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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
크래킹 과정. 발명과 생산의 역사
크래킹, 크래킹 공정 - 일반적으로 저분자량 제품(자동차 연료, 윤활유 등, 화학 및 석유 화학 산업의 원료)을 얻기 위한 오일 및 그 유분의 고온 처리. 균열은 C-C 결합의 파괴와 자유 라디칼 또는 탄소 음이온의 형성으로 진행됩니다. C-C 결합의 파열과 동시에 중간 물질과 출발 물질의 탈수소화, 이성체화, 중합 및 축합이 발생합니다. 마지막 두 프로세스의 결과로 소위. 분해된 잔류물(끓는점이 350 °C 이상인 부분) 및 석유 코크스. 연속 열 오일 분해를 위한 세계 최초의 산업 설비는 1891년 엔지니어 V. G. Shukhov와 그의 조수 S. P. Gavrilov에 의해 만들어지고 특허를 받았습니다(12926년 27월 1891일자 러시아 제국 특허 번호 1915). 실험 설정이 만들어졌습니다. V. G. Shukhov의 과학 및 엔지니어링 솔루션은 1918-1934년에 미국 최초의 산업 공장을 건설하는 동안 W. Barton에 의해 반복되었습니다. 국내 최초의 산업 분해 설비는 V. G. Shukhov가 XNUMX년 바쿠에 있는 소련 분해 공장에서 건설했습니다.
기름은 독특한 매운 냄새와 추출 장소에 따라 다른 색을 가진 유성 액체입니다. 화학 구조에 따르면 다양한 화합물, 주로 유기 물질 인 탄화수소의 매우 복잡한 혼합물입니다. 탄화수소는 탄소와 수소라는 단순한 원소의 화합물이기 때문에 그렇게 불립니다. 그 외에도 오일의 구성에는 황, 질소, 산소 및 기타 많은 불순물(물 및 모래 포함)이 포함됩니다. 탄화수소에는 두 가지 요소만 포함되어 있지만 그 수는 엄청납니다. 이것은 탄소와 수소가 다양한 조합과 비율로 서로 결합할 수 있다는 사실로 설명됩니다. 따라서 탄화수소의 특성은 매우 다르며 유기 물질의 화학인 화학의 큰 분과에서 이를 연구하고 있습니다. 탄화수소는 액체, 기체 또는 고체일 수 있습니다. 어떤 것은 물보다 가볍고 낮은 온도에서 끓는 반면, 어떤 것은 무겁고 높은 온도에서 끓습니다. 그들의 비중 또는 밀도는 매우 다릅니다(비중은 4도에서 취한 동일한 부피의 물보다 물질의 부피가 몇 배나 더 무겁거나 가벼운지를 나타내는 숫자임을 상기하십시오). 오일의 XNUMX차 증류의 기반이 되는 오일과 그 제품의 가장 중요한 특성은 증발하는 능력입니다. 오일의 구성에는 상온에서도 증발하기 시작하는 탄화수소가 포함됩니다. 기름이 다소 오랫동안 가열하지 않고 열린 용기에 그대로 두면 기름의 일부가 증발하고 나머지는 더 조밀해지고 두꺼워집니다. 기름에는 끓는점이 다른 다양한 탄화수소가 포함되어 있기 때문에 기름은 물과 같이 끓는점이 일정하지 않습니다. 용기에서 물을 가열하기 시작하면 다음 현상을 알 수 있습니다. 물에 잠긴 온도계는 처음에는 온도가 일정하게 상승하지만 온도가 100도에 도달하면 상승이 멈춥니다. 게다가 용기를 아무리 가열해도 물이 모두 증발할 때까지는 온도가 올라가지 않습니다. 이것은 물의 균질성, 즉 물이 동일한 분자로 구성되어 있기 때문입니다. 기름 그릇에서 가열하면 완전히 다른 그림을 볼 수 있습니다. 이 경우 열을 아무리 많이 공급해도 온도 상승은 멈추지 않습니다. 또한 가열이 시작될 때 비중 측면에서 가장 가벼운 탄화수소는 휘발유가 얻어지는 혼합물에서 증발 한 다음 더 무거운 탄화수소가 생성되어 등유, 디젤 연료 및 윤활유를 형성합니다. 오일의 XNUMX차 증류는 이 원리를 기반으로 했습니다.
대형 등유 공장에서 분해가 발명되기 전에 과열 수증기가 지속적으로 대량으로 유입되는 동시에 보일러 아래의 용광로에서 기름이 가열되어 석탄 또는 가연성 가스를 태우는 대형 증류기에서 증류가 수행되었습니다. 오일을 통과하는 증기는 끓는점이 낮고 비중이 작은 오일 화합물 중 가장 가벼운 물질을 따라 이동합니다. 이 등유와 휘발유와 물의 혼합물은 그런 다음 냉장고로 보내져 침전되었습니다. 증류의 생성물은 물보다 훨씬 가볍기 때문에 쉽게 분리되었다. 그런 다음 유출이 발생했습니다. 첫째, 비중이 최대 0,77인 최상층이 배출되어 별도의 탱크로 보내진 가솔린입니다. 그런 다음 등유, 즉 밀도가 최대 0 인 무거운 탄화수소를 부어 이렇게 얻은 조 등유는 잘 연소되지 않았습니다. 청소가 필요했습니다. 이를 위해 먼저 강한(86%) 황산 용액으로 처리한 다음 가성 소다 용액으로 처리했습니다. 결과는 정제 된 등유였습니다. 완전히 무색이며 매운 냄새가없고 타는 것과 그을음이없는 균일 한 불꽃으로 타는 것입니다. 기름의 구성은 또한 끓는점에 도달하기 전에 분해를 시작하고 기름이 더 많이 가열될수록 분해가 더 심하게 일어나는 중질 탄화수소를 포함합니다. 이 현상의 본질은 다른 끓는점과 다른 비중을 가진 여러 개의 작은 분자가 무거운 탄화수소의 하나의 큰 분자에서 형성된다는 것입니다. 이 분해는 cracking(영어에서 crack으로 - break, split)이라고 불리기 시작했습니다. 따라서 균열은 복잡하고 큰 탄화수소 입자가 더 간단하고 작은 탄화수소 입자로 고온(온도뿐만 아니라 분해가 고압 및 기타 이유로 발생할 수 있음)의 영향 하에 분해되는 것으로 이해되어야 합니다. 크래킹 공정과 XNUMX차 증류의 근본적인 차이점은 크래킹 중에 많은 탄화수소가 화학적 변화를 겪는 반면, XNUMX차 증류 중에는 개별 부품 또는 오일의 분획이 단순하게 분리된다는 것입니다. 끓는점.
기름의 분해 현상은 오래전부터 알려져 있었지만 일반 기름 증류에서는 이러한 분해가 바람직하지 않아 여기에 과열 증기를 사용하여 분해 없이 기름을 증발시키는 데 기여했습니다. 정유 산업은 발전의 여러 단계를 거쳤습니다. 초기 (60 세기 XNUMX 년대부터 XNUMX 세기 초까지) 정유는 등유 특성이 뚜렷했습니다. 즉 등유는 정유의 주요 제품이었고 반세기 동안 주요 광원으로 남아있었습니다. 세기. 예를 들어, 러시아 정유소에서는 증류 중에 형성된 더 가벼운 부분이 폐기물로 처리되었습니다. 즉, 구덩이에서 태우거나 저수지에 버려졌습니다. 그러나 도로 운송의 집중적인 개발은 다른 액센트를 부여했습니다. 1913 년 미국에 1 만 250 천 대의 자동차가 있었다면 1917 년에는 약 5 만 대, 1918 년에는 6 만 대, 25 년에는 이미 1922 만 대 12 세기에 거의 사용되지 않고 거의 사용되었던 가솔린 불필요한 폐기물은 점차 증류의 주요 목표가되었습니다. 1900년부터 1912년까지 세계 휘발유 소비는 115배 증가했습니다. 한편, 경질 분획이 풍부한 오일을 증류하는 동안 휘발유는 총 생산량의 약 1/5만 차지했습니다. 그런 다음 XNUMX차 증류 후 방출된 중질 유분을 분해하여 더 가벼운 휘발유 유분을 얻을 수 있다는 아이디어가 떠올랐습니다. 곧 중질유(디젤유 또는 연료유)뿐만 아니라 원유도 분해의 공급원료로 작용할 수 있음이 밝혀졌습니다. 또한 크랙 가솔린은 폭발(폭발) 없이 엔진 실린더에서 원활하게 연소되는 탄화수소를 함유하고 있기 때문에 기존 증류법으로 얻은 것보다 품질이 우수한 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 가솔린으로 작동하는 엔진은 노크하지 않고 더 오래 지속됩니다. 액체 분해에서 전체 공정의 본질을 결정하는 주요 사항은 온도와 제품이 이 온도의 영향을 받는 시간입니다. 기름은 이미 200도에서 분해되기 시작합니다. 또한 온도가 높을수록 분해가 더 심해집니다. 유사하게, 균열이 오래 지속될수록 경질 분획의 수율이 높아집니다. 그러나 너무 높은 온도와 긴 크래킹 시간에서는 필요에 따라 공정이 전혀 진행되지 않습니다. 분자가 동일한 부분으로 분할되지 않고 분쇄되어 한편으로는 너무 가벼운 분획이 얻어지고 다른 한편으로는 너무 무겁습니다. 또는 일반적으로 탄화수소가 수소와 탄소(코크스)로 완전히 분해되는데, 이는 물론 매우 바람직하지 않습니다. 경질 가솔린 분획의 최고 수율을 제공하는 최적의 분해 조건은 영국 화학자 Barton에 의해 1890세기 초에 발견되었습니다. 1913년에 Barton은 영국에서 등유를 얻기 위해 영국에서 러시아 중유(연료유)의 압력 하에 증류에 종사했으며 1916년에는 중유 분획에서 가솔린을 생산하는 최초의 방법에 대한 미국 특허를 취득했습니다. 1920년에 처음으로 산업 조건에서 Barton 방법에 따른 분해 공정이 수행되었으며 800년까지 XNUMX개 이상의 장치가 생산되었습니다. 균열에 가장 유리한 온도는 425-475도입니다. 그러나 원유를 단순히 높은 온도로 가열하면 대부분이 증발합니다. 증기 상태에서 제품을 분해하는 것은 다소 어려웠으므로 Barton의 목표는 오일이 증발하지 않도록 하는 것이었습니다. 그러나 가열되면 기름이 끓지 않는 상태를 얻는 방법은 무엇입니까? 이는 전체 공정이 고압에서 수행되는 경우 가능합니다. 고압 하에서 모든 액체는 정상 조건보다 높은 온도에서 끓는 것으로 알려져 있으며, 이 온도가 높을수록 압력이 커집니다.
설치에는 다음과 같은 장치가 있었습니다. 가압 보일러(1)는 소방관(1)이 장착된 용광로(4a) 위에 배치되었습니다. 보일러는 벽 두께가 약 2cm인 튼튼하고 좋은 철로 만들어졌으며 조심스럽게 리벳으로 고정되었습니다. 상승 파이프(5)는 물 냉각기(6)로 연결되고 여기서 파이프라인(7)은 수집 탱크(8)로 연결됩니다. 분해된 생성물이 액수계산장치(10)를 통과한 후, 이 탱크의 바닥에 위치한 파이프(9)는 두 개의 측관(10a, 10b)으로 분기되었다. 각 측면 튜브에는 제어 밸브가 제공되었습니다. 그 중 하나는 파이프 11로 연결되고 다른 하나는 파이프 12로 연결됩니다. 균열이 시작될 때 보일러(1)는 연료유로 채워졌습니다. 로(1a)의 열로 인해 보일러의 내용물이 약 130도까지 천천히 가열됩니다. 동시에, 그 안에 포함된 물의 잔여물은 연료유에서 증발했습니다. 냉장고(6)에서 응축된 물은 저장소(8)로 흘러들어갔고, 이 물은 파이프(21)를 통해 도랑(22)으로 내려갔습니다. 동시에 연료 오일에서 공기 및 기타 가스가 누출되었습니다. 또한 냉각기를 통해 탱크(8)로 들어가 파이프(14a)를 통해 파이프라인(16)으로 배출됩니다. 연료 오일이 물, 공기 및 가스에 용해된 후 분해될 준비가 되었습니다. 화실이 강화되고 보일러의 온도가 천천히 345도까지 상승했습니다. 동시에 냉장고에서도 가스 상태로 남아있는 가벼운 탄화수소의 증발이 시작되었습니다. 그들은 탱크 (8)에 떨어졌고 파이프 14a (출구 콕이 닫힘)를 통해 파이프 라인 (17), 파이프 (14) 및 다시 탱크 (8)로 떨어졌습니다. 이 가벼운 기체 분획은 출구를 찾지 못했기 때문에 공장 내부의 압력이 상승하기 시작했습니다. 5 기압에 도달했을 때, 경질 탄화수소는 더 이상 주 보일러에서 빠져나갈 수 없었습니다. 이러한 압축 가스는 보일러(1), 냉각기(6) 및 탱크(8)에서 동일한 압력을 유지했습니다. 한편, 고온의 영향으로 무거운 탄화수소를 분해하는 과정이 발생하여 더 가벼운 탄화수소, 즉 가솔린으로 변했습니다. 약 250도의 온도에서 증발하여 냉장고에 떨어지고 여기에서 응축됩니다. 냉장고에서 가솔린이 탱크(8)와 파이프 9를 통해 흘러 들어간 다음 11 또는 12가 특수 밀폐 보일러에 들어갔습니다. 여기에서 감압 하에서 휘발유에서 용해 된 가벼운 기체 탄화수소가 증발합니다. 이 가스는 보일러에서 점차적으로 제거되었고 생성된 조 가솔린은 특수 탱크에 부어졌습니다. 온도가 증가함에 따라 가벼운 부분이 증발함에 따라 보일러(1)의 내용물은 열에 점점 더 강해졌습니다. 내용물의 절반 이상이 휘발유로 전환되어 냉장고를 통과하자마자 작업이 중단되었습니다. (액량계(10) 덕분에 이 양을 쉽게 계산할 수 있었다.) 그 후 배관(17)과의 연결을 차단하고 압축기에 연결된 배관(14a)의 밸브를 열어 가스를 천천히 저압 압축기로 탈출했습니다 (동시에 파이프 라인이 닫혀 ( 9) 수신 된 가솔린과의 연결이 중단됨). 화실은 꺼졌고 보일러(1)의 내용물이 식었을 때 배수하였다. 그런 다음 보일러에서 코크스 침전물을 청소하고 다음 시작을 위해 준비했습니다.
Barton이 개발한 분해 방법은 정유 산업의 새로운 단계의 시작을 알렸습니다. 덕분에 가솔린 및 방향족 탄화수소와 같은 귀중한 석유 제품의 수율을 몇 배 높일 수있었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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