Для промышленности важны три источника сырья: нефть, газ и каменный уголь .
Нефть.
Нефть - это темная, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде , которая содержит разветвленные и неразветвленные алканы , циклоалканы. Состав зависит от месторождения.
Нефть является основным материалом для получения органических соединений методом сухой перегонки (пиролизом, карбонизацией). Основные продукты - ароматические углеводороды и их производные. Получают в основном красители, синтетические жиры и масла .
С ростом значения нефти совершенствовались способы химической переработки. В настоящее время около 90% синтетических органических соединений получены из нефти и ее производных.
Лабораторные и промышленные методы получения нефти.
Между лабораторным и промышленным способами получения нефти имеется ряд существенных различий, а именно:
- цена (в лаборатории используются малые количества реактивов, когда как в промышленности необходимы большие объемы. Поэтому в лаборатории могут использоваться дорогие и редкие соединения, а в промышленности нужно обходиться наименьшими затратами. Или использование вредных ядовитых веществ в лаборатории вполне допустимо из-за наличия вытяжных шкафов, то в промышленных масштабах это крайне опасно.);
- тепло. В промышленности подвод тепла весьма дорог для реакций, проводимых при умеренно повышенных и нармальных температурах, когда как для лаборатории такие синтезы легко осуществимы;
- чистота смеси. В лаборатории обычно работают с чистыми веществами, когда в промышленности, в основном, со смесями;
- круговорот веществ. Если в промышленности можно смеси разделять различными химическими процессами (перегонкой, фильтрованием, непрерывными процессами), то для лаборатории это нерентабельно. В промышленности имеет место цикличность процессов, когда непрореагировавшее вещество можно снова ввести в цикл процесса переработки, а в лаборатории такое осуществляется с большим трудом.
Переработка нефти.
В промышленности используют дробную перегонку «сырой нефти», в результате чего последняя разделяется на несколько фракций, которые имеют различные температуры кипения:
Бензиновая фракция состоит из петролейного эфира и экстракционного бензина. Состав фракции варьируется от С 6 - С 9 . Вся фракция является весомым нефтепродуктом, т.к. служит топливом для двигателей внутреннего сгорания.
Керосин (С 9 -С 16) используется в отопительных приборах, а также является топливом для самолетов и турбинных двигателей.
Газойль (дизельное топливо) служит топливом для дизельных двигателей.
Смазочные масла (С 20 - С 50) используются в качестве смозочных материлов.
Мазут (остаток) - используют как топливо, его перегоняют в результате чего получают высококипящую углеводородную фракцию.
Химические превращения углеводородов, содержащихся в нефти.
Значимость топлива в современном мире значительно возрастает. Именно по этой причине нашли самый оптимальный способ получения бензина из высококипящих фракций - крекинг - нагрев высших алканов без доступа воздуха, вследствие чего происходит распад на низшие и высшие углеводороды:
Если крекинг протекает без использования катализатора, то он называется термическим. Если же в качестве катализатора используют SiO 2 или Al 2 O 3 , то это каталитический крекинг. Продуктом таких процессов является этан и пропен, которые стали важным сырьем для промышлености.
Для совершенствования качеств бензина проводят реформинг и алкилирование.
Риформинг (изомеризация) - процесс, в котором неразветвленные алканы при нагревании с катализатором превращаются в более разветвленные с большим октановым числом. Например,
Алкилирование - процесс, при котором смесь алканов и алкенов превращается в разветвлённые соединения с большим октановым числом, при использовании в качестве катализатора - кислоты :
Природный газ.
Природный газ - совокупнсть газов, состав которых зависит от месторождения. В основном, это смесь метана, этана и пропана, но еще могут встретиться небольшие количества азота, высших алканов, углерода , гелия (редко).
Природный газ является промышленным топливом, важнейшим соединением служит синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода):
Его можно получить воздействием раскаленного кокса с водяным паром, соединение, которое получается в данном процессе, носит название водяной газ :
Именно из оксида углерода и водорода получают метанол:
Реакция протекает под давлением в присутствие катализаторов.
Каменный уголь.
Каменный уголь служит сырьем для получения ароматических углеводородов. Схематически процесс можно представить так:
Аналогично можно получить толуол.
При сухой перегонке при высоких температурах получают смесь твердых, жидких и газообразных продуктов.
Газофазным продуктом является коксовый газ , основным компонентом которого является водород и метан.
Жидкий продукт представляет собой деготь , из которого выделяют большое количество фенола, крезола, нафталина, тиофена, антрацена.
Твердым продуктом является кокс .
Размышления о том, что ждет нас в будущем и раньше не давало покоя ученым. Сегодня на эту тему говорят все: от государственных руководителей до школьников. Глобальное потепление, таяние вековых льдов, демографические проблемы, клонирование человека, современные и будущие средства связи и передвижения, зависимость людей от энергоносителей… И все-таки одной из наиболее популярных сегодня тем является вопрос альтернативного топлива.
Топливо будущего - альтернатива природным ископаемым
Природные виды топлива в настоящее время являются нашим основным источником энергии. Углеводороды сжигают, чтобы разрушить молекулярные связи и освободить их энергию. Высокий уровень потребления ископаемых видов топлива приводит к значительному загрязнению природной среды, когда они сжигаются.
Мы живем в 21 веке, это время новых технологий, и многие ученые считают, что пришло время для создания альтернативного топлива будущего, которое способно заменить традиционное топливо и ликвидировать нашу зависимость от него. За последние 150 лет, использование углеводородов увеличило количество углекислого газа в атмосфере на 25%. Сжигание углеводородов приводит и к другим видам загрязнения, таким как смог, кислотные дожди и загрязнение воздуха. Этот тип загрязнения не только наносит вред окружающей среде, здоровью животных и людей, но, кроме того, приводит к войнам, так как ископаемые виды топлива являются не возобновляемыми ресурсами и, в конечном счете, закончатся. На данный момент важно найти новые решения и установить альтернативные источники топлива для будущего.
Пока одни ученые решают вопрос увеличения коэффициента нефтеотдачи продуктивных пластов, а другие ищут пути получения газообразного топлива из горючих сланцев, третьи пришли к выводу, что потребность в топливе можно удовлетворить обычным дедовским методом. Речь идет о "твердых нефтепродуктах", природном топливе - дровах. Идею "старую как мир" подхватили специалисты Стэнфордского университета в США, к ним присоединились и ученые университета штата Джорджия. Конечно, здесь нужны особые быстрорастущие сорта деревьев типа ольхи или платанов, которые дают до 40 т древесины с 1 га в год.
Платан - Platanus - могучее дерево с густой раскидистой кроной и толстым стволом - родоначальник обширного семейства платановых. Всео насчитывается в роду платанов около 10 видов. Высота платана достигает 60м, а длина окружности ствола - до 18м! Ствол платана ровной цилиндрической формы, кора зеленовато - серого цвета, отслаивающаяся. Листья платана пальчато-лопастные, с удлиненными черешками.
После вырубки деревьев платанов на земле остается листва, которую можно использовать для природного удобрения. Древесина платана измельчается в дробилках и подается в топку электростанций. Участок насаждения платанов в 125 км2 может обеспечить энергией город с населением 80 тыс. человек. На вырубленных площадях уже через 2-4 года из побегов вновь вырастут новые деревья платаны, пригодные для топлива. Ученые посчитали, что если 3 % территории России и Украины отвести под „энергетические плантации платанов" для выращивания природного топлива, то страны могли бы полностью удовлетворить свои потребности в топливе за счет дров.
Главным преимуществом использования "выращенного природного топлива", в противоположность "ископаемому топливу" (каменный уголь, природный газ и нефть) является то, что в процессе роста энергетический лес платанов адсорбирует углекислый газ, который позже высвобождается при его горении. Это значит, что при сжигании платанов в атмосферу выбрасывается такое количество СО2, которое поглощалось платаном во время его роста. При сжигании же ископаемого топлива, мы увеличиваем содержание СО2 в атмосфере, а это главная причина глобального потепления.
Новое топливо перспективно как ценный возобновляемый источник энергии и это будет более важным в будущем. Уже сегодня, например, крупнейшая в Европе электростанция на платане, находится в Зиммеринге (Австрия). Ее мощность 66 МВт,при ежегодном потреблении 190 тысяч тонн платана, выращиваемом здесь же в радиусе 100 км. А в Германии мощность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.
Новые виды топлива
Американским сторонникам „дровенизации" бытовой теплоэнергетики вторят их коллеги из Европы. В Бельгии, например, в 1988г газета „Саар" напечатала статью, где назвала дрова природным топливом будущего, как альтернативу применения нефтепродуктов. Для этих же целей предлагается использовать и макулатуру. Там в магазинах уже продается ручной пресс для изготовления брикетов из макулатуры, не уступающие по своей калорийности буроугольным.
Также можно купить специальные экономичные печи, работающие по принципу газогенератора, конструкция которых препятствует уходу тепла через дымовую трубу. Дрова и брикеты макулатуры сгорают в этой печи очень медленно: вязанка - за 8 ч. При этом дрова сгорают полностью, отсутствует выделение в атмосферу золы и сажи. Отапливание помещений такими печами очень выгодно, ведь килограмм дров при сравнимой калорийности стоит в 10 раз меньше литра жидкого топлива, для хранения которого еще и требуются специальные емкости топлива .
В нимание другой группы американских ученых привлекли быстрорастущие бурые водоросли. Морские насаждения предлагается перерабатывать в газообразный метан с помощью бактерий. Также возможно получение нефтеподобные веществ путем нагревания. По расчетам, природная ферма в океане площадью насаждений 40 тыс. га сможет в будущем снабжать энергией город с населением 50 тыс. человек. Ученые из Франции предлагают использовать в качестве альтернативного топлива одноклеточные водоросли. Оказывается, эти микроскопические организмы выделяют углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. Выращивая водоросли в специальных емкостях и снабжая их углекислым газом и минеральными солями, можно регулярно „собирать урожай углеводородов" и получать природное топливо.
Естественные природные „бензоколонки АЗС" обнаружены и в тропиках Южной Америки, на Филиппинах. Некоторые виды лиан и тропических деревьев содержат природное топливо - "солярку", которую даже не надо подвергать перегонке. Альтернативное топливо из лиан прекрасно горит в автомобильных моторах, давая менее токсичный выхлоп, чем бензин. Подходит для производства топ-лива и пальмовое масло, из которого сравнительно легко можно получать „солярку".
Но пока это все в области научной фантастики. Более реален проект получения синтетического топлива из древесного угля. Довольно простой метод разработан учеными США. Уголь измельчается, обрабатывается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород. Из тонны угля получается почти 650 л синтетического топлива, из которой можно вырабатывать синтетический бензин.
Ученые США всерьез занялись подземной газификацией угольных пластов. Методом пиролиза из него получают 40 % метанового газа, 45 % кокса и 3 % жидкого топлива. Специалистами разработан совсем неожиданный способ получения топлива будущего... из мусора. Из отходов жизнедеятельности человека предварительно извлекают магнитные и немагнитные металлы, которые вдальнейшем отправляют в переплавку. Новая технология переработки отходов стекла позволяет получить из осколков стекло более дешевое и более высокого качества, чем исходное сырье. Остатки мусора перерабатываются в кокс, метановый газ и жидкое топливо. „Мусорные" нефтепродукты испытывали на опытных установках - горят прекрасно. Из тонны мусора таким способом „добывают" от 6 до 20 долларов. В 1976 - 1977 гг. в Сан-Диего вступил в строй специальный завод для переработки мусора.
Однако, над подобной проблемой успешно работают и в Великобритании. Здесь разработана и в натоящее время работает установка переработки мусора, в которой под действием высоких температур при сгорании вдуваемого кислорода из мусора (пластмассовые упаковки и бутылки, пищевые отбросы, обрывки газет, тряпки и т.д.) получают синтетические нефтепродукты и метановый газ с водородом. Жидкое синтетическое топливо и газ предполагают хранение в резервуарах и использовать частично для работы дизеля, а частично для переплавки битого стекла, из которого можно получать строительные блоки. В будущем планируется переработка мусора в старых доменных печах. Это даст высокую производительность, экономию времени и средств на постройку новых мусоросжигающих заводов. Как показали эксперименты, в дело пойдет и остающийся шлак - он пригоден для замены гравия при выполнении бетонных работ .
А вот еще два способа получения синтетического бензина. Французский инженер А. Ротлисберже получил альтернативный бензин из сухих стеблей кукурузы. Автор утверждает, что новое топливо будущего с октановым числом 98 вполне можно добывать из соломы, опилок, ботвы овощей и других отходов, содержащих целлюлозные волокна. Под нажимом правительственных структур изобретатель засекретил технологию синтеза нового топлива, но известно, что качество нового бензина во многом зависит от сложных стабилизирующих добавок, вводимых в спирты и изопропиниловые эфиры, получаемые из целлюлозы. Новое альтернативное топливо не детонирует, сгорает без дыма и запахов. Его можно смешивать в любых пропорциях с обычным бензином. При этом в будущем, конструктивных изменений в двигателях не требуется. Франция намерена со временем довести производство нового бензина до 20 млн.т в год.
Еще один изобретатель искусственного бензина живет в Швейцарии. Исходным материалом служит щепа, кукурузная шелуха, полиэтиленовые пакеты. Да вот беда, „бензин будущего" пахнет самогоном. Изобретателю приходится платить 8 % налога как за изготовление алкогольных напитков. Тем не менее 1 л искусственного „бензина будущего" стоит в 2 раза дешевле настоящего, а автомобиль работает исправно, как новый.
Разработки изобретателей не ограничиваются только искусственным бензином, предлагаются оригинальные методы получения углеводородного газа для бытовых целей. Один из которых разработан в Германии. В качестве нового источника альтернативной энергии будущего выступает свалка мусора в пригородном местечке Шверборн. При заполнении свалки под ней заложили сеть газовых колодцев и трубопроводов. Оказывается, 1 кг мусора дает до 200 л газа, из которого 100 литров - метан. Пока на свалке "добывают" в час 40 м3 газа.
Новое топливо отапливает производственные помещения. Планируется сооружение теплоцентрали на альтернативном топливе для отопления поселка. По расчетам, затраты на получение альтернативного топлива окупятся за 3,5 года.
Второй способ еще более неожиданный. С предложением выступили власти г. Оттапалам в штате Керала (Индия). Рецепт нового топлива следующий: Колодец заполняется коровьим навозом и герметично закрывается. Образующийся при брожении газ по подсоединенным трубам отводится к газовым плитам в домах. Такая биогазовая установка полностью удовлетворяет потребность семьи в биоэнергии для домашнего пользования. Сегодня в Индии разработаны и применяются 53 модели биогазовых систем. Ими эффективно пользуются около 3,5 млн. семей. Правительство страны активно поддерживает распространение биогазовых установок. Уже сейчас за счет этого экономится около 1,2 млрд. рупий в год.
Солнечная энергия - технология будущего
В начале статьи мы упоминали различные новые технологии получения энергии. Фотоэлектрические системы (или солнечные батареи) – это еще одна «технология будущего», применяющаяся уже сегодня.
Сейчас многие используют солнечные батареи в качестве основного или резервного источника электроэнергии для жилых домов и офисных зданий. Если вы недавно были на море, то могли заметить, что в навигационных буях также применяют энергию солнечных батарей. Уже давно они «взяты на вооружение» военными: во время операции «Буря в пустыне» полевые радиостанции были оснащены облегченными солнечными батареями ECD.
В будущем масштабы использования солнечных батарей будут только расти. Недавно компания ECD, в сотрудничестве с Texaco, предложила технологию использования энергии солнца для электроснабжения нефтедобывающего оборудования на нефтяном месторождении площадью двести гектаров в Бейкерсфилде (штат Калифорния). Ранее для добычи трех баррелей нефти один сжигали в парогенераторе. Использование солнечной энергии не только приведет к снижению расхода невосполнимых ресурсов, но и уменьшит вредные выбросы и шум.
Ископа́емое то́пливо - это нефть, каменный уголь, горючий сланец, природный газ и его гидраты, торф и другие горючие минералы и вещества из группы каустобиолитов, применяемые в основном как топливо, добываемые под землёй или открытым способом. Ископаемые виды топлива формируются из окаменелых останков отмерших растений в процессе разложения в анаэробных условиях под воздействием тепла и давления в земной коре в течение миллионов лет. Уголь и торф - топливо, образующееся по мере накопления и разложения останков животных и растений. Ископаемые виды топлива являются невозобновимым природным ресурсом, так как накапливались миллионы лет. Согласно данным Управления по энергетической информации (Energy Information Administration), в 2007 году в качестве первичных источников энергии использовались: нефть - 36,0 %, уголь - 27,4 %, природный газ - 23,0 %, в общей сложности доля ископаемого топлива составила 86,4 % от всех источников (ископаемых и неископаемых) потребляемой первичной энергии в мире. Следует отметить, что в состав неископаемых источников энергии включены: гидроэлектростанции - 6,3 %, ядерное - 8,5 %, и другие (геотермальная, солнечная, приливная, энергия ветра, сжигания древесины и отходов) в размере 0,9 %.
Нефть (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум - вспыхивать, воспламеняться) - природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Нефть известна человечеству с древнейших времён. Однако в наши дни нефть является одним из важнейших для человечества полезным ископаемым.
Уголь - вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа:
бурые угли (лигниты); каменные угли; антрациты; графиты.
В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.
Горючий сланец - полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и других) и органических частей (кероген), последняя составляет 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50-70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
Приро́дный газ - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.
Га́зовые гидра́ты (также гидраты природных газов или клатраты) - кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Название «клатраты» (от лат. clathratus - «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.
Сла́нцевый приро́дный газ (англ. shale gas) - природный газ, добываемый из горючих сланцев и состоящий преимущественно из метана.
Торф (нем. Torf) - горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Содержит 50-60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) - 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и так далее. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см (если меньше, то это заболоченные земли).
Ископаемые виды топлива содержат высокий процент углерода и включают ископаемый уголь, нефть и природный газ. В свою очередь, нефть, газ, а также ископаемый уголь образовались из отложений когда-то живших организмов под воздействием высокой температуры, давления и анаэробного разложения погребённых под слоем осадочных пород мёртвых организмов. Возраст организмов в зависимости от вида ископаемого топлива составляет, как правило, миллионы лет, а иногда превышает 650 миллионов лет. Более 80 % нефти и газа, которые используются в настоящее время, сформировались в наслоениях, которые образовались в мезозое и в третичный период между 180 и 30 млн лет назад из морских микроорганизмов, накопившихся в виде осадочных пород на морском дне.
Основные составляющие нефти, а также газа сформировались в то время, когда органические остатки ещё не полностью окислились, а углерод, углеводород и подобные им компоненты присутствовали в небольших количествах. Осадочные породы покрыли остатки этих веществ. Температура и давление увеличились, и жидкий углеводород скопился в пустотах скал.
В отношении происхождения нефти и природного газа существует альтернативная гипотеза, которая пытается объяснить образование некоторых аномальных месторождений нефти.
Нефтедобы́ча - подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого - нефти. Раскопками на берегу Евфрата установлено существование нефтяного промысла за 6 000-4 000 лет до нашей эры. Её применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы - в строительном и дорожном деле. Известна нефть была и в Древнем Египте, где она использовалась для бальзамирования покойников. Несмотря на то, что начиная с XVIII века предпринимались отдельные попытки очищать нефть, тем не менее, она до второй половины XIX века использовалась в основном в натуральном виде. Однако пристальное внимание нефть привлекла к себе только после того, как было доказано в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823), а в Америке - химиком Б. Силлиманом (1855), что из неё можно выделить керосин - осветительное масло, подобное фотогену, получившему на тот момент широкое распространение и вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев. Этому способствовал разработанный в середине XIX века новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев (шахт). Промышленным способом первая (разведочная) нефтяная скважина была пробурена на Апшеронском полуострове в 1847 году, первая эксплуатационная скважина пробурена на р. Кудако на Кубани в 1864 году. В США первая скважина пробурена в 1859 году. При разработке нефтяных месторождений в пласт закачивают пресную воду (для поддержания давления в пласте), в том числе в смеси с попутным нефтяным газом (Водогазовое воздействие) или различными химическими веществами для увеличения нефтеотдачи и борьбы с обводненностью добывающих скважин. В связи с тем, что запасы нефти на суше истощаются, дальнейшее совершенствование технологии добывающей подотрасли нефтяной промышленности позволило начать разработку нефтяных месторождений континентального шельфа с помощью нефтяных платформ.
Для извлечения угля с больших глубин издавна человечеством используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с глубины чуть более 1 200 метров. В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.
Газифика́ция угля - современные газогенераторы обладают мощностью для трансформации твёрдого топлива от 60 000 м³/ч до 80 000 м³/ч. Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200 000 м³/ч) и повышения КПД (до 90 %) путём повышения температуры и давления данного технологического процесса (до +2 000 °C и 10 МПа соответственно). Проводились опыты по подземной газификации углей, добыча которых по различным причинам экономически невыгодна.
- 165.93 КбПриродные источники углеводородов
Нефть, газ и каменный уголь
11.11.2011
МОУ ПСШ№1
Отинова Валентина Андреевна
10(4)кл
1. Нефть
a) Физические свойства:
фракционная перегонка
б) Химические свойства:
крекинг, термический, каталитический крекинг
в) Получение
г) Применение
2. Газ
a) Получение
б) Применение
3. Каменный уголь
a) Каменный уголь, коксование
б) Применение
Заключение
Нефть
Физические свойства
Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим
запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,
иногда почти черная, очень редко бесцветная.
Главнейшим свойством нефти, принесшим им мировую славу исключительных
энергоносителей, является их способность выделять при сгорании значительное
количество теплоты. Нефть и ее производные обладают наивысшей среди всех
видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина
– 42 МДж/кг. Важным показателем для нефти является температура кипения,
которая зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и
колеблется от 50 до 550°С.
Нефть, как и любая жидкость, при определенной температуре закипает и
переходит в газообразное состояние. Различные компоненты нефти переходят в
газообразное состояние при различной температуре. Так, температура кипения
метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°С. Легкие нефти
кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.
Нефть можно разделить на ее составляющие, для этого ее очищают от механических примесей или подвергают так называемой фракционной перегонке.
Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.
Перегонка осуществляется в специальных установках – ректификационных колоннах, в которых повторяют цикл конденсации и испарения жидких веществ, содержащихся в нефти.
Схема промышленной установки непрерывной перегонки нефти
В ректификационную колонну поступает нефть, нагретая в трубчатой печи до температуры 320-350 °С. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями - так называемые тарелки, на которых происходит конденсация фракции нефти.
В процессе ректификации нефти разделяется на следующие фракции:
- Ректификационные газы – смесь низкомолекулярных углеводородов(пропан, бутан)
- Газолиновая фракция (бензин) углеводороды от C 5 H 12 – С 11 H 24
- Лигроиновая фракция – углеводороды от C 8 H 18 – C 14 H 30
- Керосиновая фракция – углеводороды от C 12 H 26 – C 18 H 38
- Дизельное топливо – углеводороды от C 13 H 28 – C 19 H 36
Остаток перегонки
нефти – мазут
–
содержит углеводороды с числом атомов
углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном
давлении из мазут получают соляровое
масло (C 18 H 28
- C 25 H 52), смазочные масла(C 28 H 58
– C 38 H 78), вазелин и парафин
– легкоплавкие смеси твердых углеводородов.
Твердый остаток перегонки мазута –
гудрон
и продукты его переработки –
битум
и асфальт
используют для
изготовления дорожных покрытий.
Химические свойства
Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода –
11,0 – 14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три
элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5
– 8 %. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы:
ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец,
хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не
превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. Указанные элементы образуют
органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти.
Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может
встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.
В результате полученные ректификации нефти продукты подвергаются химической переработке, включающий ряд сложных процессов. Один из них – крекинг нефтепродуктов.
Крекинг – термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле.
Существуют несколько видов крекинга: термический, каталитический крекинг, крекинг высокого давления, восстановительный крекинг.
Термический
крекинг
– расщепление молекул углеводородов
с длинной углеродной цепью на более короткие
под действием высокой температуры(470-550°С).
Алканы распадаются за счет разрыва связей
С–С (более прочные связи С–Н при такой
температуре сохраняются) и образуются
алканы и алкены с меньшим числом углеродных
атомов.
Например:
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8
В общем виде это процесс можно выразить схемой:
C n H 2n+2 C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k
При обычном термическом крекинге образуется много низкомолекулярных газообразных углеводородов, которые используют как сырье для получения спиртов, карбоновых кислот, высокомолекулярных соединений (полиэтилен).
Каталитический крекинг происходит в присутствии катализаторов, в качестве которых используют природные алюмосиликаты состава n Al 2 O 3 * m SiO 2 при температуре 500°С. Осуществление крекинга с применением катализаторов приводит к образованию углеводородов, имеющих разветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле.
Крекинг нефтепродуктов протекает при высоких температурах, поэтому часто образуется нагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает его активность. Очистка от нагара – его регенерация – основное условие практического осуществления каталитического крекинга. Наиболее простым способ регенерации катализатора является его обжиг, при котором происходит окисление нагара кислородом воздуха.
Каталитический крекинг – гетерогенный процесс, в котором участвуют твердое (катализатор) и газообразные (пары углеводородов) вещества. Гетерогенные реакции (газ – твердое вещество) протекают быстрее при увеличении площади поверхности твердого вещества. Поэтому катализатор измельчают, а его регенерацию и крекинг углеводородов ведут в «кипящем слое», знакомом вам по производству серной кислоты.
Сырье для крекинга, например газойль, поступает в реактор(схема). Нижняя часть реактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья весьма высока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы катализатора и уносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диаметра скорость потока понижается. Под действием силы тяжести частицы катализатора падают в нижнюю, более узкую часть реактора, откуда вновь выносятся вверх. Таким образом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном движении и со всех сторон омывается газообразным реагентом.
Схема установки каталитического крекинга в кипящем слое
Некоторые зерна катализатора попадают во внешнюю, более широкую часть реактора и, встречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываются потоком газа и уносятся в регенератор. Использование катализаторов крекинга позволяет несколько увеличить скорость реакции, уменьшить ее температуру, повысить качество продуктов крекинга.
Полученные углеводороды
бензиновой фракции в основном имеют
линейное строение, приводит к невысокой
детонационной устойчивости
полученного
бензина.
Получение
Месторождение нефти содержит, большие скопления попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород. Попутный нефтяной газ, как и нефть, является ценным природным источником углеводородов. По составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:
- Газовый бензин (пентан и гексан);
- Пропан - бутановую смесь (пропан и бутан);
- Сухой газ (метан и этан).
Применение
Газовый бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и так же добавкой к моторному топливу, для облегчения запуска двигателей в зимних условиях. Пропан - бутановую смесь применяют как бытовое топливо и для заполнения зажигалок. Сухой газ широко используют в качестве топлива. Нефтяной газ используется в качестве сырья для химических производств. Из алканов в ходящий в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и их производные. Газообразные углеводороды могут образовывать самостоятельные скопления – месторождение природного газа.
Природный газ
Природный газ – смесь газообразных предельных углеводородов с не большой молекулярной массой. Основным компонентом газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Так же в природный газ входят этан, пропан, бутан, изобутан, азот и углекислый газ.
Получение
Месторождения природного газа находятся в пористых горных породах, образовавшихся в результате тектонических сдвигов. Слои, покрывающие эти породы, не пропускают газ. Состав природного газа существенно отличается от одного месторождения к другому. Поэтому перед использованием природный газ должен проходить обработку, позволяющую удалить ненужные компоненты, например, сернистокислую соль, воду и т.д. Обработка, как правило, осуществляется на месте добычи. При этом особую сложность представляет удаление серных соединений, поскольку при их сжигании выделяется токсичный сернистый газ (SO 2).
Применение
Природный газ используется как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ. Из метана получают водород, ацетилена и метилового спирта, формальдегид и муравьиную кислоту. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах. Ценность природного газа как горючего состоит еще и в том, что это экологически чистое минеральное топливо. При его сгорании образуется гораздо меньше вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Поэтому природный газ является одним из главных источников энергии в человеческой деятельности.
В химической промышленности природный газ используется как сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс, каучука, спирта, органических кислот. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, не существующие в природе, например, полиэтилен.
Каменный уголь
Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Каменный уголь состоит из органических и неорганических веществ, например, как вода, аммиак, сероводород и углерод - уголь.
Коксование – способ переработки каменного угля, прокаливание без доступа воздуха. При температуре около 1000°С, в результате коксования образуются:
Краткое описание
Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим
запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,
иногда почти черная, очень редко бесцветная.
Природный и попутный нефтяной газы.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан, остальное приходится на долю этана, пропана, Бутана, и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды. 90% его расходуется в качестве топлива, остальные 10% используют как сырье для химической промышленности: получение водорода, этилена, ацетилена, сажи, различный пластмасс, медикаментов и др.
Попутный нефтяной газ – это тоже природный газ, но он встречается вместе с нефтью – находится над нефтью или растворен в ней под давлением. Попутный газ содержит 30 – 50% метана, остальная часть приходится на его гомологи: этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Кроме того, в нем присутствуют те же примеси, что и в природном газе.
Три фракции попутного газа:
Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.
Нефть.
Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима. Нефть представляет собой смесь примерно 150 углеводородов с примесями других веществ, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
90% добываемой нефти используется как сырье для производства различных видов топлива и смазочных материалов. В то же время нефть – ценное сырье для химической промышленности.
Нефть, добываемую из земных недр, называю сырой. В сыром виде нефть не применяют, ее подвергают переработке. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей, а затем подвергают фракционной перегонке.
Перегонка – процесс разделения смесей на отдельные компоненты, или фракции, на основании различия их температур кипения.
При перегонке нефти выделяют несколько фракций нефтепродуктов:
Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.
После отгонки фракций остается темная вязкая жидкость – мазут. Из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства.
Вторичная переработка нефти основана на химических процессах:
Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.
Нефть – сырье для производства не только топлива, но и многих органических веществ.
Каменный уголь.
Каменный уголь так же является источником энергии и ценным химическим сырьем. В состав каменного угля в основном органические вещества, а также вода, минеральные вещества, при сжигании образующие золу.
Одним из видов переработки каменного угля является коксование – это процесс нагревания угля до температуры 1000°С без доступа воздуха. Коксование угля проводят в коксовых печах. Кокс состоит из практически чистого углерода. Его используют в качестве восстановителя при доменом производстве чугуна на металлургических заводах.
Летучие вещества при конденсации каменноугльную смолу (содержит много различных органических веществ, из них большая часть – ароматические), аммиачную воду (содержит аммиак, соли аммония) и коксовый газ (содержит аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), этилен, азот и другие вещества).