"Черное золото"-нефть

"Черное золото"-нефть

Ни коксохимия, ни лесохимия, ни другие менее крупные источники органических веществ, не смогли, однако, удовлетворить все возрастаю­щую потребность человечества в органических веществах. Начиная с 20-х годов нашего века на первое место среди источников химического сырья вышли нефть и природные газы.

Нефть — это смесь углеводородов с самыми разнообразными цепочками атомов углерода.

Встречаются и короткие цепи, и длинные, и нормальные, и разветвленные, и замкнутые в кольца, и многокольчатые. Кроме углеводо­родов, в нефти содержатся в небольшом количе­стве кислородные и сернистые соединения и сов­сем немного азотистых. Впрочем, нефть Второго Баку содержит много сернистых соединений.

Нефть возникла на Земле в прошлые геоло­гические эпохи в результате разложения гран­диозных скоплений растительных и животных остатков, особенно морского планктона. В ходе геологических процессов нефть видоизменялась, перемещалась из одних слоев в другие и, нако­нец, образовала известные нам крупные место­рождения: на Кавказе, в Поволжье и Приуралье, в Иране, Месопотамии и Ираке, в Калифорнии и в Техасе, в Венесуэле, в Сахаре и в других районах земного шара.

Очень интересна история добычи и перера­ботки нефти. Как и многие другие источники органических веществ, она была известна многим древним народам. Раскопки на берегах Евфрата установили, что за 6000—4000 лет до нашей эры нефть применяли как топливо. Есть сведения, что у нас на Кавказе нефть использовалась 2000 лет тому назад. Арабский историк Истархи, живший в VIII в., свидетельствует, что с древних времен бакинцы вместо дров жгли землю, пропитанную нефтью. Нефть издавна вы­возилась из Баку в качестве осветительного материала.

Промышленная добыча нефти началась, однако, гораздо позже — только с середины XIX в., когда стали применять бурение сква­жин. В те времена нефть перерабатывалась в основном на осветительные (керосин) и смазоч­ные масла. Потом ее стали употреблять как топливо для паровых котлов, главным образом пароходных и позже паровозных (мазут). С по­явлением двигателей внутреннего сгорания, изобретенных Дизелем, продукты перегонки нефти — керосин и соляровые масла (а для тихоходных двигателей также и более тяже­лые масла) — нашли широкое применение в ка­честве дизельного топлива. Все это вызвало быстрое развитие добычи и переработки нефти. Наиболее простой метод переработки нефти — прямая гонка. Этот метод заключается в перегонке нефти при нагревании в закрытых котлах или трубчатках с отводными трубами, соединенными с холодильниками. Сначала отго­няются наиболее легкокипящие погоны (бен­зины, лигроин), потом более тяжелый керо­син. Бензины состоят из углеводородов с пятью — десятью атомами углерода в молекуле, а керосиновые погоны — из углеводородов с десятью — пятнадцатью атомами углерода. Остаток от перегонки — мазут — густая чер­ная жидкость. Он употребляется как топли­во или подвергается новой перегонке, чтобы выделить смазочные масла: легкие — соля­ровые, более тяжелые — веретенные и машин­ные и, наконец, тяжелые — цилиндровые.

В начале нашего века произошли коренные изменения в нефтепереработке. Быстрое рас­пространение карбюраторных бензиновых дви­гателей внутреннего сгорания с искровым зажи­ганием для автомобилей (а позже в авиации) потребовало очень много бензина. Это привело прежде всего к усовершенствованию нефтедобы­чи, так как при старом открытом способе много легкокипящих фракций испарялось на воздухе. Однако этого было недостаточно. При прямой гонке получалось сравнительно мало бензино­вых фракций, и они не могли удовлетворить все возрастающий спрос. Особенно остро почувст­вовалась нехватка бензина в годы первой миро­вой войны. Тогда в промышленность был введен крекинг-процесс — разложение углеводородов нефти под влиянием высокой температуры. При нагреве до 500—600° углеводородные цепочки разрываются и образуются осколки с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Промыш­ленное освоение крекинг-процесса сразу повы­сило ресурсы бензина. Однако не во всех случаях качество бензинов термического крекинга было удовлетворительным. Особенно оно не удовлет­воряло авиацию.

Русский химик Н. Д. Зелинский предложил усовершенствовать крекинг с помощью ускори­телей процесса — катализаторов. Он применил в качестве катализатора хлористый алюминий. Еще лучшие результаты дало применение алюмосиликатного катализатора, предложенного французскими инженерами. Этот процесс давал высококачественный бензин, пригодный для авиационных двигателей.

Однако жизнь шла вперед. От бензиновых двигателей внутреннего сгорания требовалась все большая быстроходность, все большая мощ­ность при все уменьшающихся размерах и весе, приходящихся на единицу мощности. Этого уда­лось достичь, повышая степень сжатия топлива в цилиндрах двигателя. Однако здесь появился предел, связанный с детонацией топлива. В момент сильного и быстрого сжатия паровоз­душная смесь преждевременно взрывалась, и это приводило к стуку в двигателе и потере мощно­сти. Борьба с детонацией стала на долгий период главной задачей улучшения методов нефтепереработки. Оказалось, что различные углеводо­роды, содержащиеся в бензинах, детонируют с различной легкостью. Хуже всего в этом от­ношении оказались углеводороды с нормальной цепочкой атомов углерода. Углеводороды с сильно разветвленными цепочками атомов, а также ароматические детонировали труднее.

Способность бензинов противостоять детона­ции характеризуют так называемым окта­новым числом: чем оно выше, тем лучше. Значит, и нефть нужно перерабатывать так, чтобы получать бензины с возможно большими октановыми числами. В этом отношении ката­литический крекинг гораздо лучше простого термического. Появились новые процессы нефте­переработки — «риформинг», «платформинг». Особое значение в них получили реакции арома­тизации нефтяных углеводородов, открытые и разработанные советскими химиками. Промыш­ленность стала даже на путь синтеза углеводо­родов с разветвленной цепью (изооктана и триптана), чтобы их прибавлять к бен­зинам и повышать таким образом антидето­национные свойства. Особенного успеха удалось достичь в применении специальных добавок к топливу — так называемых антидето­наторов. Добавленные в небольшом коли­честве к бензину, они значительно повышают его октановое число. Это тетраэтилсвинец (со­кращенно ТЭС). Этилированный бензин с этим антидетонатором очень ядовит. Будьте всегда осторожны с этилированным бензином: не обливайте им рук, не засасывайте в рот через шланг при переливании. Немедленно сотрите, смойте попавший на вас этилированный бен­зин!

Теперь найден лучший антидетонатор, чем ТЭС. Это вещество со сложным названием — циклопентадиенилтрикарбонил марганца, или ЦТМ. Как видно из названия, это органическое веще­ство содержит марганец. Скоро появятся в гаражах «марганцевые» бензины.

Казалось, переработка нефти решила все проблемы, поставленные перед ней автомобиль­ными и авиационными конструкторами. Но жизнь опять пошла вперед. На смену двигате­лям внутреннего сгорания пришли реактивные и ракетные двигатели. Оказалось, что здесь не нужны высокие октановые числа. Наоборот, лучшее топливо — это углеводороды с прямыми малоразветвленными цепочками атомов угле­рода или кольчатые. Все наоборот! И совсем не бензиновые фракции, а керосиновые и соляро­вые. И снова поиск, снова открытия, снова из­менения нефтепереработки.

И это еще не все! До сих пор речь шла о при­менении нефтепродуктов в качестве топлива. Менялись типы двигателей: от паровых к дизе­лям, к бензиновым моторам, потом к реактив­ным двигателям. Но оставалось в принципе то, что от нефтяных углеводородов требовалась их теплотворная способность. Только тепло, обра­зующееся при сгорании топлива!

Для химика-органика сжигание нефтяных углеводородов — непростительное  расточительство. Ведь эти углеводороды так нужны для химического синтеза! Из них можно сделать так много ценных химических продуктов! И нефте­химический синтез выступил мощным конкурен­том транспорта в потреблении нефти. Прежде всего пошли в дело нефтяные газы, состоящие из углеводородов с маленькими цепочками атомов углерода — от одного до пяти. Из этилена СН₂=СН₂ можно делать этиловый спирт, а из него — синтетический каучук (СК). Из этилена же получается прекрасный широко известный полимер — полиэтилен. Из пропилена СН₃СН=СН₂ можно делать изопропиловый спирт и ацетон; пропилен нужен для производства фенола, наконец, из него можно делать полипро­пилен — полимер, дающий новый тип син­тетического волокна. А в последнее время на­учились из пропилена делать акрилонитрил (НАК) — сырье для производства син­тетической шерсти. Другие нефтяные газы тоже находят важное применение в нефтехимическом синтезе. Значит, нефтепереработку нужно вести иначе. Нужно получать как можно больше га­зов, особенно таких, молекулы которых содер­жат двойные связи между атомами углерода.

Между нефтью-топливом и нефтью — химиче­ским сырьем началась напряженная борьба.

Конечно, в настоящее и ближайшее время нефть будут использовать, главным образом, как топливо. Однако доля нефти, расходуемая на хи­мическую переработку, непрерывно возрастает.

А совсем недавно появился еще один возмож­ный потребитель нефти. Он пока еще «младенец», и ему много нефти не нужно. Но как знать? Это микробиологическая переработка нефти на ... белки. Нашлись бактерии, которые хорошо жи­вут на нефти, потребляя ее в пищу. Нефть ис­чезает, бактерии растут. Постепенно (и не так уж медленно) исчезает значительная часть нефти, и вместо нее образуется масса клеток бактерий. Это в основном белок. И по всем данным — хороший кормовой белок. Во что вы­растет этот «младенец»? Не изменит ли он снова баланс путей переработки нефти? Не изменит ли он структуру сельского хозяйства?

До сих пор шла речь о газах нефтепереработ­ки. Однако есть и природный газ, образующий громадные скопления в толще земли. Природ­ный газ в основном состоит из метана СН₄. Он добывается в громадных количествах и исполь­зуется в качестве горючего для промышленных и бытовых целей. Вместе с нефтяными газами, сопутствующими нефти, и газами нефтеперера­ботки природный газ является важным источни­ком для синтеза разнообразных органических веществ. Самым большим химическим потреби­телем газа является промышленность полимер­ных материалов (см. ст. «Полимеры»).