Нефть представляет собой смесь большого числа различных соединений углерода и водорода. Среди них есть и газообразные, и жидкие, и твердые. Но жидких значительно больше. Вот почему нефть — жидкость. А газообразные и твердые углеводороды находятся в ней в растворенном виде.
Углеводороды, находящиеся в нефти, неодинаковы по строению молекул. Так, молекула наиболее простого из них — метана — состоит из 1 атома углерода и 4 атомов водорода. А в молекуле более сложного углеводорода — гептана — уже 7 атомов углерода и 16 — водорода. Метан — газ, гептан — жидкий углеводород. А те углеводороды, в молекуле которых более 18 атомов углерода, — твердые вещества.
Чтобы использовать эти углеводороды, надо сначала выделить их из нефти. Цель первичной переработки нефти и заключается в том, чтобы выделить из нее различные фракции, т.е. группы углеводородов, имеющие примерно одинаковое количество атомов углерода в молекуле, и получить таким образом исходное сырье для изготовления различных пластмасс, резин и т.п. Но нефть — это также основной источник моторных топлив. Из нее получают и различные смазочные масла, которые применяют для смазки частей двигателей, станков и других механизмов. Без смазки не может работать ни одна машина.
Как же разделяют нефть на фракции? Было замечено, что если ее нагревать, то из нее сперва будут выделяться более «легкие» углеводороды, в молекуле которых меньше атомов углерода. А затем, по мере повышения температуры, выкипают более «тяжелые» — с большим числом атомов углерода в молекуле.
Схема действия трубчатой установки для перегонки нефти. Слева — трубчатая печь, из которой пары нефти и горячая жидкость поступают в ректификационную колонку. Наверху выделяются газ и более легкие фракции, внизу — мазут, который используется для отопления печи. Нефть в печь подается насосом из нефтехранилища.
Это различие в температурах кипения углеводородов и используют для их разделения. Пары углеводородов, выкипающие из нефти при различных температурах, охлаждают (конденсируют) и получают таким образом отдельные группы углеводородов с относительно близкими температурами кипения. Этот способ разделения нефти на фракции называется перегонкой. Он известен давно.
В России один из первых заводов для перегонки нефти был построен еще в 1823 г. на Кавказе братьями Дубиниными. В закрытом железном баке — перегонном кубе — нагревалась нефть. Пары ее отводились из куба по трубке, опущенной в бадью с холодной водой. Здесь они охлаждались, и полученная в результате этого жидкость сливалась по трубке в ведра.
С этого времени перегонные кубы в течение почти ста лет широко применялись для получения из нефти бензина, керосина и смазочных масел. Чтобы разделить нефть на большее число отдельных фракций, устраивались батареи из нескольких перегонных кубов.
Но перегонные кубы имели большой недостаток: они работали с перерывами. Ведь после выпаривания нефти требовалось время для заполнения куба свежей нефтью и ее подогрева. В наше время перегонку нефти производят на трубчатых установках непрерывного действия. В них для подогрева нефти применяют специальные мощные трубчатые печи.
Внутри такой печи уложено много труб. Общая длина их достигает 1-2 км. Насосы непрерывно прокачивают по ним нефть, которая постепенно нагревается. На выходе из последней трубы ее температура составляет уже свыше 300°. При этом часть углеводородов испаряется.
Смесь паров и жидких углеводородов поступает в высокую металлическую колонну, где их разделяют на фракции.
Для обогрева трубок в качестве топлива обычно используют один из продуктов перегонки нефти — мазут. По трубе его подают в топку, где распыляют на мелкие брызги, которые сгорают в виде факелов длиной до 4 м.
Колонна для разделения паров нефти называется ректификационной. Это сложное сооружение диаметром 3-4 м и высотой свыше 30 м — примерно с десятиэтажный дом. Внутри нее находится до 40 специальных устройств — тарелок.
Температура внизу колонны около 300°, а наверху 90-100°. Пары нефти подаются из трубчатой печи в нижнюю часть колонны и постепенно поднимаются наверх. Тяжелые углеводороды, которые кипят при температуре выше 300°, стекают в самый низ. Это и есть мазут.
Так как температура наверху колонны 90-100°, то сюда дойдут пары только тех углеводородов, которые кипят при температуре ниже 100°. А остальные превратятся по пути в жидкость — сконденсируются — и останутся на разных тарелках.
Тарелки в колонне по форме похожи на обычные тарелки. Но только на их дне есть много выступающих трубочек с крышечками — колпачками. Эти тарелки так и называют колпачковыми. Через такие трубочки и проходят поднимающиеся снизу пары углеводородов.
Как только тарелка заполнится, жидкость начинает стекать вниз, на следующую тарелку. Но ведь чем ниже, тем температура выше! И часть жидких углеводородов снова испаряется и поднимается вверх. Но чем выше, тем температура ниже. Часть паров опять конденсируется и стекает вниз.
Таким образом, в колонне все время движутся пары и жидкость: пары — вверх, а жидкость — вниз. Этим достигается более полное разделение углеводородов: на тарелках остаются только те, которые кипят при почти одинаковой температуре.
Теплообменник (в разрезе)
Так нефть разделяют на отдельные фракции. Их по трубкам отбирают с тарелок и охлаждают. С верха колонны получают бензин, чуть ниже — керосин, затем — соляр и газойль. В самом низу колонны остается мазут, который состоит из тяжелых углеводородов с температурой кипения выше 300°. Газообразные углеводороды отводят по трубе в самой верхней части колонны.
Трубчатая установка работает непрерывно: в печь все время подают насосом нефть, а из колонны отбирают полученные при перегонке продукты.
Кроме трубчатой печи и ректификационной колонны, в установке есть насосы для перекачивания нефти и продуктов перегонки, теплообменники для нагревания нефти и охлаждения горячих продуктов перегонки и много других приборов и аппаратов.
Теплообменник — это труба диаметром около 0,5 м и длиной в несколько метров. Внутри ее много трубок диаметром не больше пятикопеечной монеты. Через большую трубу прокачивают холодную нефть, а по маленьким — горячий продукт. Нефть нагревается, а продукт охлаждается.
На современных трубчатых установках холодную нефть пропускают через несколько теплообменников. Она нагревается почти до 100°, и после этого ее закачивают в трубчатую печь.
Так теплообменники позволяют сберечь много мазута. Ведь мазут не только топливо. Если его перегнать на трубчатой установке при более высоких температурах и под вакуумом, то из него можно получить много различных смазочных масел.
После такой перегонки остается тяжелый остаток — гудрон. Но его тоже не выбрасывают. Если гудрон нагреть и продувать воздухом, то он окислится кислородом воздуха и превратится в битум. А из него получают асфальт. Тонким слоем горячего битума покрывают водопроводные и газовые стальные трубы перед тем, как их опустить в траншею и засыпать землей. Битумом обмазывают фундаменты домов, чтобы предохранить их от влаги. Применяют его и при изготовлении граммофонных пластинок.