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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
クラッキングプロセス。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト クラッキング、クラッキングプロセス - 原則として、自動車燃料、潤滑油などの低分子量製品、および化学工業や石油化学工業の原料を得るために、油とその留分の高温処理。 亀裂は、C-C 結合の破壊とフリーラジカルまたはカルボアニオンの形成によって発生します。 C-C 結合の切断と同時に、中間物質と出発物質の両方の脱水素化、異性化、重合および縮合が起こります。 最後の 350 つのプロセスの結果として、いわゆる。 クラッキング残留物（沸点がXNUMX℃を超える留分）および石油コークス。 石油の連続熱分解のための世界初の工業設備は、1891 年に技師 V. G. シューホフと彼の助手 S. P. ガブリロフによって開発され、特許を取得しました (12926 年 27 月 1891 日付ロシア帝国特許第 1915 号)。 実験的なセットアップが行われました。 V. G. Shukhov の科学的および工学的解決策は、1918 年から 1934 年にかけて米国で最初の工業施設を建設する際に W. Barton によって繰り返されました。 最初の国内工業用分解プラントは、XNUMX 年に V. G. シューホフによってバクーのソビエト分解プラントに建設されました。
オイルは、独特の刺激臭があり、抽出場所によって色が異なる油状の液体です。 その化学構造によると、それはさまざまな化合物、主に有機物質 - 炭化水素の非常に複雑な混合物です。 炭化水素は、炭素と水素という単純な元素の化学化合物であるため、そう呼ばれています。 それらに加えて、油の組成には硫黄、窒素、酸素、および他の多くの不純物（水や砂を含む）が含まれています。 炭化水素には XNUMX つの要素しか含まれていないという事実にもかかわらず、その数は膨大です。 これは、炭素と水素がさまざまな組み合わせと割合で互いに結合できるという事実によって説明されます。 したがって、炭化水素の特性は非常に異なり、化学の大部分である有機物質の化学がそれらを研究しています。 炭化水素は、液体、気体、または固体です。 水よりも軽くて低温で沸騰するものもあれば、重くて高温で沸騰するものもあります。 それらの比重または密度は非常に異なります (比重は、物質の体積が 4 度で取られる同じ体積の水よりも何倍重いか軽いかを示す数値であることを思い出してください)。 オイルとその製品の最も重要な特性は、オイルの一次蒸留の基礎となるものであり、蒸発する能力です。 油の組成には、常温でも蒸発し始める炭化水素が含まれています。 油を加熱せずに開いた容器に長時間放置すると、油の一部が蒸発し、残りはより濃くて濃くなります. 油には沸点の異なるさまざまな炭化水素が含まれているため、水のように油の沸点は一定ではありません。 容器で水を加熱し始めると、次の現象に気付くでしょう。水に浸された温度計は、最初は一定の温度上昇を示しますが、温度が100度に達するとすぐに上昇が止まります。 さらに、容器をいくら加熱しても、水分がすべて蒸発するまで温度は上がりません。 これは、水の均一性、つまり水が同一の分子で構成されているためです。 油の容器で加熱すると、まったく異なる画像が観察されます。 この場合、いくら熱を供給しても温度上昇が止まりません。 さらに、加熱の開始時に、比重の点で最も軽い炭化水素が蒸発し、その混合物からガソリンが得られ、次に重い炭化水素が蒸発します-灯油、ディーゼル燃料、および潤滑油を形成します。 石油の一次蒸留は、この原理に基づいていました。
大きな灯油プラントでのクラッキングが発明される前は、蒸留は大きな蒸留器で行われ、そこには過熱された水蒸気が常に大量に入れられ、同時に石油がボイラーの下の炉から加熱され、石炭または可燃性ガスが燃焼していました。 オイルを通過する蒸気は、低沸点で比重が小さい最も軽いオイル化合物を運びます。 この灯油とガソリンと水との混合物は、冷蔵庫に送られ、落ち着いた。 蒸留の生成物は水よりもはるかに軽いので、簡単に分離できました。 その後、流出が起こりました。 まず、比重が最大0,77の最上層からガソリンが排出され、別のタンクに送られました。 次に、灯油、つまり密度が最大 0 の重質炭化水素を投入したところ、得られた粗製灯油はほとんど燃焼しませんでした。 掃除が必要でした。 これを行うには、最初に硫酸の強い（86％）溶液で処理し、次に苛性ソーダの溶液で処理しました。 その結果、精製された灯油ができました。完全に無色で、刺激臭がなく、均一な炎で燃焼し、燃焼やすすもありませんでした。 油の組成には、沸点に達する前に分解し始めるような重質炭化水素も含まれており、油が加熱されるほど分解が激しくなります。 この現象の本質は、重質炭化水素の XNUMX つの大きな分子から、異なる沸点と異なる比重を持ついくつかの小さな分子が形成されることです。 この分解はクラッキングと呼ばれるようになりました（英語からクラックへ - 壊す、分割する）。 したがって、クラッキングは、複雑で大きな炭化水素粒子が、高温の影響下で（温度だけでなく、高圧やその他の理由で分解が起こる可能性があります）、より単純で小さな粒子に分解することとして理解されるべきです。 分解プロセスと一次蒸留の本質的な違いは、分解中に多くの炭化水素が化学変化を起こすのに対し、一次蒸留中には個々の部分、または彼らが言うように油の留分が単純に分離されることです。それらの沸点について。
油の分解現象は以前から注目されていましたが、通常の油の蒸留ではこのような分解は望ましくないため、ここでは過熱水蒸気を使用し、油を分解せずに蒸発させました。 石油精製産業は、その発展においていくつかの段階を経てきました。 当初 (60 世紀の XNUMX 年代から XNUMX 世紀の初めまで)、石油精製は顕著な灯油の特徴を持っていました。世紀。 たとえば、ロシアの製油所では、蒸留中に形成された軽い留分は廃棄物として処理されました。それらはピットで燃やされるか、貯水池に投棄されました。 しかし、道路輸送の集中的な開発により、別のアクセントが置かれています。 1913年に米国に1万台の車があった場合、250年には約1917万台、5年には1918万台、6年にはすでに25万台.1922世紀にはほとんど使用されず、ほとんど使用されなかったガソリン不要な廃棄物は、徐々に蒸留の主な目標になりました。 1900 年から 1912 年にかけて、世界のガソリン消費量は 115 倍に増加しました。 一方、軽質留分を多く含む油の蒸留でも、ガソリンは総生産量の約1/5しか占めていませんでした。 そこで、一次蒸留後に放出された重質留分を分解して軽質ガソリン留分を得るというアイデアが生まれました。 すぐに、重質留分 (ディーゼル油または重油) だけでなく、原油もクラッキングの原料として使用できることがわかりました。 また、分解されたガソリンは、エンジンのシリンダー内で爆発（デトネーション）することなくスムーズに燃焼する炭化水素を含んでいるため、通常の蒸留よりも品質が優れていることがわかりました。 そのようなガソリンで動くエンジンはノッキングせず、長持ちします。 液体分解では、プロセス全体の本質を決定する主なポイントは、温度と、製品がこの温度の影響下にある時間です。 オイルは200度ですでに分解し始めます。 さらに、温度が高いほど分解が激しくなります。 同様に、クラッキングが長く続くほど、軽いフラクションの収率が高くなります。 しかし、温度が高すぎてクラッキング時間が長いと、プロセスはまったく必要に応じて進行しません.逆に重すぎる。 または、一般に、炭化水素が水素と炭素（コークス）に完全に分解されますが、これはもちろん非常に望ましくありません。 軽質ガソリン留分の最高収率をもたらす分解の最適条件は、英国の化学者バートンによって 1890 世紀の初めに発見されました。 バートンは 1913 年に英国でロシアの重油 (重油) を加圧蒸留して灯油を取り出し、1916 年に重油留分からガソリンを得る史上初の方法で米国の特許を取得しました。 産業条件下でのバートン法によるクラッキング プロセスは 1920 年に初めて実施され、800 年までに XNUMX 台以上のユニットが生産されました。 クラッキングに最も適した温度は425〜475度です。 しかし、原油をそのまま高温に加熱すると、そのほとんどが蒸発してしまいます。 蒸気状態の製品を分解することはやや困難であったため、バートンの目標は油が蒸発しないようにすることでした. しかし、加熱しても油が沸騰しないような状態をどのように達成するのですか？ これは、プロセス全体が高圧下で実行される場合に可能です。 高圧下では、液体は通常の状態よりも高い温度で沸騰することが知られており、この温度が高いほど圧力が高くなります。
インストールには次のデバイスがありました。 加圧ボイラー（１）は、火管（４）を備えた炉（１ａ）の上に置かれた。 ボイラーは厚さ約1cmの良質で丈夫な鉄でできており、慎重にリベットで留められていました。 上昇パイプ (1) が水冷却器 (4) につながり、そこからパイプライン (2) が収集タンク (5) につながった。 分解生成物が液体計数装置（１０）を通過した後、このタンクの底部に位置するパイプ（９）は、２つの側管（１０ａおよび１０ｂ）に分岐した。 各サイドチューブには制御バルブが付属していました。 そのうちの 6 つはパイプ 7 に、もう 8 つはパイプ 10 につながっていました。 クラッキング開始時、ボイラー(1)は燃料油で満たされていました。 炉 (1a) の熱により、ボイラーの内容物はゆっくりと約 130 度まで加熱されました。 同時に、それに含まれる水の残りが燃料油から蒸発しました。 冷蔵庫（6）で凝縮された水は、貯水池（8）に流れ込み、そこからパイプ（21）を通って溝（22）に下降しました。 同時に、空気やその他のガスが燃料油から漏れました。 それらも冷却器を通ってタンク（８）に入り、パイプ（１４ａ）を通ってパイプライン（１６）に放出された。 燃料油が水、空気、溶解ガスを取り除いた後、分解の準備が整いました。 火室が強化され、ボイラー内の温度はゆっくりと345度まで上昇しました。 同時に、軽質炭化水素の蒸発が始まり、冷蔵庫でも気体状態のままでした。 それらはタンク（8）に落ち、次にパイプ14a（出口コックが閉じられていた）を通ってパイプライン（17）、パイプ（14）に入り、タンク（8）に戻りました。 これらの軽いガス状の部分は出口を見つけられなかったため、プラント内の圧力が上昇し始めました。 5 気圧に達すると、主ボイラーから軽質炭化水素が逃げなくなりました。 これらの圧縮ガスは、ボイラー (1)、冷却器 (6)、リザーバー (8) で同じ圧力を維持しました。 その間、高温の影響下で、重い炭化水素を分解するプロセスが起こり、それが軽いもの、つまりガソリンに変わりました。 約250度の温度で蒸発し、冷蔵庫に落ちてここで凝縮しました。 冷蔵庫からガソリンがタンク（8）に流れ込み、パイプ9を通って、11または12が特別な密閉ボイラーに入りました。 ここでは、減圧下で、それに溶解した軽質ガス状炭化水素がガソリンから蒸発します。 これらのガスはボイラーから徐々に除去され、得られた粗ガソリンは特別なタンクに注がれました。 温度の上昇とともに軽質分が蒸発するにつれて、ボイラー (1) 内の内容物はますます熱に強くなりました。 内容物の半分以上がガソリンに変換され、冷蔵庫を通過するとすぐに作業が中断されました。 （この量は液量計(10)のおかげで簡単に計算できた。）その後、配管(17)への接続を遮断し、圧縮機に接続された配管(14a)のバルブを開け、ガスをゆっくりと低圧コンプレッサーに逃げ込みました（同時に、パイプラインが閉じられ（9）、受け取ったガソリンとの接続が中断されました）。 火室を消し、ボイラー(1)の内容物が冷めたら排水した。 その後、ボイラーからコークスの堆積物が取り除かれ、次の始動の準備が整いました。
バートンが開発したクラッキング法は、石油精製業界の新たな段階の始まりを示しました。 彼のおかげで、ガソリンや芳香族炭化水素などの貴重な石油製品の収量を数倍に増やすことができました。 著者：Ryzhov K.V.
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