Современные основы переработки нефти

 

Компоненты нефти и газа – это типичные представители органических соединений, потому, что органическая химия - это химия соединений углерода, а, напомним, содержание углерода в нефти – 87%. Название»органическая» вводит в заблуждение: оно сохранилось с той поры, когда химические соединения делили, в зависимости от источника их получения, на два класса - органические и неорганические. К неорганическим относили вещества, полученные из минералов, а к органическим - соединения растительного и животного происхождения.

Но в 1828 году Фридрих Вёлер разрушил представление о жизненной силе органических соединений, получив лабораторным путем мочевину из циана-та аммония – минерального вещества:

O

NH₄OCN → NH₂-C-NH₂

Цианат аммония мочевина

 

Вёлер уже тогда прекрасно понимал, какова сложность органической хи-мии. Он писал: “ Органическая химия вполне может свести человека с ума. Она создает у меня впечатление девственного тропического леса, полного самых удивительных вещей; из этой чудовищной и безграничной чащи не-возможно выбраться и в нее страшно войти”.

Все, что сказал Вёлер, верно и в наши дни. К 1980 году было зарегистрировано более 5 миллионов различных органических соединений. По-видимому, сейчас их более 10 миллионов.

Существует два огромных природных источника, из которых можно полу-чить простейшие органические соединения: нефть и уголь. (Оба источ-ника являются органическими в старом смысле этого слова, поскольку и уголь и нефть представляют собой продукты разложения растительных и животных организмов). Эти простейшие органические соединения используются как строительный материал при синтезе более сложных соединений. Что же характерно для соединений углерода, что заставляет рассматривать их отдельно от соединений остальных ста с лишним элементов периодической системы?

Причина этого в особенном электронном строении атомов углерода, придающем углероду уникальную способность к образованию:

- длинноцепочечных полимеров со связями С-С;

- разветвленных и сшитых цепей связей;

- двойных и тройных связей;

- делокализованных ароматических связей;

- связей как с электроположительными, так и с электроотрицательными атомами от щелочных металлов до галогенов (и даже с атомами благород-ных газов).

 

При рассмотрении соединений углерода нужно помнить два основных положения:

- углерод в органических соединениях всегда четырехвалентен;

- все атомы в органических молекулах связаны ковалентными связями.

В 1916 году было описано два типа химической связи: ионная связь (В. Коссель, Германия) и ковалентная связь (Г.Н. Льюис, Калифорнийский уни-верситет). И Коссель, и Льюис основывали свои представления на следую-щей концепции атома.

Ионная связь возникает в результате переноса электрона, как, например, при образовании фторида лития. Атом лития имеет два электрона на пер-вом уровне и один электрон на внешней, или валентной, оболочке; присоединение одного электрона приводит к тому, что у лития остаётся заполненный внешний слой с двумя электронами. Атом фтора имеет два электрона на первом уровне и семь электронов на внешней, или валентной, оболочке; присоединение одного электрона приводит к образованию у фтора заполненной внешней оболочки из восьми электронов. Фторид лития обра-зуется в результате перехода одного электрона от лития к фтору, вследствие чего литий приобретает положительный заряд, а фтор - отрицательный.

Электростатическое притяжение между противоположно заряженными ионами называется ионной связью. Такая ионная связь характерна для соей металлов (электроположительных элементов), находящихся в левой части периодической системы, с неметаллами (электроотрицательные элементы), расположенными в дальней правой части периодической системы.

 

Li → Li⁺ + e ^- F + e ^- → F^-

Ковалентная связь образуется в результате обобществления электронов, как, например, в случае молекулы водорода. Каждый атом водорода имеет один электрон; при обобществлении электронов каждый из водородов может заполнить свою оболочку до двух электронов. Здесь связующей силой также является электростатическое притяжение, в данном случае между каждым электроном и двумя ядрами.

Н^. Н → Н:Н 2Н^. + О: → Н:О:Н

 

Углеводороды. Некоторые органические соединения содержат только два элемента - водород и углерод, и поэтому называются углеводородами. В зависимости от строения углеводороды делятся на два основных класса - алифатические и ароматические. Алифатические углеводороды в свою очередь можно разделить на несколько классов: алканы, алкены, алкины и их циклические аналоги (циклоалканы, циклоалкены).

Алканы. Углеводороды ряда C_nH_2n+2 - алканы присутствуют во всех нефтях и являются одной из основных её частей.

Распределяются они по фракциям неравномерно, концентрируясь, глав-ным образом, в нефтяных газах и бензино-керосиновых фракциях, в масля-ных их содержание резко падает.

Простейшим представителем ряда алканов и, конечно, одним из простейших органических соединений является метан СН₄.

 

Физические свойства метана. Структурной единицей неионного вещества - твёрдого, жидкого или газообразного - является молекула. Поскольку молекула метана обладает высокой симметрией, полярности отдельных связей C-H компенсируют друг друга; в результате сама молекула неполярна.

Взаимодействие между такими неполярными молекулами ограничивается вандерваальсовыми силами; для таких небольших молекул эти силы взаимо-действия не сравнимы с очень большими силами взаимодействия между, например, ионами натрия и хлора. Неудивительно, что эти силы притяжения легко преодолеть за счёт тепловой энергии, так что метан кипит и плавится при очень низких температурах: Тпл. - 183⁰С, Ткип. -161,5⁰С. (Сравните с со-ответствующими константами для хлористого натрия: Тпл. 801 ⁰С, Ткип. 1413 ⁰С). Вследствие этого метан - газ при обычной температуре.

В жидком состоянии его плотность меньше плотности воды (удельная весомость 0,4). В соответствии с правилом "подобное растворяется в по-добном" он очень плохо растворим в воде, но хорошо растворим в органиче-ских жидкостях, таких, как бензин, эфир и спирт. Физические свойства метана сходны со свойствами других членов ряда алканов. Температуры плавления и кипения алканов с увеличением ММ (ростом цепи) возрастают, у изомеров они ниже, чем у н-алканов.

 

Источники. М етан является конечным продуктом анаэробного ("бескислородного") разложения растений, то есть продуктом разрушения очень сложных молекул. В природном газе содержится до 97% метана. Опасный рудничный газ в угольных шахтах и болотный газ, булькающий на поверхности болот, - это тоже метан. Бытовой газ у вас на кухне - это тоже метан, но с добавкой одоранта метилмеркаптана (СН₃0SH).

Метан, образующийся в результате распада живых организмов, может быть именно тем веществом, из которого в конечном счёте построен организм.

 

 

Промышленные источники алканов. Основными источниками алканов, как я уже говорил ранее, служит нефть и сопутствующий ей природный газ. Гниение и миллионы лет геологических преобразований превратили сложные органические соединения, из которых состояли растения и животные, в смесь алканов, имеющих в своём составе от одного до 30-40 атомов углерода.

Природный газ содержит только более летучие алканы, то есть алканы с низким молекулярным весом; в основном он состоит из метана и значитель-но меньших количеств этана, пропана и высших алканов. (Табл.5)

Алканы термодинамически неустойчивы относительно распада на углерод и водород.. Кроме распада на элементы термодинамически возможен ряд других реакций.

Ниже приведены термические реакции для некоторых алканов.

 

2СН₄ → НС=СН + 3Н₂ (1100 К)

СН₄ → С + 2Н₂

С₂Н₆ → С₂Н₄ + Н₂

Крекинг С₄Н₁₀ → С₂Н₄ + С₂Н₆

 

Для более высокомолекулярных парафинов при умеренных температурах (400-500 ⁰С) наблюдается разрыв молекул с образованием, примерно, равных количеств парафина и олефина приблизительно одинакового молеку-лярного веса:

 

СН₃-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂ ® СН₃-СН₂-СН₂-СН₃ + СН₂=СН-СН₃

 

Эта реакция крекинга реализуется в процессах термического и катали-тического крекинга (450-500 ⁰С, давление до 50 ат).

 

 

Таблица 5. Состав природного газа некоторых месторождений (%)

 

Месторождение	СН4 С2Н6 С3Н8 и N2 Выше
Саратов Майкоп Ставрополь Газли Уренгой Заполярное Питсбург, США Новогрозненское Вайоминг, США Иран	94,7 1,8 0,3 3 53,6 14,2 25,0 98,0 0,61 0,49 94,9 3,5 1,5 - 98,5 0,1 следы 1,12 98,5 0,20 0,06 0,7 84,7 13,7 1,6 54,9 45,1 42,0 16,0 7,0 18%Hе 35,5 54,0

 

 

Метан Этан Пропан Бутан Пентан

Сухой газ... 84,7 9,6 3,0 1,1 -

Жирный газ.. 36,8 32,6 21,1 5,8 3,7