Много органических веществ, с которыми вы имеете дело в повседневной жизни,- пластмассы, краски, моющие средства, лекарства, лаки, растворители - синтезированы из углеводородов. В природе есть три основных источника углеводородов - нефть, природный газ и каменный уголь.
Нефть - одно из важнейших полезных ископаемых. Современное общество невозможно представить себе без нефти и продуктов ее переработки. Недаром страны, богатые нефтью, играют важную роль в мировой экономике.
Нефть - темная маслянистая жидкость, залегает в земной коре на разной глубине. Она представляет собой однородную смесь сложного вида, в которой содержится несколько сотен веществ - преимущественно насыщенных углеводородов с числом атомов Углерода от 1 до 40. При переработке этой смеси викорітстовують как физические, так и химические методы.
Сначала нефть разделяют на более простые смеси (фракции) путем перегонки, основанной на том, что различные вещества в составе нефти кипят при разных температурах.
Функции перегонки нефти
|
Фракция |
Число атомов Углерода в молекулах |
Температура кипения, С |
Применение |
|
Газовая фракция |
20 °С |
Топливо |
|
|
Бензин |
5-10 |
20-180 °С |
Автомобильное топливо |
|
Лигроин |
6-12 |
160-200 °С |
Топливо, сырье для синтеза |
|
Керосин |
10-16 |
180-250 °С |
Авиационный бензин |
|
Газойль |
13-25 |
220-350 °С |
Дизельное топливо |
|
Тяжелый газойль (мазут) |
26-30 |
350-430 °С |
Топливо для теплоэлектростанций |
|
Тяжелый мазут |
> 30 |
При нагревании разлагается, перегоняют под вакуумом |
Производство асфальта, смазочных материалов, топливо для котельных |
Перегонка происходит в ректифікаційній колонне при сильном нагревании. Самые тяжелые фракции, которые при высокой температуре разлагаются, перегоняют при пониженном давления.
Химическая переработка нефтепродуктов
Много продуктов перегонки нефти можно применять сразу, без дальнейшей переработки. Однако наибольшую ценность для промышленности представляют легкие фракции - бензин и керосин, но выход их при перегонке небольшой. К тому же после перегонки получается бензин низкого качества (с небольшим октановым числом), потому что нефть в основном содержит углеводороды с нєрозгалуженим карбоновым стержнем, которые при сжатии детонируют. Двигатель, работающий на таком топливе, издает характерный стук и быстро выходит из строя. Для повышения качества бензина и увеличения его выхода нефть подвергают химической переработке.
Один из важнейших способов химической переработки нефти - крекинг. При нагревании до 500 °С без доступа воздуха в присутствии специальных катализаторов длинные молекулы алканов расщепляются на более мелкие. Во время крекинга из насыщенных углеводородов образуется смесь легких насыщенных и ненасыщенных углеводородов, например:
Этот процесс приводит к увеличению выхода бензина и керосина. Если крекинг проводить в присутствии алюмосиликатных катализаторов (каталитический крекинг), то образуются преимущественно алканы разветвленного строения, что повышает качество топлива (крекинг-бензин).
По сильнейшего нагрізання нефти (до 700-900 °С) даже молекулы расщепляются средних размеров, например:
В смеси остаются только простейшие углеводороды, преимущественно ненасыщенные. Этот процесс называют пиролизом, проводят для извлечения этилена - выходной вещества для синтеза этанола и пластмасс. При пиролизе образуются также ароматические углеводороды.
Основоположником современных методов переработки нефти является выдающийся химик. М. Ипатьев.
Одной из характеристик, обозначающие качество бензина, является так называемое октановое число, что показывает возможность детонации топливно-воздушной смеси в двигателе. Рассмотрим, как влияет детонация на работу двигателя. В цилиндр двигателя внутреннего сгорания подается смесь паров бензина с воздухом. При нормальной работе двигателя в цилиндре эта смесь сжимается поршнем и поджигается свечой:
Схема работы двигателя внутреннего сгорания:
1 - топливно-воздушная смесь сжимается поршнем и поджигается;
2 - продукты сгорания занимают больший объем, поэтому выжимают поршень;
3 - поршень прокручивает вал двигателя.
Поскольку продукты сгорания имеют больший объем, чем исходная смесь, они толкают назад поршень, который прогсручає коленвал. Но бензин низкого качества не успевает підпалитися свечой, а при сжатии поршнем взрывается (детонирует), и сила, высвобождается, не используется на работу двигателя. Это приводит к разрушение двигателя и ухудшению его работы. Чем выше значение октанового числа, тем меньше вероятность детонации бензина, а следовательно выше его качество.
Нормальный гептан - абсолютно непригоден как моторное топливо, он детонирует почти всегда. В то же время 2,2,4-триметилпентан (ізооктан) имеет уникальные свойства: он почти не детонирует в двигателе. Эти два вещества лежат в основе шкалы измерения качества бензина - шкала октановых чисел. В этой шкале гептана присвоено значение ноль, а ізооктанові - сто. Согласно этой шкале бензин с октановым числом 90 имеет следующие сами детонационные свойства, как и смесь 90% изооктана и 10% гептана.
Второе по важности источник углеводородного сырья - природный газ, главным составной частью которого является метан. Природный газ используют в первую очередь как эффективное топливо. При его сгорании не образуется ни зола, ни ядовитый угарный газ, поэтому природный газ считают экологически чистым топливом. Большое количество природного газа использует химическое о мисловість.
Его переработка сводится главным образом к получению непредельных углеводородов и синтеза-газа. Этилен и ацетилен образуются при відщепленні водорода от низших алканов, а синтез-газ - смесь карбон(II) оксида и водорода - получают нагреванием метана с водяным паром:
с этой смеси, применяя различные катализаторы, синтезируют кислородосодержащие соединения - метиловый спирт, уксусную кислоту и т.д.
Продвигаясь над кобальтовым катализатором, синтез-газ превращается в смесь алканов, представляет собой синтетический бензин:
Каменный уголь
Еще один источник углеводородов - каменный уголь. В химической промышленности его перерабатывают путем коксования - нагрев до 1000 °С без доступа воздуха. При этом образуются кокс, каменноугольная смола, масса которой составляет всего несколько процентов от массы угля. Кокс используют как восстановитель в металлургии (например, для извлечения железа из его оксидов). p>
Каменноугольная смола содержит несколько сотен органических соединений, в первую очередь - ароматических углеводородов, которые выделяют из нее перегонкой.
Каменный уголь используют как топливо, однако при этом возникают серьезные экологические проблемы. Во-первых, уголь содержит негорючие примеси, которые при окислении топлива превращаются в шлаки; во-вторых, в составе угля есть небольшие количества соединений Серы и Азота, при сгорании они образуют оксиды, загрязняют атмосферу.
Сообщение на тему: «Природные источники углеводородов»
Подготовила
Углеводороды
Углеводороды - соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода.
Углеводороды делят на циклические (карбоциклические соединения) и ациклические.
Циклическими (карбоциклическими) называют соединения, в состав которых входит один или более циклов, состоящих только из атомов углерода (в отличие от гетероциклических соединений, содержащих гетероатомы - азот, серу, кислород и т.
д.). Карбоциклические соединения, в свою очередь, делят на ароматические и неароматические (алициклические) соединения.
К ациклическим углеводородам относят органические соединения, углеродный скелет молекул которых представляет собой незамкнутые цепи.
Эти цепи могут быть образованы одинарными связями (алканы СnН2n+2), содержать одну двойную связь (алкены СnН2n), две или несколько двойных связей (диены или полиены), одну тройную связь (алкины СnН2n-2).
Как вы знаете, углеродные цепи являются частью большинства органических веществ. Таким образом, изучение углеводородов приобретает особое значение, так как эти соединения являются структурной основой остальных классов органических соединений.
Кроме того, углеводороды, в особенности алканы, - это основные природные источники органических соединений и основа наиболее важных промышленных и лабораторных синтезов.
Углеводороды являются важнейшим видом сырья для химической промышленности. В свою очередь, углеводороды достаточно широко распространены в природе и могут быть выделены из различных природных источников: нефти, попутного нефтяного и природного газа, каменного угля.
Рассмотрим их подробнее.
Нефть - природная сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвленного строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 атомов углерода, с другими органическими веществами.
Состав ее существенно зависит от места ее добычи (месторождения), она может, помимо алканов, содержать циклоалканы и ароматические углеводороды.
Газообразные и твердые компоненты нефти растворены в ее жидких составляющих, что и определяет ее агрегатное состояние. Нефть - маслянистая жидкость темного (от бурого до черного) цвета с характерным запахом, нерастворимая в воде. Ее плотность меньше, чем у воды, поэтому, попадая в нее, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода и других газов воздуха в воде.
Очевидно, что, попадая в природные водоемы, нефть вызывает гибель микроорганизмов и животных, приводя к экологическим бедствиям и даже катастрофам. Существуют бактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуя ее в безвредные продукты своей жизнедеятельности. Понятно, что именно использование культур этих бактерий наиболее экологически безопасный и перспективный путь борьбы с загрязнением окружающей среды нефтью в процессе ее добычи, транспортировки и переработки.
В природе нефть и попутный нефтяной газ, речь о котором пойдет ниже, заполняют полости земных недр. Представляя собой смесь различных веществ, нефть не имеет постоянной температуры кипения. Понятно, что каждый ее компонент сохраняет в смеси свои индивидуальные физические свойства, что и позволяет разделить нефть на ее составляющие. Для этого ее очищают от механических примесей, серосодержащих соединений и подвергают так называемой фракционной перегонке, или ректификации.
Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.
В процессе ректификации нефть разделяют на следующие фракции:
Ректификационные газы - смесь низкомолекулярных углеводородов, преимущественно пропана и бутана, с температурой кипения до 40 °С;
Газолиновую фракцию (бензин) - углеводороды состава от С5Н12 до С11Н24 (температура кипения 40-200 °С); при более тонком разделении этой фракции получают газолин (петролейный эфир, 40-70 °С) и бензин (70-120 °С);
Лигроиновую фракцию - углеводороды состава от С8Н18 до С14Н30 (температура кипения 150-250 °С);
Керосиновую фракцию - углеводороды состава от С12Н26 до С18Н38 (температура кипения 180-300 °С);
Дизельное топливо - углеводороды состава от С13Н28 до С19Н36 (температура кипения 200-350 °С).
Остаток перегонки нефти - мазут - содержит углеводороды с числом атомов углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазута получают соляровое масло (С18Н28-С25Н52), смазочные масла (С28Н58-С38Н78), вазелин и парафин - легкоплавкие смеси твердых углеводородов.
Твердый остаток перегонки мазута - гудрон и продукты его переработки - битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий.
Попутный нефтяной газ
Месторождения нефти содержат, как правило, большие скопления, так называемого попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород.
Как и нефть, попутный нефтяной газ является ценным природным источником углеводородов. Он содержит в основном алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомов углерода. Очевидно, что по составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Однако, несмотря на это, он также широко используется и в качестве топлива, и в качестве сырья для химической промышленности. Еще несколько десятилетий назад на большинстве месторождений нефти попутный нефтяной газ сжигали как бесполезное приложение к нефти.
В настоящее время, например, в Сургуте, богатейшей нефтяной кладовой России, вырабатывают самую дешевую в мире электроэнергию, используя как топливо попутный нефтяной газ.
Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:
Газовый бензин - легколетучую смесь, состоящую в основном из лентана и гексана;
Пропан-бутановую смесь, состоящую, как ясно из названия, из пропана и бутана и легко переходящую в жидкое состояние при повышении давления;
Сухой газ - смесь, содержащую в основном метан и этан.
Газовый бензин, являясь смесью летучих компонентов с небольшой молекулярной массой, хорошо испаряется даже при низких температурах. Это позволяет использовать газовый бензин в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания на Крайнем Севере и как добавку к моторному топливу, облегчающую запуск двигателей в зимних условиях.
Пропан-бутановая смесь в виде сжиженного газа применяется как бытовое топливо (знакомые вам газовые баллоны на даче) и для заполнения зажигалок.
Постепенный перевод автомобильного транспорта на сжиженный газ - один из основных путей преодоления глобального топливного кризиса и решения экологических проблем.
Сухой газ, близкий по составу к природному, также широко используется в качестве топлива.
Однако применение попутного нефтяного газа и его составляющих в качестве топлива далеко не самый перспективный путь его использования.
Значительно более эффективно использовать компоненты попутного нефтяного газа в качестве сырья для химических производств. Из алканов, входящих в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и их производные.
Газообразные углеводороды могут не только сопровождать нефть в земной коре, но и образовывать самостоятельные скопления - месторождения природного газа.
Природный газ
Природный газ - смесь газообразных предельных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонентом природного газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему.
Кроме метана в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ.
Как и попутный нефтяной, природный газ используется и как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ.
Вы уже знаете, что из метана, основного компонента природного газа, получают водород, ацетилен и метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту, многие другие органические вещества. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах.
Чиркая спичкой и зажигая газ в кухонной газовой плите городского дома, вы «запускаете» цепную реакцию окисления алканов, входящих в состав природного газа.
Каменный уголь
Кроме нефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источником углеводородов является каменный уголь.
0н образует мощные пласты в земных недрах, его разведанные запасы значительно превышают запасы нефти. Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество различных органических веществ.
Кроме органических, в его состав входят и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод - уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование - прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре около 1000 °С, образуются:
Коксовый газ, в состав которого входят водород, метан, Угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов;
каменноугольная смола, содержащая несколько сотен раз-Личных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения;
надсмолъная, или аммиачная вода, содержащая, как ясно из названия, растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества;
кокс - твердый остаток коксования, практически чистый углерод.
Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить.
Вывод: таким образом, нефть, попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь не только ценнейшие источники углеводородов, но и часть уникальной кладовой невосполнимых природных ресурсов, бережное и разумное использование которых - необходимое условие прогрессивного развития человеческого общества.
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые. Большинство органических веществ получают из природных источников. В процессе синтеза органических соединений в качестве сырья используют природные и сопутствующие газы, каменный и бурый уголь, нефть, горючие сланцы, торф, продукцию животного и растительного происхождения.
Каков состав природного газа
Качественный состав природного газа это компоненты двух групп: органические и неорганические.
К органическим составляющим относятся: метан — СН4; пропан — С3Н8; бутан — С4Н10; этан — С2Н4; более тяжелые углеводороды с количеством атомов углерода больше пяти. Неорганические компоненты включают в себя следующие соединения: водород (в небольших количествах) — Н2; углекислый газ — СО2; гелий — Не; азот — N2; сероводород — H2S.
Каким именно будет состав той или иной смеси, зависит от источника, то есть месторождения. Этими же причинами объясняются и различные физико-химические свойства природного газа.
Химический состав
Основную часть природного газа составляет метан (CH4) - до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды:
* этан (C2H6),
* пропан (C3H8),
* бутан (C4H10)
- гомологи метана, а также другие неуглеводородные вещества:
* водород (H2),
* сероводород (H2S),
* диоксид углерода (СО2),
* азот (N2),
* гелий (Не) .
Природный газ не имеет цвета и запаха.
Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество меркаптанов, имеющих сильный неприятный запах
Какие преимущества природного газа перед другими видами топлива
1. упрощенная добыча (не нуждается в искусственном откачивание)
2. готов к использованию без промежуточных переработок (перегонок)
транспортировка как в газообразном, так и в жидком состоянии.
4. минимальные выбросы вредных веществ при сгорании.
5. удобство подачи топлива в уже газообразном состоянии при его сжигании (меньшая себестоимость оборудования, использующего данный вид топлива)
запасы наиболее обширные, чем другие виды топлива (меньше рыночная\ стоимость)
7. использование в больших отраслях народного хозяйства, чем другие виды топлива.
достаточное количество в недрах России.
9. выбросы самого топлива при авариях менее токсичны для окружающей среды.
10. высокая температура горения для использования в технологических схемах народного хозяйства и т. д. и т. п.
Применение в химической промышленности
Его используют для получения пластмассы, спирта, каучука, органических кислот. Только с использованием природного газа можно синтезировать такие химические вещества, которые просто не встретишь в природе, к примеру, полиэтилен.
метан применяется как сырье для производства ацетилена, аммиака, метанола и цианистого водорода. При этом природный газ является главной сырьевой базой при производстве аммиака. Практически три четверти всего аммиака применяется для производства азотных удобрений.
Цианистый водород, получаемый уже из аммиака, вместе с ацетиленом служит первоначальным сырьем для производства различных синтетических волокон. Из ацетилена можно вырабатывать разные пласты-каты, которые довольно широко применяются в промышленности и в быту.
Также при помощи него производится ацетатный шелк.
Природный газ является одним из лучших видов топлива, которые используются для промышленных и бытовых нужд. Его ценность как горючего состоит также в том, что это минеральное топливо довольно чистое экологически. При его сгорании появляется гораздо меньше вредных веществ, если сравнить с другими видами топлива.
Важнейшие нефтепродукты
Из нефти в процессе переработки получают топливо (жидкое и газообразное), смазочные масла и консистентные смазки, растворители, индивидуальные углеводороды – этилен, пропилен, метан, ацетилен, бензол, толуол, ксило и др., твердые и полутвердые смеси углеводородов (парафин, вазелин, церезин), нефтяные битумы, технический углерод (сажу), нефтяные кислоты и их производные.
Жидкое топливо, получаемое нефтепереработкой, подразделяют на моторное и котельное.
К газообразному топливу относят углеводородные сжиженные топливные газы, применяемые для коммунально-бытового обслуживания. Это смеси пропана и бутана в разных соотношениях.
Смазочные масла, предназначенные для обеспечения жидкостной смазки в различных машинах и механизмах, подразделяют в зависимости от применения на индустриальные, турбинные, компрессорные, трансмиссионные, изоляционные, моторные.
Консистентные смазки представляют собой нефтяные масла, загущенные мылами, твердыми углеводородами и другими загустителями.
Индивидуальные углеводороды, получаемые в результате переработки нефти и нефтяных газов, служат сырьем для производства полимеров и продуктов органического синтеза.
Из них наиболее важны предельные – метан, этан, пропан, бутан; непредельные – этилен, пропилен; ароматические – бензол, толуол, ксилолы. Также продуктами переработки нефти являются предельные углеводороды с большой молекулярной массой (С16 и выше) – парафины, церезины, применяемые в парфюмерной промышленности и в виде загустителей для консистентных смазок.
Нефтяные битумы, получаемые из тяжелых нефтяных остатков путем их окисления, используют для дорожного строительства, для получения кровельных материалов, для приготовления асфальтовых лаков и полиграфических красок и др.
Одним из главных продуктов переработки нефти является моторное топливо, которое включает авиационные и автомобильные бензины.
Какие главные природные источники углеводородов вам известны?
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые.
Большинство органических веществ получают из природных источников. В процессе синтеза органических соединений в качестве сырья используют природные и сопутствующие газы, каменный и бурый уголь, нефть, горючие сланцы, торф, продукцию животного и растительного происхождения.
12Следующая ⇒
Ответы к параграфу 19
1. Какие главные природные источники углеводородов вам известны?
Нефть, природный газ, сланцы, каменный уголь.
Каков состав природного газа? Покажите на географической карте важнейшие месторождения: а) природного газа; б) нефти; в) каменного угля.
3. Какие преимущества по сравнению с другими видами топлива имеет природный газ? Для каких целей используют природный газ в химической промышленности?
Природный газ, по сравнению с другими источниками углеводородов, наиболее легок в добыче, транспортировке и переработке.
В химической промышленности природный газ используется в качестве источника низкомолекулярных углеводородов.
4. Напишите уравнения реакций получения: а) ацетилена из метана; б) хлоропренового каучука из ацетилена; в) тетрахлорметана из метана.
5. Чем отличаются попутные нефтяные газы от природного газа?
Попутные газы – это летучие углеводороды, растворенные в нефти.
Их выделение происходит путем перегонки. В отличие от природного газа, может быть выделен на любой стадии разработки нефтяного месторождения.
6. Охарактеризуйте основные продукты, получаемые из попутных нефтяных газов.
Основные продукты: метан, этан, пропан, н-бутан, пентан, изобутан, изопентан, н-гексан, н-гептан, изомеры гексана и гептана.
Назовите важнейшие нефтепродукты, укажите их состав и области их применения.
8. Какие смазочные масла используют на производстве?
Моторные масла трансмиссионные, индустриальные, смазочно-охлаждающие эмульсии для металлорежущих станков и др.
Как осуществляют перегонку нефти?
10. Что такое крекинг нефти? Составьте уравнение реакций расщепления углеводородов 
и 
при этом процессе.
Почему при прямой перегонке нефти удается получить не более 20 % бензина?
Потому, что содержание бензиновой фракции в нефти ограниченно.
12. Чем отличается термический крекинг от каталитического? Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов.
При термическом крекинге необходимо нагревать реагирующие вещества до высоких температур, при каталитическом – введение катализатора снижает энергию активации реакции, что позволяет существенно уменьшить температуру реакции.
Как практически можно отличить крекинг-бензин от бензина прямой перегонки?
Крекинг-бензин обладает более высоким октановым числом, по сравнению с бензином прямой перегонки, т.е. детонационно более устойчив и рекомендуется для использованию в двигателях внутреннего сгорания.
14. Что такое ароматизация нефти? Составьте уравнения реакций, поясняющих этот процесс.
Какие основные продукты получают при коксовании каменного угля?
Нафталин, антрацен, фенантрен, фенолы и каменноугольные масла.
16. Как получают кокс и где его используют?
Кокс – твердый пористый продукт серого цвета, получаемый путём кокосования каменного угля при температурах 950-1100 без доступа кислорода.
Его применяют для выплавки чугуна, как бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов.
17. Какие основные продукты получают:
а) из каменноугольной смолы; б) из надсмольной воды; в) из коксового газа? Где они применяются? Какие органические вещества можно получить из коксового газа?
а)бензол, толуол, нафталин – химическая промышленность
б)аммиак, фенолы, органические кислоты – химическая промышленность
в)водород, метан, этилен – топливо.
Вспомните все основные способы получения ароматических углеводородов. Чем различаются способы получения ароматических углеводородов из продуктов коксования каменного угля и нефти? Напишите уравнения соответствующих реакций.
Различаются способами получения: первичная переработка нефти основана на различии в физических свойствах различных фракций, а коксование основано сугубо на химических свойствах каменного угля.
Поясните, как в процессе решения энергетических проблем в стране будут совершенствоваться пути переработки и использования природных углеводородных ресурсов.
Поиск новых источников энергии, оптимизация процессов добычи и переработки нефти, разработка новых катализаторов для удешевления всего производства и т.д.
20. Каковы перспективы получения жидкого топлива из угля?
В перспективе получение жидкого топлива из угля возможно, при условии снижения затрат на его производство.
Задача 1.
Известно, что газ содержит в объемных долях 0,9 метана, 0,05 этана, 0,03 пропана, 0,02 азота. Какой объем воздуха потребуется, чтобы сжечь 1 м3 этого газа при нормальных условиях?
Задача 2.
Какой объем воздуха (н.у.) необходим, чтобы сжечь 1 кг гептана?
Задача 3. Вычислите, какой объем (в л) и какая масса (в кг) оксида углерода (IV) получится при сгорании 5 моль октана (н.у.).
Основными источниками углеводородов на нашей планете являются природный газ , нефть и каменный уголь . Миллионы лет консервации в недрах земли выдержали наиболее устойчивые из углеводородов: насыщенные и ароматические.
Природный газ состоит в основном из метана с примесями других газообразных алканов, азота, углекислого и некоторых других газов; каменный уголь содержит в основном полициклические ароматические углеводороды .
Нефть, в отличие от природного газа и угля, содержит всю гамму компонентов:
Присутствуют в нефти и другие вещества: гетероатомные органические соединения (содержат серу, азот, кислород и другие элементы), вода с растворёнными в ней солями, твёрдые частицы других пород и прочие примеси.
Интересно знать!Углеводороды встречаются и в космосе, в том числе на других планетах.
Например, метан составляет значительную часть атмосферы Урана и обуславливает её светло-бирюзовую окраску, наблюдаемую в телескоп. Атмосфера Титана, крупнейшего спутника Сатурна, состоит в основном из азота, но содержит также углеводороды метан, этан, пропан, этин, пропин, бутадиин и их производные; порой там идут метановые дожди, и углеводородные реки стекаются в углеводородные озёра на поверхности Титана.
Присутствие ненасыщенных углеводородов наряду с насыщенными и молекулярным водородом обусловлено воздействием солнечной радиации.
Менделееву принадлежит фраза: «Сжигать нефть - всё равно, что топить печь ассигнациями». Благодаря появлению и развитию технологий переработки нефти она в XX веке из обычного топлива превратилась в ценнейший источник сырья для химической промышленности.
Нефтепродукты в настоящее время используются почти во всех отраслях производства.
Первичная переработка нефти представляет собой подготовку , то есть очистку нефти от неорганических примесей и растворённого в ней нефтяного газа, и перегонку , то есть физическое разделение на фракции в зависимости от температуры выкипания:
Из мазута, остающегося после перегонки нефти при атмосферном давлении, под действием вакуума выделяют компоненты большой молекулярной массы, пригодные для переработки в минеральные масла, моторные топлива и прочие продукты, а остаток - гудрон - используется для производства битумов.
В процессе вторичной переработки нефти отдельные фракции подвергаются химическим превращениям .
Это крекинг, риформинг, изомеризация и множество других процессов, позволяющих получать ненасыщенные и ароматические углеводороды, алканы разветвлённого строения и прочие ценные нефтепродукты. Часть из них расходуется на производство высококачественного топлива и различных растворителей, а часть является сырьём для получения новых органических соединений и материалов для самых разных отраслей промышленности.
Но следует помнить, что запасы углеводородов в природе пополняются намного медленнее, чем их расходует человечество, а сам процесс переработки и сжигания нефтепродуктов вносит сильные отклонения в химический баланс природы.
Разумеется, рано или поздно природа восстановит равновесие, но это может обернуться серьёзными проблемами для человека. Поэтому необходимы новые технологии , чтобы в будущем отказаться от использования углеводородов в качестве топлива.
Для решения таких глобальных задач необходимо развитие фундаментальной науки и глубокое понимание окружающего нас мира.
Природные источники углеводородов Ф.И.О. Старчевая Арина Группа В-105 2013 г.
Природные источники Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и газ, уголь и торф. Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет назад из микроскопических морских растений и животных, которые оказались включенными в осадочные породы, образовавшиеся на дне моря, В отличие от этого уголь и торф начали образовываться 340 миллионов лет назад из растений, произраставших на суше.
Природный газ и сырая нефть обычно обнаруживаются вместе с водой в нефтеносных слоях, расположенных между слоями горных пород (рис. 2). Термин «природный газ» применим также к газам, которые образуются в природных условиях в результате разложения угля. Природный газ и сырая нефть разрабатываются на всех континентах, за исключением Антарктиды. Крупнейшими производителями природного газа в мире являются Россия, Алжир, Иран и Соединенные Штаты. Крупнейшими производителями сырой нефти являются Венесуэла, Саудовская Аравия, Кувейт и Иран. Природный газ состоит главным образом из метана. Сырая нефть представляет собой маслянистую жидкость, окраска которой может быть самой разнообразной – от темно-коричневой или зеленой до почти бесцветной. В ней содержится большое число алканов. Среди них есть неразветвленные алканы, разветвленные алканы и циклоалканы с числом атомов углерода от пяти до 50. Промышленное название этих циклоалканов-начтены. В сырой нефти, кроме того, содержится приблизительно 10% ароматических углеводородов, а также небольшое количество других соединений, содержащих серу, кислород и азот.
природный газ используется и как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ. Вы уже знаете, что из метана, основного компонента природного газа, получают водород, ацетилен и метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту, многие другие органические вещества. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах. Чиркая спичкой и зажигая газ в кухонной газовой плите городского дома, вы «запускаете» цепную реакцию окисления алканов, входящих в состав природного газа. , Кроме нефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источником углеводородов является каменный уголь. 0н образует мощные пласты в земных недрах, его разведанные запасы значительно превышают запасы нефти. Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество различных органических веществ. Кроме органических, в его состав входят и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод - уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование - прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре около 1000 °С, образуются: коксовый газ, в состав которого входят водород, метан, Угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов; каменноугольная смола, содержащая несколько сотен раз-Личных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения; надсмольная, или аммиачная вода, содержащая, как ясно из названия, растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества; кокс - твердый остаток коксования, практически чистый углерод. Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить. Таким образом, попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь не только ценнейшие источники углеводородов, но и часть уникальной кладовой невосполнимых природных ресурсов, бережное и разумное использование которых - необходимое условие прогрессивного развития человеческого общества.
Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и других соединений. В таком виде она мало используется. Сначала ее перерабатывают в другие продукты, которые имеют практическое применение. Поэтому сырую нефть транспортируют танкерами или с помощью трубопроводов к нефтеперерабатывающим заводам. Переработка нефти включает целый ряд физических и химических процессов: фракционную перегонку, крекинг, риформинг и очистку от серы.
Сырую нефть разделяют на множество составных частей, подвергая ее простой, фракционной и вакуумной перегонке. Характер этих процессов, а также число и состав получаемых фракций нефти зависят от состава сырой нефти и от требований, предъявляемых к различным ее фракциям. Из сырой нефти прежде всего удаляют растворенные в ней примеси газов, подвергая ее простой перегонке. Затем нефть подвергают первичной перегонке, в результате чего ее разделяют на газовую, легкую и среднюю фракции и мазут. Дальнейшая фракционная перегонка легкой и средней фракций, а также вакуумная перегонка мазута приводит к образованию большого числа фракций. В табл. 4 указаны диапазоны температур кипения и состав различных фракций нефти, а на рис. 5 изображена схема устройства первичной дистилляционной (ректификационной) колонны для перегонки нефти. Перейдем теперь к описанию свойств отдельных фракций нефти.
Месторождения нефти содержат, как правило, большие скопления так называемого попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород. Как и нефть, попутный нефтяной газ является ценным природным источником углеводородов. Он содержит в основном алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомов углерода. Очевидно, что по составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Однако, несмотря на это, он также широко используется и в качестве топлива, и в качестве сырья для химической промышленности. Еще несколько десятилетий назад на большинстве месторождений нефти попутный нефтяной газ сжигали как бесполезное приложение к нефти. В настоящее время, например, в Сургуте, богатейшей нефтяной кладовой России, вырабатывают самую дешевую в мире электроэнергию, используя как топливо попутный нефтяной газ.
Спасибо за внимание.
Глава 1. ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И РАЗВЕДКА ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ.. 3
§ 1. Происхождение горючих ископаемых. 3
§ 2. Газонефтеродные горные породы. 4
Глава 2. ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ.. 5
Глава 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ.. 8
Глава 4. ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ.. 9
§ 1. Фракционная перегонка.. 9
§ 2. Крекинг. 12
§ 3. Риформинг. 13
§ 4. Очистка от серы.. 14
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ.. 14
§ 1. Алканы.. 15
§ 2. Алкены.. 16
§ 3. Алкины.. 18
§ 4. Арены.. 19
Глава 6. Анализ состояния нефтяной промышленности. 20
Глава 7. Особенности и основные тенденции деятельности нефтяной промышленности. 27
Список использованной литературы... 33
Первые теории, в которых рассматривались принципы, определяющие залегание месторождений нефти, обычно ограничивались главным образом вопросом о местах ее скопления. Однако за последние 20 лет стало ясно, что для ответа на этот вопрос необходимо разобраться в том, почему, когда и в каких количествах произошло образование нефти в том или ином бассейне, а также понять и установить, в результате каких процессов она зарождалась, мигрировала и накапливалась. Эти сведения совершенно необходимы для повышения результативности разведки нефти.
Образование углеводородных ископаемых, согласно современным воззрениям, происходило в результате протекания сложной последовательности геохимических процессов (см. рис. 1) внутри исходных газонефтеродных горных пород. В этих процессах составные части различных биологических систем (веществ природного происхождения) превращались в углеводороды и в меньшей степени в полярные соединения с различной термодинамической устойчивостью - в результате осаждения веществ природного происхождения и последующего их перекрывания осадочными породами, под влиянием повышенной температуры и повышенного давления в поверхностных слоях земной коры. Первичная миграция жидких и газообразных продуктов из исходного газонефтеродного слоя и последующая их вторичная миграция (через несущие горизонты, сдвиги и т. п.) в пористые нефтенасыщенные горные породы приводит к образованию залежей углеводородных материалов, дальнейшая миграция которых предотвращается запиранием залежей между непористыми слоями горных пород.
В экстрактах органического вещества из осадочных горных пород биогенного происхождения обнаруживаются соединения с такой же химической структурой, какую имеют соединения, извлекаемые из нефти. Для геохимии имеют особо важное значение некоторые из таких соединений, которые считаются «биологическими метками» («химическими ископаемыми»). Подобные углеводороды имеют много общего с соединениями, встречающимися в биологических системах (например, с липидами, пигментами и метаболитами), из которых произошло образование нефти. Эти соединения не только демонстрируют биогенное происхождение природных углеводородов, но и позволяют получать очень важную информацию о газонефтеносных горных породах, а также о характере созревания и происхождения, миграции и биоразложения, приведших к образованию конкретных месторождений газа и нефти.
Рисунок 1 Геохимические процессы, приводящие к образованию ископаемых углеводородов.
Газонефтеродной горной породой считается мелкодисперсная осадочная порода, которая при естественном осаждении привела или могла привести к образованию и выделению значительных количеств нефти и (или) газа. Классификация таких горных пород основана на учете содержания и типа органического вещества, состояния его метаморфической эволюции (химических превращений, происходящих при температурах приблизительно 50-180 °С), а также природы и количества углеводородов, которые могут быть получены из него. Органическое вещество кероген в осадочных горных породах биогенного происхождения может обнаруживаться в самых разнообразных формах, но его можно подразделить на четыре основных типа.
1) Липтиниты – имеют очень высокое содержание водорода, но низкое содержание кислорода; их состав обусловлен наличием алифатических углеродных цепей. Предполагается, что липтиниты образовались в основном из водорослей (обычно подвергшихся бактериальному разложению). Они имеют высокую способность к превращению в нефть.
2) Экзтиты – имеют высокое содержание водорода (однако ниже, чем у липтинитов), богаты алифатическими цепями и насыщенными нафтенами (алицик-лическими углеводородами), а также ароматическими циклами и кислородсодержащими функциональными группами. Это органическое вещество образуется из таких растительных материалов, как споры, пыльца, кутикулы и другие структурные части растений. Экзиниты обладают хорошей способностью к превращению в нефть и газовый конденсат , а на высших стадиях метаморфической эволюции и в газ.
3) Витршиты – имеют низкое содержание водорода, высокое содержание кислорода и состоят в основном из ароматических структур с короткими алифатическими цепями, связанными кислородсодержащими функциональными группами. Они образованы из структурированных древесных (лигноцеллюлозных) материалов и имеют ограниченную способность превращаться в нефть, но хорошую способность превращаться в газ.
4) Инертиниты – это черные непрозрачные обломочные породы (с высоким содержанием углерода и низким содержанием водорода), которые образовались из сильно изменившихся древесных предшественников. Они не обладают способностью превращаться в нефть и газ.
Главными факторами, по которым распознается газонефтеродная порода, являются содержание в ней керогена, тип органического вещества в керогене и стадия метаморфической эволюции этого органического вещества. Хорошими газонефте-родными породами считаются те, которые содержат 2-4% органического вещества такого типа, из которого могут образовываться и высвобождаться соответствующие углеводороды. При благоприятных геохимических условиях образование нефти может происходить из осадочных пород, содержащих органическое вещество типа липтинита и экзинита. Образование месторождений газа обычно происходит в горных породах, богатых витринитом или в результате термического крекинга первоначально образовавшейся нефти.
В результате последующего погребения осадков органического вещества под верхними слоями осадочных пород это вещество подвергается воздействию все более высоких температур, что приводит к термическому разложению керогена и образованию нефти и газа. Образование нефти в количествах, представляющих интерес для промышленной разработки месторождения, происходит в определенных условиях по времени и температуре (глубине залегания), причем время образования тем больше, чем ниже температура (это нетрудно понять, если предположить, что реакция протекает по уравнению первого порядка и имеет аррениусовскую зависимость от температуры). Например, то же количество нефти, которое образовалось при температуре 100°С приблизительно за 20 миллионов лет, должно образоваться при температуре 90 °С за 40 миллионов лет, а при температуре 80°С – за 80 миллионов лет. Скорость образования углеводородов из керогена приблизительно удваивается при повышении температуры на каждые 10°С. Однако химический состав керогена. может быть чрезвычайно разнообразным, и поэтому указанное соотношение между временем созревания нефти и температурой этого процесса может рассматриваться лишь как основа для приближенных оценок.
Современные геохимические исследования показывают, что в континентальном шельфе Северного моря увеличение глубины на каждые 100 м сопровождается повышением температуры приблизительно на 3°С, а это означает, что богатые органическим веществом осадочные породы образовывали жидкие углеводороды на глубине 2500-4000 м в течение 50-80 миллионов лет. Легкие нефти и конденсаты, по-видимому, образовывались на глубине 4000-5000 м, а метан (сухой газ) – на глубине более 5000 м.
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и газ, уголь и торф. Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет назад из микроскопических морских растений и животных, которые оказались включенными в осадочные породы, образовавшиеся на дне моря, В отличие от этого уголь и торф начали образовываться 340 миллионов лет назад из растений, произраставших на суше.
Природный газ и сырая нефть обычно обнаруживаются вместе с водой в нефтеносных слоях, расположенных между слоями горных пород (рис. 2). Термин «природный газ» применим также к газам, которые образуются в природных условиях в результате разложения угля. Природный газ и сырая нефть разрабатываются на всех континентах, за исключением Антарктиды. Крупнейшими производителями природного газа в мире являются Россия, Алжир, Иран и Соединенные Штаты. Крупнейшими производителями сырой нефти являются Венесуэла, Саудовская Аравия, Кувейт и Иран.
Природный газ состоит главным образом из метана (табл. 1).
Сырая нефть представляет собой маслянистую жидкость, окраска которой может быть самой разнообразной – от темно-коричневой или зеленой до почти бесцветной. В ней содержится большое число алканов. Среди них есть неразветвленные алканы, разветвленные алканы и циклоалканы с числом атомов углерода от пяти до 40. Промышленное название этих циклоалканов-начтены. В сырой нефти, кроме того, содержится приблизительно 10% ароматических углеводородов, а также небольшое количество других соединений, содержащих серу, кислород и азот.
Загрузка...