w 1859 Edwin Drake i E. B. Bowditch z firmy Seneca Oil Company wiercił pierwszy komercyjny odwiert naftowy w Stanach Zjednoczonych w Titusville w Pensylwanii. Studnia produkowała około 400 galonów ropy naftowej, mniej niż dziesięć baryłek dziennie. Wkrótce podobne studnie w całej zachodniej Pensylwanii dostarczały ropy naftowej do produkcji nafty, która była potrzebna do zasilania krajowych latarni ulicznych i lamp domowych. Lżejszy Składnik wrzący, Benzyna, został odrzucony, ponieważ nie miał rynku. Istnieją doniesienia historyczne, że” odpady ” benzyny, które zostały wyrzucone do rzek, czasami zapaliły się. W 1892 roku opracowano pierwsze silniki napędzane benzyną, zarówno do samochodów, jak i ciągników, co wkrótce stworzyło rynek dla niegdyś bezużytecznej substancji, benzyny.
dziś benzyna jest najważniejszym produktem typowej rafinerii ropy naftowej: Cały proces rafinerii ma na celu maksymalizację jego produkcji. Benzyna jest złożoną mieszaniną cząsteczek o temperaturze wrzenia 40-200°c (104-392°F). Do produkcji różnych gatunków stosuje się mieszanie wielu komponentów rafineryjnych, z których każdy Promuje określone właściwości paliwa, takie jak pożądana liczba oktanowa, zmienność i minimalizacja osadów w silnikach.
jakość oktanowa
najważniejszym parametrem jakości benzyny jest jakość oktanowa. Liczba oktanowa jest miarą antykorozyjnych właściwości paliwa. Pukanie w silniku benzynowym to metaliczny szum klekotania (pingowanie), który wskazuje na nadmierną intensywność reakcji przed płomieniami. Silne stukanie może uszkodzić silnik.
reakcje wstępnego zapłonu zachodzą w cylindrach silnika, gdy części paliwa sam inicjują spalanie przed postępującym płomieniem ze świecy zapłonowej. To dodatkowe spalanie powoduje nadmierne tempo uwalniania energii, które jest knock. Skłonność paliwa do angażowania się w reakcje przed płomieniami zależy od struktury jego cząsteczek składowych (patrz rysunek 1);
tendencja do reakcji przed płomieniami jest wysoka dla węglowodorów o łańcuchach prostych, średnia dla węglowodorów rozgałęzionych i niska dla aromatów.
liczba oktanowa dla badanej benzyny stanowi procent objętościowy izooktanu (2,2,4-trimetylopentanu) w paliwie wzorcowym składającym się z mieszaniny izooktanu i heptanu, który byłby niezbędny do dopasowania tendencji do stukania badanego paliwa. Izooktan pali się z minimalnym pukaniem i ma ocenę oktanową 100. Jest to w przeciwieństwie do heptanu, który pali się z dużą ilością pukania i ma ocenę oktanową 0. Tak więc benzyna, która pali się z taką samą ilością pukania, jak mieszanina 92 procent izooktanu i 8 procent heptanu, jest klasyfikowana jako Benzyna 92-oktanowa.
oceny oktanowe benzyny można zwiększyć przez dodanie niewielkich ilości środków przeciwzakłóceniowych. Pierwszy komercyjnie odnoszący sukcesy środek antykorozyjny, tetraethyllead (TEL), został opracowany w latach 20. XX wieku. TEL był używany do promowania rozwoju silników o wyższej sprawności i wyższym stopniu sprężania. Jednak TEL jest wysoce toksyczny i zatruwa katalizatory. Od 1974 roku wszystkie nowe amerykańskie silniki samochodowe używały katalizatorów w celu zmniejszenia emisji spalin.
eter metylowo-t-butylowy (MTBE) jest środkiem przeciwzakłóceniowym z wyboru dla benzyny bezołowiowej. MTBE zapewnia wysoką jakość oktanową przy niskiej lotności i jest łatwo rozpuszczalny w benzynie. Jednak wyciek benzyny z podziemnych zbiorników magazynowych spowodował wykrycie MTBE w wodzie pitnej w kilku obszarach miejskich. Skłoniło to stan Kalifornia do nakazania usunięcia MTBE z benzyny kalifornijskiej do 2003 roku.
Alkohole znalazły również zastosowanie jako wzmacniacze oktanowe. W wyższych stężeniach alkohole mogą być używane jako przedłużacze benzyny, zmniejszając w ten sposób naszą zależność od importowanej ropy naftowej. Znaczna część wszystkich Stanów Zjednoczonych uważa się, że wprowadzona do obrotu Benzyna zawiera etanol.
Dodatki do benzyny
śladowe ilości olefin i diolefin znajdujących się w benzynie są podatne na reakcję z tlenem rozpuszczonym w benzynie. Proces ten jest określany jako autoksydacja i obejmuje rodnikową reakcję łańcuchową, która może zawierać tlen
do olefiny, a także może promować wzrost wielkości cząsteczkowej poprzez reakcje polimeryzacji. Efektem końcowym tego złożonego procesu jest powstawanie osadów i dziąseł, które mogą blokować filtry paliwa i zakłócać dozowanie paliwa i powietrza w gaźniku. Może to spowodować niekorzystne działanie silnika. Dodatki są często dodawane do benzyny w celu rozwiązania problemów związanych ze stabilnością oksydacyjną i innymi problemami; należą do nich przeciwutleniacze, dezaktywatory metali i detergenty.
przeciwutleniacze są dodatkami, które minimalizują reakcje autoksydacji. Działają one jako donory atomu wodoru, które zatrzymują Łańcuchowy proces utleniania olefin. Dwa różne typy przeciwutleniaczy stosowane w benzynie to fenylenodiaminy (PDA) i fenole utrudnione (takie jak BHT).
śladowe ilości rozpuszczalnych związków metali, w szczególności miedzi, katalizują utleniającą degradację benzyny poprzez promowanie tworzenia się dziąseł i osadów. Dezaktywatory metali przezwyciężają ten problem, chelatując metal i czyniąc go nieaktywnym. Najczęściej stosowanym dezaktywatorem metalu jest N, N ’ – disalicylideno-1,2-propanodiamina, której kompleks miedzi pokazano na fig. 3.
detergenty minimalizują osady w układzie paliwowym w niskich stężeniach, a w wysokich stężeniach mogą usuwać osady, które już się uformowały. Detergenty to cząsteczki, które mają wysoce polarną grupę końcową i niepolarny ogon węglowodorowy. Konwencjonalny detergent typu amino-amidowego przedstawiono na fig. 4.
przypuszczalnie grupy polarne w detergencie przyczepiają się do powierzchni metalu i do osadów polarnych na tych powierzchniach. Niepolarne ogony tych cząsteczek „wystają” do paliwa w taki sposób, że na powierzchni metalu powstaje monomolekularny film, zapobiegający osadzaniu się i agregacji cząstek. Uważa się, że proces ten rozpuszcza wszelkie osady już na powierzchni metalu. Uważa się, że jednowarstwowa powłoka detergentu zapobiega również gromadzeniu się lodu na powierzchniach gaźnika w okresie zimowym. Tak więc detergenty mogą również działać jako dodatki przeciwoblodzeniowe.
produkcja benzyny
produkcja benzyny rozpoczyna się od odsalania lepkiej ropy naftowej. Sole i metale w ropie naftowej sprzyjają korozji i katalizatorom przetwarzania trucizn. W ten sposób ropa naftowa jest podgrzewana (w celu zmniejszenia lepkości) i ekstrahowana wodą w celu usunięcia soli i metali. Często w wyniku tego procesu powstaje mieszanina oleju i wody zwana emulsją (zawiesiną). Emulsja ta jest zwykle łamana przez dodanie chemicznego środka powierzchniowo czynnego (demulgatora), który sprzyja oddzielaniu dyskretnych warstw oleju i wody. Po oddzieleniu warstwy wodnej olej ogrzewa się do około 400 o C (752 o F): To przekształca olej w produkty gazowe i zwiększa płynność pozostałej cieczy. W tej postaci mieszanina gazowa wchodzi do kolumny frakcjonującej, gdzie w procesie destylacji frakcyjnej z atmosfery dzieli ropę naftową na różne składniki w zależności od temperatury wrzenia.
najlżejsze frakcje wrzące to cząsteczki będące gazami w warunkach otoczenia: metan, etan, propan, butan i olefiny pochodzące z tych związków. Zastosowanie tego strumienia destylatu obejmuje spalanie jako paliwo w rafinerii; jako zapas petrochemiczny; lub przetwarzanie na skroplony gaz ropopochodny (LPG). Istnieją trzy inne główne strumienie destylatów zbierane podczas destylacji atmosferycznej: frakcja naptha, która ma Zakres wrzenia od 30 do 180 ° C (86-356°f); frakcja nafty, która destyluje w temperaturze od 180 do 240°c (356-464°F); I frakcja oleju napędowego, która destyluje w temperaturze od 240 do 355°c (464-671°f).
w celu spełnienia aktualnych przepisów środowiskowych dotyczących zawartości siarki w produktach paliwowych, strumienie trzech destylatów poddawane są procesowi hydroodsiarczania. W obecności katalizatora destylaty są podgrzewane w obecności wodoru w celu redukcji różnych związków siarki organicznej do prostych związków organicznych i H 2 S. Wodór potrzebny do tego procesu jest produktem ubocznym procesu reformingu katalitycznego. Produkt H 2 S można łatwo usunąć. W tym procesie rafiner może kontrolować liczbę oktanową mieszanki benzyny. Przez ogrzewanie frakcji ciężkiej w obecności specjalnie zaprojektowanego katalizatora platynowego, węglowodory o łańcuchach prostych są cyklizowane, a nasycone węglowodory cykliczne przekształcane w związki aromatyczne. Ponadto proces ten przekształca węglowodory o prostych łańcuchach w węglowodory rozgałęzione. Reforming katalityczny ułatwia produkcję zapasów do mieszania benzyny o wartościach oktanowych od 90 do 100+.
Redestylowanie pozostałości atmosfery w temperaturze poniżej 400°C (752°F) pod próżnią wytwarza próżniowy olej gazowy. Zazwyczaj próżniowy olej gazowy jest poddawany fluidalnemu krakingowi katalitycznemu (FCC) w celu wytworzenia niższej wrzenia cieczy, które można mieszać w celu wytworzenia benzyny. Osiąga się to poprzez rozbicie dużych cząsteczek próżniowego oleju gazowego na mniejsze, mniej wrzące cząsteczki. Ważnym składnikiem mieszania benzyny, który może być wytwarzany w ten sposób, jest alkilat. Jest to mieszanina wysoko rozgałęzionych węglowodorów otrzymywana w reakcji katalizowanej kwasem izobutenu i lekkich węglowodorów olefinowych. Alkilat jest cennym składnikiem mieszającym ze względu na wysoką jakość oktanową i brak aromatów lub olefin, co może prowadzić do problemów ze stabilnością środowiskową i oksydacyjną.
Ustawa o czystym powietrzu z 1990 r.wymagała od Agencji Ochrony Środowiska (EPA) wydania przepisów, które wymagały „przeformułowania benzyny”, co spowodowało znaczne zmniejszenie emisji z pojazdów ozonotwórczych i toksycznych zanieczyszczeń powietrza. Ta czystsza Benzyna nazywa się przeformułowaną benzyną (RFG). RFG jest wymagane w dziewięciu głównych obszarach metropolitalnych w Stanach Zjednoczonych mających najgorsze problemy z ozonem. Ponadto kilka innych obszarów, w których poziom ozonu przekracza normy zdrowia publicznego, dobrowolnie zdecydowało się na stosowanie RFG.
zastosowanie RFG zmniejsza ilość lotnych związków organicznych (VOC) i tlenków azotu (NO x ) w atmosferze, które reagują w obecności światła słonecznego, tworząc Ozon, główny składnik smogu. Pojazdy uwalniają również toksyczne emisje, z których jeden (benzen) jest znanym czynnikiem rakotwórczym.
RFG zawiera 2% wagowych dodatków tlenowych (tlenowców), takich jak MTBE lub etanol. Tlenki zwiększają efektywność spalania benzyny, zmniejszając emisję tlenku węgla, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego. Pojawienie się MTBE w niektórych miejskich wodociągach spowodowało, że Kongres Stanów Zjednoczonych podjął uchwałę o stopniowym wycofaniu stosowania MTBE w RFG. Etanol najprawdopodobniej stałby się głównym tlenem dla przyszłego RFG.
Benzyna jest najważniejszym produktem rafinerii. Najważniejszym parametrem jakości benzyny jest jej liczba oktanowa. Dodatkowe cechy jakościowe benzyny są kontrolowane przez stosowanie dodatków, na przykład przeciwutleniaczy, dezaktywatorów metali i detergentów. Dzięki mieszaniu różnych strumieni rafinerii i dodatków można uzyskać formułę benzyny, która minimalizuje degradację środowiska. Takie paliwo nazywa się przeformułowaną benzyną.