Нафта. Склад, властивості. Продукти перегонки нафти, їх застосування. Детонаційна стійкість бензину
УРОК 9
Тема. Нафта. Склад, властивості. Продукти перегонки нафти, їх застосування. Детонаційна стійкість бензину
Цілі: вивчити склад, фізичні властивості нафти, ознайомитися з процесами переробки й продуктами перегонки нафти, їх застосуванням, з характеристикою бензину – детонаційною стійкістю.
Обладнання: таблиці “Перегонка нафти в лабораторії”, “Схема трубчатої установки для безперервної перегонки нафти”, ППЗ “Органічна хімія”.
Тип уроку: ВНМ(Д), семінар.
Форми проведення: корегувальна, навчальна, контрольна
ХІД УРОКУ
I. Організація класу
II. Оголошення теми й мети уроку
III. Семінар
1. Корегувальна частина
1) Який склад має природний газ?
2) Назвіть переваги застосування природного газу.
3) Що таке супутній нафтовий газ?
4) У чому відмінність складу супутнього газу від природного?
5) На які суміші розділяють супутній газ і де їх застосовують?
6) Які неорганічні й органічні речовини можна добувати з природного та супутнього газів?
2. Навчальна частина Робота в групах
Учні сідають групами й опрацьовують питання семінару:
1) Склад і фізичні властивості нафти.
2)
3) Нафтопродукти та їх застосування.
4) Крекінг та його види.
5) Детонаційна стійкість бензину.
Проблемні питання
Чому чим вище марка бензину, тим краща його якість?
У чому суть процесів виробництва бензину?
3. Контрольна частина семінару
Проводиться не у звичайній формі – контролю знань, а шляхом обміну інформацією між групами. Учитель є координатором роботи груп і корегує їх доповіді.
IV. Підбиття підсумків уроку
Підбиваємо підсумки уроку та відповідаємо на проблемні питання.
V. Домашнє завдання
Додатки
Матеріал до уроку
1. Склад і фізичні властивості нафти
Нафта – масляниста рідина темно-бурого або майже чорного кольору з характерним запахом. Вона легша за воду (густина 0,73-0,97 г/см3), у воді практично нерозчинна.
За складом нафта – складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, головним чином рідких (у них розчинені тверді й газоподібні вуглеводні). Зазвичай це вуглеводні парафінові, ароматичні, циклоалкани, співвідношення яких у нафтах різних родовищ змінюється в широких межах. Крім вуглеводнів, нафта містить оксигено-, сульфуро – і нітрогеновмісні органічні сполуки.
Залежно від переважного вмісту вуглеводнів того чи іншого класу розрізняють такі основні види нафти:
1) метанова нафта, яка складається переважно з нерозгалуже – них алканів;
2) нафтенова нафта, яка складається, в основному, з циклічних неароматичних вуглеводнів циклоалканів або нафтенів;
3) змішана нафта, яка включає суміш алканів, нафтенів і ароматичних вуглеводнів. Змішана нафта трапляється найчастіше.
Іноді нафту класифікують за фізичними властивостями, наприклад на легку нафту густиною менше 0,9 г/мл і більш важку нафту. Усі види нафти мають домішки нітрогено – й сульфуровмісних органічних сполук.
Сира нафта зазвичай не застосовується. Для одержання з нафти технічно цінних продуктів її піддають переробці.
2. Перегонка нафти
Первинна переробка нафти полягає в її перегонці. Перегонку здійснюють на нафтопереробних заводах після відділення з нафти супутніх газів. У процесі перегонки нафти одержують світлі нафтопродукти:
– бензин (tкип – від 40 до 150-200 °С);
– лігроїн (tкип – 120-240 °С);
– гас (tкип – 150-300 °С);
– газойль – солярове масло (tкип вища від 300 °С).
У залишку – в’язка чорна рідина – мазут.
Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під зменшеним тиском (щоби попередити розкладання) і виділяють мастила:
– веретенне;
– машинне;
– циліндрове та ін.
З мазуту деяких сортів нафти виділяють вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгону називають нафтовим пеком, або гудроном.
Схема трубчастої установки для безперервної перегонки нафти
3. Нафтопродукти та їх застосування
Продукти первинної перегонки нафти мають різне застосування.
– Бензин у великих кількостях використовують як авіаційне й автомобільне пальне. Він складається зазвичай з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від п’яти до дев’яти атомів Карбону.
– Лігроїн є пальним для дизельних двигунів, а також розчинником у лакофарбовій промисловості. Велику кількість його переробляють на бензин.
– Гас застосовують як пальне для реактивних і тракторних двигунів, а також для побутових потреб. Він складається з вуглеводнів, що містять у молекулах у середньому від 9 до 16 атомів Карбону.
– Газойль – використовують як моторне пальне.
– Мазут, крім переробки на мастила й бензин, використовують як котельне рідке пальне.
Застосування продуктів переробки мазуту
– Вазелін використовують у медицині. Він складається із суміші рідких і твердих вуглеводнів.
– Парафін застосовують для одержання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників і олівців, для виготовлення свічок, гуталіну і т. д. Він складається із суміші твердих вуглеводнів.
– Мастила, які виділяються під час перегонки мазуту, називають мінеральними (нафтовими) маслами, на відміну від синтетичних масел, які одержують штучно (хоча всі масла є сумішами органічних сполук).
– Гудрон – нелетка темна маса, після часткового окиснення його застосовують для одержання асфальту.
4. Крекінг та його види
Крекінг нафтопродуктів полягає в розщепленні довгих молекул вуглеводнів, що входять у висококиплячі фракції, на більш короткі молекули легких низькокиплячих продуктів.
Первинна пряма перегонка нафти дає порівняно мало бензину – 4-25% з різних нафт. Збільшення виходу бензину досягається застосуванням вторинної переробки більш важких нафтових фракцій, а також мазуту з допомогою методів деструкції, що дозволяє підвищити вихід бензину в кілька разів.
Залежно від виду сировини й необхідної якості одержуваної продукції в нафтопереробній промисловості застосовують різні технологічні способи переробки сировини.
Без застосування каталізаторів: термічний крекінг у рідкій і паровій фазах, піроліз, коксування, окисний крекінг і окисний піроліз.
Із застосуванням каталізаторів: каталітичний крекінг, гідрогенізаційний крекінг (деструктивна гідрогенізація), каталітична ароматизація (дегідрогенізаційний крекінг).
У його основі лежать процеси перетворення вуглеводнів, що входять до складу нафти чи нафтопродуктів, під впливом нагрівання до температур 400-700 °С і вище й за різного тиску. У результаті одержують газоподібні, рідкі та тверді продукти.
Термічний крекінг здійснюється у двох основних варіантах: у рідкій (тиск 2-7 МПа, температура 450-500 °С) і в паровій (тиск 0,2-0,5 МПа, температура 550-600 °С) фазах. У разі рідкофазного крекінгу більший вихід бензину й менше газу, ніж під час парофазного.
Сировиною для крекінгу є різні фракції: газойль, солярка, гас, мазут, гудрон, а також бензин прямої перегонки нафти. Різні види сировини доцільно піддавати крекінгу окремо, підбираючи для кожного процесу відповідні умови. Алкани крекуються легше за все й дають бензин з низькими октановими числами (55-60), за тієї ж глибини крекінгу нафтенів октанові числа бензину вище (60-70). Наприклад:
Утворилася суміш насичених і ненасичених вуглеводнів, яка відповідає бензину. Речовини, що утворилися, частково можуть розкладатися далі:
За глибоких форм крекінгу одержувані продукти сильно ароматизовані. Вихід крекінг-бензинів, залежно від виду сировини й режиму роботи установок, змінюється від 25 до 70 %.
Каталітичний крекінг на алюмосилікатних каталізаторах – один із найбільш багатотоннажних процесів у нафтопереробній промисловості. Метою процесу є одержання високооктанового бензину з вакуумних дистилятів різних нафт, що википають у межах 300-500 °С.
Каталітичний крекінг проводять за температури 450-530 °С під тиском, близьким до атмосферного (0,07-0,3 МПа). Реактори мають забезпечувати можливість постійного відводу каталізатора на регенерацію, тому використовують реактори з рухомим чи киплячим шаром каталізатора.
Крім високооктанового бензину на установках каталітичного крекінгу отримують також вуглеводневий газ, легкі й важкі газойлі. Кількість та якість продуктів залежить від характеристики переробної сировини, каталізатора, а також режиму процесу.
5. Детонаційна стійкість бензину. Октанове число Основною експлуатаційною властивістю бензинів є детонаційна стійкість. Детонаційна стійкість – здатність бензину згоряти без вибуху у двигуні з іскровим запалюванням. Чим вище октанове число, тим більш стійкий бензин перед детонацією й тим кращі експлуатаційні якості він має.
Детонація – це процес дуже швидкого, вибухового згоряння робочої суміші. Детонація приводить до прогоряння поршнів і випускних клапанів. Зовнішні ознаки детонації – характерний металевий стукіт і вібрація, чорний колір відпрацьованих газів (дим), нерівна робота двигуна.
Детонація пального в моторах пояснюється нерівномірністю процесу його згоряння й залежить від якості бензину. Мірою детонаційної стійкості пального є октанове число (ОЧ).
Октанове число дорівнює вмісту (в об’ємних %) ізооктану (ОЧ = 100) в його еталонній суміші з н-гептаном (ОЧ = 0), за якого ця суміш має однакові антидетонаційні властивості з пальним, що випробовують. Отже, октанове число (ОЧ) – умовний показник, що характеризує здатність палива забезпечити бездетонаційну роботу двигунів із примусовим запаленням. Октанове число бензину підвищується шляхом додавання до бензину високооктанових компонентів або присадок-антидетонаторів.