第六节 石油的分馏

第六节石油的分馏

一、石油的炼制

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

【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。

2．石油的裂化和裂解

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。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。

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