14.1. Природний та попутний нафтовий гази

Склад природного газу неоднаковий і залежить від середови­ща. Крім метану, у ньому присутні тільки найближчі гомологи — етан, пропан, бутан. Природний газ має переваги перед твердим та рідким паливом, а саме: теплота згорання його значно вища,

Таблиця 14.1 Склад і застосування природного та попутного нафтового газів

Природний газ

Попутний нафтовий газ

Склад

Метан - 80...98 %,

гомологи метану

та інші гази — 2...20 %

Метан - 30...40 %,

гомологи метану

та інші гази — 60...70 %

Галузі застосування

Паливо для мартенівських, доменних, скловарних печей, побутових потреб; вихідна сировина для добування ацетилену, водню, сажі, галогено­похідних

Газовий бензин (пентан,

гексан) — добавка до

бензинів;

пропан-бутанова суміш —

паливо;

сухий газ (метан) — паливо;

для органічного синтезу

180

Глава 14

рриродні джерела вуглеводнів

181

Кількість атомів Карбону в молекулах вуглеводнів

він не залишає попелу, продукти згорання досить чисті в еколо­гічному відношенні.

Попутний нафтовий газ за своїм походженням теж є природ­ним газом. Свою назву він отримав завдяки тому, що розташова­ний над покладами нафти, утворюючи газову «шапку». Раніше попутний газ не знаходив застосування, тому його спалювали, а тепер використовують як паливо та як хімічну сировину. Шля­хом хімічної переробки попутного газу можна здобути багато ре­човин. Склад природного та попутного нафтового газів наведено в табл. 14.1.

14.2. Нафта. Нафтопродукти

Властивості нафти були відомі ще за 400 років до нової ери шумерам, які використовували її як паливо; римляни користува­лися нею у воєнних походах; вона входила до складу запалюваль­них сумішей («грецький вогонь»); а в Стародавньому Єгипті при­служилася для бальзамування. На території нашої країни нафта була відома за п'ять століть до нової ери — в Криму. Добували нафту різними способами і використовували її у «сирому» вигляді.

Перший в Російській імперії нафтопереробний завод, на яко­му виробляли гас, з'явився 1823 року поблизу міста Моздок.

Великий внесок у розвиток нафтохімії зробив Д. І. Менделєєв. Протягом 40 років свого життя він займався цим питанням. За­вдяки його працям з нафти навчилися виділяти понад 10 нафто­продуктів. Питаннями нафтохімії інтенсивно займалися Шухов, Зелинський, Густавсон та інші вчені.

Нафта — масляниста рідина темного кольору з характерним запахом, легша за воду і у воді практично нерозчинна.

Нафта — це суміш парафінів (переважно нормальної будови), циклопарафінів (нафтенів), ароматичних вуглеводнів. Склад наф­ти змінюється залежно від родовищ. Окрім вуглеводнів, до складу нафти можуть входити гетероциклічні сполуки Оксигену, Суль-фуру, Нітрогену та інших. Загалом нафта містить сотні різних спо­лук. Сиру нафту тепер не використовують, а піддають переробці. Оскільки нафта — суміш вуглеводнів з різною молекулярною ма­сою, які мають різні температури кипіння, то її первинна пере­робка полягає в перегонці (дистиляції), за допомогою якої нафту розділяють на окремі фракції (дистиляти) у ректифікаційній ко­лоні (рис. 14.1). Це так звані світлі нафтопродукти.

С5С₆ СвСюСцС^ С₁₄С₁₆С₁₈

Рис. 14.1. Продукти перегонки нафти

Бензин — застосовується як пальне для автомашин, літаків, як розчинник тощо.

Лігроїн — пальне для тракторів.

Гас — пальне для тракторних та реактивних двигунів.

Газойль — пальне для дизелів.

Після відгонки світлих нафтопродуктів залишається в'язка чор­на рідина — мазут, що підлягає подальшій переробці. З нього виготовляють мастила: тракторні, авіаційні, дизельні та ін. Мазут використовують як рідке пальне в котельних установках. Із деяких видів нафти виділяють суміш твердих вуглеводнів — парафіни; су­міш твердих та рідких вуглеводнів — вазелін.

Залишок мазуту після відгонки мастил називається нафтовим пеком, або гудроном, який необхідний для виготовлення асфальту.

Установки для перегонки нафти й мазуту звичайно будують Поруч як атмосферно-вакуумні установки: на атмосферній части­ні переганяють нафту, на вакуумній — мазут (рис. 14.2).

Мазут не можна переганяти при атмосферному тиску, тому що Молекули вуглеводнів при високій температурі починають розкла-

182

Глава

_Природн[ДЖерела вуглеводнів

183

ректифікаційна колона (нормальний тиск)

перегінна колона (вакуум)

_А

-легкий бензин ■ лігроїн -гас - газойль

_а

газойль

. веретенне мастило

. машинне мастило

_г

_Ж

сира нафта

. циліндричн мастило

■ кубовий -залишок (мазут)

_*3

*&

- кубовий залишок (гудрон)

трубчаста піч

трубчаста піч

Рис. 14.2. Схема переробки нафти методом ректифікації

датися, це явище (крекінг) було застосоване для вторинної пере­робки нафти з метою підвищення виходу бензину.

Промисловий крекінг-процес був розроблений російським ін­женером В. Г. Шуховим у 1891 році.

Існує два основні види крекінгу — термічний і каталітичний.

СвН₁₈

^С4Н₁₀

С₄Н₁₀

Термічний крекінг проводять при нагріванні мазуту до 470— 550 °С під тиском 2—7 МПа. Відбувається розщеплення молекул вуглеводнів на дрібніші, насичені та ненасичені:

С₄Н₁₀ + С₄Н₈ С₂Н₆ + С₂Н₄ С₃Н₆ + СН₄

Продути крекінгу розділяють в ректифікаційних колонах.

Бензин термічного крекінгу істотно відрізняється від бензину прямої перегонки: він містить ненасичені вуглеводні, які мають більш високі октанові числа, ніж насичені, тому крекінг-бензин має більшу детонаційну стійкість. Але такий бензин погано збері­гається, бо ненасичені вуглеводні здатні до полімеризації, смоло-подібні продукти якої засмічують бензопровід. Для того, щоб кре­кінг-бензин був більш стійким при зберіганні, до нього додають речовини-антиокисники (антиоксиданти), які заважають його осмо­ленню.

Каталітичний крекінг проводять у присутності каталізаторів (пе­реважно алюмосилікатів). Застосування каталізаторів дає можли­вість проводити процес при атмосферному тиску й температурі 450—500 °С з більшою швидкістю і одержувати бензин вищої якості-

В умовах каталітичного крекінгу разом з реакціями розщеп­лення вуглеводнів відбуваються реакції ізомеризації, тобто пере­творення нормальної будови вуглеводнів у розгалужену, що підви­щує октанове число. Ненасичених вуглеводнів утворюється в цьому випадку менш, ніж під час термічного крекінгу.

До вторинної переробки відносять також риформінг — процес ароматизації бензинів, який супроводжується перетворенням па­рафінів, циклопарафінів на ароматичні вуглеводні, що підвищує октанове число бензинів.

Детонаційна стійкість бензину є його важливою характеристикою (згадайте з курсу фізики, як працює двигун внутрішнього згоран­ня). Вибухове згорання бензину називають детонацією. Найменшу стійкість до детонації мають парафіни нормальної будови. Вугле­водні розгалуженої будови, ненасичені та ароматичні — більш стійкі до детонації і зазнають більшого стиснення в потужних двигунах. Кількісною характеристикою детонаційної стійкості бензинів є октанове число. Кожний сорт бензину характеризується певним значенням октанового числа. Октанове число ізооктану (2,2,4-три-метилпентану), який має високу детонаційну стійкість, прийнято за 100. Октанове число н-гептану, який м'яко детонує, прийнято за 0. Суміші н-гептану та ізооктану мають певні октанові числа. Приміром, бензин-76 зазнає такого ж стиснення в циліндрі без детонації, як суміш 76 % ізооктану і 24 % н-гептану.

Бензини прямої перегонки мають низькі октанові числа, їх під­вищують за допомогою крекінг-процесу та риформінгу.

.