Викопне паливо - нафта, кам'яне вугілля, горючий сланець, природний газ. Тест природні джерела вуглеводнів та їх переробка Основними природними джерелами вуглеводнів є
ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДОРОДІВ
Вуглеводні всі такі різні -
Рідкі та тверді, та газоподібні.
Чому так багато їх у природі?
Справа в ненаситному вуглеці.
Справді, цей елемент, як ніякий інший, “ненаситний”: він і прагне утворювати то ланцюга, прямі і розгалужені, то кільця, то сітки з безлічі своїх атомів. Звідси безліч сполук атомів вуглецю і водню.
Вуглеводні – це природний газ – метан, та інший побутовий горючий газ, яким наповнюють балони – пропан С 3 Н 8 . Вуглеводні - це і нафта, і бензин, і гас. А ще - органічний розчинник С 6 Н 6 парафін, з якого зроблені новорічні свічки, вазелін з аптеки і навіть поліетиленовий пакетдля упаковки продуктів.
Найважливішими природними джерелами вуглеводнів є корисні копалини – кам'яне вугілля, нафту, газ.
КАМ'ЯНЕ ВУГІЛЛЯ
На земній кулі відомо більше 36 тисячвугільних басейнів та родовищ, які в сукупності займають 15% території земної кулі. Вугільні басейни можуть тягнутися на тисячі кілометрів. Усього загальногеологічні запаси вугілля на земній кулі становлять 5 трлн. 500 млрд. тонн, у тому числі розвідані родовища - 1 трлн. 750 млрд. тонн.
Розрізняють три основні види копалин вугілля. При горінні бурого вугілля антрациту - полум'я невидиме, згоряння бездимне, а кам'яне вугілля при горінні видає гучний тріск.
Антрацит– найдавніший з копалин вугілля. Відрізняється великою щільністю та блиском. Містить до 95% вуглецю.
Кам'яне вугілля– містить до 99% вуглецю. З усіх копалин вугілля знаходить найширше застосування.
Буре вугілля– містить до 72% вуглецю. Має бурий цвіт. Як наймолодший з викопних вугілля, часто зберігає сліди структури дерева, з якого він утворився. Відрізняється великою гігроскопічністю та високою зольністю ( від 7% до 38%),тому використовується тільки як місцеве паливо та як сировину для хімічної переробки. Зокрема, шляхом його гідрогенізації отримують цінні види рідкого палива: бензин та гас.
Вуглець основна складова частина кам'яного вугілля( 99% ), бурого вугілля ( до 72%). Походження назви вуглець, тобто “вугілля, що народжує”. Аналогічно і латинська назва "карбонеум" в основі містить корінь карбо-вугілля.
Як і нафту, кам'яне вугілля містить велика кількістьорганічні речовини. Крім органічних речовин, до його складу входять і неорганічні речовини, такі як вода, аміак, сірководень і, звичайно ж, сам вуглець – вугілля. Одним із основних способів переробки кам'яного вугілля є коксування – прожарювання без доступу повітря. В результаті коксування, яке проводять при температурі 1000 0 С, утворюється:
Коксовий газ- До його складу входять водень, метан, чадний і вуглекислий газ, домішки аміаку, азоту та інших газів.
Кам'яновугільна смола – містить кілька сотень різних органічних речовин, у тому числі бензол та його гомологи, фенол та ароматичні спирти, нафталін та різні гетероциклічні сполуки.
Надсмольна або аміачна вода - Містить, як ясно з назви, розчинений аміак, а також фенол, сірководень та інші речовини.
Кокс- Жорсткий залишок коксування, практичний чистий вуглець.
Кокс використовується у виробництві чавуну та сталі, аміак – у виробництві азотних та комбінованих добрив, а значення органічних продуктів коксування важко переоцінити. Яка ж географія поширення цієї корисної копалини?
Основна частина вугільних ресурсів посідає північну півкулю – Азію, Північну Америку, Євразію. Які ж країни виділяються за запасами та видобутком вугілля?
Китай, США, Індія, Австралія, Росія.
Головними експортерами є країни.
США, Австралія, Росія, ПАР.
Основні центри імпорту.
Японія, Зарубіжна Європа.
Це дуже екологічно брудне паливо. При видобутку вугілля відбуваються вибухи та спалаху метану, виникають певні проблеми, пов'язані з навколишнім середовищем.
Забруднення навколишнього середовища – це будь-яка небажана зміна стану цього середовища внаслідок господарської діяльності. Це і при видобутку з корисними копалинами. Уявімо ситуацію в районі видобутку вугілля. Разом з вугіллям на поверхню піднімається величезна кількість порожньої породи, яку через непотрібність просто відправляють у відвали. Поступово утворюються терикони– величезні, за десятки метрів заввишки, конусоподібні гори порожньої породи, що спотворюють вигляд природного ландшафту. А чи все вугілля, підняте на поверхню, обов'язково буде вивезене споживачеві? Звичайно, ні. Адже процес негерметичний. Величезна кількість вугільного пилу осідає на поверхню ґрунту. В результаті змінюється склад грунтів, ґрунтових вод, що неминуче вплине на тварину та рослинний світрайону.
Вугілля містить радіоактивний вуглець - З, але після спалювання палива небезпечна речовина разом з димом потрапляє у повітря, воду, ґрунт, спікається у шлак або золу, що використовується для виробництва будівельних матеріалів. В результаті, в житлових будинках стіни та перекриття "фонять" і становлять загрозу для здоров'я людини.
НАФТА
Нафта відома людству з давніх часів. На березі Євфрату вона добувалась
6-7 тис. років до зв. е . Використовувалася вона для освітлення житла, для приготування будівельних розчинів, як ліки та мазі, при бальзамуванні. Нафта в стародавньому світі була грізною зброєю: вогняні річки лилися на голови фортечних стін, що штурмували, палаючі стріли, змочені в нафті, летіли в обложені міста. Нафта була складовоюзапального засобу, що увійшло в історію під назвою "грецького вогню".У середні віки вона використовувалася головним чином для освітлення вулиць.
Нафтогазоносних басейнів розвідано більше 600, розробляється 450 , а загальна кількість нафтових родовищ сягає 50 тисяч.
Розрізняють легку та важку нафту. Легку нафту витягають з надр насосами або фонтанним способом. З такої нафти роблять здебільшого бензин та гас. Тяжкі сорти нафти іноді видобувають навіть шахтним способом (у Республіці Комі), і готують із неї бітум, мазут, різні олії.
Нафта найбільш універсальне, висококалорійне паливо. Її видобуток відрізняється відносною простотою та дешевизною, адже при видобутку нафти немає потреби опускати під землю людей. Транспортування нафти трубопроводами не становить великої проблеми. Головний недолік цього виду палива – невисока ресурсозабезпеченість (близько 50 років ) . Загальногеологічні запаси дорівнюють 500 млрд. тонн, у тому числі розвідані 140 млрд. тонн .
В 2007 Цього року російські вчені довели світовій спільноті, що підводні хребти Ломоносова і Менделєєва, які знаходяться в Північному Льодовитому океані, є шельфовою зоною материка, а отже належать Російській Федерації. Про склад нафти, її властивості розповість учитель хімії.
Нафта – це “потік енергії”. За допомогою лише 1мл її можна нагріти на один градус ціле відро води, а щоб закип'ятити відерний самовар, потрібно менше половини склянки нафти. По концентрації енергії в одиниці обсягу нафту посідає перше місце серед природних речовин. Навіть радіоактивні руди що неспроможні конкурувати із нею цьому плані, оскільки вміст них радіоактивних речовин настільки малі, що з вилучення 1мг. ядерного палива треба переробити тонни гірських порід.
Нафта – це не лише основа паливно-енергетичного комплексу будь-якої держави.
Тут до місця відомі слова Д. І. Менделєєва "спалювати нафту - це те, що топити піч асигнаціями”. У кожній краплі нафти міститься більше 900 різних хімічних сполук, більше половини хімічних елементів періодичної системи. Це справді диво природи, основа нафтохімічної промисловості. Приблизно 90% всієї нафти, що видобувається, використовується як паливо. Незважаючи на “ свої 10%” , нафтохімічний синтез забезпечує отримання багатьох тисяч органічних сполук, які задовольняють нагальні потреби сучасного суспільства. Недарма люди шанобливо називають нафту “чорним золотом”, “кров'ю Землі”.
Нафта - масляниста темно-коричнева рідина з червонуватим або зеленуватим відтінком, іноді чорна, червона, синя або світла і навіть прозора з характерним різким запахом. Буває нафта біла чи безбарвна, як вода (наприклад, у Суруханському родовищі Азербайджані, у деяких родовищах Алжирі).
Склад нафти неоднаковий. Але всі вони зазвичай містять вуглеводні трьох видів – алкани (переважно нормальної будови), циклоалкани та ароматичні вуглеводні. Співвідношення цих вуглеводнів у нафти різних родовищ буває різне: наприклад, нафту Мангишлака багата алканами, а нафту у районі Баку – циклоалканами.
Основні запаси нафти знаходяться у північній півкулі. Усього 75 країн світу видобувають нафту, але 90% її видобутку посідає частку всього 10 країн. Біля ? світових запасів нафти посідає країни, що розвиваються. (Вчитель називає та показує на карті).
Основні країни виробники:
Саудівська Аравія, США, Росія, Іран, Мексика.
Водночас більше 4/5 споживання нафти посідає частку економічно розвинених країн, що є головними країни-імпортери:
Японія, Зарубіжна Європа, США.
Нафта у сирому вигляді ніде немає, а знаходять застосування продукти нафтопереробки.
Переробка нафти
Сучасна установка складається з печі для нагрівання нафти та колони ректифікації, де нафта поділяється на фракції –окремі суміші вуглеводнів відповідно до їх температур кипіння: бензин, лігроїн, гас. У печі є згорнута у змійовик довга труба. Пекти обігрівається продуктами згоряння мазуту або газу. У змійовик безперервно подається нафта: там вона нагрівається до 320 - 350 0 Си у вигляді суміші рідини та пари надходить у колону ректифікації. Ректифікаційна колона – це сталевий циліндричний апарат заввишки близько 40м. Вона має всередині кілька десятків горизонтальних перегородок із отворами – так звані тарілками. Пари нафти, надходячи в колону, піднімаються нагору і проходять через отвори в тарілках. Поступово охолоджуючись під час свого руху вгору, вони частково зріджуються. Вуглеводні менш леткі зріджуються вже на перших тарілках, утворюючи газойльову фракцію; більш леткі вуглеводні збираються вище та утворюють гасову фракцію; ще вище – лігроїнову фракцію. Найбільш леткі вуглеводні виходять у вигляді пари з колони і після конденсації, утворюють бензин. Частина бензину подається назад у колону для “зрошення”, що сприяє кращому режиму роботи. (Запис у зошиті). Бензин - містить вуглеводні С5 - С11, що киплять в інтервалі від40 0 С до 200 0 С; лігроїн - містить вуглеводні С8 - С14 з температурою кипіння від 120 0 С до 240 0 С; гас - містить вуглеводні С12 - С18, що киплять при температурі від180 0 С до 300 0 С; газойль - містить вуглеводні С13 - С15 відганяють при температурі від 230 0 С до 360 0 С; мастила-С16 - С28, киплять при температурі 350 0 С і вище.
Після відгону з нафти світлих продуктів залишається в'язка чорна рідина – мазут. Він є цінною сумішшю вуглеводнів. З мазуту шляхом додаткової перегонки отримують мастила. Частину мазуту, що не переганяється, називають гудроном, який використовується в будівництві і при асфальтуванні доріг. (Демонстрація фрагмента відеофільму). Найбільш цінною фракцією прямої перегонки є бензин. Проте вихід цієї фракції вбирається у 17-20% від маси сирої нафти. Виникає проблема: як задовольнити усі зростаючі потреби суспільства в автомобільному та авіаційному паливі? Рішення було знайдено наприкінці 19 століття російським інженером Володимиром Григоровичем Шуховим. В 1891 році він вперше здійснив промисловий крекінґгасової фракції нафти, що дозволило збільшити вихід бензину до 65-70% (у розрахунку сиру нафту). Тільки за розробку процесу термічного крекінгу нафтопродуктів вдячне людство золотими літерами вписало ім'я цієї унікальної людини в історію цивілізації.
Отримані в результаті ректифікації нафти продукти піддають хімічної переробки, що включає низку складних процесів, Один з них - крекінгу нафтопродуктів (від англійського "Сracking"-розщеплення). Розрізняють кілька видів крекінгу: термічний, каталітичний, крекінгу високого тиску, відновлювальний. Термічний крекінг полягає в розщепленні молекул вуглеводнів з довгим ланцюгом більш короткі під дією високої температури (470-550 0 C). У процесі цього розщеплення поряд з алканами утворюються алкени:
В даний час найбільш поширений каталітичний крекінгу. Він проводиться при температурі 450-500 0 С, але з більшою швидкістю і дозволяє отримувати бензин вищої якості. В умовах каталітичного крекінгу поряд з реакціями розщеплення йдуть реакції ізомеризації, тобто перетворення вуглеводнів нормальної будови на вуглеводні розгалужені.
Ізомеризація впливає якість бензину, оскільки наявність розгалужених вуглеводнів сильно підвищує його октанове число. Крекінг відносять до так званих вторинних процесів нафтопереробки. До вторинних відносять і низку інших каталітичних процесів, наприклад, риформінг. Ріформінг– це ароматизація бензинів шляхом нагрівання їх у присутності каталізатора, наприклад, платини. У цих умовах алкани і циклоалкани перетворюються на ароматичні вуглеводні, внаслідок чого октанове число бензинів також значно підвищується.
Екологія та нафтопромисел
Для нафтохімічного виробництва особливо актуальна проблема довкілля. Видобуток нафти пов'язані з витратами енергії та забрудненням довкілля. Небезпечним джерелом забруднення Світового океану є морський нафтовидобуток, а також Світовий океан забруднюється при транспортуванні нафти. Кожен із нас бачив по телевізору наслідки аварій нафтоналивного танкера. Чорні, вкриті шаром мазуту берега, чорний прибій, дельфіни, що задихаються, Птахи, крила яких у в'язкому мазуті, люди в захисних костюмах, що збирають нафту лопатами і відрами. Хочу навести дані серйозної екологічної катастрофи, що сталася у Керченській протоці у листопаді 2007 року. У воду потрапили 2 тисячі тонн нафтопродуктів та близько 7 тисяч тонн сірки. Найбільше через катастрофу постраждали коса Тузла, що знаходиться на стику Чорного та Азовського морів, та коса Чушка. Після аварії мазут осел на дно із-за чого загинула дрібна черепашка-серцевидка-основна їжа мешканців моря. На відновлення екосистеми піде 10 років. Загинуло понад 15 тисяч птахів. Літр нафти, потрапивши у воду, розтікається на її поверхні плямами площею 100 кв.м. Нафтова плівка, хоч і дуже тонка, утворює непереборну перешкоду на шляху кисню з атмосфери у водну товщу. В результаті порушується кисневий режим та океан "задихається".Гине планктон, що є основою харчового ланцюгаокеану. В даний час нафтовими плямами покрито вже близько 20% площі Світового океану, і площа, уражена нафтовим забрудненням, зростає. Крім того, що нафтовою плівкою покритий Світовий океан, ми можемо спостерігати її і на суші. Наприклад, на нафтових родовищах Західного Сибіруна рік проливається нафти більше, ніж уміщує танкер – до 20 млн. тонн. Близько половини цієї нафти потрапляє на землю внаслідок аварій, решта – “планові” фонтани та витоку при запуску свердловин, розвідувальному бурінні, ремонт трубопроводів. Найбільша площа нафтозабруднених земель, за даними Комітету довкілляЯмало-Ненецького автономного округу припадає на Пуровський район.
ПРИРОДНИЙ І ПОПУТНИЙ НАФТОВОЇ ГАЗИ
У природному газі містяться вуглеводні з низькою молекулярною масою, основними компонентами є метан. Його вміст у газі різних родовищ коливається від 80% до 97%. Окрім метану – етан, пропан, бутан. Неорганічні: азот-2%; СО2; Н2О; Н2S, благородні гази. При згорянні газу виділяється багато тепла.
За своїми властивостями природний газ як паливо перевершує навіть нафту, він більш калорінний. Це наймолодша галузь паливної промисловості. Газ ще простіше видобувають та транспортують. Це найекономічніше з усіх видів палива. Є, щоправда, і недоліки: складне міжконтинентальне транспортування газу. Танкери – метанавози, що перевозять газ у зрідженому стані є виключно складними дорогими конструкціями.
Застосовується в якості: ефективного палива, сировини в хімічній промисловості, у виробництві ацетилену, етилену, водню, сажі, пластмаси, оцтової кислоти, барвників, медикаментів та ін. видобутку. У нафтовому газі міститься менше метану, але більше пропану, бутану та інших вищих вуглеводнів. А де газ видобувається?
Понад 70 країн світу мають промислові запаси газу. Причому, як і у випадку з нафтою, дуже великими запасами мають країни, що розвиваються. Але видобуток газу ведуть переважно розвинені країни. Вони мають змогу його використання чи спосіб продавати газ іншим країнам, що з ними однією материку. Міжнародна торгівля газом менш активна, ніж торгівля нафтою. На міжнародний ринок надходить близько 15% газу, що видобувається у світі. Майже 2/3 світового видобутку газу дають Росія та США. Безперечно, провідним регіоном газовидобутку не тільки нашої країни, а й у світі є Ямало-Ненецький автономний округ, де ця галузь розвивається вже 30 років. Наше місто Новий Уренгой по праву визнане газовою столицею. До найбільших родовищ відносяться Уренгойське, Ямбурзьке, Ведмеже, Заполярне. Уренгойське родовище включено до "Книги рекордів Гіннеса". Запаси та видобуток родовища унікальні. Розвідані запаси перевищують 10 трлн. м 3 з моменту експлуатації вже видобуто 6 трлн. м3. У 2008 році ВАТ "Газпром" планує видобути на Уренгойському родовищі 598 млрд. м3 "блакитного золота".
Газ та екологія
Недосконалість технології видобутку нафти та газу, їх транспортування обумовлює постійне спалювання обсягу газу на тепло-агрегатах компресорних станцій та у смолоскипах. Перед компресорних станцій припадає близько 30% цих викидів. На факельних установках щорічно спалюється близько 450 тис. тонн природного та попутного газу, при цьому в атмосферу надходить понад 60 тис. тонн забруднюючих речовин.
Нафта, газ, кам'яне вугілля – це цінна сировина для хімічної промисловості. У недалекому майбутньому їм буде знайдено заміну в паливно-енергетичному комплексі нашої країни. В даний час вчені ведуть пошук шляхів використання енергії сонця та вітру, ядерного пального з метою повної заміни нафти. Найперспективнішим видом палива майбутнього є водень. Скорочення використання нафти в теплоенергетиці – шлях як до раціональнішому її застосуванню, до збереження цієї сировини майбутніх поколінь. Вуглеводнева сировина повинна використовуватися тільки в переробній промисловості для отримання різноманітної продукції. На жаль, ситуація поки не змінюється, і до 94% нафти, що видобувається, служить паливом. Д. І. Менделєєв мудро говорив: "Спалювати нафту - це те, що топити піч асигнаціями".
Згадайте: дистиляція (перегонка) - спосіб поділу суміші летких рідин методом поступового випарювання з наступною конденсацією.
Нафта. Перегонка нафти
Багато органічних речовин, з якими ви маєте справу в повсякденному житті, - пластмаси, фарби, миючі засоби, ліки, лаки, розчинники - синтезовані з вуглеводнів. У природі є три основні джерела вуглеводнів - нафта, природний газ та кам'яне вугілля.
Нафта - одна з найважливіших корисних копалин. Неможливо уявити наше життя без нафти та продуктів її переробки. Не дарма країни, багаті на нафту, відіграють важливу роль у світовій економіці.
Нафта – це темна масляниста рідина, що залягає у земній корі (рис. 29.1). Вона є однорідною сумішшю з кількох сотень речовин — переважно насичених вуглеводнів з числом атомів Карбону в молекулі від 1 до 40.
Для переробки цієї суміші використовують як фізичні, і хімічні методи. Спочатку нафту поділяють на прості суміші - фракції - шляхом перегонки (дистиляції або ректифікації), заснованої на тому, що різні речовини у складі нафти киплять при різних температурах(Табл. 12). Перегонка відбувається в колоні ректифікації при значному нагріванні (рис. 29.2). Фракції з найбільшими температурами кипіння, що розкладаються при високій температурі, переганяють при зниженому тиску
Таблиця 12. Фракції перегонки нафти
Число атомів Карбону в молекулах |
Температура кипіння, °С |
Застосування |
|
Понад 200 про З |
|||
Автомобільне пальне |
|||
Паливо, сировина для синтезу |
|||
Авіаційний бензин |
|||
Дизельне пальне |
|||
Тяжкий газойль (мазут) |
Паливо для теплоелектростанцій |
||
При нагріванні розкладається, переганяють при зниженому тиску |
Виробництво асфальту, бітуму, парафіну, мастильних матеріалів, паливо для котелень. |
Україна досить багата на запаси нафти. Основні родовища зосереджені у трьох нафтогазоносних регіонах: східному (Сумська, Полтавська, Чернігівська та Харківська області), західному (Львівська та Івано-Франківська області) та південному (Причорномор'ї, шельфи Азовського та Чорного морів). Запаси нафти в Україні оцінюються близько 2 млрд тонн, але значна частина їх зосереджена на великих глибинах (5-7 км). Щорічний видобуток нафти в Україні становить близько 2 млн. тонн за потреби в 16 млн. тонн, тому, на жаль, Україна поки що змушена імпортувати значні обсяги нафти.
Хімічна переробка нафтопродуктів
Деякі продукти перегонки нафти можна використовувати відразу, без подальшої переробки, це бензин і гас, але вони становлять лише 20-30% нафти. До того ж після перегонки бензин виходить низької якості (з невеликим октановим числом, тобто при стисканні двигуна він вибухає, а не згоряє). Двигун, що працює на такому паливі, видає характерний стукіт і швидко виходить з ладу. Для підвищення якості бензину та збільшення його виходу нафту піддають хімічній переробці.
Один з найважливіших способів хімічної переробки нафти - крекінгу (від англ. to crack - розщеплювати, ламати, оскільки при крекінгу відбувається розрив карбонових ланцюгів) (рис. 29.3). При нагріванні до 500 ° С без доступу повітря в присутності спеціальних каталізаторів довгі молекули алканів розщеплюються більш дрібні. При крекінгу з насичених вуглеводнів утворюється суміш легких насичених та ненасичених вуглеводнів, наприклад:
Завдяки цьому процесу збільшується вихід бензину та гасу. Такий бензин іноді називають крекінг-бензином.
Однією з характеристик, що визначає якість бензину, є октанове число, яке показує можливість детонації (вибуху) паливно-повітряної суміші в двигуні. Чим вище значення октанового числа, тим менша ймовірність детонації, а отже, вища якість бензину. Гептан непридатний як моторне паливо, він детонує з більшою ймовірністю, тоді як ізооктан (2,2,4-триметилпентан) має протилежні властивості — він майже не детонує у двигуні. Ці дві речовини стали основою шкали визначення якості бензину - шкали октанових чисел. У цій шкалі гептан отримав значення 0, а ізооктан - 100. Згідно з цією шкалою, бензин з октановим числом 95 має такі ж детонаційні властивості, як і суміш 95% ізооктану і 5% гептану.
Переробка нафти відбувається на спеціальних підприємствах – нафтопереробних заводах. Там проводять як ректифікацію сирої нафти, і хімічну переробку отриманих нафтопродуктів. В Україні є шість нафтопереробних заводів: в Одесі, Кременчуці, Херсоні, Лисичанську, Надвірнянську та Дрогобичі. Сумарна потужність усіх українських підприємств з переробки нафти перевищує 52 млн. тонн на рік.
Природний газ
Друге за важливістю джерело вуглеводневої сировини - це природний газ, головною складовою якого є метан (93-99%). Природний газ використовують насамперед як ефективне паливо. При його згорянні не утворюється ні зола, ні отруйний чадний газ, тому газ вважається екологічно чистим паливом.
Багато природного газу використовує хімічна промисловість. Переробка газу зводиться головним чином отримання ненасичених вуглеводнів і синтез-газу. Етилен і ацетилен утворюються при відщепленні водню від нижчих алканів:
Синтез-газ - суміш карбон(П) оксиду і водню - отримують нагріванням метану з водяною парою:
З цієї суміші, використовуючи різні каталізатори, синтезують оксигенсодержащие сполуки - метиловий спирт, оцтову кислоту та ін.
При пропущенні над кобальтовим каталізатором синтез-газ перетворюється на суміш алканів, що є синтетичним бензином:
Кам'яне вугілля
Ще одним джерелом вуглеводнів є кам'яне вугілля. У хімічній промисловості його переробляють шляхом коксування - нагрівання до 1000 ° С без доступу повітря (рис. 29.5, с. 170). При цьому утворюються кокс та кам'яновугільна смола, маса якої становить лише кілька відсотків від маси вугілля. Кокс використовують як відновник металургії (наприклад, для отримання заліза з його оксидів).
Кам'яновугільна смола містить кілька сотень органічних сполук, переважно ароматичних вуглеводнів, які одержують із неї перегонкою.
Кам'яне вугілля також використовують як паливо, проте при цьому виникають великі екологічні проблеми. По-перше, вугілля містить негорючі домішки, які при згорянні палива перетворюються на шлаки; по-друге, у складі вугілля містяться невеликі кількості сполук Сульфура та Нітрогену, при згорянні яких утворюються оксиди, що забруднюють атмосферу. За запасами вугілля Україна посідає одне з перших місць у світі. На території, що дорівнює 0,4% світової, в Україні зосереджено близько 5% світових запасів енергетичної сировини, 95% з яких припадає саме на кам'яне вугілля (близько 54 млрд тонн). У 2015 році видобуток вугілля склав 40 млн тонн, що майже вдвічі менше, ніж у 2011 році. Сьогодні в Україні 300 кам'яновугільних шахт, причому 40 % з них добувають коксівне вугілля (яке можна переробляти на кокс). Видобуток зосереджений переважно у Донецькій, Луганській, Дніпропетровській та Волинській областях.
Лінгвістична задача
На грецькому pyro означає "вогонь", а lysis - "розкладання". Як ви вважаєте, чому терміни «крекінг» та «піроліз» часто використовують як синоніми?
Ключова ідея
Основними джерелами вуглеводнів для промисловості є нафта, кам'яне вугілля та природний газ. Для більш ефективного застосування ці природні копалини необхідно переробити виділення окремих речовин чи сумішей.
Контрольні питання
334. Назвіть основні природні джерела вуглеводнів.
335. На чому ґрунтується фізичний метод поділу нафти на фракції?
336. На які фракції поділяють нафту під час перегонки? Охарактеризуйте їхнє застосування. Який продукт переробки нафти є найціннішим для сучасного суспільства?
337. Чим відрізняються найважливіші нафтопродукти за хімічним складом?
338. Використовуючи інформацію про це та попередні параграфи, опишіть використання природного газу в хімічній промисловості.
339. Які основні продукти добувають коксування кам'яного вугілля?
340. Чому вугілля під час переробки нагрівають без доступу повітря?
341. Чому природний газ кращий за кам'яне вугілля як паливо?
342. Які речовини та матеріали видобувають переробкою кам'яного вугілля та природного газу?
Завдання для засвоєння матеріалу
343. У процесі крекінгу вуглеводню C20H42 утворюються два продукти з однаковим числом атомів Карбону в молекулах. Складіть рівняння реакції.
344. У чому полягає принципова відмінність крекінгу нафти від ректифікації?
345. Як ви вважаєте, чому за прямої перегонки нафти не вдається переробити її на бензин більш ніж на 20 %?
346. Проаналізуйте рис. 29.2 та опишіть, як відбувається перегонка нафти.
347. Складіть рівняння реакцій одержання етилену та ацетилену з компонентів природного газу.
348. Один із компонентів бензину - це вуглеводень C 8 H 18 . Складіть рівняння реакції його одержання з карбон(І) оксиду та водню.
349. При повному згорянні бензину у двигуні утворюються вуглекислий газ та вода. Складіть рівняння реакції згоряння бензину, якщо вважати, що він складається з вуглеводнів складу C8H18.
350. У вихлопних газах автомобілів містяться отруйні речовини: карбон(П) оксид та нітроген(^) оксид. Поясніть, у яких хімічних реакцій вони утворилися.
351. У скільки разів збільшиться об'єм паливно-повітряної суміші, що складається з 40 мл парів октану та 3 л повітря під час запалювання? При розрахунках прийміть, що повітря міститься 20 % кисню (за обсягом).
352. Бензин, що продається у країнах з теплим кліматом, складається з вуглеводнів з більшою молекулярною масою, ніж бензин, який реалізують у країнах із холодним кліматом. Припустіть, чому нафтопереробники надходять таким чином.
353*. Нафта містить стільки цінних органічних речовин, що Д. І. Менделєєв говорив: "Спалювати нафту в топці - це майже те, що топити асигнаціями". Як ви розумієте цей вислів? Запропонуйте методи оптимального використання природних джерел вуглеводнів.
354*. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про матеріали та речовини, сировиною для яких є нафта, природний газ або вугілля. Чи можна виготовити їх без використання природних джерел вуглеводнів? Чи можна людству відмовитись від використання цих матеріалів? Відповідь обґрунтуйте.
355*. Використовуючи знання, отримані на уроках географії у 8 та 9 класах, опишіть діючі та перспективні басейни та райони видобутку вугілля, нафти, природного газу в Україні. Чи погоджують розташування підприємств із переробки цих джерел вуглеводнів зі своїми родовищами.
Це матеріал підручника
Найбільш важливими джерелами вуглеводнів є природне та попутні нафтові гази, нафта, кам'яне вугілля.
За запасами природного газуперше місце у світі належить нашій країні. У природному газі містяться вуглеводні з низькою молекулярною масою. Він має наступний зразковий склад (за обсягом): 80–98 % метану, 2–3 % його найближчих гомологів – етану, пропану, бутану та невелику кількість домішок – сірководню Н 2 S, азоту N 2 , благородних газів, оксиду вуглецю (IV ) CO 2 та пари води H 2 O . Склад газу специфічний кожному за родовища. Існує така закономірність: що вище відносна молекулярна маса вуглеводню, тим менше його міститься у природному газі.
Природний газ широко використовується як дешеве паливо з високою теплотворною здатністю (при спалюванні 1м 3 виділяється до 54400 кДж). Це один із кращих видівпалива для побутових та промислових потреб. Крім того, природний газ є цінною сировиною для хімічної промисловості: отримання ацетилену, етилену, водню, сажі, різних пластмас, оцтової кислоти, барвників, медикаментів та інших продуктів.
Попутні нафтові газиперебувають у покладах разом із нафтою: вони розчинені у ній і перебувають над нафтою, утворюючи газову “шапку”. При вилученні нафти поверхню гази внаслідок різкого падіння тиску відокремлюються від неї. Раніше попутні гази не знаходили застосування і при видобутку нафти спалювалися смолоскипним способом. В даний час їх уловлюють і використовують як паливо та цінну хімічну сировину. У попутних газах міститься менше метану, ніж у природному газі, але більше етану, пропану, бутану та вищих вуглеводнів. Крім того, в них присутні в основному ті ж домішки, що і в природному газі: H 2 S, N 2 благородні гази, пари Н 2 О, CO 2 . З попутних газів вилучають індивідуальні вуглеводні (етан, пропан, бутан і т.д.), їх переробка дозволяє отримувати шляхом дегідрування ненасичені вуглеводні – пропілен, бутилен, бутадієн, з яких потім синтезують каучуки та пластмаси. Суміш пропану та бутану (скраплений газ) застосовують як побутове паливо. Газовий бензин (суміш пентану з гексаном) застосовують як добавку до бензину для кращого займання пального під час запуску двигуна. Окисленням вуглеводнів отримують органічні кислоти, спирти та інші продукти.
Нафта- масляниста горюча рідина темно-бурого або майже чорного кольору з характерним запахом. Вона легша за воду ( = 0,73-0,97 г/см 3 ), у воді практично нерозчинна. За складом нафта - складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, тому вона не має певної температури кипіння.
Нафта складається головним чином рідких вуглеводнів (в них розчинені тверді і газоподібні вуглеводні). Зазвичай це алкани (переважно нормальної будови), циклоалкани і арени, співвідношення яких у нафтах різних родовищ коливається у межах. Уральська нафта містить більше аренів. Крім вуглеводнів, нафта містить кисневі, сірчисті та азотисті органічні сполуки.
Сира нафта зазвичай не застосовується. Для отримання з нафти технічно цінних продуктів її переробляють.
Первинна переробканафти полягає у її перегонці. Перегонку виробляють на нафтопереробних заводах після відокремлення попутних газів. При перегонці нафти одержують світлі нафтопродукти:
бензин ( tкип = 40-200 ° С) містить вуглеводні З 5 -З 11 ,
лігроїн ( tкип = 150-250 ° С) містить вуглеводні З 8 -З 14
гас ( tкип = 180-300 ° С) містить вуглеводні З 12 -З 18
газойль ( tкіп > 275 °С),
а у залишку – в'язку чорну рідину – мазут.
Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під зменшеним тиском (щоб попередити розкладання) і виділяють мастила: веретене, машинне, циліндрове та ін. З мазуту деяких сортів нафти виділяють вазелін та парафін. Залишок мазуту після відгону – гудрон – після часткового окиснення застосовується для отримання асфальту. Головний недолік перегонки нафти – мінімальний вихід бензину (трохи більше 20 %).
Продукти перегонки нафти мають різне застосування.
Бензину великих кількостях використовується як авіаційне та автомобільне паливо. Він складається зазвичай з вуглеводнів, що містять молекулах в середньому від 5 до 9 атомів С. Лігроїнзастосовується як пальне для тракторів, а також як розчинник у лакофарбовій галузі промисловості. Великі кількості його переробляють на бензин. Гасзастосовується як пальне для тракторів, реактивних літаків та ракет, а також для побутових потреб. Солярова олія – газойль– використовується як моторне паливо, а мастила– для мастила механізмів. Вазелінвикористовується у медицині. Він складається із суміші рідких та твердих вуглеводнів. Парафінзастосовується для отримання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників та олівців, для виготовлення свічок, гуталіну тощо. Він складається із суміші твердих вуглеводнів. Мазуткрім переробки на мастила та бензин використовується як котельне рідке паливо.
При вторинних методів переробкинафти відбувається зміна структури вуглеводнів, що входять до її складу. Серед цих методів велике значення має крекінгу вуглеводнів нафти, що проводиться з метою підвищення виходу бензину (до 65-70%).
Крекінг– процес розщеплення вуглеводнів, які у нафти, у результаті якого утворюються вуглеводні з меншою кількістю атомів З молекулі. Розрізняють два основні види крекінгу: термічний та каталітичний.
Термічний крекінгпроводиться при нагріванні вихідної сировини (мазуту та ін.) при температурі 470-550 ° С та тиску 2-6 МПа. При цьому молекули вуглеводнів з великою кількістю атомів З розщеплюються на молекули з меншим числом атомів як граничних, так і ненасичених вуглеводнів. Наприклад:
(радикальний механізм),
У такий спосіб отримують головним чином автомобільний бензин. Вихід його з нафти сягає 70%. Термічний крекінг відкритий російським інженером В.Г.Шуховим у 1891 р.
Каталітичний крекінгпроводиться в присутності каталізаторів (зазвичай алюмосилікатів) при 450-500 ° С атмосферному тиску. Цим способом отримують авіаційний бензин із виходом до 80%. Такому виду крекінгу піддається переважно гасова та газойльова фракції нафти. При каталітичному крекінгу поряд з реакціями розщеплення протікають реакції ізомеризації. В результаті останніх утворюються граничні вуглеводні з розгалуженим вуглецевим скелетом молекул, що покращує якість бензину:
Бензин каталітичного крекінгу має більш високу якість. Процес його отримання протікає значно швидше, із меншою витратою теплової енергії. До того ж при каталітичному крекінгу утворюється відносно багато вуглеводнів з розгалуженим ланцюгом (з'єднань), що становлять велику цінність для органічного синтезу.
При t= 700 °З вище відбувається піроліз.
Піроліз– розкладання органічних речовин без доступу повітря за високої температури. При піролізі нафти основними продуктами реакції є ненасичені газоподібні вуглеводні (етилен, ацетилен) та ароматичні – бензол, толуол та ін. Оскільки піроліз нафти – один з найважливіших шляхів отримання ароматичних вуглеводнів, цей процес часто називають ароматизацією нафти.
Ароматизація– перетворення алканів та циклоалканів на арени. При нагріванні важких фракцій нафтопродуктів у присутності каталізатора (Pt або Mo) вуглеводні, що містять 6-8 атомів С у молекулі, перетворюються на ароматичні вуглеводні. Ці процеси протікають при риформінг (облагоджування бензинів).
Ріформінг– це ароматизація бензинів, що здійснюється внаслідок нагрівання їх у присутності каталізатора, наприклад, Pt. У цих умовах алкани та циклоалкани перетворюються на ароматичні вуглеводні, внаслідок чого октанове число бензинів також суттєво підвищується. Ароматизацію застосовують для отримання індивідуальних ароматичних вуглеводнів (бензолу, толуолу) із бензинових фракцій нафти.
Останніми роками вуглеводні нафти широко використовуються як джерело хімічної сировини. Різними способами їх отримують речовини, необхідні виробництва пластмас, синтетичного текстильного волокна, синтетичного каучуку, спиртів, кислот, синтетичних миючих засобів, вибухових речовин, отрутохімікатів, синтетичних жирів тощо.
Кам'яне вугіллятак само, як природний газ і нафта, є джерелом енергії та цінною хімічною сировиною.
Основний метод переробки кам'яного вугілля коксування(Суха перегонка). При коксуванні (нагріванні до 1000 ° С – 1200 ° С без доступу повітря) виходять різні продукти: кокс, кам'яновугільна смола, надсмольна вода та коксовий газ (схема).
Схема
Кокс використовують як відновник при виробництві чавуну на металургійних заводах.
Кам'яновугільна смола є джерелом ароматичних вуглеводнів. Її піддають ректифікаційної перегонці і одержують бензол, толуол, ксилол, нафталін, а також феноли, азотовмісні сполуки та ін. Пек – густа чорна маса, що залишилася після перегонки смоли, використовується для приготування електродів та покрівельного толю.
З надсмольної води одержують аміак, сульфат амонію, фенол та ін.
Коксовий газ застосовують для обігріву коксових печей (при згорянні 1м 3 виділяється близько 18000 кДж), але в основному його піддають хімічній переробці. Так, з нього виділяють водень для синтезу аміаку, який потім використовується для отримання азотних добрив, а також метан, бензол, толуол, сульфат амонію, етилен.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
МОСКІВСЬКИЙ КОМІТЕТ ОСВІТИ
ПІВДЕННО-СХІДНЕ ОКРУЖНЕ УПРАВЛІННЯ
Середня загальноосвітня школа№506 із поглибленим вивченням економіки
ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДОРОДІВ, ЇХ ОТРИМАННЯ І ЗАСТОСУВАННЯ
Ковчегін Ігор 11б
Тищенко Віталій 11б
РОЗДІЛ 1. ГЕОХІМІЯ НАФТИ І РОЗВЕДЕННЯ ПАЛЬНИХ КОПАЛЬНИХ
1.1 Походження горючих копалин
1.2 Газонефтеродні гірські породи
РОЗДІЛ 2. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА
ГЛАВА 3. ПРОМИСЛОВЕ ОТРИМАННЯ ВУГЛЕВОДОРОДІВ
ГЛАВА 4. ПЕРЕРОБКА НАФТИ
4.1 Фракційна перегонка
4.2 Крекінг
4.3 Ріформінг
4.4 Очищення від сірки
ГЛАВА 5. ЗАСТОСУВАННЯ ВУГЛЕВОДОРОДІВ
5.1 Алкани
5.2 Алкени
5.3 Алкін
РОЗДІЛ 6. АНАЛІЗ СТАНУ НАФТОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
ГЛАВА 7. ОСОБЛИВОСТІ ТА ОСНОВНІ ТЕНДЕНЦІЇ ДІЯЛЬНОСТІ НАФТОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
РОЗДІЛ 1. ГЕОХІМІЯ НАФТИ І РОЗВЕДЕННЯ ПАЛЬНИХ КОПАЛЬНИХ
1 .1 Походження горючих копалин
Перші теорії, у яких розглядалися принципи, що визначають залягання родовищ нафти, зазвичай обмежувалися переважно питанням місцях її накопичення. Однак за останні 20 років стало ясно, що для відповіді на це питання необхідно розібратися в тому, чому, коли і в яких кількостях відбулося утворення нафти в тому чи іншому басейні, а також зрозуміти та встановити, внаслідок яких процесів вона зароджувалася, мігрувала та накопичувалася. Ці відомості абсолютно необхідні підвищення результативності розвідки нафти.
Утворення вуглеводневих копалин, згідно з сучасними поглядами, відбувалося внаслідок перебігу складної послідовності геохімічних процесів (див. рис. 1) усередині вихідних газонафтородних гірських порід. У цих процесах складові частини різних біологічних систем (речовин природного походження) перетворювалися на вуглеводні і меншою мірою на полярні сполуки з різною термодинамічною стійкістю - в результаті осадження речовин природного походження та подальшого їх перекриття осадовими породами, під впливом підвищеної температури та підвищеного тиску в поверхневих шари земної кори. Первинна міграція рідких і газоподібних продуктів з вихідного газонафтородного шару і подальша їх вторинна міграція (через несучі горизонти, зрушення і т. п.) в пористі нафтонасичені гірські породи призводить до утворення покладів вуглеводневих матеріалів, подальша міграція яких запобігає. .
В екстрактах органічної речовини з осадових гірських порід біогенного походження виявляються сполуки з такою самою хімічною структурою, якими є сполуки, що витягуються з нафти. Для геохімії мають особливо важливе значення деякі з таких сполук, які вважаються «біологічними мітками» («хімічними копалинами»). Подібні вуглеводні мають багато спільного з сполуками, що зустрічаються в біологічних системах(наприклад, з ліпідами, пігментами та метаболітами), з яких відбулося утворення нафти. Ці сполуки не тільки демонструють біогенне походження природних вуглеводнів, а й дозволяють отримувати дуже важливу інформацію про газонафтоносні гірські породи, а також про характер дозрівання та походження, міграцію та біорозкладання, що призвели до утворення конкретних родовищ газу та нафти.
Малюнок 1 Геохімічні процеси, що призводять до утворення викопних вуглеводнів.
1. 2 Газонефтеродні гірські породи
Газонефтеродною гірською породою вважається дрібнодисперсна осадова порода, яка при природному осадженні привела або могла призвести до утворення та виділення значних кількостей нафти та (або) газу. Класифікація таких гірських порід заснована на обліку вмісту та типу органічної речовини, стану його метаморфічної еволюції (хімічних перетворень, що відбуваються при температурах приблизно 50-180 °С), а також природи та кількості вуглеводнів, які можуть бути отримані з нього. Органічна речовина кероген Кероген (від грец. керос, що означає "віск", і ген, що означає "утворюючий") - розсіяне в гірських породах органічна речовина, нерозчинне в органічних розчинниках, неокисляючих мінеральних кислотах та основах. в осадових гірських породах біогенного походження може виявлятися в найрізноманітніших формах, але його можна поділити на чотири основні типи.
1) Ліптиніти- мають дуже високий вміст водню, але низький вміст кисню; їхній склад обумовлений наявністю аліфатичних вуглецевих ланцюгів. Передбачається, що ліптиніт утворилися в основному з водоростей (зазвичай зазнали бактеріального розкладання). Вони мають високу здатність до перетворення на нафту.
2) Екзтити- мають високий вміст водню (проте нижче, ніж у ліптинітів), багаті аліфатичними ланцюгами і насиченими нафтенами (аліциклічними вуглеводнями), а також ароматичними циклами і кисневмісними функціональними групами. Ця органічна речовина утворюється з таких рослинних матеріалів, як суперечки, пилок, кутикули та інші структурні частини рослин. Екзініти мають хорошу здатність до перетворення на нафту і газовий конденсат Конденсат - вуглеводнева суміш, газоподібна в родовищі, але конденсується в рідину при витягуванні на поверхню. , але в вищих стадіях метаморфічної еволюції й у газ.
3) Вітршити- мають низький вміст водню, високий вміст кисню і складаються в основному з ароматичних структур з короткими аліфатичними ланцюгами, пов'язаними з функціональними групами. Вони утворені із структурованих деревних (лігноцелюлозних) матеріалів і мають обмежену здатність перетворюватися на нафту, але хорошу здатність перетворюватися на газ.
4) Інертиніти- це чорні непрозорі уламкові породи (з високим вмістом вуглецю і низьким вмістом водню), які утворилися з деревних попередників, що сильно змінилися. Вони не мають здатності перетворюватися на нафту і газ.
Головними факторами, якими розпізнається газонафтородна порода, є вміст у ній керогену, тип органічної речовини в керогені та стадія метаморфічної еволюції цієї органічної речовини. Хорошими газонафто-рідними породами вважаються ті, які містять 2-4% органічної речовини такого типу, з якої можуть утворюватися і вивільнятися відповідні вуглеводні. За сприятливих геохімічних умов утворення нафти може походити з осадових порід, що містять органічну речовину типу ліптініту та екзиніту. Утворення родовищ газу зазвичай відбувається в гірських породах, багатих вітринітом або в результаті термічного крекінгу нафти, що спочатку утворилася.
Внаслідок подальшого поховання опадів органічної речовини під верхніми шарамиосадових порід ця речовина піддається впливу все більш високих температур, що призводить до термічного розкладання керогену та утворення нафти та газу. Утворення нафти в кількостях, що становлять інтерес для промислової розробки родовища, відбувається за певних умов за часом і температурі (глибині залягання), причому час освіти тим більше, що нижча температура (це легко зрозуміти, якщо припустити, що реакція протікає за рівнянням першого порядку і має ареніусівську залежність від температури). Наприклад, та ж кількість нафти, яка утворилася при температурі 100°С приблизно за 20 мільйонів років, має утворитися за температури 90°С за 40 мільйонів років, а при температурі 80°С - за 80 мільйонів років. Швидкість утворення вуглеводнів з керогену приблизно подвоюється у разі підвищення температури на кожні 10°С. Проте хімічний складкерогену. може бути надзвичайно різноманітним, і тому зазначене співвідношення між часом дозрівання нафти та температурою цього процесу можна розглядати лише як основу для наближених оцінок.
Сучасні геохімічні дослідження показують, що у континентальному шельфі Північного морязбільшення глибини на кожні 100 м супроводжується підвищенням температури приблизно на 3°С, а це означає, що багаті на органічну речовину осадові породи утворювали рідкі вуглеводні на глибині 2500-4000 м протягом 50-80 мільйонів років. Легкі нафти і конденсати, мабуть, утворювалися на глибині 4000-5000 м-коду, а метан (сухий газ) - на глибині понад 5000 м-коду.
РОЗДІЛ 2. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА
Природними джерелами вуглеводнів є горючі копалини - нафту та газ, вугілля та торф. Поклади сирої нафти і газу виникли 100-200 мільйонів років тому з мікроскопічних морських рослин і тварин, які виявилися включеними в осадові породи, що утворилися на дні моря. .
Природний газ та сира нафта зазвичай виявляються разом із водою у нафтоносних шарах, розташованих між шарами гірських порід (рис. 2). Термін «природний газ» застосовується також до газів, які утворюються в природних умовахвнаслідок розкладання вугілля. Природний газ та сира нафта розробляються на всіх континентах, за винятком Антарктиди. Найбільшими виробникамиприродного газу у світі є Росія, Алжир, Іран та Сполучені Штати. Найбільшими виробниками сирої нафти є Венесуела, Саудівська Аравія, Кувейт та Іран.
Природний газ складається головним чином метану (табл. 1).
Сира нафта являє собою маслянисту рідину, забарвлення якої може бути найрізноманітнішим - від темно-коричневого або зеленого до майже безбарвного. У ній міститься велика кількість алканів. Серед них є нерозгалужені алкани, розгалужені алкани та циклоалкани з числом атомів вуглецю від п'яти до 40. Промислова назва цих циклоалканів-начтен. У сирій нафті, крім того, міститься приблизно 10% ароматичних вуглеводнів, а також невелика кількість інших сполук, що містять сірку, кисень та азот.
Рисунок 2 Природний газ та сира нафта виявляються у пастках між шарами гірських порід.
Таблиця 1 Склад природного газу
Вугілляє найдавнішим джерелом енергії, з яким знайоме людство. Він є мінералом (рис. 3), який утворився з рослинної речовини в процесі метаморфізму.Метаморфічними називаються гірські породи, склад яких зазнав змін в умовах високих тисків, а також високих температур. Продуктом першої стадії у процесі утворення вугілля є торф,який являє собою органічну речовину, що розклалася. Вугілля утворюється з торфу після того, як воно покривається осадовими породами. Ці осадові породи називаються перевантаженими. Перевантажені опади зменшують вміст вологи у торфі.
У класифікації вугілля використовуються три критерії: чистота(Визначається відносним вмістом вуглецю у відсотках); тип(Визначається складом вихідної рослинної речовини); сортність(залежить від ступеня метаморфізму).
Таблиця 2. Вміст вуглецю в деяких видах палива та їх теплотворна здатність
Найбільш низькосортними видами викопного вугілля є буре вугілляі лігніт(Табл. 2). Вони найближче до торфу і характеризуються порівняно низьким вмістом вуглецю та високим вмістом вологи. Кам'яне вугілляхарактеризується меншим вмістом вологи і широко використовується у промисловості. Найсухіший і найтвердіший сорт вугілля - це Антрацит.Його використовують для опалення житла та приготування їжі.
Останнім часом завдяки технічним досягненням стає дедалі економічнішою газифікація вугілляПродукти газифікації вугілля включають моноксид вуглецю, діоксид вуглецю, водень, метан та азот. Вони використовуються як газоподібне паливо або як сировина для отримання різних хімічних продуктів і добрив.
Вугілля, як це викладено нижче, є важливим джерелом сировини для отримання ароматичних сполук.
Малюнок 3 Варіант молекулярної моделі низькосортного вугілля. Вугілля є складною сумішшю хімічних речовин, до складу яких входять вуглець, водень і кисень, а також невеликі кількості азоту, сірки та домішки інших елементів. Крім того, до складу вугілля в залежності від його сорту входить різна кількістьвологи та різних мінералів.
Вуглеводні, що зустрічаються в біологічних системах.
Вуглеводні зустрічаються у природі у горючих копалин, а й у деяких матеріалах біологічного походження. Натуральний каучук є прикладом природного вуглеводневого полімеру. Молекула каучуку складається з тисяч структурних одиниць, що являють собою метилбут-1,3-дієн (ізопрен); її будова схематично показано на рис. 4. Метилбута-1,3-дієн має наступну структуру:
Натуральний каучук.Приблизно 90% натурального каучуку, який видобувається в даний час у всьому світі, отримують з бразильського каучуконосного дерева Hevea brasiliensis, що культивується головним чином екваторіальних країнахАзії. Сік цього дерева, що є латекс (колоїдний водний розчин полімеру), збирають з надрізів, зроблених ножем на корі. Латекс містить приблизно 30% каучуку. Його крихітні частинки виважені у воді. Сік зливають у алюмінієві ємності, куди додають кислоту, що змушує каучук коагулювати.
Багато інших природних сполук також містять ізопренові структурні фрагменти. Наприклад, лимонен містить два ізопренові фрагменти. Лімонен є головною складовою масел, що витягуються з шкірки цитрусових, наприклад лимонів і апельсинів. Це з'єднання належить до класу сполук, які називаються терпенами. Терпени містять у своїх молекулах 10 атомів вуглецю (З 10 -сполуки) і включають два ізопренових фрагменти, з'єднаних один з одним послідовно («голова до хвоста»). З'єднання з чотирма ізопреновими фрагментами (З 20 -сполуки) називаються дитерпенами, а з шістьма ізопреновими фрагментами -тритерпенами (З 30 -сполуки). Сквален, який міститься в олії з печінки акули, є тритерпеном. Тетратерпени (З 40-сполуки) містять вісім ізопренових фрагментів. Тетратерпени містяться в пігментах жирів рослинного та тваринного походження. Їхнє фарбування обумовлене наявністю довгої сполученої системи подвійних зв'язків. Наприклад, по-каротину відповідальний за характерне помаранчеве забарвлення моркви.
ГЛАВА 3. ПРОМИСЛОВЕ ОТРИМАННЯ ВУГЛЕВОДОРОДІВ
Алкани, алкени, алкіни та арени отримують шляхом переробки нафти (див. нижче). Вугілля також є важливим джерелом сировини для отримання вуглеводнів. З цією метою кам'яне вугілля нагрівають без доступу повітря в ретортній печі. В результаті виходить кокс, кам'яновугільний дьоготь, аміак, сірководень та кам'яновугільний газ. Цей процес називається деструктивною перегонкою вугілля. Шляхом подальшої фракційної перегонки кам'яновугільного дьогтю одержують різні арени (табл. 3). При взаємодії коксу з парою одержують водяний газ:
Таблиця 3 Деякі ароматичні сполуки, які отримують при фракційній перегонці кам'яновугільного дьогтю (смоли)
З водяного газу за допомогою процесу Фішера-Тропша можна отримувати алкани та алкени. Для цього водяний газ змішують з воднем і пропускають над поверхнею залізного, кобальтового або нікелевого каталізатора. підвищеній температуріта під тиском 200-300 атм.
Процес Фішера - Тропша дозволяє також одержувати з водяного газу метанол та інші органічні сполуки, що містять кисень:
Ця реакція проводиться у присутності каталізатора з оксиду хрому(III) при температурі 300°З тиском 300 атм.
У промислово слаборозвинених країнах такі вуглеводні, як метан та етилен, дедалі більше отримують з біомаси. Біогаз складається головним чином метану. Етилен можна отримувати шляхом дегідратації етанолу, який утворюється у процесах ферментації.
Дикарбид кальцію теж отримують з коксу, нагріваючи його суміш з оксидом кальцію при температурах вище 2000°С електричної печі:
При взаємодії дикарбіду кальцію з водою відбувається утворення ацетилену. Такий процес відкриває ще одну можливість синтезу ненасичених вуглеводнів з коксу.
ГЛАВА 4. ПЕРЕРОБКА НАФТИ
Сира нафта є складною сумішшю вуглеводнів та інших сполук. У такому вигляді вона мало використовується. Спочатку її переробляють на інші продукти, які мають практичне застосування. Тому сиру нафту транспортують танкерами або за допомогою трубопроводів до нафтопереробних заводів.
Переробка нафти включає цілу низку фізичних і хімічних процесів: фракційну перегонку, крекінг, риформінг та очищення від сірки.
4.1 Фракційна перегонка
Сиру нафту поділяють на безліч складових частин, піддаючи її простій, фракційної та вакуумної перегонки. Характер цих процесів, і навіть кількість і склад одержуваних фракцій нафти залежить від складу сирої нафти і зажадав від вимог, що висуваються до різних її фракцій.
З сирої нафти насамперед видаляють розчинені у ній домішки газів, піддаючи її простій перегонці. Потім нафту піддають первинної перегонки, внаслідок чого її поділяють на газову, легку та середню фракції та мазут. Подальша фракційна перегонка легкої та середньої фракцій, а також вакуумна перегонка мазуту призводить до утворення великої кількості фракцій. У табл. 4 вказані діапазони температур кипіння та склад різних фракцій нафти, а на рис. 5 зображено схему пристрою первинної дистиляційної (ректифікаційної) колони для перегонки нафти. Перейдемо тепер до опису властивостей окремих фракцій нафти.
Таблиця 4 Типові фракції перегонки нафти
Температура кипіння, °С |
Число атомів вуглецю в молекулі |
|||
Лігроїн (нафта) |
||||
Мастило та віск |
||||
Рисунок 5. Первинна перегонка сирої нафти.
Газова фракція.Гази, одержувані під час переробки нафти, є найпростіші нерозгалужені алкани: етан, пропан і бутани. Ця фракція має промислову назву нафтозаводський (нафтовий) газ. Її видаляють із сирої нафти до того, як піддати її первинній перегонці, або ж виділяють із бензинової фракції після первинної перегонки. Нафтозаводський газ використовують як газоподібне паливо або ж піддають його зрідження під тиском, щоб отримати зріджений нафтовий газ. Останній надходить у продаж як рідке паливо або використовується як сировина для отримання етилену на крекінг-установках.
Бензинова фракція.Ця фракція використовується для одержання різних сортів моторного палива. Вона є сумішшю різних вуглеводнів, у тому числі нерозгалужених і розгалужених алканів. Особливості горіння нерозгалужених алканів не ідеально відповідають двигунам внутрішнього згоряння. Тому бензинову фракцію нерідко піддають термічного риформінгу, щоб перетворити нерозгалужені молекули на розгалужені. Перед вживанням цю фракцію зазвичай змішують з розгалуженими алканами, циклоалканами та ароматичними сполуками, які отримують з інших фракцій шляхом каталітичного крекінгу або риформінгу.
Якість бензину як моторного палива визначається його октановим числом. Воно вказує процентний об'ємний вміст 2,2,4-триметилпентану (ізооктану) у суміші 2,2,4-триметилпентану і гептану (алкан з нерозгалуженим ланцюгом), яка має такі ж детонаційні характеристики горіння, як і випробуваний бензин.
Погане моторне паливо має нульове октанове число, а хороше паливо-октанове число 100. Октанове число бензинової фракції, що отримується з сирої нафти, зазвичай не перевищує 60. , Рb (З 2 Н 5) 4 . Тетраетилсвинець є безбарвною рідиною, яку отримують при нагріванні хлороетану зі сплавом натрію і свинцю:
При горінні бензину, що містить цю присадку, утворюються частинки свинцю та оксиду свинцю (II). Вони уповільнюють певні стадії горіння бензинового палива і цим перешкоджають його детонації. Разом із тетраетилсвинцем у бензин додають ще 1,2-дибромоетан. Він реагує зі свинцем та свинцем (II), утворюючи бромід свинцю (II). Оскільки бромід свинцю(II) є летючим з'єднанням, він видаляється з автомобільного двигуна з вихлопними газами.
Лігроїн (нафта).Цю фракцію перегонки нафти отримують у проміжку між бензиновою та гасовою фракціями. Вона складається переважно з алканів (табл. 5).
Лігроїн отримують також при фракційній перегонці легкої олійної фракції, що отримується з кам'яновугільної смоли (табл. 3). Лігроїн із кам'яновугільної смоли має високий вміст ароматичних вуглеводнів.
Більшу частину лігроїну, що отримується при перегонці нафти, піддають риформінгу для перетворення на бензин. Проте значна його частина використовується як сировина для отримання інших хімічних речовин.
Таблиця 5 Вуглеводневий склад лігроїнової фракції типової близькосхідної нафти
Гас. Гасова фракція перегонки нафти складається з аліфатичних алканів, нафталінів та ароматичних вуглеводнів. Частина її піддається очищенню для використання як джерела насичених вуглеводнів-парафінів, а інша частина піддається крекінгу з метою перетворення на бензин. Однак основна частина гасу використовується як паливо для реактивних літаків.
Газойль. Ця фракція переробки нафти відома за назвою дизельного палива. Частину її піддають крекінгу для отримання нафтозаводського газу та бензину. Однак головним чином газойль використовують як паливо для дизельних двигунів. У дизельному двигуні запалення палива проводиться внаслідок підвищення тиску. Тому вони обходяться без свічок запалювання. Газойль використовується як паливо для промислових печей.
Мазут. Ця фракція залишається після видалення з нафти решти всіх фракцій. Велика його частина використовується як рідке паливо для нагрівання котлів та отримання пари на промислових підприємствах, електростанціях та в корабельних двигунах. Однак деяку частину мазуту піддають вакуумній перегонці для отримання мастил та парафінового воску. Мастильні олії піддають подальшому очищенню шляхом екстракції розчинника. Темний в'язкий матеріал, що залишається після вакуумної перегонки мазуту, називається бітум, або асфальт. Він використовується для виготовлення дорожніх покриттів.
Ми розповіли про те, як фракційна та вакуумна перегонка поряд з екстракцією розчинниками дозволяє розділити сиру нафту на різні практично важливі фракції. Усі ці процеси є фізичними. Для переробки нафти використовуються ще й хімічні процеси. Ці процеси можна поділити на два типи: крекінг та риформінг.
4.2 Крекінг
У цьому процесі великі молекули висококиплячих фракцій сирої нафти розщеплюються на менші молекули, у тому числі складаються низькокиплячі фракції. Крекінг необхідний тому, що потреби в низькокиплячих фракціях нафти - особливо в бензині - часто випереджають можливості їх отримання шляхом перегонки фракційної сирої нафти.
В результаті крекінгу, крім бензину, отримують також алкени, необхідні як сировину для хімічної промисловості. Крекінг у свою чергу поділяється на три найважливіші типи: гідрокрекінг, каталітичний крекінг та термічний крекінг.
Гідрорекінг. Цей різновид крекінгу дозволяє перетворювати висококиплячі фракції нафти (віски та важкі олії) на низькокиплячі фракції. Процес гідрокрекінгу полягає в тому, що крекінгу, що піддається, фракцію нагрівають під сильно. високим тискому атмосфері водню. Це призводить до розриву великих молекул та приєднання водню до їх фрагментів. Через війну утворюються насичені молекули невеликих розмірів. Гідрорекінг використовується для отримання газойлю та бензинів з більш важких фракцій.
Каталітичний крекінг.Цей метод призводить до утворення суміші насичених та ненасичених продуктів. Каталітичний крекінг проводиться при порівняно невисоких температурах, а як каталізатор використовується суміш кремнезему і глинозему. Таким шляхом отримують високоякісний бензин та ненасичені вуглеводні з важких фракцій нафти.
Термічний крекінг.Великі молекули вуглеводнів, що у важких фракціях нафти, можуть бути розщеплені на менші молекули шляхом нагрівання цих фракцій до температур, що перевищують їх температуру кипіння. Як і при каталітичному крекінгу, в цьому випадку одержують суміш насичених та ненасичених продуктів. Наприклад,
Термічний крекінг має особливо важливе значення для отримання ненасичених вуглеводнів, наприклад етилену та пропіну. Для термічного крекінгу використовуються парові крекінги-установки. У цих установках вуглеводневу сировину спочатку нагрівають у печі до 800°З, а потім розбавляють його парою. Це збільшує вихід алкенів. Після того як великі молекули вихідних вуглеводнів розщепляться на дрібніші молекули, гарячі гази охолоджують приблизно до 400СС водою, яка перетворюється на стислу пару. Потім охолоджені гази надходять у колону ректифікації (фракційну), де вони охолоджуються до 40°С. Конденсація більших молекул призводить до утворення бензину та газойлю. Несконденсовані гази стискають у компресорі, який приводиться в дію стислою парою, отриманою на стадії охолодження газів. Остаточне поділ товарів проводиться у колонах фракційної перегонки.
Таблиця 6 Вихід продуктів крекінгу з парою з різної вуглеводневої сировини (мас. %)
Продукти |
Вуглеводнева сировина |
||
Бута-1,3-дієн |
|||
Рідке паливо |
В європейських країнахголовною сировиною для отримання ненасичених вуглеводнів за допомогою каталітичного крекінгу є лігроїн. У Сполучених Штатах головною сировиною для цієї мети є етан. Його легко отримують на нафтопереробних заводах як один з компонентів зрідженого нафтового газу або з природного газу, а також з нафтових свердловин як один з компонентів природних супутніх газів. Як сировина для крекінгу з парою використовуються також пропан, бутан і газойль. Продукти крекінгу етану та лігроїну вказані в табл. 6.
Реакції крекінгу протікають за радикальним механізмом.
4.3 Ріформінг
На відміну від процесів крекінгу, які полягають у розщепленні більших молекул на менші, процеси риформінгу призводять до зміни структури молекул або їх об'єднання в більші молекули. Риформінг використовується в переробці сирої нафти для перетворення низькоякісних бензинових фракцій на високоякісні фракції. Крім того, він використовується для одержання сировини для нафтохімічної промисловості. Процеси риформінгу можуть бути поділені на три типи: ізомеризація, алкілування, а також циклізація та ароматизація.
Ізомеризація. У цьому процесі молекули одного ізомеру зазнають перегрупування з утворенням іншого ізомеру. Процес ізомеризації має дуже важливе значення для підвищення якості бензинової фракції, яка отримується після первинної перегонки сирої нафти. Ми вже вказували, що ця фракція містить надто багато нерозгалужених алканів. Їх можна перетворити на розгалужені алкани, нагріваючи цю фракцію до 500-600 ° С під тиском 20-50 атм. Цей процес носить назву термічного риформінгу.
Для ізомеризації нерозгалужених алканів може також застосовуватись каталітичний риформінг. Наприклад, бутан можна ізомеризувати, перетворюючи його на 2-метил-пропан, за допомогою каталізатора з хлориду алюмінію при температурі 100°С або вище:
Ця реакція має іонний механізм, який здійснюється за участю карбон-тіонів.
Алкілювання. У цьому процесі алкани та алкени, що утворилися в результаті крекінгу, возз'єднуються з утворенням високосортних бензинів. Такі алкани та алкени зазвичай мають від двох до чотирьох атомів вуглецю. Процес проводиться за низької температури з використанням сильнокислотного каталізатора, наприклад сірчаної кислоти:
Ця реакція протікає за іонним механізмом за участю карбкатіону (СН 3) 3 С + .
Циклізація та ароматизація.При пропусканні бензинової та лігроїнової фракцій, отриманих в результаті первинної перегонки сирої нафти, над поверхнею таких каталізаторів, як платина або оксид молібдену(VI), на підкладці з оксиду алюмінію, при температурі 500°С та під тиском 10-20 атм відбувається циклізація з подальшою ароматизацією гексану та інших алканів з більш довгими нерозгалуженими ланцюгами:
Відщеплення водню від гексану, а потім від циклогексану називається дегідруванням. Риформінг цього типу по суті є одним із процесів крекінгу. Його називають платформінгом, каталітичним риформінгом чи просто риформінгом. У деяких випадках реакційну систему вводять водень, щоб запобігти повному розкладанню алкану до вуглецю і підтримати активність каталізатора. І тут процес називається гидроформингом.
4.4 Очищення від сірки
Сира нафта містить сірководень та інші сполуки, що містять сірку. Зміст сірки нафти залежить від родовища. Нафта, яку одержують із континентального шельфу Північного моря, має низький вміст сірки. При перегонці сирої нафти органічні сполуки, що містять сірку, розщеплюються і в результаті утворюється додаткова кількість сірководню. Сірководень потрапляє у нафтозаводський газ або у фракцію зрідженого нафтового газу. Оскільки сірководень має властивості слабкої кислоти, його можна видалити, обробляючи нафтопродукти якоюсь слабкою основою. З отриманого таким чином сірководню можна витягувати сірку, спалюючи сірководень у повітрі та пропускаючи продукти згоряння над поверхнею каталізатора з оксиду алюмінію за температури 400°С. Сумарна реакція цього процесу описується рівнянням
Приблизно 75% всієї елементної сірки, використовуваної нині промисловістю несоціалістичних країн, вилучають із сирої нафти та газу.
ГЛАВА 5. ЗАСТОСУВАННЯ ВУГЛЕВОДОРОДІВ
Приблизно 90% всієї нафти, що видобувається, використовують як паливо. Незважаючи на те, що частина нафти, яка використовується для отримання нафтохімічних продуктів, мала, ці продукти мають дуже велике значення. З продуктів перегонки нафти одержують багато тисяч органічних сполук (табл. 7). Вони у свою чергу використовуються для отримання тисяч продуктів, які задовольняють не лише нагальні потреби сучасного суспільства, а й потреби у комфорті (рис. 6).
Таблиця 7 Вуглеводнева сировина для хімічної промисловості
Хімічні продукти |
||
Метанол, оцтова кислота, хлорометан, етилен |
||
Етилхлорид, тетраетилсвинець(IV) |
||
Метаналь, етаналь |
||
Поліетилен, поліхлороетилен (полівінілхлорид), поліефіри, етанол, етаналь (ацетальдегід) |
||
Поліпропілен, пропанон (ацетон), пропеналь, пропан-1,2,3-тріол (гліцерин), пропеннітрил (акрилонітрил), епоксипропан |
||
Синтетичний каучук |
||
Ацетилен |
Хлороетилен (вінілхлорид), 1,1,2,2-тетрахлороетан |
|
(1-Метил)бензол, фенол, поліфенілетилен |
Хоча різні групи хімічних продуктів зазначені на рис. 6, у широкому сенсі позначені як нафтохімічні продукти, оскільки їх одержують з нафти, слід зазначити, що багато органічних продуктів, особливо ароматичні сполуки, у промисловості одержують із кам'яновугільної смоли та інших джерел сировини. І все-таки приблизно 90% усієї сировини для органічної промисловості отримують з нафти.
Нижче буде розглянуто деякі типові приклади, що показують використання вуглеводнів як сировини для хімічної промисловості.
Рисунок 6 Застосування продуктів нафтохімічної промисловості.
5.1 Алкани
Метан є не тільки одним з найважливіших видів палива, але має ще й багато інших застосувань. Він використовується для отримання так званого синтез-газу, або сінгаза. Подібно до водяного газу, який отримують з коксу та пари, синтез-газ є сумішшю моноксиду вуглецю і водню. Синтез-газ отримують, нагріваючи метан або лігроїн приблизно до 750°З тиском близько 30 атм у присутності нікелевого каталізатора:
Синтез-газ використовується для отримання водню у процесі Габер (синтез аміаку).
Синтез-газ використовується також для одержання метанолу та інших органічних сполук. В процесі одержання метанолу синтез-газ пропускають над поверхнею каталізатора з оксиду цинку та міді при температурі 250°С та тиску 50-100 атм, що призводить до реакції
Синтез-газ, що використовується для цього процесу, повинен бути ретельно очищений від домішок.
Метанол неважко піддати каталітичного розкладання, при якому з нього знову виходить синтез-газ. Це дуже зручно використовувати для транспортування синтез-газу. Метанол є одним із найважливіших видів сировини для нафтохімічної промисловості. Він використовується, наприклад, для отримання оцтової кислоти:
Каталізатором для цього процесу є розчинний аніонний комплекс родію. Цей спосіб використовується для промислового отримання оцтової кислоти, потреби якої перевищують масштаби її отримання в результаті процесу ферментації.
Розчинні сполуки родію, можливо, будуть використовуватися в майбутньому як гомогенні каталізатори процесу отримання етан-1,2-діолу з синтез-газу:
Ця реакція протікає при температурі 300°З тиску порядку 500-1000 атм. Нині такий процес економічно невигідний. Продукт цієї реакції (його тривіальна назва - етиленгліколь) використовується як антифриз і для отримання різних поліефірів, наприклад терилену.
Метан використовується також для одержання хлорометанів, наприклад, трихлоро-метану (хлороформу). Хлорометани мають різноманітні застосування. Наприклад, хлорометан використовується у процесі одержання силіконів.
Нарешті, метан все більше використовується для отримання ацетилену
Ця реакція протікає приблизно 1500°С. Щоб нагріти метан до такої температури, його спалюють за умов обмеженого доступу повітря.
Етан теж має низку важливих застосувань. Його використовують у процесі одержання хлороетану (етилхлориду). Як було зазначено вище, етилхлорид використовується для одержання тетраетилсвинцю (IV). У Сполучених Штатах етан є важливою сировиною для одержання етилену (табл. 6).
Пропан грає важливу роль у промисловому одержанні альдегідів, наприклад метаналю (мурашиного альдегіду) та етаналю (оцтового альдегіду). Ці речовини мають особливо важливе значення у виробництві пластмас. Бутан використовується для отримання бута-1,3-дієну, який, як буде описано нижче, використовується для отримання синтетичного каучуку.
5.2 Алкени
Етилен. Одним з найважливіших алкенів і взагалі одним із найважливіших продуктів нафтохімічної промисловості є етилен. Він є сировиною для отримання багатьох пластмас. Перерахуємо їх.
Поліетилен. Поліетилен є продуктом полімеризації етилену:
Поліхлороетилен. Цей полімер має назву полівінілхлорид (ПВХ). Його одержують із хлороетилену (вінілхлориду), який у свою чергу одержують із етилену. Сумарна реакція:
1,2-Дихлороетан отримують у вигляді рідини або газу, використовуючи як каталізатор хлорид цинку або хлорид заліза(III).
При нагріванні 1,2-дихлороетану до температури 500°С під тиском 3 атм у присутності пемзи утворюється хлороетилен (вінілхлорид)
Інший спосіб отримання хлороетилену заснований на нагріванні суміші етилену, хлороводню та кисню до 250°С у присутності хлориду міді(II) (каталізатор):
Поліефірне волокно.Приклад такого волокна є терилен. Його одержують з етан-1,2-діолу, який у свою чергу синтезують з епоксиетану (етиленоксиду) наступним чином:
Етан-1,2-діол (етиленгліколь) використовується також як антифриз і для отримання синтетичних миючих засобів.
Етанол отримують гідратацією етилену, використовуючи як каталізатор фосфорну кислоту на носії з кремнезему:
Етанол використовується для отримання етаналю (ацетальдегіду). Крім того, його використовують як розчинник для лаків і політур, а також у косметичній промисловості.
Нарешті, етилен використовується ще отримання хлороетану, який, як було зазначено вище, застосовується виготовлення тетраэтилсвинца(IV) - антидетонаторної присадки до бензинам.
Пропен. Пропен (пропілен), як і етилен, використовується для синтезу різноманітних хімічних продуктів. Багато хто з них використовується у виробництві пластмас і каучуків.
Поліпропен. Поліпропен є продуктом полімеризації пропену:
Пропанон та пропеналь.Пропанон (ацетон) широко використовується як розчинник, а крім того, застосовується у виробництві пластмаси, відомої під назвою плексигласу (поліметилметакрилат). Пропанон отримують з (1-метилетил) бензолу або пропан-2-олу. Останній одержують із пропену наступним чином:
Окислення пропену в присутності каталізатора з оксиду міді(II) при температурі 350°С призводить до отримання пропеналю (акрилового альдегіду): нафту переробка вуглеводень
Пропан-1,2,3-тріол.Пропан-2-ол, пероксид водню та пропеналь, одержувані в описаному вище процесі, можуть використовуватися для отримання пропан-1,2,3-тріолу (гліцерину):
Гліцерин застосовується у виробництві целофанової плівки.
Пропеннітрил (акрилонітрил).Це з'єднання використовується для отримання синтетичних волокон, каучуків та пластмас. Його отримують, пропускаючи суміш пропіна, аміаку та повітря над поверхнею молібдатного каталізатора при температурі 450°С:
Метилбута-1,3-дієн (Ізоврен).Його полімеризацією отримують синтетичні каучуки. Ізопрен отримують за допомогою наступного багатостадійного процесу:
Епоксипропанвикористовується для отримання поліуретанових пінопластів, поліефірів та синтетичних миючих засобів. Його синтезують так:
Бут-1-єн, бут-2-єн та бута-1,2-дієнвикористовуються для отримання синтетичних каучуків. Якщо в якості сировини для цього процесу використовуються бутени, їх спочатку перетворюють на бута-1,3-дієн шляхом дегідрування в присутності каталізатора - суміші оксиду хрому(Ш) з оксидом алюмінію:
5. 3 Алкіни
Найважливішим представником низки алкінів є етин (ацетилен). Ацетилен має численні застосування, наприклад:
– як паливо в киснево-ацетиленових пальниках для різання та зварювання металів. При горінні ацетилену в чистому кисні в його полум'ї розвивається температура до 3000 ° С;
– для одержання хлороетилену (вінілхлориду), хоча нині найважливішою сировиною для синтезу хлороетилену стає етилен (див. вище).
– для одержання розчинника 1,1,2,2-тетрахлороетану.
5.4 Арени
Бензол і метилбензол (толуол) одержують у великій кількості при переробці сирої нафти. Оскільки метилбензол отримують при цьому навіть у більших кількостях, ніж необхідно, частину його перетворюють на бензол. З цією метою суміш метилбензолу з воднем пропускають над поверхнею платинового каталізатора на носії оксиду алюмінію при температурі 600°С під тиском:
Цей процес називається гідроалкілуванням.
Бензол використовується як вихідна сировина для отримання ряду пластмас.
(1-Метилетил)бензол(Кумол або 2-фенілпропан). Його використовують для отримання фенолу та пропанону (ацетону). Фенол застосовується для синтезу різних каучуків та пластмас. Нижче наведено три стадії процесу отримання фенолу.
Полі(фенілетилен)(Полістирол). Мономером полімеру є феніл-етилен (стирол). Його одержують із бензолу:
РОЗДІЛ 6. АНАЛІЗ СТАНУ НАФТОВОЇ ПРОМИСЛОВОСТІ
Частка Росії у світовому видобутку мінеральної сировини залишається високою і становить нафти 11.6%, газу - 28.1, вугілля - 12-14%. За обсягом розвіданих запасів мінеральної сировини Росія посідає чільне становище у світі. При займаній території 10% у надрах Росії зосереджено 12-13% світових запасів нафти, 35% - газу, 12% - вугілля. У структурі мінерально-сировинної бази країни понад 70% запасів посідає ресурси паливно-енергетичного комплексу (нафту, газ, вугілля). Загальна вартість розвіданої та оціненої мінеральної сировини становить суму 28.5 трлн доларів, що на порядок перевищує вартість усієї приватизованої нерухомості Росії.
Таблиця 8 Паливно-енергетичний комплекс Російської Федерації
Паливно-енергетичний комплекс є опорою вітчизняної економіки: частка ПЕК у загальному обсязі експорту 1996 р. становитиме майже 40% (25 млрд дол.). Близько 35% всіх доходів федерального бюджету на 1996 р. (121 із 347 трлн руб.) планується отримати за рахунок діяльності підприємств комплексу. Відчутна частка ПЕК у загальному обсязі товарної продукції, яку російські підприємства планують випустити 1996 р. З 968 трлн крб. товарної продукції (у діючих цінах) частка підприємств ПЕК становитиме майже 270 трлн руб., або понад 27% (табл. 8). ПЕК залишається найбільшим промисловим комплексом, що здійснює капітальні вкладення (більше 71 трлн руб. в 1995 р.) і залучає інвестиції (1.2 млрд дол. тільки від Світового банку за два останні роки) у підприємства всіх своїх галузей.
Нафтова промисловість Російської Федерації протягом тривалого періоду розвивалася екстенсивно. Це досягалося за рахунок відкриття та введення в експлуатацію в 50-70-х роках великих високопродуктивних родовищ в Урало-Поволжі та Західному Сибіру, а також будівництвом нових та розширенням діючих нафтопереробних заводів. Висока продуктивність родовищ дозволила з мінімальними питомими капітальними вкладеннями та порівняно невеликими витратами матеріально-технічних ресурсів нарощувати видобуток нафти по 20-25 млн. т на рік. Однак при цьому розробка родовищ велася неприпустимо високими темпами (від 6 до 12% відбору від початкових запасів), і всі ці роки у нафтовидобувних районах серйозно відставали інфраструктура та житлово-побутове будівництво. У 1988 р. у Росії було видобуто максимальну кількість нафти та газового конденсату - 568.3 млн т, або 91% загальносоюзного видобутку нафти. Надра території Росії та прилеглих акваторій морів містять близько 90% розвіданих запасів нафти всіх республік, що раніше входили до СРСР. У всьому світі мінерально-сировинна база розвивається за схемою розширення відтворення. Тобто, щорічно необхідно передавати промисловцям нових родовищ на 10-15% більше, ніж вони виробляють. Це необхідно підтримки збалансованості структури виробництва, щоб промисловість не відчувала сировинного голоду. У роки реформ гостро постало питання інвестицій у геологорозвідку. На освоєння одного мільйона тонн нафти потрібні вкладення у розмірі від двох до п'яти мільйонів доларів США. Причому ці кошти дадуть віддачу лише за 3-5 років. Тим часом для заповнення падіння видобутку необхідно щорічно освоювати 250-300 млн. т нафти. За минулі п'ять років розвідано 324 родовища нафти та газу, введено в експлуатацію 70-80 родовищ. На геологію 1995 р. було витрачено лише 0.35% ВВП (у колишньому СРСР ці витрати були втричі вищими). На продукцію геологів – розвідані родовища – існує відкладений попит. Однак у 1995 р. геологічній службі все ж таки вдалося зупинити падіння виробництва у своїй галузі. Обсяги глибокого розвідувального буріння 1995 р. зросли на 9% проти 1994 р. З 5.6 трлн рублів фінансування 1.5 трлн рублів геологи отримували централізовано. На 1996 р. бюджет Роскомнедра становить 14 трлн рублів, їх 3 трлн -- централізовані інвестиції. Це лише чверть вкладень колишнього СРСРу геологію Росії.
Сировинна база Росії за умови формування відповідних економічних умов розвитку геологорозвідувальних робіт може забезпечити порівняно тривалий період рівні видобутку, необхідних задоволення потреб держави у нафти. Слід враховувати, що в Російській Федерації після сімдесятих років не було відкрито жодного великого високопродуктивного родовища, а запаси, що прирощуються, за своїми кондиціями різко погіршуються. Так, наприклад, за геологічними умовами середній дебіт однієї нової свердловини в Тюменській області впав зі 138 т 1975 р. до 10-12т 1994 р., тобто більш ніж у 10 разів. Значно зросли витрати фінансових та матеріально-технічних ресурсів на створення 1 т нової потужності. Стан розробки великих високопродуктивних родовищ характеризується виробленням запасів обсягами 60-90% від початкових извлекаемых запасів, що зумовило природне падіння видобутку нафти.
У зв'язку з високою виробленістю великих високопродуктивних родовищ якість запасів змінилася на гірший бік, що потребує залучення значно більших фінансових і матеріально-технічних ресурсів їх освоєння. Через скорочення фінансування неприпустимо зменшилися обсяги геологорозвідувальних робіт і як наслідок знизилися прирости запасів нафти. Якщо 1986-1990 гг. по Західному Сибіру приріст запасів становив 4.88 млрд т, то 1991-1995 гг. через зниження обсягів розвідувального буріння цей приріст знизився майже вдвічі і становив 2.8 млрд т. У умовах для забезпечення потреб країни навіть на найближчу перспективу потрібне вживання державних заходів з нарощування сировинної оази.
Перехід до ринкових відносин диктує необхідність зміни підходів до встановлення економічних умов функціонування підприємств, які стосуються гірничодобувних галузей промисловості. У нафтовій галузі, що характеризується невідновлюваними ресурсами цінної мінеральної сировини - нафти, існуючі економічні підходи виключають із розробки значну частину запасів через неефективність їх освоєння за чинними економічними критеріями. Оцінки показують, що з окремих нафтовим компаніям з економічних причин неможливо знайти залучені у господарський оборот від 160 до 1057 млн. т запасів нафти.
Нафтова промисловість, маючи значну забезпеченість балансовими запасами, останніми роками погіршує свою роботу. У середньому падіння видобутку нафти на рік у чинному фонді оцінюється у 20%. З цієї причини, щоб зберегти досягнутий рівень видобутку нафти в Росії, необхідно ввести нові потужності на 115-120 млн. т на рік, для чого потрібно пробурити 62 млн. м експлуатаційних свердловин, а фактично в 1991 пробурено 27.5 млн м, а у 1995 – 9.9 млн. м.
Відсутність коштів призвела до різкого скорочення обсягів промислового та цивільного будівництва, особливо у Західному Сибіру. Внаслідок цього сталося зменшення робіт з облаштування нафтових родовищ, будівництва та реконструкції систем збирання та транспорту нафти, будівництва житла, шкіл, лікарень та інших об'єктів, що стало однією з причин напруженої соціальної обстановки у нафтовидобувних регіонах. Програму будівництва об'єктів утилізації попутного газу було зірвано. В результаті у смолоскипах спалюється щорічно понад 10 млрд. м3 нафтового газу. Через неможливість реконструкції нафтопровідних систем на промислах постійно відбуваються численні пориви трубопроводів. Тільки в 1991 р. з цієї причини втрачено більше 1 млн т нафти і завдано великої шкоди навколишньому середовищу. Скорочення замовлень на будівництво призвело до розпаду в Західному Сибіру сильних будівельних організацій.
Однією з основних причин кризового стану нафтової промисловості є також відсутність необхідного промислового обладнання та труб. У середньому дефіцит у забезпеченні галузі матеріально-технічними ресурсами перевищує 30%. За останні роки не створено жодної нової великої виробничої одиниці з випуску нафтопромислового обладнання, більше того, багато заводів цього профілю скоротили виробництво, а коштів для валютних закупівель виявилося недостатньо.
Через погане матеріально-технічне забезпечення кількість експлуатаційних свердловин, що простоюють, перевищило 25 тис. од., у тому числі понаднормативно простоюючих - 12 тис. од. По свердловинах, що простоюють наднормативно, щодобово втрачається близько 100 тис. т нафти.
Гострою проблемою для подальшого розвиткунафтової промисловості залишається її слабка оснащеність високопродуктивною технікою та обладнанням для видобутку нафти та газу. До 1990 р. у галузі половина технічних засобів мала знос понад 50%, лише 14% машин та обладнання відповідало світовому рівню, потреба за основними видами продукції задовольнялася в середньому на 40-80%. Таке становище із забезпеченням обладнанням стало наслідком слабкого розвитку нафтового машинобудування країни. Імпортні поставки в загальному обсязі обладнання досягли 20%, а окремим видамсягають і до 40%. Закупівля труб досягає 40 – 50%.
...Подібні документи
Напрямки застосування вуглеводнів, їх споживчі якості. Впровадження технології глибокої переробки вуглеводнів, їх застосування як холодильних агентів, робочого тіла датчиків елементарних частинок для просочування тари та пакувальних матеріалів.
доповідь, доданий 07.07.2015
Види та склад газів, що утворюються під час розкладання вуглеводнів нафти у процесах її переробки. Використання установок для поділу граничних та ненасичених газів та мобільних газобензинових заводів. Промислове застосування газів переробки.
реферат, доданий 11.02.2014
Поняття нафтових попутних газів як суміші вуглеводнів, що виділяються внаслідок зниження тиску під час підйому нафти на поверхню Землі. Склад попутного нафтового газу, особливості його переробки та застосування, основні засоби утилізації.
презентація , доданий 10.11.2015
Характеристика сучасного станунафтогазовій промисловості Росії. Стадії процесу первинної переробки нафти та вторинна перегонка бензинової та дизельної фракції. Термічні процеси технології переробки нафти та технологія переробки газів.
контрольна робота , доданий 02.05.2011
Завдання нафтопереробної та нафтохімічної промисловості. Особливості розвитку нафтопереробної промисловості у світі. Хімічна природа, склад та Фізичні властивостінафти та газоконденсату. Промислові установки первинної переробки нафти.
курс лекцій, доданий 31.10.2012
Значення процесу каталітичного риформінгу бензинів у сучасній нафтопереробці та нафтохімії. Методи виробництва ароматичних вуглеводнів риформінгом на платинових каталізаторах у складі комплексів з переробки нафти та газового конденсату.
курсова робота , доданий 16.06.2015
Фізико-хімічна характеристика нафти Первинні та вторинні процеси переробки нафти, їх класифікація. Риформінг та гідроочищення нафти. Каталітичний крекінг та гідрокрекінг. Коксування та ізомеризація нафти. Екстракція ароматики як переробка нафти.
курсова робота , доданий 13.06.2012
Крива справжніх температур кипіння нафти та матеріальний баланс установки первинної переробки нафти. Потенційний вміст фракцій у Василівській нафті. Характеристика бензину первинної переробки нафти, термічного та каталітичного крекінгу.
лабораторна робота , доданий 14.11.2010
Характеристика та організаційна структура ЗАТ "Павлодарський НХЗ". Процес підготовки нафти до переробки: її сортування, очищення домішок, принципи первинної переробки нафти. Влаштування та дія ректифікаційних колон, їх типи, види підключення.
звіт з практики, доданий 29.11.2009
Загальна характеристика нафти, визначення потенційного вмісту нафтопродуктів. Вибір та обґрунтування одного з варіантів переробки нафти, розрахунок матеріальних балансів технологічних установок та товарного балансу нафтопереробного заводу.
Основні джерела вуглеводнів - нафта, природний та попутний нафтовий газ, вугілля. Запаси їх не безмежні. За оцінками вчених, за сучасних темпів видобуток і споживань їх вистачить: нафти – 30 – 90 років, газу – на 50 років, вугілля – на 300 років.
Нафта та її склад:
Нафта- масляниста рідина від світло-коричневого до темно-бурого, майже чорного кольору з характерним запахом, у воді не розчиняється, утворює на поверхні води плівку, яка не пропускає повітря. Нафта- масляниста рідина світло-коричневого до темно-бурого, майже чорного кольору, з характерним запахом, у воді не розчиняється, утворює на поверхні води плівку, яка не пропускає повітря. Нафта-це складна суміш насичених та ароматичних вуглеводнів, циклопарафіном, а також деяких органічних сполук, що містять гетероатоми - кисень, сірку, азот та тр. Яких тільки захоплених імен не давали люди нафти: і Чорне золото, і Кров землі. Нафта і справді заслуговує на наше захоплення і шляхетність.
По складу нафту буває: парафінова- складається з алканів з прямим і розгалуженим ланцюгом; нафтенова - містить граничні циклічні вуглеводні; ароматична - включає ароматичні вуглеводні (бензол і його гомологи). Незважаючи на складний компонентний склад, елементний склад нафт більш-менш однаковий: в середньому 82-87% вуглеводню, 11-14% водню, 2-6% ін.елементів (кисень, сірка, азот).
Трішки історії .
У 1859 р. у США, у штаті Пенсільванія 40-річний Едвін Дрейк за допомогою власної завзятості, грошей нафтової копання та старого парового двигуна пробурив свердловину глибиною 22 метри і витяг з неї першу нафту.
Пріоритет Дрейка як піонера у сфері буріння нафтових свердловин заперечується, проте його ім'я все одно пов'язане з початком нафтової ери. Нафта виявили у багатьох частинах світу. Людство нарешті придбало у великій кількості чудове джерело штучного освітлення.
Яке походження нафти?
Серед учених домінували дві основні концепції: органічна і неорганічна. Згідно з першою концепцією, органічні залишки, поховані в осадових породах, з часом розкладаються, перетворюючись на нафту, вугілля та природний газ; Найбільш рухливі нафта і газ потім накопичуються у верхніх пластах осадових порід, що мають пори. Інші вчені стверджують, що нафту утворюється на «великих глибинах у мантії Землі».
Російський учений – хімік Д.І Менделєєв був прихильником неорганічної концепції. У 1877 р. він запропонував мінеральну (карбідну) гіпотезу, згідно з якою виникнення нафти пов'язане з проникненням води в глиб Землі за розломами, де під впливом її на «вуглецеві метали» і виходять вуглеводні.
Якби була гіпотеза космічного походження нафти – з вуглеводнів, які у газовій оболонці Землі ще під час її зоряного стану.
Природний газ-«блакитне золото».
Наша країна займає перше місце у світі із запасом природного газу. Найважливіші родовища цього цінного палива перебувають у Західному Сибіру (Уренгойское, Заполярне), Волго - Уральському басейні (Вуктильское, Оренбурзьке), на Північному Кавказі (Ставропольське).
Для видобутку газу зазвичай застосовується фонтанний метод. Щоб газ почав надходити на поверхню, достатньо відкрити свердловину, що пробурена в газоносному шарі.
Природний газ використовується без попереднього поділу, тому що піддається очищенню ще до транспортування. З нього видаляють зокрема: механічні домішки, водяні пари, сірководень та ін. агресивні компоненти. більшу частинупропану, бутану та більш важких вуглеводнів. Що залишився практично чистий метан витрачається, по першеяк паливо: висока теплота згоряння; екологічно; зручно видобувати, транспортувати, спалювати, тому що агрегатний стан - газ.
По-друге, метан стає сировиною для отримання ацетилену, сажі та водню; для виробництва ненасичених вуглеводнів, насамперед етилену та пропілену; для органічного синтезу: метилового спирту, формальдегіду, ацетону, оцтової кислоти та багато іншого.
Попутний нафтовий газ
Попутний нафтовий газ за своїм походженням також є природним газом. Особливу назву він отримав тому, що знаходиться у покладах разом із нафтою – він розчинений у ній. При вилученні нафти поверхню він унаслідок різкого падіння тиску відділяється від неї. Росія займає одне з перших місць за запасами попутного газу та його видобутку.
Склад попутного нафтового газу відрізняється від природного газу-в ньому набагато більше етану, пропану, бутану та ін. вуглеводнів. Крім того, до його складу входять такі рідкісні Землі гази, як аргон і гелій.
Попутний нафтовий газ - цінна хімічна сировина, з неї можна отримати більше речовин, ніж із газу. Вилучають для хімічної переробки та індивідуальні вуглеводні: етан, пропан, бутан та ін З них отримують ненасичені вуглеводні реакцією дегідрування.
Кам'яне вугілля
Запаси кам'яного вугілля у природі значно перевищують запаси нафти та газу. Вугілля - складна суміш речовин, що складається з різних сполук вуглецю, водню, кисню, азоту та сірки. До складу вугілля входять такі мінеральні речовини, що містять сполуки багатьох інших елементів.
Кам'яне вугілля мають склад: вуглець-до 98%, водень-до 6%, азот, сірка, кисень-до 10%. Але в природі буває ще й буре вугілля. Їх склад: вуглець-до 75%, водень-до 6%, азот, кисень-до 30%.
Основний спосіб переробки вуглецю - піроліз (кокосування) - розкладання органічних речовин без доступу повітря за високої температури (близько 1000 С). При цьому виходять такі продукти: кокс (штучне тверде паливо підвищеної міцності, що широко використовується в металургії); кам'яновугільна смола (використовується у хімічній галузі промисловості); кокосовий газ (використовується в хімічній галузі промисловості та як паливо.)
Коксовий газ
Летючі з'єднання (коксовий газ), що утворюються при термічному розкладанні кам'яного вугілля, надходять до загальної збірки. Тут коксовий газ охолоджують і пропускають через електрофільтри відділення кам'яновугільної смоли. У газозбірнику одночасно зі смолою конденсується і вода, в якій розчиняються аміак, сірководень, фенол та інші речовини. З несконденсованого коксового газу виділяють водень для різних синтезів.
Після перегонки кам'яновугільної смоли залишається тверда речовина – пек, яка використовується для приготування електродів та покрівельного толю.
Переробка нафти
Переробка нафти, або ректифікація, - це процес термічного розподілу нафти та нафти продуктів на фракції за температурою кипіння.
Перегонка – це фізичний процес.
Існує два методи переробки нафти: фізичний ( первинна переробка) та хімічний (вторинна переробка).
Первинну переробку нафти здійснює в колоні ректифікації- апараті для поділу рідких сумішей речовин, що відрізняються за температурою кипіння.
Фракції нафти та основні галузі їх використання:
Бензин-автомобільне паливо;
Гас - авіаційне паливо;
Лігроін-виробництво пластмас, сировина для вторинної переробки;
Газойль-дизельне та котельне паливо, сировина для вторинної переробки;
Мазут-заводське паливо, парафіни, мастила, бітуми.
Способи очищення від нафтових плям :
1) Поглинання-Усім вам відомі солома та торф. Вони поглинають нафту, після чого можна акуратно зібрати та вивезти з подальшим знищенням. Цей метод годиться лише за умов штилю і лише для невеликих плям. Спосіб дуже популярний останнім часом через свою дешевизну та високу ефективність.
Підсумок: Метод дешевий, залежний від умов.
2) Самоліквідація: цей метод застосовують у тому випадку, якщо нафта розлита далеко від берегів і пляма невелика (у цьому випадку пляма краще зовсім не чіпати). Поступово воно розчиниться у воді та частково випарується. Іноді нафту не зникає і через кілька років, дрібні плями досягають узбережжя у вигляді шматочків слизької смоли.
Підсумок: не використовують хімічні препарати; Нафта тримається на поверхні тривалий час.
3) Біологічна: Технологія, основу якої лежить використання мікроорганізмів, здатних окислювати вуглеводні.
Підсумок: мінімальні збитки; видалення нафти з поверхні, але метод трудомісткий і тривалий.