Нефть, природный газ и переработка углеводородов
Нефть и природный газ главные источники углеводородов для топлива и органического синтеза. Из них получают бензин, керосин, дизельное топливо, масла, газы для бытовых нужд и сырьё для пластмасс, каучуков и растворителей. В школьной химии важно понимать не перечень всех товарных марок, а логику переработки: сначала разделяют смесь по температурам кипения, затем меняют строение молекул крекингом и риформингом.
Ниже разобраны состав нефти и газа, фракционная перегонка, крекинг, риформинг, основные продукты и экологические риски добычи и сжигания углеводородов.
Нефть это природная смесь углеводородов. Первичная переработка разделяет её на фракции без разрыва связей в молекулах. Вторичная переработка, прежде всего крекинг, разбивает крупные молекулы на более мелкие и повышает выход ценных топлив.
Что такое нефть и природный газ
Нефть маслянистая горючая жидкость от светло-жёлтого до почти чёрного цвета. Она легче воды и в ней почти не растворяется. По происхождению нефть связывают с преобразованием остатков древних организмов в осадочных породах. Для химии важнее другое: нефть неоднородна и состоит из сотен соединений, в основном углеводородов.
Природный газ смесь газов, где главная доля обычно приходится на метан CH4. Рядом встречаются этан, пропан, бутан и примеси: азот, диоксид углерода, сероводород, пары воды. Попутный нефтяной газ выделяется вместе с нефтью и тоже богат лёгкими углеводородами.
Нефть и газ не только топливо. Это углеродное сырьё. Из них строят цепочки к этилену, пропилену, бензолу, а дальше к полимерам и множеству органических веществ. Поэтому раздел о переработке углеводородов стоит на стыке технологии и органической химии.
Состав нефти
Основные классы углеводородов в нефти: алканы, циклоалканы и арены. Соотношение зависит от месторождения. Есть нефти с большим содержанием парафинов, есть более богатые ароматическими углеводородами. Кроме углеводородов присутствуют соединения серы, азота, кислорода и следы металлов. Сера особенно важна: она даёт SO2 при сжигании и отравляет катализаторы, поэтому топливо очищают.
Нефть не имеет одной температуры кипения. Разные молекулы закипают в разных диапазонах. На этом основана фракционная перегонка: нагревают сырую нефть и отбирают фракции, кипящие в заданном интервале температур.
Перед перегонкой нефть обессоливают и обезвоживают. Вода и соли мешают переработке, вызывают коррозию аппаратов и ухудшают качество фракций. Затем подготовленную нефть подают в ректификационную колонну.
Фракционная перегонка
Фракционная перегонка первичная переработка нефти. В ректификационной колонне смесь разделяют по температурам кипения. Снизу отбирают самые тяжёлые продукты, сверху самые лёгкие. Сами молекулы при этом в идеале не разрушаются: меняется только состав смеси в каждой тарелке колонны.
Типичные фракции школьного курса:
Газовая фракция содержит метан, этан, пропан, бутан. Её используют как топливо и сырьё нефтехимии.
Бензиновая фракция кипит примерно до 180 °C и идёт на автомобильный бензин после дополнительной обработки.
Лигроиновая и керосиновая фракции служат топливом для реактивных двигателей, тракторов и как растворители в зависимости от конкретной вырезки.
Газойль и дизельные фракции используют как дизельное топливо. Мазут остаётся внизу колонны: его применяют как котельное топливо или направляют на дальнейшую переработку. Ещё ниже получают смазочные масла, парафин, гудрон и битум.
Важно помнить: одна перегонка не даёт достаточно бензина для современного спроса. Тяжёлых фракций много, бензиновых мало. Поэтому нужна вторичная переработка.
Крекинг и риформинг
Крекинг процесс расщепления длинных углеводородных цепей на более короткие. Упрощённо: C16H34 → C8H18 + C8H16. Из тяжёлых фракций получают дополнительные количества бензина и газов, в том числе алкены для синтеза полимеров.
Термический крекинг идёт при высокой температуре без катализатора. Каталитический крекинг проводят при более мягких условиях на катализаторе и даёт бензин лучшего качества. В задачах часто достаточно написать идею расщепления алкана на алкан и алкен меньшей молекулярной массы.
Риформинг меняет строение углеводородов бензиновой фракции: повышает содержание аренов и разветвлённых алканов. Это улучшает детонационную стойкость бензина, то есть октановое число. Риформинг также даёт ароматическое сырьё для органического синтеза.
Кроме крекинга и риформинга существуют гидроочистка, изомеризация, алкилирование. В школьном минимуме обычно требуют отличить первичную перегонку от крекинга: перегонка разделяет, крекинг разрушает и перестраивает молекулы.
Природный газ и его переработка
Природный газ после добычи очищают от воды, сероводорода и других примесей. Метан используют как топливо на ТЭС и в быту, а также как сырьё для получения водорода и синтеза аммиака. Из метана получают синтез-газ, а дальше метанол и другие продукты.
Пропан и бутан выделяют как сжиженные углеводородные газы. Их применяют в баллонах для отопления и как автомобильное топливо. Этан ценен для получения этилена пиролизом. Таким образом, газ это не только «то, что горит на кухне», но и вход в нефтехимию.
Попутный газ раньше часто сжигали в факелах. Современный подход требует его утилизации: либо как топливо, либо как сырьё. Сжигание без пользы это и потеря ресурса, и лишние выбросы.
Продукты и применение
Топливный ряд: сжатый и сжиженный газ, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут. Смазочные материалы: масла разных вязкостей. Строительные и дорожные материалы: битум. Химическое сырьё: этилен, пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы.
Из алкенов делают полиэтилен, полипропилен, каучуки, спирты и множество промежуточных продуктов. Из аренов идут пластмассы, красители, лекарственные вещества, взрывчатые вещества и растворители. Поэтому переработка нефти оценивается не только тоннами бензина, но и глубиной нефтехимии.
В задачах на применение фракций смотрите температуру кипения и размер молекул. Чем легче фракция, тем она обычно более летуча и чаще используется как моторное топливо или газовое сырьё. Чем тяжелее, тем выше роль котельного топлива, масел и битума, если нет вторичной переработки.
Экология и типичные ошибки
Добыча и транспорт нефти связаны с риском разливов и загрязнения почв и водоёмов. Сжигание топлив даёт CO2, оксиды серы и азота, сажу. Неполное сгорание образует угарный газ. Переработка требует очистки стоков и газов, улавливания серы и контроля факельного сжигания.
Типичные учебные ошибки. Считают, что фракционная перегонка это химическая реакция. Нет: это физическое разделение. Путают крекинг с перегонкой. Называют нефть чистым веществом или одним углеводородом. Забывают, что природный газ в основном метан, а не «просто смесь бензина в газообразном виде».
Ещё одна ошибка: думают, что весь бензин получают одной перегонкой. На практике значительная часть бензина появляется после крекинга и риформинга. Именно поэтому вторичные процессы так важны в любой схеме НПЗ.
Нефть смесь углеводородов, природный газ в основном метан. Первичная переработка разделяет нефть на фракции по температуре кипения. Крекинг увеличивает выход бензина, разрывая длинные цепи. Риформинг улучшает качество бензина и даёт арены. Углеводороды это и топливо, и сырьё органического синтеза, поэтому важны и экономика, и экология переработки.