Нефть и нефтепродукты

Нефть не топливо. Топить можно и ассигнациями, - эти слова Д. И. Менделеева стали хрестоматийными, но справедливы они лишь отчасти. В начале XX в., еще при жизни Д. И. Менделеева, начался перевод кораблей военно-морского флота крупнейших держав с угольного топлива на нефтяное. К 1914 г., к началу первой мировой войны, он практически завершился в большинстве стран, в том числе и в России. Это увеличило мощность силовых установок, работавших на судах, на одну треть без строительства новых кораблей!

В наши дни в промышленно развитых странах вся добываемая и покупаемая нефть идет на переработку. Но при этом около 90% всей массы нефтепродуктов - топлива и масла, и лишь 10%-сырье для нефтехимии. Таким образом, нефть не только топливо, но и основа многих совершенно необходимых нам топлив, прежде всего моторных. И потребность в них продолжает расти.

В 1896 г. в мире было несколько автомобилей. Через 15 лет их количество исчислялось уже миллионами. А в годы второй мировой войны в эксплуатации находилось около 40 млн. автомобилей и тягачей, свыше 200 тыс. самолетов, почти 150 тыс. танков. Для того чтобы вся эта техника могла работать, необходимы были сотни миллионов тонн моторных топлив и смазочных материалов...

Добыча и потребление нефти - важный показатель промышленного развития государств; организация ее переработки отражает уровень химической науки и технологии.

В 1932 г. замечательный советский ученый академик И. М. Губкин выпустил книгу "Учение о нефти", ставшую впоследствии классической. Изучение нефти продолжается. Огромные научные коллективы исследуют состав и свойства нефти в целом и многочисленных ее компонентов; совершенствуются методы добычи и переработки этого ценнейшего ископаемого сырья.

С точки зрения геологии нефть - важнейшее горючее ископаемое, маслянистая жидкость со специфическим запахом, образующая в недрах скопления (обычно вместе с газообразными горючими ископаемыми), а на поверхности Земли обычно превращающаяся в полутвердый асфальт или густую мальту. А в химии та же мальта называется продуктом осмоления и частичной полимеризации нефти, а сама нефть - сложной смесью углеводородов с другими органическими соединениями.

Основные химические компоненты нефти - углерод (82-87%) и водород (11-14%). Количество серы в ней колеблется от 0,1 до 5%, содержание азота и кислорода, как правило, не превышает десятых долей процента. Есть, правда, исключения: в калифорнийской нефти (США) 1,2% связанного кислорода и 1,7% азота. Кислород нефти обычно содержится в нафтеновых кислотах - асфальтосмолистых веществах, фенолах (производных бензола). Азот находится в пиридине (принадлежит к гетероциклическим соединениям), его производных и гомологах (см. Гомология). Сера - в тиофене и его производных, органических сульфидах и меркаптанах (спиртах, в которых кислород замещен серой), а. также в виде сероводорода - в составе попутных нефтяных газов. Есть в нефти и вода (хотя взаимная растворимость этих двух веществ невелика), растворенные газы, немного минеральных солей. В золе, образующейся при сжигании нефти, найдено около 20 различных химических элементов, но о том, как мало их в нефти, можно судить хотя бы по тому, что самой золы образуется менее 0,5%. А главные и самые важные для нас компоненты нефти - это углеводороды: насыщенные углеводороды метанового ряда, алициклические соединения - нафтены, ароматические углеводороды...

Непредельных углеводородов - олефинов и диолефинов - в сырой нефти практически нет, но они образуются в процессе ее вторичной переработки (см. Ненасыщенные углеводороды). Классифицируют нефти по принципу преобладания в них тех или иных углеводородов. Нефтяные залежи большинства месторождений - смешанные: метано-нафтеновые, нафтено-ароматические и т. д. Молекулярная масса углеводородов нефти колеблется в очень широких пределах. Правда, нафтеновые углеводороды нефти представлены главным образом пяти- и шестичленными циклами.

Практически важные характеристики нефтей: вязкость, содержание серы, смол, парафинов, выход фракций (химических частей нефти) при различных режимах термообработки.

В мировой нефтехимии около 90% добываемой нефти идет на производство горючего и минеральных масел

Сырая нефть, как правило, не сразу поступает на переработку, а проходит сначала определенную подготовку. Ее обезвоживают, разрушают образовавшиеся в процессе добычи водонефтяные эмульсии, применяя для этого нагрев до 50-160°С, иногда давление (5-10 ат), поверхностно-активные вещества и деэмульгаторы - разрушители эмульсий. Но при обезвоживании из нефти уходят не все растворенные в воде и в нефти хлористые соли. Если их не удалить, нужно будет применять коррозионно-устойчивые материалы при переработке нефти. Поэтому выгоднее полное удаление хлоридов на стадии подготовки нефти к переработке, что обеспечивает работа электрообессоливающих установок. Легкие нефти после обезвоживания и обессоливания подвергают еще и стабилизации - отгоняют легкую пропан-бутановую, а частично и пентановую фракции. Если этого не сделать, велики будут потери ценных легких углеводородов в процессе их транспортировки. К тому же нестабилизированные легкие нефти опаснее в обращении, чем стабилизированные. Деление нефтей на легкие и тяжелые условно: эта классификация - по плотности и, соответственно, количеству присутствующих в нефти легчайших и наиболее летучих углеводородов. Легкими называют нефти с плотностью до 0,9 г/см³, тяжелыми - больше 0,9 г/см³.

Переработка нефти начинается с ее перегонки -процесса термического разделения нефти на несколько основных фракций: бензин, лигроин, керосин, реактивное и дизельное топлива, топочный мазут. Последний используют не только как горючее, но и как сырье для производства парафина, смазочных масел, гудрона и некоторых других нефтепродуктов. Перегонку нефти ведут в непрерывно действующих трубчатых установках (см. с. 180). Остатком перегонки обычно является мазут или гудрон; мазут перегоняется в вакууме, в результате чего отбираются масляные фракции и остается гудрон.

Но перегонка лишь начальная стадия переработки нефти. За первичной переработкой следуют вторичные: крекинг, риформинг, гидроформинг и другие, при которых происходит распад тяжелых углеводородов на более легкие.

Полученные нефтепродукты обязательно подвергают очистке, после чего к ним добавляют различные присадки, чтобы улучшить их эксплуатационные качества.

Теперь коротко о важнейших нефтепродуктах.

Бензин. Правильнее - бензины. Сложная смесь легких углеводородов нефти, применяемая главным образом как топливо для карбюраторных двигателей. Температура конца кипения - не выше 205°С, но 10% массы должно перегоняться при температуре 68-79°С. Это так называемая пусковая фракция, от ее характеристик зависит легкость запуска двигателя. Бензины получают как при прямой перегонке нефти, так и в процессах ее вторичной переработки. Часть производимого бензина используется в химической промышленности как растворитель.

Керосин - это смесь углеводородов, выкипающих при температуре 180-320°С, но некоторые керосины, например из суруханской и грозненской нефти, начинают кипеть при более низкой температуре. Сто лет назад керосин называли иначе - фотогеном, что в переводе с древнегреческого означает "рождающий свет". В то время керосин был лишь топливом осветительных (керосиновых) ламп. Однако позже он стал и моторным топливом: сначала для тракторов, а затем и для реактивных самолетов. Классические авиационные топлива Т-1 и Т-5 делаются на основе керосиновой фракции нефти. Используется керосин и как горючее в жидком ракетном топливе.

Дизельное топливо. На этом топливе работает дизель - двигатель внутреннего сгорания. Это средние и отчасти тяжелые фракции нефти. Пределы выкипания - 270-400°С.

Минеральные масла: моторные, индустриальные (для смазки станков), приборные, трансмиссионные, цилиндровые, турбинные, компрессорные и др. Это все смазочные масла, а есть еще и несмазочные: трансформаторные, кабельные, поглотительные и др. Среди нефтепродуктов есть и медицинские препараты, например вазелиновое масло и просто вазелин. Все это достаточно тяжелые фракции нефти, подвергнутые специальной очистке.

Парафин, церезины - твердые углеводороды и их смеси с маслами. В состав парафина входят главным образом насыщенные углеводороды от С₁₉Н₄₀ до С₃₅Н₇₂ с температурами плавления 50-70°С. Смесь высших твердых насыщенных углеводородов мелкокристаллического строения состава С₃₇Н₇₆-С₅₃Н₁₀₈ называется церезином. Больше всего парафина, потребляет спичечная промышленность - им пропитывают древесину, чтобы она горела ровнее. В химической промышленности парафины используются для получения карбоновых кислот и спиртов, моющих средств, поверхностно-активных веществ.

Кроме того, в процессах нефтепереработки получаются битумы и нефтяной кокс (из самых тяжелых фракций), сажа (необходимая резиновому производству), важнейшие растворители - бензол и толуол (см. Нефтехимия).