Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ КОМИТЕТ ОБРАЗОВАНИЯ

ЮГО-ВОСТОЧНОЕ ОКРУЖНОЕ УПРАВЛЕНИЕ

Средняя общеобразовательная школа №506 с углубленным изучением экономики

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ, ИХ ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ

Ковчегин Игорь 11б

Тищенко Виталий 11б

ГЛАВА 1. ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И РАЗВЕДКА ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

1.1 Происхождение горючих ископаемых

1.2 Газонефтеродные горные породы

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

ГЛАВА 4. ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

4.1 Фракционная перегонка

4.2 Крекинг

4.3 Риформинг

4.4 Очистка от серы

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

5.1 Алканы

5.2 Алкены

5.3 Алкины

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВА 7. ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 1. ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И РАЗВЕДКА ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

1 .1 Происхождение горючих ископаемых

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.

1. 2 Газонефтеродные горные породы

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 Кероген (от греч. керос, что означает «воск», и ген, что означает «обра-зующий») - рассеянное в горных породах органическое вещество, нерастворимое в органических ратворителях, неокисляющих минеральных кислотах и основаниях. 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 Конденсат - углеводородная смесь, газообразная в месторождении, но кон-денсирующаяся в жидкость при извлечении на поверхность. , 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.

ГЛАВА 2. 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 (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.

Рисунок 2 Природный газ и сырая нефть обнаруживаются в ловушках между слоями горных пород.

Таблица 1 Состав природного газа

Уголь является древнейшим источником энергии, с которым знакомо человечество. Он представляет собой минерал (рис. 3), который образовался из растительного вещества в процессе метаморфизма. Метаморфическими называются горные породы, состав которых подвергся изменениям в условиях высоких давлений, а также высоких температур. Продуктом первой стадии в процессе образования угля является торф, который представляет собой разложившееся органическое вещество. Уголь образуется из торфа после того, как он покрывается осадочными породами. Эти осадочные породы называются перегруженными. Перегруженные осадки уменьшают содержание влаги в торфе.

В классификации углей используются три критерия: чистота (определяется относительным содержанием углерода в процентах); тип (определяется составом исходного растительного вещества); сортность (зависит от степени метаморфизма).

Таблица 2. Содержание углерода в некоторых видах топлива и их теплотворная способность

Самыми низкосортными видами ископаемых углей являются бурый уголь и лигнит (табл. 2). Они ближе всего к торфу и характеризуются сравнительно низким содержанием углерода и высоким содержанием влаги. Каменный уголь характеризуется меньшим содержанием влаги и широко используется в промышленности. Самый сухой и твердый сорт угля - это антрацит. Его используют для отопления жилищ и приготовления пищи.

В последнее время благодаря техническим достижениям становится все более экономичной газификация угля. Продукты газификации угля включают моноксид углерода, диоксид углерода, водород, метан и азот. Они используются в качестве газообразного горючего либо как сырье для получения различных химических продуктов и удобрений.

Уголь, как это изложено ниже, служит важным источником сырья для получения ароматических соединений.

Рисунок 3 Вариант молекулярной модели низкосортного угля. Уголь представляет собой сложную смесь химических веществ, в состав которых входят углерод, водород и кислород, а также небольшие количества азота, серы и примеси других элементов. Кроме того, в состав угля в зависимости от его сорта входит различное количество влаги и различных минералов.

Рисунок 4 Углеводороды, встречающиеся в биологических системах.

Углеводороды встречаются в природе не только в горючих ископаемых, но также и в некоторых материалах биологического происхождения. Натуральный каучук является примером природного углеводородного полимера. Молекула каучука состоит из тысяч структурных единиц, представляющих собой метилбута-1,3-диен (изопрен); ее строение схематически показано на рис. 4. Метилбута- 1,3-диен имеет следующую структуру:

Натуральный каучук. Приблизительно 90% натурального каучука, который добывается в настоящее время во всем мире, получают из бразильского каучуконосного дерева Hevea brasiliensis, культивируемого главным образом в экваториальных странах Азии. Сок этого дерева, представляющий собой латекс (коллоидный водный раствор полимера), собирают из надрезов, сделанных ножом на коре. Латекс содержит приблизительно 30% каучука. Его крохотные частички взвешены в воде. Сок сливают в алюминиевые емкости, куда добавляют кислоту, заставляющую каучук коагулировать.

Многие другие природные соединения тоже содержат изопреновые структурные фрагменты. Например, лимонен содержит два изопреновых фрагмента. Лимонен является главной составной частью масел, извлекаемых из кожуры цитрусовых, например лимонов и апельсинов. Это соединение принадлежит к классу соединений, называемых терпенами. Терпены содержат в своих молекулах 10 атомов углерода (С 10 -соединения) и включают два изопреновых фрагмента, соединенных друг с другом последовательно («голова к хвосту»). Соединения с четырьмя изопреновыми фрагментами (С 20 -соединения) называются дитерпенами, а с шестью изопреновыми фрагментами -тритерпенами (С 30 -соединения). Сквален, который содержится в масле из печени акулы, представляет собой тритерпен. Тетратерпены (С 40 -соединения) содержат восемь изопреновых фрагментов. Тетратерпены содержатся в пигментах жиров растительного и животного происхождения. Их окраска обусловлена наличием длинной сопряженной системы двойных связей. Например, в-каротин ответствен за характерную оранжевую окраску моркови.

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ

Алканы, алкены, алкины и арены получают путем переработки нефти (см. ниже). Уголь тоже является важным источником сырья для получения углеводородов. С этой целью каменный уголь нагревают без доступа воздуха в ретортной печи. В результате получается кокс, каменноугольный деготь, аммиак, сероводород и каменноугольный газ. Этот процесс называется деструктивной перегонкой угля. Путем дальнейшей фракционной перегонки каменноугольного дегтя получают различные арены (табл. 3). При взаимодействии кокса с паром получают водяной газ:

Таблица 3 Некоторые ароматические соединения, получаемые при фракционной перегонке каменноугольного дегтя (смолы)

Из водяного газа с помощью процесса Фишера-Тропша можно получать алканы и алкены. Для этого водяной газ смешивают с водородом и пропускают над поверхностью железного, кобальтового или никелевого катализатора при повышенной температуре и под давлением 200-300 атм.

Процесс Фишера - Тропша позволяет также получать из водяного газа метанол и другие органические соединения, содержащие кислород:

Эта реакция проводится в присутствии катализатора из оксида хрома(III) при температуре 300°С и под давлением 300 атм.

В промышленно слаборазвитых странах такие углеводороды, как метан и этилен, все больше получают из биомассы. Биогаз состоит главным образом из метана. Этилен можно получать путем дегидратации этанола, который образуется в процессах ферментации.

Дикарбид кальция тоже получают из кокса, нагревая его смесь с оксидом кальция при температурах выше 2000°С в электрической печи:

При взаимодействии дикарбида кальция с водой происходит образование ацетилена. Такой процесс открывает еще одну возможность для синтеза ненасыщенных углеводородов из кокса.

ГЛАВА 4. ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ

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.

4.1 Фракционная перегонка

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.

Таблица 4 Типичные фракции перегонки нефти

Рисунок 5 Первичная перегонка сырой нефти.

Газовая фракция. Газы, получаемые при переработке нефти, представляют собой простейшие неразветвленные алканы: этан, пропан и бутаны. Эта фракция имеет промышленное название нефтезаводской (нефтяной) газ. Ее удаляют из сырой нефти до того, как подвергнуть ее первичной перегонке, или же выделяют из бензиновой фракции после первичной перегонки. Нефтезаводской газ используют в качестве газообразного горючего или же подвергают его сжижению под давлением, чтобы получить сжиженный нефтяной газ. Последний поступает в продажу в качестве жидкого топлива или используется как сырье для получения этилена на крекинг-установках.

Бензиновая фракция. Эта фракция используется для получения различных сортов моторного топлива. Она представляет собой смесь различных углеводородов, в том числе неразветвленных и разветвленных алканов. Особенности горения неразветвленных алканов не идеально соответствуют двигателям внутреннего сгорания. Поэтому бензиновую фракцию нередко подвергают термическому риформингу, чтобы превратить неразветвленные молекулы в разветвленные. Перед употреблением эту фракцию обычно смешивают с разветвленными алканами, циклоалканами и ароматическими соединениями, получаемыми из других фракций путем каталитического крекинга либо риформинга.

Качество бензина как моторного топлива определяется его октановым числом. Оно указывает процентное объемное содержание 2,2,4-триметилпентана (изооктана) в смеси 2,2,4-триметилпентана и гептана (алкан с неразветвленной цепью), которая обладает такими же детонационными характеристиками горения, как и испытуемый бензин.

Плохое моторное топливо имеет нулевое октановое число, а хорошее топливо-октановое число 100. Октановое число бензиновой фракции, получаемой из сырой нефти, обычно не превышает 60. Характеристики горения бензина улучшаются при добавлении в него антидетонаторной присадки, в качестве которой используется тетраэтилсвинец(IV), Рb(С 2 Н 5) 4 . Тетраэтилсвинец представляет собой бесцветную жидкость, которую получают при нагревании хлороэтана со сплавом натрия и свинца:

При горении бензина, содержащего эту присадку, образуются частицы свинца и оксида свинца(II). Они замедляют определенные стадии горения бензинового топлива и тем самым препятствуют его детонации. Вместе с тетраэтилсвинцом в бензин добавляют еще 1,2-дибромоэтан. Он реагирует со свинцом и свинцом(II), образуя бромид свинца(II). Поскольку бромид свинца(II) представляет собой летучее соединение, он удаляется из автомобильного двигателя с выхлопными газами.

Лигроин (нафта). Эту фракцию перегонки нефти получают в промежутке между бензиновой и керосиновой фракциями. Она состоит преимущественно из алканов (табл. 5).

Лигроин получают также при фракционной перегонке легкой масляной фракции, получаемой из каменноугольной смолы (табл. 3). Лигроин из каменноугольной смолы имеет высокое содержание ароматических углеводородов.

Бльшую часть лигроина, получаемого при перегонке нефти, подвергают риформингу для превращения в бензин. Однако значительная его часть используется как сырье для получения других химических веществ.

Таблица 5 Углеводородный состав лигроиновой фракции типичной ближневосточной нефти

Керосин . Керосиновая фракция перегонки нефти состоит из алифатических алканов, нафталинов и ароматических углеводородов. Часть ее подвергается очистке для использования в качестве источника насыщенных углеводородов-парафинов, а другая часть подвергается крекингу с целью превращения в бензин. Однако основная часть керосина используется в качестве горючего для реактивных самолетов.

Газойль . Эта фракция переработки нефти известна под названием дизельного топлива. Часть ее подвергают крекингу для получения нефтезаводского газа и бензина. Однако главным образом газойль используют в качестве горючего для дизельных двигателей. В дизельном двигателе зажигание топлива производится в результате повышения давления. Поэтому они обходятся без свечей зажигания. Газойль используется также как топливо для промышленных печей.

Мазут . Эта фракция остается после удаления из нефти всех остальных фракций. Большая его часть используется в качестве жидкого топлива для нагревания котлов и получения пара на промышленных предприятиях, электростанциях и в корабельных двигателях. Однако некоторую часть мазута подвергают вакуумной перегонке для получения смазочных масел и парафинового воска. Смазочные масла подвергают дальнейшей очистке путем экстракции растворителя. Темный вязкий материал, остающийся после вакуумной перегонки мазута, называется «битум», или «асфальт». Он используется для изготовления дорожных покрытий.

Мы рассказали о том, как фракционная и вакуумная перегонка наряду с экстракцией растворителями позволяет разделить сырую нефть на различные практически важные фракции. Все эти процессы являются физическими. Но для переработки нефти используются еще и химические процессы. Эти процессы можно подразделить на два типа: крекинг и риформинг.

4.2 Крекинг

В этом процессе крупные молекулы высококипящих фракций сырой нефти расщепляются на меньшие молекулы, из которых состоят низкокипящие фракции. Крекинг необходим потому, что потребности в низкокипящих фракциях нефти - особенно в бензине - часто опережают возможности их получения путем фракционной перегонки сырой нефти.

В результате крекинга кроме бензина получают также алкены, необходимые как сырье для химической промышленности. Крекинг в свою очередь подразделяется на три важнейших типа: гидрокрекинг, каталитический крекинг и термический крекинг.

Гидрокрекинг . Эта разновидность крекинга позволяет превращать высококипящие фракции нефти (воски и тяжелые масла) в низкокипящие фракции. Процесс гидрокрекинга заключается в том, что подвергаемую крекингу фракцию нагревают под очень высоким давлением в атмосфере водорода. Это приводит к разрыву крупных молекул и присоединению водорода к их фрагментам. В результате образуются насыщенные молекулы небольших размеров. Гидрокрекинг используется для получения газойля и бензинов из более тяжелых фракций.

Каталитический крекинг. Этот метод приводит к образованию смеси насыщенных и ненасыщенных продуктов. Каталитический крекинг проводится при сравнительно невысоких температурах, а в качестве катализатора используется смесь кремнезема и глинозема. Таким путем получают высококачественный бензин и ненасыщенные углеводороды из тяжелых фракций нефти.

Термический крекинг. Крупные молекулы углеводородов, содержащихся в тяжелых фракциях нефти, могут быть расщеплены на меньшие молекулы путем нагревания этих фракций до температур, превышающих их температуру кипения. Как и при каталитическом крекинге, в этом случае получают смесь насыщенных и ненасыщенных продуктов. Например,

Термический крекинг имеет особенно важное значение для получения ненасыщенных углеводородов, например этилена и пропена. Для термического крекинга используются паровые крекинг-установки. В этих установках углеводородное сырье сначала нагревают в печи до 800°С, а затем разбавляют его паром. Это увеличивает выход алкенов. После того как крупные молекулы исходных углеводородов расщепятся на более мелкие молекулы, горячие газы охлаждают приблизительно до 400СС водой, которая превращается в сжатый пар. Затем охлажденные газы поступают в ректификационную (фракционную) колонну, где они охлаждаются до 40°С. Конденсация более крупных молекул приводит к образованию бензина и газойля. Несконденсировавшиеся газы сжимают в компрессоре, который приводится в действие сжатым паром, полученным на стадии охлаждения газов. Окончательное разделение продуктов производится в колоннах фракционной перегонки.

Таблица 6 Выход продуктов крекинга с паром из различного углеводородного сырья (масс. %)

В европейских странах главным сырьем для получения ненасыщенных углеводородов с помощью каталитического крекинга является лигроин. В Соединенных Штатах главным сырьем для этой цели служит этан. Его легко получают на нефтеперерабатывающих заводах как один из компонентов сжиженного нефтяного газа или же из природного газа, а также из нефтяных скважин как один из компонентов природных сопутствующих газов. В качестве сырья для крекинга с паром используются также пропан, бутан и газойль. Продукты крекинга этана и лигроина указаны в табл. 6.

Реакции крекинга протекают по радикальному механизму.

4.3 Риформинг

В отличие от процессов крекинга, которые заключаются в расщеплении более крупных молекул на менее крупные, процессы риформинга приводят к изменению структуры молекул или к их объединению в более крупные молекулы. Риформинг используется в переработке сырой нефти для превращения низкокачественных бензиновых фракций в высококачественные фракции. Кроме того, он используется с целью получения сырья для нефтехимической промышленности. Процессы риформинга могут быть подразделены на три типа: изомеризация, алкилирование, а также циклизация и ароматизация.

Изомеризация . В этом процессе молекулы одного изомера подвергаются перегруппировке с образованием другого изомера. Процесс изомеризации имеет очень важное значение для повышения качества бензиновой фракции, получаемой после первичной перегонки сырой нефти. Мы уже указывали, что эта фракция содержит слишком много неразветвленных алканов. Их можно превратить в разветвленные алканы, нагревая данную фракцию до 500-600°С под давлением 20-50 атм. Этот процесс носит название термического риформинга.

Для изомеризации неразветвленных алканов может также применяться каталитический риформинг . Например, бутан можно изомеризовать, превращая его в 2-метил-пропан, с помощью катализатора из хлорида алюминия при температуре 100°С или выше:

Эта реакция имеет ионный механизм, который осуществляется с участием карбка-тионов.

Алкилирование . В этом процессе алканы и алкены, которые образовались в результате крекинга, воссоединяются с образованием высокосортных бензинов. Такие алканы и алкены обычно имеют от двух до четырех атомов углерода. Процесс проводится при низкой температуре с использованием сильнокислотного катализатора, например серной кислоты:

Эта реакция протекает по ионному механизму с участием карбкатиона (СН 3) 3 С + .

Циклизация и ароматизация. При пропускании бензиновой и лигроиновой фракций, полученных в результате первичной перегонки сырой нефти, над поверхностью таких катализаторов, как платина или оксид молибдена(VI), на подложке из оксида алюминия, при температуре 500°С и под давлением 10-20 атм происходит циклизация с последующей ароматизацией гексана и других алканов с более длинными неразветвленными цепями:

Отщепление водорода от гексана, а затем от циклогексана называется дегидрированием . Риформинг этого типа в сущности представляет собой один из процессов крекинга. Его называют платформингом, каталитическим риформингом или просто риформингом. В некоторых случаях в реакционную систему вводят водород, чтобы предотвратить полное разложение алкана до углерода и поддержать активность катализатора. В этом случае процесс называется гидроформингом.

4.4 Очистка от серы

Сырая нефть содержит сероводород и другие соединения, содержащие серу. Содержание серы в нефти зависит от месторождения. Нефть, которую получают из континентального шельфа Северного моря, имеет низкое содержание серы. При перегонке сырой нефти органические соединения, содержащие серу, расщепляются, и в результате образуется дополнительное количество сероводорода. Сероводород попадает в нефтезаводской газ или во фракцию сжиженного нефтяного газа. Поскольку сероводород обладает свойствами слабой кислоты, его можно удалить, обрабатывая нефтепродукты каким-либо слабым основанием. Из полученного таким образом сероводорода можно извлекать серу, сжигая сероводород в воздухе и пропуская продукты сгорания над поверхностью катализатора из оксида алюминия при температуре 400°С. Суммарная реакция этого процесса описывается уравнением

Приблизительно 75% всей элементной серы, используемой в настоящее время промышленностью несоциалистических стран, извлекают из сырой нефти и природного газа.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

Приблизительно 90% всей добываемой нефти используют в качестве топлива. Несмотря на то, что та часть нефти, которая используется для получения нефтехимических продуктов, мала, эти продукты имеют очень большое значение. Из продуктов перегонки нефти получают много тысяч органических соединений (табл. 7). Они в свою очередь используются для получения тысяч продуктов, которые удовлетворяют не только насущные потребности современного общества, но и потребности в комфорте (рис. 6).

Таблица 7 Углеводородное сырье для химической промышленности

Хотя различные группы химических продуктов, указанные на рис. 6, в широком смысле обозначены как нефтехимические продукты, поскольку их получают из нефти, следует отметить, что многие органические продукты, в особенности ароматические соединения, в промышленности получают из каменноугольной смолы и других источников сырья. И все же приблизительно 90% всего сырья для органической промышленности получают из нефти.

Ниже будут рассмотрены некоторые типичные примеры, показывающие использование углеводородов в качестве сырья для химической промышленности.

Рисунок 6 Применения продуктов нефтехимической промышленности.

5.1 Алканы

Метан является не только одним из важнейших видов топлива, но имеет еще и множество других применений. Он используется для получения так называемого синтез-газа , или сингаза. Подобно водяному газу, который получают из кокса и пара, синтез-газ представляет собой смесь моноксида углерода и водорода. Синтез-газ получают, нагревая метан или лигроин приблизительно до 750°С под давлением порядка 30 атм в присутствии никелевого катализатора:

Синтез-газ используется для получения водорода в процессе Габера (синтез аммиака).

Синтез-газ используется также для получения метанола и других органических соединений. В процессе получения метанола синтез-газ пропускают над поверхностью катализатора из оксида цинка и меди при температуре 250°С и давлении 50-100 атм, что приводит к реакции

Синтез-газ, используемый для проведения этого процесса, должен быть тщательно очищен от примесей.

Метанол нетрудно подвергнуть каталитическому разложению, при котором из него снова получается синтез-газ. Это очень удобно использовать для транспортировки синтез-газа. Метанол является одним из важнейших видов сырья для нефтехимической промышленности. Он используется, например, для получения уксусной кислоты:

Катализатором для этого процесса является растворимый анионный комплекс родия . Этот способ используется для промышленного получения уксусной кислоты, потребности в которой превосходят масштабы ее получения в результате процесса ферментации.

Растворимые соединения родия, возможно, станут использоваться в будущем в качестве гомогенных катализаторов процесса получения этан-1,2-диола из синтез-газа:

Эта реакция протекает при температуре 300°С и давлении порядка 500-1000 атм. В настоящее время такой процесс экономически невыгоден. Продукт этой реакции (его тривиальное название - этиленгликоль) используется в качестве антифриза и для получения различных полиэфиров, например терилена.

Метан используется также для получения хлорометанов, например трихлоро-метана (хлороформа). Хлорометаны имеют разнообразные применения. Например, хлорометан используется в процессе получения силиконов.

Наконец, метан все больше используется для получения ацетилена

Эта реакция протекает приблизительно при 1500°С. Чтобы нагреть метан до такой температуры, его сжигают в условиях ограниченного доступа воздуха.

Этан тоже имеет ряд важных применений. Его используют в процессе получения хлороэтана (этилхлорида). Как было указано выше, этилхлорид используется для получения тетраэтилсвинца(IV). В Соединенных Штатах этан является важным сырьем для получения этилена (табл. 6).

Пропан играет важную роль в промышленном получении альдегидов, например метаналя (муравьиного альдегида) и этаналя (уксусного альдегида). Эти вещества имеют особенно важное значение в производстве пластмасс. Бутан используется для получения бута-1,3-диена, который, как будет описано ниже, используется для получения синтетического каучука.

5.2 Алкены

Этилен . Одним из важнейших алкенов и вообще одним из самых важных продуктов нефтехимической промышленности является этилен. Он представляет собой сырье для получения многих пластмасс. Перечислим их.

Полиэтилен . Полиэтилен представляет собой продукт полимеризации этилена:

Полихлороэтилен . Этот полимер имеет еще название поливинилхлорид (ПВХ). Его получают из хлороэтилена (винилхлорида), который в свою очередь получают из этилена. Суммарная реакция:

1,2-Дихлороэтан получают в виде жидкости либо газа, используя в качестве катализатора хлорид цинка либо хлорид железа(III).

При нагревании 1,2-дихлороэтана до температуры 500°С под давлением 3 атм в присутствии пемзы образуется хлороэтилен (винилхлорид)

Другой способ получения хлороэтилена основан на нагревании смеси этилена, хлоро-водорода и кислорода до 250°С в присутствии хлорида меди(II) (катализатор):

Полиэфирное волокно. Примером такого волокна является терилен. Его получают из этан-1,2-диола, который в свою очередь синтезируют из эпоксиэтана (этиленоксида) следующим образом:

Этан-1,2-диол (этиленгликоль) используется также в качестве антифриза и для получения синтетических моющих средств.

Этанол получают гидратацией этилена, используя в качестве катализатора фосфорную кислоту на носителе из кремнезема:

Этанол используется для получения этаналя (ацетальдегида). Кроме того, его используют в качестве растворителя для лаков и политур, а также в косметической промышленности.

Наконец, этилен используется еще для получения хлороэтана, который, как было указано выше, применяется для изготовления тетраэтилсвинца(IV) - антидетонаторной присадки к бензинам.

Пропен . Пропен (пропилен), как и этилен, используется для синтеза разнообразных химических продуктов. Многие из них используются в производстве пластмасс и каучуков.

Полипропен . Полипропен представляет собой продукт полимеризации пропена:

Пропанон и пропеналь. Пропанон (ацетон) широко используется в качестве растворителя, а кроме того, применяется в производстве пластмассы, известной под названием плексигласа (полиметилметакрилат). Пропанон получают из (1-метилэтил) бензола или из пропан-2-ола. Последний получают из пропена следующим образом:

Окисление пропена в присутствии катализатора из оксида меди(II) при температуре 350°С приводит к получению пропеналя (акрилового альдегида): нефть переработка углеводород

Пропан-1,2,3-триол. Пропан-2-ол, пероксид водорода и пропеналь, получаемые в описанном выше процессе, могут использоваться для получения пропан-1,2,3-триола (глицерина):

Глицерин применяется в производстве целлофановой пленки.

Пропеннитрил (акрилонитрил). Это соединение используется для получения синтетических волокон, каучуков и пластмасс. Его получают, пропуская смесь пропена, аммиака и воздуха над поверхностью молибдатного катализатора при температуре 450°С:

Метилбута-1,3-диен (изопрен). Его полимеризацией получают синтетические каучуки. Изопрен получают с помощью следующего многостадийного процесса:

Эпоксипропан используется для получения полиуретановых пенопластов, полиэфиров и синтетических моющих средств. Его синтезируют следующим образом:

Бут-1-ен, бут-2-ен и бута-1,2-диен используются для получения синтетических каучуков. Если в качестве сырья для этого процесса используются бутены, их сначала превращают в бута-1,3-диен путем дегидрирования в присутствии катализатора - смеси оксида хрома(Ш) с оксидом алюминия:

5. 3 Алкины

Важнейшим представителем ряда алкинов является этин (ацетилен). Ацетилен имеет многочисленные применения, например:

– в качестве горючего в кислородно-ацетиленовых горелках для резки и сварки металлов. При горении ацетилена в чистом кислороде в его пламени развивается температура до 3000°С;

– для получения хлороэтилена (винилхлорида), хотя в настоящее время важнейшим сырьем для синтеза хлороэтилена становится этилен (см. выше).

– для получения растворителя 1,1,2,2-тетрахлороэтана.

5.4 Арены

Бензол и метилбензол (толуол) получают в больших количествах при переработке сырой нефти. Поскольку метилбензол получают при этом даже в бльших количествах, чем необходимо, часть его превращают в бензол. С этой целью смесь метилбензола с водородом пропускают над поверхностью платинового катализатора на носителе из оксида алюминия при температуре 600°С под давлением:

Этот процесс называется гидроалкилированием .

Бензол используется в качестве исходного сырья для получения ряда пластмасс.

(1-Метилэтил)бензол (кумол или 2-фенилпропан). Его используют для получения фенола и пропанона (ацетона). Фенол применяется для синтеза различных каучуков и пластмасс. Ниже указаны три стадии процесса получения фенола.

Поли(фенилэтилен) (полистирол). Мономером этого полимера является фенил-этилен (стирол). Его получают из бензола:

ГЛАВА 6. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НЕФТЯНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Доля России в мировой добыче минерального сырья остается высокой и составляет по нефти 11.6%, по газу -- 28.1, углю -- 12-14%. По объему разведанных запасов минерального сырья Россия занимает ведущее положение в мире. При занимаемой территории в 10% в недрах России сосредоточено 12-13% мировых запасов нефти, 35% -- газа, 12% -- угля. В структуре минерально-сырьевой базы страны более 70% запасов приходится на ресурсы топливно-энергетического комплекса (нефть, газ, уголь). Общая стоимость разведанного и оцененного минерального сырья составляет сумму 28.5 трлн долларов, что на порядок превосходит стоимость всей приватизируемой недвижимости России.

Таблица 8 Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации

Топливно-энергетический комплекс является опорой отечественной экономики: доля ТЭК в общем объеме экспорта в 1996 г. составит почти 40% (25 млрд долл.). Около 35% всех доходов федерального бюджета на 1996 г. (121 из 347 трлн руб.) планируется получить за счет деятельности предприятий комплекса. Ощутима доля ТЭК в общем объеме товарной продукции, которую российские предприятия планируют выпустить в 1996 г. Из 968 трлн руб. товарной продукции (в действующих ценах) доля предприятий ТЭК составит почти 270 трлн руб., или более 27% (табл. 8). ТЭК остается крупнейшим промышленным комплексом, осуществляющим капитальные вложения (более 71 трлн руб. в 1995 г.) и привлекающим инвестиции (1.2 млрд долл. только от Всемирного банка за два последних года) в предприятия всех своих отраслей.

Нефтяная промышленность Российской Федерации на протяжении длительного периода развивалась экстенсивно. Это достигалось за счет открытия и ввода в эксплуатацию в 50-70-х годах крупных высокопродуктивных месторождений в Урало-Поволжье и Западной Сибири, а также строительством новых и расширением действующих нефтеперерабатывающих заводов. Высокая продуктивность месторождений позволила с минимальными удельными капитальными вложениями и сравнительно небольшими затратами материально-технических ресурсов наращивать добычу нефти по 20-25 млн т в год. Однако при этом разработка месторождений велась недопустимо высокими темпами (от 6 до 12% отбора от начальных запасов), и все эти годы в нефтедобывающих районах серьезно отставали инфраструктура и жилищно-бытовое строительство. В 1988 г. в России было добыто максимальное количество нефти и газового конденсата -- 568.3 млн т, или 91% общесоюзной добычи нефти. Недра территории России и прилегающих акваторий морей содержат около 90% разведанных запасов нефти всех республик, входивших ранее в СССР. Во всем мире минерально-сырьевая база развивается по схеме расширения воспроизводства. То есть ежегодно необходимо передавать промысловикам новых месторождений на 10-15% больше, чем они вырабатывают. Это необходимо для поддержания сбалансированности структуры производства, чтобы промышленность не испытывала сырьевого голода. В годы реформ остро встал вопрос инвестиций в геологоразведку. На освоение одного миллиона тонн нефти необходимы вложения в размере от двух до пяти миллионов долларов США. Причем эти средства дадут отдачу только через 3-5 лет. Между тем для восполнения падения добычи необходимо ежегодно осваивать 250-300 млн т нефти. За минувшие пять лет разведано 324 месторождения нефти и газа, введено в эксплуатацию 70-80 месторождений. На геологию в 1995 г. было истрачено лишь 0.35% ВВП (в бывшем СССР эти затраты были в три раза выше). На продукцию геологов -- разведанные месторождения -- существует отложенный спрос. Однако в 1995 г. геологической службе все же удалось остановить падение производства в своей отрасли. Объемы глубокого разведочного бурения в 1995 г. возросли на 9% по сравнению с 1994 г. Из 5.6 трлн рублей финансирования 1.5 трлн рублей геологи получали централизованно. На 1996 г. бюджет Роскомнедра составляет 14 трлн рублей, из них 3 трлн -- централизованные инвестиции. Это лишь четверть вложений бывшего СССР в геологию России.

Сырьевая база России при условии формирования соответствующих экономических условий развития геологоразведочных работ может обеспечить на сравнительно длительный период уровни добычи, необходимые для удовлетворения потребностей страны в нефти. Следует учитывать, что в Российской Федерации после семидесятых годов не было открыто ни одного крупного высокопродуктивного месторождения, а вновь приращиваемые запасы по своим кондициям резко ухудшаются. Так, например, по геологическим условиям средний дебит одной новой скважины в Тюменской области упал с 138 т в 1975 г. до 10-12т в 1994 г., т. е. более чем в 10 раз. Значительно возросли затраты финансовых и материально-технических ресурсов на создание 1 т новой мощности. Состояние разработки крупных высокопродуктивных месторождений характеризуется выработкой запасов в объемах 60-90% от начальных извлекаемых запасов, что предопределило естественное падение добычи нефти.

В связи с высокой выработанностью крупных высокопродуктивных месторождений качество запасов изменилось в худшую сторону, что требует привлечения значительно больших финансовых и материально-технических ресурсов для их освоения. Из-за сокращения финансирования недопустимо уменьшились объемы геологоразведочных работ, и как следствие снизились приросты запасов нефти. Если в 1986-1990 гг. по Западной Сибири прирост запасов составлял 4.88 млрд т, то в 1991-1995 гг. из-за снижения объемов разведочного бурения этот прирост снизился почти вдвое и составил 2.8 млрд т. В создавшихся условиях для обеспечения потребностей страны даже на ближайшую перспективу требуется принятие государственных мер по наращиванию сырьевой оазы.

Переход к рыночным отношениям диктует необходимость изменения подходов к установлению экономических условий для функционирования предприятий, относящихся к горнодобывающим отраслям промышленности. В нефтяной отрасли, характеризующейся невозобновляющимися ресурсами ценного минерального сырья -- нефти, существующие экономические подходы исключают из разработки значительную часть запасов из-за неэффективности их освоения по действующим экономическим критериям. Оценки показывают, что по отдельным нефтяным компаниям по экономическим причинам не могут быть вовлечены в хозяйственный оборот от 160 до 1057 млн. т запасов нефти.

Нефтяная промышленность, имея значительную обеспеченность балансовыми запасами, в последние годы ухудшает свою работу. В среднем падение добычи нефти в год по действующему фонду оценивается в 20%. По этой причине, чтобы сохранить достигнутый уровень добычи нефти в России, необходимо ввдить новые мощности на 115-120 млн. т в год, для чего требуется пробурить 62 млн. м эксплуатационных скважин, а фактически в 1991 г. пробурено 27.5 млн м, а в 1995 - 9.9 млн. м.

Отсутствие средств привело к резкому сокращению объемов промышленного и гражданскоого строительства, особенно в Западной Сибири. Вследствие этого произошло уменьшение работ по обустройству нефтяных месторождений, строительству и реконструкции систем сбора и транспорта нефти, строительству жилья, школ, больниц и других объектов, что явилось одной из причин напряженной социальной обстановки в нефтедобывающих регионах. Программа строительства объектов утилизации попутного газа была сорвана. В результате в факелах сжигается ежегодно более 10 млрд. м3 нефтяного газа. Из-за невозможности реконструкции нефтепроводных систем на промыслах постоянно происходят многочисленные порывы трубопроводов. Только в 1991 г. по этой причине потеряно более 1 млн т нефти и нанесен большой урон окружающей среде. Сокращение заказов на строительство привело к распаду в Западной Сибири мощных строительных организаций.

Одной из основных причин кризисного состояния нефтяной промышленности является также отсутствие необходимого промыслового оборудования и труб. В среднем дефицит в обеспечении отрасли материально-техническими ресурсами превышает 30%. За последние годы не создано ни одной новой крупной производственной единицы по выпуску нефтепромыслового оборудования, более того, многие заводы этого профиля сократили производство, а выделяемых средств для валютных закупок оказалось недостаточно.

Из-за плохого материально-технического обеспечения число простаивающих эксплуатационных скважин превысило 25 тыс. ед., в том числе сверхнормативно простаивающих -- 12 тыс. ед. По скважинам, простаивающим сверхнормативно, ежесуточно теряется около 100 тыс. т нефти.

Острой проблемой для дальнейшего развития нефтяной промышленности остается ее слабая оснащенность высокопроизводительной техникой и оборудованием для добычи нефти и газа. К 1990 г. в отрасли половина технических средств имела износ более 50%, только 14% машин и оборудования соответствовало мировому уровню, потребность по основным видам продукции удовлетворялась в среднем на 40-80%. Такое положение с обеспечением отрасли оборудованием явилось следствием слабого развития нефтяного машиностроения страны. Импортные поставки в общем объеме оборудования достигли 20%, а по отдельным видам доходят и до 40%. Закупка труб достигает 40 - 50%.

Подобные документы

Направления применения углеводородов, их потребительские качества. Внедрение технологии глубокой переработки углеводородов, их применение как холодильных агентов, рабочего тела датчиков элементарных частиц, для пропитки тары и упаковочных материалов.

доклад , добавлен 07.07.2015


Виды и состав газов, образующихся при разложении углеводородов нефти в процессах ее переработки. Использование установок для разделения предельных и непредельных газов и мобильных газобензиновых заводов. Промышленное применение газов переработки.

реферат , добавлен 11.02.2014


Понятие нефтяных попутных газов как смеси углеводородов, которые выделяются вследствие снижения давления при подъеме нефти на поверхность Земли. Состав попутного нефтяного газа, особенности его переработки и применения, основные способы утилизации.

презентация , добавлен 10.11.2015


Характеристика современного состояния нефтегазовой промышленности России. Стадии процесса первичной переработки нефти и вторичная перегонка бензиновой и дизельной фракции. Термические процессы технологии переработки нефти и технология переработки газов.

контрольная работа , добавлен 02.05.2011


Задачи нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Особенности развития нефтеперерабатывающей промышленности в мире. Химическая природа, состав и физические свойства нефти и газоконденсата. Промышленные установки первичной переработки нефти.

курс лекций , добавлен 31.10.2012


Значение процесса каталитического риформинга бензинов в современной нефтепереработке и нефтехимии. Методы производства ароматических углеводородов риформингом на платиновых катализаторах в составе комплексов по переработке нефти и газового конденсата.

курсовая работа , добавлен 16.06.2015


Физико-химическая характеристика нефти. Первичные и вторичные процессы переработки нефти, их классификация. Риформинг и гидроочистка нефти. Каталитический крекинг и гидрокрекинг. Коксование и изомеризация нефти. Экстракция ароматики как переработка нефти.

курсовая работа , добавлен 13.06.2012


Кривая истинных температур кипения нефти и материальный баланс установки первичной переработки нефти. Потенциальное содержание фракций в Васильевской нефти. Характеристика бензина первичной переработки нефти, термического и каталитического крекинга.

лабораторная работа , добавлен 14.11.2010


Характеристика и организационная структура ЗАО "Павлодарский НХЗ". Процесс подготовки нефти к переработке: ее сортировка, очистка от примесей, принципы первичной переработки нефти. Устройство и действие ректификационных колонн, их типы, виды подключения.

отчет по практике , добавлен 29.11.2009


Общая характеристика нефти, определение потенциального содержания нефтепродуктов. Выбор и обоснование одного из вариантов переработки нефти, расчет материальных балансов технологических установок и товарного баланса нефтеперерабатывающего завода.

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

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

Каменный уголь.

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

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

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

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

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

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

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

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

Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.

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

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

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

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

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

nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.

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

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

Природный газ.

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

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

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

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

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

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

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

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

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Углеводороды все такие разные -
Жидкие и твёрдые, и газообразные.
Почему так много их в природе?
Дело в ненасытном углероде.

Действительно, этот элемент, как никакой другой, “ненасытен”: он так и стремится образовывать то цепи, прямые и разветвлённые, то кольца, то сетки из множества своих атомов. Отсюда множество соединений из атомов углерода и водорода.

Углеводороды – это и природный газ – метан, и другой бытовой горючий газ, которым наполняют баллоны – пропан С 3 Н 8 . Углеводороды – это и нефть, и бензин, и керосин. А ещё – органический растворитель С 6 Н 6 , парафин, из которого сделаны новогодние свечи, вазелин из аптеки и даже полиэтиленовый пакет для упаковки продуктов…

Важнейшими природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – каменный уголь, нефть, газ.

КАМЕННЫЙ УГОЛЬ

На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15% территории земного шара. Угольные бассейны могут тянуться на тысячи километров. Всего общегеологические запасы угля на земном шаре составляют 5 трлн. 500 млрд. тонн , в том числе разведанные месторождения -1 трлн. 750 млрд. тонн .

Различают три главных вида ископаемых углей. При горении бурого угля, антрацита – пламя невидимое, сгорание бездымное, а каменный уголь при горении издаёт громкий треск.

Антрацит – самый древний из ископаемых углей. Отличается большой плотностью и блеском. Содержит до 95% углерода.

Каменный уголь – содержит до 99% углерода. Из всех ископаемых углей находит самое широкое применение.

Бурый уголь – содержит до 72% углерода. Имеет бурый цвет. Как самый молодой из ископаемых углей, часто сохраняет следы структуры дерева, из которого он образовался. Отличается большой гигроскопичностью и высокой зольностью (от 7% до 38 %), поэтому используется только как местное топливо и как сырьё для химической переработки. В частности, путём его гидрогенизации получают ценные виды жидкого топлива: бензин и керосин.

Углерод основная составная часть каменного угля(99% ), бурого угля (до 72% ). Происхождение названия углерод, то есть, “рождающий уголь”. Аналогично и латинское название “карбонеум” в основе содержит корень карбо-уголь.

Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество органических веществ. Кроме органических веществ, в его состав входят и неорганические вещества, такие, 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 1000 0 С, образуется:

Коксовый газ – в его состав входят водород, метан, угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов.

Каменноугольная смола – содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и разные гетероциклические соединения.

Надсмольная или аммиачная вода – содержащая, как ясно из названия, растворённый аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества.

Кокс – твёрдый остаток коксования, практический чистый углерод.

Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить. Какова же география распространения этого полезного ископаемого?

Основная часть угольных ресурсов приходится на северное полушарие – Азию, Северную Америку, Евразию. Какие же страны выделяются по запасам и добыче угля?

Китай, США, Индия, Австралия, Россия.

Главными экспортёрами угля являются страны.

США, Австралия, Россия, ЮАР.

Главные центры импорта.

Япония, Зарубежная Европа.

Это очень экологически грязное топливо. При добыче угля происходят взрывы и возгорания метана, возникают определенные проблемы, связанные с окружающей средой.

Загрязнение окружающей среды – это любое нежелательное изменение состояния этой среды в результате хозяйственной деятельности человека. Это происходит и при добыче полезных ископаемых. Представим ситуацию в районе добычи угля. Вместе с углём на поверхность поднимается огромное количество пустой породы, которое за ненадобностью просто отправляют в отвалы. Постепенно образуются терриконы – огромные, в десятки метров высотой, конусообразные горы пустой породы, которые искажают облик природного ландшафта. А весь ли уголь, поднятый на поверхность, обязательно будет вывезен потребителю? Конечно, нет. Ведь процесс негерметичен. Огромное количество угольной пыли оседает на поверхность земли. В результате изменяется состав почв, грунтовых вод, что неминуемо повлияет на животный и растительный мир района.

Уголь содержит радиоактивный углерод - С, но после сжигания топлива опасное вещество вместе с дымом попадает в воздух, воду, почву, спекается в шлак или золу, которая используется для производства строительных материалов. В результате, в жилых домах стены и перекрытия “фонят” и представляют угрозу для здоровья человека.

НЕФТЬ

Нефть известна человечеству с древних времён. На берегу Евфрата она добывалась

6-7 тыс. лет до н. э. Использовалась она для освещения жилищ, для приготовления строительных растворов, в качестве лекарств и мазей, при бальзамировании. Нефть в древнем мире была грозным оружием: огненные реки лились на головы штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в нефти, летели в осаждённые города. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием “греческого огня”. В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.

Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч.

Различают легкую и тяжелую нефть. Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из нее битум, мазут, различные масла.

Нефть наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет) . Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 140 млрд. тонн.

В 2007 году российские учёные доказали мировому сообществу, что подводные хребты Ломоносова и Менделеева, которые находятся в Северном Ледовитом океане являются шельфовой зоной материка, а следовательно принадлежат Российской Федерации. О составе нефти, её свойствах расскажет учитель химии.

Нефть – это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл её можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.

Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.

Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями” . В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти используется в качестве топлива. Несмотря на “ свои 10%”, нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”, “кровью Земли”.

Нефть – маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым оттенком, иногда чёрная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная с характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная, как вода (например, в Суруханском месторождении в Азербайджане, в некоторых месторождениях в Алжире).

Состав нефти неодинаков. Но все они обычно содержат углеводороды трёх видов – алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.

Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Около ? мировых запасов нефти приходится на развивающиеся страны. (Учитель называет и показывает на карте).

Главные страны производители:

Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика.

В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:

Япония, Зарубежная Европа, США.

Нефть в сыром виде нигде не используется, а находят применение продукты нефтепереработки.

Переработка нефти

Современная установка состоит из печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции – отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения: бензин, лигроин, керосин. В печи имеется свернутая в змеевик длинная труба. Печь обогревается продуктами сгорания мазута или газа. В змеевик непрерывно подается нефть: там она нагревается до 320 - 350 0 Си в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну. Ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой около 40м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями – так называемые тарелками. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в тарелках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они частично сжижаются. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках, образуя газойлевуюфракцию; более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию; ещё выше – лигроиновую фракцию. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и после конденсации, образуют бензин. Часть бензина подаётся обратно в колону для “орошения”, что способствуют лучшему режиму работы. (Запись в тетради). Бензин – содержит углеводороды С5 – С11, кипящие в интервале от40 0 С до 200 0 С; лигроин – содержит углеводороды С8 - С14 с температурой кипения от 120 0 С до 240 0 С;керосин- содержит углеводороды С12 – С18, кипящие при температуре от180 0 С до 300 0 С; газойль - содержит углеводороды С13 – С15, отгоняют при температуре от 230 0 С до 360 0 С; смазочные масла- С16 – С28, кипят при температуре 350 0 С и выше.

После отгонки из нефти светлых продуктов остаётся вязкая чёрная жидкость – мазут. Он представляет собой ценную смесь углеводородов. Из мазута путём дополнительной перегонки получают смазочные масла. Неперегоняющуюся часть мазута называют гудроном, который используется в строительстве и при асфальтировании дорог.(Демонстрация фрагмента видеофильма). Наиболее ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает проблема: как удовлетворить все возрастающие потребности общества в автомобильном и авиационном топливе? Решение было найдено в конце 19 века русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым . В 1891 году он впервые осуществил промышленный крекинг керосиновой фракции нефти, что позволило увеличить выход бензина до 65-70% (в расчёте на сырую нефть). Только за разработку процесса термического крекинга нефтепродуктов благодарное человечество золотыми буквами вписало имя этого уникального человека в историю цивилизации.

Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке, включающей ряд сложных процессов, Один из них – крекинг нефтепродуктов (от английского “Сracking”-расщепление). Различают несколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокого давления, восстановительный. Термический крекинг заключается в расщеплении молекул углеводородов с длинной цепью на более короткие под действием высокой температуры (470-550 0 C). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:

В настоящее время наиболее распространён каталитический крекинг. Он проводится при температуре 450-500 0 С, но с большей скоростью и позволяет получать бензин более высокого качества. В условиях каталитического крекинга наряду с реакциями расщепления идут реакции изомеризации, то есть превращения углеводородов нормального строения в углеводороды разветвлённые.

Изомеризация влияет на качество бензина, так как наличие разветвленных углеводородов сильно повышает его октановое число. Крекинг относят к так называемым вторичным процессам нефтепереработки. К вторичным относят и ряд других каталитических процессов, например риформинг. Риформинг – это ароматизация бензинов, путём нагревания их в присутствии катализатора, например, платины. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, в следствии чего октановое число бензинов также существенно повышается.

Экология и нефтепромысел

Для нефтехимического производства особенно актуальна проблема окружающей среды. Добыча нефти связана с затратами энергии и загрязнением окружающей среды. Опасным источником загрязнения Мирового океана является морская нефтедобыча, также Мировой океан загрязняется при транспортировке нефти. Каждый из нас видел по телевизору последствия аварий нефтеналивного танкера. Чёрные, покрытые слоем мазута берега, чёрный прибой, задыхающиеся дельфины, Птицы, крылья которых в вязком мазуте, люди в защитных костюмах, собирающие нефть лопатами и вёдрами. Хочу привести данные серьёзной экологической катастрофы, которая произошла в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2 тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из - за чего погибла мелкая ракушка-сердцевидка-основная еда обитателей моря. На восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц. Литр нефти, попав в воду, растекается по её поверхности пятнами площадью 100 кв.м. Нефтяная пленка, хотя и очень тонкая, образует непреодолимую преграду на пути кислорода из атмосферы в водную толщу. В результате нарушается кислородный режим и океан “задыхается”. Гибнет планктон, являющийся основой пищевой цепи океана. В настоящее время нефтяными пятнами покрыто уже около 20% площади Мирового океана, и площадь, пораженная нефтяным загрязнением растет. Кроме того, что нефтяной пленкой покрыт Мировой океан, мы можем её наблюдать и на суше. Например, на нефтяных месторождениях Западной Сибири в год проливается нефти больше, чем вмещает танкер - до 20 млн. тонн. Около половины этой нефти попадает на землю в результате аварий, остальное – “плановые” фонтаны и утечки при запуске скважин, разведочном бурении, ремонте трубопроводов. Наибольшая площадь нефтезагрязнённых земель, по данным Комитета по окружающей среде Ямало-Ненецкого автономного округа, приходится на Пуровский район.

ПРИРОДНЫЙ И ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗЫ

В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан . Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%. Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО2; Н2О; Н2S, благородные газы. При сгорании природного газа выделяется много тепла.

По своим свойствам природный газ как топливо превосходит даже нефть, он более каллориней. Это самая молодая отрасль топливной промышленности. Газ ещё проще добывают и транспортируют. Это самое экономичное из всех видов топлива. Есть, правда, и недостатки: сложная межконтинентальная транспортировка газа. Танкеры – метанавозы, перевозящие газ в сжиженном состоянии представляют собой исключительно сложные дорогие конструкции.

Применяется в качестве: эффективного топлива, сырья в химической промышленности, в производстве ацетилена, этилена, водорода, сажи, пластмассы, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и др. Попутные (нефтяные газы) – природные газы, которые растворяются в нефти и выделяются при её добыче. В нефтяном газе содержится меньше метана, но больше пропана, бутана и других высших углеводородов. А где газ добывается?

Более 70 стран мира обладают промышленными запасами газа. Причём, как и в случае с нефтью, очень крупными запасами располагают развивающиеся страны. Но добычу газа ведут в основном развитые страны. Они имеют возможности для его использования или способ продавать газ другим странам, находящимися с ними на одном материке. Международная торговля газом менее активна, чем торговля нефтью. На международном рынок поступает около 15% добываемого в мире газа. Почти 2/3 мировой добычи газа дают Россия и США. Бесспорно ведущим регионом газодобычи не только нашей страны, но и в мире является Ямало-Ненецкий автономный округ, где эта отрасль развивается уже 30 лет. Наш город Новый Уренгой по праву признан газовой столицей. К крупнейшим месторождениям относятся Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное. Уренгойское месторождение включено в “Книгу рекордов Гиннеса”. Запасы и добыча месторождения уникальны. Разведанные запасы превышают 10 трлн. м 3 , с момента эксплуатации уже добыто 6 трлн. м 3 . В 2008 году ОАО “Газпром” планирует добыть на Уренгойском месторождении 598 млрд. м 3 “голубого золота”.

Газ и экология

Несовершенство технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает постоянное сжигание объёма газа на тепло-агрегатах компрессорных станций и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60 тыс. тонн загрязняющих веществ.

Нефть, газ, каменный уголь – это ценное сырьё для химической промышленности. В недалёком будущем им будет найдена замена в топливно-энергетическом комплексе нашей страны. В настоящее время учёные ведут поиск путей использования энергии солнца и ветра, ядерного горючего с целью полной замены нефти. Наиболее перспективным видом топлива будущего является водород. Сокращение использования нефти в теплоэнергетике – путь не только к более рациональному её применению, но и к сохранению этого сырья для будущих поколений. Углеводородное сырьё должно использоваться только в перерабатывающей промышленности для получения разнообразной продукции. К сожалению, ситуация пока не меняется, и до 94% добываемой нефти служит топливом. Д. И. Менделеев мудро говорил: “Сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

газойль (t кип > 275 °С),

а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут.

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

Продукты перегонки нефти имеют различное применение.

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

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

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

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

(радикальный механизм),

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

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

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

При t = 700 °С и выше происходит пиролиз.

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

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

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

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

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

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

Схема

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

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

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

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

Вспомните: дистилляция (перегонка) — способ разделения смеси летучих жидкостей методом постепенного выпаривания с последующей конденсацией.

Нефть. Перегонка нефти

Многие органические вещества, 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. Невозможно представить нашу жизнь без нефти и продуктов ее переработки. Не зря страны, богатые нефтью, играют важную роль в мировой экономике.

Нефть — это темная маслянистая жидкость, залегающая в земной коре (рис. 29.1). Она представляет собой однородную смесь из нескольких сотен веществ — преимущественно насыщенных углеводородов с числом атомов Карбона в молекуле от 1 до 40.

Для переработки этой смеси используют как физические, так и химические методы. Сначала нефть разделяют на простые смеси — фракции — путем перегонки (дистилляции или ректификации), основанной на том, что различные вещества в составе нефти кипят при различных температурах (табл. 12). Перегонка происходит в ректификационной колонне при значительном нагреве (рис. 29.2). Фракции с самыми большими температурами кипения, разлагающиеся при высокой температуре, перегоняют при пониженном давлении.

Таблица 12. Фракции перегонки нефти

Украина достаточно богата запасами нефти. Основные месторождения сосредоточены в трех нефтегазоносных регионах: восточном (Сумская, Полтавская, Черниговская и Харьковская области), западном (Львовская и Ивано-Франковская области) и южном (Причерноморье, шельфы Азовского и Черного морей). Запасы нефти в Украине оцениваются в около 2 млрд тонн, но значительная их часть сосредоточена на больших глубинах (5-7 км). Ежегодная добыча нефти в Украине составляет около 2 млн тонн при потребности в 16 млн тонн, поэтому, к сожалению, Украина пока вынуждена импортировать значительные объемы нефти.

Химическая переработка нефтепродуктов

Некоторые продукты перегонки нефти можно использовать сразу, без дальнейшей переработки,— это бензин и керосин, но они составляют лишь 20-30 % нефти. К тому же после перегонки бензин получается низкого качества (с небольшим октановым числом, т. е. при сжатии в двигателе он взрывается, а не сгорает). 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 (от англ. to crack — расщеплять, ломать, поскольку при крекинге происходит разрыв карбоновых цепей) (рис. 29.3). При нагревании до 500 °С без доступа воздуха в присутствии специальных катализаторов длинные молекулы алканов расщепляются на более мелкие. При крекинге из насыщенных углеводородов образуется смесь легких насыщенных и ненасыщенных углеводородов, например:

Благодаря этому процессу увеличивается выход бензина и керосина. Такой бензин иногда называют крекинг-бензином.

Одной из характеристик, определяющей качество бензина, является октановое число, которое показывает возможность детонации (взрыва) топливновоздушной смеси в двигателе. Чем выше значение октанового числа, тем меньше вероятность детонации, а следовательно, выше качество бензина. Гептан непригоден в качестве моторного топлива, он детонирует с большей вероятностью, тогда как изооктан (2,2,4-триметилпентан) обладает противоположными свойствами — он почти не детонирует в двигателе. Эти два вещества стали основой шкалы определения качества бензина — шкалы октановых чисел. В этой шкале гептан получил значение 0, а изооктан — 100. Согласно этой шкале, бензин с октановым числом 95 обладает такими же детонационными свойствами, как и смесь 95 % изооктана и 5 % гептана.

Переработка нефти происходит на специальных предприятиях — нефтеперерабатывающих заводах. Там проводят как ректификацию сырой нефти, так и химическую переработку полученных нефтепродуктов. В Украине есть шесть нефтеперерабатывающих заводов: в Одессе, Кременчуге, Херсоне, Лисичанске, Надворнянске и Дрогобыче. Суммарная мощность всех украинских предприятий по переработке нефти превышает 52 млн тонн в год.

Природный газ

Второй по важности источник углеводородного сырья — это природный газ, главной составляющей которого является метан (93-99 %). Природный газ используют в первую очередь как эффективное топливо. При его сгорании не образуется ни зола, ни ядовитый угарный газ, поэтому природный газ считается экологически чистым топливом.

Большое количество природного газа использует химическая промышленность. Переработка природного газа сводится главным образом к получению ненасыщенных углеводородов и синтез-газа. Этилен и ацетилен образуются при отщеплении водорода от низших алканов:

Синтез-газ — смесь карбон(П) оксида и водорода — получают нагреванием метана с водяным паром:

Из этой смеси, используя разные катализаторы, синтезируют окси-генсодержащие соединения — метиловый спирт, уксусную кислоту и др.

При пропускании над кобальтовым катализатором синтез-газ превращается в смесь алканов, представляющую собой синтетический бензин:

Каменный уголь

Еще одним источником углеводородов является каменный уголь. В химической промышленности его перерабатывают путем коксования — нагревания до 1000 °С без доступа воздуха (рис. 29.5, с. 170). При этом образуются кокс и каменноугольная смола, масса которой составляет лишь несколько процентов от массы угля. Кокс используют как восстановитель в металлургии (например, для получения железа из его оксидов).

Каменноугольная смола содержит несколько сотен органических соединений, преимущественно ароматических углеводородов, которые получают из нее перегонкой.

Каменный уголь также используют в качестве топлива, однако при этом возникают большие экологические проблемы. Во-первых, уголь содержит негорючие примеси, которые при сгорании топлива превращаются в шлаки; во-вторых, в составе угля содержатся небольшие количества соединений Сульфура и Нитрогена, при сгорании которых образуются оксиды, загрязняющие атмосферу. По запасам угля Украина занимает одно из первых мест в мире. На территории, равной 0,4 % от мировой, в Украине сосредоточено около 5 % мировых запасов энергетического сырья, 95 % из которых приходится именно на каменный уголь (около 54 млрд тонн). В 2015 году добыча угля составила 40 млн тонн, что почти вдвое меньше, чем в 2011 году. Сегодня в Украине 300 каменноугольных шахт, причем 40 % из них добывают коксующийся уголь (который можно перерабатывать на кокс). Добыча сосредоточена преимущественно в Донецкой, Луганской, Днепропетровской и Волынской областях.

Лингвистическая задача

На греческом pyro означает «огонь», а lysis — «разложение». Как вы считаете, почему термины «крекинг» и «пиролиз» часто используют как синонимы?

Ключевая идея

Основными источниками углеводородов для промышленности являются нефть, каменный уголь и природный газ. Для более эффективного применения эти природные ископаемые необходимо подвергнуть переработке для выделения отдельных веществ или смесей.

Контрольные вопросы

334. Назовите основные природные источники углеводородов.

335. На чем основан физический метод разделения нефти на фракции?

336. На какие фракции разделяют нефть при перегонке? Охарактеризуйте их применение. Какой продукт переработки нефти является самым ценным для современного общества?

337. Чем различаются важнейшие нефтепродукты по химическому составу?

338. Используя информацию этого и предыдущих параграфов, опишите использование природного газа в химической промышленности.

339. Какие основные продукты добывают коксованием каменного угля?

340. Почему уголь при переработке нагревают без доступа воздуха?

341. Почему природный газ лучше каменного угля в качестве топлива?

342. Какие вещества и материалы добывают переработкой каменного угля и природного газа?

Задания для усвоения материала

343. В процессе крекинга углеводорода C 20 H 42 образуются два продукта с одинаковым числом атомов Карбона в молекулах. Составьте уравнение реакции.

344. В чем заключается принципиальное отличие крекинга нефти от ректификации?

345. Как вы считаете, почему при прямой перегонке нефти не удается переработать ее на бензин более чем на 20 %?

346. Проанализируйте рис. 29.2 и опишите, как происходит перегонка нефти.

347. Составьте уравнения реакций получения этилена и ацетилена из компонентов природного газа.

348. Один из компонентов бензина — это углеводород C 8 H 18 . Составьте уравнение реакции его получения из карбон(И) оксида и водорода.

349. При полном сгорании бензина в двигателе образуются углекислый газ и вода. Составьте уравнение реакции сгорания бензина, если считать, что он состоит из углеводородов состава C 8 H 18 .

350. В выхлопных газах автомобилей содержатся ядовитые вещества: кар-бон(П) оксид и нитроген(^) оксид. Объясните, в результате каких химических реакций они образовались.

351. Во сколько раз увеличится объем топливно-воздушной смеси, состоящей из 40 мл паров октана и 3 л воздуха, при поджигании? При расчетах примите, что в воздухе содержится 20 % кислорода (по объему).

352. Бензин, продаваемый в странах с теплым климатом, состоит из углеводородов с большей молекулярной массой, чем бензин, который реализуют в странах с холодным климатом. Предположите, почему нефтепереработчики поступают таким образом.

353*. Нефть содержит столько ценных органических веществ, что Д. И. Менделеев говорил: «Сжигать нефть в топке — это почти то же, что топить ассигнациями». Как вы понимаете это высказывание? Предложите способы рационального использования природных источников углеводородов.

354*. В дополнительных источниках найдите информацию о материалах и веществах, сырьем для которых являются нефть, природный газ или уголь. Можно ли их изготовить без использования природных источников углеводородов? Можно ли человечеству отказаться от использования этих материалов? Ответ обоснуйте.

355*. Используя знания, полученные на уроках географии в 8 и 9 классах, опишите действующие и перспективные бассейны и районы добычи угля, нефти, природного газа в Украине. Согласовывают ли расположение предприятий по переработке этих источников углеводородов с их месторождениями.

Это материал учебника