7.2. Нефть и природный газ

Первичная переработка нефти состоит в дистилляции, т.е. разгонке нефти на отдельные фракции, различающиеся температурой выкипания и составом входящих в состав фракции углеводородов.

Петролейный эфир – жидкая смесь углеводородов, выделяемая из нефти и кипящая при температуре до 40 ⁰С. Смесь содержит в основном пентан С₅Н₁₀, гексан С₆Н₁₂, а также изомеры этих соединений. Используется петролейный эфир в качестве растворителя органических соединений.

Бензин – смесь углеводородов, выкипающая при разгонке нефти в интервале температур 40 – 185 ^оС. В бензине содержится до 70% ациклических углеводородов с преимущественным содержанием н-гептана (С₇Н₁₆) и изооктана (С₈Н₁₈):

СН₃–СН₂–СН₂–СН₂–СН₂–СН₂–СН₃

н-гептан

изооктан (2.2,4-триметилпентан)

и углеводородов циклического строения (~30%) с преимущественным содержанием циклогексана и метилциклогексана.

Циклогексан Метилциклогексан

Кроме того, в бензине присутствуют небольшие количества ароматических соединений, главным образом бензол и толуол.

Бензол Толуол

Бензин используется не только в качестве моторного топлива. Часть бензина подвергается пиролизу для получения различных органических соединений, в том числе этилена СН₂=СН₂. Последний служит исходным продуктом для получения полиэтилена [СН₂=СН₂]_n.

Пиролиз углеводородов осуществляется при высокой температуре без доступа воздуха для получения главным образом непредельных и ароматических углеводородов.

Керосин – смесь алканов и циклоалканов, выделяемая в результате перегонки нефти в интервале температур 110 – 320 ^оС. В состав керосина входят алканы с преимущественным содержанием углеводородов с длиной цепи от 7 до 13 атомов углерода

СН₃–(СН₂)_n–СН₃ (n = 7 – 13),

а также циклоалканы (в основном моно-, би- и полициклические соединения)

,

Циклогексан Бициклодекан

и бициклические ароматические соединения, например нафталин

.

Нафталин

Керосин используется в качестве ракетного и авиационного топлива, а также для пиролитического получения непредельных углеводородов.

Дизельное топливо – смесь углеводородов, имеющая более высокую температуру выкипания при разгонке нефти (180 – 360 ^оС). Используется в двигателях внутреннего сгорания.

Отступление. Качество бензина и дизельного топлива оценивается способностью топлива полностью сгорать без детонации (взрывоподобного сгорания, сопровождающегося вибрацией и неустойчивой работой двигателя). Качество бензина оценивается октановым числом. По стандарту октановое число для изооктана (2,2,4-триметилпентана) принято равным 100. Для н-гептана это число равно 0. Чем выше октановое число, тем выше качество бензина. Если бензин сгорает как эквивалентная ему смесь, состоящая из 92% изооктана и 8% гептана, его октановое число равно 92. Более высокого качества бензин имеет октановое число 95.

Для дизельного топлива критерием качества является цетановое число. Оно принято равным 100 для гексадекана СН₃(СН₂)₁₄СН₃ (цетана). В дизельном двигателе топливо впрыскивается в момент, когда воздух сжат до давления порядка 140 атм и нагрелся при сжатии до температуры, при которой впрыск дизельного топлива сопровождается его самовоспламенением и последующим рабочим ходом поршня в блоке цилиндров. Эмпирически установлено, что лучшие характеристики топлива достигаются, когда его сгорание соответствует цетановому числу 45 – искусственной смеси, содержащей 45 % цетана и 55% -метилнафталина.

Нефтяные масла и смолы – светлые или слегка окрашенные вязкие жидкости выделяются при разгонке нефтяных фракций, кипящих при 300 – 600 ^оС. Нефтяные масла (их также называют минеральными маслами) содержат смесь высокомолекулярных алканов (парафиновых углеводородов), высокомолекулярных циклоалканов (нафтеновых углеводородов), ароматических углеводородов (би-, три- и полициклических), а также металлов в составе комплексных соединений. Масла служат в основном в качестве смазочных материалов.

Нефтяные смолы существенно отличаются от минеральных масел составом. В смолах содержатся полициклические ароматические соединения, высокомолекулярные алициклические соединения, содержащие в гетероциклах такие функциональные группы, как =N–H, –S–H,

–COOH и др. Нефтяные смолы используются главным образом в качестве добавок к строительным битумам, улучшая их пластичность и адгезионные свойства.

Мазут, гудрон, битум – темно-коричневые массы. Мазут – жидкость, которая используется в основном в качестве топлива для паровых котлов. Мазут содержит нефтяные смолы, асфальтены, карбены, карбоиды и металлы (главным образом V, Ni, Fe), а также серу и азотсодержащие органические соединения.

Гудрон – вязкая жидкость черного цвета или твердая масса, образующаяся в качестве остатка в результате отгонки из нефти углеводородов, выкипающих при температурах до 600 ^оС (петролейный эфир, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут). В гудроне сосредоточены высокомолекулярные алканы, циклоалканы, полициклические ароматические углеводороды и все содержащиеся в нефти металлы. Гудрон используется для пропитки бумажных материалов (пергамин, рубероид). Его применяют также при изготовлении дорожных и строительных битумов.

Битум – дисперсная система, состоящая из твердых частичек дисперсной фазы (асфальтены, рис. 69), распределенных в дисперсионной среде (нефтяные масла и смолы).

Рис. 69. Структура асфальтена

Асфальтены плавятся при 200 – 300 ^оС. Однако в среде нефтяных масел и смол черная дисперсная твердая масса (Т/Ж) асфальтенов размягчается уже при температуре 25 – 90 ^оС. Используется битум в смеси с песком, гравием, щебнем в качестве дорожного покрытия.

Природный газв химической промышленности используют в качестве сырья для получения синтез-газа:

Т= 800 ^оС, Ni

СН₄(г) + Н₂О (г)  СО(г) + Н₂(г),

водорода:

Т= 1000 ^оС

СН₄(г)  С(т) + Н₂(г),

ацетилена:

Т= 1200 ^оС

СН₄(г)  С₂Н₂(г) + Н₂(г),

этилена:

Т= 500 - 900 ^оС, Mn-

2СН₄(г)  С₂Н₄(г) + Н₂(г).