Кипячение, Крекинг, Рафинирование
Чтобы нефть стала топливом или пластиком, черное золото должно сначала испариться.
Человечество так же зависит от немногих ресурсов, как и от нефти, которая образовалась за миллионы лет из планктона первобытных морей в результате давления и тепла. Это смесь нескольких сотен компонентов, в основном углеводородных соединений, и именно они делают сырую нефть столь ценной как сырье для химической промышленности и как топливо для двигателей внутреннего сгорания.
Короткие соединения нужны прежде всего: пластмассы синтезируются из цепочек с тремя-четырьмя атомами углерода, такими как пропан и бутан, из пяти-одиннадцати получается бензин (чем сложнее молекула, тем сильнее ее можно сжать до самовоспламенение, что увеличивает КПД двигателя; Еще более длинные цепи состоят из дизельного топлива, печного топлива, смазочных материалов и асфальта, необходимого для строительства дорог. Поскольку эти молекулы испаряются при разных температурах, их можно извлечь из сырой нефти перегонкой - чем короче цепи, тем ниже их температура кипения. При атмосферном давлении пропан и бутан уже газообразны при комнатной температуре, сырье для бензина испаряется при температуре от 35 до 210 градусов Цельсия, а для смазочных масел требуется температура 400 градусов Цельсия.
После опреснения - это позволяет избежать коррозии на заводе - сырая нефть частично выпаривается в трубчатой печи при температуре 350 градусов Цельсия, а затем смесь газа и жидкости подается в дистилляционную колонну высотой до 50 метров, фракционная башня. Внутри нормальное атмосферное давление и постоянный температурный градиент примерно от 400 градусов Цельсия ниже до 20 градусов выше. Углеводороды поднимаются до тех пор, пока не достигают температурного диапазона ниже их соответствующих точек кипения. Там они конденсируются и собираются на ректификационных тарелках (фракции, которые еще находятся в газообразном состоянии, поднимаются вверх через отверстия в этих тарелках), по трубопроводам направляются на дальнейшую переработку. Тяжелые молекулы, состоящие не менее чем из 20 атомов углерода, собираются на дне дистилляционной колонны и не могут быть перегнаны при атмосферном давлении, поскольку при температуре выше 330 градусов Цельсия они разложатся. Хитрость: вакуум с давлением воздуха 50 миллибар снижает температуру кипения на 100 градусов.
Какие продукты производятся и в каком количестве, зависит от состава сырой нефти. Однако, поскольку спрос на молекулы с короткой цепью выше, более длинные разрушаются на следующем этапе процесса (по-английски: крэк). При термическом крекинге это происходит под давлением и кратковременным нагревом примерно до 500 градусов Цельсия. Кроме того, при использовании катализатора скорость превращения улучшается. Однако всегда получаются фракции разного веса, которые необходимо отделить друг от друга перегонкой и подвергнуть дальнейшей обработке.
Продукты по-прежнему содержат от нескольких десятых до нескольких процентов серы, которую необходимо удалять на так называемых установках Клауса, чтобы избежать токсичных или вредных для окружающей среды соединений серы при сжигании. В Германии с 2003 года бензин может содержать не более десяти атомов серы на миллион углеродных цепей.
Хотя более 90 процентов основных веществ в химической промышленности извлекаются из нефти или природного газа, менее десяти процентов нефти, добываемой в мире, идет по этому пути. Большая часть его становится топливом. Однако сырой бензин, полученный в результате этапов крекинга и десульфурации, еще не будет пригоден для двигателя - при сжатии бензино-газовая смесь воспламенится неконтролируемым образом (детонация).
Для «рафинирования» установка риформинга превращает короткие линейные цепи нафты в цепи с разветвленной или кольцевой структурой. Эта модификация также осуществляется с помощью катализаторов, в основном платиновых, при температуре около 500 градусов Цельсия и давлении от одного до пяти мегапаскалей, т.е. в 10-50 раз больше атмосферного давления, которые играют важную роль в качестве растворителей и промежуточных продуктов в химической промышленности.
Знаете ли вы?
- Из-за усилий операторы нефтеперерабатывающих заводов говорят, что они зарабатывают всего несколько центов за литр, что соответствует 20-25 процентам стоимости чистого продукта (в Германии это около 25 процентов цены бензина, 75 процентов это налоги). Поэтому во всем мире к инвестициям в существующие заводы или строительству новых относились с нерешительностью, но узкие места в мощностях теперь приводят к увеличению себестоимости продукции. Теперь отрасль реагирует: например, нефтеперерабатывающий завод Total в Центральной Германии был построен в Лойне за добрых 2,6 миллиарда евро, а совместное предприятие Shell и Saudi Aramco инвестирует 4,5 миллиарда евро в техасский завод к 2010 году.
- Некоторые виды сырой нефти содержат растворенный пропан и бутан, которые выходят из верхней части колонны фракционирования. Пропан может быть преобразован в полипропилен для текстиля, упаковки пищевых продуктов и автомобильных запчастей. Бутан используется для производства бутадиена для синтетического каучука. Этилен (C2H4) - сырье для полиэтилена в пластиковых стаканчиках и упаковках, производится при низком давлении и высокой температуре в установке термического крекинга..
- Октановое число указывает на то, насколько легко бензин может самовоспламеняться при сжатии (детонационная стойкость). Это сравнительная величина: величина соответствует соотношению изооктана к н-гептану в смеси с одинаковой детонационной стойкостью; первый очень детонационный, второй быстро воспламеняется. Например, бензин премиум-класса с октановым числом 95 имеет такую же стойкость к детонации, как топливо, содержащее 95 процентов изооктана и 5 процентов н-гептана по объему.
Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft является оператором этого портала. Его электронные и печатные журналы, в том числе «Spektrum der Wissenschaft», «Gehirn&Geist» и «Spektrum - Die Woche», сообщают о текущих результатах исследований.