Крекинг
Были времена, когда нефть применяли лишь в старомодных лампах. Много чего поменялось с тех пор, а все благодаря крекингу - химическому процессу, при котором сырая нефть преобразуется в уйму полезных продуктов, которыми полон (и отравлен) наш современный мир, - от бензина до пластиковых пакетов.
Подумать только: наши автомобили ездят на мертвечине. Бензин в основном состоит из доисторических растений и животных, которые находились под давлением земных пород миллионы лет, и из них получилась нефть; ее выкачивают и превращают в продукт, который мы, сжигая, преобразуем в энергию. Тем, кто не знаком с нефтехимией, часть «превращения» может показаться несколько загадочной.
Химический трюк, посредством которого мертвечина, которую мы добываем из-под камней, то есть сырая нефть, превращается в полезные продукты, называется крекингом. И на выходе мы получаем далеко не только топливо. Много чего в нашей повседневной жизни вообще-то продукты крекинга. Что угодно, сделанное из пластмассы, к примеру, скорее всего начало свою жизнь на нефтеперегонном заводе.
Мир до крекинга
В XIX веке, до изобретения крекинга, керосин был единственным полезным продуктом переработки нефти. Керосиновые лампы были новомодным способом освещать жилища, хотя пожаров от них случалось немало. Керосин получали перегонкой нефти — нагревали сырье до определенной температуры и ждали, когда керосиновая фракция выкипит и сконденсируется. Бензин — другая фракция, получаемая при перегонке, однако он так быстро выкипал, что его попросту сливали в какую-нибудь речку по соседству, поскольку нефтеперегонные предприятия не знали, что с ним делать. Великое множество возможностей, скрытых в сырой нефти, оставались неведомыми — но недолго.
«Есть крепкие основания для уверенности, что ваша компания располагает сырым материалом, из которого простым и недорогим способом можно произвести ценные продукты» Бенджамин Силлимен (1779-1864), американский химик, популяризатор науки, из отчета заказчику
В 1855 году американский профессор химии Бенджамин Силлимен, мнением которого в отношении добычи полезных ископаемых и минералогии всегда интересовались, сообщил о «каменном масле», найденном в округе Венанго, штат Пенсильвания. Кое-какие наблюдения, которые он изложил в том отчете, предсказали будущее нефтехимической промышленности. Он отметил, что, если тяжелое каменное масло нагреть, оно постепенно, в течение нескольких дней, испаряется, выдавая по очереди более легкие фракции; их-то как раз Силлимен счел потенциально полезными. Редактор из журнала «Американский химик» позднее отмечал, что Силлимен «предвосхитил и описал большинство приемов, нашедших в дальнейшем применение» в нефтехимической промышленности.
Что за кряк?
Ныне легкие нефтяные фракции типа бензина — те самые, которые первые нефтеперегонщики сливали в реки, — наибольшая ценность. Именно изобретение крекинга сделало каменное масло мощным бизнесом — сначала термического, позднее — процессов с применением пара, а еще чуть погодя — современного каталитического крекинга, проводимого на синтетических катализаторах.
Хотя происхождение крекинга не вполне известно, патенты на термический крекинг были выданы в 1891 году в России и в 1912-м — в США. Понятие «крекинг» — почти дословное описание происходящего с химической точки зрения: длинные углеводородные цепочки рвутся на молекулы помельче. Процесс крекинга позволяет влиять на состав собранных в ходе прямой перегонки продуктов в соответствии с потребностями хозяина производства. Хотя бензин, который состоит из молекул, включающих от пяти до десяти углеродных атомов, можно получать прямой перегонкой нефти, крекинг позволяет получать его гораздо больше. Керосиновая фракция, к примеру, содержит молекулы с 12-16 углеродными атомами, и ее тоже, расщепив крекингом, можно переработать в бензин.
Первые крекинговые установки производили уйму кокса — угольного остатка, который приходилось выгребать раз в пару дней. Когда изобрели паровой крекинг, добавлением воды незадача с коксом решалась, однако продукты получались не того качества, какое необходимо, чтобы бензиновый двигатель исправно работал. Должного качества удалось добиться, когда додумались до расщепления нефти при участии катализатора. Поначалу химики применяли глиноподобные материалы под названием цеолиты, содержавшие кремний и алюминий, пока не получили искусственные варианты этих природных материалов в лаборатории.
Топливо истребителей
При паровом крекинге углеводороды часто поступают в процесс с одинарными связями и разваливаются на молекулы покороче, но с двойными связями. Этим можно воспользоваться и получить разнообразные другие вещества. Однако с появлением каталитического крекинга углеводороды не только расщепляются — они перестраиваются внутри, ветвятся. Разветвленные углеводороды — лучшее топливо, потому что двигатель внутреннего сгорания начинает «стучать», то есть работает так себе из-за линейных углеводородов, если их перебор.
Непосредственно перед Второй мировой войной в Маркус-Хук, Пенсильвания, была собрана первая установка каталитического крекинга, и у союзников появился доступ к топливу, какого не было у немецких люфтваффе. Сорок один миллион баррелей превосходного авиатоплива, полученного на этой установке, увеличило, как говорят, маневренность истребителей союзников и тем самым дало им преимущество в воздушных боях.
Каталитические процессы не только позволяют получить отличное топливо, они вообще сердце химической промышленности: благодаря им мы производим важнейшие для современной жизни вещества — например, полиэтилен. Если нефть рано или поздно закончится, нам потребуется придумать альтернативные способы получения этих продуктов. Производители веществ уже тянут руки к живым растениям, а не к давно мертвым. Одна немецкая компания продает краску, сделанную из резеды — сладко пахнущего растения, используемого в парфюмерии.
Авиационное топливо
Керосин - маслянистая жидкость, применявшаяся в давние времена в осветительных лампах. В некоторых местах планеты керосин по-прежнему используют для освещения и обогрева, но самое ценное его применение в наши дни - авиационное топливо. Составляющие керосина - молекулы углеводородов с 12-16 атомами углерода, поэтому керосин тяжелее бензина, менее летуч и не так легко воспламеняется, и поэтому его безопаснее жечь в домах. Это не одно отдельное вещество, а смесь различных линейных и циклических углеводородных соединений, кипящих при более-менее одной и той же температуре. Керосин отделяют от сырой нефти перегонкой и крекингом - как и бензин, но бензиновые фракции кипят и конденсируются при температурах пониже. В 2014 году химики объявили, что создали авиатопливо - керосин - из углекислого газа и воды, применив активное воздействие солнечного света. Свет нагрел диоксид углерода и воду, получился синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода), который далее превратили в топливо хорошо известным методом - процессом Фишера-Тропша.
Шуховская башня
На улице Шаболовка в Москве стоит интересная 160-метровая радиовышка, задуманная и воплощенная Владимиром Шуховым в 1920-х годах. Шухов был замечательным человеком: он спроектировал первый и второй нефтепроводы в России, а также имел отношение к планированию системы водоснабжения Москвы. Первым в мире патент на термический крекинг получил он, опередив величайшего соперника России - Америку. В 2014 году Шуховская башня едва избежала сноса.
