一般讲,石油的颜色从棕色到黑色都有,比如我国玉门原油是黑褐色,大庆原油是黑色的,四川盆地开采出来的原油是黄绿色,塔里木的石油比较复杂,有黑色的,也有淡黄色的。如果洞察石油内部,它是一个成员众多的丰富多彩的“大家庭”。
其实,石油内所含的元素种类并不多,按重量计算,碳元素占83%~87%,氢元素约为12%~24%,这两种元素合起来,可以达到石油总重量的99%。其余的是硫、氧、氮和微量的氯、磷、钾、钠、铁、镍等十几种元素。
虽然石油的主要化学成分很简单,但它是由上述元素构成的许多化合物的复杂混合物。人们迄今依然无法完全弄清楚石油内究竟含有多少种化合物。由碳元素与氢元素结合而成的化合物叫做碳氢化合物,是石油中最主要的有机化合物,简称为“烃”,它的含量可以占到石油的97%~99%。若按烃类物质的碳、氢原子结构划分,大体上可以分为四类:烷烃、环烷烃、芳香烃和不饱和烃,还有少量的含硫(如硫醇、硫醚、噻吩)、含氧(如环烷酸、苯酚)、含氮(如吡咯、吡啶)之类的化合物。
当石油“大家庭”所处的环境发生变化时(如温度、压力改变或加入其他的化学药品),这个“大家庭”中烃的成员就会发生变化。比如,小的烃分子会“手拉手”地聚集成大的烃分子,相反,大的烃分子会“分手”变成小的烃分子,同时也会形成原来石油中少见的烯、炔等烃分子。
由于烃类分子大小不同,它们的沸点也不同,分子越小的,沸点越低。含碳原子仅有1~4个的是小分子,它们呈气体状态,含有5~16个碳原子的是液体状态,含16个碳原子以上的是大分子,是固体。在石油这个“大家庭”中,充斥着大大小小的烃类分子。
既然石油“大家庭”是这么一种混合体,那么人们就可以用先进的现代化技术把其中的各类“成员”分离出来,变成成千上万种产品,目前有两大类方法。
第一类方法是把石油“大家庭”拆开(图53)。
图53 原油加工图
图54 石油产品温度范围我们知道,每一种物质都有自己的沸点,比如在一个大气压下,水是100℃,甲烷为-161℃,苯是80℃。一般石油的沸点在30~600℃左右。石油内烃类分子的沸点随碳数的增加而升高。例如,含有5个碳的烃(戊烷),只要加热到36℃就会沸腾;而含有12个碳的烃(称为十二烷)则需加热到216℃才可沸腾。这样,把石油加热后,就能按各类烃沸点的高低不同依次把它们蒸发出来,加工石油的炼油厂利用的就是这个原理(图54)。
石油产品温度范围注:表中所示沸点范围不是绝对的,在生产中常常根据具体情况和产品质量要求,会有一定的变动。
油 品 沸点(℃) 碳原子数 理想的组分车用汽油 79~200 C4—C11 芳香烃、异构烷烃车用煤油 200~300 C11—C16 烷烃、环烷烃航空煤油 60~280 150~280 C5—C15 C8—C15单侧链环烷烃、异构烷烃轻柴油 200~350 C11—C20 烷烃、环烷烃中质润滑油轻质润滑油400~470 300~420 C25—C35 C15—C26少环侧链烷烃类重质润滑油 >470 >C35在通常情况下,石油被加热到350℃时送入常压分馏塔,其中沸点较低的烃,立即被汽化上升,经过一层一层的塔盘直达塔顶。由于塔体的温度由下而上是逐渐降低的,所以,当石油蒸气自下而上经过塔盘时,不同的烃就按各自沸点的高低分别在不同温度的塔盘里凝结成液体。这样就使石油“大家庭”中烃的成员实现了第一次“分家”,人们即可获得不同的产品。塔底未能分解的是沸点高的重油(又叫蜡油)。
但是,人们从第一次“分家”中获得的产品数量十分有限。就中国的石油组分来说,一般可以获得25%~40%的直馏轻质油品和20%~30%的蜡油。也就是说,炼制100吨石油,只能获得25~40吨的轻质油品和20~30吨蜡油。剩下的渣油虽然可做燃油,但也是一种浪费(图55)。
图55 常减压蒸馏流程这就需要采用第二类方法:用裂化和精制的方法改造石油“大家庭”。主要方法有“热裂化”、“催化裂化”和“加氢催化”3种裂化方法,就是靠加热、加入催化剂和加入氢气使重油中的主要成分长链烃变成短链烃。这样就会使石油“大家庭”中增加许多低分子烃类的新成员,这不仅可以增加轻质油产量,而且是当今石油工业制取烯烃的重要途径(图56、图57)。
图56 催化裂化原理流程
图57 加氢裂化流程此外,人们还采用清除石油“大家庭”第一次“分家”后所得产物中有害成分(如硫化物)和对石油“大家庭”中的烃类有“分”有“合”的措施,获得大量而重要的化工原料和产品。比如利用化学上的聚合反应使许多短链烯烃连接起来,形成十分有用的高分子化合物等。
人们就是通过对石油“大家庭”的第一次分家和以后对石油“大家庭”的一系列改造、变更等方法,使石油真正变成了工农业、国防建设和人们生活中的“黑金”。
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