Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

Битум делят по назначению следующим образом:

– строительный – применяется для выпуска других материалов, для гидроизоляции, изготовления мастик (маркируется БН);

– кровельный – идет на изготовление мягкой кровли (ондулин и подобная), мягкой черепицы (БНК);

– дорожный – используется для производства асфальтобетона (БНД);

– изоляционный – применяется для получения гидроизоляционных материалов типа стеклоизола, гидроизола, битумной мастики;

– специальный – предназначается для электротехнической продукции и лакокрасочного производства.

Издавна (с эпохи неолита) битум использовался для изготовления посуды, крепления полудрагоценных камней при создании мозаики, в строительном деле – для изоляции редких пород дерева.

Природного битума на все современные нужды уже не хватает, поэтому люди создали его искусственный аналог. В строительстве он по-прежнему незаменим: из него делают фундаменты, прокладывают трубопроводы и возводят различные сооружения.

Без асфальтобетона (в основе которого лежит битум) у нас просто не было бы нормальных дорог. Их строительство и ремонт оставались бы очень сложными, дорогими, а сами дороги служили бы недолго.

Битум также широко используется в электротехнике для изоляции проводов, в точном литье, при производстве красок и лаков, а также в отделочных работах.

Несмотря на множество полезных свойств и широкое применение, битум имеет и свои недостатки:

– пересыхание с течением времени;

– загрязнение рабочих емкостей и инструментов, которые восстановить невозможно;

– хрупкость при снижении температуры и плавление при ее повышении, что вызывает деформации;

– резкий запах, усиливающийся при нагреве.

Таким образом, мы рассмотрели основные процессы термической переработки нефти, которые протекают без катализатора.

Рисунок 16. Производство битума окислительным способом (битум – 1, 2, 3 разные марки).

В современной нефтепереработке, безусловно, предпочтение отдается каталитическим процессам. На это есть ряд причин: они увеличивают выход продуктов, улучшают их качество, снижают потери, а некоторые реакции вообще невозможны без катализатора.

Тем не менее именно термические процессы без катализатора стали одними из первых в глубокой переработке нефти и до сих пор сохраняют свое значение.

Глава 6. Термокаталитические процессы

Теперь перейдем к более сложным и дорогостоящим процессам переработки нефти, а именно к каталитическим процессам, в ходе которых происходит реакция в присутствии катализатора. Катализатор – вещество, ускоряющее или делающее возможным протекание реакции за счет снижения энергии активации, т. е. образуется промежуточное вещество, с которым реакция и происходит. Его антипод – это ингибитор. Суть его действия противоположна. В нефтехимии используют ингибиторы коррозии, коксообразования, разложения и т. д. Изменение энергии активации в ходе каталитического цикла, т. е. при взаимодействии веществ в присутствии катализатора, показано на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1. Схема каталитического цикла в реакции

Рисунок 2. График изменения энергии активации (Е) в ходе реакции с катализатором

Катализ – это многостадийный физико-химический процесс избирательного изменения механизма и скорости химических реакций под действием вещества-катализатора. Катализатор образует с участниками реакций промежуточные химические соединения. Различают положительный катализ (ускорение химической реакции) и отрицательный катализ (замедление химического превращения). Катализатор не расходуется в ходе катализа и не входит в стехиометрическое уравнение суммарной реакции, вследствие чего его присутствие не влияет на термодинамическое равновесие химических реакций.

История применения катализаторов, как и история самой науки о катализе, берет начало во времена алхимиков. Первое задокументированное использование катализатора относится к получению эфиров из спиртов в присутствии «купоросного масла» (серной кислоты). Однако о зарождении новой науки тогда речь еще не шла. Показательным также стал опыт, проведенный в XVII веке немецким химиком И. И. Бехером, в котором катализатором реакции выступил сам сосуд. Спирт, проходящий через глиняный сосуд, образовывал «маслородный газ» (этилен), затем вступал в реакцию с серной кислотой, и получались олигомеры этилена. Карл Шееле считается первооткрывателем реакции этерификации, в результате которой образуются эфиры. Ученый наблюдал образование «фруктовой эссенции» (устаревшее название этилацетата) при прохождении спирта и уксуса через горячую глиняную трубку и описал этот процесс в труде «Исследования и заметки об эфире» в 1782 году. Также он доказал, что эфиры образуются в результате реакции органических кислот со спиртом в присутствии концентрированных неорганических кислот.

Но самые серьезные открытия в этой области произошли уже в XX веке:

– 20-е годы – окисление SO2 на V2O5—Al2O3 – замена Pt – прорыв в каталитической химической технологии;

– 1918 год – синтез аммиака (Габер, Бош, Митташ) – 720–820 К; 30–70 МПа; Fe, K, Al; азотная промышленность;

– 1923 год – синтез метанола на Cr-катализаторах при 700 К (Пихлер);

– 50-е годы – риформинг – синтез высокооктановой ароматики на Pt;

– 50-е годы – синтез водорода на Fe-катализаторах паровой конверсией CO при 670 К – синтезы на основе водорода: синтез метанола, синтез Фишера – Тропша, гидропроцессы;

– 50-е годы – синтез водорода на Cu-катализаторах паровой конверсией CO при 450 К.

Итак, можно определить два главных свойства катализатора и представить классификацию каталитических процессов. Катализатор не используется в ходе реакции – главное отличие от инициатора реакции; катализатор может меняться, но не вносит изменения свободной энергии в реакции. Каталитические реакции могут быть: гетерогенными – когда каталитическая система включает несколько фаз, реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах; гомогенными – когда в каталитических процессах реагирующие вещества и катализатор образуют одну фазу; коллоидными – когда реагирующие вещества находятся в растворе, а катализатором являются большие разноатомные молекулы.

Каталитические процессы в нефтепереработке относятся к разновидности термических процессов, рассмотреных выше, однако имеют ряд существенных отличий. Основные виды катализаторов, применяемых в этих процессах, представлены в таблице:

Основные виды этих процессов представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Основные виды термокаталитических процессов в нефтяной промышленности

Прежде чем перейти к рассмотрению каталитических реакций, следует остановиться на нескольких ключевых понятиях химии.

Первое из них – конверсия. Этот показатель характеризует, какая часть исходного вещества вступила в реакцию. Второе понятие – селективность. Она определяет, какая доля прореагировавшего вещества превратилась в целевой продукт. Произведение этих двух показателей дает выход реакции. Важно также различать селективность как свойство катализатора. Это способность вещества ускорять только одну из нескольких возможных реакций, протекающих в данных условиях.

Понятия конверсии и селективности можно наглядно проиллюстрировать на примере профориентационной экскурсии на фабрику. Допустим, есть 30 человек, но из них согласились посетить мероприятие только 25 – это будет конверсия. Из 25 человек согласились работать на фабрике только 10 человек – это уже