Nafta - tai ne vienalytė medžiaga, o sudėtingas angliavandenilių ir įvairių kitų cheminių junginių mišinys. Pagrindinę jos dalį sudaro anglis bei vandenilis, tačiau neretai randama ir sieros, azoto, deguonies priemaišų, taip pat metalų jonų (vanadžio, nikelio). Būtent ši sudėties įvairovė lemia didelius naftos kokybės bei perdirbimo skirtumus, dėl kurių kiekvienas telkinys pasižymi savita chemine „vizitine kortele“.
Angliavandeniliai naftoje: kas jų daugiausia?
Didžiąją naftos dalį sudaro angliavandeniliai, tai yra junginiai, sudaryti iš anglies (C) ir vandenilio (H) atomų. Alkanai (parafinai) - prisotintieji angliavandeniliai, pasižymintys tiesinėmis ar šakotomis C-C jungtimis. Jų bendroji formulė - CₙH₂ₙ₊₂. Alkanai dažniausiai būna skysti (5-16 C atomų grandinėje) arba dujiniai (mažiau kaip 5 C atomai).
Cikloalkanai (naftenai) - cikliškos struktūros angliavandeniliai, būdingi vadinamajai „nafteninės“ sudėties naftai, dažnai aptinkamai Artimuosiuose Rytuose.
Aromatiniai angliavandeniliai - turi bent vieną benzeno žiedą (C₆H₆); šie junginiai turi didelę energetinę vertę, bet gali kelti ekologinių iššūkių dėl pavojingų aplinkai medžiagų susidarymo.
Be angliavandenilių naftoje randama ir sieros, azoto bei deguonies junginių, taip pat grafitinės arba dervinės medžiagos ir asfaltenai. Sieros junginiai gali būti organiniai (tioliai, sulfidai) arba neorganinės druskos. Azotas randamas amino junginiuose ir heterociklinėse molekulėse, o deguonis dažniausiai būna dervų, fenolių ar oksiduotų fragmentų pavidalu. Dervomis (resins) ir asfaltenais (asphaltenes) vadinami sudėtingiausi didelės molekulinės masės angliavandenilių junginiai, turintys heteroatomų (S, N, O) ir net metalų jonų.
Kuo daugiau sunkiųjų komponentų (asfaltenų, dervų), tuo nafta klampesnė, tamsesnė ir sunkiau perdirbama. Sieros, azoto ir deguonies junginių gausa tiesiogiai įtakoja rafinavimo technologijų sudėtingumą: didelis sieros kiekis reikalauja papildomo apdorojimo, kad galutiniai degalai atitiktų aplinkosaugos standartus.
Tiesiogiai pagal naftos kilmę ir geologines sąlygas kiekvienas telkinys yra unikalus, todėl skiriasi kainos ir perdirbimo procesai. Pavyzdžiui, Artimųjų Rytų nafta dažnai turi daug naftenų, vidutinį sieros kiekį ir yra gana klampa, o lengvesnė, mažiau sieros turinti nafta dažnai kainuoja daugiau (pavyzdžiui, WTI ar Brent vs. Heavy Sour iš Venesuelos).
Naftos perdirbimas: kaip gaunamas benzinas?
Perdirbimas prasideda pirminiu distiliavimu, kai nafta skirstoma į lengvas ir sunkias frakcijas: dujos (<30 °C), benzinas (30-200 °C), žibalas (120-320 °C), gazolis (160-380 °C) ir liekana (>380 °C) mazutas. Benzino frakcijoje dažnai dominuoja angliavandeniliai su C5-C12, kurie gali būti alkanai, alkenai, cikloalkanai ir aromatiniai junginiai.
Kadangi pirminio perdirbimo metu benzino gaunama nedaug (10-15%), naudojami antriniai perdirbimo būdai: krekingas ir reformingas. Krekingas skaidina sunkias, aukštos virimo temperatūros molekules į lengvesnes, taip padidindamas benzino išeigą iki 60-80%. Reformingas paverčia alkanus ir cikloalkanus į aromatus, didindamas benzino oktaninį skaičių.
Angliavandenilių klasifikacija pagal ryšius tarp anglies atomų: alkanai (CₙH₂ₙ₊₂), alkenai (CₙH₂ₙ), alkinai (CₙH₂ₙ₋₂), cikloalkanai ir aromatiniai angliavandeniliai (arenai). Aromatai pasižymi stabilia benzeno žiedine sistema, o jų augant benzino oktaniniam skaičiui kyla ir jo kokybė.
Benzino sudėtis, kokybės rodikliai ir priedai
Benzinas - tai kompleksinis angliavandenilių mišinys, kurio cheminė sudėtis pasižymi įvairiomis struktūromis: alkanai (60-80%), arenai (3-10%), naftenai (12-30%), alkenai (1-2%). Benzine gali būti iki 2% sieros. Svarbiausias benzino kokybės rodiklis - oktaninis skaičius, kuris nusako atsparumą detonacijai. Aukštesnis oktaninis skaičius leidžia didesniam suspaudimo laipsniui ir didesnei galiai, tačiau didėja ir kaina.
Tuo pačiu benzino gamyboje naudojami antidetonaciniai priedai: MTBE (metil tert-butilo eteris), izomerizatas, oligomerizatas, alkilatai ir kt. Wėnas MTBE ir alkilatai turi žemesnę virimo temperatūrą, todėl nereikėtų ilgam sandėliuoti neapsaugotuose induose.
Taip pat svarbu korozinis aktyvumas, kuris apibūdina greitį, kaip greitai benzinas reaguoja su medžiagomis degimo sistemoje. Korozinis aktyvumas matuojamas vario plokštelės korozijos bandymu, kur plokštelė paliekama benzine tam tikrą laiką; spalvos pokytis rodo aktyvumą. Sieros kiekis Lietuvos įmonėse dažnai ribojamas: ≤10 ppm (0,001%), o faktiniai kiekiai - iki 8 ppm (0,0008%). ES direktyvos nustato šiuos apribojimus nuo 2009 metų.
Nuo 2007 metų Lietuvos rinkai tiekiamas benziną maišomas su denatūruotu biologinės kilmės etanoliu. Etanolis turi didelį oktaninį skaičių, tačiau didesnius jo kiekius riboja didesnis mišinio garavimo intensyvumas, todėl dažnai naudojami rėmėjai, siekiant išlaikyti tinkamą balansą ir aplinkos tikslus.
Taip pat paminėtina benzinas su multifunkciniais priedais, kurie užkerta kelią nuodegoms prilipti prie degimo sistemos sienelių, pagerina degimą ir sumažina kuro sąnaudas iki apie 2,5%. AB „ORLEN Lietuva“ siūlo VERVA benziną su multifunkciniais priedais; anksčiau prekinis pavadinimas buvo „Ventus“.
95 ir 98 oktaniniai benzino skyriai: ką žinoti?
Du dažniausiai pasitaikantys benzino tipai Lietuvoje - 95 ir 98 oktaniniai. Abi rūšys pasižymi dideliu atsparumu detonacijai, tačiau turi svarbių skirtumų:
- 98 benzinas dažnai brangesnis dėl aukštesnio oktaninio skaičiaus ir mažesnio užterštumo priemaišomis;
- 98 benzinas gali užtikrinti geresnį degimo efektyvumą didelio našumo varikliuose ir kartais mažesnį kuro sunaudojimą, tačiau tai priklauso nuo automobilio gamintojo rekomendacijų;
- Kai kurie varikliai rekomenduoja naudoti tik atitinkamą oktaninį skaičių; naudojant 95 oktaninį benziną su įrengtais didelio našumo varikliais gali kilti problemų dėl degimo ir variklio ilgaamžiškumo;
- Jei automobilis skirtas naudoti 95 benziną, nepikta naudoti 98, ir atvirkščiai - į tai žiūrima atsargiai, laikantis gamintojo nurodymų.
Detonacijos principas: oro-benzino mišinys cilindre suspaudžiamas, įkaista ir, esant per dideliam atsparumui detonacijai, gali sprogti ar degti savaime. Oktaninis skaičius nusako atsparumą savaiminei detonacijai: kuo didesnis, tuo didesnis suspaudimo laipsnis ir galia leidžiama naudoti be detonacijos rizikos. Ši vertė nustatoma varikliniais ir tiriamaisiais metodais.
Kokybinė benzino chemija ir ekologija
Žymėjimai E su papildomais skaičiais (pvz., E10) nurodo bioetanolio kiekį kuro mieste. MTBE pridėjimas pagerina degimo procesą, tačiau reikalauja atsargumo sandėliavimo; ilgainiui gali išsiskirti šalinimai į aplinką. Kuro priedai, be to, teikia antikorozinę plėvelę, mažina vandens patekimo į degimo sistemą riziką ir užtikrina stabilesnį purkštukų darbą.
Naftos ir degalų kokybės gerinimas yra nuolatinis tyrimų objektas: mokslininkai tobulina valymo technologijas, ieško naujų sprendimų, atlieka bandymus dėl sieros ir kitų priemaišų kiekio, kad sumažintų poveikį aplinkai ir padidintų degalų efektyvumą.
Matematiniai išeigos pavyzdžiai (išsami kontekstinė nuoroda)
Perdirbant naftą gaunama daug įvairių produktų, tačiau didžiausią dalį sudaro degalai - benzinas ir dyzelinas. Benzinas - lengvas skystis iš angliavandenilių, kurių molekulių skaičius dažnai svyruoja nuo C5 iki C12. Dyzelinas - sunkesnis, dažnai iš angliavandenilių, kurių molekulės turi nuo C9 iki C20. Išgauti išeigos skaičiai priklauso nuo taikomų procesų (distiliacijos, krekingo, reformingo). Detalūs matematiniai uždaviniai dažnai yra susiję su reakcijų išeiga ir reikiamų produktų kiekių skaičiavimais (pvz., uždaviniai apie oksidų išsaugojimą ar amoniako sintezę).
Įvairių metals/organinių junginių įtaka naftai ir degalams
Naftos cheminėje sudėtyje esanti organiniai junginiai, tokie kaip aromatai (benzenas) ir PAH junginiai, gali būti kenksmingi aplinkai bei žmogaus sveikatai, todėl rafinavimo metu taikomi specialūs valymo ir pridėjimo sprendimai. Nors benzenas yra naftos komponentas ir svarbus tirpiklis chemijos pramonėje, jo pavojingumas skatina griežtas aplinkosaugos priemones ir dozavimo režimus.
How Oil Is Extracted | From Oil Field to Gasoline | Full Process
- 5 pagrindiniai benzino gamybos etapų etapai: distiliacija, krekingas, reformingas, purkštukų valymas bei papildomi priedai.
- Benzino kokybės rodikliai: oktaninis skaičius, korozijos aktyvumas, sieros kiekis, antifetoniniai priedai.
- Alternatyvos: suskystintosios dujos kaip mažiau teršiančios alternatyvos; etanolio pridėjimas kaip bio komponentas.
Apibendrintai, benzinui svarbiausias ilgas duomenų rinkinys yra angliavandenilių sudėtis ir oktano skaičius, nes jie lemia degalų kokybę, efektyvumą ir patikimumą veikimo sąlygomis. Lengvos naftos kokybė paprastai siejama su didesne benzino išeiga ir lengvesniais perdirbimo procesais, tuo tarpu sunkioji, sieringa nafta reikalauja daugiau mokslinių tyrimų ir papildomų priemonių, kad būtų pasiektas tarptautinis aplinkosaugos standartų lygis.
tags: #kokiu #angliavandeniu #benzine #daugiausiai