Бензин получают, разделяя сырую нефть на фракции нагревом в ректификационной колонне, а затем расщепляя тяжёлые остатки крекингом и повышая октановое число риформингом и присадками.
Из одного барреля сырой нефти получается лишь пятая-шестая часть бензина, если ограничиться простым нагревом. Всё остальное — газойль, мазут, битум. Чтобы понять, как получают бензин из нефти в промышленных объёмах, нужно разобрать три процесса: перегонку, крекинг и облагораживание. Каждый решает свою задачу, и без второго и третьего заправка была бы дефицитом.
Базовые принципы как получают бензин из нефти
Вся переработка держится на нескольких физико-химических правилах. Понять их — значит понять весь завод.
Принцип 1: разные углеводороды кипят при разной температуре. Нефть — это смесь молекул длиной от одного до нескольких десятков атомов углерода. Короткие молекулы (газ, бензин) кипят при низкой температуре, длинные (мазут, гудрон) — при высокой. Это и есть основа разделения.
Принцип 2: длину молекулы можно менять. Тяжёлую молекулу из 20 атомов углерода можно разорвать на две лёгкие бензиновые. Именно поэтому выход бензина не ограничен природным составом нефти — его наращивают искусственно.
Принцип 3: форма молекулы важнее её размера для качества топлива. Бензин с прямыми цепочками детонирует в цилиндре раньше времени. Разветвлённые и кольцевые молекулы горят ровно. Перестройка формы — отдельный процесс.
Вот как эти принципы распределяются по стадиям
| Стадия | Что делает | На каком принципе основана |
|---|---|---|
| Фракционная перегонка | Делит нефть на фракции по температуре кипения | Принцип 1 |
| Крекинг | Дробит тяжёлые молекулы на лёгкие | Принцип 2 |
| Риформинг | Меняет форму молекул, поднимает октан | Принцип 3 |
| Смешение | Собирает товарный бензин из компонентов | Все три |
Запомните эту таблицу — дальше я разберу каждую строку отдельно.
Читайте также
- Что такое озоновый слой Земли и почему без него жизнь невозможна
- Почему небо голубого цвета: физика рассеяния света простыми словами
Как принципы работают на практике
На заводе всё начинается с печи. Сырую нефть нагревают примерно до 350–370 °C — выше нельзя, углеводороды начнут разлагаться сами. Горячая смесь паров и жидкости попадает в ректификационную колонну высотой с десятиэтажный дом.
Внутри колонны — десятки тарелок с отверстиями. Пары поднимаются вверх и постепенно остывают. Каждая фракция конденсируется на своём уровне: чем легче углеводород, тем выше он поднимается прежде, чем стать жидкостью. Наверху собираются газы и бензиновая фракция, в середине — керосин и дизель, внизу — мазут.
Первичная перегонка даёт так называемый прямогонный бензин. Его мало, и октановое число у него низкое — около 60–70. Ездить на нём современный двигатель не сможет. Поэтому перегонка — только начало.
Фракционная перегонка нефти: первое разделение
Фракционная перегонка нефти — сердце любого нефтеперерабатывающего завода. По данным Управления энергетической информации США (EIA), именно на ней сырьё впервые распадается на товарные группы.
Что выходит из колонны сверху вниз
- Нефтяной газ — метан, пропан, бутан. Кипят ниже 40 °C.
- Бензиновая фракция — молекулы C5–C10, диапазон кипения примерно 40–200 °C.
- Керосин — C10–C16, топливо для авиации.
- Дизельная фракция (газойль) — C14–C20.
- Мазут и гудрон — остаток, кипящий выше 350 °C.
Тяжёлый остаток не выбрасывают. Его отправляют на вакуумную перегонку, где при пониженном давлении удаётся испарить ещё часть ценных фракций без перегрева. Всё, что тяжелее, пойдёт на крекинг.
Прямая перегонка даёт всего 15–20% бензина от объёма нефти. Если бы отрасль на этом остановилась, топлива хватало бы едва ли на треть заправок. Дальше начинается настоящая химия.
Крекинг нефти: как удваивают выход бензина
Крекинг нефти — процесс, который превратил нефтепереработку из простой перегонки в промышленность. Идея проста: взять тяжёлую молекулу газойля из 16–20 атомов углерода и разорвать её на две-три коротких бензиновых.
Есть два основных способа.
Каталитический крекинг. Тяжёлое сырьё нагревают до 500–540 °C и пропускают через катализатор — обычно алюмосиликат в виде мельчайшего порошка. Катализатор ускоряет разрыв связей и направляет реакцию к нужным продуктам. Это главный источник бензина на современном заводе. Установка каталитического крекинга (в англоязычной литературе FCC) даёт основную прибавку к выходу.
Гидрокрекинг. То же расщепление, но в присутствии водорода и под высоким давлением. Водород насыщает разорванные молекулы, убирает серу и азот. Продукт получается чище, подходит и для бензина, и для качественного дизеля.
Разница между заводами — именно в глубине крекинга. Курс Университета штата Пенсильвания приводит цифру: за счёт крекинга общий выход бензина из нефти поднимают примерно вдвое по сравнению с одной лишь перегонкой. Отсюда и разброс — от 20% до 70–80% в пересчёте на баррель.
Мой любимый факт об этой стадии: катализатор в FCC циркулирует непрерывно, покрывается коксом, тут же выжигается в регенераторе и возвращается в работу. Установка не останавливается годами.
Риформинг и октановое число: почему бензин не детонирует
Даже после крекинга бензиновые компоненты часто имеют низкое октановое число. Тут в дело вступает риформинг.
Октановое число — мера устойчивости топлива к детонации, то есть к неконтролируемому самовоспламенению от сжатия. Чем цифра выше, тем сильнее топливо можно сжать в цилиндре без взрыва раньше искры. Детонация («стук пальцев») бьёт по мотору и снижает мощность.
Каталитический риформинг перестраивает прямые молекулы в разветвлённые и ароматические кольца. Форма меняется, размер почти нет, а октановое число прыгает с 60 до 90–100. Побочный продукт — водород, который тут же уходит на гидрокрекинг. Красиво замкнуто.
Что ещё влияет на октановое число готового топлива
- Изомеризация — превращает линейные лёгкие углеводороды в разветвлённые.
- Алкилирование — собирает из газов крекинга высокооктановые компоненты.
- Присадки — кислородсодержащие добавки и антидетонаторы в малых дозах.
Раньше октан поднимали тетраэтилсвинцом. Его запретили из-за токсичности выхлопа, и отрасль перешла на риформинг и кислородные присадки. Это тот случай, когда экология и химия договорились.
Смешение: сборка товарного бензина
Из колонны, крекинга и риформинга выходят не готовый бензин, а компоненты. Финальная стадия — смешение (блендинг). Оператор соединяет прямогонную фракцию, продукт крекинга, риформат и присадки в пропорциях, которые дают нужную марку.
По описанию процесса от EIA, именно смешение обеспечивает стабильные характеристики топлива от партии к партии. Зимний и летний бензин, например, отличаются по летучести: зимой добавляют больше лёгких компонентов, чтобы двигатель заводился на морозе.
Готовое топливо проверяют по десяткам параметров: октановое число, давление насыщенных паров, содержание серы, фракционный состав. Только после лаборатории бензин отправляют в резервуары и на автозаправки.
Так замыкается путь от скважины до бака. Нефть, поднятая из пласта, проходит нагрев, разделение, расщепление, перестройку молекул и смешение — и только потом попадает в топливный бак. Понимание того, как получают бензин из нефти, помогает не удивляться разнице между 92-м и 98-м: за цифрой стоят разные доли риформата и присадок.
Что запомнить
- Как получают бензин из нефти: нагрев и разделение в колонне, затем крекинг тяжёлых фракций и облагораживание риформингом.
- Одна перегонка даёт мало. Прямогонный бензин — это 15–20% барреля с низким октаном, ездить на нём нельзя.
- Крекинг удваивает выход. Расщепление тяжёлых молекул на катализаторе — главный источник бензина на современном заводе.
- Октановое число зависит от формы молекул. Разветвлённые и ароматические углеводороды горят ровно, риформинг поднимает октан с 60 до 90–100.
- Готовый бензин — это смесь. Товарное топливо собирают блендингом из нескольких компонентов и присадок под конкретную марку и сезон.
- Из барреля выходит 70–85 литров бензина при глубокой переработке — зависит от сорта нефти и числа установок крекинга.
Частые вопросы о том, как получают бензин из нефти
Почему нельзя просто нагреть нефть и слить бензин?
Так и делали на заре отрасли, но выход получался мизерный — около 15–20% и с октановым числом ниже 70. Такое топливо детонирует в современном двигателе. Чтобы получить достаточно бензина нужного качества, обязательны крекинг и риформинг после перегонки.
Чем каталитический крекинг отличается от гидрокрекинга?
Каталитический крекинг расщепляет тяжёлое сырьё на горячем катализаторе без водорода и даёт максимум бензина. Гидрокрекинг идёт под давлением водорода, продукт получается чище и с меньшим содержанием серы. Заводы обычно используют оба процесса под разные задачи.
Что физически означает цифра на заправке — 95 или 98?
Это октановое число: устойчивость топлива к детонации при сжатии. Его определяют сравнением с эталонной смесью изооктана и гептана. Двигатели с высокой степенью сжатия требуют более высокого октана, иначе топливо самовоспламеняется раньше искры и мотор стучит.
Источники:
- Refining crude oil - inputs and outputs (U.S. EIA)
- Refining crude oil - the refining process (U.S. EIA)
- 2.2 Refining of Petroleum into Fuels — EGEE 439, Penn State University
