§ 21. Природные источники углеводородов и их использование

Физические свойства и состав нефти

Нефть представляет собой маслянистую жидкость обычно тёмного цвета со своеобразным запахом (рис. 21.1). Она легче воды и в воде не растворяется. Основными компонентами нефти являются жидкие и растворённые в них твёрдые углеводороды. То есть нефть является смесью углеводородов. В основном это алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов   в нефти различных месторождений может существенно различаться.

Для того чтобы выделить из нефти полезные для нужд человека продукты, её подвергают переработке.

Первичная переработка нефти

Нефть не имеет определённой температуры кипения, так как является смесью углеводородов, имеющих различные температуры кипения. В процессе нагревания нефти из неё выделяют сначала наиболее лёгкие углеводороды (они имеют низкие температуры кипения), а затем более тяжёлые.

Смесь углеводородов, собранных в процессе перегонки нефти в определённом интервале температур, называется фракцией.

Рассмотрим некоторые фракции нефти.

Бензиновая фракция перегоняется в интервале температур от 40 до 200 °С и содержит углеводороды C₅ — C₁₁. Как следует из названия, эта фракция используется для получения бензина.

Лигроин перегоняется при температуре от 120 до 240 °С и содержит углеводороды C₈ — C₁₄. Лигроин применяется для получения бензина и дизельного топлива, а также в качестве растворителя.

Керосин — перегоняется в интервале температур от 180 до 300 °С и содержит углеводороды C₁₂ — C₁₈. Он применяется как горючее для реактивных двигателей (авиационный керосин), для бытовых нагревательных приборов, в качестве растворителя и для получения дизельного топлива.

Процесс перегонки нефти не сопровождается изменением структуры образующих её углеводородов, а заключаются только в разделении на отдельные компоненты, то есть являются физическим процессом. Такой процесс называют первичной переработкой нефти.

Октановое число бензина

Одной из важнейших характеристик бензина является его детонационная стойкость. Детонационная стойкость показывает способность бензина «сопротивляться» самовоспламенению при сжатии в цилиндре двигателя. Чтобы понять это, рассмотрим, как работает двигатель автомобиля (рис. 21.2).

Смесь паров бензина с воздухом поступает в цилиндр двигателя. Когда поршень цилиндра достигает верхней точки, то есть максимально сжимает смесь, искра свечи зажигания её 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 счёт повышения её температуры при сжатии. Этот процесс называется детонацией. Детонация очень вредна для двигателя, она снижает мощность и приводит к преждевременному износу деталей и даже к поломке двигателя.

Для характеристики детонационной стойкости бензинов используется октановое число. Октановое число изооктана (2,2,4-триметилпентана), обладающего высокой детонационной стойкостью, принято за 100. Октановое число н-гептана, чрезвычайно легко детонирующего, принято за 0. Смесь н-гептана и изооктана имеет октановое число, равное содержанию в ней изооктана (в процентах по объёму). Например, смесь, содержащая 92 % по объёму изооктана и 8 % н-гептана, имеет октановое число равное 92. Если бензин имеет октановое число, равное 92, то это значит, что он допускает такое же сжатие в цилиндре без детонации, как смесь из 92 % изооктана и 8 % н-гептана. Октановые числа фигурируют в названии марки бензина, например АИ-92, АИ-95 и др. Проезжая мимо автозаправочной станции, можно убедиться, что чем выше октановое число, тем дороже бензин.

Оказывается, что наиболее стойкими к детонации являются ароматические углеводороды и углеводороды разветвлённого строения. Эти углеводороды характеризуются высокими октановыми числами, иногда больше 100. Октановые числа неразветвлённых углеводородов, наоборот, низкие (табл. 21.2).

Таблица 21.2. Октановые числа некоторых углеводородов

Название углеводорода	Структурная формула	Октановое число
н-Гептан		0
н-Пентан		62
2,2-Диметилбутан		92
Изооктан		100
Бензол		113

В нефти преобладают углеводороды неразветвлённого строения. Поэтому бензин, получаемый в процессе перегонки нефти, имеет низкое октановое число (обычно ниже 65) и не может использоваться в двигателях современных автомобилей. В связи с этим, фракции нефти, полученные при перегонке, подвергают дальнейшей переработке, связанной с изменением структуры входящих в них углеводородов. Эти процессы называются вторичной переработкой нефти.

Крекинг

Бензиновая фракция составляет лишь небольшую долю от всей добываемой нефти, и получаемый в процессе перегонки бензин не может удовлетворить спрос на него. Поэтому одной из задач вторичной переработки нефти является превращение тяжёлых углеводородов в углеводороды бензиновой фракции. Для этого молекулы с большим числом атомов углерода расщепляются на более мелкие. Этот процесс называется крекингом.

При высоких температурах происходит расщепление химических связей углерод-углерод, в результате чего молекулы углеводородов с длинной цепью атомов углерода превращаются в углеводороды с более короткой цепью, например:

Как видно из приведённого примера, из углеводорода состава C₁₂H₂₆ образовалась смесь алкана и алкена с числом атомов углерода в молекулах, равным 6, что соответствует бензиновой фракции. Следует отметить, что расщепление молекулы исходного вещества может происходить по любой связи углерод-углерод, например:

В результате образуется смесь предельных и непредельных углеводородов преимущественно неразветвлённого строения. Описанный процесс называется термическим крекингом. Термический крекинг проводится при температурах до 800 °С. Чем выше температура крекинга, тем сильнее дробятся молекулы исходных веществ. Так, при температурах около 800 °С образуется большое количество газообразных алкенов (этена, пропена и бутенов), которые используются для получения полимеров.

Недостатком термического крекинга является большое содержание в его продуктах углеводородов неразветвлённого строения. Поэтому полученный таким способом бензин имеет невысокое октановое число (обычно не выше 70). Бензин с более высоким октановым числом можно получить в результате каталитического крекинга. Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (400–500 °С) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация получающихся углеводородов (§ 10), то есть образуются углеводороды разветвлённого строения.

Риформинг

Ещё более эффективным способом получения бензина с высоким октановым числом является риформинг — процесс превращения алканов в ароматические углеводороды при нагревании на катализаторе. Например, при нагревании гексана на платиновом катализаторе он превращается в бензол:

В аналогичных условиях гептан превращается в толуол:

Описанные процессы связаны с переработкой гигантских объёмов нефти, которые составляют несколько миллиардов тонн в год. В связи с этим первостепенное значение имеет защита окружающей среды при добыче нефти и её переработке.

Попадание нефти и нефтепродуктов в окружающую среду чрезвычайно опасно. Это связано как с пожаро- и взрывоопасностью углеводородов, таки с токсичностью компонентов нефти и продуктов их превращений. Загрязнение нефтью может достигать очень больших масштабов. Так, одна тонна нефти способна покрыть тонкой плёнкой участок поверхности моря площадью до тысячи гектаров. Поэтому в настоящее время актуальны вопросы, связанные не только с эффективностью добычи и переработки нефти, но и с безопасностью этих процессов. Кроме этого, большое внимание приходится уделять проблемам безопасности при транспортировке и использовании нефти и нефтепродуктов, а также разработке методов ликвидации последствий аварийных ситуаций, связанных с попаданием этих веществ в окружающую среду.

Как видно, проблем очень много, поэтому охрана окружающей среды должна обеспечиваться в целом ряде отраслей промышленности, связанных как с добычей нефти, так и с её транспортировкой, переработкой и использованием. На стадии добычи в настоящее время актуальна задача повышения эффективности использования существующих месторождений с целью наиболее полного извлечения нефти из недр. Чтобы повысить нефтеотдачу, применяются методы подачи в нефтяные пласты воды и различных растворов.

Это позволяет обеспечивать высокий уровень добычи без необходимости освоения новых месторождений.

Экологически безопасная переработка нефти должна быть безотходной. Это касается в первую очередь глубокой переработки всех компонентов нефти в необходимые продукты. Данную проблему во многом решает совершенствование технологии производства. Кроме этого, нефтеперерабатывающие предприятия оснащаются системами очистки (отстаивание, фильтрация, микробиологическая и химическая очистка сточных вод и др.).

Охрана окружающей среды на стадии транспортировки нефти связана с совершенствованием правил техники безопасности и разработкой методов очистки нефтяных ёмкостей (в основном, танкеров) от остатков нефти во избежание попадания её в окружающую среду. Ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций в случае загрязнения нефтью осуществляется с применением новейших научно-технических достижений (локализация зон загрязнения и последующий сбор нефти).

Большое значение для охраны окружающей среды имеет также разработка прогрессивных энергосберегающих технологий, позволяющих сократить потребление нефтепродуктов и тем самым снизить опасность и ущерб для окружающей среды.

В последние годы наметилась тенденция постепенного перехода от автомобилей, работающих на углеводородном топливе, к электромобилям. Это, несомненно, будет способствовать улучшению состояния окружающей среды.

Каждый из нас может внести  свою  лепту  в  эту  деятельность,  просто не забыв выключить свет, отменив неактуальную поездку на автомобиле и т. д. Осознавая масштабы деятельности человека, в том числе в использовании нефти, важно понять, что сохранение нашей замечательной планеты — дело каждого из нас.

С основными предприятиями нефтехимической промышленности нашей страны вы можете познакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.