Физические свойства и состав нефти.

Нефть — маслянистая жидкость темно-коричневого или черного цвета (встречается и другая окраска) с плотностью 730—1040 кг/м³. По химическому составу нефть представляет собой сложную смесь жидких и небольшого количества твердых углеводородов. Углеводороды, входящие в состав нефти, можно разделить на три группы:

1) предельные углеводороды (алканы) с прямой или разветвленной цепью (в нефти встречаются почти все члены гомологического ряда метана);

2) нафтены — циклические насыщенные углеводороды (циклопентан, циклогексан и их гомологи);

3) ароматические углеводороды (бензол и его гомологи).

Поэтому в настоящее время все нефти по составу классифицируют на метановые, нафтеновые и ароматические. Непредельные углеводороды (например, алкены) в свободном состоянии в нефти встречаются довольно редко. Они образуются только при ее вторичной переработке. Нефть содержит также значительное количество высокомолекулярных соединений — нефтяных смол и продуктов их конденсации. Кроме углеводородов в состав нефти входят примеси — органические кислородные и сернистые соединения, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Встречаются в нефти и механические примеси — песок и глина. Нежелательной примесью в нефти является сера и ее соединения. Они вызывают коррозию металлических труб и аппаратуры, применяемой для переработки нефти. Несмотря на довольно сложный состав, нефть содержит в среднем 82—87 % углерода, 11—14% водорода, 2—6 % других элементов (кислород, сера, азот). Средняя молекулярная масса нефти (исключая высокомолекулярные соединения) составляет 250—300.

Переработка нефти

После очистки нефти от воды и растворенных в ней солей, от песка и других примесей нефть подвергают переработке. Методы переработки могут быть физическими и химическими. Физический метод переработки (прямая перегонка) заключается в разделении нефти на ее составные части — фракции. Этот процесс основан на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. При прямой перегонке (при атмосферном давлении) нефть разделяют на отдельные фракции, которые кипят в довольно широком интервале температур.

1. Бензиновая фракция — смесь углеводородов с С₅-С₁₀. При более тщательной перегонке этой фракции можно выделить: легкий бензин (петролейный эфир} (т.кип. 40—70 °С), тяжелый бензин (т.кип. 50—195 °С) и лигроин (т.кип. 120—235 °С). Следует отметить, что первая фракция составляет до 20 % от перегоняемой нефти.

2. Керосиновая фракция — смесь углеводородов с С₁₀- С₁₆. В пределах 165-200 °С отгоняют уайт-спирит, в пределах 200—300 °С — керосин, а в интервале180—360°С дизельное топливо.

3. Третья фракция — остаток (мазут), представляющий собой смесь углеводородов с большим числом углеродных атомов. При перегонке мазута под вакуумом (во избежание осмоления при высокой температуре) или с водяным паром можно получить некоторые смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток после отгонки из мазута этих продуктов называется гудроном (нефтяным пеком), из которого вырабатывают битум. Он широко используется в строитель-
стве. Разделение нефти происходит на непрерывно действующих ректификационных колоннах. Ректификационная колонна представляет собой сооружение высотой 50—60 м и диаметром около 3—4 м. Внутри этой колонны на некотором расстоянии друг от друга расположены горизонтальные перегородки — "тарелки", которые имеют большое число отверстий — патрубков. Патрубки закрывают сверху колпачками с зубчатыми краями.

Крекинг нефтепродуктов

Однако растущая с каждым годом авиационная, автомобильная и тракторная промышленность требует все большего количества бензина и керосина. Для увеличения их выхода некоторые фракции прямой перегонки и мазут подвергают вторичной (химической) переработке. Этот процесс связан с частичным разложением углеводородов, в результате которого происходит разрыв, расщепление больших молекул наиболее мелкие, кипящие при сравнительно низкой температуре. Химические превращения нефти протекают под влиянием нескольких факторов: температуры, давления и катализаторов, это так называемый крекинг нефтяных продуктов. Этот метод переработки нефтяных продуктов был открыт в 1891 г. русским инженером (впоследствии — академиком) В.Г.Шуховым.

Различают два основных типа крекинга — термический и каталитический.

Термический крекинг проводят при температуре 470—650 °С и давлении до 7 МПа. Углеводороды с большой молекулярной массой при крекинге превращаются в более ценные продукты — предельные и непредельные углеводороды с более низкой молекулярной массой. Например, при крекинге бутана можно получить:

Продукты крекинга разделяют на ректификационной колонне. Наиболее ценная жидкая фракция — бензиновая. Бензин, полученный при крекинге, имеет более высокое октановое число, чем бензин прямой перегонки нефти. Однако химическая стойкость такого бензина невысокая, так как в его состав входят алкены, которые со временем окисляются и образуют смолообразные продукты.

Каталитический крекинг протекает в присутствии катализаторов (AlCl₃, Сг₂Оз, алюмосиликаты) при температуре 470—500 °С и давлении 0,01—0,1 МПа. Каталитическому крекингу подвергают в основном дизельную фракцию. При этом происходит не только разрыв углеводородных цепей в молекуле (как при термическом крекинге), но и процессы изомеризации — превращение неразветвленных углеводородов в разветвленные. Это способствует образованию высокооктанового горючего. Каталитический крекинг — более прогрессивный метод переработки нефтяного сырья, чем термический. В результате каталитического крекинга образуется смесь жидких и газообразных углеводородов, которые разделяют на ректификационных колоннах. Газы каталитического крекинга содержат предельные (пропан и бутан) и непредельные (пропен и бутен) углеводороды. После разделения их используют для синтеза разнообразных органических соединений.

Вопрос 15. Глюкоза – представитель моносахаридов: строение, физические и химические свойства, практическое применение.