§ 21. Прыродныя крыніцы вуглевадародаў і іх выкарыстанне

Прыродныя крыніцы вуглевадародаў і іх выкарыстанне

Вывучаныя намі вуглевадароды маюць вялікае практычнае значэнне, так як шырока выкарыстоўваюцца ў якасці паліва, а таксама служаць сыравінай для атрымання мноства арганічных рэчываў.

Найбольш важныя крыніцы вуглевадародаў — прыродны газ і нафта.

Прыродны газ

Асноўным кампанентам прыроднага газу з’яўляецца метан. Акрамя метану ў прыродным газе прысутнічаюць этан, прапан і бутаны. Звычайна чым вышэйшая малекулярная маса вуглевадароду, тым меншае яго змяшчэнне ў прыродным газе. Састаў прыроднага газу розных радовішчаў неаднолькавы. У табліцы прыведзена прыкладная колькасць рэчываў у прыродным газе.

Прыродны газ выкарыстоўваецца ў асноўным у якасці паліва. Ён мае шэраг пераваг над цвёрдым і вадкім палівам: пры яго згаранні вылучаецца больш цяпла, ён не пакідае попелу, прадукты яго згарання больш экалагічна чыстыя. Прыродны газ выкарыстоўваецца на цеплавых электрастанцыях, у якасці гаручага для газавых пліт, паліва для аўтамабіляў г. д.

Нафта

Фізічныя ўласцівасці і састаў нафты

Нафта ўяўляе сабой алеістую вадкасць звычайна цёмнага колеру са своеасаблівым пахам. Яна лягчэйшая за ваду і ў вадзе не раствараецца. Асноўнымі кампанентамі нафты з’яўляюцца вадкія і раствораныя ў іх цвёрдыя вуглевадароды. Гэта значыць, нафта з’яўляецца сумессю вуглевадародаў. У асноўным гэта алканы, цыклаалканы і араматычныя вуглевадароды. Суадносіны гэтых вуглевадародаў у нафце розных радовішчаў могуць істотна адрознівацца.

Для таго каб вылучыць з нафты карысныя для патрэб чалавека прадукты, яе падвяргаюць перапрацоўцы.

Першасная перапрацоўка нафты

Нафта не мае пэўнай тэмпературы кіпення, так як з’яўляецца сумессю вуглевадародаў, якія маюць розныя тэмпературы кіпення. У працэсе награвання нафты з яе вылучаюць спачатку найбольш лёгкія вуглевадароды (яны маюць нізкія тэмпературы кіпення), а потым больш цяжкія. Сумесь вуглевадародаў, сабраных у працэсе перагонкі нафты ў пэўным інтэрвале тэмператур, называецца фракцыяй.

Разгледзім некаторыя фракцыі нафты.

Бензінавая фракцыя пераганяецца ў інтэрвале тэмператур ад 40 да 200 °С і змяшчае вуглевадароды C₅ C₁₁. Як вынікае з назвы, гэта фракцыя выкарыстоўваецца для атрымання бензіну.

Ліграін пераганяецца пры тэмпературы ад 120 да 240 °С і змяшчае вуглевадароды C₈ C₁₄. Ліграін прымяняецца для атрымання бензіну і дызельнага паліва, а таксама ў якасці растваральніка.

Газа пераганяецца ў інтэрвале тэмператур ад 180 да 300 °С і змяшчае вуглевадароды C₁₂ C₁₈. Яна прымяняецца як паліва для рэактыўных рухавікоў (авіяцыйная газа), для бытавых награвальных прыбораў, у якасці растваральніка і для атрымання дызельнага паліва.

Працэс перагонкі нафты не суправаджаецца змяненнем структуры вуглевадародаў, якія яе ўтвараюць, а заключаецца толькі ў падзеле на асобныя кампаненты, гэта значыць з’яўляецца фізічным працэсам. Такі працэс называюць першаснай перапрацоўкай нафты.

Актанавы лік бензіну

Адной з важнейшых характарыстык бензіну з’яўляецца яго дэтанацыйная стойкасць. Дэтанацыйная стойкасць паказвае здольнасць бензіну «супраціўляцца» самаўзгаранню пры сцісканні ў цыліндры рухавіка. Каб зразумець гэта, разгледзім, як працуе рухавік аўтамабіля (мал. 21.2).

Сумесь пароў бензіну з паветрам паступае ў цыліндр рухавіка. Калі поршань цыліндра дасягае верхняй кропкі, гэта значыць максімальна сціскае сумесь, іскра свечкі яе запальвае. Газы, якія ўтварыліся, штурхаюць поршань уніз, ён выконвае работу, у выніку якой аўтамабіль рухаецца. Гэта апісанне датычыцца нармальнай работы рухавіка. Але магчыма сітуацыя, калі бензінава-паветраная сумесь узгарыцца ў цыліндры да падпальвання за кошт павышэння яе тэмпературы пры сцісканні. Гэты працэс называецца дэтанацыяй. Дэтанацыя вельмі шкодна для рухавіка, яна зніжае магутнасць і прыводзіць да заўчаснага зносу дэталей і нават да паломкі рухавіка.

Для характарыстыкі дэтанацыйнай стойкасці бензіну выкарыстоўваецца актанавы лік. Актанавы лік ізаактану (2,2,4-трыметылпентану), які валодае высокай дэтанацыйнай стойкасцю, прыняты за 100. Актанавы лік н-гептану, які надзвычай лёгка дэтануе, прыняты за 0. Сумесь н-гептану і ізаактану мае актанавы лік, роўны змяшчэнню ў ёй ізаактану (у працэнтах па аб’ёме). Напрыклад, сумесь, якая змяшчае 92 % па аб’ёме ізаактану і 8 % н-гептану, мае актанавы лік, роўны 92. Калі бензін мае актанавы лік, роўны 92, то гэта значыць, што ён дапускае такое самае сцісканне ў цыліндры без дэтанацыі, як сумесь з 92 % ізаактану і 8 % н-гептану. Актанавыя лікі фігуруюць у назве маркі бензіну, напрыклад, АІ-92, АІ-95 і інш. Праязджаючы каля аўтазаправачнай станцыі, вы можаце пераканацца, што чым вышэйшы актанавы лік, тым даражэйшы бензін.

Аказваецца, што найбольш устойлівымі да дэтанацыі з’яўляюцца араматычныя вуглевадароды і вуглевадароды разгалінаванай будовы. Гэтыя вуглевадароды характарызуюцца высокім актанавым лікам, часам больш за 100! Актанавыя лікі неразгалінаваных вуглевадародаў, наадварот, нізкія (табл. 21.2).

Табліца 21.2. Актанавы лік некаторых вуглевадародаў

Назва вуглевадароду	Структурная формула	Актанавы лік
н-Гептан		0
н-Пентан		62
2,2-Дыметылбутан		92
Ізаактан		100
Бензол		133

У нафце пераважаюць вуглевадароды неразгалінаванай будовы. Таму бензін, які атрымліваецца ў працэсе перагонкі нафты, мае нізкі актанавы лік (звычайна ніжэй за 65) і не можа выкарыстоўвацца ў рухавіках сучасных аўтамабіляў. У сувязі з гэтым фракцыі нафты, атрыманыя пры перагонцы, падвяргаюць далейшай перапрацоўцы, звязанай са змяненнем структуры вуглевадародаў, якія ў іх уваходзяць. Гэтыя працэсы называюцца другаснай перапрацоўкай нафты.

Другасная перапрацоўка нафты

Крэкінг

Бензінавая фракцыя складае толькі невялікую долю ад усёй нафты, якая здабываецца, і бензін, што атрымліваецца ў працэсе перагонкі, не можа задаволіць попыт на яго. Таму адной з задач другаснай перапрацоўкі нафты з’яўляецца ператварэнне цяжкіх вуглевадародаў у вуглевадароды бензінавай фракцыі. Для гэтага малекулы з вялікім лікам атамаў вугляроду расшчапляюць на больш дробныя. Гэты працэс называецца крэкінгам.

Пры высокіх тэмпературах адбываецца расшчапленне хімічных сувязей вуглярод-вуглярод, у выніку чаго малекулы вуглевадародаў з доўгім ланцугом атамаў вугляроду ператвараюцца ў вуглевадароды з больш кароткім ланцугом, напрыклад:

Як відаць з прыведзенага прыкладу, з вуглевадароду саставу C₁₂H₂₆ утварылася сумесь алкану і алкену з лікам атамаў вугляроду ў малекулах, роўным 6, што адпавядае бензінавай фракцыі. Неабходна адзначыць, што расшчапленне малекулы зыходнага рэчыва можа адбывацца па любой сувязі вуглярод-вуглярод, напрыклад:

У выніку ўтвараецца сумесь гранічных і негранічных вуглевадародаў пераважна неразгалінаванай будовы. Апісаны працэс называецца тэрмічным крэкінгам. Тэрмічны крэкінг праводзіцца пры тэмпературах да 800 °С. Чым вышэйшая тэмпература крэкінгу, тым мацней драбняцца малекулы зыходных рэчываў. Так, пры тэмпературах каля 800 °С утвараецца вялікая колькасць газападобных алкенаў (этэну, прапену і бутэнаў), якія выкарыстоўваюцца для атрымання палімераў.

Недахопам тэрмічнага крэкінгу з’яўляецца вялікае змяшчэнне ў яго прадуктах вуглевадародаў неразгалінаванай будовы. Таму атрыманы такім спосабам бензін мае невысокі актанавы лік (звычайна не вышэй за 70).

Бензін з больш высокім актанавым лікам можна атрымаць у выніку каталітычнага крэкінгу. Каталітычны крэкінг ажыццяўляецца пры больш нізкіх тэмпературах (400–500 °С) у прысутнасці каталізатараў. У гэтых умовах разам з расшчапленнем малекул адбываецца ізамерызацыя вуглевадародаў, якія ўтварыліся (§ 10), гэта значыць утвараюцца вуглевадароды разгалінаванай будовы.

Рыформінг

Яшчэ больш эфектыўным спосабам атрымання бензіну з высокім актанавым лікам з’яўляецца рыформінг — працэс ператварэння алканаў у араматычныя вуглевадароды пры награванні на каталізатары. Напрыклад, пры награванні гексану на плацінавым каталізатары ён ператвараецца ў бензол:

У аналагічных умовах гептан ператвараецца ў талуол:

Як бачна, у ходзе апісаных рэакцый ад малекул алканаў адшчапляюцца чатыры малекулы вадароду і ўтвараюцца цыклічныя араматычныя вуглевадароды, таму дадзеныя працэсы называюць дэгідрацыклізацыяй або араматызацыяй алканаў. Дэгідрацыклізацыя алканаў выкарыстоўваецца не толькі для павышэння актанавага ліку бензіну, але і з мэтай атрымання бензолу і яго гамолагаў.

Выкарыстанне працэсаў другаснай перапрацоўкі нафты дазваляе давесці выхад бензіну з 15 % (першасная перапрацоўка) прыкладна да 60 %. Акрамя гэтага, у працэсах другаснай перапрацоўкі ўтвараецца вялікая колькасць каштоўных рэчываў, якія з’яўляюцца сыравінай для атрымання палімераў і іншых прадуктаў.

Ахова навакольнага асяроддзя

Апісаныя працэсы звязаны з перапрацоўкай гіганцкіх аб’ёмаў нафты, якія складаюць некалькі мільярдаў тон у год. У сувязі з гэтым першараднае значэнне мае ахова вакольнага асяроддзя пры здабычы нафты і яе перапрацоўцы.

Пападанне нафты і нафтапрадуктаў у навакольнае асяроддзе надзвычай небяспечна. Гэта звязана як з пажара- і выбухованебяспечнасцю вуглевадародаў, так і з таксічнасцю кампанентаў нафты і прадуктаў іх ператварэнняў. Забруджванне нафтай можа дасягаць вельмі вялікіх маштабаў. Так, адна тона нафты здольна пакрыць тонкай плёнкай участак паверхні мора плошчай да тысячы гектараў. Таму сёння актуальны пытанні, звязаныя не толькі з эфектыўнасцю здабычы і перапрацоўкі нафты, але і з бяспекай гэтых працэсаў. Акрамя таго, вялікую ўвагу прыходзіцца надаваць праблемам бяспекі пры транспарціроўцы і выкарыстанні нафты і нафтапрадуктаў, а таксама распрацоўцы метадаў ліквідацыі наступстваў аварыйных сітуацый, звязаных з пападаннем гэтых рэчываў у навакольнае асяроддзе.

Як бачна, праблем вельмі многа, таму ахова навакольнага асяроддзя павінна забяспечвацца ў цэлым радзе галін прамысловасці, звязаных як са здабычай нафты, так і з яе транспарціроўкай, перапрацоўкай і выкарыстаннем.

На стадыі здабычы ў цяперашні час актуальнай з’яўляецца задача павышэння эфектыўнасці выкарыстання існуючых радовішчаў з мэтай найбольш поўнай здабычы нафты з нетраў. Каб павысіць нафтааддачу, прымяняюцца метады падачы ў нафтавыя пласты вады і розных раствораў. Гэта дазваляе забяспечваць высокі ўзровень здабычы без неабходнасці асваення новых радовішчаў.

Экалагічна бяспечная перапрацоўка нафты павінна быць безадходнай. Гэта датычыцца, у першую чаргу, глыбокай перапрацоўкі ўсіх кампанентаў нафты ў неабходныя прадукты. Дадзеную праблему ў многім вырашае ўдасканаленне тэхналогіі вытворчасці. Акрамя таго, нафтаперапрацоўчыя прадпрыемствы абсталёўваюцца сістэмамі ачысткі (адстойванне, фільтраванне, мікрабіялагічная і хімічная ачыстка сцёкавых вод і інш.).

Ахова навакольнага асяроддзя на стадыі транспарціроўкі нафты звязана з удасканаленнем правілаў тэхнікі бяспекі і распрацоўкай метадаў ачысткі нафтавых ёмістасцей (у асноўным, танкераў) ад рэшткаў нафты, каб пазбегнуць пападання яе ў навакольнае асяроддзе. Ліквідацыя наступстваў надзвычайных сітуацый у выпадку забруджвання нафтай ажыццяўляецца з прымяненнем навейшых навукова-тэхнічных дасягненняў (лакалізацыя зон забруджвання і наступны збор нафты).

Вялікае значэнне для аховы навакольнага асяроддзя мае таксама распрацоўка прагрэсіўных энергазберагальных тэхналогій, якія дазваляюць скараціць спажыванне нафтапрадуктаў і тым самым знізіць небяспеку і шкоду для навакольнага асяроддзя.

У апошнія гады намецілася тэндэнцыя паступовага пераходу ад аўтамабіляў, якія працуюць на вуглевадародным паліве, да электрамабіляў. Гэта, несумненна, будзе спрыяць паляпшэнню стану навакольнага асяроддзя.

Кожны з нас можа зрабіць свой унёсак у гэтую дзейнасць, проста не забыўшыся выключыць святло, адмяніўшы неактуальную паездку на аўтамабілі і г. д. Усведамляючы маштабы дзейнасці чалавека, у тым ліку ў выкарыстанні нафты, важна зразумець, што захаванне нашай унікальнай планеты — справа кожнага з нас.

З асноўнымі прадпрыемствамі нафтахімічнай прамысловасці нашай краіны вы можаце пазнаёміцца, перайшоўшы па спасылцы ў QR-кодзе.

*Прадпрыемствы нафтахімічнага комплексу Рэспублікі Беларусь

У нашай краіне дзейнічаюць два найбуйнейшыя нафтаперапрацоўчыя заводы — у Наваполацку (ААТ «Нафтан») і Мазыры (ААТ «Мазырскі нафтаперапрацоўчы завод»). Асноўныя прадукты перапрацоўкі нафты — аўтабензіны, дызельнае паліва, авіяцыйныя бензіны, змазачныя алеі, араматычныя вуглевадароды.

У Наваполацку, акрамя прадуктаў нафтаперапрацоўкі, з нафты атрымліваюць шмат іншай каштоўнай прадукцыі: поліэтылен і вырабы з яго (поліэтыленавая плёнка, трубы, электраізаляцыйныя матэрыялы і інш.); прадукты арганічнага сінтэзу (кампаненты для атрымання сінтэтычных валокнаў і пластмас), асобныя вуглевадароды і многае іншае.

Прадукцыя, якая выпускаецца на беларускіх заводах, адказвае сучасным экалагічным патрабаванням. Прамысловыя сцёкі прадпрыемстваў праходзяць поўны цыкл глыбокай ачысткі.

Найважнейшымі задачамі, якія стаяць перад прадпрыемствамі нафтахімічнага комплексу нашай краіны, з’яўляецца павелічэнне глыбіні перапрацоўкі нафты, павышэнне якасці прадуктаў, што атрымліваюць, у тым ліку з пункту гледжання іх экалагічнай чысціні, паляпшэнне экалагічнасці вытворчасцей за кошт утылізацыі адходаў і атрымання з іх новых відаў прадукцыі.

Пытанні і заданні

1. Што такое прыродны газ і нафта? Якія вуглевадароды ўваходзяць у іх састаў? Якое значэнне маюць прыродны газ і нафта ў нашым жыцці?

2. У чым заключаецца першасная перапрацоўка нафты? Чаму ў нафты няма пэўнай тэмпературы кіпення? Што такое нафтавыя фракцыі?

3. У працэсе перагонкі нафты атрыман бензін, дэтанацыйныя ўласцівасці якога такія самыя, як у сумесі аднолькавых аб’ёмаў ізаактану і н-гептану. Чаму роўны актанавы лік атрыманага бензіну?

4. Што такое другасная перапрацоўка нафты? З якой мэтай яна ажыццяўляецца?

5. У выніку крэкінгу н-нанану атрымана сумесь вуглевадародаў, сярод якіх былі рэчывы А і Б. Вядома, што рэчыва А не абясколервае бромную ваду, але ўступае ў рэакцыю дэгідрацыклізацыі з утварэннем талуолу. Рэчыва Б абясколервае бромную ваду і раствор KMnO₄. У прысутнасці сернай кіслаты рэчыва Б далучае ваду, пры гэтым утвараецца этанол. Устанавіце формулы рэчываў А і Б. Напішыце ўраўненні ўсіх апісаных у задачы рэакцый і ўкажыце ўмовы іх працякання.

6. Для растварэння лакаў і фарбаў шырока выкарыстоўваюцца растваральнікі 645 і 646, якія змяшчаюць 50 % талуолу (па масе). Разлічыце аб’ём гептану шчыльнасцю 0,68 г/см³, які спатрэбіцца для атрымання 1 кг талуолу, калі выхад прадукту рэакцыі дэгідрацыклізацыі складае 90 %.

7. Назавіце асноўныя напрамкі аховы навакольнага асяроддзя пры нафтаперапрацоўцы.

8*. Якасць паліва для рухавікоў унутранага згарання характарызуецца пры дапамозе актанавага ліку.

а) Прывядзіце структурную формулу ізаактану.

б) Прывядзіце структурныя формулы і назвы двух ізамераў н-гептану, якія змяшчаюць пяць атамаў вугляроду ў галоўным ланцугу.

в) Змяшалі 20 дм³ ізаактану і 5 дм³ гептану. Укажыце актанавы лік атрыманай сумесі.

г) Масавая доля вугляроду ў вуглевадародзе А неразгалінаванай будовы, актанавы лік якога роўны 25, складае 83,72 %. Устанавіце малекулярную формулу вуглевадароду А.

д) Якую масу (кг) н-гептану неабходна дабавіць да ізаактану масай 20 кг, каб атрымаць паліва з такім самым актанавым лікам, як у вуглевадароду А? Шчыльнасць ізаактану роўная шчыльнасці н-гептану і складае 0,68 г/см³.

9*. Назавіце асноўныя нафтаперапрацоўчыя прадпрыемствы Рэспублікі Беларусь. Прапануйце спосаб атрымання поліэтылену з вадкіх алканаў, якія змяшчаюцца ў нафце. Напішыце адпаведныя ўраўненні рэакцый.