Бензин в баке автомобиля и ванилин в кухонном шкафчике, пластиковая бутылка на полке супермаркета и некоторые лекарства в аптечке — вещи, сделанные из нефти и ее производных, окружают нас повсюду. Как люди научились извлекать из нефти максимальную пользу и что из нее изготавливают?
Состав нефти
У нефти нет универсальной химической формулы. Это смесь жидких, твердых и полутвердых соединений, преимущественно углеводородов — они составляют 80–90% по массе. Также в ней есть соединения с серой, азотом, кислородом и металлами, а еще вода, растворенные газы и минеральные соли. Современные технологии позволяют эффективно расщеплять нефть на составляющие. Большинство ее производных — а их известны сотни в разных агрегатных состояниях — включает несколько компонентов. В самых простых — лишь углеводороды (соединения углерода и водорода) разного размера. Так, в составе пропана три атома углерода, а в бензине уже несколько видов углеводородов, в молекулах которых чаще до десяти атомов углерода.
Некоторые нефтепродукты находятся в сырой нефти в готовой форме — их достаточно выделить и очистить. Делать это научились еще в 1745 году, когда в России заработал первый в мире нефтеперегонный завод: добычу и примитивную перегонку вели на берегу реки Ухты. При этом извлечение из нефти максимального количества разнообразных нефтепродуктов требует более сложных многоступенчатых технологий. Сегодня глубина переработки нефти доходит почти до 100% — такого показателя, например, достигли на Омском нефтеперерабатывающем заводе.
Как нефть делят на компоненты
Добыча сырой нефти чаще идет в удаленных районах, где сложно построить масштабный перерабатывающий завод, — например, на арктическом шельфе или в дремучей тайге. Однако именно на промысле нефть начинают готовить к переработке. Прежде чем направить нефть по трубопроводу от места добычи на завод, из нее удаляют газы, воду и другие примеси. В очищенном виде нефть удобнее транспортировать: она не расслаивается, а примеси не вредят оборудованию.
На заводе нефть и ее компоненты подвергают нескольким стадиям переработки. Сначала ее делят на фракции, при этом она не претерпевает химических изменений. Первичная переработка состоит из двух этапов:
- Атмосферная перегонка. Нефть постепенно нагревают, из-за чего фракции с разной температурой кипения последовательно испаряются: от легких газов (например, пропан и бутан) до тяжелой дизельной. Фракции поочередно отделяют и отводят на дальнейшую обработку, чтобы получить полезные нефтепродукты. Остается мазут.
- Вакуумная перегонка. Нагрев в вакууме снижает температуру кипения, что позволяет выделить из оставшегося после атмосферной перегонки мазута еще больше полезных соединений. Так получают газойль, который используют в производстве топлива. Остается гудрон — неперегоняемый остаток.
Вторичная переработка нефти и ее компонентов более разнообразна. Одни процессы помогают углубить переработку, другие — повысить качество будущего продукта, третьи — получить новые соединения. Например, гидрокрекинг расщепляет тяжелые соединения мазута и гудрона на компоненты для бензина, дизельного топлива и масел, а гидроочистка снижает содержание вредных примесей. Метил-трет-бутиловый эфир (C5H12O) — пример нового соединения, которое можно получить из продуктов переработки. Его применяют в промышленности в качестве растворителя и добавляют в бензиновое топливо для повышения его октанового числа.
Самые популярные нефтепродукты
Основные продукты переработки нефти — разные виды топлива для транспорта: бензин, авиационный керосин, дизельное. Они различаются длиной молекул углеводородов: у бензина может быть 4–12 атомов углерода в молекуле, у керосина — 10–16, у дизтоплива — 8–21. Молекулярная структура топлива влияет на скорость горения, температуру его воспламенения и застывания. Бензином заправляют автомобили, легкомоторные (маленькие) самолеты и лодки; керосином — самолеты и ракеты; дизтопливом — легковые автомобили, автобусы, железнодорожный и водный транспорт, грузовики, отопительное оборудование и другую технику.
Впрочем, эти базовые продукты нефтепереработки используют не только в качестве топлива. Бензиновая и керосиновая фракции — хорошие растворители, подходящие для промывки и смазки техники в промышленности. Компоненты дизельного топлива есть в составе средств для обработки металлов.
Нефть в дорогах, одежде, косметике и лекарствах
Углеводороды — гибкое сырье: их молекулы и их части можно резать, склеивать цепочками, встраивать в них другие химические элементы. В результате химических преобразований получают разнообразные продукты: от дорожного битума до ванилина.
Нефтяные компоненты с самыми большими молекулами (высокомолекулярные) содержатся в битуме — связующем компоненте дорожного покрытия. Этот вязкий и густой продукт нефтепереработки используют при производстве лаков, красок и изоляционных материалов.
Нефтяные масла легче битумов и варьируются по многим параметрам от вязкости до температурных режимов использования — это определяет, для каких сезона и климата они предназначены. Такие нефтепродукты применяют в качестве смазочных материалов, а также рабочей жидкости в гидравлических системах, трансформаторах и конденсаторах. Один из примеров очищенных продуктов нефтепереработки — вазелин. Его изготавливают сплавлением нефтяных масел, парафина и других производных переработки. Косметическая промышленность активно их использует: из масел и парафина получают кремы и декоративную косметику, а растворители вроде дипропиленгликоля (C6H14O3) применяют при производстве лаков и духов.
Благодаря современным технологиям нефтяные масла научились безопасно использовать в пищевой промышленности — для смазки машин, которые напрямую соприкасаются с едой.
Еще шире разброс областей применения у самых легких нефтяных фракций. Их небольшие молекулы становятся «кирпичиками» длинных полимеров, из которых можно и веревки вить, и формы отливать. Колготки, купальники, флисовые толстовки, пластиковые контейнеры и разнообразные пленки — у всех материалов для этих изделий одно происхождение.
В медицинской промышленности из нефти получают органические молекулы, подходящие для производства лекарств. Например, из толуола создают популярное обезболивающее и жаропонижающее — ибупрофен.
