Природные источники углеводородов

По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства, как смесь 92% (по объему) изооктана и 8% гептана. Именно октановое число указывают в маркировке бензина. Чем выше октановое число, тем мощнее может быть двигатель.

Октановое число бензиновой фракции, получаемой непосредственно перегонкой нефти, не превышает 65–70, такой бензин не подходит для современных двигателей. Для повышения октанового числа бензин прямой перегонки смешивают с другими нефтепродуктами, а также добавляют вещества, увеличивающие его детонационную стойкость.

Детонационная стойкость углеводородов зависит от их строения. Более высокие, чем алканы линейного строения, октановые числа имеют разветвленные алканы, а также алкены и ароматические углеводороды. Поэтому к бензину прямой перегонки добавляют продукты каталитического крекинга, в которых высока доля разветвленных углеводородов и алкенов, а также продукты риформинга, содержащие ароматические соединения.

Более дешевый и легкий путь увеличения октанового числа состоит в добавлении к бензину некоторых веществ, изменяющих характер горения топлива. Так, детонационную стойкость бензина увеличивают небольшие количества тетраэтилсвинца Pb(C2H5)4. Такой бензин называют этилированным. Однако при его использовании в окружающую среду из выхлопных газов попадают чрезвычайно вредные для нее и здоровья человека соединения свинца. Во многих странах и большинстве городов России использование этилированного бензина запрещено.

В качестве альтернативы тетраэтилсвинцу производители моторного топлива используют добавки железо- или марганецорганических соединений, толуола. Однако это не лучшее решение.

Твердые продукты сгорания металлорганических соединений загрязняют двигатель и системы каталитической очистки выхлопных газов, приводят к преждевременному выводу их из строя. А толуол можно применять в небольших количествах, т.к. содержание ароматических соединений в бензинах ограничивается законодательством многих стран из-за канцерогенности.

В настоящее время в мире широко распространены антидетонационные кислородсодержащие добавки к моторному топливу, такие, как метилтретбутиловый эфир, этилтретбутиловый эфир, метанол и этанол. При сгорании топлива с этими добавками в выхлопных газах не появляется никаких дополнительных загрязнений и, более того, образуется значительно меньше оксида углерода(II) по сравнению с обычным бензином. Поэтому в некоторых штатах Америки, например в Южной Калифорнии, законодательно установлено, что бензин должен содержать не менее 2% кислорода по массе. Смесь бензина и этилового спирта в США имеет специальное название – газохол (от gasoline – бензин и alcohol – спирт). А наиболее широко применение этанола в качестве топлива распространено в Бразилии, где это экономически оправдано наличием большого количества дешевого растительного сырья – отходов переработки сахарного тростника. Кстати, октановое число этилового спирта значительно больше 100, правда, его теплотворная способность несколько ниже, чем у углеводородных смесей. К сожалению, в России пока применение кислородсодержащих добавок распространено мало.

Регулируется в бензине и содержание летучих компонентов – прежде всего растворенного в нем бутана. Чем холоднее, тем больше должен бензин содержать летучих компонентов, чтобы легче заводился двигатель. А в жару наоборот: количество легколетучих компонентов бензина должно быть минимально – чем больше испарение, тем больше потери бензина при переливании, заправке и т.п. и тем больше пожароопасность. Поэтому состав бензина зависит и от климата, и от времени года.

А еще в состав бензина в небольшом количестве могут входить вещества специального назначения. Это, например, антиоксиданты, замедляющие процесс окисления алкенов бензина, или ингибиторы коррозии, вызываемой водой, содержащейся в топливе или конденсирующейся из воздуха в баке, и антиобледенители.

1.5 Нефтехимия

Создание первых нефтехимических производств было связано с необходимостью найти применение побочным продуктам термического крекинга – этилену и пропилену. В 1920 г. компания «Стандарт Ойл» стала производить из пропилена первый нефтехимический продукт – растворитель изопропиловый спирт, а из этилена – 1,2-дихлорэтан, нашедший широкое применение как растворитель для химической чистки, и этиленгликоль (1,2-этандиол), который до сих пор используется как антифриз. В настоящее время потребность промышленности в алкенах настолько велика, что для получения этилена и пропена специально проводят крекинг фракций нефти при более высоких температурах (около 700 °С). Получают алкены и каталитическим дегидрированием.

Основная часть алкенов в настоящее время идет на производство полимеров. Большое количество этилена перерабатывается в винилхлорид, мономер синтеза поливинилхлорида. Из бутановой фракции перегонки нефти получают бутадиен, используемый для производства резины. Каталитическое окисление бутана в настоящее время является основным методом получения уксусной кислоты.

Фракции нефти, в состав молекул которых входит от 12 до 16 атомов углерода, подвергают каталитическому окислению. Например, из гексадекана С16Н34 можно получить спирт состава С16Н33ОН:

2С16Н34 + О2 2С16Н33ОН

Из образующихся высших спиртов получают поверхностно-активные алкилсульфаты, которые входят в состав многих синтетических моющих средств. Таким образом, стиральные порошки фактически делают из нефти.

Другими многотоннажными продуктами нефтехимии являются ароматические углеводороды – бензол, толуол, ксилолы, стирол. Арены применяются в качестве растворителей, а также в качестве исходных веществ в органическом синтезе. Из стирола получают один из самых распространенных в быту полимеров – полистирол.

Несколько слов о промышленной химической переработке природного газа. Реакция пиролиза метана – разложение без доступа воздуха при 1500 °С – источник не только водорода, но и сажи для резиновой отрасли промышленности. Пиролиз, проведенный в несколько измененных условиях (газ подвергается действию высоких температур в течение очень короткого времени), позволяет выделить промежуточные продукты разложения. Это основной метод получения ацетилена.

Процесс взаимодействия при высоких температурах углеводородов с водяным паром – конверсия – в зависимости от целей протекает в разных условиях. Если конверсию природного газа проводят для получения водорода, то используют избыток водяного пара:

2СH4 + O2 + 2H2O 2CO2 + 6H2.

Углекислый газ отделяют, растворяя его в воде под давлением.

Иногда реакцию конверсии проводят на катализаторе при недостатке водяного пара:

CH4 + H2O CO + 3H2.

Смесь оксида углерода(II) и водорода – синтез-газ – не разделяют, а используют для получения из нее разных органических веществ. В зависимости от условий (температура, давление, катализаторы) оксид углерода(II) и водород реагируют по-разному. Из синтез-газа получают целый спектр органических веществ, самым многотоннажным из которых является метанол.

В результате разнообразных химических процессов основные продукты нефтехимии превращаются в широкий ассортимент пластмасс, синтетических волокон, синтетических моющих средств, растворителей, красителей, лекарств и т.п. Часто эти процессы многостадийны и требуют значительных энергозатрат. Большинство промышленных химических реакций проводится в присутствии катализаторов.

Следует отметить, что в настоящее время на химическую переработку идет около 10% добываемой нефти. Все остальное используется как топливо. В связи с этим обычно приводят слова Менделеева: «Топить нефтью – топить ассигнациями». Менделееву приписывают не совсем то, что он имел в виду, – фраза, конечно, не имела отношения к важности развития нефтехимических производств. Эти слова сказаны в связи с сжиганием легкой бензиновой фракции. Но, к сожалению, по бережливости в обращении с углеводородным сырьем мы ушли не намного дальше. Достаточно вспомнить факелы попутных нефтяных газов в районах нефтедобычи и факелы над нефтеперерабатывающими заводами. Напрасно сжигая нефтепродукты, человечество приближает момент их исчерпания. По прогнозам, нефти в мире должно хватить на 40 лет, газа – на 60, запасы природного угля побольше, но тоже рано или поздно исчерпаются. Кроме того, сжигание углеводородного сырья приводит к печальным экологическим последствиям: от смога на улицах городов до увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, которое, по мнению некоторых ученых, может привести к глобальному изменению климата на планете.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ТЕМЫ «ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ»

НЕФТЬ. КЕРОСИН. БЕНЗИН

Нефть – жидкое горючее ископаемое, добываемое из недр Земли. Нефть представляет собой нерастворимую в воде коричневую или черную маслянистую жидкость легче воды (плотность 0,75–0,95 г/мл). Она содержит 83–87% углерода и 11–14% водорода. Нефть состоит из углеводородов – алканов и циклоалканов. Состав ее зависит от месторождения: в одних преобладают алканы, в других – циклоалканы. Грозненская нефть состоит в основном из алканов, уральская – из циклических и нециклических углеводородов, бакинская – из циклических углеводородов:

Кроме углеводородов нефть содержит различные сернистые и азотистые соединения. Чем меньше этих примесей, тем выше качество нефти. В нефти обычно бывает растворен метан, значительные количества которого теряются при несовершенной технике нефтедобычи.

Д.И.Менделеев – один из первых, кто выдвинул теорию происхождения нефти (1876). Он считал, что нефть образовалась при действии воды на карбид железа Fe3С, который может входить в состав ядра земного шара.

В настоящее время эта теория оставлена и принято биохимическое происхождение нефти из останков простейших организмов, осевших на дно бывших морей. Эта теория подтверждается тем, что в нефти обнаружены продукты разложения хлорофилла.

Нефть – очень ценное химическое сырье, ее также можно использовать как топливо: 1 кг нефти при сжигании выделяет около 45 000 кДж теплоты. В настоящее время нефть в качестве топлива почти не используется, т. к. экономически более выгодно получать из нефти бензин и другие вещества после ее переработки.

При переработке нефти фракционированием (после предварительного удаления газов) выделяют следующие продукты:

а) Бензины, температура кипения которых – вплоть до 180 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 5–9 атомами углерода. Повторным фракционированием из нее выделяют бензины для авиационных и автомобильных двигателей.

б) Керосины, температура кипения которых находится в пределах 180–300 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 10–16 атомами углерода. Керосины подразделяются на осветительные, тракторные, реактивные.
в) Нефтяные остатки – мазут. Это смесь углеводородов с 17 углеродными атомами и выше. Из мазута при температуре 300 °С и выше отгоняют так называемые соляровое и трансформаторное масла, из него получают вазелин и чистый твердый парафин.

После перегонки нефти получается всего 10–20% бензина. Для увеличения количества получаемого бензина более высококипящие фракции подвергают нагреванию для разрушения больших молекул до молекул, входящих в состав бензина. Эту технологическую операцию называют крекингом. В частности, крекингом мазута при температуре 450–550 °С дополнительно получают бензин. Остаток после переработки мазута – гудрон – используют для покрытия дорог. В настоящее время крекинг проводят на катализаторах – платине или алюмосиликатах. (Напишите формулу простейшего алюмосиликата.)

Крекинг при еще более высоких температурах (700–800 °С) называют пиролизом.

Крекинг и пиролиз позволяют довести суммарный выход бензина из нефти до 85%.

Первый проект промышленной установки для крекинга был разработан в 1891 г. известным русским инженером В.Г.Шуховым.

При крекинге и пиролизе образуются не только более простые молекулы из-за разрыва тяжелых молекул; одновременно протекают многочисленные, часто еще неизвестные, реакции изомеризации и циклизации.

После крекинга бензин получается более высокого качества по сравнению с бензином после перегонки нефти.

Наверное, в вашей семье есть автомобиль, и скоро вы сядете за руль. Читайте внимательнее про бензин!

Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании работы расширения реакции горения компонентов бензина с кислородом воздуха. Теплота реакции в этом процессе является побочным продуктом и удаляется из мотора системой охлаждения двигателя (радиатор).

В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания цепная реакция горения углеводородов (после предварительного сжатия газовой смеси) инициируется электрической искрой. Чем сильнее сжата смесь перед вспышкой, тем больше развиваемая мотором мощность и тем относительно меньше расход бензина. Однако увеличение степени сжатия возможно только до некоторого предела, зависящего от прочности деталей двигателя и качества бензина.

При слишком высоком сжатии цепная реакция горения смеси может еще более ускориться и превратиться во взрывоподобную. Более того, реакция может начаться до достижения максимального сжатия в цилиндре и даже до появления электрической искры. Из-за этого слышится стук в двигателе и его мощность резко падает.

В камере сгорания происходит детонация, при которой бензин сгорает не полностью, образуется не углекислый газ, а монооксид углерода СО, угарный газ. В выхлопных газах увеличивается содержание оксидов азота и сажи. Автомобиль выбрасывает клубы дыма. Мотор дрожит и даже продолжает работать после выключения зажигания.

Допустимая степень сжатия до появления детонации характеризуется октановым числом топлива. Чем выше октановое число, тем на большую степень сжатия может быть рассчитан мотор и тем большую мощность он будет развивать.

Октановое число – условный показатель антидетонационных свойств моторного топлива (бензин, керосин). Моторное топливо сравнивается со смесью изооктана, октановое число которого условно принято за 100, и нормального гептана с октановым числом, равным 0. Процент изооктана в смеси, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому топливу, называется октановым числом топлива. Если октановое число равно 90, то это означает, что бензин детонирует, как и смесь, состоящая из 90% изооктана и 10% нормального гептана.