Природный газ и нефть. Переработка нефти. Как разобраться в марках бензина. Октановое число

Каждый человек знает, что без нефти и природного газа современному обществу не обойтись. Известно, что цена барреля нефти (1 нефтяной баррель – 159 л) определяет благополучие мировой экономики, из-за нефти разгораются межгосударственные конфликты, как когда-то из-за золота. Страны, богатые нефтью, поражают богатством и роскошью. Природный газ часто является в политике своеобразным «яблоком раздора». Что же представляют собой природный газ нефть и с точки зрения химии?

Природный газ – смесь газов, образовавшихся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Природный газ состоит, в основном, из метана (до 98 %). Содержит небольшие количества этана, пропана, бутана и других газообразных веществ (Н₂, CO₂, N₂ и др.). Природный газ используется, в основном, в качестве топлива.

Остановимся подробнее на нефти, поскольку ее использование более многообразно.

Нефть – это природная смесь, основными компонентами которой являются жидкие и растворенные в них твердые углеводороды. Нефть представляет собой темную маслянистую жидкость со специфическим запахом. Нефть легче воды и в ней нерастворима. В состав нефти входят алканы, начиная с пентана (первые четыре гомолога – газы - растворяются в нефти при повышенном давлении, но выделяются из нее при извлечении нефти на поверхность земли), циклоалканы и ароматические углеводороды. Алкены и алкины не содержатся в нефти вследствие высокой химической активности. В сыром виде нефть не используется. Вся добываемая нефть подвергается переработке.

Переработка нефти бывает первичная и вторичная.

Первичная переработка нефти (перегонка или ректификация) заключается в разделении ее на отдельные части, которые различаются температурами кипения. Поскольку нефть является смесью многих веществ, она не имеет определенной температуры кипения. В процессе нагревания из нефти постепенно выделяются отдельные углеводороды, сначала легкие, с малым количеством атомов углерода в молекуле, затем тяжелые. Смесь углеводородов, собранных в процессе перегонки нефти в определенном интервале температур кипения, называется фракцией.

Таблица. Основные фракции, выделяемые при первичной переработке нефти:

Демонстрация. Учитель демонстрирует лабораторный прибор для перегонки. Его работу можно проиллюстрировать анимацией на компьютере.

Естественно, что с помощью такого прибора миллионы тонн нефти не переработать. Перегонку нефти в промышленности осуществляют в непрерывном режиме. Нефть подогревается в трубчатой печи до температуры около 400 ⁰С и подается в ректификационную колонну, представляющую собой трубу, высотой около 30 м, разделенную перегородками, снабженными специальными отверстиями (тарелками). На разной высоте колонны происходит конденсация углеводородов, соответствующих отдельным фракциям. В верхней части конденсируются самые легкие углеводороды, соответствующие бензиновой фракции, в нижней части собирается мазут.

Применение продуктов первичной переработки: бензиновая фракция – получение бензина; лигроин – топливо для дизельных двигателей, растворитель; керосин – горючее для реактивных двигателей, для бытовых нужд; соляровая фракция – моторное топливо, получение смазочных масел; мазут – котельное топливо. Из мазута путем вакуумной перегонки (при пониженном давлении) выделяют отдельные фракции, используемые для получения смазочных масел. Процессы первичной переработки нефти не сопровождаются изменением структуры образующих ее углеводородов, а заключаются только в разделении на отдельные компоненты, т.е. являются физическими процессами.

Вторичная переработка нефти связана с изменением структуры углеводородов, входящих в состав нефти, т.е. это химический процесс. Изменение структуры углеводородов заключается в расщеплении молекул с большим числом атомов углерода (крекинг); повышение содержания в отдельных фракциях разветвленных, циклических и ароматических углеводородов, из которых производят топлива для современных двигателей. В целом, процессы вторичной переработки нефти используются для повышения выхода бензина и улучшения его эксплуатационных качеств.

Крекингу подвергают, в основном, мазут. Различают термический и каталитический крекинг.

Термический крекинг (пиролиз) проводят при температурах до 800 ⁰С. Время нахождения углеводородов в горячей зоне составляет 1 с и менее. За это время молекулы тяжелых углеводородов успевают расщепиться на более легкие, соответствующие бензиновой фракции, например:

С₁₆Н₃₄ С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆.

Кроме этого, в процессе пиролиза образуется значительное количество алкенов (этен, пропен, бутены), которые используются для получения полимеров.

Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (450-500 ⁰С) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация образовавшихся углеводородов, в результате чего улучшается качество получаемых бензинов.

Использование процессов вторичной переработки нефти позволяет довести выход бензина с 15 % (первичная переработка) до примерно 60 %. Кроме этого, в процессах вторичной переработки образуется большое число ценных веществ, которые являются сырьем для получения полимеров и других продуктов (растворителей, карбоновых кислот, синтетических моющих средств и др).

Из описания процессов нефтепереработки видно, что основная их цель – получение топлива для двигателей, в первую очередь бензина. Многие технологические процессы, в которые вкладываются огромные средства, имеют конечной целью повышение качества получаемого бензина. Качество бензина определяется, в первую очередь, величиной его октанового числа. Эти числа фигурируют в названии марки бензина, например, АИ-92, А-98 и др. Проезжая мимо автозаправочной станции, вы можете убедиться, что чем выше октановое число, тем дороже бензин.

Октановое число характеризует так называемую детонационную стойкость бензина. Представим, как работает двигатель внутреннего сгорания. Смесь паров бензина с воздухом впрыскивается в камеру сгорания цилиндра двигателя. Когда поршень цилиндра достигает верхней точки, то есть максимально сжимает смесь, искра свечи зажигания ее воспламеняет. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз, он совершает работу, в результате которой автомобиль движется. Это описание касается нормальной работы двигателя. Но возможна ситуация, когда бензиново-воздушная смесь воспламенится в цилиндре до поджигания за счет повышения ее температуры при сжатии. Этот процесс называется детонацией. Детонация очень вредна для двигателя, она резко снижает мощность и приводит к преждевременному износу деталей и даже к поломке двигателя.

Понятно, что для того, чтобы избежать детонации, необходимо, чтобы бензиново-воздушная смесь не воспламенилась преждевременно. Оказывается, что наиболее стойкими к детонации являются ароматические углеводороды и углеводороды разветвленного строения. Углеводороды линейного строения легко детонируют, автомобиль на таком топливе далеко не уедет.

Чтобы количественно измерить детонационную стойкость топлив, введена шкала октановых чисел. Октановое число, равное нулю, принято для гептана неразветвленного строения, который очень легко детонирует. Октановое число, равное 100 единицам, принято для изомера октана разветвленного строения – 2,2,4-триметилпентана, который часто называют просто изооктаном. Октановое число может быть больше 100, так, у бензола оно равно 112.

Октановое число бензина равно объемной доле изооктана в эталонной смеси, состоящей из гептана и изооктана, которая обладает такой же детонационной стойкостью, как и бензин данной марки. То есть бензин АИ-98 имеет такую же детонационную стойкость, как и эталонная смесь, состоящая из 98 % изооктана и лишь 2 % гептана. Такой бензин используется в современных автомобилях, и, судя по величине его октанового числа, в нем содержатся, в основном, углеводороды разветвленного строения и ароматические углеводороды.

Так как в сырой нефти преобладают углеводороды линейного строения, очевидно, что процессы ее вторичной переработки имеют огромное значение. Эти процессы связаны с обработкой гигантских объемов нефти, которые составляют более 3,5 миллиардов тонн в год. В связи с этим, первостепенное значение имеет защита окружающей среды при добыче нефти и ее переработке.