Сжигание топлива обеспечивает энергией тепловые электростанции, промышленные предприятия, транспорт, быт. Значение топлива как химического сырья с каждым годом растет.
Поскольку в мировом топливном балансе повышается роль твердого топлива, то во всем мире разрабатывают методы получения из углей и сланцев дешевого жидкого и газообразного топлива, а также химического сырья.
Развитие угольной и ядерной энергетики даст в будущем возможность прекратить потребление нефти и природного газа в энергетических целях и полностью передать эти виды топлива в сферу промышленности как сырье для химической промышленности, а также для синтеза белков и жиров.
Все топлива по агрегатному состоянию делятся на твердые, жидкие и газообразные; по происхождению – на естественные и искусственные (см. таблица 1). Искусственные топлива получают в результате переработки естественных топлив.[12]
Таблица 1
| Виды топлива | ||
| Агрегатное состояние вещества | Топливо | |
| Естественное | Искусственное | |
| Твердое | Древесина, торф, уголь, сланцы | Кокс, полукокс, древесный уголь |
| Жидкое | Нефть | Бензин, керосин, лигроин, мазут и другие |
| Газообразное | Природный газ, попутные газы | Коксовый газ, генераторные газы, газы нефтепереработки |
Твердые топливасостоят из горючей органической массы и негорючей, или минеральных примесей и балласта. Органическая часть топлива состоит из углерода, водорода и кислорода. Помимо этого в ней могут содержаться азот и сера. Негорючая часть топлива состоит из влаги и минеральных веществ.
Важнейшим жидким топливом является нефть. Нефть содержит 80-85% углерода, 10-14%водорода и представляет собой сложную смесь углеводородов. Помимо углеводородной части в нефти имеются небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из углеводородов трех рядов: парафинового (алканы), нафтенового (циклены) и ароматического (арены).
Газообразные парафиновые углеводороды от СН4 до С4Н10 находятся в нефти в растворенном состоянии и могут быть выделены из нее в виде попутных газов при добыче нефти.
Жидкие парафиновые углеводороды от С5Н12 до С15Н34 составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее переработке.
Твердые парафиновые углеводороды от С16Н34 и выше растворены в нефти и могут быть выделены из нее.
Нафтеновые углеводороды представлены в нефти главным образом производными циклопентана и циклогексана.
Ароматические углеводороды содержатся в нефти в виде бензола, толуола, ксилола в небольших количествах.
Неуглеводородная часть нефти состоит из сернистых, кислородных и азотистых соединений. Кислородные соединения - это нафтеновые кислоты, фенолы, смолистые вещества.
Минеральные примеси - это механические примеси, вода, минеральные соли (хлориды магния и кальция), зола. Вода в нефти присутствует в двух видах: свободная, отделяемаяот нефти при отстаивании; в виде стойких эмульсий, которые могут быть разрушены только специальными методами.
Механические примеси - твердые частицы песка, глины, пород - выносятся из недр земли с потоком добываемой нефти.[13]
ТП нефтепереработки является аппаратурным процессом, протекающим непрерывно и контролируемым только с помощью измерительных приборов, в связи с чем, на нефтеперерабатывающих заводах очень высока степень механизации и автоматизации производственных процессов и контроля качества продукции в процессе ее производства. Автоматизированное управление процессами нефтепереработки на современных заводах осуществляется по физико-химическим параметрам состава сырья и конечных продуктов.[14]
Методы переработки нефти различны и их можно разделить на две группы:
· физические;
· химические.
Физические методы переработки основаны на использовании физических свойств фракций, входящих в состав нефти. Химических реакций при этих методах переработки не протекает. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является ее перегонка, при которой нефть разделяют на фракции.
Химические методы переработки основаны на том, что под влиянием высоких температур и давления в присутствии катализаторов углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпевают химические превращения, в результате которых образуются новые вещества.
Из нефти выделяют разнообразные продукты, имеющие большое практическое значение. Сначала из нее удаляют растворенные газообразные углеводороды (преимущественно метан). После отгонки летучих углеводородов нефть нагревают. Первыми переходят в парообразное состояние и отгоняются углеводороды с небольшим числом атомов углерода в молекуле, имеющие относительно низкую температуру кипения. С повышением температуры смеси перегоняются углеводороды с более высокой температурой кипения.
Наиболее ценной топливной фракцией являются бензины, в состав которых входят углеводороды с температурой кипения 180-200°С. Бензины применяются как компоненты автомобильных и авиационных бензинов и в качестве растворителей.
Газолиновая фракция, собираемая в пределах 40-150°С, содержит углеводороды от С5Н12 до С11Н24. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (tкип = 40–70°С), бензин (tкип = 70–120°С) - авиационный, автомобильный и так далее.
Лигроиновая фракция, собираемая в пределах 105-220°С, содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина перерабатывают в бензин. Легкий лигроин (с температурой кипения 105-150°С) используется как сырье для дальнейшей переработки на бензины, а тяжелый - как компонент реактивных топлив или растворителей для лакокрасочной промышленности.
Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения в диапазоне 140-330°С. Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет.
Газойлевая фракция (400°С > tкип > 275°С). Легкий газойль (соляр) является основой дизельных топлив. Тяжелые газойли являются сырьем для дальнейшей переработки.
Остаток после перегонки нефти – мазут - содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции перегонкой под уменьшенным давлением, чтобы избежать разложения. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и другие), вазелин (технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических средств и в медицине). Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве. Кроме переработки на смазочные масла мазут также используют в качестве жидкого топлива в котельных установках.
Бензина, получаемого при перегонке нефти, не хватает для покрытия всех нужд. В лучшем случае из нефти удается получить до 20% бензина, остальное – высококипящие продукты. В связи с этим перед химией стала задача найти способы получения бензина в большом количестве. Удобный путь был найден с помощью созданной А.М. Бутлеровым теории строения органических соединений.
Высококипящие продукты разгонки нефти непригодны для употребления в качестве моторного топлива. Их высокая температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов представляют собой слишком длинные цепи. Если расщепить крупные молекулы, содержащие до 18 углеродных атомов, получаются низкокипящие продукты типа бензина. Этим путем пошел русский инженер В.Г.Шухов, который в 1891 г. разработал метод расщепления сложных углеводородов, названный впоследствии крекингом.[15]
Термический крекинг - химический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высококипящие фракции, на более короткие молекулы легких, низкокипящих продуктов. Термический крекинг протекает при высоких температурах 450-500°С и повышенном давлении.
Термический крекинг, проводимый при температуре 670–1200°С и при атмосферном давлении, называется пиролизом.
Каталитическим называется крекинг с применением катализатора. Применение катализатора позволяет снизить температуру крекинга и не только увеличить количество получаемых продуктов, но и улучшить их качество. Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмосиликаты, содержащие 10-25% Al2O3, SiО2. Температура крекинга - 450-500°С. Процесс идет при повышенном давлении.