石油的分馏.docx

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石油的分馏

第六节石油的分馏

一、石油的炼制

石油是若干万年前湖海中的动植物有机体在高温高压的地层下经过分解及复杂的化学反应而生成的。

石油是复杂的烃的混合物，主要是链烃，还包含有一些分子结构呈环状的烃。

石油主要由碳、氢两种元素组成，其中碳的含量占84％～87％，氢的含量占12％～14％，除此之外，还有少量的氮、氧、硫以及微量的磷、钾、硅、钙、铁、镁等元素。

石油的化学成分随产地不同而不同。

　　石油所含的元素主要成分是碳和氢（碳、氢在石油中的质量分数平均为97％～98％），它主要是由各种烷烃、环烷烃和芳香烃组成的混合物。

　　1．石油的分馏

石油是成分复杂的混合物，从油田开采出来没有经过加工处理的石油叫原油。

原油中除了含有多种烃类混合物外，还含有水和其他盐类。

原油不能直接使用，必须经过适当的提炼过程，制得各种石油产品后才能使用。

工业上需要的汽油、煤油、柴油、润滑油以及许多气态烃等物质，都是从石油中得到的。

　　原油通过脱水、脱盐外理后，主要是烃类的混合物，它没有固定的沸点。

我们已经知道，在烃分子里，含碳原子个数越少，沸点越低；含碳原子数越多的，沸点越高。

在石油加热时，分子中碳原子数少的低沸点烃受热而先气化，经过冷凝先分离出来。

随着加热温度的升高，分子中碳原子数多的较高沸点的烃再气化，再经过冷凝，也分离出来。

经过多次加热和冷凝，就可在不同温度的范围把石油分成不同的蒸馏产物。

这种方法叫做石油的分馏。

分馏出来的各种成分叫馏分，每一种馏分仍然是多种烃的混合物。

　　在实验室里，控制馏出的温度，可以从原油中分离出沸点范围不同的馏分。

　　【实验1】如右图所示，将100mL石油注入到蒸馏烧瓶中，再加入几片碎瓷片以防石油暴沸。

然后加热，分别收集60℃～150℃和150℃～300℃时的馏分，就可以得到汽油和煤油。

　　石油是烃的混合物，因此没有固定的沸点。

含碳原子数越少的烃，沸点越低。

因此，在给石油加热时，低沸点的烃先汽化，经过冷凝后分离出来。

随着温度的升高，较高沸点的烃再汽化，经过冷凝后又分离出来。

这样不断地加热和冷凝，就可以把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物。

这种方法就是石油的分馏。

分馏出来的各种成分叫做馏分。

每一种馏分仍然是多种烃的混合物。

　　工业上分馏石油是在分馏塔内进行的。

　石油的分馏是石油炼制的第一阶段，仅仅使原油中各物质在不同温度下分离出来。

各馏分的成分在分馏过程中并没有改变。

随着工业的发展，对用作液体燃料的汽油、煤油和柴油等轻质油的需求量越来越大，而分馏后得到的轻质油一般仅占石油总量的25％左右。

为了提高轻质油特别是汽油的产量，工业上采用了裂化的方法。

　2．石油的裂化　　　　

　　裂化就是在一定的条件下，将相对分子质量较大、沸点较高的烃断裂为相对分子质量较小、沸点较低的烃的过程。

裂化有热裂化和催化裂化，例如，在加热、加压和催化剂存在的条件下，十六烷裂化为辛烷和辛烯：

　　在催化作用下进行的裂化，又叫做催化裂化。

　　【实验2】按右图的实验装置，在试管Ⅰ中放入4g石蜡（可用蜡烛的蜡代替）和3g粉末状的氧化铝（或无水氯化铝），加热试管Ⅰ。

观察石蜡熔化后反应进行的情况。

持续加热5min～10min后，观察试管Ⅱ中收集到的液体的颜色，闻它的气味；同时观察试管Ⅲ里KMnO4酸性溶液颜色的变化。

　　取少量试管Ⅱ中的液体，分别滴入盛有KMnO4酸性溶液和溴水的2个试管中。

　　可以看到：

石蜡加热一段时间后，试管Ⅱ中有无色带有汽油气味的液体生成。

同时，试管Ⅲ中的KMnO4溶液的颜色逐渐褪去。

这些实验现象说明，在催化剂的作用下，石蜡受热裂化生成相对分子质量较低的烃，其中有烯烃。

热裂化产生汽油的质量不高，而且还会因温度过高而发生结焦现象。

因此常使石油在催化剂的作用下进行裂化，这就是催化裂化。

经过催化裂化，可以得到质量较高的汽油。

乙烯、丙烯、1，3-丁二烯的分子中都有活泼的碳碳双键。

它们能跟很多物质发生加成反应，还能发生聚合反应。

因此，它们是合成如聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃、合成橡胶等许多有机化合物的基本原料。

苯和甲苯（

）是两种最简单的芳香烃。

它们是合成多种芳香化合物的基本原料。

以苯为原料，可以合成涤纶、锦纶、聚苯乙烯、丁苯橡胶等。

这些有机合成的基本原料，几乎没有天然产物。

既然石油和煤含有大量的碳元素，它们又是贮量丰富的自然资源，这就启示我们去思索，能不能把煤和石油经过化学加工，有指向地去改变它们的化学组成，从而制得乙烯、丙烯、1，3——丁二烯、苯等重要的基本原料呢？

3．石油的裂解

我们已经学过，石油经过裂化，可以使重油变成人们需求更广泛的轻质汽油。

这是烷烃中的碳碳键和碳氢键在加热条件下发生断裂的结果。

在石油化工生产中，为了能得到更多的乙烯、丙烯等宝贵的化工原料，可以在反应温度更高（700～900℃）的条件下发生键的断裂反应。

例如，丁烷会发生以下三种形式的反应。

这类反应常称为裂解反应，实质上是一种深度的裂化。

它以取得低碳原子数的烯烃为主要目的。

石油裂解的产物通常是含有乙烯、丙烯和1，3-丁二烯等的混合气体，分离裂解气，就可以分别得到比较纯净的乙烯、丙烯和1，3-丁二烯等物质。

我国从70年代起，已分别建成燕山、大庆、齐鲁、扬子、金山等年产30万吨乙烯的石油裂解装置。

这些乙烯的年产值已达几十亿元，大大高于裂解所消耗原油的价值。

裂解是石油化工生产过程中，以比裂化更高的温度（700℃～800℃，有时甚至高达1000℃以上），使石油分馏产物（包括石油气）中的长链烃断裂成乙烯、丙烯等短链烃的加工过程。

可见，裂解是一种更深度的裂化。

石油裂解的化学过程比较复杂，生成的裂解气是成分复杂的混合气体，除主要产品乙烯外，还有丙烯、异丁烯及甲烷、乙烷、丁烷、炔烃、硫化氢和碳的氧化物等。

裂解气经净化和分离，就可以得到所需纯度的乙烯、丙烯等基本有机化工原料。

目前，石油裂解已成为生产乙烯的主要方法。

资料　　液化石油气

　　城市中许多家庭中烧水、煮饭用的罐装“煤气”，实际上并不是煤气，而是液化石油气。

它是石油化工生产过程中的一种副产品，它的主要成分是丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等，此外，还有少量硫化氢。

液化石油气是通过降温和加压压缩到耐压钢瓶中的，钢瓶中的压强约是大气压强的7倍～8倍。

所以，瓶中贮存的液化石油气的量很大，可以使用较长的时间。

　　液化石油气在空气中达到一定的比率时，遇到明火会引起燃烧，甚至爆炸，因此使用时要注意防止漏气。

二、煤的综合利用

　　煤可以分为无烟煤、烟煤、褐煤和泥煤等，其含碳量不同（见表1），发热量也不同，一般含碳量高的，发热量也高。

煤除了主要含碳外，还含有少量的氢、氮、硫、氧等元素（表2）以及无机矿物质。

　　如何提高煤燃烧的热效率，如何解决燃煤引起的污染以及如何分离提取煤中的化学原料。

目前，已有实用价值的办法主要是煤的干馏和煤的气化、液化。

　　1．煤的干馏

　　在很长一段时间里，煤只是作为一种燃料为人们所利用，到18世纪末，德国、英国已能在工业上进行煤的干馏以制取煤气，接着又从煤炼焦的副产品中回收煤焦油。

人们通过对煤气和煤焦油的进一步利用，认识到煤除了可以用做燃料外，还是重要的化工原料。

　　【实验3】如右图所示，将烟煤粉放入铁管（或瓷管）中，隔绝空气加强热。

观察有什么现象发生。

待玻璃管尖嘴处有气体逸出时，点燃该气体。

　　煤粉受到强热后，有气体生成。

这些气体经过冷却，一部分在U形管中凝结，并分为两层，上层为澄清、透明的水溶液，下层为黑褐色粘稠的油状物——煤焦油。

另一部分没有凝结的气体可以点燃，这种气体叫做焦炉气。

反应完毕后，留在铁管中的黑灰色的固体物质叫做焦炭。

显然，在上述实验里，煤发生了分解。

　　这种将煤隔绝空气加强热使其分解的过程，叫做煤的干馏，也叫煤的焦化。

　　工业上炼焦的原理与上述实验的原理基本相同。

将煤粉放在隔绝空气的炼焦炉中加热，煤分解得到焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水和粗苯等。

这些产物可用于生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、炸药、染料、医药等。

　　2．煤的气化和液化

　　煤燃烧时不仅产生我们所需的能量，同时还会生成大量的二氧化硫、氮的氧化物、碳的氧化物和烟尘等污染物。

　　为了减少煤燃烧时对环境造成的污染，人们一方面采取措施，改进燃煤技术、改善燃煤质量和排烟设备；另一方面，设法把煤转化成清洁的燃料。

煤的气化和液化就是使煤变成清洁能源的有效途径，与此同时煤的燃烧效率等也能够得到提高。

　　煤的气化是把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程。

煤气化的主要化学反应是碳和水蒸气的反应。

　　这是一个吸热反应，所需热量一般由同时进行的碳的燃烧反应来提供。

　　碳燃烧时既可以使用空气，也可以使用氧气，但得到的煤气的成分、热值及用途都不同，分别叫做低热值气和中热值气。

中热值气在适当催化剂的作用下，又可以转变成高热值气。

　　煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。

把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂），使煤与氢气作用生成液体燃料。

这是把煤直接液化的一种方法。

煤还可以进行间接液化。

就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。

例如，煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。

甲醇可以直接用作液体燃料。

将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。

甲醇还可以进一步加工成高级汽油。

　　我国是世界上最大的耗煤国家，但占总量70％的煤都被直接烧掉，既浪费了资源，又污染了环境。

因此，积极开展煤的综合利用是十分重要的。

阅读　　汽油的辛烷值

　　“辛烷值”是人们用来衡量汽油质量的一种重要指标，它表示了汽油爆震程度的大小。

什么是汽油的爆震呢？

我们知道，汽油机吸气时，将汽油和空气的混合物吸入汽缸中，通过压缩使气体混合物产生热量，达到一定程度后经点火便会燃烧。

但是一部分汽油不等点火就超前发生了爆炸式燃烧，这种不能控制的燃烧过程，通过汽油机的响声或震动表现出来，这种现象就叫做爆震。

汽油的爆震既损失能量、浪费燃料，又损坏汽缸。

爆震现象与汽油的化学组成有关，汽油中直链烷烃在燃烧时发生的爆震程度比较大，芳香烃和带有支链的烷烃则不易发生爆震。

经过比较发现，汽油中以正庚烷的爆震程度最大，而异辛烷的爆震性最小。

人们把衡量爆震程度大小的标准叫做辛烷值，把正庚烷的辛烷值定为0，异辛烷的辛烷值定为100。

辛烷值越高，汽油的抗爆震性能就越好。

　　需要注意的是，辛烷值只表示汽油的爆震程度，并不表示汽油中异辛烷的真正含量。

我国目前使用的车用汽油的牌号就是按照汽油辛烷值的大小划分的。

例如，90号汽油表示该汽油的辛烷值不低于90。

　　为了提高汽油的辛烷值，过去广泛采用的一种方法是在汽油中添加抗爆震剂四乙基铅。

四乙基铅是一种带水果味、具有毒性的油状液体，它可以通过呼吸道、食道或皮肤进入人体，而且很难排泄出去。

当人体内的含铅量积累到一定量（大约100mL血液中含80μg）时，就会发生铅中毒。

所以，目前世界上许多国家都已限制汽油中铅的加入量，逐步实行低铅化和无铅化。

在我国，北京等一些城市已禁止销售含铅汽油；到2000年全国将实现汽油无铅化。

实现汽油无铅化，提高汽油辛烷值，目前主要是通过两种途径，一是改进炼油技术，发展能生产高辛烷值汽油组分的炼油新工艺；一是研究和开发新的提高汽油辛烷值的调合剂，代替四乙基铅作为汽油的抗爆剂。

小结

　　石油和煤都是重要的化工原料，也是重要的能源。

石油的炼制主要有分馏、裂化、裂解等。

　　煤的综合利用主要有煤的干馏、气化和液化。