ГЛАВА 1 НЕФТЬ И ПРОДУКТЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ

Главным природным источником углеводородов является нефть.

Нефти разных месторождений неодинаковы по составу, но все они содержат в разных соотношениях четыре главных класса углеводородов: парафины, циклические углеводороды с пяти- и шестичленными циклами и ароматические углеводороды. Встречаются также углеводороды, содержащие различные сочетания двух циклов. В некоторых нефтях обнаружены в очень небольших количествах углеводороды с семичленным циклом. Олефины в нефтях почти никогда не содержатся. О присутствии в нефтях углеводородов каких-либо других классов пока нет данных. Однако надо иметь в виду, что природа компонентов нефти, кипящих выше 200° С, почти не изучена, а более низкокипящие фракции более или менее подробно исследованы лишь у нескольких десятков нефтей. Кроме углеводородов, в нефти почти всегда присутствуют соединения, содержащие серу, кислород и азот, но главную массу любой нефти всегда составляют углеводороды.

Особенно много парафиновых углеводородов содержат некоторые нефти Второго Баку, возникшие в девонский геологический период. В очень большом количестве парафиновые углеводороды содержатся в пенсильванской (США) нефти. Из нее дробной перегонкой было выделено много жидких гомологов метана, причем обычно они представляют собой смеси изомеров; низшие гомологи (пентан - октан) имеют преимущественно нормальное строение. Низкокипящие фракции грозненской нефти также состоят главным образом из парафиновых углеводородов, тогда как бакинские нефти содержат много алициклических углеводородов, а некоторые уральские - также много» ароматических углеводородов.

Наиболее летучей частью нефти являются метан и его ближайшие гомологи: этан, пропан, бутан и пентаны. Все они используются как сырье для нефтехимической промышленности, а также в качестве газообразного горючего.

Легкокипящие погоны нефти (обыкновенно не выше 150-170° С) носят название, бензина. Из них дробной перегонкой выделяют фракции, находящие различное практическое применение: как топливо, особенно для двигателей внутреннего сгорания (главное применение), в качестве растворителей и т. п.

Сорта бензина различают по плотности, пределам температуры кипения и количеству отгона до определенной температуры, антидетонационным свойствам и т. д.

Легкие бензины, с относительной плотностью 0,64-0,66 и температурой кипения главной части между 40 и 75° С, носят название петролейного эфира.

Средние бензины в зависимости от назначения весьма сильно различаются по плотности и температуре кипения. Их применяют также в качестве растворителей, причем особенно часто для этой цели применяется бензин с т. кип. 70-120° С и плотностью около 0,70. Для этой же цели применяются и тяжелые бензины с плотностью, колеблющейся в пределах 0,73-0,77.

Ввиду огромного потребления бензина как горючего для автомобилей, самолетов и пр. большие количества его приготовляются из высших фракций нефти посредством крекинга. В Германии из-за недостатка нефтяных месторождений было организовано производство бензина из продуктов сулой перегонки бурых углей, а также из каменноугольной смолы, получаемой сухой перегонкой каменного угля при низких температурах (процесс полукоксования).

В настоящее время большое значение как горючее для автотракторных двигателей и для реактивной авиации имеет керосин, содержащий фракции, кипящие в пределах 150-300° С (иногда с примесью несколько более низкокипящих фракций). Кроме того, керосин и до сих пор сохраняет некоторое значение в быту для освещения. Фракции, перегоняющиеся без разложения при температурах кипения, высших, чем у керосина, носят название соляровых масел. Соляровые масла могут быть переработаны различными путями в бензин. После соляровых масел из нефти отгоняются различные смазочные масла, обладающие тем большей вязкостью, чем выше температура их кипения.

Посредством перегонки с водяным паром фракций, кипящих выше 300° С, получают вазелин, который представляет собой густую смесь жидких и твердых углеводородов. Из нефти выделяют, кроме того, воскообразную смесь твердых парафиновых углеводородов, называемую парафином.

Массу твердых углеводородов, выкристаллизовавшуюся при охлаждении высших погонов, отделяют от жидкой части на фильтрпрессах. Для получения парафина с высокой температурой плавления полученный продукт подвергают дополнительному (горячему) прессованию.

Особенно много парафина содержит нефть некоторых месторождений СССР (нефть с острова Челекена на Каспийском море, грозненская нефть и др). Большие количества парафина получаются также сухой перегонкой битуминозных сланцев и бурых углей.

Не перегоняющаяся без разложения часть нефти носит название мазута или «нефтяных остатков». Мазут применяется в больших количествах как жидкое топливо и для приготовления смазочных масел.

В природе встречаются и отдельные залежи твердых парафиновых углеводородов в виде горного воска, или озокерита, применяемого в очищенном виде под названием церезина. Церезин плавится при более высокой температуре, чем парафин.

По строению составляющих его углеводородов церезин отличается от твердого парафина, выделяемого из нефти. Парафин состоит в основном из алканов нормального строения с 16-30 углеродными атомами в молекуле, тогда как алканы, составляющие церезин, разветвлены. Средний молекулярный вес церезинов выше, чем у выделенных из нефти парафинов с такой же температурой плавления. По-видимому, алканы церезинов содержат в молекулах более 25 углеродных атомов.

ГЛАВА 2 О ПРОДУКТАХ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

Уровень развития нефтепереработки и нефтехимии- важнейший показатель развития страны. Нефть и продукты ее переработки необходимы не только сегодня, но и в будущем.

Нефть сегодня - основной источник энергии: Почему? Жидкое топливо наиболее удобно: оно легко транспортируется по трубопроводам, высококалорийно (превосходит уголь в 1,5-3 раза), содержит мало минеральных примесей (не более 1%). Кроме того, подвижные потребители энергии, такие, как автомобили, самолеты, тракторы, используют жидкое топливо. Мировое производство нефтепродуктов оценивается величиной, превышающей 300 млн. тонн в год. Каждые. 10-15 лет знания в области нефтехиции стремительно обновляются.

Многолетний опыт работы на современных нефтехимических предприятиях, на кафедре химии нефти ОмГУ и в базовых школах позволяет нам высказать ряд рекомендаций и предложений, способствующих более глубокому изучению материала о современной нефтепереработке и нефтехимии в школах со специализированным техническим уклоном. Предлагаем ознакомить учащихся со следующими продуктами переработки нефти, различающимися по составу, свойствам, области применения: топливами, нефтяными маслами, парафинами и церезинами, ароматическими углеводородами, нефтяными битумами, нефтяным коксом, пластическими смазками и другими нефтепродуктами разного назначения.

Так как нефть - смесь углеводородов разной молекулярной массы, имеющих разную температуру кипения, то ее разделяют ректификацией на отдельные фракции (дистилляты), на базе которых затем получают широкий ассортимент нефтепродуктов. Однако сами по себе эти дистилляты не могут быть использованы как товарные нефтепродукты, качество которых отвечает потребностям народного хозяйства.

Поэтому, например, автомобильные бензины различных марок (А-72, А-76, АИ-93, АИ-98), выпускаемые отечественной промышленностью, выкипают в интервале температур от 30 до 200 °С и могут быть получены только смешением бензинов прямой перегонки нефти, термического и каталитического крекинга, алкилатов, изомеризатов и ароматизированных бензинов каталитического риформинга. Это обусловлено тем, что во фракциях бензина, полученных перегонкой на установке АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатка), более 50% приходится на долю парафиновых углеводородов Се-С₉ нормального строения, имеющих низкие октановые числа. Для получения высокооктановых товарных бензинов необходимы разветвленные и ароматические углеводороды, с этой целью прямогонные бензиновые фракции подвергают процессу изомеризации и риформинга.

Реактивные топлива (температура кипения от40 до 2600), как правило, получают прямой перегонкой нефти с последующей очисткой щелочью и водой от сернистых соединений - меркаптанов и сероводорода. Преобладание в реактивных топливах парафиновых углеводородов обеспечивает наивысшую теплоту сгорания (так как чем больше в молекуле атомов водорода, тем выше теплота сгорания), а следовательно, высокие энергетические возможности и низкий расход топлива. Применяют в качестве топлива для самолетов и ракет.

Дизельные топлива состоят из средних дистиллятов фракций нефти, перегоняющихся в пределах 180-360 °С, и дистиллятов каталитического процесса. Используют в качестве горючего для дизельных двигателей.

Нефтепродукты, выкипающие до температуры 350 «С, называются светлыми нефтепродуктами.

После отгонки из нефти дистиллятов, из которых получают светлые нефтепродукты, Остается черная вязкая жидкость - мазут. Около 50% мазутов применяют для паровых котлов тепловых мартеновских печей, значительная их часть подвергается дальнейшей переработке: ректификации под вакуумом на масляные дистилляты (фракции: 350-420 «С, 420-500 °С), из которых глубокой очисткой экстракцией селективными растворителями (жидким пропаном, фенолом, фурфуролом), адсорбционной доочисткой глинами, гидрогенизационной и, редко, кислотно-щелочной очисткой получают базовые масла.

Однако очистка масел, проведенная даже с помощью самых современных методов, не позволяет во многих случаях получать продукты, полностью удовлетворяющие требованиям потребителей. Это удается с помощью добавления к базовому маслу специальных органических соединений.

Отечественная промышленность выпускает более 70 сортов различных масел: индустриальных, турбинных, компрессорных, моторных и др.

При очистке дизельных фракций карбамидом (мочевиной) получают жидкие парафины, используемые в производстве синтетических жирных кислот, моющих средств, белково-витаминных концентратов на корм скоту, а при депарафинизации (очистка ацетоно-толуольным растворителем при низкой температуре) масляных дистиллятов кроме базовых масел выделяются твердые парафины и церезины.

Нефтяные битумы получают из тяжелых нефтяных остатков й широко используют при строительстве дорог и различных гражданских объектов, в производстве кровельных материалов.

Разделение нефти на фракции осуществляется только ректификацией при атмосферном давлении для углеводородов, кипящих до 350 °С, и под вакуумом - свыше 350 °С на установках АВТ. Ректификация осуществляется при постоянном нагреве и испарении углеводородов с различными температурами кипения. Первыми в паровую фазу переходят углеводороды с низкой температурой кипения, т. е. с небольшим числом углеродных атомов в молекуле. С увеличением температуры в паровую фазу переходят и высококипящие углеводороды. Для четкого разделения нефти на фракции многократный контакт образовавшихся паровой и жидкой фаз в ректификационной колонне обеспечивается на контактирующих устройствах (насадке, специальных ректификационных тарелках).

При прямой перегонке из нефти извлекается сравнительно небольшое количество светлых нефтепродуктов, имеющих температуру кипения до 350 °С. В нашей стране этот показатель в нефтепереработке составляет 65%. Увеличить глубину переработки нефти по крайней мере до 85% позволит применение в комплексе вторичных (химических) способов переработки - термического и каталитического крекинга, гидрокрекинга, риформннга.

В свое время Д.И. Менделеев страстно доказывал, что нефть и нефтепродукты не только топливо, но и ценное химическое сырье для нефтехимического и органического синтеза и сжигать их в топках так же неразумно, как и топить печи ассигнациями.

И хотя за последние годы в нефтехимической переработке произошли коренные изменения, объем переработки нефти в стране возрос с 1960 по 1990 г. лишь в 4 раза. Свыше 90% добываемой нефти по-прежнему расходуется на производство нефтепродуктов топливного назначения, обеспечивающего наземный и авиационный транспорт, ТЭЦ и т. д. На производство продуктов нетопливного назначения для нефтехимии идет около 10% нефти, К 2000 г. предполагается увеличить эту долю до 15-20%. Поэтому представляется необходимым показать последовательность в взаимную связь в развитии нефтепереработки и выросшей на ее основе нефтехимической промышленности. Вероятно, следует более целенаправленно обращать внимание учащихся на то, что сырьем для синтеза целого ряда продуктов (спиртов, альдегидов, фенолов, полимеров и др.) являются продукты нефтепереработки.

В настоящее время более 80% всех органических химических продуктов получают на основе нефти и попутного нефтяного газа. Например, при окислении парафиновых углеводородов, выделенных из нефтяных фракций, получают синтетические жирные кислоты, высшие спирты, формальдегид, метиловый спирт, уксусную кислоту, ацетон. Чаще всего сырьем для выработки нефтехимических продуктов служат прямогонный бензин, продукты ароматизации этого бензина, а также газы крекинга н пиролиза, содержащие этилен, пропилен, бутилен и др.

ГЛАВА 3 МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ: «НЕФТЬ. СОСТАВ И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ. НЕФТЕПРОДУКТЫ»

Цели и задачи урока:

· Познакомить учащихся с нефтью как естественноисторическим телом, гипотезами происхождения нефти, составом и свойствами.

· Углубить и расширить представления школьников о природных источниках нефтехимического сырья, доказать, что нефть - ценный источник углеводородов.

· Формировать умения самостоятельно работать с новыми источниками информации: анализировать, систематизировать, классифицировать, отбирать требуемую информацию.

· Развивать творческие и аналитические способности учащихся, умение аргументировать собственное мнение.

· Формировать умение работать в группах.

· Воспитывать чувство «локтя», ответственности, взаимопомощи и взаимоподдержки.

· Поддерживать познавательный интерес к предмету.

Оборудование: банка с нефтью, коллекция «Нефть и нефтепродукты», информационный текст «Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты», презентации учащихся, видеофрагмент из кинофильма «Большая перемена», мультимедийное оборудование.

Ход урока.

I. Подведение к теме

Здравствуйте ребята! Сегодня перед нами стоит задача познакомиться с нефтью, её составом, свойствами и способами переработки. В ходе нашего урока хотелось бы также получить ответы на такие важные в наше время вопросы, как:

Почему запасы углеводородного сырья определяют экономический потенциал и мощь страны, а по уровню их переработки можно судить об уровне цивилизации общества?

Почему в нашей обыденной жизни мы тоже зависим от этой невзрачной на вид жидкости (демонстрирую нефть)?

Одним словом, почему нефть так важна для человека, и среди полезных ископаемых нефть называют «королевой энергетики», именуют её «чёрным золотом»?

Ответить на все эти вопросы нам поможет сегодняшний урок, в подготовке которого вы принимали самое активное участие. Каждая из пяти групп выполняла проектную работу по определённой теме. Критерии оценки проекта вы получили заранее. И от вашего ответа зависит успех всей группы. Но кроме этого вы работаете по остальным вопросам на выданных вам листах. Возьмите эти листы.

Прочитайте текст и сделайте пометки + (знаю), ? (не знаю, не уверен в этих знаниях или хотел бы расширить свои знания по этому вопрос).

1. Нефть - основной источник углеводородного сырья.

2. Нефть - это сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвлённого строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 атомов углерода.

3. Чтобы выделить из нефти индивидуальные вещества её подвергают переработке.

4. Перегонка - это физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.

5. Крекинг - это процесс термического или каталитического разложения углеводородов, содержащихся в нефти.

6. Детонация - это взрыв смеси газов в двигателях внутреннего сгорания при сжатии.

7. Октановое число - это число, показывающее стойкость к детонации бензина.

Поднимите руки те, у которых возникли вопросы после прочтения данного текста. Чтобы вы смогли убрать вопросительные знаки с этого текста, я предлагаю вам внимательно послушать выступления представителей каждой группы и рассмотреть нефть с разных позиций.

II. Изучение нового материала

II. 1. Защита проекта «Нефть как природный источник углеводородов» (защита сопровождается компьютерной презентацией (см. Приложение 1))

Исторические сведения

Нефть известна человечеству с давних времен. Как показали археологические раскопки, на берегу Евфрата она добывалась 6-7 тыс. лет до н. э. Нефть использовалась для освещения жилищ, добавлялась в состав для бальзамирования трупов.

В Китае бурение было известно ещё в XVIII в. до нашей эры. Для ее добычи строились нефтяные колодцы. Китайцы употребляли нефть для освещения, как лекарство и в военных целях. Китайские воины из «огненных повозок» бросали горшки с горящей нефтью в ряды врагов.

В VII веке н. э. Византийцы создали так называемый «греческий огонь». В одном из многочисленных рецептов, которые греки хранили в глубочайшей тайне, написано «Возьми чистую серу, нефть, винный камень, смолу, поваренную соль, деревянное масло; хорошенько провари все вместе, пропитай этим составом паклю и подожги. Такой огонь можно погасить только песком или винным уксусом». В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц. В ХV веке в Париже появились первые асфальтированные улицы. Главное, нефть стали использовать для керосиновых ламп, для заделывания щелей и смоления судов

Несмотря на то, что, начиная с 18 века, предпринимались отдельные попытки очищать нефть, она использовалась почти до 2-ой половины 19 века в натуральном виде. В этот период в связи с ростом промышленности и появлением паровых машин стал возрастать спрос на нефть как источник смазочных веществ. Это привело к бурному развитию добычи нефти и способов ее переработки.

Первые нефтяные компании перевозили нефть в винных бочках, баррелях, вместимостью 48 галлонов или 180 литров. Потом стали наливать по 42 галлона, или 159 литров. В коммерции баррель (42 галлона) до сих пор служит для измерения количества нефти.

Происхождение нефти. Происхождение нефти является одной из тайн природы. Спор об этом относится к числу «великих геологических споров», еще не завершенных.

Существует 2 теории происхождения нефти: неорганическая теория и органическая теория.

Предложение о неорганическом происхождении нефти выдвинул в 1876 г. Д.И. Менделеев. Он считал, что вода, попадающая в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре, под действием высоких температур и давлений реагирует с карбидом железа, образуя углеводороды, которые поднимаются по трещинам породы, скапливаясь в пустотах - ловушках.

Основы биогенной теории происхождения нефти в нашей стране заложили академики В.И. Вернадский и И.М. Губкин. Согласно этой теории нефть образовалась из остатков наземной растительности, которые сносились реками в водоёмы, и морского зоо- и фитопланктона. Один из существенных доводов в пользу этой точки зрения наличие в составе нефти спор и пыльцы растений, а также азотсодержащих органических соединений, вероятно, ведущих своё происхождение из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

Вопрос о происхождении нефти имеет не только теоретическое значение. Он прямо связан с проблемой исчерпаемости ресурсов природных источников углеводородов. Согласно биогенной теории запасы нефти образовались в ранние геологические эпохи, и сейчас, сжигая углеводородное топливо, человечество необратимо тратит ту энергию, которую запасли доисторическое живые организмы. Если же нефть постоянно образуется в глубинах Земли, то бурение глубоких скважин позволит найти практически неисчерпаемые запасы. Окончательное решение этого вопроса учёным ещё предстоит найти, хотя на сегодняшний день все-таки наиболее доказанной считается теория биогенного происхождения нефти.

Что такое нефть? Нефть - горючая маслянистая жидкость обычно темного цвета, иногда почти чёрного, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет, и даже бесцветная, с резким своеобразным запахом, немного легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см³), в воде нерастворима. Нефть - жидкость очень сложного состава, включающая в себя около 1000 различных веществ, большая часть которых - углеводороды (90%)и органические соединения, содержащие кислород, серу, азот и другие элементы. Остальные компоненты нефти включают воду, соли и механические примеси (глину, песок и т.д.) Обычно нефть содержит три вида углеводородов - парафины, циклопарафины (нафтены) и ароматические. Большая роль в изучении состава нефти различных месторождений принадлежит российским химикам Д.И. Менделееву, В.В. Марковникову, Н.Д. Зелинскому и др.

Добыча нефти. Нефть добывают в основном с помощью бурения скважин на суше, морях и океанах. Нефть и сопутствующий газ находятся в пластах под давлением, поэтому нефть как бы вытесняется давлением на поверхность. Такой способ добычи называется фонтанным. По мере добычи нефти давление в пласте уже становится недостаточным, поэтому это давление создают искусственно. Для этого бурят рядом не одну, а две скважины и в одну из них пропускают газ под определенным напором, а через другую скважину этот газ вытесняет оставшуюся нефть. Нефть, только что добытую из скважины, называют сырой. Сырая нефть - это сложное вещество, имеет вид маслянистой жидкости и представляет собой смесь углеводородов. Всего всех углеводородов входящих в состав смеси около 70%. А остальные 30% - это неуглеводородные компоненты и вода. Если отделить воду от нефти, то получим товарную нефть. Однако ее нельзя использовать ни в качестве топлива, ни в качестве сырья для химических процессов. Она должна быть переработана.

Транспортировка нефти по суше в настоящее время осуществляется путем нефтепроводов, железнодорожных цистерн, между континентами Ї с помощью танкеров.

II. 2. Защита проекта «Перегонка нефти как начальная стадия нефтепереработки»

Немного из истории… В 1840 г. губернатор г. Баку направил в санкт-петербургскую Академию наук несколько бочек с нефтью для изучения её промышленного использования и получил через некоторое время ответ: «Это вонючее вещество пригодно только для смазки колёс у телеги». Ответ характеризовал сотрудников академии с не лучшей стороны - в эти годы уже появились первые перегонные заводы в России (на Кавказе) и в Америке.

Переработку нефти на Кавказе впервые начали братья Дубинины, крепостные из Владимирской губернии. Аппарат Дубининых был очень прост. В качестве топлива для перегонки нефти использовались дрова. Основной целью перегонки было получение керосина. Из 30 вёдер нефти получали 16 вёдер керосина. Керосин широко применяли как топливо для керосиновых ламп, керогазов. Интересно, что остальную часть нефти обычно уничтожали сжиганием, она долгое время не находила применения. Однако с изобретением двигателя внутреннего сгорания именно эта фракция - бензин - оказалась едва ли не самым главным, самым ценным продуктом нефтепереработки.

Современная нефтепереработка - это сложный комплекс производственных процессов, направленный на получение нефтепродуктов, а также сырья для нефтехимии и органического синтеза. До стадии перегонки нефть очищают от примесей солей и воды.

Так как нефть - сложная смесь природных углеводородов различной молекулярной массы, то первичная переработка - это перегонка нефти, которая позволяет разделить нефть на отдельные фракции в соответствии с температурой кипения углеводородов.

Перегонка основана на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти, т.е. перегонка - физический процесс, с углеводородами не происходят химические превращения.

В промышленности перегонку нефти осуществляют в установке, которая состоит из трубчатой печи и ректификационной (разделительной) колонны. В печи находится змеевик (трубопровод). По трубопроводу непрерывно подается нефть, где она нагревается до 350°С и в виде паров поступает в ректификационную колонну (стальной цилиндрический аппарат высотой 50 - 60 м). Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки. Пары нефти подаются в колонну и через отверстия поднимаются вверх, при этом они постепенно охлаждаются и сжижаются. Менее летучие углеводороды конденсируются уже на первых тарелках, образуя газойлевую фракцию. Более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию, ещё выше собирается лигроиновая фракция. Наиболее летучие УВ выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин. Часть бензина подается обратно в колонну для орошения поднимающихся паров. Это способствует охлаждению и конденсации соответствующих УВ. Жидкая часть нефти, поступающей в колонну, стекает по тарелкам вниз, образуя мазут, представляющий собой ценную смесь большого количества тяжёлых углеводородов. Такая перегонка называется фракционной.

Состав фракций и интервалы их температур кипения на разных заводах могут сильно различаться в зависимости от исходного состава нефти. И, кроме того, на современном производстве перегонка происходит не в одной, а последовательно в нескольких ректификационных колоннах. Это обусловлено экономическими соображениями (меньше затраты энергии) и необходимостью получить более чистые продукты.

Главный недостаток такой перегонки Ї малый выход бензина (не более 20%).

II. 3. Задание классу

Используя § 10 учебника (О. Габриеляна) (стр. 59 -60), заполните таблицу:

Название фракции	Состав	tкипения	Применение
Ректификационные газы
Газолиновая фракция (бензин)
Лигроиновая фракция
Керосиновая фракция
Дизельное топливо
Мазут

Продукты фракционной перегонки нефти. А сейчас внимание на экран. Вы просмотрели видеофрагмент из кинофильма «Большая перемена». О чём идёт речь в этом фрагменте? (о крекинге нефтепродуктов). Так что же такое крекинг нефтепродуктов? Ответ на этот вопрос нам даст 3 группа.

II.4. Защита проекта «Крекинг нефтепродуктов»

Термический крекинг. Для получения высококачественных нефтепродуктов фракции нефти подвергают вторичной переработке, так как при прямой перегонке получается только 15-20% бензина, остальное - высококипящие продукты. Их высокая температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов представляют собой слишком длинные цепи. Процесс расщепления углеводородов нефти на более летучие вещества называется крекингом (англ. to crack - колоть, расщеплять). Крекинг даёт возможность значительно повысить выход бензина из нефти. Впервые крекинг-процесс в России предложил в конце 19 века инженер Владимир Григорьевич Шухов.

Сущность крекинга заключается в том, что при нагревании происходит расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие, в том числе на молекулы, входящие в состав бензина. Обычно расщепление происходит примерно в центре углеродной цепи по С-С-связи, например:

С₁₆Н₃₄ > С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆

гексадекан октан октен

Однако разрыву могут подвергаться и другие С-С-связи. Поэтому при крекинге образуется сложная смесь жидких алканов и алкенов.

Получившиеся вещества частично могут разлагаться далее, например:

С₈Н₁₈ > С₄Н₁₀ + С₄Н₈

октан бутан бутен

С₄Н₁₀ > С₂Н₆ + С₂Н₆

бутан этан этилен

Такой процесс, осуществляемый при температуре около 470°С -550°С и небольшом давлении, называется термическим крекингом. Этому процессу обычно подвергаются высококипящие нефтяные фракции, например мазут. Бензин, получаемый термическим крекингом, невысокого качества, не стоек при хранении, он легко окисляется, что обусловлено наличием в нём непредельных углеводородов.

Более перспективен каталитический крекинг.

Этот процесс был впервые осуществлён в 1918 году Н.Д. Зелинским. Его проводят в присутствии катализатора (алюмосиликатов: смеси оксида алюминия и оксида кремния) при температуре 450-500°С и атмосферном давлении. Обычно каталитическому крекингу подвергают дизельную фракцию. При каталитическом крекинге, который осуществляется с большой скоростью, получается бензин более высокого качества, чем при термическом крекинге. Это связано с тем, что наряду с реакциями расщепления происходят реакции изомеризации алканов нормального строения.

Кроме того, образуется небольшой процент ароматических углеводородов, улучшающих качество бензина.

Бензин каталитического крекинга более устойчив при хранении, так как в его состав входит значительно меньше непредельных углеводородов по сравнению с бензином термического крекинга.

Таким образом, высокое качество бензина, получаемого каталитическим крекингом, обеспечивается наличием в его составе разветвленного строения углеводородов и ароматических углеводородов.

II.5. Защита проекта «Бензин: состав и октановое число. Детонация»

Бензин - основное топливо для двигателей внутреннего сгорания. От его качества зависит работа двигателя, его долговечность, скорость передвижения. Давайте посмотрим, как работает автомобильный двигатель.

Смесь паров бензина с воздухом засасывается в цилиндр и сжимается поршнем.

Сжатая смесь поджигается электрической искрой от запальной «свечи». Углеводороды, входящие в состав смеси, сгорают с образованием оксида углерода (IV) и воды, а также оксида углерода (II). Образующиеся газы двигают поршень, совершая работу. Чем сильнее сжимается смесь паров бензина и воздуха, тем больше мощность двигателя. Однако смеси некоторых углеводородов, входящих в состав бензина, сгорают со взрывом еще до достижения максимального сжатия. И происходит это не от электрической искры, а от высокой температуры в цилиндре. При этом взрывная волна стихийно распределяется в сжатом пространстве цилиндра. Она с огромной скоростью ударяет о поршень, о чем свидетельствует характерный стук в двигателе. Такое взрывное сгорание, называемое детонацией, приводит к преждевременному износу двигателя.

Было установлено, что детонацию в основном вызывают углеводороды нормального (неразветвленного) строения. В то же время углеводороды с разветвленной углеродной цепью, а также непредельные и особенно ароматические углеводороды допускают значительное сжатие паров бензина с воздухом.

Для характеристики качества бензина разработана октановая шкала. Каждый вид автомобильного топлива характеризуется октановым числом. За ноль принята способность к детонации у н-гептана, который детонирует очень легко. Октановое число относительно устойчивого к детонации 2,2,4 - триметилпентана, чаще называемого изооктаном, принято за 100.

По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства, как смесь 92% (по объёму) изооктана и 8% гептана. Именно октановое число указывают в маркировке бензина. Чем выше октановое число, тем мощнее может быть двигатель.

Октановое число бензиновой фракции, получаемой непосредственно перегонкой нефти, не превышает 65-70, такой бензин не подходит для современных двигателей. Бензин с более высоким октановым числом получается при крекинге. В зависимости от типа крекинга бензин имеет октановое число 70-80. Качество бензина можно улучшить также риформингом. Риформинг - это процесс ароматизации бензинов, осуществляемый путём нагревания их в присутствии платинового катализатора. Более дешёвый и лёгкий путь увеличения октанового числа состоит в добавлении к бензину некоторых веществ, изменяющих характер горения топлива. Так, детонационную стойкость бензина увеличивают небольшие количества тетраэтилсвинца Pb(C₂H₅)₄.

Такой бензин называют этилированным. Однако при его использовании в окружающую среду из выхлопных газов попадают чрезвычайно вредные для неё и здоровья человека соединения свинца. Чтобы отличить этилированный бензин от обычного, его окрашивают в красновато-фиолетовый цвет. Во многих странах и большинстве городов России использование этилированного бензина запрещено.

В настоящее время в мире широко распространены антидетонационные кислородсодержащие добавки к моторному топливу, такие, например, как метанол, этанол и другие. При сгорании топлива с этими добавками в выхлопных газах не появляется никаких дополнительных загрязнений. К сожалению, в России пока применение кислородсодержащих добавок распространено мало.

Об экологических проблемах, связанных с нефтью расскажет 5 группа.

II.6. Экологические проблемы, связанные с нефтью

Нефть нерастворима в воде и её плотность меньше, чем у воды, попадая в неё, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода.

Давайте проведём эксперимент, доказывающий эти рассуждения.

Порядок выполнения эксперимента:

Добавим небольшое количество нефти в стакан с водой. Жидкости не смешиваются. Мы наблюдаем нефтяную плёнку на поверхности воды.

Если нефть попала в водоём, то нефтяная пленка на поверхности воды нарушает обмен тепла, влаги и газов между водной средой и атмосферой, в результате нарушается биологическое равновесие. Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5-10 млн. т. Нефть и нефтепродукты попадают в океан не только при аварии судов, но и при разведке, добыче и сливе балластных вод танкерами. 1 л разлитой нефти загрязняет приблизительно около 40 тыс. л морской воды. Воздействие нефти на экосистемы проявляется по-разному, в зависимости от степени загрязнения. Это может быть:

Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.

Нарушение физиологической активности.

Прямое обволакивание нефтепродуктами живых организмов, отсутствие доступа кислорода. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.

Негативные изменения в среде обитания.

Слово учителя. Молодцы! Выступление, какой группы вам понравилось больше всего? Сделайте соответствующие отметки в листах оценки.

III. Подведение итогов урока

Нефть - главный товар в мире, от цены которого в немалой степени зависит «самочувствие» глобальной экономики. Нефть и продукты ее переработки - то, без чего сегодня человечество не проживет и дня. Мы рождаемся и живём в мире продуктов и вещей, полученных из нефти. Но сожалением приходится констатировать, что более 90% этого ценнейшего углеводородного сырья расходуется пока как топливо, только оставшиеся 10% тратятся на химическую переработку.

В заключение нашего урока я бы хотела, чтобы вы объяснили, почему Д.И. Менделеев говорил, что топить нефтью, это всё равно, что топить ассигнациями? (ученики высказывают свои предложения).

Менделееву приписывают не совсем то, что он имел в виду, - фраза, конечно, не имела отношения к важности развития нефтехимических производств. Эти слова сказаны в связи с сжиганием лёгкой бензиновой фракции. Но, к сожалению, по бережливости с углеводородным сырьём мы ушли не намного дальше. Достаточно вспомнить факелы попутных нефтяных газов в районах нефтедобычи и факелы над нефтеперерабатывающими заводами. Напрасно сжигая нефтепродукты, человечество приближает момент их исчерпания. По прогнозам, нефти в мире должно хватить на 40 лет. Кроме того, сжигание углеводородного сырья приводит к печальным экологическим последствиям: от смога на улицах городов до увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, которое, по мнению некоторых учёных, может привести к глобальному изменению климата на планете.

ЛИТЕРАТУРА

1. Широкова В. Вода. М.: Слово, 2001.

2. Ворошина Н. Колокола тревоги. Библиотека, 1994, №3.

3. Грешников А. Бьем по живой воде. Библиотека, 1997, №7.

4. Грешников А. Гибель вод. Новый мир, 1998, №1.

5. Золотарев Ю.Г. Здоровья хорошего вам. Новосибирск: Наука, М.: Сиб. отд-ние, 1993.

6. Гузей Л.С., Сорокин В.В., Суровцева Р.П. М.: Химия. 8 класс. Дрофа, 2003.

7. Гриценко Н.А. Вода - вещество №1 на планете Земля. Газета «Химия» (Первое сентября), 1999, №18.