Природные источники углеводородов нефть газ каменный уголь. Природные источники углеводородов. Переработка нефти. Попутный нефтяной газ
1. Природные источники углеводородов: газ, нефть, каменный уголь. Их переработка и практическое применение.
Основными природными источниками углеводородов являются нефть, природный и попутный нефтяной газы и каменный уголь.
Природный и попутный нефтяной газы.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан, остальное приходится на долю этана, пропана, Бутана, и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды. 90% его расходуется в качестве топлива, остальные 10% используют как сырье для химической промышленности: получение водорода, этилена, ацетилена, сажи, различный пластмасс, медикаментов и др.
Попутный нефтяной газ – это тоже природный газ, но он встречается вместе с нефтью – находится над нефтью или растворен в ней под давлением. Попутный газ содержит 30 – 50% метана, остальная часть приходится на его гомологи: этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Кроме того, в нем присутствуют те же примеси, что и в природном газе.
Три фракции попутного газа:
1. Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
2. Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
3. Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.
Нефть.
Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима. Нефть представляет собой смесь примерно 150 углеводородов с примесями других веществ, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
90% добываемой нефти используется как сырье для производства различных видов топлива и смазочных материалов. В то же время нефть – ценное сырье для химической промышленности.
Нефть, добываемую из земных недр, называю сырой. В сыром виде нефть не применяют, ее подвергают переработке. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей, а затем подвергают фракционной перегонке.
Перегонка – процесс разделения смесей на отдельные компоненты, или фракции, на основании различия их температур кипения.
При перегонке нефти выделяют несколько фракций нефтепродуктов:
1. Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
2. Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
3. Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
4. Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
5. Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.
После отгонки фракций остается темная вязкая жидкость – мазут. Из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства.
Вторичная переработка нефти основана на химических процессах:
1. Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
2. Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
3. Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.
Нефть – сырье для производства не только топлива, но и многих органических веществ.
Каменный уголь.
Каменный уголь так же является источником энергии и ценным химическим сырьем. В состав каменного угля в основном органические вещества, а также вода, минеральные вещества, при сжигании образующие золу.
Одним из видов переработки каменного угля является коксование – это процесс нагревания угля до температуры 1000°С без доступа воздуха. Коксование угля проводят в коксовых печах. Кокс состоит из практически чистого углерода. Его используют в качестве восстановителя при доменом производстве чугуна на металлургических заводах.
Летучие вещества при конденсации каменноугльную смолу (содержит много различных органических веществ, из них большая часть – ароматические), аммиачную воду (содержит аммиак, соли аммония) и коксовый газ (содержит аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), этилен, азот и другие вещества).
Природный источник углеводородов | Его основные характеристики |
Нефть | Многокомпонентная смесь, состоящая преимущественно из углеводородов. Углеводороды представлены в основном алканами, циклоалканами и аренами. |
Попутный нефтяной газ | Смесь, состоящая практически только из алканов с длинной углеродной цепью от 1 до 6-ти углеродных атомов, образуется попутно при добыче нефти, отсюда и происхождение названия. Имеет место такая тенденция: чем меньше молекулярная масса алкана, тем его процентное содержание в попутном нефтяном газе выше. |
Природный газ | Смесь, состоящая преимущественно из низкомолекулярных алканов. Основной компонент природного газа — метан. Его процентное содержание в зависимости от месторождения газа может быть от 75 до 99%. На втором месте по концентрации с большим отрывом — этан, еще меньше содержится пропана и т.д. Принципиальное отличие природного газа от попутного нефтяного заключается в том, что в попутном нефтяном газе намного выше доля пропана и изомерных бутанов. |
Каменный уголь | Многокомпонентная смесь различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Также в состав каменного угля входит значительное количество неорганических веществ, доля которых существенно выше, чем в нефти. |
Переработка нефти
Нефть представляет собой многокомпонентную смесь различных веществ преимущественно углеводородов. Данные компоненты отличаются друг от друга по температурам кипения. В связи с этим, если нагревать нефть, то сначала из нее будут улетучиваться наиболее легкокипящие компоненты, затем соединения с более высокой температурой кипения и т.д. На данном явлении основана первичная переработка нефти , заключающаяся в перегонке (ректификации) нефти. Данный процесс называют первичным, поскольку предполагается, что при его протекании не происходят химические превращения веществ, а нефть лишь разделяется на фракции с различными температурами кипения. Ниже представлена принципиальная схема ректификационной колонны с кратким описанием самого процесса перегонки:
Перед процессом ректификации нефть специальным образом подготавливают, а именно, избавляют от примесной воды с растворенными в ней солями и от твердых механических примесей. Подготовленная таким образом нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры (320-350 о С). После нагревания в трубчатой печи нефть, обладающая высокой температурой, поступает в нижнюю часть ректификационной колонны, где происходит испарение отдельных фракций и подъем их паров вверх по ректификационной колонне. Чем выше находится участок ректификационной колонны, тем его температура ниже. Таким образом, на разной высоте отбирают следующие фракции:
1) ректификационные газы (отбирают в самой верхней части колонны, в связи с чем их температура кипения не превышает 40 о С);
2) бензиновая фракция (температуры кипения от 35 до 200 о С);
3) лигроиновая фракция (температуры кипения от 150 до 250 о С);
4) керосиновая фракция (температуры кипения от 190 до 300 о С);
5) дизельную фракцию (температуры кипения от 200 до 300 о С);
6) мазут (температуры кипения более 350 о С).
Следует отметить, что средние фракции, выделяемые при ректификации нефти, не удовлетворяют стандартам, предъявляемым к качествам топлив. Кроме того, в результате перегонки нефти образуется немалое количество мазута — далеко не самого востребованного продукта. В связи с этим после первичной переработки нефти стоит задача повышения выхода более дорогих, в частности, бензиновых фракций, а также повышения качества этих фракций. Эти задачи решаются с применением различных процессов вторичной переработки нефти , например, таких как крекинг и риформинг .
Следует отметить, что количество процессов, используемых при вторичной переработке нефти, значительно больше, и мы затрагиваем лишь одни из основных. Давайте теперь разберемся, в чем же заключается смысл этих процессов.
Крекинг (термический или каталитический)
Данный процесс предназначен для повышения выхода бензиновой фракции. Для этой цели тяжелые фракции, например, мазут подвергают сильному нагреванию чаще всего в присутствии катализатора. В результате такого воздействия длинноцепочечные молекулы, входящие в состав тяжелых фракций, рвутся и образуются углеводороды с меньшей молекулярной массой. Фактически это приводит к дополнительному выходу более ценной, чем исходный мазут, бензиновой фракции. Химическую суть данного процесса отражает уравнение:
Риформинг
Данный процесс выполняет задачу улучшения качества бензиновой фракции, в частности повышения ее детонационной устойчивости (октанового числа). Именно эта характеристика бензинов указывается на бензозаправках (92-й, 95-й, 98-й бензин и т.д.).
В результате процесса риформинга повышается доля ароматических углеводородов в бензиновой фракции, имеющих среди прочих углеводородов одни из самых высоких октановых чисел. Достигается такое увеличение доли ароматических углеводородов в основном в результате протекания при процессе риформинга реакций дегидроциклизации. Например, при достаточно сильном нагревании н -гексана в присутствии платинового катализатора он превращается в бензол, а н-гептан аналогичным образом — в толуол:
Переработка каменного угля
Основным способом переработки каменного угля является коксование . Коксованием угля называют процесс, при котором уголь нагревают без доступа воздуха. При этом в результате такого нагревания из угля выделяют четыре основных продукта:
1) Кокс
Твердая субстанция, представляющая собой практически чистый углерод.
2) Каменноугольная смола
Содержит большое количество разнообразных преимущественно ароматических соединений, таких как бензол его гомологи, фенолы, ароматические спирты, нафталин, гомологи нафталина и т.д.;
3) Аммиачная вода
Несмотря на свое название данная фракция, помимо аммиака и воды, содержит также фенол, сероводород и некоторые другие соединения.
4) Коксовый газ
Основными компонентами коксового газа являются водород, метан, углекислый газ, азот, этилен и т.д.
Следует отметить, что углеводороды в природе широко распространены. Большинство органических веществ получают из природных источников. В процессе синтеза органических соединений в качестве сырья используют природные и сопутствующие газы, каменный и бурый уголь, нефть, торф, продукцию животного и растительного происхождения.
Природные источники углеводородов: природные газы.
Природные газы - это природные смеси углеводородов разного строения и некоторых примесей газов (сероводород, водород, углекислота), которые заполняют породы горных пород в земной коре. Эти соединения образуются в результате гидролиза органических веществ на больших глубинах в толще Земли. Встречаются в свободном состоянии в виде огромных скоплений - газовых, газоконденсатных и нефтегазовых месторождений.
Основным структурным компонентом горючих природных газов является СН₄ (метан - 98%), С₂Н₆ (этан - 4,5%), пропан (С₃Н₈- 1,7%), бутан (С₄Н₁₀ - 0,8%), пентан (С₅Н₁₂- 0,6%). Сопутствующий нефтяной газ входит в состав нефти в растворенном состоянии и выделяется из нее вследствие снижения давления при поднятии нефти на поверхность. В газонефтяных месторождениях одна тонна нефти содержит от 30 до 300 кв. м газа. Природные источники углеводорода - ценное топливо и сырье для индустрии органического синтеза. Газ поступает на газоперерабатывающие предприятия, где поддается переработке (масляной, низкотемпературной адсорбциям, конденсации и ректификации). Он разделяется на отдельные компоненты, каждый из которых используется для определенных целей. К примеру, из метана синтез-газ, которые являются базовым сырьем для получения других углеводородов, ацетилена, метанола, метаналя, хлороформа.
Природные источники углеводородов: нефть.
Нефть - сложная смесь, которая состоит преимущественно из нафтеновых, парафиновых и ароматических углеводородов. В состав нефти входят асфальтно-смолистые вещества, моно- и дисульфиды, меркаптаны, тиофен, тиофан, сероводород, пиперидин, пиридин и его гомологи, а также другие вещества. На основании продуктов при помощи методов нефтехимического синтеза получают более 3000 разных продуктов, в т.ч. этилен, бензен, пропилен, дихлорэтан, винилхлорид, стирен, этанол, изопропанол, бутилены, разнообразные пластические массы, химические волокна, красители, моющие средства, лекарства, взрывчатые вещества и т.д.
Торф - осадочная порода растительного происхождения. Это вещество используют, как топливо (преимущественно для теплоэлектростанций), химическое сырье (для синтеза многих органических веществ), антисептическую подстилку на фермах особенно на птицефабриках, компонент удобрений для огородничества и полеводства.
Природные источники углеводородов: ксилема или древесина.
Ксилема - ткань высших растений, по которой вода и растворенные питательные вещества поступают из корневища системы к листьям, а также другим органам растения. Она состоит из клеток с одеревенелой оболочкой, которые имеют сосудистую проводниковую систему. В зависимости от вида древесины в ней содержится разное количество пектиновых веществ и минеральных соединений (преимущественно соли кальция), липидов и эфирных масел. Древесина используется в качестве топлива, из нее можно синтезировать метиловый спирт, ацетантную кислоту, целлюлозу, а также другие вещества. Из некоторых видов древесины получают красители (сандал, кампешевое дерево), дубильные вещества (дуб), смолы и бальзамы (кедр, сосна, ель), алкалоиды (растения семейства пасленовых, маковых, лютиковых, зонтичных). Некоторые алкалоиды используют как лекарственные средства (хитин, кофеин), гербициды (анабазин), инсектициды (никотин).
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.
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 2Содержание 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
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. 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.
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);
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, β-каротин ответствен за характерную оранжевую
окраску моркови.
Технология переработки нефти и каменного угля
В конце XIX в. под влиянием прогресса в области теплоэнергетики, транспорта, машиностроительной, военной и ряда других отраслей промышленности неизмеримо возрос спрос и возникла острая необходимость в новых видах топлива и химических продуктах.
В это время зародилась и быстро прогрессировала нефтеперерабатывающая промышленность. Огромный толчок развитию нефтеперерабатывающей промышленности дало изобретение и быстрое распространение двигателя внутреннего сгорания, работающего на нефтепродуктах. Интенсивно развивалась также техника переработки каменного угля, служащего не только одним из основных видов топлива, но, что особенно примечательно, ставшего в рассматриваемый период необходимым сырьем для химической промышленности. Большая роль в этом деле принадлежала коксохимии. Коксовые заводы, ранее поставлявшие черной металлургии кокс, превратились в коксохимические предприятия, вырабатывавшие, кроме того, ряд ценных химических продуктов: коксовый газ, сырой бензол, каменноугольную смолу и аммиак.
На основе продуктов переработки нефти и каменного угля начало развиваться производство синтетических органических веществ и материалов. Они получили широкое распространение в качестве сырья и полуфабрикатов в различных отраслях химической промышленности.
Билет№10