Разделение газовых смесей холодом


На нефтеперерабатывающих заводах есть установки для разделения газовых смесей. Тут на помощь приходит холод.

Если смесь газов сжать под давлением в несколько атмосфер и вдобавок охладить до —40°, то газообразные углеводороды, в молекуле которых больше двух атомов углерода, превратятся в жидкость. В газовой смеси останутся только метан, этан и этилен. А если эти газы охладить до —100°, то этилен и этан тоже превращаются в жидкость. Газообразным остается только один метан.

Но жидкий этилен кипит при —104°, а этан при —88°. А если давление увеличить до 10 атм, то этилен будет кипеть уже при —56°, а этан при —33°. Поэтому смесь жидких газов подогревают. Вначале из нее выкипает этилен, а этан остается.

Установки для разделения газов методом охлаждения — это целые фабрики холода. Они состоят из нескольких колонн, внутри которых царят низкие температуры. В первой колонне из газовой смеси конденсируют все тяжелые углеводороды, а во второй превращаются в жидкость этилен и этан. Эту смесь жидких газов подают в испарительную колонну, где этилен и этан отделяют друг от друга.

Для разделения смеси газов применяют также вещества, которые хорошо поглощают отдельные углеводороды. Например, если газовую смесь ввести в нижнюю часть колонны, а сверху подавать активированный уголь, то он поглотит часть углеводородов.

Вот что получают из ацетилена.
Вот что получают из ацетилена

Этилен очень широко используется в химической промышленности. Из него получают этиловый спирт, который идет на изготовление каучука и многих других продуктов.

Из этилена делают очень нужный для промышленности вид пластмассы — полиэтилен. Из бензола и окиси этилена получают, в частности, масло, которое имеет запах розы и идет на производство духов и одеколона.

Но в газах, полученных при крекинге, содержится сравнительно мало этилена, и его не хватает. Нельзя ли получить его из других углеводородов? Тут на помощь опять приходит крекинг. Если подвергнуть крекингу этан, то из каждых 100 м³ его можно получить свыше 70 м³ этилена. Для получения этилового спирта этилен сжимают до 70 атм и смешивают с водой. Затем при 300° эту смесь в виде паров пропускают через реактор с катализатором — фосфорной кислотой. Получившиеся продукты реакции направляют в колонну, разделяют и получают этиловый спирт.

При крекинге углеводородов молекулы обычно расщепляются. Но иногда происходит и обратное явление: молекулы соединяются между собой, образуя молекулы-гиганты. Как говорят химики, происходит полимеризация углеводородов.

Так, если тот же этилен сжать до 1000 атм и нагреть до 200°, то его молекулы соединятся и после охлаждения получится твердое вещество — полиэтилен. Это пластмасса, широко применяемая в промышленности и быту. Однако при производстве полиэтилена можно обойтись без применения таких огромных давлений. Катализатор позволяет получить полиэтилен при давлении не выше 100 атм. К тому же он будет значительно лучшего качества.

Путем крекинга легких углеводородов при 1300° можно получить другой не менее важный для химии продукт — ацетилен. Это газ, который применяют для сварки металлов. Но, кроме того, из него получают искусственный шелк, пластмассу, кинопленку, синтетический каучук и множество других продуктов.

В газах крекинга и перегонки нефти содержится много метана. Достаточно его окислить, и вместе с его окислением происходит образование ацетилена. Для этого кислород и метан подогревают до 500° и смешивают. Затем смесь поступает в реактор. Там она сгорает. Газы, которые при этом образуются, охлаждаются водой. А потом в колонне из них отделяют ацетилен.

Из газов крекинга получают, кроме того, различные добавки к бензинам — присадки для улучшения их качества.

Ведь продукты перегонки нефти — бензиновая, керосиновая и другие фракции — это еще не моторное топливо. Их сначала очищают от вредных примесей — парафина, кислот, сернистых соединений. Затем из них готовят моторные топлива.

Нефти, которые добывают в разных районах нашей страны, отличаются друг от друга по своему составу. Так, в нефтях второго Баку содержится много сернистых соединений. А в некоторых кавказских нефтях много ароматических углеводородов. И продукты перегонки и крекинга разных нефтей — бензиновая, керосиновая и остальные фракции — тоже отличаются. Поэтому авиационные и автомобильные бензины, топливо для реактивных самолетов и тракторов, а также смазочные масла получают смешиванием разных фракций.

Вполне возможно, что в недалеком будущем «атомный крекинг» перестанет быть фантазией.
Вполне возможно, что в недалеком будущем «атомный крекинг» перестанет быть фантазией.

К авиационным и автомобильным бензинам добавляют и другие присадки, улучшающие их качество. Смешивая керосино-газойлевые и соляровые фракции, получают дизельное топливо. А для реактивных самолетов топливом служит тщательно очищенный керосин, смешанный с различными присадками.

В нефти, добываемой на промыслах, растворен так называемый «попутный газ». Он содержит много ценных газообразных углеводородов — пропан, бутан, гхентан, изопентан и др. Еще не так давно этот газ сжигали в факелах, и миллиарды кубометров ценного химического сырья пропадали.

Сейчас для отделения попутного газа от нефти строят специальные устройства — трапы и установки для стабилизации, а для его переработки — газобензиновые заводы. Нефть из скважины поступает в цилиндрический сосуд-трап, где от нее отделяется часть попутного газа. Затем нефть подогревают до 120-150° и под давлением 6-8 атм подают в колонну-стабилизатор. Там из нефти испаряются все газообразные углеводороды и наиболее легкие фракции. После этого газы перекачивают компрессорами по трубопроводам на газобензиновый завод, где из них вырабатывают сжиженный газ и газовый бензин. Полученные из попутного газа пропан и бутан используют при производстве многих синтетических продуктов, а пентан и изопентан — при производстве изопренового каучука, по своим качествам неуступающего натуральному.

В переработке нефти достигнуты большие успехи, но есть еще много загадок. Нефть состоит из очень большого количества самых разнообразных углеводородов, однако до сих пор найдены способы выделения сравнительно небольшого их числа. Большие перспективы для переработки нефти имеет применение атомной энергии. Ученые обнаружили, что при воздействии на углеводороды радиоактивных излучений многие химические реакции проходят более быстро. Радиоактивные излучения в настоящее время начинают применять при получении пластмасс, в частности полиэтилена, а также для получения из бензола ценного продукта — фенола.

Еще большее значение имеет радиоактивное излучение в процессах переработки нефти. Исследованиями установлено, что это излучение способно сообщать молекулам углеводородов большое количество энергии. Ведь в настоящее время при крекинге для этой цели применяют высокие температуры, большие давления и катализаторы. Вполне возможно, что в самом недалеком будущем, применяя радиоактивное излучение (главным образом, гамма-излучение), можно будет осуществить переработку нефти при низких температурах и давлениях, без катализаторов, и «атомный крекинг» перестанет быть фантазией.

За работой крекинг-установок и установок для перегонки нефти на нефтеперерабатывающих заводах следит много точных приборов. Они измеряют температуру и давление в различных частях установок, уровень продуктов в колоннах, количество и объем жидкости и паров, поступающих в установки для переработки. Все эти данные передаются по проводам на контрольный щит в операторской. Оператор по показаниям этих приборов устанавливает нужный режим работы.

На современных нефтеперерабатывающих заводах установлены автоматы, которые регулируют и поддерживают заданные давления, температуры и уровень жидкости в колоннах. Большие перспективы в деле полной автоматизации процессов переработки нефти имеет применение электронно-счетных машин. Такая машина на основании показаний приборов, измеряющих температуру, давление и другие параметры, может сама определить наиболее выгодный режим работы установки, рассчитать требуемые температуры подогрева продуктов и необходимые давления и поддерживать нужный режим.

Современный нефтеперерабатывающий завод — это большой и сложный комплекс различных установок. Как правило, на каждом таком заводе производится полная переработка нефти, включая подготовку ее к переработке, перегонку, получение смазочных масел, каталитический и термический крекинги и очистку продуктов переработки. Все получаемые при переработке нефти химические продукты, о которых мы вам рассказали, по специальным трубопроводам перекачиваются на химические заводы, где из них вырабатывают пластмассы, синтетические волокна и др.