Первичная переработка (физические процессы)

Урок №

Тема: Природные источники углеводородов

Изучить материал. Законспектировать. Для закрепления 3,4,5 стр 184

Основными природными источниками углеводородов являются природный и попутный нефтяной газы, нефть и каменный уголь. Эти виды природных ресурсов еще называют горючими ископаемыми, так как их практическое применение основано на способности выделять энергию при сгорании.

Ежегодно в России добывается более 600 млрд. м³ газа, 500 млн. тонн нефти, 300 млн. тонн угля.

ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

В состав природного газа входит в основном метан CH4 (около 93%). Кроме метана природный газ содержит еще и другие алканы, а также азот, углекислый газ, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти – меркаптаны.

Природный газ при сгорании выделяет много тепла и этим превосходит другие виды топлива по своей теплотворной способности. 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. 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.

ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ

Попутный газ растворяется в нефти, так как на большой глубине находится под давлением. При извлечении на поверхность давление в системе "жидкость-газ" падает, вследствие чего растворимость газа уменьшается и газ выделяется из нефти. Это явление делает добычу нефти пожаро- и взрывоопасной.

Попутный газ в отличии от природного газа содержит главным образом пропан и изомеры бутана. Попутный нефтяной газ образуется также в результате естественного крекинга нефти, поэтому включает предельные (метан и гомологи) и непредельные (этилен и гомологи) углеводороды, а также негорючие газы – азот, аргон и углекислый газ. Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и "легкий" газовый бензин, содержащий углеводороды с числом атомов углерода 5 и больше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают непредельные углеводороды – этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске двигателей внутреннего сгорания.

НЕФТЬ

Нефть известна человечеству с давних времен. 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 осажденные города. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием «греческого огня». В средние века она использовалась для освещения улиц.

Нефть – жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 – 1,04 г/см³. Нефть представляет собой сложную смесь веществ – преимущественно жидких углеводородов. Состав нефти неодинаков.Но все они обычно содержат УВ трех видов – алканы, циклоалканы и ароматические УВ. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.

Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Содержатся в нефти и механические примеси – песок и глина.

Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% ее добычи приходится на долю всего 10 стран.

Главные сраны производители: Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Ирак,Мексика.

Нефть – ценное сырье для получения высококачественных видов моторного топлива. После очистки от воды и других нежелательных примесей нефть подвергают переработке.

Одна из ведущих отраслей мировой промышленности – переработка нефти. Извлекаемая из недр земли нефть называется сырой. Она подвергается переработке.

Первичная переработка (физические процессы)

Очистка. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей (песок, глина, минеральные соли и т. п.). Затек нефть подвергают фракционированной перегонке.

Перегонка (ректификация) — процесс разделения смесей на отдельные компоненты или фракции на основании различия их температур кипения.

Существует определённая закономерность: чем больше относительная молекулярная масса углеводорода, тем выше его температура кипения. Поэтому нефть перегонкой разделяют на отдельные части, или фракции – смеси различных веществ, имеющих близкие температуры кипения. Фракции различаются составом и интервалом температур перегонки.

В таблице описаны основные фракции нефти.

Фракция	Состав	Что получают
Газовая	Газообразные алканы от метана до бутана	Топливо
Бензиновая	Алканы от пентана (С₅Н₁₂) до ундекана (С₁₁Н₂₄)	Бензин, эфиры
Лигроиновая	Алканы от октана (С₈Н₁₈) до тетрадекана (С₁₄Н₃₀)	Лигроин (тяжёлый бензин)
Керосиновая	Алканы от додекана (С₁₂Н₂₆) до октадекана (С₁₈Н₃₈)	Керосин
Дизельная	Алканы от тридекана (С₁₃Н₂₈) до нонадекана (С₁₉Н₃₆)	Дизель
Мазут	Алканы от пентадекана (С₁₅Н₃₂) до пентаконтана (С₅₀Н₁₀₂)	Смазочные масла, вазелин, битум, парафин, гудрон

После отгонки указанных фракций, получивших название светлых нефтепродуктов, остается темная вязкая жидкость — мазут.

Мазут, используют как топливо в котельных установках, но основная масса его подвергается перегонке (ректификации) под низким давлением (под вакуумом). При этих условиях из мазут выделяют соляровые масла (из них получают дизельное топливо и смазочные масла); вазелин (основа для косметических средств и лекарств); парафин (применяют для производства свечей, в медицине). Остаток от перегонки мазута — гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства (асфальт).

Крекинг нефтепродуктов. Одним из первых способов химической переработки был крекинг. Промышленный крекинг предложен в 1891 г. русским инженером В.Г. Шуховым. Сущность крекинга заключается в расщеплении крупных молекул углеводородов на более мелкие и что в зависимости от условий различают крекинг термический и каталитический.

При термическом крекинге (450-550 ⁰C) образуется смесь углеводородов, имеющая небольшое октановое число.

Октановое число углеводорода с неразветвлённой цепью – гептана – принято за 0, а октановое число углеводорода с разветвлённой цепью – 2,2,4-триметилпентана (изооктана) – за 100. Чем выше октановое число (80, 92, 95 и 98), тем лучшими антидетонационными свойствами обладает бензин. Ранее для повышения октанового числа топлива применяли чрезвычайно ядовитый тетраэтилсвинец Pb(C₂H₅)₄.

С₁₆Н₃₄→ С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆ С₈Н₁₈→С₄Н₁₀ + С₄Н₈

С₄Н₁₀→ С₂Н₆ + С₂Н₄

При каталитическом крекинге получают углеводороды разветвлённого строения с высоким октановым числом.

КАМЕННЫЙ УГОЛЬ

На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15% территории земного шара.

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.

Полезные ископаемые используются в переработанном виде. Каменный уголь прокаливают без доступа кислорода (процесс коксования), чтобы выделить несколько фракций:

коксовый газ – смесь метана, оксидов углерода (II) и (IV), аммиака, азота;
каменноугольная смола – смесь бензола, его гомологов, фенола, аренов, гетероциклических соединений;
аммиачная вода – смесь аммиака, фенола, сероводорода;
кокс – конечный продукт коксования, содержащий чистый углерод.

На сегодняшний день существует серьезная опасность экологической катастрофы. На земле практически нет места, где природа не потерпела бы от деятельности промышленных предприятий и жизнедеятельности человека. При работе с продуктами перегонки нефти нужно следить, чтобы они не попадали в почву и водоемы. Почва, пропитанная нефтепродуктами, теряет плодородие на многие десятки лет, и его очень трудно восстановить. Только за 1988 г. при повреждении нефтепроводов в одно из крупнейших озер попало около 110000 т нефти. Известны трагические случаи слива мазута и нефти в реки, в которых происходит нерест ценных пород рыб. Серьезную опасность загрязнения воздуха представляют ТЭС, работающие на угле, — они являются основным источником загрязнения. Отрицательно воздействуют на водоемы ГЭС, работающие в равнинах рек. Хорошо известно, что автомобильный транспорт сильно загрязняет атмосферу продуктами неполного сгорания бензина. Перед учеными стоит задача к минимуму сократить степень загрязнения окружающей среды