Природознавство. 11 клас. Ільченко
§ 10. Переробка вуглеводневої сировини
Вивчивши матеріал параграфа, ви дізнаєтесь про основні методи переробки вуглеводневої сировини, термічний і каталітичний крекінг нафти, риформінг нафтопродуктів; зможете описати продукти перегонки нафти та переробки кам’яного вугілля.
Переробка нафти. Щоб добути з нафти технічно цінні продукти, її переробляють.
Первинна переробка нафти полягає в її перегонці, тобто розділенні на складові частини — фракції. Процес перегонки базується на тому, що окремі компоненти нафти мають різні молекулярні маси, а тому і різні температури кипіння. Легші вуглеводні киплять при порівняно невисоких температурах, а важчі, з більшою молекулярною масою, — при більш високих температурах. Кожна фракція, що виділяється при перегонці, є сумішшю кількох вуглеводнів, близьких за молекулярною масою.
У промисловості для перегонки нафти використовують високі (до 40-50 м) циліндричні апарати — ректифікаційні колони (процес розділення нафти на фракції у таких колонах називають фракціюванням або ректифікацією). Схема установки для ректифікації нафти наведена на мал. 3.11.
Мал. 3.11. Схема ректифікаційної установки для перегонки нафти
Унаслідок перегонки добувають такі нафтопродукти: бензин (температура кипіння від 40 до 200 °С), лігроїн (120-240 °С), гас (180-300 °С), дизельне паливо (220-360 °С), мазут — в’язку чорну рідину, що залишається після перегонки. З мазуту в іншій колоні за умов зниженого тиску виділяють різні мастила та гудрон (бітум), що використовується при будівництва доріг.
Сучасна техніка, зокрема автомобільний транспорт, потребують великої кількості пального, насамперед бензину.
Однак вихід бензину при первинній перегонці нафти не перевищує 20 %. Цей показник підвищують до 70-80 % за допомогою крекінгу (розщеплення) — високотемпературної переробки нафти чи її фракцій з метою одержання вуглеводнів з меншою молекулярною масою. Таким способом добувають паливо та сировину для нафтохімічної промисловості.
У результаті крекінгу відбувається розрив зв’язків між атомами Карбону і утворюються легші вуглеводні (їх використовують як автомобільне пальне):
C16H34 → С8Р18 + С8Н16.
Процес частково триває далі з утворенням більш легких вуглеводнів:
С8H18 → C4H10 + C4H8; C4H10 → C2H6 + C2H4.
Одночасно з розривом зв’язків С-С відбувається перетворення нерозгалужених сполук у більш розгалужені молекули, що підвищує якість бензину, його детонаційну стійкість (про неї йтиме мова далі).
Використовують два види крекінгу: термічний і каталітичний.
Термічний крекінг — це переробка нафтової сировини (переважно мазуту) шляхом нагрівання (до 550 °С) при тиску 2-7 МПа. Бензин, одержаний таким способом, містить у своєму складі значну кількість ненасичених сполук, що покращують якість пального, але зменшують його стійкість при зберіганні.
Каталітичний крекінг (мал. 3.12) здійснюють за нижчих температур (близько 450 °С) та при атмосферному тиску в присутності алюмосилікатних каталізаторів. На відміну від термічного, під час каталітичного крекінгу відбувається ізомеризація вуглеводнів з утворенням більш розгалужених сполук. Ненасичені ж вуглеводні утворюються в менших кількостях, що підвищує стійкість бензину під час зберігання.
Мал. 3.12. Схема установки для каталітичного крекінгу
Іншим поширеним процесом переробки нафти є каталітичний риформінг — переробка бензинових фракцій під підвищеним тиском у присутності каталізаторів, внаслідок цього зростає вміст ароматичних вуглеводнів. Це дає змогу підвищити детонаційну стійкість бензину, а також одержувати ароматичні вуглеводні (бензен, толуен), які є цінною сировиною для органічного синтезу.
Детонаційна стійкість бензину. Одним із важливих показників якості бензину є його стійкість до детонації — надзвичайно швидкого розкладу (вибуху) пального, що відбувається раптово при стисканні горючої суміші у циліндрі двигуна. Детонація знижує потужність двигуна, призводить до надмірної витрати пального і швидкого зносу мотора. Детонаційні властивості пального залежать від будови карбонових ланцюгів молекул вуглеводнів, які входять до його складу. Ізомери з розгалуженим ланцюгом значно стійкіші до детонації, ніж ізомери з нерозгалуженим ланцюгом.
Для кількісної характеристики детонаційної стійкості використовують октанове число. Октанове число 2,2,4-триметилпентану (ізооктану), що має найвищу детонаційну стійкість, прийняте за 100, а лінійного гептану — за нуль. Октанове число бензину означає масову частку ізооктану в суміші з гептаном, яка за своєю детонаційною стійкістю відповідає даному бензину. Наприклад, бензин марки А-76 має октанове число 76.
Коксохімічне виробництво. Важливим джерелом добування вуглеводнів, зокрема ароматичних, є і продукти, що утворюються при переробці кам’яного вугілля. Коксування кам’яного вугілля — це розклад його за температури 900-1100 °С без доступу повітря з утворенням коксового газу, летких речовин та твердого залишку — коксу. З коксового газу виділяють кам’яновугільну смолу та аміачну воду. З кам’яновугільної смоли шляхом перегонки одержують бензин, його гомологи та інші органічні сполуки — більше 50 речовин. Далі газ очищають від аміаку, що утворився в процесі коксування; дією сульфатної кислоти його перетворюють на амоній сульфат, який є цінним азотним добривом. Кокс є високоякісним паливом, яке у великих кількостях використовується у металургійній промисловості.
Лабораторний дослід 2. Ознайомлення зі зразками нафтопродуктів
Розгляньте колекцію зразків продуктів нафтопереробки та дослідіть їхні властивості, встановивши зв’язок між хімічним складом, фізичними характеристиками та галузями їх застосування. Результати своїх досліджень внесіть до таблиці.
Таблиця 4
Загальна характеристика нафтопродуктів
|
№ п/п |
Нафтові фракції |
Фізичні властивості |
агрегатний стан |
Використання |
Висновки |
||
|
інтервал температур кипіння |
колір |
запах |
|||||
У висновках зазначте зв’язок між складом, властивостями та застосуванням нафтопродукту.
Основними методами переробки нафти є пряма перегонка, термічний та каталітичний крекінг, каталітичний риформінг. Кам’яне вугілля для добування ароматичних вуглеводнів та коксу піддають коксуванню.
Запиши до словника
Ректифікація — розділення нафти на фракції шляхом перегонки її в ректифікаційних колонах.
Крекінг — процес високотемпературної переробки нафти чи її фракцій з метою одержання вуглеводнів з меншою молекулярною масою.
Каталітичний риформінг — переробка бензинових фракцій під тиском у присутності каталізаторів.
Коксування — переробка кам’яного вугілля за високої температури без доступу повітря, внаслідок чого утворюється кокс та коксові гази.
Перевір себе
1. Назвіть найтиповіші методи переробки нафти.
2. Які фракції виділяють із нафти при її фракційній перегонці?
3. Що називають крекінгом? Чим відрізняється термічний і каталітичний крекінг?
4. Які продукти добувають із кам’яновугільної смоли при коксохімічному виробництві?
5. Що таке октанове число? Яку властивість бензину воно характеризує?
6. Перегонка нафти базується на:
- а) фізичних властивостях речовин;
- б) хімічних властивостях речовин;
- в) реакції розкладу.
7. Крекінг нафти базується на:
- а) фізичних властивостях речовин;
- б) хімічних властивостях речовин;
- в) розчинності компонентів нафти;
- г) реакції розкладу.
Поміркуй
1. З якою метою здійснюють вторинну переробку нафти?
2. Що визначає якість бензину? Чим вона зумовлюється?
3. Із переліку речовин та їх сумішей:
- а) кокс;
- б) гас;
- в) бензин;
- г) дизельне паливо;
- д) коксовий газ;
- е) мазут;
- є) лігроїн
зазнач ті, що належать до продуктів:
- 1) перегонки нафти;
- 2) коксування кам’яного вугілля.
4. Чому бензин, одержаний шляхом каталітичного крекінгу, зберігається краще за бензин, отриманий термічним крекінгом?
5. Напиши рівняння реакції розщеплення вуглеводнів С6Н14 і С12Н26 у процесі крекінгу.
6. Для збільшення октанового числа у бензин раніше додавали 0,01 % плюмбум тетраетил у Рb(С2Н5)4. Під час згоряння бензину у газ переходить 90 % свинцю. Визнач масу свинцю, який виділяється при згорянні бензину масою 10 кг. Чому останнім часом плюмбум тетраетил не використовують?
