§6. Нафта

Знаходження в природі

Поклади нафти знаходяться в надрах Землі на різній глибині, де нафта заповнює вільні проміжки між деякими породами. Якщо вона перебуває під тиском, то підіймається по свердловині на поверхню Землі. Вчені вважають, що найбільші поклади «чорного золота» знаходяться у регіоні Каспійського моря, на території Азербайджану, Ірану, Казахстану, Росії, Туркменістану, Узбекистану. Ряд перспективних родовищ відкрито на Близькому Сході, у Гренландії та в деяких частинах Африки.

Фізичні властивості

Нафта – це горюча корисна копалина, складна суміш вуглеводнів різних класів, (парафінових, циклопарафінових та ароматичних вуглеводнів – близько 1000 різних речовин), а також домішки інших органічних сполук та розчинів солей.

Це густа оліїста рідина зі специфічним запахом, темно-бурого чи чорного кольору, легша за воду і нерозчинна у ній, але легко розчиняється в бензині, хлороформі. Оскільки нафта – суміш різних вуглеводнів, то вона не має певної температури кипіння. Нафта різних родовищ відрізняється за складом, густиною, кольором, запахом тощо.

Існують різні теорії походження нафти.

Теорії походження нафти	Органічна – із решток вимерлих рослин і твари
	Мінеральна – при формуванні Землі утворені карбіди взаємодіяли з парами води у глибинах планети з утворенням вуглеводнів

Нафтопродукти і їх застосування

Оскільки нафта – суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, які мають різні температури кипіння, то перегонкою її поділяють на окремі фракції, які мають велике практичне значення.

Основні процеси переробки нафти

Первинна переробка:
1. Фракційна перегонка.

Вторинна переробка:
2. Крекінг (термічний, каталітичний, гідрокрекінг).
3. Риформінг (ароматизація вуглеводнів).
4. Піроліз.

Первинна переробка

Сиру нафту очищають. Її звільняють від газів (переважно від метану), води, сполук Сульфуру, нафтенових кислот та солей. Потім нафту піддають фракційній перегонці. При нагріванні нафти деякі вуглеводні, що входять до її складу, випаровуються при різних температурах. Охолонувши, вони знову перейдуть у рідкий стан, тобто конденсуються. Завдяки цьому процесу нафту розділяють на окремі фракції, які потім піддають дальшому розділенню.

При фракційній перегонці першими переходять в пароподібний стан і відганяються вуглеводні з невеликою кількістю атомів Карбону в молекулі, які мають відносно низьку температуру кипіння. З підвищенням температури суміші, переганяють вуглеводні з більш високою температурою кипіння. Так можна зібрати окремі фракції. Перегонка нафти здійснюється в установці, яка складається з трубчастої печі, ректифікаційної колони – стальний циліндричний апарат висотою близько 40 м і холодильника. У печі міститься змійовик (трубопровід). По трубопроводу безперервно подається нафта, де вона нагрівається до 320-350ºС й у вигляді суміші рідин і пари надходить в ректифікаційну колону. У середині вона має горизонтальні перегородки з отворами, так звані «тарілки». Пара нафти подається в колону і через отвори піднімається угору, при цьому вона поступово охолоджується і зріджується. Менш леткі вуглеводні конденсуються уже на перших тарілках, утворюючи газойлеву фракцію. Вище збирається гас, а потім лігроїн. Найлеткіші вуглеводні виходять у вигляді пари з колони і зріджуються, утворюючи бензин. Частина бензину подається назад у колону для зрошення пари, що піднімається. Це сприяє охолодженню і конденсації відповідних вуглеводнів. Рідка частина нафти, що надходить у колону, стікає по тарілках униз, утворюючи темну в’язку рідину – мазут. Мазут піддають дальшій переробці. Його переганяють під зниженим тиском (щоб запобігти розкладання вуглеводнів) і виділяють мастила: веретенне, машинне, циліндрове. З мазуту деяких сортів нафти добувають вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгонки називається нафтовим пеком або гудроном, який беруть на виготовлення асфальту. Головний недолік перегонки нафти – малий вихід бензину (20%).

Таблиця 3.

Продукти перегонки нафти

Температура кипіння, ºС	Склад	Застосування
40-80	С₅-С₁₁ сирий бензин	Автомобільний, авіаційний бензин, розчинник масел
150-200	С₈-С₁₄ лігроїн	Дизельне пальне, розчинники у лакофарбовій промисловості
180-270	С₁₂-С₁₈ гас	Пальне для тракторів, ракет, реактивних літаків
240-300	С₁₁-С₂₀ газойль	Дизельне, котельне пальне
Мазут		Солярове масло (дизельне пальне). Мастила (тракторні, авіаційні). Вазелін (основа косметичних засобів і ліків). Парафін (для виробництва свічок). Гудрон (шляхове будівництво)

Вторинна переробка

З метою збільшення виходу легких фракцій – бензину, гасу – нафту піддають крекінгу, а при нагріванні до ще вищої температури відбувається піроліз нафти. В обох випадках утворюються простіші алкени, які є цінною сировиною для органічного синтезу.

Крекінг нафтопродуктів. У 1890 році інженер В. Г. Шухов запропонував спосіб розщеплення високомолекулярних вуглеводнів які містилися у мазуті на вуглеводні з меншою відносною молекулярною масою. Такий процес називають крекінгом (від aнгл. crack – «розщепляти»). Його використовують для збільшення виходу легших моторних палив, розчинників та сировини для виробництва пластмас, хімічних волокон, каучуків, мийних засобів та ін.

Крекінг – розщеплення великих молекул вуглеводнів нафти при високих температурах, тиску і наявності каталізаторів, у результаті чого утворюються вуглеводні з меншим числом атомів Карбону в молекулі.

Наприклад: С₁₆Н₃₄(гексадекан) → С₈Н₁₈ (октан) + С₈Н₁₆ (октен)

Розрізняють два основні види крекінгу: термічний і каталітичний.

Таблиця 4.

Крекінг

	Термічний	Каталітичний
Умови	t 470-550ºС і тиск 2-7МПа, проходить повільно	t 450-500ºС, атмосферний тиск, каталізатор-алюмосилікати, проходить швидко
Напрямок процесу	Розщеплення високомолекулярних молекул з утворенням вуглеводнів нерозгалуженої будови	Розщеплення високомолекулярних молекул, їх ізомеризація
Склад бензинів	Насичені і багато ненасичених вуглеводнів	Вуглеводні з розгалуженим карбоновим ланцюгом
Якість бензинів	Більша детонаційна стійкість, ніж бензину прямої перегонки. Ненасичені вуглеводні легко окиснюються і полімеризуються, тому менш стійкі при зберіганні	Більша детонаційна стійкість ніж у бензину термічного крекінгу. Бензин стійкий при зберіганні
Продукти	Автомобільний бензин, технічний вуглець, газоподібні вуглеводні

При каталітичному крекінгу мазут або гасову фракцію нафти нагрівають перегрітою парою і змішують з подрібненим алюмосилікатним каталізатором. Завдяки цьому процесу великі молекули вуглеводнів розщеплюються. Так одержують інші необхідні речовини.

У промисловості широко здійснюють процес каталітичного риформінгу бензинів. При нагріванні нафтопродуктів за наявності платинового каталізатора відбувається перетворення парафінових і циклопарафінових вуглеводнів у ароматичні, внаслідок чого октанове число бензинів значно підвищується.

Риформінг – спосіб переробки нафтопродуктів для добування ароматичних вуглеводнів, високооктанових бензинів за рахунок реакцій дегідрування і дегідроциклізації: С₆Н₁₂ (циклогексан) С₆Н₆ (бензен) + 3Н₂

При температурі 700ºС і вищій відбувається піроліз.

Піролізом називають розкладання органічних речовин без доступу повітря при високій тампературі.

У результаті піролізу нафти основними прдуктами реакції є насичені вуглеводні (етилен, ацетилен) й ароматичні – бензен, толуол та ін. Оскільки піроліз нафти – один з найважливіших способів добування ароматичних вуглеводнів, то його часто називають ароматизацією нафти.

Лабораторний дослід 2. Ознайомлення зі зразками нафтопродуктів

Розгляньте видану вам колекцію зі зразками продуктів нафтопереробки. Схарактеризуйте властивості продуктів нафтопереробки і галузі їх застосування.

Назва нафтопродукту	Зовнішній вигляд	Сфера використання
о

Застосування нафтопродуктів

Чи ви колись замислювались над тим, яким було б ваше життя без нафти і нафтопродуктів? Наприклад, мастила, виготовлені з нафти, використовуються для змащування рухомих деталей в автомобілях, велосипедах, візках та інших механізмах. Мастила зменшують тертя і цим сповільнюють руйнування деталей. З нафти отримують пальне для літаків, автомобілів і систем опалення. Вона також широко застосовується у виробництві косметики, фарб, барвників, медикаментів, добрив та іншої продукції.

Паливні продукти – бензин, гас, мазут.
Будівельні продукти – гудрон.
Сировина для хімічної промисловості:
- етилен, пропілен – виробництво пластмас;
- бутадієн, ізобутилен – виробництво волокон, синтетичних каучуків;
- бензол, стирол, толуол – виробництво пластмас, синтетичних волокон, каучуків, вибухових речовин;
- парафін – виробництво мийних засобів, пластифікаторів, свічок.
Сировина для мікробіологічного виробництва білка.

Детонаційна стійкість бензину

При згорянні бензину в автомобільному двигуні відбувається сильне і плавне розширення газу в циліндрі, яке примушує поршень переміщуватися і приводити в рух колінчастий вал двигуна. Якщо горіння газу відбувається швидко (горюча суміш детонує), поршень одержує різкий поштовх замість потужного нарощування зусиль. У результаті в двигуні виникає різкий стукіт, через що передчасно спрацьовують деталі, спадає потужність двигуна, збільшуються витрати палива, підвищується вміст токсичних речовин у вихлопних газах і навіть часткове руйнування деталей двигуна. Це вибухове згоряння бензину називається детонацією. Малостійкі проти детонації парафіни нормальної будови. Розгалужені, ненасичені й ароматичні вуглеводні стійкіші, вони витримують сильніше стискання пальної суміші і це дає можливість конструювати потужніші двигуни. За стандарт пального з низькою детонаційною стійкістю взято н-гептан. Одним із вуглеводнів, який має особливо високу детонаційну стійкість, є ізомер октану – ізооктан. На спеціальних установках порівнюють поведінку в моторі сумішей н-гептану й ізооктану, узятих у різних пропорціях, з поведінкою досліджуваного пального, тобто визначають октанове число бензину. Для кількісної характеристики детонаційної стійкості бензинів вироблено октанову шкалу. Октанове число ізооктану узато за 100, а н-гептану за 0. Якщо бензин містить 95% ізооктану і 5% гептану, то його октанове число – 95. Користуючись цією шкалою визначають октанові числа бензинів. Чим вище октанове число бензину, тим більша його детонаційна стійкість.

Завдання для самоконтролю

■ 94. Автомашина на відстань 85 км витратила 20 кг бензину. Розрахуйте об’єм повітря необхідного для спалювання бензину, якщо в його складі 85% Карбону і 15% Гідрогену.

95. Скільки пального використовує автомобіль за один робочий день, якщо за цей час у повітря виділяється 16 кг чадного газу, а при згорянні пального масою 1 кг виділяється в повітря 800 г чадного газу?

▲● 96. Що являє собою нафта і для чого проводять її перегонку?

97. Які процеси – фізичні чи хімічні – лежать в основі перегонки нафти?

98. Які типові апарати використовують на нафтопереробних заводах ? Які принципи їх дії і будова?

99. Назвіть продукти перегонки нафти. Де вони застосовуються?

100. Установіть послідовність утворення основних фракцій перегонки нафти: а) газойль; б) лігроїн; в) бензин; г) гас.

101. Які хімічні методи використовуються для вторинної переробки нафти: а) крекінг; б) спалювання; в) перегонка; г) ізомеризація на каталізаторі?

102. Укажіть вуглеводень з октановим числом 100: а) н-гептан; б) 2,2,4-триметилпентан; в)2,3-диметилоктан; г) 2,2-диметилпентан.

103. Нафта – це: а) проста речовина; б) однорідна суміш; в) складна речовина; г) неоднорідна суміш.

104. Найлегшою фракцією перегонки нафти є: а) гас; б) бензин; в) лігроїн; г) мазут.

105. Установіть відповідність між назвами і складом фракцій перегонки нафти:

Назва	Фракції
1. лігроїн	а) С₈-С₁₄
2. гас	б) С₁₂-С₁₈
3. бензин	в) С₅-С₁₁
4. газойль	г) С₁₅-С₂₂

106. Укажіть правельні твердження щодо нафти: а) добре розчинна у воді; в) нерозчинна у воді.

●● 107. Процесом переробки нафти, що дає найбільшу кількість високооктанових продуктів є:
а) пряма перегонка;
б) крекінг;
в) каталітичний крекінг;
г)каталітичний реформінг.

108. Укажіть характеристику процесу риформінгу:
а) радикальне розщеплення карбонового ланцюга;
б) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація та циклізація;
в) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація, циклізація та дегідрогенізація;
г) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація, циклізація та гідратація.

109. Укажіть характеристику процесу каталітичного крекінгу:
а) радикальне розщеплення карбонового ланцюга;
б) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація та циклізація;
в) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація, циклізація та дегідрогенізація;
г) радикальне розщеплення карбонового ланцюга, ізомеризація, циклізація та гідратація.

110. Прокоментуйте значення октанового числа 100.

111. Укажіть послідовність конденсації вуглеводневих фракцій :
а) гас; б) лігроїн; в) бензин; г) газойль.

112. Розташуйте марки бензину за збільшенням їхньої детонаційної стійкості:
а) А-76; б) А-92; в) 98; г) 95.

●●● 113. Як можна відрізнити крекінг-бензин від бензену, толуолу:
а) за характером полум’я;
б) реактивом на ненасичені вуглеводні;
в) розчином сульфатної кислоти;
г) йодною водою?

114. Позначте речовини, які допомагають відрізнити бензин прямої перегонки від крекінг-бензину:
а) купрум(II) сульфат, натрій гідроксид;
б) ферум(III) хлорид, арґентум(I) оксид;
в) метиловий оранжевий, купрум(II) сульфат;
г) калій перманганат, бромна вода.

●●●● 115. Здійсніть перетворення, вкажіть умови, назвіть речовини:
а) СН₄→ С₂Н₂ → С₆Н₆→ С₆Н₁₂ → С₆Н₁₄ → С₆Н₆ → С₆Н₅Br;
б) СаСО₃ → СаС₂ → С₂Н₂ → С₂Н₄ → С₂Н₅Сl → бутан → циклобутан;
в) С₂Н₆ → С₂Н₄→ С₂Н₂ → С₆Н₆ → С₆Сl₆;
г) С₂Н₄ → С₂Н₆ → С₂Н₅Br → C₄H₁₀ → C₄H₈Br₂;
д)

Допитливим

♦ У 1855 році було винайдено гасову лампу, яка прийшла на заміну восковим свічкам, масляній лампі і скалці і відразу стала дуже популярною. Ця лампа давала рівне яскраве світло, дешева і через простоту конструкції зручна для користування. Особливого значення нафта набула тоді, коли її почали використовувати для освітлювання. Ще у XV столітті у м. Баку нафтою з відкритих родовищ наповнювали світильники. У Румунії в 1650 році аби дістатися до нафти, почали копати колодязі. У XIX столітті в США пробурили нафтову свердловину. Перші відомості про виділення із нафти горючої світильної рідини кустарним способом знаходимо у 1644 році у верхів’ях р. Ухти (Печерський край), де пізніше була збудована перша у світі нафтоочисна установка. У 1823 році в Моздоку на нафтоперегонній установці добували дві рідини: першу – світлу і прозору, яку використовували для освітлення, тепер відому як гас, і другу – темну і в’язку, яка йшла у відходи (її називали арабським словом «макзулат» – «відходи»), тепер відому як мазут.

♦ Єгиптяни використовували нафту для виготовлення сумішей для бальзамування трупів. На Русі з давнини для лікування ревматизму і хвороб суглобів використовували озокерит – мінерал, який утворюється із нафти добутої в Каспійському морі. Сирою нафтою обробляли днища кораблів для гідроізоляції. Нафтовий бітум застосовували як будівельний матеріал. Її використовували у військовій справі.

♦ Серед розвалин стародавніх міст археологи знаходять куски штукатурки, які складаються із піску замішаного на нафті. Стіни навколо Вавилону були викладені із цегли, а в якості в’яжучого матеріалу використовували асфальт, який доставляли з берегів Червоного моря і озера, де він подібно до льоду плавав на поверхні води. Природний асфальт – це продукт, що утворюється з нафти внаслідок випаровування летких фракцій і окиснення залишку.

♦ Н. Д. Зелінський добув синтетичний бензин кращої якості, як нафтовий. Новий бензин збільшив потужність моторів і швидкість літаків. Літаки змогли злітати з меншого розбігу, підніматися вище з більшим вантажем.

♦ Нещодавно добуто штучний бензин із сухих стебел кукурудзи. Його можна добути із соломи, та інших відходів, які містять клітковину. Нове паливо згоряє без диму й запаху.

♦ Талановитий російський інженер В. Г. Шухов спроектував нафтопровід Баку-Батумі, збудованим користуються і сьогодні.

♦ Природні горючі гази можуть виділитися з тріщин землі, можуть займатися під час грози в місцях постійного виходу газів. Деякі народи вважали їх за священний вогонь.