В начале нефть и продукты ее переработки (керосин) применяли для освещения. Потом нефть и мазут стали употреблять как топливо для паровых котлов (пароходных и паровозных), а также для получения смазочных материалов.
- С появлением двигателей внутреннего сгорания, в том числе дизелей, продукты переработки нефти — керосин, соляровое масло и более тяжелые масла стали широко применять как топливо.
- Именно это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатых печах. Сначала отгоняются наиболее легкокипящие погоны (бензин, лигроин), потом более тяжелый — керосин. Бензины состоят из углеводородов с 5—10 атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны—из углеводородов с 10—15 атомами углерода. После перегонки остается мазут — густая черная жидкость.
Он употребляется как топливо или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие—соляровые, более тяжелые – веретенные и машинные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.
- В начале нашего века произошли коренные изменения в нефтепереработке.
- Быстрое распространение карбюраторных бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию нефтедобычи, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе.
- Однако этого было недостаточно. При прямой гонке получалось сравнительно мало бензиновых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос.
- Особенно остро ощущалась нехватка бензина в годы первой мировой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс — разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры.
- При нагревании до 500—600° С углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле, т. е. повышается содержание легкокипящих фракций.
- Промышленное освоение крекинг-процесса сразу повысило ресурсы бензина. Однако качество бензинов термического крекинга было не всегда удовлетворительным. А высококачественный бензин был нужен авиации.
Русский химик Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать
крекинг с помощью ускорителей процесса — катализаторов. В качестве катализатора
он применил хлористый алюминий. Французскими инженерами был предложен
алюмосиликатный катализатор. В его присутствии происходило образование фракций,
содержащих высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.
Однако жизнь шла вперед. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания становились все быстроходнее, все мощнее и в то же время все легче и меньше по размерам. Этого удалось достичь, повышая степень сжатия топлива в цилиндрах двигателя. Однако в момент сильного и быстрого сжатия паровоздушная смесь преждевременно взрывалась — детонировала. Это приводило к стукам в двигателе и потере мощности.
Борьба с детонацией на долгое время стала главной
задачей улучшения методов нефтепереработки. Оказалось, что различные
углеводороды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью.
Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические
детонировали труднее, чем углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода.
- Способность бензинов противостоять детонации характеризуют так называемым октановым числом: чем оно выше, тем бензин лучше. Значит, и нефть: нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. Кроме каталитического крекинга появились новые процессы нефтепереработки — риформинг, платформинг. Особое значение в них получили реакции ароматизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками.
- Промышленность стала даже на путь синтеза углеводородов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы использовать их как добавки к бензинам и повышать, таким образом, антидетонационные свойства. Особенно успешно стали применять специальные добавки к топливу — так называемые антидетонаторы. Добавленные в небольшом количестве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Таков тетраэтилсвинец (сокращенно ТЭС). Бензин с этим антидетонатором (этилированный) очень ядовит. Будьте всегда осторожны с этилированным бензином: не обливайте им руки, старайтесь, чтобы бензин случайно не попал вам в рот или в глаза.
Теперь найден лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со
сложным названием — циклопентадиенилтрикарбонил марганца, или ЦТМ. Как видно из
названия, это органическое вещество содержит марганец. Скоро появятся в гаражах
“марганцевые” бензины.
Казалось, переработка нефти решила все проблемы, поставленные
перед ней автомобильными и авиационными конструкторами. Но жизнь шла вперед, и
на смену двигателям внутреннего сгорания пришли реактивные и ракетные
двигатели. Оказалось, что здесь не нужны высокие октановые числа. Наоборот,
лучшее топливо — это углеводороды с прямыми малоразветвленными цепочками атомов
углерода или кольчатые, и притом не бензиновые фракции, а керосиновые и
солярные. Все наоборот! И снова поиск, снова открытия, снова изменения
нефтепереработки.
И это еще не все! До сих пор речь шла о применении
нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых машин к
дизелям, к бензиновым моторам, потом к реактивным двигателям. Но в них
использовалось только тепло образующееся при сгорании топлива!
Для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов —
непростительное расточительство. Ведь эти углеводороды так нужны для
химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических
продуктов! И нефтехимический синтез выступил мощным конкурентом транспорта в
потреблении нефти. Прежде всего пошли в дело нефтяные газы, состоящие из
углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода — от 1 до 5. Из этилена СН2
= СН2 можно получать этиловый спирт, а из него — синтетический
каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широко известный полимер
полиэтилен. Из пропилена СН3СН = СН2 можно получить
изопропиловый спирт и ацетон; пропилен нужен для производства фенола, наконец,
из него можно получить полипропилен и акрилонитрил—сырье для производства
синтетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в
нефтехимическом синтезе. Значит нефтепереработку нужно вести иначе. Нужно
получать как можно больше газов, молекулы которых содержат двойные связи между
атомами углерода.
Между нефтью — топливом и нефтью — химическим сырьем началась
напряженная борьба.
Конечно, в настоящее время и в ближайшее время нефть будут
использовать главным образом как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на
химическую переработку, непрерывно возрастает.
А совсем недавно появился еще один возможный потребитель
нефти. Он пока еще “младенец”, и ему много нефти не нужно. Но как знать? Это
микробиологическая переработка нефти на... белки. Нашлись бактерии, которые
хорошо живут на нефти потребляя ее в пищу. Нефть исчезает, бактерии растут.
Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо
нее образуется масса клеток бактерий, содержащая много белка, которой можно
использовать как корм. В настоящее время предпринимаются попытки вырастить
такие бактерии, которые поглощали бы из нефти только ненужные примеси. Это
может привести к появлению микробиологических нефтеочистительных заводов,
побочной продукцией которых будет кормовой белок.
До сих пор шла речь о газах нефтепереработки. Однако есть и
природный газ, образующий громадные скопления в толще земли. Природный газ в
основном состоит из метана СН4. Он добывается в громадных
количествах и используется как горючее для промышленных и бытовых целей. Вместе
с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газам нефтепереработки природный
газ является важным источником для синтеза разнообразных органических веществ.
Самый большой химический потребитель газа — промышленность полимерных
материалов.