Бензин
Общие сведения
Бензин представляет собой горючую смесь легких углеводородов, преимущественно состоящую из алканов (таких как пропан, бутан, октан, гептан), а также содержащую определенную долю ароматических соединений. Название продукта этимологически связано с бензолом, хотя содержание самого бензола в бензине невелико. Температура кипения данной углеводородной смеси варьируется в диапазоне от 30 до 205 градусов Цельсия в зависимости от конкретного фракционного состава и наличия примесей.
Исторически первая легкая фракция нефти, соответствующая бензину, была получена в 1825 году Майклом Фарадеем, который назвал выделенное вещество «яванским благовонием», поскольку исходная нефть была доставлена с острова Ява. На протяжении девятнадцатого века бензин не имел широкого применения в качестве моторного топлива; его использовали преимущественно как антисептик и органический растворитель. В быту бензином рекомендовали заправлять примусы вместо более пожароопасного в тех конструкциях керосина. Ситуация радикально изменилась в конце девятнадцатого века с появлением двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто. Развитие автомобилестроения и авиации привело к стремительному росту спроса на бензин, и уже к 1916 году объемы его производства превысили объемы производства керосина. Доступ к нефтяным ресурсам и высокооктановому бензину стал одним из определяющих факторов в мировых конфликтах двадцатого века, включая Вторую мировую войну.
Классификация
Классификация бензинов основывается на их физико-химических характеристиках, главной из которых является октановое число, определяющее детонационную стойкость топлива. В исторической ретроспективе в Советском Союзе выпускались марки с низким октановым числом: А-56, А-66, А-72, А-74 и А-76. Буква «А» в маркировке обозначает автомобильный бензин, а индекс «И» (например, в марке АИ-93) указывает на то, что октановое число определено исследовательским методом.
В соответствии с современными стандартами (в частности, техническим регламентом Таможенного союза), выпускаются автомобильные бензины марок А-80, АИ-92, АИ-95, АИ-96, АИ-98 и АИ-102. Помимо октанового числа, в маркировке присутствуют символы, обозначающие экологический класс топлива (К2, К3, К4, К5). Разделение на экологические классы учитывает фракционный состав и параметры, оптимизированные для конкретных температур окружающей среды, что облегчает запуск двигателя и снижает расход топлива.
Обособленную классификационную группу составляет авиационный бензин, который отличается высокой химической стабильностью, строгим фракционным составом и исключительно высоким октановым числом (доходившим до 150 в период поршневой авиации). В отличие от автомобильных бензинов, в авиационном топливе до сих пор допускается использование тетраэтилсвинца. Также выделяют группу бензинов-растворителей (нефрасы) и нафту (лигроин) — фракцию нефти с пределами выкипания до 180 градусов Цельсия, состоящую в основном из парафинов от C5 до C9.
Способы получения
Первоначальным методом получения бензина являлась прямая перегонка (дистилляция) сырой нефти. Качество получаемого продукта всецело зависело от состава исходного сырья. Например, азербайджанская нефть позволяла получать бензин с октановым числом выше 65, в то время как поволжская или сибирская нефть, богатая нормальными парафиновыми углеводородами, давала низкооктановый продукт. Для повышения качества прямогонных бензинов применялась денормализация — процесс удаления нормальных парафинов, что позволяло довести октановое число примерно до 75.
С ростом потребности в моторном топливе, особенно в период Первой мировой войны, прямогонной дистилляции стало недостаточно. Для увеличения выхода бензина из нефти были внедрены процессы крекинга (термического и каталитического) и риформинга, позволяющие расщеплять более тяжелые фракции (керосин, мазут) до легких бензиновых углеводородов.
В современной нефтепереработке фракцию, выкипающую до 180 градусов Цельсия, подвергают дальнейшему разделению на более узкие фракции (например, 62 и 85 градусов) с последующей изомеризацией, что позволяет получать высокооктановые компоненты. Важным технологическим процессом является алкилирование, при котором из бутилена и изобутана синтезируют алкилбензин — смесь разветвленных изомеров гептана и октана, обладающую высокими антидетонационными свойствами. Из-за сложности технологии алкилирование наиболее широко применяется в США.
Альтернативным направлением является синтез бензина из ненефтяного сырья. В 1930-е годы в Германии, испытывавшей острый дефицит природных нефтяных ресурсов, были разработаны промышленные методы синтеза жидкого моторного топлива из каменного угля, что позволило обеспечить потребности немецкой авиации и техники в период Второй мировой войны.
Свойства
Бензин представляет собой легковоспламеняющуюся, летучую жидкость, обладающую выраженными токсическими и наркотическими свойствами. Экологические и физико-химические свойства моторных бензинов напрямую зависят от используемых присадок. Исторически для повышения октанового числа массово применялся тетраэтилсвинец. Из-за его экстремальной токсичности (вызывающей тяжелейшие отравления и гибель людей) этилированный бензин начал подвергаться запретам еще в 1925 году в ряде городов США. В России производство и использование этилированного автомобильного бензина было полностью запрещено в 2003 году. Современные экологические стандарты также строго лимитируют содержание в бензине серы, кислородсодержащих соединений и ароматических углеводородов (в частности, бензола, доля которого ограничена из-за его высокой токсичности).
Токсикологическое воздействие бензина на организм человека носит общетоксический и наркотический характер. При вдыхании паров в небольших концентрациях наблюдается картина, напоминающая алкогольную интоксикацию: психическое возбуждение, эйфория, головокружение, тошнота, рвота, покраснение кожных покровов и учащение пульса. При увеличении дозы развиваются галлюцинации, обмороки, судороги, повышение температуры тела и изменение цвета сетчатки глаза. При попадании больших доз жидкого бензина внутрь возникают боли в боку, одышка, кашель и сильная головная боль.
Хроническое воздействие паров бензина приводит к развитию тяжелой формы токсикомании, которая сопровождается быстрым формированием зависимости и необратимым поражением центральной нервной системы. Хроническое отравление вызывает стремительную деградацию интеллекта (вплоть до идиотизма), повышенную раздражительность, токсическое поражение печени и ослабление сердечной деятельности. Проблема бензиновой токсикомании фиксировалась как среди работников автозаправочных станций, так и среди некоторых этнических групп (например, австралийских аборигенов), что требует строгого контроля и минимизации контакта с парами данного вещества.
Применение
Основной и наиболее масштабной областью применения бензина является его использование в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием в автомобильном и авиационном транспорте.
Помимо топливной сферы, бензин играет критически важную роль в химической промышленности. Нафта (лигроин) широко используется в качестве сырья на нефтехимических предприятиях для производства этилена и последующего органического синтеза.
Бензины-растворители имеют обширное применение в различных отраслях промышленности. Их используют для обезжиривания электрооборудования, тканей, кожи и поверхностей металлов, а также для промывки подшипников, арматуры и печатных плат в электротехнике. Бензин выступает необходимым компонентом при изготовлении масляных красок, лаков и резинового клея. Специфическим направлением использования бензина-растворителя является экстракционная промышленность, где он применяется для извлечения канифоли из древесной щепы и экстракции никотина из махорки при производстве табачных изделий.