Происхождение нефти угля природного газа. Происхождение природных источников энергии. Природные источники углеводородов: газ, нефть, кокс. Использование их в качестве топлива и в химическом синтезе

Размышления о том, что ждет нас в будущем и раньше не давало покоя ученым. Сегодня на эту тему говорят все: от государственных руководителей до школьников. Глобальное потепление, таяние вековых льдов, демографические проблемы, клонирование человека, современные и будущие средства связи и передвижения, зависимость людей от энергоносителей… И все-таки одной из наиболее популярных сегодня тем является вопрос альтернативного топлива.

Топливо будущего - альтернатива природным ископаемым

Природные виды топлива в настоящее время являются нашим основным источником энергии. Углеводороды сжигают, чтобы разрушить молекулярные связи и освободить их энергию. Высокий уровень потребления ископаемых видов топлива приводит к значительному загрязнению природной среды, когда они сжигаются.
Мы живем в 21 веке, это время новых технологий, и многие ученые считают, что пришло время для создания альтернативного топлива будущего, которое способно заменить традиционное топливо и ликвидировать нашу зависимость от него. За последние 150 лет, использование углеводородов увеличило количество углекислого газа в атмосфере на 25%. Сжигание углеводородов приводит и к другим видам загрязнения, таким как смог, кислотные дожди и загрязнение воздуха. Этот тип загрязнения не только наносит вред окружающей среде, здоровью животных и людей, но, кроме того, приводит к войнам, так как ископаемые виды топлива являются не возобновляемыми ресурсами и, в конечном счете, закончатся. На данный момент важно найти новые решения и установить альтернативные источники топлива для будущего.

Пока одни ученые решают вопрос увеличения коэффициента нефтеотдачи продуктивных пластов, а другие ищут пути получения газообразного топлива из горючих сланцев, третьи пришли к выводу, что потребность в топливе можно удовлетворить обычным дедовским методом. Речь идет о "твердых нефтепродуктах", природном топливе - дровах. Идею "старую как мир" подхватили специалисты Стэнфордского университета в США, к ним присоединились и ученые университета штата Джорджия. Конечно, здесь нужны особые быстрорастущие сорта деревьев типа ольхи или платанов, которые дают до 40 т древесины с 1 га в год.

Платан - Platanus - могучее дерево с густой раскидистой кроной и толстым стволом - родоначальник обширного семейства платановых. Всео насчитывается в роду платанов около 10 видов. Высота платана достигает 60м, а длина окружности ствола - до 18м! Ствол платана ровной цилиндрической формы, кора зеленовато - серого цвета, отслаивающаяся. Листья платана пальчато-лопастные, с удлиненными черешками.

После вырубки деревьев платанов на земле остается листва, которую можно использовать для природного удобрения. Древесина платана измельчается в дробилках и подается в топку электростанций. Участок насаждения платанов в 125 км2 может обеспечить энергией город с населением 80 тыс. человек. На вырубленных площадях уже через 2-4 года из побегов вновь вырастут новые деревья платаны, пригодные для топлива. Ученые посчитали, что если 3 % территории России и Украины отвести под „энергетические плантации платанов" для выращивания природного топлива, то страны могли бы полностью удовлетворить свои потребности в топливе за счет дров.

Главным преимуществом использования "выращенного природного топлива", в противоположность "ископаемому топливу" (каменный уголь, природный газ и нефть) является то, что в процессе роста энергетический лес платанов адсорбирует углекислый газ, который позже высвобождается при его горении. Это значит, что при сжигании платанов в атмосферу выбрасывается такое количество СО2, которое поглощалось платаном во время его роста. При сжигании же ископаемого топлива, мы увеличиваем содержание СО2 в атмосфере, а это главная причина глобального потепления.

Новое топливо перспективно как ценный возобновляемый источник энергии и это будет более важным в будущем. Уже сегодня, например, крупнейшая в Европе электростанция на платане, находится в Зиммеринге (Австрия). Ее мощность 66 МВт,при ежегодном потреблении 190 тысяч тонн платана, выращиваемом здесь же в радиусе 100 км. А в Германии мощность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.

Новые виды топлива

Американским сторонникам „дровенизации" бытовой теплоэнергетики вторят их коллеги из Европы. В Бельгии, например, в 1988г газета „Саар" напечатала статью, где назвала дрова природным топливом будущего, как альтернативу применения нефтепродуктов. Для этих же целей предлагается использовать и макулатуру. Там в магазинах уже продается ручной пресс для изготовления брикетов из макулатуры, не уступающие по своей калорийности буроугольным.

Также можно купить специальные экономичные печи, работающие по принципу газогенератора, конструкция которых препятствует уходу тепла через дымовую трубу. Дрова и брикеты макулатуры сгорают в этой печи очень медленно: вязанка - за 8 ч. При этом дрова сгорают полностью, отсутствует выделение в атмосферу золы и сажи. Отапливание помещений такими печами очень выгодно, ведь килограмм дров при сравнимой калорийности стоит в 10 раз меньше литра жидкого топлива, для хранения которого еще и требуются специальные емкости топлива .

В нимание другой группы американских ученых привлекли быстрорастущие бурые водоросли. Морские насаждения предлагается перерабатывать в газообразный метан с помощью бактерий. Также возможно получение нефтеподобные веществ путем нагревания. По расчетам, природная ферма в океане площадью насаждений 40 тыс. га сможет в будущем снабжать энергией город с населением 50 тыс. человек. Ученые из Франции предлагают использовать в качестве альтернативного топлива одноклеточные водоросли. Оказывается, эти микроскопические организмы выделяют углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. Выращивая водоросли в специальных емкостях и снабжая их углекислым газом и минеральными солями, можно регулярно „собирать урожай углеводородов" и получать природное топливо.

Естественные природные „бензоколонки АЗС" обнаружены и в тропиках Южной Америки, на Филиппинах. Некоторые виды лиан и тропических деревьев содержат природное топливо - "солярку", которую даже не надо подвергать перегонке. Альтернативное топливо из лиан прекрасно горит в автомобильных моторах, давая менее токсичный выхлоп, чем бензин. Подходит для производства топ-лива и пальмовое масло, из которого сравнительно легко можно получать „солярку".

Но пока это все в области научной фантастики. Более реален проект получения синтетического топлива из древесного угля. Довольно простой метод разработан учеными США. Уголь измельчается, обрабатывается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород. Из тонны угля получается почти 650 л синтетического топлива, из которой можно вырабатывать синтетический бензин.

Ученые США всерьез занялись подземной газификацией угольных пластов. Методом пиролиза из него получают 40 % метанового газа, 45 % кокса и 3 % жидкого топлива. Специалистами разработан совсем неожиданный способ получения топлива будущего... из мусора. Из отходов жизнедеятельности человека предварительно извлекают магнитные и немагнитные металлы, которые вдальнейшем отправляют в переплавку. Новая технология переработки отходов стекла позволяет получить из осколков стекло более дешевое и более высокого качества, чем исходное сырье. Остатки мусора перерабатываются в кокс, метановый газ и жидкое топливо. „Мусорные" нефтепродукты испытывали на опытных установках - горят прекрасно. Из тонны мусора таким способом „добывают" от 6 до 20 долларов. В 1976 - 1977 гг. в Сан-Диего вступил в строй специальный завод для переработки мусора.

Однако, над подобной проблемой успешно работают и в Великобритании. Здесь разработана и в натоящее время работает установка переработки мусора, в которой под действием высоких температур при сгорании вдуваемого кислорода из мусора (пластмассовые упаковки и бутылки, пищевые отбросы, обрывки газет, тряпки и т.д.) получают синтетические нефтепродукты и метановый газ с водородом. Жидкое синтетическое топливо и газ предполагают хранение в резервуарах и использовать частично для работы дизеля, а частично для переплавки битого стекла, из которого можно получать строительные блоки. В будущем планируется переработка мусора в старых доменных печах. Это даст высокую производительность, экономию времени и средств на постройку новых мусоросжигающих заводов. Как показали эксперименты, в дело пойдет и остающийся шлак - он пригоден для замены гравия при выполнении бетонных работ .

А вот еще два способа получения синтетического бензина. Французский инженер А. Ротлисберже получил альтернативный бензин из сухих стеблей кукурузы. Автор утверждает, что новое топливо будущего с октановым числом 98 вполне можно добывать из соломы, опилок, ботвы овощей и других отходов, содержащих целлюлозные волокна. Под нажимом правительственных структур изобретатель засекретил технологию синтеза нового топлива, но известно, что качество нового бензина во многом зависит от сложных стабилизирующих добавок, вводимых в спирты и изопропиниловые эфиры, получаемые из целлюлозы. Новое альтернативное топливо не детонирует, сгорает без дыма и запахов. Его можно смешивать в любых пропорциях с обычным бензином. При этом в будущем, конструктивных изменений в двигателях не требуется. Франция намерена со временем довести производство нового бензина до 20 млн.т в год.

Еще один изобретатель искусственного бензина живет в Швейцарии. Исходным материалом служит щепа, кукурузная шелуха, полиэтиленовые пакеты. Да вот беда, „бензин будущего" пахнет самогоном. Изобретателю приходится платить 8 % налога как за изготовление алкогольных напитков. Тем не менее 1 л искусственного „бензина будущего" стоит в 2 раза дешевле настоящего, а автомобиль работает исправно, как новый.

Разработки изобретателей не ограничиваются только искусственным бензином, предлагаются оригинальные методы получения углеводородного газа для бытовых целей. Один из которых разработан в Германии. В качестве нового источника альтернативной энергии будущего выступает свалка мусора в пригородном местечке Шверборн. При заполнении свалки под ней заложили сеть газовых колодцев и трубопроводов. Оказывается, 1 кг мусора дает до 200 л газа, из которого 100 литров - метан. Пока на свалке "добывают" в час 40 м3 газа.
Новое топливо отапливает производственные помещения. Планируется сооружение теплоцентрали на альтернативном топливе для отопления поселка. По расчетам, затраты на получение альтернативного топлива окупятся за 3,5 года.

Второй способ еще более неожиданный. С предложением выступили власти г. Оттапалам в штате Керала (Индия). Рецепт нового топлива следующий: Колодец заполняется коровьим навозом и герметично закрывается. Образующийся при брожении газ по подсоединенным трубам отводится к газовым плитам в домах. Такая биогазовая установка полностью удовлетворяет потребность семьи в биоэнергии для домашнего пользования. Сегодня в Индии разработаны и применяются 53 модели биогазовых систем. Ими эффективно пользуются около 3,5 млн. семей. Правительство страны активно поддерживает распространение биогазовых установок. Уже сейчас за счет этого экономится около 1,2 млрд. рупий в год.

Солнечная энергия - технология будущего

В начале статьи мы упоминали различные новые технологии получения энергии. Фотоэлектрические системы (или солнечные батареи) – это еще одна «технология будущего», применяющаяся уже сегодня.

Сейчас многие используют солнечные батареи в качестве основного или резервного источника электроэнергии для жилых домов и офисных зданий. Если вы недавно были на море, то могли заметить, что в навигационных буях также применяют энергию солнечных батарей. Уже давно они «взяты на вооружение» военными: во время операции «Буря в пустыне» полевые радиостанции были оснащены облегченными солнечными батареями ECD.

В будущем масштабы использования солнечных батарей будут только расти. Недавно компания ECD, в сотрудничестве с Texaco, предложила технологию использования энергии солнца для электроснабжения нефтедобывающего оборудования на нефтяном месторождении площадью двести гектаров в Бейкерсфилде (штат Калифорния). Ранее для добычи трех баррелей нефти один сжигали в парогенераторе. Использование солнечной энергии не только приведет к снижению расхода невосполнимых ресурсов, но и уменьшит вредные выбросы и шум.

Для промышленности важны три источника сырья: нефть, газ и каменный уголь .

Нефть.

Нефть - это темная, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде , которая содержит разветвленные и неразветвленные алканы , циклоалканы. Состав зависит от месторождения.

Нефть является основным материалом для получения органических соединений методом сухой перегонки (пиролизом, карбонизацией). Основные продукты - ароматические углеводороды и их производные. Получают в основном красители, синтетические жиры и масла .

С ростом значения нефти совершенствовались способы химической переработки. В настоящее время около 90% синтетических органических соединений получены из нефти и ее производных.

Лабораторные и промышленные методы получения нефти.

Между лабораторным и промышленным способами получения нефти имеется ряд существенных различий, а именно:

• цена (в лаборатории используются малые количества реактивов, когда как в промышленности необходимы большие объемы. Поэтому в лаборатории могут использоваться дорогие и редкие соединения, а в промышленности нужно обходиться наименьшими затратами. Или использование вредных ядовитых веществ в лаборатории вполне допустимо из-за наличия вытяжных шкафов, то в промышленных масштабах это крайне опасно.);
• тепло. В промышленности подвод тепла весьма дорог для реакций, проводимых при умеренно повышенных и нармальных температурах, когда как для лаборатории такие синтезы легко осуществимы;
• чистота смеси. В лаборатории обычно работают с чистыми веществами, когда в промышленности, в основном, со смесями;
• круговорот веществ. Если в промышленности можно смеси разделять различными химическими процессами (перегонкой, фильтрованием, непрерывными процессами), то для лаборатории это нерентабельно. В промышленности имеет место цикличность процессов, когда непрореагировавшее вещество можно снова ввести в цикл процесса переработки, а в лаборатории такое осуществляется с большим трудом.

Переработка нефти.

В промышленности используют дробную перегонку «сырой нефти», в результате чего последняя разделяется на несколько фракций, которые имеют различные температуры кипения:

Бензиновая фракция состоит из петролейного эфира и экстракционного бензина. Состав фракции варьируется от С 6 - С 9 . Вся фракция является весомым нефтепродуктом, т.к. служит топливом для двигателей внутреннего сгорания.

Керосин (С 9 -С 16) используется в отопительных приборах, а также является топливом для самолетов и турбинных двигателей.

Газойль (дизельное топливо) служит топливом для дизельных двигателей.

Смазочные масла (С 20 - С 50) используются в качестве смозочных материлов.

Мазут (остаток) - используют как топливо, его перегоняют в результате чего получают высококипящую углеводородную фракцию.

Химические превращения углеводородов, содержащихся в нефти.

Значимость топлива в современном мире значительно возрастает. Именно по этой причине нашли самый оптимальный способ получения бензина из высококипящих фракций - крекинг - нагрев высших алканов без доступа воздуха, вследствие чего происходит распад на низшие и высшие углеводороды:

Если крекинг протекает без использования катализатора, то он называется термическим. Если же в качестве катализатора используют SiO 2 или Al 2 O 3 , то это каталитический крекинг. Продуктом таких процессов является этан и пропен, которые стали важным сырьем для промышлености.

Для совершенствования качеств бензина проводят реформинг и алкилирование.

Риформинг (изомеризация) - процесс, в котором неразветвленные алканы при нагревании с катализатором превращаются в более разветвленные с большим октановым числом. Например,

Алкилирование - процесс, при котором смесь алканов и алкенов превращается в разветвлённые соединения с большим октановым числом, при использовании в качестве катализатора - кислоты :

Природный газ.

Природный газ - совокупнсть газов, состав которых зависит от месторождения. В основном, это смесь метана, этана и пропана, но еще могут встретиться небольшие количества азота, высших алканов, углерода , гелия (редко).

Природный газ является промышленным топливом, важнейшим соединением служит синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода):

Его можно получить воздействием раскаленного кокса с водяным паром, соединение, которое получается в данном процессе, носит название водяной газ :

Именно из оксида углерода и водорода получают метанол:

Реакция протекает под давлением в присутствие катализаторов.

Каменный уголь.

Каменный уголь служит сырьем для получения ароматических углеводородов. Схематически процесс можно представить так:

Аналогично можно получить толуол.

При сухой перегонке при высоких температурах получают смесь твердых, жидких и газообразных продуктов.

Газофазным продуктом является коксовый газ , основным компонентом которого является водород и метан.

Жидкий продукт представляет собой деготь , из которого выделяют большое количество фенола, крезола, нафталина, тиофена, антрацена.

Твердым продуктом является кокс .

Природные источники углеводородов.

Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.

каменный уголь	торф	нефть	природный газ
твердый	твердый	жидкость	газ
без запаха	без запаха	резкий запах	без запаха
однородный состав	однородный состав	смесь веществ	смесь веществ
горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений	скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер	природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов	смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород
Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива
7 000 - 9 000	500 - 2 000	10000 - 15000	?

Каменный уголь.

Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.

Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.

Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.

Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:

1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);

2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);

3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);

4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).

Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.

При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.

Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.

Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.

Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;

nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.

Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).

В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.

Природный газ.

Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .

Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:

Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.

Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.

Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.

Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.

В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.

Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.

Природные источники углеводородов

Нефть, газ и каменный уголь

11.11.2011

МОУ ПСШ№1

Отинова Валентина Андреевна 10(4)кл

1. Нефть

a) Физические свойства:

фракционная перегонка

б) Химические свойства:

крекинг, термический, каталитический крекинг

в) Получение

г) Применение

2. Газ

a) Получение

б) Применение

3. Каменный уголь

a) Каменный уголь, коксование

б) Применение

Заключение

Нефть

Физические свойства

Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим

запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,

иногда почти черная, очень редко бесцветная.

Главнейшим свойством нефти, принесшим им мировую славу исключительных

энергоносителей, является их способность выделять при сгорании значительное

количество теплоты. Нефть и ее производные обладают наивысшей среди всех

видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина

– 42 МДж/кг. Важным показателем для нефти является температура кипения,

которая зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и

колеблется от 50 до 550°С.

Нефть, как и любая жидкость, при определенной температуре закипает и

переходит в газообразное состояние. Различные компоненты нефти переходят в

газообразное состояние при различной температуре. Так, температура кипения

метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°С. Легкие нефти

кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.

Нефть можно разделить на ее составляющие, для этого ее очищают от механических примесей или подвергают так называемой фракционной перегонке.

Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.

Перегонка осуществляется в специальных установках – ректификационных колоннах, в которых повторяют цикл конденсации и испарения жидких веществ, содержащихся в нефти.

Схема промышленной установки непрерывной перегонки нефти

В ректификационную колонну поступает нефть, нагретая в трубчатой печи до температуры 320-350 °С. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями - так называемые тарелки, на которых происходит конденсация фракции нефти.

В процессе ректификации нефти разделяется на следующие фракции:

• Ректификационные газы – смесь низкомолекулярных углеводородов(пропан, бутан)
• Газолиновая фракция (бензин) углеводороды от C 5 H 12 – С 11 H 24
• Лигроиновая фракция – углеводороды от C 8 H 18 – C 14 H 30
• Керосиновая фракция – углеводороды от C 12 H 26 – C 18 H 38
• Дизельное топливо – углеводороды от C 13 H 28 – C 19 H 36

Остаток перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с числом атомов углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазут получают соляровое масло (C 18 H 28 - C 25 H 52), смазочные масла(C 28 H 58 – C 38 H 78), вазелин и парафин – легкоплавкие смеси твердых углеводородов. Твердый остаток перегонки мазута – гудрон и продукты его переработки – битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий.

Химические свойства

Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода –

11,0 – 14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три

элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5

– 8 %. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы:

ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец,

хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не

превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. Указанные элементы образуют

органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти.

Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может

встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.

В результате полученные ректификации нефти продукты подвергаются химической переработке, включающий ряд сложных процессов. Один из них – крекинг нефтепродуктов.

Крекинг – термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле.

Существуют несколько видов крекинга: термический, каталитический крекинг, крекинг высокого давления, восстановительный крекинг.

Термический крекинг – расщепление молекул углеводородов с длинной углеродной цепью на более короткие под действием высокой температуры(470-550°С). Алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.

Например:

C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8

В общем виде это процесс можно выразить схемой:

C n H 2n+2 C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k

При обычном термическом крекинге образуется много низкомолекулярных газообразных углеводородов, которые используют как сырье для получения спиртов, карбоновых кислот, высокомолекулярных соединений (полиэтилен).

Каталитический крекинг происходит в присутствии катализаторов, в качестве которых используют природные алюмосиликаты состава n Al 2 O 3 * m SiO 2 при температуре 500°С. Осуществление крекинга с применением катализаторов приводит к образованию углеводородов, имеющих разветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле.

Крекинг нефтепродуктов протекает при высоких температурах, поэтому часто образуется нагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает его активность. Очистка от нагара – его регенерация – основное условие практического осуществления каталитического крекинга. Наиболее простым способ регенерации катализатора является его обжиг, при котором происходит окисление нагара кислородом воздуха.

Каталитический крекинг – гетерогенный процесс, в котором участвуют твердое (катализатор) и газообразные (пары углеводородов) вещества. Гетерогенные реакции (газ – твердое вещество) протекают быстрее при увеличении площади поверхности твердого вещества. Поэтому катализатор измельчают, а его регенерацию и крекинг углеводородов ведут в «кипящем слое», знакомом вам по производству серной кислоты.

Сырье для крекинга, например газойль, поступает в реактор(схема). Нижняя часть реактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья весьма высока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы катализатора и уносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диаметра скорость потока понижается. Под действием силы тяжести частицы катализатора падают в нижнюю, более узкую часть реактора, откуда вновь выносятся вверх. Таким образом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном движении и со всех сторон омывается газообразным реагентом.

Схема установки каталитического крекинга в кипящем слое

Некоторые зерна катализатора попадают во внешнюю, более широкую часть реактора и, встречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываются потоком газа и уносятся в регенератор. Использование катализаторов крекинга позволяет несколько увеличить скорость реакции, уменьшить ее температуру, повысить качество продуктов крекинга.

Полученные углеводороды бензиновой фракции в основном имеют линейное строение, приводит к невысокой детонационной устойчивости полученного бензина.

Получение

Месторождение нефти содержит, большие скопления попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород. Попутный нефтяной газ, как и нефть, является ценным природным источником углеводородов. По составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:

• Газовый бензин (пентан и гексан);
• Пропан - бутановую смесь (пропан и бутан);
• Сухой газ (метан и этан).

Применение

Газовый бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и так же добавкой к моторному топливу, для облегчения запуска двигателей в зимних условиях. Пропан - бутановую смесь применяют как бытовое топливо и для заполнения зажигалок. Сухой газ широко используют в качестве топлива. Нефтяной газ используется в качестве сырья для химических производств. Из алканов в ходящий в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и их производные. Газообразные углеводороды могут образовывать самостоятельные скопления – месторождение природного газа.

Природный газ

Природный газ – смесь газообразных предельных углеводородов с не большой молекулярной массой. Основным компонентом газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Так же в природный газ входят этан, пропан, бутан, изобутан, азот и углекислый газ.

Получение

Месторождения природного газа находятся в пористых горных породах, образовавшихся в результате тектонических сдвигов. Слои, покрывающие эти породы, не пропускают газ. Состав природного газа существенно отличается от одного месторождения к другому. Поэтому перед использованием природный газ должен проходить обработку, позволяющую удалить ненужные компоненты, например, сернистокислую соль, воду и т.д. Обработка, как правило, осуществляется на месте добычи. При этом особую сложность представляет удаление серных соединений, поскольку при их сжигании выделяется токсичный сернистый газ (SO 2).

Применение

Природный газ используется как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ. Из метана получают водород, ацетилена и метилового спирта, формальдегид и муравьиную кислоту. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах. Ценность природного газа как горючего состоит еще и в том, что это экологически чистое минеральное топливо. При его сгорании образуется гораздо меньше вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Поэтому природный газ является одним из главных источников энергии в человеческой деятельности.

В химической промышленности природный газ используется как сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс, каучука, спирта, органических кислот. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, не существующие в природе, например, полиэтилен.

Каменный уголь

Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Каменный уголь состоит из органических и неорганических веществ, например, как вода, аммиак, сероводород и углерод - уголь.

Коксование – способ переработки каменного угля, прокаливание без доступа воздуха. При температуре около 1000°С, в результате коксования образуются:

Краткое описание

Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим
запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,
иногда почти черная, очень редко бесцветная.

Наиболее важными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть, каменный уголь.

По запасам природного газа первое место в мире принадлежит нашей стране. В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий примерный состав (по объему): 80–98 % метана, 2–3 % его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода Н 2 S, азота N 2 , благородных газов, оксида углерода(IV) CO 2 и паров воды H 2 O. Состав газа специфичен для каждого месторождения. Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.

Природный газ широко используется как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1м 3 выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Кроме того, природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности: получения ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.

Попутные нефтяные газы находятся в залежах вместе с нефтью: они растворены в ней и находятся над нефтью, образуя газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность газы вследствие резкого падения давления отделяются от нее. Раньше попутные газы не находили применения и при добыче нефти сжигались факельным способом. В настоящее время их улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но больше этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в природном газе: H 2 S, N 2 , благородные газы, пары Н 2 О, CO 2 . Из попутных газов извлекают индивидуальные углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), их переработка позволяет получать путем дегидрирования непредельные углеводороды – пропилен, бутилен, бутадиен, из которых затем синтезируют каучуки и пластмассы. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин (смесь пентана с гексаном) применяют как добавку к бензину для лучшего воспламенения горючего при запуске двигателя. Окислением углеводородов получают органические кислоты, спирты и другие продукты.

Нефть – маслянистая горючая жидкость темно-бурого или почти черного цвета с характерным запахом. Она легче воды ( = 0,73–0,97 г/ см 3), в воде практически нерастворима. По составу нефть – сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.

Нефть состоит главным образом из жидких углеводородов (в них растворены твердые и газообразные углеводороды). Обычно это алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и арены, соотношение которых в нефтях различных месторождений колеблется в широких пределах. Уральская нефть содержит больше аренов. Кроме углеводородов, нефть содержит кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.

Сырая нефть обычно не применяется. Для получения из нефти технически ценных продуктов ее подвергают переработке.

Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:

бензин (t кип = 40–200 °С) содержит углеводороды С 5 –С 11 ,

лигроин (t кип = 150–250 °С) содержит углеводороды С 8 –С 14 ,

керосин (t кип = 180–300 °С) содержит углеводороды С 12 –С 18 ,

газойль (t кип > 275 °С),

а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут.

Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла: веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после отгонки – гудрон – после частичного окисления применяется для получения асфальта. Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более 20 %).

Продукты перегонки нефти имеют различное применение.

Бензин в больших количествах используется как авиационное и автомобильное топливо. Он состоит обычно из углеводородов, содержащих в молекулах в среднем от 5 до 9 атомов С. Лигроин применяется как горючее для тракторов, а также как растворитель в лакокрасочной отрасли промышленности. Большие количества его перерабатывают в бензин. Керосин применяется как горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет, а также для бытовых нужд. Соляровое масло – газойль – используется как моторное топливо, а смазочные масла – для смазки механизмов. Вазелин используется в медицине. Он состоит из смеси жидких и твердых углеводородов. Парафин применяется для получения высших карбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей, для изготовления свечей, гуталина и т.д. Он состоит из смеси твердых углеводородов. Мазут помимо переработки на смазочные масла и бензин используется в качестве котельного жидкого топлива.

При вторичных методах переработки нефти происходит изменение структуры углеводородов, входящих в ее состав. Среди этих методов большое значение имеет крекинг углеводородов нефти, проводимый с целью повышения выхода бензина (до 65–70 %).

Крекинг – процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов С в молекуле. Различают два основных вида крекинга: термический и каталитический.

Термический крекинг проводится при нагревании исходного сырья (мазута и др.) при температуре 470–550 °С и давлении 2–6 МПа. При этом молекулы углеводородов с большим числом атомов С расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов как предельных, так и непредельных углеводородов. Например:

(радикальный механизм),

Таким способом получают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает 70 %. Термический крекинг открыт русским инженером В.Г.Шуховым в 1891 г.

Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при 450–500 °С и атмосферном давлении. Этим способом получают авиационный бензин с выходом до 80 %. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления протекают реакции изомеризации. В результате последних образуются предельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина:

Бензин каталитического крекинга обладает более высоким качеством. Процесс его получения протекает значительно быстрее, с меньшим расходом тепловой энергии. К тому же при каталитическом крекинге образуется относительно много углеводородов с разветвленной цепью (изосоединений), представляющих большую ценность для органического синтеза.

При t = 700 °С и выше происходит пиролиз.

Пиролиз – разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. При пиролизе нефти основными продуктами реакции являются непредельные газообразные углеводороды (этилен, ацетилен) и ароматические – бензол, толуол и др. Поскольку пиролиз нефти – один из важнейших путей получения ароматических углеводородов, то этот процесс часто называют ароматизацией нефти.

Ароматизация – превращение алканов и циклоалканов в арены. При нагревании тяжелых фракций нефтепродуктов в присутствии катализатора (Pt или Mo) углеводороды, содержащие 6–8 атомов С в молекуле, превращаются в ароматические углеводороды. Эти процессы протекают при риформинге (облагораживание бензинов).

Риформинг – это ароматизация бензинов, осуществляемая в результате нагревания их в присутствии катализатора, например Pt. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, вследствие чего октановое число бензинов также существенно повышается. Ароматизацию применяют для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола) из бензиновых фракций нефти.

В последние годы углеводороды нефти широко используются как источник химического сырья. Различными способами из них получают вещества, необходимые для производства пластмасс, синтетического текстильного волокна, синтетического каучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств, взрывчатых веществ, ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.

Каменный уголь так же, как природный газ и нефть, является источником энергии и ценным химическим сырьем.

Основной метод переработки каменного угля – коксование (сухая перегонка). При коксовании (нагревании до 1000 °С – 1200 °С без доступа воздуха) получаются различные продукты: кокс, каменноугольная смола, надсмольная вода и коксовый газ (схема).

Схема

Кокс используют в качестве восстановителя при производстве чугуна на металлургических заводах.

Каменноугольная смола служит источником ароматических углеводородов. Ее подвергают ректификационной перегонке и получают бензол, толуол, ксилол, нафталин, а также фенолы, азотсодержащие соединения и др. Пек – густая черная масса, оставшаяся после перегонки смолы, используется для приготовления электродов и кровельного толя.

Из надсмольной воды получают аммиак, сульфат аммония, фенол и др.

Коксовый газ применяют для обогревания коксовых печей (при сгорании 1м 3 выделяется около 18000 кДж), но в основном его подвергают химической переработке. Так, из него выделяют водород для синтеза аммиака, используемого затем для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат аммония, этилен.