 °C | Углеводороды примерно C₅–C₁₀ | Компонент автомобильного бензина, сырьё для химической промышленности |
| Лигроиновая фракция | Примерно 120–240 °C | Углеводороды примерно C₈–C₁₄ | Растворитель, компонент топлива и сырьё для дальнейшей переработки |
| Керосиновая фракция | Примерно 180–300 °C | Углеводороды примерно C₁₀–C₁₆ | Реактивное и бытовое топливо |
| Газойлевая фракция | Примерно 250–350 °C | Более тяжёлые углеводороды примерно C₁₅–C₂₀ | Дизельное топливо, сырьё для крекинга |
| Мазут и продукты его переработки | Остаток после отбора фракций; кипит выше примерно 350 °C | Тяжёлые углеводороды и смолистые компоненты | Топливо; после переработки — смазочные материалы, парафин, битум |
| Продукты крекинга | Зависят от состава продуктов; единого интервала нет | Лёгкие алканы, алкены и другие углеводороды | Компоненты бензина, топлива и сырьё для органического синтеза |
Температурные интервалы в таблице ориентировочны: состав нефти и условия переработки могут менять границы отбора фракций. Сравнивайте прежде всего порядок температур и характер состава, а не отдельные градусы как неизменные величины. Применение показывает, почему нефтепереработка важна и для энергетики, и для химического производства.
Задача 1. Расположите газовую, бензиновую, керосиновую фракции и мазут в порядке увеличения температур кипения и объясните результат. Нужно сравнить летучесть компонентов: то, что испаряется легче, отделяется при более низкой температуре. При переходе от лёгких фракций к тяжёлым обычно увеличиваются размеры молекул и силы притяжения между ними. Поэтому для испарения требуется больше энергии.
Ответ: газовая → бензиновая → керосиновая → мазут. Такой порядок согласуется с увеличением размеров молекул и температур кипения углеводородов. Это общее правило для фракций, а не утверждение, что все вещества внутри каждой из них кипят при одной температуре.
Задача 2. Какие продукты можно получить при крекинге углеводорода C₁₆H₃₄? Запишите уравнение одной возможной реакции. При крекинге алкан может расщепиться на более короткий алкан и алкен, поэтому в продуктах удобно предположить соединение с двойной связью. Сначала выбирают возможные формулы продуктов, затем проверяют сохранение числа атомов каждого элемента. Уравнение показывает один вариант, но не все возможные продукты промышленного процесса.
Ответ: один из возможных вариантов — октан и октен, C₁₆H₃₄ → C₈H₁₈ + C₈H₁₆. Уравнение сбалансировано по углероду и водороду. В реальности состав продуктов зависит от условий и может быть сложнее.
Задача 3. Сравните два образца бензина с октановыми числами 80 и 95: какой обладает большей детонационной стойкостью? Для ответа нужно вспомнить, что показывает октановое число. Оно позволяет сравнивать поведение топлива при склонности к детонации, а не сообщает процент одного углеводорода. Следовательно, достаточно сопоставить сами значения.
Ответ: бензин с октановым числом 95 устойчивее к детонации, чем бензин с числом 80. Это сравнение относится к указанному свойству топлива. Требования к бензину всё равно выбирают с учётом двигателя и рекомендаций производителя.
Ошибка: называть нефть чистым веществом. Такое упрощение возникает, когда нефть воспринимают как единое природное сырьё и забывают о разнообразии её компонентов. Проверка простая: у чистого вещества есть определённая формула, а состав нефти меняется и включает множество углеводородов и примесей. Поэтому нефть следует называть смесью.
Ошибка: считать нефтяную фракцию веществом с одной формулой. Название фракции может звучать как название отдельного продукта, поэтому легко принять её за чистое соединение. Но её выделяют по интервалу кипения, и в неё входят разные компоненты с близкими свойствами. Если для описания фракции нельзя указать одну формулу всех её молекул, это смесь.
Ошибка: путать перегонку и крекинг. Оба процесса проводят при переработке нефти, поэтому их иногда объединяют в представлении об одном способе разделения. Перегонка физически распределяет уже имеющиеся компоненты, а крекинг химически меняет молекулы. Спросите себя, образуются ли новые вещества: при крекинге — да, при обычной перегонке — нет.
Ошибка: считать октановое число долей бензина или температурой кипения. Путаница возникает из-за числовой записи, которая напоминает процент или показатель нагрева. На самом деле октановое число характеризует сопротивление детонации, а не состав в процентах и не летучесть. Чтобы проверить себя, свяжите его с работой двигателя и устойчивостью сгорания топливной смеси.
Для понимания переработки нефти нужны знания об алканах, их строении и гомологическом ряде: это помогает сопоставлять размер молекул и свойства углеводородов. Перегонка связана с составом смесей и физическими способами их разделения, а крекинг — с химическими свойствами алканов, термическим разложением и катализом. Тема пригодится при изучении топлива и двигателей внутреннего сгорания, а также полимеров, которые получают с использованием продуктов нефтехимии. Она помогает обсуждать и экологические последствия добычи и переработки нефти.
Почему нефть нельзя разделить на чистые вещества простой фильтрацией?
Фильтрация задерживает твёрдые частицы, но не разделяет смешанные между собой жидкие углеводороды. Для разделения компонентов нефти используют различия в температурах кипения и проводят перегонку.
Чем фракционная перегонка отличается от крекинга?
При фракционной перегонке вещества разделяются благодаря разным температурам кипения, но их молекулы не изменяются. Крекинг — химическая реакция: крупные молекулы расщепляются на более мелкие.
Почему бензиновая фракция кипит раньше мазута?
В бензиновой фракции преобладают сравнительно небольшие молекулы углеводородов, которым обычно требуется меньше энергии для перехода в пар. Мазут содержит более тяжёлые компоненты с более высокими температурами кипения.
Зачем нужен крекинг, если бензин уже выделяют перегонкой?
При перегонке получают лишь ту часть бензина, которая изначально содержится в нефти. Крекинг превращает тяжёлые углеводороды в более лёгкие, увеличивая выход востребованных бензиновых компонентов и алкенов.
Что означает октановое число бензина?
Октановое число показывает стойкость бензина к детонации — слишком быстрому и неравномерному сгоранию топливной смеси в двигателе. Чем оно выше, тем лучше бензин сопротивляется детонации при подходящих для двигателя условиях; это не процент вещества и не температура кипения.
Нефть и продукты ее переработки
