Переработка Нефти

ХИМИЯ НЕФТИ

Система Природы должна быть действительно красивой — ведь в химии мы обнаруживаем, что соединения — всегда красивые целые числа и никаких дробей

Р Букминстер Фуллер

До сих пор при обсуждении свойств сырой нефти и процессов ее переработки нам удавалось избегать основ химии, но это счастливое время подошло к концу. Все остальные процессы нефтепереработки являются по боль­шей части химическими реакциями. Так как Вы не обяза­ны были изучать химию, а я изучал физическую химию и сдал ее как минимум на тройку, то Вам придется уз­нать кое-что об углеводородах, прежде чем двигаться дальше.

Не пропускайте эту главу! Если Вы хотите полностью разобраться в последующих семи главах, Вам придется оставить на этом месте закладку.

Атомы и молекулы

Физики периодически удивляют ученый мир тем, что разбивают материю на все более мелкие частицы, еще менее понятные обычным людям, чем нейтроны и элект­роны. Но нам повезло: для нефтепереработки не требуется ничего, что было бы меньше атомов. Примеры атомов — это углерод, водород, сера или кислород, которые обо­значаются соответственно символами С, Н, S и О.

Свойства веществ зависят от того, из каких атомов они состоят и каким образом атомы связаны в группы, называемые молекулами. Самые важные правила касают­ся валентностей и химических связей.

Валентность. Каждый вид атомов (элемент) обладает способностью соединяться с другими атомами в соответ­ствии со своей структурой. Например, атом углерода все­гда хочет присоединить к себе четыре других атома, а атом водорода — только один.

Определение: Валентность атома некоторого элемента равна числу атомов водорода (или их эквивалента), с которым этот атом может соединиться.

Химическая связь. Вид соединения между двумя атома­ми называется химической связью. Вы можете считать, что это сила электростатического взаимодействия.

Углеводороды

Самый простой пример, иллюстрирующий все три по­нятия — валентность, химическая связь и углеводород — это метан, который состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, его формула СН4. Посмотрите на его структуру и Вы увидите, что все правила валентно - сти

Н I

Н-с-н

I

Н

Метан (СН4)

Рис. 5.1. Метан.

Если теперь мы рассмотрим следующий простейший углеводород, этан, то обнаружим некоторое усложнение. Формула этана С2Нб - Можно видеть, что каждый углерод окружен четырьмя связями, а каждый водород — одной. Обратите внимание, что один атом углерода присоеди­нен к другому. Это обычное дело. Между прочим, когда водород упоминается как отдельное соединение, то его формула всегда потому что водород именно так и существует: один атом водорода присоединяется ко вто­рому, и таким образом правило валентности выполняет­ся для обоих атомов.

I I

Н-с-с-н

I I

Н н

Этан (С2н6)

Рис. 5.2. Этан.

Целый класс углеводородов можно представить, по­лучая новые соединения точно так же, как из метана был получен этан. Эти соединения являются предельны­ми углеводородами (алканами) или парафинами общей формулы СпН2п+2- Примеры таких углеводородов — про­пан, нормальный бутан (н-бутан) и нормальный пентан (н-пентан).

Рис. 5.3. Пропан, нормальный бутан и нормальный пентан

Что означает слово «нормальный» перед словами бу­тан и пентан? Дело в том, что атомы в углеводородах и можно расположить несколькими спосо­

Бами. Один из способов показан на рисунке 5.3, но кро­ме того, мы могли бы изобразить ответвление от одного из внутренних атомов углерода. Соединения С4Н10 и которые при этом получатся, являются парафи­новыми углеводородами изостроения и называются изо - бутан и изопентан.

Хотя н-бутан и изобутан имеют одинаковые брутто - формулы, их поведение различно. Они кипят при разных температурах, имеют разные плотности (потому что по - разному упакованы), а кроме того, они вступают в раз­ные химические реакции, что будет видно в главе, по­священной алкилированию.

При обсуждении легких углеводородов используют сле­дующее соглашение. Если смесь или поток содержит толь­ко этан, пропан и, возможно, водород, но не содержит бутана и более крупных (тяжелых) молекул, такую смесь или поток называют «пропан и более легкие продукты», или Сз~. Также можно сказать, что она не содержит бута­на и более тяжелых продуктов, то есть С4+. Это соглаше­ние работает для всех углеводородов до включительно.

Нафтены

Другой класс углеводородов — это циклические соеди­нения, содержащие, как правило, больше четырех ато­мов углерода. Если цепочку из пяти атомов углерода свер­нуть в кольцо, получается циклопентан (С5Н10). Обрати­те внимание, что циклопентан содержит меньше атомов водорода, чем н-пентан или изопентан. Также существу­ют и циклы большего размера, например, циклогексан. Этот класс соединений называется нафтенами или на - 1)теновыми углеводородами.

Рис. 5.6. Метилциклогексан.

Помимо простых парафиновых и циклических углево­дородов, бесконечное число возможностей появляется в результате соединения молекул этих двух типов между собой. Простейшим примером является метилциклогек - сан — результат присоединения группы СН3 (она

Называется метильной группой или метальным радика­лом) к циклогексану, вместо одного из его водородных атомов (рис. 5.6).

Олефиновые и ароматические углеводороды

Можно получить молекулу, в которой есть два атома углерода и только четыре атома водорода. На первый взгляд, при этом нарушаются правила валентности, ко­торые Вы изучали предыдущие пять минут. Но химичес­кое соединение этилен построено так, что атомы

Н н

I I

Н-с-с-с=с-н

I I I I

Н Н I I

С=с

I I

Н н

Этилен

(С2Н4)

Н н н н

Рис. 5.7. Олефиновые углеводороды.

Углерода связаны двойной связью, и это компенсирует недостаток водородных атомов (рис. 5.7). Что смешно: двойная связь, удерживающая вместе два атома углеро­да, не прочнее, чем одинарная связь, а слабее. Можно себе представить, что две связи занимают место, где мог­ла быть одна связь. Поэтому соединение оказывается хи­мически неустойчивым, может довольно легко реагиро­вать с другими веществами и при этом превращаться в новое соединение, в котором уже нет двойной связи. По этой причине этилен очень часто используют для синтеза более сложных химических соединений. Например, если прицепить друг к другу много молекул этилена, полу­чится полиэтилен.

Принципиальная характеристика олефинов — это то, что в них на два атома водорода меньше, чем в соответ­ствующем насыщенном парафине (то есть в парафине, содержащем полный комплект водородных атомов), и, значит, их общая формула

Олефинов в природе не существует. Возможно, что только Бог может создать дерево, но с олефинами он не справился. Их нет в сырой нефти — они появляются, потому что их создают люди с помощью процесса кре­кинга, несколько вариантов которого мы рассмотрим в последующих главах. Это обстоятельство, которое на пер­вый взгляд не связано с обсуждаемой темой, находит отражение в проектировании установок для нефтепере­работки и будет обсуждаться в главе VII.

Другие олефины, представляющие интерес с точки зрения нефтепереработки, это пропилен (С3Нб) и бути­лен (С4Н8). Как и этилен, эти соединения можно вводить
в реакции с другими веществами, поэтому они пригод­ны в качестве сырья для ряда химических процессов и процессов нефтепереработки.

Ароматические углеводороды являются еще одним ис­ключением из правил валентности. Рассмотрим цикли­ческое соединение циклогексан. Каждый атом углерода связан с двумя другими атомами углерода и к нему при­цеплено два атома водорода. Если убрать один из водоро - дов от каждого углеродного атома, то правило валентнос­ти нарушится и, чтобы оно снова выполнялось, между углеродными атомами можно поместить некоторое коли­чество двойных связей. Для этого требуется, чтобы двой­ная связь была у каждого второго атома углерода (рис. 5.8). Мы получили молекулу CgHg, бензол. Представ­ление, что каждая вторая связь в бензольном кольце — двойная, является сильно упрощенным. Более реальное представление оперирует понятиями резонансных струк­тур и перескакивающих связей.

Если удалить один из водородов из молекулы бензола, а на его место посадить группу получится углеводо­

Род состава С7Н8, толуол (группа СН3 называется ме - тильным радикалом, а группа — этильным радика­

Лом. Названия радикалов похожи на названия соответ-

Н I

Н

Н-с-н

I

Н

Н

Н-с-н

Н-с-н

I

Н I

Н

Бензол

(С6Н6)

Ксилол (диметилбензол) (QHjo)

Рис. 5.8. Ароматические углеводороды.

Ствующих парафинов — метана и этана). Если два водо­рода в бензольном кольце заменить на два метальных радикала, то получится молекула состава ксилол.

Двойные связи в бензольном кольце достаточно неус­тойчивы и химически активны. Поэтому бензол широко используется как строительный блок для получения но­вых веществ в химической промышленности. Толуол и ксилол — тоже ценные соединения; выделение аромати - ки в нефтепереработке рассматривается в главе XVI.

Понятие «ароматика» включает все соединения, в мо­лекулах которых есть бензольное кольцо. Однако на прак­тике этот термин часто используется только по отноше­нию к бензолу, толуолу и ксилолам. Между прочим, на­звание ароматика возникло из-за своеобразного сладко­ватого углеводородного запаха, присущего большинству этих соединений.

Вы могли заметить, что как только число атомов угле­рода становится больше шести, число их различных ком­бинаций в структуре возрастает лавинообразно. Поэтому индивидуальным соединениям уделяется очень мало вни­мания. Чтобы описать состав нефти или нефтепродукта, иногда указывают процентное содержание парафинов, нафтенов и ароматики; эти группы веществ обычно ха­рактеризуются соответствующими физическими свойства­ми (плотность, вязкость, температура кипения и т. д.).

УПРАЖНЕНИЯ

Изобутан является изомером нормального бутана. По­чему у пропана нет изомера?

Сколько различных структур может иметь изобутан? А изопентан? Изобутилен?

Перечислите четыре типа структур, описанные в этой главе.

Существует три разных ксилола. Сможете ли Вы изо­бразить те два из них, которые не приведены на ри­сунке в этой главе?

Почему толуол только один?