09.27 是時候告訴你煤油不止可以用來點燈了

提到煤油,你可能想到就是在那個尚未通電的年代給千家萬戶帶去光明的煤油燈,老一輩的人可能更喜歡稱之為 “火油”或者“洋油”,又因為煤油看起來像水一樣,卻又能夠點燃火種,故也被稱為“火水”,直到現時,香港、廣州等地仍俗稱煤油為火水

是時候告訴你煤油不止可以用來點燈了

但是,上面說到的其實只是燈用煤油和燈油(lamp kerosene),是煤油的一種使用方式,煤油,絕對不僅僅是用來點燈的

真正化學意義上的煤油是一種通過對石油進行分餾後獲得的碳氫化合物的混合物,是輕質石油產品的一類

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由於煤油的組成成分可能不同,因此不同地方產的煤油的特徵可能區分很大,比起汽油來,煤油比較粘稠,也不易燃,其閃點在55至100°C之間

煤油蒸汽比空氣重得多,與空氣混合可能形成爆炸氣,在分餾石油時煤油的沸點在汽油和柴油之間,約在160至280°C

關於煤油的應用,其可作為清潔劑與燃料等用途,如一些遙控飛機及暖爐就會使用煤油或者使用摻有煤油的燃料

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用煤油的暖爐

航空煤油則是摻有其它物質的煤油,不僅用於渦輪發動機,也是火箭發動機的燃料,以往在柴油中會摻入約25%的煤油來降低柴油的黏度,今日已經不使用這個方法,現代柴油機不能使用攙有煤油的柴油

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而作為清潔劑出售的煤油純度高,不含重分子,因此可以去除金屬表面強力附著的油膩和汙物,在實驗室,鋰、鈉等在空氣中易氧化的鹼金屬也常儲存於煤油中,以隔絕空氣

煤油發現與應用的簡短歷史

石油副產品自古以來就被當作粘合劑和防水劑使用,2000多年前,阿拉伯科學家嘗試了將石油蒸餾成可用於專門用途的單個組分的方法,隨著新用途的發現,石油的需求也開始大幅的增加

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公元九世紀波斯鍊金術師拉齊(他創立了完善的蒸餾和提取方法,並通過蒸餾綠礬(油)和石油,分別發現硫酸和煤油)在他的著作中記載了通過蒸餾石油提煉煤油的方法,而在中國,早在明朝時期,廣東地區就已發現煤油

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波斯學者拉齊(Razes)是9世紀最早蒸餾煤油的人

1846年加拿大地質學家亞伯拉罕·格斯納(Abraham Gesner)從煙煤和油頁岩蒸餾出煤油(他起名為Kerosene)實驗成功,1850年,格斯納創建了煤油煤氣燈公司(Kerosene Gaslight Company),並開始在哈利法克斯(Halifax)和其他城市的街道上安裝照明設備

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關於格斯納(Abraham Gesner)的畫像

到1854年,他的業務版圖擴張到美國,並在紐約長島創建了北美煤油煤氣燈公司(North American Kerosene Gas Light Company),龐大的業務需求增長直到石油的發現,煤油可以更容易地生產,才算解決了供應問題

1851年美國商人塞繆爾·奇爾(Samuel Kier)開始銷售用石油提煉出的煤油,同時出售為此發明的煤油燈,原來奇爾是開發鹽井的,但是他在賓夕法尼亞的鹽井無意出現了石油

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塞繆爾·奇爾(Samuel Kier)的工作畫面

開始他對於這些新東西是什麼毫不知情,於是就把石油全部倒掉,後來他搞清楚這是巨大的財富後,請來化學家並從石油中提煉除了煤油,他也被歷史學家稱為美國石油工業之父

1859年,“石油鑽探家德里克(Edwin Drake)在賓夕法尼亞用鑽井的方法打成美國第一口油井

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1853年波蘭藥劑師伊格納齊·武卡謝維奇發明的煤油燈被利沃夫(當時該地區屬於奧地利)一家醫院採用,1854年他在克羅斯諾地區打下了歐洲第一口油井

煤油在電力照明之前是一種重要的商品,它是第一種在大規模商業上用化學方法提取的材料,煤油和其他石油產品的大規模提煉實際上始於1859年,當時美國發現了石油,整個行業都在發展石油鑽探和淨化技術

在整個19世紀90年代末和20世紀初,煤油仍然是最重要的煉油廠產品,隨著內燃機的日益普及,它在20世紀20年代被汽油所超越,但是在在油燈被淘汰後煤油的其他用途被挖掘出來,今天它繼續在人類的生產生活中發揮自己的作用

煤油怎麼來

原油開採

煤油生產的第一步是原油開採,大多數石油資源都埋藏在地下深處,有三種主要的鑽探作業將其帶到地表,第一種為頓鑽,用鋼絲繩把頓鑽鑽頭送到井底,用動力帶動鋼絲繩和鑽頭產生上下衝擊作用,使岩石破碎

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頓鑽示意圖

第二種就是旋轉鑽探,其利用鑽頭旋轉時產生的切削或研磨作用破碎岩石,是當前最通用的鑽井方法,且可以到達地下更深的油層,第三種就是海底鑽探,利用海洋鑽井平臺進行開採工作

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在原始條件下,油層岩石與孔隙空間內的流體處於壓力平衡狀態,當鑽探到達地下儲油層時,這種平衡就被破壞,這時,由於壓力降低引起岩石和流體的彈性膨脹,其相應體積的原油就被驅向井中,如果地層壓力足夠的話,就可將原油舉升到井口以上,形成自噴採油

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然後,當天然能量降到一定程度以後,水會被泵入井內,以開採出更多的油,這個過程採油率在40%左右,另外還會在水中加入表面活性劑等聚合物,提高採油率,然而,即使是多次採油,運用多種技術,仍然不可能使採油率達到100%

開採的原油被泵入大型儲罐,然後運至煉油廠,集中起來之後清除氣體、水和汙垢等嚴重汙染物,脫鹽是一種清潔操作,可在油田和煉油廠現場進行

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水油分離之後,接著對原油的性質進行評價,以確定從中提取石油產品的最佳方法,其中幾個關鍵性質包括密度、硫含量以及與碳鏈分佈相關的原油的其他物理性質

由於原油是許多不同的碳氫化合物物質的混合物,它們可以相互混溶,因此在原油變成煤油之前,必須將其分離成各種組分

煉油

蒸餾是一個分離過程,包括加熱原油以分離其組分,在這個過程中,油流被泵入蒸餾塔的底部,在那裡被加熱,混合物中較輕的碳氫化合物組分上升到柱的頂部,大部分高沸點組分留在底部

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原油處理示意圖

在塔的頂部,這些較輕的蒸汽到達冷凝器,冷凝器將其冷卻並使其返回液態,用於分離輕質油的色譜柱高達35米,在大氣壓下就可以工作,另外高蒸餾塔可以更有效地分離碳氫化合物混合物,因為這樣高沸點化合物在到達塔頂之前有更多的時間冷凝

為了分離一些較重的油組分,蒸餾塔必須在大約十分之一的大氣壓(75毫米汞柱)下工作,這些真空蒸餾塔的結構有助於控制壓力波動,對塔操作的穩定性和單元收益有幫助

冷凝液可單獨收集,在150°C和250°C之間收集的部分是煤油,相比之下,汽油在30°C和210°C之間蒸餾,將蒸餾後的煤油經該塔多次循環使用,可提高其純度,這種回收過程稱為迴流

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淨化

一旦原油被蒸餾成其餾分,就需要在一系列的化學反應器中進一步處理以生產煤油,催化重整、酰化、催化裂化和加氫處理是煤油轉化中使用的四種主要處理技術

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這些反應用於通過添加或去除碳氫骨架中的碳原子來控制碳鏈分佈,這些反應過程包括將原油餾分轉移到一個單獨的容器中,在那裡它被化學轉化為煤油

如果煤油發生反應,就需要進行額外的萃取,以去除可能影響油的燃燒特性的二次汙染物,芳香族化合物(一類具有苯環結構的化合物,它們結構穩定,不易分解,且毒性很強,會對環境造成嚴重的汙染,對人體危害極大)是一類必須去除的汙染物

大多數萃取過程都是在大型塔中進行的,這樣可以最大限度地延長煤油和萃取溶劑之間的接觸時間,同時需要根據雜質的溶解度選擇溶劑,換句話說,化學雜質在溶劑中比煤油更易溶解,因此,當煤油流過塔時,雜質往往會被吸進溶劑相,一旦汙染物被從煤油中提取出來,溶劑就會被除去,煤油就會處於更純淨的狀態

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萃取完成後,精煉的煤油被儲存在儲罐中運輸,並在進行包裝後用於商業用途,而工業煤油儲存在大型金屬罐中,但是因為它的易燃性決定了它必須作為一種危險物質處理

最後

來總結下,大多數人關於煤油的概念都是指燈用煤油,這是煤油的一種使用形式,但是其實它真正化學意義上的煤油是一種通過對石油進行分餾後獲得的碳氫化合物的混合物,是輕質石油產品的一類 ,跟汽油、瀝青、天然氣等一樣都是石油產品

且現在煤油應用廣泛,如洗滌劑、各種照明的染料、油墨稀釋劑、表面化學熱處理等的工藝用油等


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