§ 87. Природные источники углеводородов. Первичная переработка углеводородного сырья

Определения и обозначения

Углеводородное сырьё — природные вещества и смеси, содержащие углеводороды и используемые для получения топлива и продуктов органического синтеза. Иными словами, это исходный материал, из которого можно выделить горючие вещества или получить новые соединения. К такому сырью относятся нефть, природный газ, уголь и горючие сланцы.

Нефть — природная сложная смесь жидких углеводородов с примесями, которую разделяют на фракции. Её состав не задаётся одной формулой: в ней содержится много разных веществ. Поэтому нефть используют не только как топливо, но и как исходное сырьё для дальнейшей переработки.

Нефтяная фракция — часть нефти, выделенная при перегонке в определённом интервале температур кипения. Это не чистое вещество, а смесь компонентов с близкими свойствами. Понятие фракции помогает описывать, какие части нефти получают и для чего их применяют.

Первичная переработка углеводородного сырья — физическое разделение природных смесей без изменения состава углеводородов. При перегонке компоненты распределяются между фракциями благодаря различию температур кипения. Это первый этап, после которого отдельные фракции можно направить на химические превращения или использовать как топливо.

Как это устроено

Нефть и природный газ — жидкие и газообразные смеси углеводородов, каменный уголь и горючие сланцы — твёрдое сырьё с более сложным составом. Их относят к природным источникам углеводородов, потому что в них содержатся углеводороды либо вещества, из которых их получают при переработке. Состав источников неодинаков: природный газ состоит главным образом из лёгких газообразных соединений, а нефть — из смеси жидких и более тяжёлых компонентов. Уголь и сланцы содержат сложные органические вещества, а также минеральные примеси.

Нефть и природный газ образовались из органических остатков, преобразованных в толще земной коры за длительное время при повышенных давлении и температуре. Они перемещаются по пористым породам и скапливаются там, где дальнейшему движению мешает плотный непроницаемый слой. Газ легче нефти и часто занимает верхнюю часть залежи. Кроме того, часть газа растворяется в нефти под давлением, поэтому при добыче нефти газ может выделяться из неё.

Использовать нефть как одно вещество нельзя: она содержит множество компонентов, у которых различаются летучесть, состав и назначение. Летучестью называют способность вещества переходить в пар; она связана с температурой кипения. При нагревании более летучие компоненты испаряются раньше, а менее летучие требуют более высокой температуры. Это позволяет разделять нефть на фракции, но не превращает каждую из них в чистый углеводород.

При перегонке нефть сначала нагревают, чтобы значительная часть её компонентов испарилась. Пары направляют в ректификационную колонну — высокую установку, в которой температура снижается от нижней части к верхней. Поднимаясь, пары охлаждаются и конденсируются на тех уровнях, где температура становится подходящей для кипения соответствующей смеси. Жидкие фракции отводят из колонны на разных уровнях, а самые тяжёлые остатки остаются внизу.

Компоненты с низкими температурами кипения поднимаются выше, прежде чем сконденсироваться, поскольку могут оставаться паром при более низкой температуре. Менее летучие вещества конденсируются раньше и ниже, где колонна горячее. Поэтому фракции собирают на разных уровнях, но каждая из них всё равно содержит несколько веществ. Перегонка разделяет смесь по физическому свойству, а не создаёт новые углеводороды.

Первичная переработка включает разделение сырья, например перегонку нефти. Во вторичной переработке, к которой относятся крекинг и риформинг, строение углеводородов изменяется в ходе химических процессов. При крекинге крупные молекулы расщепляются, что позволяет получить более лёгкие продукты; при риформинге меняется строение углеводородов для улучшения свойств топлива. Значит, перегонка распределяет уже имеющиеся компоненты, а вторичные процессы превращают их в другие вещества.

Основные фракции нефти и их применение

Интервалы в таблице примерные: состав нефти и условия перегонки могут различаться. Сопоставляй температуры кипения с назначением фракций: лёгкие компоненты обычно более летучи, тяжёлые остаются в нижней части колонны. Указанные углеводороды преобладают во фракции, но не являются её единственным содержимым.

Разбор задач

Задача 1. Распределить нефть, природный газ, каменный уголь и горючие сланцы по природным источникам углеводородов и указать агрегатное состояние основного сырья. Сначала нужно отличить смеси жидких и газообразных веществ от твёрдого сырья. Затем определяем состояние каждой группы при обычных условиях и учитываем, что уголь и сланцы имеют сложный состав. Такой порядок не позволяет ошибочно считать, что все источники — жидкости или чистые углеводороды.

1. Нефть — жидкое углеводородное сырьё, которое добывают из подземных залежей.
2. Природный газ — газообразная смесь, обычно добываемая из газовых залежей или вместе с нефтью.
3. Каменный уголь — твёрдое органическое сырьё, добываемое в шахтах или карьерах.
4. Горючие сланцы — твёрдая порода с органическими веществами, из которых при переработке получают углеводороды.

Ответ: нефть — жидкость, природный газ — газ, каменный уголь и горючие сланцы — твёрдое сырьё. Все четыре относят к природным источникам, хотя углеводороды в них содержатся в разных формах и количествах.

Задача 2. Объяснить, почему бензиновая фракция конденсируется выше керосиновой части колонны. Сравниваем интервалы температур кипения: для бензиновой фракции они ниже, чем для керосиновой. Значит, бензиновые пары могут оставаться газообразными при более низкой температуре и подниматься выше. Керосиновая часть конденсируется в более горячей зоне, которая расположена ниже.

1. Внизу колонны пары горячие, а при подъёме постепенно охлаждаются.
2. Компоненты бензиновой фракции имеют сравнительно низкие температуры кипения и конденсируются при более низкой температуре.
3. Поэтому бензиновая фракция собирается выше керосиновой, а керосиновая — ниже, в более горячей части колонны.

Ответ: бензиновые пары поднимаются выше, потому что конденсируются при более низкой температуре. Фраза «чем ниже температура кипения, тем выше конденсация» помогает предсказать расположение фракций.

Задача 3. Выход бензиновой фракции равен 20%, масса нефти — 500 т. Нужно найти массу бензина и объяснить, почему одного первичного разделения недостаточно для увеличения его выхода. Сначала процент переводят в доли единицы: 20% = 0,20. Затем находят долю от всей массы нефти, а для второй части задачи различают физическое разделение и химическое превращение.

1. Записываем массовую долю: w = 20 / 100 = 0,20.
2. Умножаем массу нефти на эту долю: m = 500 т × 0,20 = 100 т.
3. Перегонка только отделяет имеющиеся компоненты, поэтому сама по себе не превращает тяжёлые углеводороды в бензиновые.
4. Для получения дополнительных лёгких продуктов используют вторичную переработку, например крекинг, при котором молекулы изменяются.

Ответ: масса бензиновой фракции составляет 100 т. Чтобы увеличить выход бензиновых компонентов, одного первичного разделения недостаточно: требуется химическое превращение подходящих тяжёлых углеводородов.

Типичные ошибки

Считать нефть индивидуальным веществом с одной формулой — ошибка: её состав включает множество углеводородов и примесей. Так могут рассуждать, потому что слово «нефть» обозначает продукт как единое целое. Проверь себя вопросом: можно ли для нефти записать одну молекулярную формулу? Нет, её состав зависит от месторождения и представляет собой смесь.

Путать перегонку с химической реакцией — значит смешивать разделение веществ с изменением их молекул. Перегонка основана на испарении и конденсации, поэтому состав отдельных молекул в основном сохраняется. Проверка проста: если исходные компоненты только распределили по фракциям, это физический процесс, а не химическое превращение.

Считать фракцию одним углеводородом неверно, потому что фракция включает множество веществ с близкими температурами кипения. Такое заблуждение возникает из-за того, что у фракции есть общее название и характерное применение. Чтобы проверить себя, вспомни: перегонка разделяет компоненты по интервалам температур, но обычно не выделяет каждое вещество отдельно.

Смешивать первичную переработку с крекингом нельзя: первая разделяет компоненты, а второй изменяет строение молекул. Оба процесса связаны с нефтью, поэтому их иногда принимают за один этап перегонки. Проверь, происходит ли химическое превращение: при крекинге оно есть, при первичном разделении — нет.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в перегонке, нужно знать строение и состав алканов, понятие смеси и физические свойства веществ. Особенно полезно понимать зависимость температуры кипения от молекулярной массы: обычно более крупные молекулы кипят при более высокой температуре. Разделение нефти связано с изучением перегонки и ректификации — способов разделения смесей и очистки веществ. Позже эти знания пригодятся при изучении крекинга, риформинга, получения полимеров и других продуктов нефтехимии.

Что запомнить

• Главные природные источники углеводородов — нефть, природный газ, каменный уголь и горючие сланцы.
• Нефть — сложная смесь углеводородов, а не индивидуальное вещество.
• Первичная переработка основана главным образом на различии температур кипения компонентов.
• При перегонке нефти получают фракции, каждая из которых является смесью углеводородов.
• Чем ниже температура кипения компонентов, тем выше в колонне они конденсируются.
• Бензиновая, керосиновая и дизельная фракции различаются составом, температурой кипения и применением.
• Крекинг и риформинг относятся к вторичной переработке и сопровождаются химическим превращением углеводородов.