21. Природные источники углеводородов и их использование

Физические свойства и состав нефти

Нефть представляет собой маслянистую жидкость обычно темного цвета со своеобразным запахом (рис. 21.1). Она легче воды и в воде не растворяется. Основными компонентами нефти являются жидкие и растворенные в них твердые углеводороды. То есть нефть является смесью углеводородов. В основном это алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений может существенно различаться.

Для того чтобы выделить из нефти полезные для нужд человека продукты, ее подвергают переработке.

Первичная переработка нефти

Нефть не имеет определенной температуры кипения, так как является смесью углеводородов, имеющих различные температуры кипения. В процессе нагревания нефти из нее выделяют сначала наиболее легкие углеводороды (они имеют низкие температуры кипения), а затем более тяжелые.

Смесь углеводородов, собранных в процессе перегонки нефти в определенном интервале температур, называется фракцией.

Рассмотрим некоторые фракции нефти.

Бензиновая фракция перегоняется в интервале температур от 40 до 200 °С и содержит углеводороды C5 — C11. Как следует из названия, эта фракция используется для получения бензина.

Лигроин перегоняется при температуре от 120 до 240 °С и содержит углеводороды C8 — C14. Лигроин применяется для получения бензина и дизельного топлива, а также в качестве растворителя.

Керосин — перегоняется в интервале температур от 180 до 300 °С и содержит углеводороды C12 — C18. Он применяется как горючее для реактивных двигателей (авиационный керосин), для бытовых нагревательных приборов, в качестве растворителя и для получения дизельного топлива.

Процесс перегонки нефти не сопровождается изменением структуры образующих ее углеводородов, а заключаются только в разделении на отдельные компоненты, то есть являются физическим процессом. Такой процесс называют первичной переработкой нефти.

Октановое число бензина

Одной из важнейших характеристик бензина является его детонационная стойкость. Детонационная стойкость показывает способность бензина «сопротивляться» самовоспламенению при сжатии в цилиндре двигателя. Чтобы понять это, рассмотрим, как работает двигатель автомобиля (рис. 21.2).

Смесь паров бензина с воздухом поступает в цилиндр двигателя. Когда поршень цилиндра достигает верхней точки, то есть максимально сжимает смесь, искра свечи зажигания ее воспламеняет. Образовавшиеся газы толкают поршень вниз, он совершает работу, в результате которой автомобиль движется. Это описание касается нормальной работы двигателя. Но возможна ситуация, когда бензиново-воздушная смесь воспламенится в цилиндре до поджигания за счет повышения ее температуры при сжатии. Этот процесс называется детонацией. Детонация очень вредна для двигателя, она снижает мощность и приводит к преждевременному износу деталей и даже к поломке двигателя.

Для характеристики детонационной стойкости бензинов используется октановое число. Октановое число изооктана (2,2,4-триметилпентана), обладающего высокой детонационной стойкостью, принято за 100. Октановое число н-гептана, чрезвычайно легко детонирующего, принято за 0. Смесь н-гептана и изооктана имеет октановое число, равное содержанию в ней изооктана (в процентах по объему). Например, смесь, содержащая 92 % по объему изооктана и 8 % н-гептана, имеет октановое число равное 92. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Если бензин имеет октановое число, равное 92, то это значит, что он допускает такое же сжатие в цилиндре без детонации, как смесь из 92 % изооктана и 8 % н-гептана. Октановые числа фигурируют в названии марки бензина, например АИ-92, АИ-95 и др. Проезжая мимо автозаправочной станции, можно убедиться, что чем выше октановое число, тем дороже бензин.

Оказывается, что наиболее стойкими к детонации являются ароматические углеводороды и углеводороды разветвленного строения. Эти углеводороды характеризуются высокими октановыми числами, иногда больше 100. Октановые числа неразветвленных углеводородов, наоборот, низкие (табл. 21.2).

Таблица 21.2. Октановые числа некоторых углеводородов

Название углеводорода	Структурная формула	Октановое число
н-Гептан		0
н-Пентан		62
2,2-Диметилбутан		92
Изооктан		100
Бензол		113

В нефти преобладают углеводороды неразветвленного строения. Поэтому бензин, получаемый в процессе перегонки нефти, имеет низкое октановое число (обычно ниже 65) и не может использоваться в двигателях современных автомобилей. В связи с этим, фракции нефти, полученные при перегонке, подвергают дальнейшей переработке, связанной с изменением структуры входящих в них углеводородов. Эти процессы называются вторичной переработкой нефти.

Вторичная переработка нефти