Природные источники углеводородов: нефть, природный газ, уголь
Нефть, газ и уголь — главные кладовые углеводородов. Разбираем состав, перегонку нефти на фракции, крекинг и коксование угля — то, что спрашивают на ОГЭ и ЕГЭ.
Бензин в машине, газ в плите, пластик в телефоне и асфальт под ногами — всё это началось с нефти, газа или угля. Три природных источника углеводородов дают химической промышленности почти всё сырьё. Понять, как из чёрной жидкости под землёй получается бензин и полиэтилен, — значит понять, как устроена целая отрасль.
Нефть и перегонка
Нефть — маслянистая жидкость тёмного цвета со специфическим запахом, смесь сотен углеводородов: алканов, циклоалканов, аренов. В таком виде нефть не используют — её перерабатывают. Первый этап — ректификационная (перегонная) колонна: нефть нагревают, и углеводороды разделяются по температурам кипения. Лёгкие поднимаются высоко, тяжёлые остаются внизу. Это физический процесс: состав веществ не меняется, меняется только смесь.
| Фракция | t кипения | Где применяется |
|---|---|---|
| Газовая (пропан-бутан) | до 40 °C | бытовое топливо, зажигалки |
| Бензиновая | 40–180 °C | автомобильное топливо |
| Лигроин (нафта) | 180–230 °C | растворители, сырьё для пиролиза |
| Керосиновая | 230–300 °C | авиационное топливо |
| Дизельная (солярка) | 300–350 °C | дизельные двигатели |
| Мазут (остаток) | выше 350 °C | котельное топливо, смазочные масла |
От скважины до завода
Прежде чем нефть попадёт в колонну, её готовят. Из скважины она выходит вместе с пластовой водой, солью и газом; вода и минеральные соли разъедают оборудование и отравляют катализаторы, поэтому нефть обезвоживают и обессоливают, а попутный газ отделяют и улавливают. Дальше по трубопроводам сырьё идёт на нефтеперерабатывающий завод, где и начинается разделение.
Результат прямой перегонки скромный: бензиновой фракции в обычной нефти всего 15-20 %, керосин и дизельное топливо дают ещё по 15-20 %, а на мазут приходится почти половина массы. Столько тяжёлого остатка никому не нужно: самолёты летают на керосине, машины ездят на бензине. Главный вопрос нефтепереработки звучит так: как превратить тяжёлое в лёгкое? Ответ — химическая переработка, прежде всего крекинг.
Мазут тоже не списывают со счетов. В вакуумной перегонке давление понижают, и тяжёлые фракции кипят при более низких температурах: так из мазута отбирают масляные фракции для смазочных масел и вазелина, а тугоплавкий остаток, гудрон, идёт на асфальт. Каждая часть нефти находит применение — принцип отрасли: не выбрасывать ничего.
Природный и попутный газ
Природный газ добывают из чисто газовых месторождений: это в основном метан CH₄ (80-98 %) с примесями этана и пропана. Попутный нефтяной газ растворён в нефти и выходит вместе с ней: в нём больше тяжёлых углеводородов — пропан, бутан, пентаны. Из попутного газа получают газовый бензин и сырьё для синтеза. Метан — ценнейшее топливо и сырьё: из него получают ацетилен, водород, метанол, синильную кислоту.
Попутный газ — не обуза, а кладовая. Из него выделяют сжиженный пропан-бутан: он горит в баллонах на дачах и в загородных домах, где нет магистрального газа. Пентаны и гексаны дают газовый бензин, а метан и этан идут на производство водорода, ацетилена и метанола. Сжигать попутный газ в факелах сейчас считается расточительством: вместе с газом в атмосферу улетает ценное сырьё и парниковый углекислый газ.
Каменный уголь — твёрдое топливо, сложная смесь высокомолекулярных соединений с высоким содержанием углерода (до 98 % у антрацита). Главная химическая переработка — коксование: уголь нагревают без доступа воздуха до 900-1000 °C. Получаются кокс (для выплавки чугуна), каменноугольная смола (источник аренов — бензола, толуола, нафталина), аммиачная вода и коксовый газ.
Каменный уголь: кокс и не только
Уголь бывает разный, и его качество измеряют долей углерода. Бурый уголь, самый молодой, несёт 65-70 % углерода и горит дымно; каменный уголь держит 75-90 %, это основное сырьё для коксования; антрацит содержит до 98 % углерода, даёт ровный жар и почти не дымит. В недрах уголь лежит пластами — это остатки древних лесов, сотни миллионов лет пролежавших без кислорода под давлением пород.
Кокс в доменной печи работает дважды: горит и даёт температуру выше тысячи градусов, одновременно отбирая кислород у железной руды. Раскалённый углерод вытягивает кислород из оксида железа, и на дно печи стекает жидкий чугун. Без кокса металлургия чёрных металлов не работает, поэтому коксохимические заводы строят рядом с металлургическими комбинатами.
Продукты коксования разбирают по-отдельности. Коксовый газ, в котором много водорода и метана, сжигают для обогрева печей и используют как химическое сырьё. Аммиачная вода отдаёт аммиак — основу азотных удобрений. Каменноугольная смола — настоящий склад аренов: бензол, толуол, нафталин, из которых делают красители, лекарства и другие вещества. Кокс остаётся главной целью процесса, но без побочных продуктов коксохимия была бы убыточной.
Кроме коксования, у угля есть другие химические дороги. Газификация превращает углерод в синтез-газ — смесь оксида углерода и водорода, из которой синтезируют метанол, аммиак и даже жидкое топливо: такой путь освоили страны без нефти. Гидрирование под давлением с катализатором насыщает угольную массу водородом и тоже даёт жидкое топливо. Эти методы дороже нефтепереработки, но они превращают огромные запасы угля в сырьё для органического синтеза.
Крекинг, риформинг и октановое число
Бензин ценят не за количество, а за качество, и мерой служит октановое число. При слишком быстром сгорании смесь в цилиндре детонирует — вспыхивает раньше времени, мотор стучит и изнашивается. Эталон стойкости — изооктан с октановым числом 100, противоположность — нормальный гептан с числом 0: бензин с числом 95 по стойкости к детонации равен смеси 95 % изооктана и 5 % гептана. Разветвлённые алканы и арены стойки к детонации, прямые длинные цепи — нет.
Высокого октанового числа добиваются два процесса-соседа. Каталитический крекинг ведут при 450 °C на алюмосиликатных катализаторах: цепи рвутся с разветвлением, и бензин получается качественнее, чем при чисто термическом крекинге на 470-550 °C. Риформинг цепи почти не рвёт, а перестраивает: превращает алканы в арены — бензол, толуол, ксилолы, поднимая октановое число до 90-95. Самый жёсткий вариант, пиролиз на 700-900 °C, даёт не топливо, а сырьё для полимеров: этилен, пропилен, ацетилен.
| Процесс | Суть | Продукты |
|---|---|---|
| Перегонка (ректификация) | физическое разделение по температурам кипения | фракции: от газа до мазута |
| Термический крекинг | разрыв цепей при 470-550 °C | бензин и алкены |
| Каталитический крекинг | разрыв цепей на алюмосиликатах при 450 °C | разветвлённый бензин |
| Риформинг | перестройка молекул в арены | высокооктановый бензин, бензол, толуол |
| Коксование | нагрев угля до 900-1000 °C без воздуха | кокс, смола, аммиачная вода, коксовый газ |
- В мазуте — молекулы с 15-50 атомами углерода: слишком тяжёлые для бензина.
- При нагревании с катализатором или без него C-C связи разрываются посередине цепи.
- Получаются алкан и алкен с 5-10 атомами углерода — это уже бензиновая фракция и сырьё для полимеров.
- Итог: из тонны нефти бензина выходит больше, а лёгкие алкены идут на производство полиэтилена.
Экология: цена топлива
За топливо платят воздухом. При сгорании угля и мазута в атмосферу летит сернистый газ SO₂, который в облаках превращается в кислоты: обычный дождь имеет pH около 5,6 из-за растворённого углекислого газа, а кислотный — ниже 5. Такие дожди подкисляют озёра и леса, разъедают памятники. Выхлопные газы добавляют угарный газ и оксиды азота, поэтому машины оснащают каталитическими нейтрализаторами: платина и палладий превращают ядовитые соединения в относительно безобидные CO₂ и N₂.
Аварии при добыче и перевозке оставляют нефтяные плёнки на воде: тонна разлитой нефти растекается по поверхности площадью до нескольких квадратных километров, перекрывая воде доступ кислорода. Самым чистым углеводородным топливом считается метан: он горит по уравнению без дыма и сернистых примесей, поэтому доля газа в мировом энергобалансе растёт, а параллельно развиваются электротранспорт и возобновляемые источники.
- полиэтилен и полипропилен — пакеты, трубы, канистры
- синтетические волокна — капрон, лавсан, нейлон
- синтетический каучук — шины и уплотнители
- моющие средства, красители и лекарственное сырьё
- битум и асфальт — покрытие дорог
- парафин — свечи, вазелин, пропитка бумаги
- Ректификация#
- разделение смеси по температурам кипения в ректификационной колонне
- Фракция#
- часть нефти с узким интервалом кипения, например керосин или лигроин
- Октановое число#
- мера стойкости бензина к детонации: изооктан — 100, гептан — 0
- Риформинг#
- перестройка алканов бензина в арены для роста октанового числа
- Пиролиз#
- нагрев до 700-900 °C ради этилена, пропилена и аренов
При прямой перегонке нефти бензиновая фракция составляет примерно одну пятую массы нефти. Выстави эту долю в процентах.
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Перегонка нефти — это процесс…
2 Какая фракция нефти кипит в диапазоне 230–300 °C?
3 Главный компонент природного газа — …
4 Крекинг — это процесс разрыва молекул углеводородов.
5 Какие утверждения верны?
6 Сопоставь продукт и источник.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
7 Вставь пропущенное.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
При крекинге C₁₆H₃₄ образуется алкан C₈H₁₈ и C₈H₁₆, а при коксовании угля получают для выплавки чугуна.
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Какие фракции получают при перегонке нефти?
Газовую, бензиновую, лигроин, керосиновую, дизельную и остаток — мазут. Каждая соответствует своему интервалу температур кипения.
Чем попутный газ отличается от природного?
Природный газ — почти чистый метан. Попутный выходит вместе с нефтью и содержит много пропана, бутана и пентанов, из которых делают газовый бензин.
Что такое крекинг нефти простыми словами?
Это разрыв длинных углеводородных цепей на короткие: из тяжёлого мазута получают дополнительные бензин и алкены для пластмасс. Смесь нагревают, связи между атомами углерода рвутся, и вместо одной большой молекулы появляются две маленькие. Поэтому крекинг — химический процесс, в отличие от чисто физической перегонки.
Для чего нужно коксование угля?
Нагрев угля без воздуха даёт сразу несколько продуктов. Кокс идёт в доменные печи как топливо и восстановитель при выплавке чугуна. Каменноугольная смола — источник бензола, толуола и нафталина, а коксовый газ и аммиачная вода тоже находят применение в химической промышленности.