Конспект урока: Нефть и способы её переработки

Состав нефти

Нефть является густой маслянистой жидкостью от светло-коричневого до чёрно-бурого цвета с характерным запахом. Нефть легче воды. В земной коре она появилась миллионы лет назад в процессе разложения остатков растений и животных.

Вместе с запасами нефти встречается и попутный нефтяной газ. Он растворяется в нефти, а также располагается над ней под давлением в виде «газовой шапки». Во время бурения давление падает и газ выходит из скважины, отделяясь от нефти.

Попутный нефтяной газ имеет аналогичное происхождение, что и природный газ. Его выделяют, так как он встречается в залежах вместе с нефтью. По составу он немного отличается от природного газа меньшим содержанием метана за счёт увеличения объёмной доли углеводородов с большей молекулярной массой (рис. 1).

Рис. 1. Состав попутного нефтяного газа

Раньше нефтяной газ не использовался — его просто сжигали. Сейчас же его разделяют на несколько фракций (рис. 2).

Рис. 2. Фракции попутного нефтяного газа

Сухой газ схож с природным газом. Из него получают ацетилен и водород. Пропан-бутановая смесь применяется в качестве горючего в баллонах автомобилей, работающих на газе, а также в газовых зажигалках. Газовый бензин применяется как добавка к бензинам.

Сама же нефть по своему составу представляет собой смесь углеводородов, как правило алканов, содержащих от 6 до 50 атомов углерода. Причём это могут быть вещества как разветвлённого, так и неразветвлённого строения. Помимо алканов, в нефти содержатся ароматические углеводороды и другие вещества (рис. 3).

Рис. 3. Схема состава нефти

Кислородные соединения представлены нафтеновыми кислотами и фенолами, сернистые соединения — меркаптанами, неорганические вещества — известью, кремнезёмом, оксидами железа и марганца.

Ректификация (перегонка) нефти

Первичная переработка нефти заключается в её ректификации, или перегонке. Сначала от неё отделяют попутные нефтяные газы, затем нагревают до 350 ºС и образовавшиеся пары вводят снизу в специальную ректификационную колонну.

Там нефть снова подвергается нагреванию. 

Причём идёт постепенное увеличение температуры, в результате чего нефть разделяется на несколько смесей, называемых фракциями.

При температуре 40–200 ºС отгоняется фракция бензина, содержащая углеводороды от $C_{5} H_{12 }$до $C_{11} H_{24} .$

Следующая фракция образуется при температуре 150–250 ºС. Это лигроин (от $C_{8} H_{18}$ до $C_{14} H_{30}$). Он применяется как горючее для тракторов, частично идёт на переработку в бензин.

Керосиновая фракция (от $C_{12} H_{26}$ до $C_{18} H_{38}$) получается при повышении температуры от 180 до 300 ºС. Очищенный впоследствии керосин применяется как горючее для реактивных самолётов и ракет.

Газойль, или дизельное топливо, образуется при температуре более 275 ºС. Соответственно, он содержит углеводороды с большей молекулярной массой.

Остаток нефти после перегонки называется мазут. Из него впоследствии получают соляровое масло, смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток из мазута называется гудрон и применяется для создания асфальтного покрытия.

Рис. 4. Продукты перегонки нефти

Октановое число

Вы наверняка знаете, что бензин сгорает в двигателе внутреннего сгорания с образованием углекислого газа и воды. Некоторые смеси горят со взрывом, что называется детонацией. Это приводит к преждевременному износу двигателя.

Поэтому для характеристики качества бензина разработана специальная октановая шкала. За 0 взята способность к детонации неразветвлённого гептана $( CH_{3} - \left( CH_{2} \right)_{5} - CH_{3} )$, а за 100 — достаточно устойчивого к детонации углеводорода  2,2,4-триметилпентана.

Этот углеводород является изомером октана, поэтому отсюда и пошли такие названия, как октановое число и октановая шкала.

Так, например, 96-й бензин по способности к детонации соответствует смеси 96 % изооктана (2,2,4-триметилпентан) и 4 % гептана.

Крекинг нефтепродуктов

Рис. 5. Памятник В. Г. Шухову

С крекингом алканов вы уже знакомились во время изучения темы «Предельные углеводороды. Алканы».

 

Крекинг разработал знаменитый отечественный инженер Владимир Григорьевич Шухов (автор телебашни на Шаболовке) в конце XIX века. 

 

В основе крекинга идёт расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие при высокой температуре (термический крекинг). Например, из гексадекана $( C_{16} H_{34} )$ можно получить октан, входящий в состав бензиновой фракции:

 

$C_{16} H_{34} \rightarrow C_{8} H_{18} + C_{8} H_{16}$.

 

Н. Д. Зелинский усовершенствовал процесс, используя в качестве катализаторов оксид алюминия и оксид кремния (каталитический крекинг).

 

При каталитическом крекинге идёт не только расщепление, но и изомеризация и ароматизация  углеводородов. Следовательно, образуются бензины с большим октановым числом.

 

Таким образом, из низших сортов нефти можно получать высококачественное топливо.

Риформинг нефти

Риформинг нефти заключается в частичной ароматизации бензиновой фракции, то есть получении ароматических углеводородов из алканов, которые увеличивают стойкость к детонации, а значит, получаются бензины с большим октановым числом. Это уже знакомая для вас реакция по теме «Арены». Таково, например, получение толуола из гептана: 

Процесс обычно ведут при нагревании на платиновом катализаторе.

Более дешёвый путь повышения октанового числа бензинов — это добавление в бензин специальных добавок, например тетраэтилсвинца $( Pb \left( C_{2} H_{5} \right)_{4} ) .$ Однако из-за опасности данного соединения (из-за содержания свинца!) его запретили в России с 2002 года.

Более безопасный метод — это введение кислородсодержащих веществ (метиловый или этиловый спирт), увеличивающих детонационную стойкость и не дающих вредных выхлопных газов.

Разбирая процессы крекинга и риформинга, не забывайте, что нефть является не только топливом, но ещё и ценным сырьём для производств. Из неё синтезируют полиэтилен, полипропилен, синтетический каучук, пластмассы, искусственные ткани, шампуни, духи, лекарственные препараты (например, ацетилсалициловую кислоту), антибиотики, антисептики, удобрения, ядохимикаты, косметику, красители, ароматизаторы; с её помощью выделяют серу и даже создают синтетические белки. Поэтому нефть — это чрезвычайно важный продукт, от добычи и переработки которого зависит мировая экономика.

Однако у этой «медали» есть и вторая сторона. Необходимо помнить об экологических проблемах, связанных с разливами нефти, а также об исчерпаемости её месторождений. По оценкам добывающих компаний, при современном потреблении нефти в мире её осталось на 47 лет.

а) $C_{14} H_{30} \rightarrow C_{7} H_{14} + C_{7} H_{16}$ крекинг

б)

в) $CH_{3} - CH_{2} - CH_{2} - CH_{2} - CH_{3} \rightarrow CH_{3} - CH ( CH_{3} ) - CH_{2} - CH_{3}$ изомеризация

Упражнение 2

$C_{16} H_{34}$  → октан + октен-1 → октан 

                           ↓

              2,2,4-триметилпентан

$C_{16} H_{34} \rightarrow CH_{3} - \left( CH_{2} \right)_{6} - CH_{3} + CH_{2} = CH - CH_{2} \left(- ( CH_{2} \right)_{4} - CH_{3}$

$CH_{2} = CH - \left( CH_{2} \right)_{5} - CH_{3} + H_{2} \rightarrow CH_{3} - \left( CH_{2} \right)_{6} - CH_{3}$