Какие продукты получают перегонкой нефти
На чтение 6 мин.
Нефть — маслянистая горючая жидкость, распространенная в оболочке земного шара. Продукты ее переработки стали актуальны не так давно: автомобильное топливо, газ ㅡ ежедневно используются людьми в быту.
Переработка нефти
Изначально, перерабатывающие заводы строились в местах добычи, но благодаря техническому прогрессу появилась возможность транспортировки нефти. Это послужило причиной разделения ее добычи и переработки. Заводы стали появляться вдоль нефтепроводов или на местах потребления.
Заводы по переработке
По своей специализации производства делятся на категории. Они выпускают совершенно разные элементы, получаемые в результате нефтепереработки.
- Топливные заводы — производят бензин, дизельное топливо, керосин.
- Топливно-масляные — основу смазочных и соляровых масел.
- Топливно-нефтехимические — топливо, этилен, стирол.
- Комплексные производства — создают весь возможный ассортимент (от 5 до 40 видов продукции).
Популярной является 1 категория заводов, так как топливо пользуется наибольшим спросом в промышленности и у жителей страны.
Процесс
Разработано 3 основных этапа, которые проводят на каждом нефтеперерабатывающем производстве.
- Первичная переработка — сырье обессоливают, делят на фракцию с различными промежутками температур кипения (описание в таблице).
Фракция Применение на производстве газолиновая бензина, газолина лигроиновая лигроина (тракторное топливо) керосиновая очищенный керосин (топливо для ракетных, тракторных, реактивных двигателей) газойль дизельное топливо мазут соляровое, смазочное масло, вазелин - Вторичная переработка — образование элементов товарных продуктов вследствие химических превращений углеводородов.
- Товарное производство (крекинг) — соединение полученных компонентов, иногда с добавлением различных присадок, для образования товаров нужного уровня качества.
Продукты
При переработке нефти получают продукты, являющиеся исходными компонентами для промышленности, бытовых принадлежностей человека.
Нефтяные масла
Результат перегонки и очищения мазута. Применяются как смазка автотехники и механизмов на промышленных производствах большинства областей. Бывают специальные масла (для электроизоляции в трансформаторных будках, выключателей на масляной основе) и смазочные, которые по назначению делят на 6 видов:
- Индустриальные — используются при смазывании подшипников, трущихся друг о друга деталей механизмов фабричного оборудования.
- Турбинные — ими смазывают, охлаждают подшипники паровых, газовых турбин, электрогенераторов.
- Компрессорные — применяются для воздушных, холодильных компрессоров.
- Приборные.
- Трансмиссионные — смазка коробок передач, рулевых, гидравлических механизмов.
- Моторные — применяются для различных двигателей (карбюраторных, дизельных или авиационных).
Служат основой многих косметических товаров, пластичных, технологичных смазок, гидравлических, охлаждающих жидкостей.
Асфальт
Образуется из тяжелых фракций нефти, технически это полутвердый или твердый битум. Состоит из большого количества масел высоких температур плавления, твердого парафина, серы (менее 1%).
По способу производства бывают:
- остаточный (производится концентрированием битума при помощи водяного пара);
- окисленный (концентрирование достигается воздухом).
Из-за ограниченного количества месторождений природного асфальта началось изготовление искусственного, нефтяного асфальта. Применяется как основа замазок, клеев, или как кровельный, изоляционный материал. В качестве дорожного покрытия асфальт начали использовать в 1930-е гг. в США, благодаря быстрому развитию автомобилизма и непрактичности, шумности булыжных мостовых.
Пластмасса
Материал, созданный на основе полимеров. Ежегодно производится 200 млн тонн пластмассы. Производство заключается в полимеризации, поликонденсации или полиприсоединении низкомолекулярных веществ, выделяемых из нефти.
Многие не имеют понятия, что большинство повседневных предметов изготовлены на основе продуктов переработки нефти. Пластмасса второй по популярности материал, используемый в быту (контейнеры, посуда, мебель, кухонные принадлежности).
Полиэтилен
Удобный материал для промышленных целей и повседневной жизни. Наряду с пластмассой, пользуется спросом у обывателей. Ежегодно выпускается большое количество полиэтиленовых упаковок и пластиковых бутылок.
Дизель
Прозрачная жидкость светлого желтого или коричневого цветов. Используется как топливо в дизельных двигателях (ж/д, надводный, грузовой транспорт, сельхозтехника) или для котельных. В зависимости от цетанового числа, области применения бывает:
- солярка;
- летнее;
- зимнее;
- арктическое.
Иногда применяется как пропитка кожевенных изделий, компонент смазочно-охлаждающих или закалочных жидкостей при обработке металлов.
Бензин
Горючее топливо для двигателей внутреннего сгорания. По предназначению делится на бензин для автомобилей и самолетов. Несмотря на различные сферы использования, виды имеют общие качества. Испаряемость, благодаря которой возникает однородная смесь топлива и воздуха, сохраняющая оптимальную структуру при любых температурах; групповой углеводородный состав, способствующий надежному функционированию двигателя при разных режимах.
До конца 19 века бензин применялся только как антисептик, топливо для примусов. Пока не разработали двигатель внутреннего сгорания, большую его часть сжигали или выбрасывали.
Мазут
Тяжелый остаток от переработки, после отделения всех фракций, представляет собой густую жидкость. Главные его потребители — морской, речной флот, жилищно-коммунальное хозяйство, промышленные производства.
Используется как топливо для заводских печей или различных котельных установок, основа для создания судового мазута (тяжелого топлива) и моторных, смазочных масел, битума, кокса.
Керосин
Прозрачная жидкость, иногда желтоватого цвета, с характерным запахом и легкой маслянистой консистенцией. Применяется в качестве горючего для бытовых приборов (лампы накаливания, керосиновые горелки), реактивного топлива, растворителя красок, а неароматизированным керосином обезжиривают поверхности.
Керосином промывают детали для очистки от ржавчины, пропитывают изделия из кожи, используют при обжигании изделий из стекла, фарфора, как компонент лаков, пленок. До появления дизельных двигателей, керосин повсеместно применялся как топливо для сельскохозяйственной техники. Благодаря впитываемости, низким температурам горения, керосин употребляется артистами при проведении представлений с огнем.
Смазочные материалы
Используются для улучшения трения деталей механизмов (двигателей, подшипников) и при обработке металлов под давлением (заточка, шлифовка). Получают смазку путем добавления к маслу загустителей.
Развитие технического оборудования стремительно прогрессирует, вместе с этим растет количество смазочных материалов. Если подобрать неподходящий вид, то возникнут поломки механизма.
Парафин
Бесцветный, жирный, твердый продукт нефтепереработки. Растворяется в минеральных маслах, растворителях органического происхождения, а в спирте, воде нет. Смесь углеводородов устойчива к действию кислот, щелочных металлов, галогенов, окислителей. Широко применяется при изготовлении свечей, как смазка деревянных деталей (выдвижных ящиков), при парафинотерапии, производстве косметического вазелина. В соединении с бензином образует покрытие, защищающее от коррозии. Помимо этого, он зарегистрирован как пищевая добавка (Е905).
Парафин можно использовать дома для отбеливания, очищения и омоложения кожи, ее защиты от сухости и потрескивания. Для процедур такого рода нужно приобрести в аптеке очищенный косметический парафин.
Сжиженный нефтяной газ
Углеводороды, извлеченные из газа, сопутствующего нефти, которые при увеличении давления принимают жидкую форму, для удобного хранения или транспортировки. Основные компоненты: пропан, бутан, изобутан. Используется в быту (газовые плиты, отопление, обычные зажигалки) или как топливо для автомобилей.
Деготь
Густой, маслянистый жидкий продукт, результат сухой перегонки лиственной или сосновой древесины, каменных углей, торфа, нефти. Обладает лечебными свойствами: оказывает противовоспалительное, антисептическое действие, защищает от бактерий, паразитов, помогает уменьшить зуд. Используется как компонент косметических средств по уходу за кожей, волосами, ногтями.
Из дегтя получают специальные вещества для строительной сферы: пек (вещество, применяемое для изготовления стройматериалов, укладке дорожного полотна) и эмульсии (основа для грунтоасфальта и глинозема).
Добыча, переработка нефти наносит непоправимый вред окружающей среде, который возрастает с каждым этапом процесса. От расчистки местности для установки оборудования до движения грунтов (вследствие образования пустот после выкачки добычного материала). Загрязнение вод планеты, 1 л нефти лишает воду 40 000 л кислорода, а ежегодно в воды мира попадает 10 млн тонн. Если не принимать меры по обеспечению безопасности, то этот вид промышленности приведет к фатальным последствиям для человека и природы.
Нефть
и нефтепродукты, их применение
Нефть– это маслянистая жидкость
от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным неприятным запахом.
Нефть легче воды и не растворима в ней. Она встречается во многих местах
земного шара, пропитывая пористые горные породы на различной глубине.
У нефти есть
удивительная способность – образовывать на поверхности воды тончайшие пленки:
чтобы покрыть микронной пленкой 1 км2 требуется всего 10 л нефти.
Большой вред
приносит загрязнение нефтью и нефтепродуктами водоемов.
Состав:
Нефть – смесь
газообразных, жидких и твердых углеводородов. Кроме углеводородов в нефти еще
содержатся в небольшом количестве органические соединения, содержащие O, N,S и др. Имеются также высокомолекулярные соединения в виде смол и
асфальтовых веществ.
(всего более 100
различных соединений)
Состав нефти еще
зависит от месторождения. Но все они обычно содержат три вида углеводородов:
-парафины,
в основном нормального соединения,
-циклопарафины,
-ароматические
углеводороды.
По мнению
большинства ученых, нефть представляет собой геохимически измененные остатки
некогда населявших земной шар растений и животных. Эта теория органического происхождения нефти подкрепляется тем, что в
нефти содержатся некоторые азотистые вещества – продукты распада веществ,
присутствующих в тканях растений. Есть и теории
о неорганическом происхождении нефти: образовании ее в результате действия
воды в толщах земного шара на раскаленные карбиды металлов (соединения металлов
с углеродом) с последующим изменением получающихся углеводородов под влиянием
высокой температуры, высокого давления, воздействия металлов, воздуха, водорода
и др.
При добыче из нефтеносных пластов, залегающих в земной коре иногда на глубине
нескольких километров, нефть либо выходит на поверхность под давлением
находящихся на нем газов, либо выкачивается насосами.
|
Геологический разрез |
Нефтяная отрасль
промышленности сегодня – это крупный народно-хозяйственный комплекс, который
живет и развивается по своим законам. Что значит нефть сегодня для народного
хозяйства страны? Нефть – это сырье для нефтехимии в производстве
синтетического каучука, спиртов, полиэтилена, полипропилена, широкой гаммы
различных пластмасс и готовых изделий из них, искусственных тканей; источник
для выработки моторных топлив (бензина, керосина, дизельного и реактивных
топлив), масел и смазок, а также котельно-печного топлива (мазут), строительных
материалов (битумы, гудрон, асфальт); сырье для получения ряда белковых
препаратов, используемых в качестве добавок в корм скоту для стимуляции его
роста.
Нефть – наше национальное богатство, источник могущества страны, фундамент ее
экономики. Нефтяной комплекс России включает 148 тыс. нефтяных скважин, 48,3
тыс. км магистральных нефтепроводов, 28 нефтеперерабатывающих заводов общей
мощностью более 300 млн т/год нефти, а также большое количество других
производственных объектов.
На предприятиях нефтяной отрасли промышленности и обслуживающих ее отраслей
занято около 900 тыс. работников, в том числе в сфере науки и научного обслуживания
– около 20 тыс. человек. За последние десятилетия в структуре топливной отрасли
промышленности произошли коренные изменения, связанные с уменьшением доли
угольной отрасли промышленности и ростом отраслей по добыче и переработке нефти
и газа. Если в 1940 г. они составляли 20,5%, то в 1984 г. – 75,3% от суммарной
добычи минерального топлива. Теперь на первый план выдвигается природный газ и
уголь открытой добычи. Потребление нефти для энергетических целей будет
сокращено, напротив, расширится ее использование в качестве химического сырья.
В настоящее время в структуре топливно-энергетического баланса на нефть и газ
приходится 74%, при этом доля нефти сокращается, а доля газа растет и
составляет примерно 41%. Доля угля 20%, оставшиеся 6% приходятся на
электроэнергию.
|
Из нефти вырабатывают |
Первичная
переработка нефти
Переработку
нефти впервые начали братья Дубинины на Кавказе. Первичная переработка нефти
заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих
заводах после отделения нефтяных газов. Нефть нагревают в трубчатой печи до 350 С, образовавшиеся пары вводят в ректификационную колонну снизу. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями — тарелки.
Из нефти
выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. Сначала
из нее удаляют растворенные газообразные углеводороды (преимущественно метан).
После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в
парообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов
углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С
повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой
температурой кипения. Таким образом, можно собрать отдельные смеси (фракции)
нефти. Чаще всего при такой перегонке получают четыре летучие фракции, которые
затем подвергаются дальнейшему разделению.
Основные фракции нефти следующие:
• Газолиновая фракция, собираемая от 40 до 200 °С, содержит
углеводороды от С5Н12 до С11Н24.
При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (tкип
= 40–70 °С), бензин
(tкип = 70–120 °С) – авиационный, автомобильный и т.д.
• Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С,
содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30.
Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина
перерабатывают в бензин.
• Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26
до С18Н38 с температурой кипения от 180 до 300 °С.
Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов,
реактивных самолетов и ракет.
• Газойлевая фракция (tкип > 275 °С),
по-другому называется дизельным топливом.
• Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с
большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также
разделяют на фракции перегонкой под уменьшенным давлением, чтобы избежать
разложения. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные
масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и др.), вазелин
(технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения
их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических
средств и в медицине). Из некоторых сортов нефти получают парафин (для
производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута
остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве. Кроме
переработки на смазочные масла мазут также используют в качестве жидкого
топлива в котельных установках.
Термический и каталитический крекинг. Риформинг –
вторичная переработка нефти
Бензина, получаемого при перегонке нефти, не хватает
для покрытия всех нужд. В лучшем случае из нефти удается получить до 20%
бензина, остальное – высококипящие продукты. В связи
с этим перед химией стала задача найти способы получения бензина в большом
количестве. Удобный путь был найден с помощью созданной А.М.Бутлеровым теории
строения органических соединений. Высококипящие продукты разгонки нефти
непригодны для употребления в качестве моторного топлива. Их высокая
температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов
представляют собой слишком длинные цепи. Если расщепить крупные молекулы,
содержащие до 18 углеродных атомов, получаются низкокипящие продукты типа
бензина. Этим путем пошел русский инженер В.Г.Шухов, который в 1891 г.
разработал метод расщепления сложных углеводородов, названный впоследствии
крекингом (что означает расщепление).
|
В.Г.Шухов |
Сущность
крекинга заключается в том, что при нагревании происходит расщепление крупных
молекул углеводородов на более мелкие, в том числе на молекулы, входящие в
состав бензина. Обычно расщепление происходит примерно в центре углеродной цепи
по С—С-связи, например:
С16Н34
→ С8Н18 + С8Н16
гексадекан октан октен
Однако разрыву могут подвергаться и другие С—С-связи.
Поэтому при крекинге образуется сложная смесь жидких алканов и алкенов.
Получившиеся вещества частично могут разлагаться
далее, например:
С8Н18
→ С4Н10 + С4Н8
октан бутан бутен
С4Н10
→ С2Н6 + С2Н4
бутан этан
этилен
Такой
процесс, осуществляемый при температуре около 470°С — 550°С и небольшом
давлении, называется термическим
крекингом. Этому процессу обычно подвергаются высококипящие
нефтяные фракции, например, мазут. Процесс протекает медленно, при этом
образуются углеводороды с неразветвлённой цепью атомов углерода.
Бензин,
получаемый термическим крекингом, невысокого качества, не стоек при хранении,
он легко окисляется, что обусловлено наличием в нём непредельных углеводородов.
Однако, детонационная стойкость (взрывоустойчивость, характеризующаяся октановым
числом) такого бензина выше, чем у бензина прямой перегонки из-за большого
содержания непредельных углеводородов. При использовании, к бензину необходимо
добавлять антиокислители, чтобы защитить двигатель.
Коренным
усовершенствованием крекинга явилось внедрение в практику процесса каталитического
крекинга. Этот процесс был впервые осуществлен в 1918 г. Н.Д.Зелинским.
|
Н.Д.Зелинский |
Каталитический
крекинг позволил получать в крупных масштабах авиационный бензин.
Его проводят в присутствии катализатора
(алюмосиликатов: смеси оксида алюминия и оксида кремния) при температуре 450 —
500°С и атмосферном давлении. Обычно каталитическому крекингу подвергают
дизельную фракцию. При каталитическом крекинге, который осуществляется с
большой скоростью, получается бензин более высокого качества, чем при
термическом крекинге. Это связано с тем, что наряду с реакциями расщепления
происходят реакции изомеризации алканов нормального строения.
Кроме того, образуется небольшой процент
ароматических углеводородов, улучшающих качество бензина.
Бензин каталитического крекинга более
устойчив при хранении, так как в его состав входит значительно меньше
непредельных углеводородов по сравнению с бензином термического крекинга,
обладает ещё большей детонационной стойкостью, чем бензин термического
крекинга.
Таким образом, высокое качество бензина,
получаемого каталитическим крекингом, обеспечивается наличием в его составе
разветвленного строения углеводородов и ароматических углеводородов.
Основным способом переработки нефтяных фракций являются различные виды
крекинга. Впервые (1871–1878) крекинг нефти был осуществлен в лабораторном и
полупромышленном масштабе сотрудником Петербургского технологического института
А.А.Летним. Первый патент на установку для крекинга заявлен Шуховым в 1891 г. В
промышленности крекинг получил распространение с 1920-х гг.
Крекинг – это термическое разложение
углеводородов и других составных частей нефти. Чем выше температура, тем
больше скорость крекинга и больше выход газов и ароматических углеводородов.
Крекинг нефтяных фракций кроме жидких продуктов дает первостепенно важное сырье
– газы, содержащие непредельные углеводороды (олефины).
Различают следующие основные виды крекинга:
жидкофазный (20–60 атм,
430–550 °С), дает непредельный и насыщенный бензины, выход бензина порядка
50%, газов 10%;
парофазный
(обычное или пониженное давление, 600 °С), дает
непредельно-ароматический бензин, выход меньше, чем при жидкофазном крекинге,
образуется большое количество газов;
пиролиз нефти –
разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре
(обычное или пониженное давление, 650–700 °С), дает смесь ароматических
углеводородов (пиробензол), выход порядка 15%, более половины сырья
превращается в газы;
деструктивное гидрирование
(давление водорода 200–250 атм, 300–400 °С в присутствии катализаторов –
железа, никеля, вольфрама и др.), дает предельный бензин с выходом до 90%;
каталитический крекинг
(300–500 °С в присутствии катализаторов – AlCl3,
алюмосиликатов, МоS3, Сr2О3 и др.), дает
газообразные продукты и высокосортный бензин с преобладанием ароматических и
предельных углеводородов изостроения.
В технике большую роль играет так называемый каталитический риформинг –
превращение низкосортных бензинов в высокосортные высокооктановые бензины или
ароматические углеводороды.
Основными реакциями при крекинге являются реакции расщепления углеводородных
цепей, изомеризации и циклизации. Огромную роль в этих процессах играют
свободные углеводородные радикалы.
Коксохимическое
производство
и проблема получения жидкого топлива
Запасы каменного
угля в природе значительно превышают запасы нефти. Поэтому каменный уголь –
важнейший вид сырья для химической отрасли промышленности.
В настоящее время в промышленности используется несколько путей переработки
каменного угля: сухая перегонка (коксование, полукоксование), гидрирование,
неполное сгорание, получение карбида кальция.
|
Сухая перегонка каменного |
Сухая
перегонка угля используется для получения кокса в металлургии или бытового
газа. При коксовании угля получают кокс, каменноугольную смолу, надсмольную
воду и газы коксования.
Каменноугольная смола содержит самые разнообразные ароматические и
другие органические соединения. Разгонкой при обычном давлении ее разделяют на
несколько фракций. Из каменноугольной смолы получают ароматические
углеводороды, фенолы и др.
Газы коксования содержат преимущественно метан, этилен, водород и оксид
углерода(II). Частично их сжигают, частично перерабатывают.
Гидрирование угля осуществляют при 400–600 °С под давлением водорода до
250 атм в присутствии катализатора – оксидов железа. При этом получается жидкая
смесь углеводородов, которые обычно подвергают гидрированию на никеле или
других катализаторах. Гидрировать можно низкосортные бурые угли.
|
Использование |
Карбид
кальция СаС2 получают из угля (кокса, антрацита) и извести. В
дальнейшем его превращают в ацетилен, который используется в химической отрасли
промышленности всех стран во все возрастающих масштабах.
Дополнительно:
Сравнительная характеристика бензинов
«Бензин: состав и октановое
число. Детонация»
Творческое задание:
На гербах городов России можно встретить символы, относящиеся к природным источникам углеводородов и продуктам их переработки. Попробуйте найти такие города. В небольшом отчете о своем исследовании рядом с изображением герба и названием города напишите, что обозначают эти символы и почему именно они были выбраны.
(оформите работу в виде презентации или сайта)