Процесс термических преобразований углеводородов проходит через следующие этапы:

1. Инициирование реакции путем образования свободных радикалов при гемолитическом разрыве самой слабой связи С-С углеводорода. Возможен и разрыв связи С-Н, хотя она прочнее С-С-связи. Следует отметить, что с повышением температуры различие в прочностях С-С- и С-Н-связей уменьшается. При умеренных температурах (400-500°С) разрыв углеводородной цепи происходит посередине, т. е. по наиболее слабым связям. С повышением температуры могут разрываться и другие связи.

2. Развитие цепи. Радикалы, как неустойчивые частицы, стремятся стабилизироваться, в результате происходит их расщепление по сигма-связи:

3. Обрыв цепи. Свободные радикалы сталкиваются между собой, образуя молекулу насыщенного углеводорода или другую ненасыщенную молекулу:

При столкновении свободного радикала с молекулой углеводорода происходит отрыв атома водорода. Этот атом может отрываться от первичных, вторичных и третичных атомов углерода. По относительной скорости отрыва атомов водорода от атомов углерода можно построить такой ряд углеродов: первичный < вторичный < третичный.

Непредельные углеводороды в условиях пиролиза проявляют более высокую устойчивость, чем остальные углеводороды. Это обусловлено тем, что для разрушения двойной связи требуется больше энергии, чем для разрушения простой связи. Поэтому-то преобладающими продуктами в процессе пиролиза являются предельные углеводороды. Циклопарафины при этом превращаются в ароматические и непредельные углеводороды:

Ненасыщенные соединения могут давать продукты вторичных преобразований – ароматические углеводороды:

Ароматические углеводороды являются наиболее устойчивыми при высоких температурах. Бензол в этих условиях больше склонен к конденсации, нежели к распаду:

Основным инструментом превращения углеводородов в нефтехимии являются термические и каталитические процессы. В чем же их отличие? Ведь они в конечном итоге направлены к одной цели. Состав конечных продуктов любой реакции определяется термодинамикой этих преобразований. При этом состав продуктов многоступенчатых процессов, с множеством промежуточных продуктов, может отличаться от предсказуемого в силу более благоприятных условий протекания какой-либо из промежуточных стадий.

Если единственным условием ускорения реакции является температура, то трудно предугадать, какой же вариант протекания процесса окажется более предпочтительным. Иными словами, эффективность превращения исходного продукта будет высокой, а выход нужного продукта среди всей смеси полученных соединений будет ничтожен.

Катализатор позволяет ускорить ход протекания процесса в более мягких условиях и только в одном нужном направлении. Таким образом, эффективность превращений исходного продукта будет наибольшей.

При всей очевидности выгоды каталитических процессов нефтехимия не всегда к ним прибегает. Арбитром в выборе варианта метода переработки выступает такой критерий, как экономическая эффективность. Каталитический вариант иногда требует значительных затрат на свое осуществление.

Сегодня же большинство процессов переработки нефти протекает при достаточно высоких температурах, на что расходуется значительное количество самой нефти. Это вызвано невысокой активностью используемых катализаторов. Поэтому усилия ученых направлены на разработку новых высокоэффективных катализаторов, которые бы позволили создать «холодную нефтехимию». Пример тому подает нам сама природа. Ведь многие из тех продуктов, что получаются при переработке нефти, мы находим среди соединений, выделяемых из растительного материала. А ведь в природе нет таких жестких условий, какие мы создаем в промышленных процессах. Природа создала более эффективные катализаторы, которые в очень мягких условиях осуществляют синтез этих соединений. Такими катализаторами являются металлокомплексные соединения – ферменты. Учеными созданы в последние годы новые эффективные гомогенные металлокомплексные катализаторы, своими действиями имитирующие природные катализаторы. Многие из этих катализаторов уже применяются в нефтехимии.

Продолжение см. “Термическое преобразование углеводородов, (часть 2)”.