Prirodni izvori ugljovodonika. Prirodni gas: sastav, upotreba kao gorivo. Prirodni izvori ugljovodonika, njihova prerada Prirodni izvori ugljovodonika poruka
Poreklo fosilnih goriva.
Pored činjenice da se svi živi organizmi sastoje od organskih materija, glavni izvor organskih jedinjenja su: nafta, ugalj, prirodni i pridruženi naftni gasovi.
Nafta, ugalj i prirodni gas su izvori ugljovodonika.
Koriste se ovi prirodni resursi:
· Kao gorivo (izvor energije i toplote) - ovo je konvencionalno sagorevanje;
U obliku sirovina za dalju preradu - ovo je organska sinteza.
Teorije o poreklu organskih supstanci:
1- Teorija organskog porijekla.
Prema ovoj teoriji, naslage su nastale od ostataka izumrlih biljnih i životinjskih organizama, koji su se pod dejstvom bakterija, visokog pritiska i temperature pretvorili u mešavinu ugljovodonika u debljini zemljine kore.
2- Teorija mineralnog (vulkanskog) porijekla nafte.
Prema ovoj teoriji, nafta, ugalj i prirodni gas nastali su u početnoj fazi formiranja planete Zemlje. U ovom slučaju, metali se kombinuju sa ugljenikom, formirajući karbide. Kao rezultat reakcije karbida s vodenom parom, u dubinama planete nastali su plinoviti ugljikovodici, posebno metan i acetilen. A pod utjecajem zagrijavanja, zračenja i katalizatora, od njih su nastala i druga jedinjenja sadržana u ulju. U gornjim slojevima litosfere tečne komponente nafte su isparile, tečnost se zgusnula, pretvorila u asfalt, a zatim u ugalj.
Ovu teoriju je prvi iznio D.I.Mendeljejev, a zatim je u 20. vijeku francuski naučnik P. Sabatier simulirao opisani proces u laboratoriji i dobio mješavinu ugljovodonika sličnu nafti.
glavna komponenta prirodni gas je metan. Sadrži i etan, propan, butan. Što je veća molekularna težina ugljikovodika, to ga manje sadrži prirodni plin.
primjena: Prilikom sagorijevanja prirodnog plina oslobađa se mnogo topline, pa služi kao energetski efikasno i jeftino gorivo u industriji. Prirodni gas je i izvor sirovina za hemijsku industriju: proizvodnju acetilena, etilena, vodonika, čađi, razne plastike, sirćetne kiseline, boja, lekova i drugih proizvoda.
Povezani naftni gasovi koji se prirodno nalaze iznad ulja ili rastvoreni u njemu pod pritiskom. Ranije se nisu koristili prateći naftni gasovi, oni su bili spaljeni. Trenutno se hvataju i koriste kao gorivo i vrijedne hemijske sirovine. Povezani plinovi sadrže manje metana od prirodnog plina, ali sadrže mnogo više njegovih homologa. Povezani naftni gasovi se izdvajaju na uži sastav.
Na primjer: plinski benzin - mješavina pentana, heksana i drugih ugljovodonika se dodaje u benzin za poboljšanje pokretanja motora; kao gorivo koristi se frakcija propan-butana u obliku tečnog gasa; suvi gas - po sastavu sličan prirodnom gasu - koristi se za proizvodnju acetilena, vodonika, ali i kao gorivo.Ponekad se pridruženi naftni gasovi podvrgavaju temeljitijoj separaciji i iz njih se izdvajaju pojedinačni ugljovodonici iz kojih se zatim dobijaju nezasićeni ugljovodonici.
Ugalj ostaje jedno od najčešćih goriva i sirovina za organsku sintezu. Koje vrste uglja postoje, odakle dolazi i koji proizvodi se koriste za dobijanje - ovo su glavna pitanja koja ćemo razmotriti danas u lekciji. Kao izvor hemikalija, ugalj je korišćen ranije od nafte i prirodnog gasa.
Ugalj nije pojedinačna supstanca. Sastoji se od: slobodnog ugljenika (do 10%), organskih materija koje pored ugljenika i vodonika sadrže kiseonik, sumpor, azot, minerale koji pri sagorevanju uglja ostaju u obliku šljake.
Ugalj je čvrsto fosilno gorivo organskog porijekla. Prema biogenoj hipotezi, nastao je od mrtvih biljaka kao rezultat vitalne aktivnosti mikroorganizama u karbonskom periodu paleozojske ere (prije oko 300 miliona godina). Ugalj je jeftiniji od nafte, ravnomjernije je raspoređen u zemljinoj kori, njegove prirodne rezerve daleko nadmašuju naftu i, prema naučnicima, neće biti iscrpljene još jedan vek.
Formiranje uglja iz biljnih ostataka (koalifikacija) odvija se u nekoliko faza: treset - mrki ugalj - kameni ugalj - antracit.
Proces ugljavanja sastoji se u postepenom povećanju relativnog sadržaja ugljika u organskoj materiji usled njenog iscrpljivanja kiseonikom i vodonikom. Formiranje treseta i mrkog uglja nastaje kao rezultat biohemijske razgradnje biljnih ostataka bez kiseonika. Prelazak mrkog uglja u kamen nastaje pod uticajem povišenih temperatura i pritisaka povezanih sa planinskim i vulkanskim procesima.
PRIRODNI IZVORI UGLJIKOVODONIKA
Svi ugljovodonici su toliko različiti -
Tečni, čvrsti i gasoviti.
Zašto ih ima toliko u prirodi?
To je nezasitni ugljenik.
Zaista, ovaj element je, kao nijedan drugi, "nezasitan": nastoji da formira lance, ravne i razgranate, zatim prstenove, pa mreže od mnoštva svojih atoma. Otuda mnoga jedinjenja atoma ugljika i vodika.
Ugljovodonici su i prirodni gas - metan, i drugi zapaljivi gas za domaćinstvo, koji se puni cilindrima - propan C 3 H 8. Ugljovodonici su nafta, benzin i kerozin. I još - organsko otapalo C 6 H 6, parafin, od kojeg se prave novogodišnje svijeće, vazelin iz ljekarne, pa čak i plastična vrećica za pakovanje hrane ...
Najvažniji prirodni izvori ugljovodonika su minerali - ugalj, nafta, gas.
COAL
Poznatiji širom svijeta 36 hiljada ugljeni baseni i ležišta, koji zajedno zauzimaju 15% teritorije zemaljske kugle. Polja uglja mogu se protezati hiljadama kilometara. Ukupno, opšte geološke rezerve uglja na kugli zemaljskoj su 5 triliona 500 milijardi tona, uključujući istražena ležišta - 1 trilion 750 milijardi tona.
Postoje tri glavne vrste fosilnog uglja. Prilikom sagorevanja mrkog uglja, antracita, plamen je nevidljiv, sagorevanje je bezdimno, a ugalj pri sagorevanju jako puca.
Antracitje najstariji fosilni ugalj. Razlikuje se po velikoj gustoći i sjaju. Sadrži do 95% ugljenik.
Ugalj- sadrži do 99% ugljenik. Od svih fosilnih ugljeva, najviše se koristi.
Mrki ugalj- sadrži do 72% ugljenik. Ima smeđu boju. Kao najmlađi fosilni ugalj, često zadržava tragove strukture drveta od kojeg je nastao. Odlikuje se visokom higroskopnošću i visokim sadržajem pepela ( od 7% do 38%), stoga se koristi samo kao lokalno gorivo i kao sirovina za hemijsku preradu. Posebno se hidrogenacijom dobijaju vrijedne vrste tečnih goriva: benzin i kerozin.
Ugljik je glavni sastojak uglja 99% ), mrki ugalj ( do 72%). Poreklo naziva ugljenik, odnosno "ugalj koji nosi". Slično, latinski naziv "carboneum" u osnovi sadrži korijen karbo-ugalj.
Kao i nafta, ugalj sadrži veliku količinu organske materije. Osim organskih tvari, uključuje i neorganske tvari, kao što su voda, amonijak, sumporovodik i, naravno, sam ugljik - ugalj. Jedan od glavnih načina prerade uglja je koksovanje - kalcinacija bez pristupa zraka. Kao rezultat koksovanja, koje se vrši na temperaturi od 1000 0 C, nastaje:
gas koksne peći- sastoji se od vodonika, metana, ugljen-monoksida i ugljen-dioksida, nečistoća amonijaka, azota i drugih gasova.
Ugljeni katran - sadrži nekoliko stotina različitih organskih supstanci, uključujući benzen i njegove homologe, fenol i aromatične alkohole, naftalen i razna heterociklična jedinjenja.
Top-katran ili amonijačna voda - koji sadrži, kao što naziv govori, otopljeni amonijak, kao i fenol, sumporovodik i druge supstance.
Koka-kola– čvrsti ostatak koksovanja, praktično čisti ugljenik.
Koks se koristi u proizvodnji željeza i čelika, amonijak se koristi u proizvodnji dušika i kombiniranih gnojiva, a značaj proizvoda organskog koksanja ne može se precijeniti. Koja je geografija rasprostranjenosti ovog minerala?
Glavni dio resursa uglja otpada na sjevernu hemisferu - Aziju, Sjevernu Ameriku, Evroaziju. Koje se zemlje izdvajaju po rezervama i proizvodnji uglja?
Kina, SAD, Indija, Australija, Rusija.
Zemlje su glavni izvoznici uglja.
SAD, Australija, Rusija, Južna Afrika.
glavni uvozni centri.
Japan, prekomorska Evropa.
To je ekološki vrlo prljavo gorivo. Eksplozije i požari metana nastaju prilikom eksploatacije uglja, a javljaju se i određeni ekološki problemi.
Zagađenje životne sredine - ovo je svaka nepoželjna promjena stanja ove sredine kao rezultat ljudskih aktivnosti. To se dešava iu rudarstvu. Zamislite situaciju u oblasti eksploatacije uglja. Zajedno s ugljem na površinu izbija ogromna količina otpadnog kamena, koji se, kao nepotrebno, jednostavno šalje na deponije. Postepeno formiran gomile otpada- ogromne, desetine metara visoke, stožaste planine od otpadnih stijena, koje narušavaju izgled prirodnog krajolika. I hoće li sav ugalj koji se podigne na površinu nužno biti izvezen potrošaču? Naravno da ne. Na kraju krajeva, proces nije hermetički. Ogromna količina ugljene prašine taloži se na površini zemlje. Kao rezultat toga, mijenja se sastav tla i podzemnih voda, što će neizbježno utjecati na floru i faunu regije.
Ugalj sadrži radioaktivni ugljik - C, ali nakon sagorijevanja goriva, opasna tvar, zajedno sa dimom, ulazi u zrak, vodu, tlo i peče se u šljaku ili pepeo koji se koristi za proizvodnju građevinskog materijala. Kao rezultat toga, u stambenim zgradama zidovi i stropovi "sjaju" i predstavljaju prijetnju ljudskom zdravlju.
OIL
Nafta je poznata čovječanstvu od davnina. Na obalama Eufrata minirano je
6-7 hiljada godina pne uh . Koristio se za osvjetljavanje stanova, za pripremu maltera, kao lijekove i masti, te za balzamiranje. Nafta je u antičkom svijetu bila strašno oružje: vatrene rijeke izlivale su se na glave onih koji su jurišali na zidine tvrđave, zapaljene strijele umočene u ulje letjele su u opkoljene gradove. Nafta je bila sastavni dio zapaljivog agensa koji je ušao u historiju pod imenom "grčka vatra" U srednjem vijeku se uglavnom koristio za uličnu rasvjetu.
Istraženo je više od 600 naftnih i gasnih basena, 450 je u razvoju , a ukupan broj naftnih polja dostiže 50 hiljada.
Razlikovati laku i tešku naftu. Laka nafta se crpi iz podzemlja pumpama ili metodom fontane. Od takvog ulja se uglavnom prave benzin i kerozin. Teške vrste nafte ponekad se vade čak i rudničkom metodom (u Republici Komi), a od njega se pripremaju bitumen, mazut i razna ulja.
Ulje je najsvestranije gorivo, visokokalorično. Njegovo vađenje je relativno jednostavno i jeftino, jer prilikom vađenja nafte nema potrebe spuštati ljude pod zemlju. Transport nafte cevovodima nije veliki problem. Glavni nedostatak ove vrste goriva je niska dostupnost resursa (oko 50 godina ) . Opšte geološke rezerve iznose 500 milijardi tona, uključujući istraženih 140 milijardi tona .
AT 2007 Ruski naučnici dokazali su svjetskoj zajednici da su podvodni grebeni Lomonosova i Mendeljejeva, koji se nalaze u Arktičkom okeanu, šelf zona kopna, pa stoga pripadaju Ruskoj Federaciji. Nastavnik hemije će reći o sastavu ulja, njegovim svojstvima.
Nafta je "snop energije". Sa samo 1 ml toga možete zagrijati cijelu kantu vode za jedan stepen, a da biste prokuhali samovar iz kante potrebno vam je manje od pola čaše ulja. Po koncentraciji energije po jedinici zapremine, ulje zauzima prvo mesto među prirodnim materijama. Čak ni radioaktivne rude ne mogu mu konkurirati u tom pogledu, jer je sadržaj radioaktivnih tvari u njima toliko mali da se može izdvojiti 1 mg. nuklearno gorivo mora biti obrađeno na tone kamenja.
Nafta nije samo osnova gorivnog i energetskog kompleksa bilo koje države.
Ovdje su na mjestu poznate riječi D. I. Mendeljejeva „sagorijevanje ulja je isto što i grijanje peći novčanice". Svaka kap ulja sadrži više od 900 različita hemijska jedinjenja, više od polovine hemijskih elemenata periodnog sistema. Ovo je zaista čudo prirode, osnova petrohemijske industrije. Otprilike 90% sve proizvedene nafte koristi se kao gorivo. Uprkos “ posjeduju 10%” , petrohemijska sinteza obezbeđuje hiljade organskih jedinjenja koja zadovoljavaju hitne potrebe modernog društva. Nije ni čudo što ljudi s poštovanjem nazivaju naftu „crno zlato“, „krv Zemlje“.
Ulje je uljasta tamnosmeđa tekućina crvenkaste ili zelenkaste nijanse, ponekad crna, crvena, plava ili svijetla, pa čak i prozirna s karakterističnim oštrim mirisom. Ponekad je nafta bijela ili bezbojna, poput vode (na primjer, na polju Surukhanskoye u Azerbejdžanu, na nekim poljima u Alžiru).
Sastav ulja nije isti. Ali svi oni obično sadrže tri vrste ugljikovodika - alkane (uglavnom normalne strukture), cikloalkane i aromatične ugljikovodike. Omjer ovih ugljovodonika u nafti različitih polja je različit: na primjer, ulje Mangyshlak je bogato alkanima, a nafta u regiji Baku je bogata cikloalkanima.
Glavne rezerve nafte nalaze se na sjevernoj hemisferi. Ukupno 75 zemlje svijeta proizvode naftu, ali 90% njene proizvodnje otpada na udio samo 10 zemalja. Near ? svjetske rezerve nafte nalaze se u zemljama u razvoju. (Nastavnik zove i pokazuje na karti).
Glavne zemlje proizvođača:
Saudijska Arabija, SAD, Rusija, Iran, Meksiko.
Istovremeno više 4/5 potrošnja nafte pada na udio ekonomski razvijenih zemalja, koje su glavni uvoznici:
Japan, prekomorska Evropa, SAD.
Ulje u sirovom obliku se nigdje ne koristi, već se koriste rafinirani proizvodi.
Rafinacija nafte
Moderno postrojenje se sastoji od peći za grijanje na ulje i destilacijske kolone u koju se ulje odvaja frakcije - pojedinačne mješavine ugljovodonika prema njihovim tačkama ključanja: benzin, nafta, kerozin. Peć ima dugu cijev namotanu u kotur. Peć se zagrijava produktima izgaranja lož ulja ili plina. Ulje se kontinuirano dovodi u zavojnicu: tamo se zagrijava na 320 - 350 0 C u obliku mješavine tekućine i pare i ulazi u destilacijski stup. Kolona za destilaciju je čelični cilindrični aparat visine oko 40m. Unutra ima nekoliko desetina horizontalnih pregrada sa rupama - takozvanih ploča. Uljne pare, ulazeći u kolonu, podižu se i prolaze kroz rupe na pločama. Kako se postepeno hlade dok se kreću prema gore, djelimično se ukapljuju. Manje isparljivi ugljovodonici se ukapljuju već na prvim pločama, formirajući frakciju gasnog ulja; više isparljivih ugljovodonika se skuplja iznad i formiraju frakciju kerozina; čak i veća - frakcija nafte. Najisparljiviji ugljovodonici napuštaju kolonu kao pare i nakon kondenzacije formiraju benzin. Dio benzina se vraća nazad u kolonu za "navodnjavanje", što doprinosi boljem načinu rada. (Upis u svesku). Benzin - sadrži ugljovodonike C5 - C11, koji ključaju u rasponu od 40 0 C do 200 0 C; nafta - sadrži ugljovodonike C8 - C14 sa tačkom ključanja od 120 0 C do 240 0 C, kerozin - sadrži ugljovodonike C12 - C18, ključajući na temperaturi od 180 0 C do 300 0 C; plinsko ulje - sadrži ugljovodonike C13 - C15, destilirane na temperaturi od 230 0 C do 360 0 C; ulja za podmazivanje - C16 - C28, ključati na temperaturi od 350 0 C i više.
Nakon destilacije lakih proizvoda iz nafte ostaje viskozna crna tekućina - lož ulje. To je vrijedna mješavina ugljovodonika. Ulja za podmazivanje dobivaju se iz loživog ulja dodatnom destilacijom. Nedestilacijski dio mazuta naziva se katran, koji se koristi u građevinarstvu i prilikom asfaltiranja puteva (Demonstracija video fragmenta). Najvrednija frakcija direktne destilacije nafte je benzin. Međutim, prinos ove frakcije ne prelazi 17-20% težine sirove nafte. Pojavljuje se problem: kako zadovoljiti sve veće potrebe društva u automobilskom i avio-gorivu? Rešenje je krajem 19. veka pronašao ruski inženjer Vladimir Grigorijevič Šuhov. AT 1891 godine, prvi put je izveo industrijsku pucanje kerozinska frakcija nafte, što je omogućilo povećanje prinosa benzina na 65-70% (računato kao sirova nafta). Samo za razvoj procesa termičkog krekiranja naftnih derivata, zahvalno čovječanstvo je zlatnim slovima upisalo ime ove jedinstvene osobe u historiju civilizacije.
Proizvodi dobiveni kao rezultat rektifikacije ulja podvrgavaju se kemijskoj preradi, koja uključuje niz složenih procesa, jedan od njih je krekiranje naftnih derivata (od engleskog "Cracking" - cijepanje). Postoji nekoliko vrsta krekinga: termičko, katalitičko, krekiranje pod visokim pritiskom, redukcijsko. Termičko krekiranje se sastoji u cijepanju molekula ugljikovodika sa dugim lancem na kraće pod utjecajem visoke temperature (470-550 0 C). U procesu ovog cijepanja, zajedno sa alkanima, nastaju alkeni:
Trenutno je katalitičko pucanje najčešće. Izvodi se na temperaturi od 450-500 0 C, ali pri većoj brzini i omogućava vam da dobijete kvalitetniji benzin. U uslovima katalitičkog krekinga, uz reakcije cijepanja, odvijaju se i reakcije izomerizacije, odnosno transformacija ugljovodonika normalne strukture u razgranate ugljovodonike.
Izomerizacija utječe na kvalitetu benzina, jer prisustvo razgranatih ugljovodonika uvelike povećava njegov oktanski broj. Krekiranje se odnosi na takozvane sekundarne procese prerade nafte. Niz drugih katalitičkih procesa, kao što je reformiranje, također se klasificiraju kao sekundarni. Reformisanje- ovo je aromatizacija benzina zagrijavanjem u prisustvu katalizatora, na primjer, platine. U tim uslovima alkani i cikloalkani se pretvaraju u aromatične ugljovodonike, usled čega se oktanski broj benzina takođe značajno povećava.
Ekologija i naftno polje
Za petrohemijsku proizvodnju posebno je relevantan problem životne sredine. Proizvodnja nafte povezana je sa troškovima energije i zagađenjem životne sredine. Opasan izvor zagađenja okeana je proizvodnja nafte na moru, a okeani se zagađuju i tokom transporta nafte. Svako od nas je vidio na TV-u posljedice nesreća tankera. Crne, naftom prekrivene obale, crni surf, dupini koji se guše, Ptice čija su krila prekrivena viskoznim uljem, ljudi u zaštitnim odijelima skupljaju ulje lopatama i kantama. Naveo bih podatke o ozbiljnoj ekološkoj katastrofi koja se dogodila u Kerčkom moreuzu u novembru 2007. U vodu je ušlo 2.000 tona naftnih derivata i oko 7.000 tona sumpora. Najviše su zbog katastrofe stradali Tuzlanski rač, koji se nalazi na spoju Crnog i Azovskog mora, i Čuška ražnja. Nakon nesreće, lož ulje se sleglo na dno, što je ubilo malu školjku u obliku srca, glavnu hranu stanovnika mora. Za obnovu ekosistema biće potrebno 10 godina. Uginulo je više od 15 hiljada ptica. Litar ulja, pavši u vodu, razlije se po njenoj površini na mjestima od 100 m2. Uljni film, iako vrlo tanak, čini nepremostivu barijeru na putu kisika iz atmosfere do vodenog stupca. Kao rezultat toga, režim kiseonika i okean su poremećeni. "ugušiti". Plankton, koji je okosnica okeanskog lanca ishrane, umire. Trenutno je oko 20% površine Svjetskog okeana prekriveno izlivanjem nafte, a područje pogođeno naftom je sve više. Osim što je Svjetski okean prekriven uljnim filmom, možemo ga promatrati i na kopnu. Na primjer, na naftnim poljima Zapadnog Sibira godišnje se izlije više nafte nego što tanker može držati - do 20 miliona tona. Otprilike polovina ove nafte završi na tlu kao posljedica nesreća, ostalo su “planirane” fontane i curenja prilikom puštanja u rad bušotina, istražnog bušenja i popravke cjevovoda. Najveća površina zemljišta zagađenog naftom, prema Komitetu za životnu sredinu Jamalo-Nenetskog autonomnog okruga, pada na Purovsky distrikt.
PRIRODNI I PRAĆENI NAFTNI PLIN
Prirodni plin sadrži ugljovodonike male molekularne težine, glavne komponente su metan. Njegov sadržaj u gasu različitih polja kreće se od 80% do 97%. Pored metana - etan, propan, butan. Neorganski: azot - 2%; CO2; H2O; H2S, plemeniti gasovi. Kada se prirodni plin sagorijeva, oslobađa se mnogo topline.
Po svojim svojstvima prirodni gas kao gorivo nadmašuje čak i naftu, kaloričniji je. Ovo je najmlađa grana industrije goriva. Gas je još lakše izvaditi i transportovati. To je najekonomičnije od svih goriva. Istina, postoje i nedostaci: složen interkontinentalni transport gasa. Cisterne - metan stajnjak, koji transportuju gas u tečnom stanju, izuzetno su složene i skupe konstrukcije.
Koristi se kao: efikasno gorivo, sirovina u hemijskoj industriji, u proizvodnji acetilena, etilena, vodonika, čađi, plastike, sirćetne kiseline, boja, lekova itd. Naftni plin sadrži manje metana, ali više propana, butana i drugih viših ugljikovodika. Gdje se proizvodi plin?
Više od 70 zemalja svijeta ima komercijalne rezerve plina. Štaviše, kao iu slučaju nafte, zemlje u razvoju imaju veoma velike rezerve. Ali proizvodnju gasa obavljaju uglavnom razvijene zemlje. Imaju mogućnosti da ga iskoriste ili način da prodaju gas drugim zemljama koje su na istom kontinentu sa njima. Međunarodna trgovina gasom je manje aktivna od trgovine naftom. Oko 15% svjetske proizvodnje plina ulazi na međunarodno tržište. Gotovo 2/3 svjetske proizvodnje plina obezbjeđuju Rusija i SAD. Bez sumnje, vodeći region proizvodnje gasa ne samo u našoj zemlji, već iu svetu je Jamalo-Nenecki autonomni okrug, gde se ova industrija razvija već 30 godina. Naš grad Novi Urengoj s pravom je prepoznat kao gasna prestonica. Najveća ležišta uključuju Urengojskoje, Jamburškoje, Medvezje, Zapoljarnoje. Polje Urengoy uvršteno je u Ginisovu knjigu rekorda. Rezerve i proizvodnja ležišta su jedinstvene. Istražene rezerve prelaze 10 triliona. m 3 , 6 trln. m 3. U 2008. JSC "Gasprom" planira da proizvede 598 milijardi m 3 "plavog zlata" na polju Urengoy.
Plin i ekologija
Nesavršenost tehnologije proizvodnje nafte i gasa, njihovog transporta uzrokuje stalno sagorevanje zapremine gasa u toplotnim jedinicama kompresorskih stanica i u bakljama. Kompresorske stanice čine oko 30% ovih emisija. Godišnje se na bakljama sagori oko 450.000 tona prirodnog i pratećeg gasa, dok više od 60.000 tona zagađujućih materija ulazi u atmosferu.
Nafta, gas, ugalj su vrijedne sirovine za hemijsku industriju. U bliskoj budućnosti naći će zamjenu u gorivno-energetskom kompleksu naše zemlje. Trenutno naučnici traže načine da iskoriste energiju sunca i vjetra, nuklearno gorivo kako bi u potpunosti zamijenili naftu. Vodonik je gorivo budućnosti koje najviše obećava. Smanjenje upotrebe nafte u termoenergetici put je ne samo ka njegovoj racionalnijoj upotrebi, već i očuvanju ove sirovine za buduće generacije. Ugljovodonične sirovine treba koristiti samo u prerađivačkoj industriji za dobijanje raznih proizvoda. Nažalost, situacija se još uvijek ne mijenja, a do 94% proizvedenog ulja koristi se kao gorivo. D. I. Mendeljejev je mudro rekao: "Sgorevanje ulja je isto što i zagrevanje peći novčanicama."
Tokom lekcije moći ćete da proučite temu „Prirodni izvori ugljovodonika. Rafinacija nafte". Više od 90% sve energije koju trenutno troši čovječanstvo ekstrahira se iz fosilnih prirodnih organskih spojeva. Naučit ćete o prirodnim resursima (prirodni plin, nafta, ugalj), šta se događa s naftom nakon što se vadi.
Tema: Ograničenje ugljovodonika
Lekcija: Prirodni izvori ugljovodonika
Oko 90% energije koju troši savremena civilizacija proizvodi se sagorevanjem prirodnih fosilnih goriva - prirodnog gasa, nafte i uglja.
Rusija je zemlja bogata prirodnim fosilnim gorivima. U Zapadnom Sibiru i na Uralu postoje velike rezerve nafte i prirodnog gasa. Kameni ugalj se kopa u Kuznjeckom, Južnom Jakutskom basenu i drugim regijama.
Prirodni gas sastoji se u prosjeku od 95% zapremine metana.
Osim metana, prirodni plin iz raznih polja sadrži dušik, ugljični dioksid, helijum, sumporovodik i druge lake alkane - etan, propan i butan.
Prirodni gas se vadi iz podzemnih ležišta, gde je pod visokim pritiskom. Metan i drugi ugljovodonici nastaju iz organskih supstanci biljnog i životinjskog porekla prilikom njihovog raspadanja bez pristupa vazduha. Metan se stalno i trenutno proizvodi kao rezultat aktivnosti mikroorganizama.
Metan se nalazi na planetama Sunčevog sistema i njihovim satelitima.
Čisti metan je bez mirisa. Međutim, plin koji se koristi u svakodnevnom životu ima karakterističan neprijatan miris. Ovo je miris posebnih aditiva - merkaptana. Miris merkaptana omogućava vam da na vrijeme otkrijete curenje domaćeg plina. Smjese metana i zraka su eksplozivne u širokom rasponu omjera - od 5 do 15% volumena plina. Stoga, ako osjetite miris plina u prostoriji, ne možete samo zapaliti vatru, već i koristiti električne prekidače. Najmanja varnica može izazvati eksploziju.
Rice. 1. Nafta iz različitih polja
Ulje- gusta tečnost poput ulja. Boja mu je od svijetlo žute do smeđe i crne.
Rice. 2. Naftna polja
Nafta iz različitih polja uvelike varira u sastavu. Rice. 1. Glavni dio nafte su ugljikovodici koji sadrže 5 ili više atoma ugljika. U osnovi, ovi ugljovodonici su zasićeni, tj. alkani. Rice. 2.
Sastav ulja uključuje i organska jedinjenja koja sadrže sumpor, kiseonik, azot.Ulje sadrži vodu i neorganske nečistoće.
U ulju se rastvaraju plinovi koji se oslobađaju prilikom njegovog vađenja - pratećih naftnih gasova. To su metan, etan, propan, butan sa nečistoćama dušika, ugljičnog dioksida i vodonik sulfida.
Ugalj, kao i ulje, je složena mješavina. Udio ugljika u njemu iznosi 80-90%. Ostalo je vodonik, kiseonik, sumpor, azot i neki drugi elementi. U mrki ugalj udio ugljika i organske tvari je manji nego u kamenu. Još manje organski uljnih škriljaca.
U industriji se ugalj zagrijava na 900-1100 0 C bez zraka. Ovaj proces se zove koksiranje. Rezultat je koks s visokim sadržajem ugljika, koksni plin i katran ugljena, neophodni za metalurgiju. Puno organskih tvari se oslobađa iz plina i katrana. Rice. 3.
Rice. 3. Uređaj koksne peći
Prirodni gas i nafta su najvažniji izvori sirovina za hemijsku industriju. Nafta kakva se proizvodi, ili "sirova nafta", teško je koristiti čak i kao gorivo. Stoga se sirova nafta dijeli na frakcije (od engleskog "fraction" - "dio"), koristeći razlike u tačkama ključanja njenih sastavnih supstanci.
Metoda odvajanja ulja, zasnovana na različitim tačkama ključanja njegovih sastavnih ugljovodonika, naziva se destilacija ili destilacija. Rice. 4.
Rice. 4. Proizvodi prerade nafte
Frakcija koja je destilirana od oko 50 do 180 0 C naziva se benzin.
Kerozin ključa na temperaturi od 180-300 0 C.
Gusti crni talog koji ne sadrži isparljive tvari naziva se lož ulje.
Postoji i niz međufrakcija koje ključaju u užim rasponima - petrolej etri (40-70 0 C i 70-100 0 C), beli špirit (149-204 °C) i gasno ulje (200-500 0 C). Koriste se kao rastvarači. Lož ulje se može destilirati pod sniženim pritiskom, na taj način se iz njega dobijaju maziva ulja i parafin. Čvrsti ostatak od destilacije lož ulja - asfalt. Koristi se za izradu putnih površina.
Prerada pratećih naftnih gasova je posebna industrija i omogućava dobijanje niza vrijednih proizvoda.
Sumiranje lekcije
Tokom časa ste proučavali temu „Prirodni izvori ugljovodonika. Rafinacija nafte". Više od 90% sve energije koju trenutno troši čovječanstvo ekstrahira se iz fosilnih prirodnih organskih spojeva. Naučili ste o prirodnim resursima (prirodni plin, nafta, ugalj), o tome šta se događa s naftom nakon što je izvađena.
Bibliografija
1. Rudžitis G.E. hemija. Osnove opšte hemije. 10. razred: udžbenik za obrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.
2. Hemija. 10. razred. Nivo profila: udžbenik. za opšte obrazovanje institucije / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin i drugi - M.: Drofa, 2008. - 463 str.
3. Hemija. 11. razred. Nivo profila: udžbenik. za opšte obrazovanje institucije / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin i drugi - M.: Drofa, 2010. - 462 str.
4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Zbirka zadataka iz hemije za one koji upisuju fakultete. - 4. izd. - M.: RIA "Novi talas": Izdavač Umerenkov, 2012. - 278 str.
Zadaća
1. br. 3, 6 (str. 74) Rudžitis G.E., Feldman F.G. Hemija: Organska hemija. 10. razred: udžbenik za obrazovne ustanove: osnovni nivo / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. izdanje. - M.: Obrazovanje, 2012.
2. Koja je razlika između povezanog naftnog gasa i prirodnog gasa?
3. Kako se vrši rafinacija nafte?
Prirodni izvor ugljovodonika | Njegove glavne karakteristike |
Ulje | Višekomponentna mješavina koja se sastoji uglavnom od ugljovodonika. Ugljovodonici su uglavnom predstavljeni alkanima, cikloalkanima i arenima. |
Povezani naftni gas | Smjesa koja se sastoji gotovo isključivo od alkana sa dugim lancem ugljika od 1 do 6 atoma ugljika, nastaje zajedno sa ekstrakcijom ulja, otuda i ime. Postoji trend: što je manja molekularna težina alkana, to je veći njegov procenat u povezanom naftnom gasu. |
Prirodni gas | Smjesa koja se pretežno sastoji od alkana male molekularne težine. Glavna komponenta prirodnog gasa je metan. Njegov procenat, u zavisnosti od gasnog polja, može biti od 75 do 99%. Na drugom mjestu po koncentraciji sa velikom razlikom je etan, propan je još manje sadržan itd. Osnovna razlika između prirodnog i pratećeg naftnog gasa je u tome što je udio propana i izomernih butana u povezanom naftnom gasu mnogo veći. |
Ugalj | Višekomponentna mješavina različitih spojeva ugljika, vodonika, kisika, dušika i sumpora. Također, sastav uglja uključuje značajnu količinu neorganskih tvari čiji je udio znatno veći nego u nafti. |
Rafinacija nafte
Ulje je višekomponentna mješavina različitih tvari, uglavnom ugljikovodika. Ove komponente se međusobno razlikuju po tačkama ključanja. S tim u vezi, ako se ulje zagrije, tada će iz njega prvo ispariti najlakše kipuće komponente, zatim spojevi s višom tačkom ključanja itd. Na osnovu ovog fenomena primarna rafinacija nafte , koji se sastoji od destilacija (ispravljanje) ulje. Ovaj proces se naziva primarnim, jer se pretpostavlja da tokom njegovog toka ne dolazi do hemijskih transformacija supstanci, a ulje se samo razdvaja na frakcije sa različitim tačkama ključanja. Ispod je šematski dijagram destilacijske kolone sa kratkim opisom samog procesa destilacije:
Prije procesa rektifikacije ulje se priprema na poseban način, odnosno uklanja se iz nečistoće vode s otopljenim solima i iz čvrstih mehaničkih nečistoća. Ovako pripremljeno ulje ulazi u cevnu peć, gde se zagreva na visoku temperaturu (320-350 o C). Nakon zagrijavanja u cijevnoj peći, visokotemperaturno ulje ulazi u donji dio destilacijske kolone, gdje pojedine frakcije isparavaju, a njihove pare se dižu u destilacioni stup. Što je veći presek destilacione kolone, to je niža njena temperatura. Dakle, sljedeće frakcije se uzimaju na različitim visinama:
1) destilacioni gasovi (uzeti sa samog vrha kolone, pa stoga njihova tačka ključanja ne prelazi 40 ° C);
2) benzinska frakcija (tačka ključanja od 35 do 200 o C);
3) frakcija nafte (tačke ključanja od 150 do 250 o C);
4) frakcija kerozina (tačke ključanja od 190 do 300 o C);
5) dizel frakcija (tačka ključanja od 200 do 300 o C);
6) lož ulje (tačka ključanja preko 350 o C).
Treba napomenuti da prosječne frakcije izdvojene tokom rektifikacije ulja ne zadovoljavaju standarde kvaliteta goriva. Osim toga, kao rezultat destilacije ulja, nastaje znatna količina lož ulja - daleko od toga da je najtraženiji proizvod. S tim u vezi, nakon primarne prerade nafte, zadatak je povećanje prinosa skupljih, posebno benzinskih frakcija, kao i poboljšanje kvaliteta ovih frakcija. Ovi zadaci se rješavaju različitim procesima. preradu nafte , kao što je pucanje ireformisanje .
Treba napomenuti da je broj postupaka koji se koriste u sekundarnoj preradi nafte mnogo veći, a mi se dotičemo samo nekih od glavnih. Hajde sada da shvatimo šta je smisao ovih procesa.
Krekiranje (termičko ili katalitičko)
Ovaj proces je dizajniran da poveća prinos benzinske frakcije. U tu svrhu se teške frakcije, kao što je mazut, podvrgavaju jakom zagrijavanju, najčešće u prisustvu katalizatora. Kao rezultat ovog djelovanja, molekule dugog lanca koje su dio teških frakcija se kidaju i nastaju ugljikovodici niže molekularne težine. U stvari, ovo dovodi do dodatnog prinosa vrednije frakcije benzina od originalnog lož ulja. Hemijska suština ovog procesa se ogleda u jednadžbi:
Reformisanje
Ovaj proces obavlja zadatak poboljšanja kvalitete benzinske frakcije, posebno povećanja njene otpornosti na udarce (oktanski broj). Upravo je ova karakteristika benzina naznačena na benzinskim pumpama (92., 95., 98. benzin itd.).
Kao rezultat procesa reformiranja, povećava se udio aromatičnih ugljovodonika u frakciji benzina, koji među ostalim ugljovodonicima ima jedan od najvećih oktanskih brojeva. Ovakvo povećanje udjela aromatičnih ugljovodonika postiže se uglavnom kao rezultat reakcija dehidrociklizacije koje se dešavaju tokom procesa reformiranja. Na primjer, kada se dovoljno zagrije n-heksan u prisustvu platinskog katalizatora pretvara se u benzen, a n-heptan na sličan način - u toluen:
Prerada uglja
Glavni metod prerade uglja je koksiranje . Koksiranje uglja naziva se proces u kojem se ugalj zagrijava bez pristupa zraku. Istovremeno, kao rezultat takvog grijanja, iz uglja se izoluju četiri glavna proizvoda:
1) koks
Čvrsta tvar koja je gotovo čisti ugljik.
2) katran
Sadrži veliki broj različitih pretežno aromatičnih jedinjenja, kao što su benzol, njegovi homolozi, fenoli, aromatični alkoholi, naftalin, naftalen homolozi itd.;
3) Amonijačna voda
Unatoč svom nazivu, ova frakcija, osim amonijaka i vode, sadrži i fenol, sumporovodik i neke druge spojeve.
4) koksni gas
Glavne komponente koksnog plina su vodonik, metan, ugljični dioksid, dušik, etilen itd.
Najvažniji izvori ugljikovodika su prirodni i pripadajući naftni plinovi, nafta i ugalj.
Po rezervama prirodni gas prvo mjesto u svijetu pripada našoj zemlji. Prirodni plin sadrži ugljikovodike niske molekularne težine. Ima sljedeći približni sastav (po zapremini): 80-98% metana, 2-3% najbližih homologa - etan, propan, butan i malu količinu nečistoća - sumporovodik H 2 S, dušik N 2 , plemeniti plinovi , ugljen monoksid (IV ) CO 2 i vodena para H 2 O . Sastav gasa je specifičan za svako polje. Postoji sljedeći obrazac: što je veća relativna molekulska težina ugljikovodika, to ga manje sadrži prirodni plin.
Prirodni gas se široko koristi kao jeftino gorivo visoke kalorijske vrednosti (sagorevanjem 1m 3 oslobađa se do 54.400 kJ). Jedna je od najboljih vrsta goriva za domaće i industrijske potrebe. Osim toga, prirodni plin je vrijedna sirovina za hemijsku industriju: proizvodnju acetilena, etilena, vodonika, čađi, raznih plastičnih masa, octene kiseline, boja, lijekova i drugih proizvoda.
Povezani naftni gasovi nalaze se u naslagama zajedno sa naftom: u njoj su rastvoreni i nalaze se iznad nafte, formirajući gasnu „kapu“. Prilikom izvlačenja nafte na površinu, plinovi se odvajaju od nje zbog oštrog pada tlaka. Ranije se prateći gasovi nisu koristili i spaljivani su tokom proizvodnje nafte. Trenutno se hvataju i koriste kao gorivo i vrijedne hemijske sirovine. Povezani plinovi sadrže manje metana od prirodnog plina, ali više etana, propana, butana i viših ugljikovodika. Osim toga, sadrže u osnovi iste nečistoće kao u prirodnom plinu: H 2 S, N 2, plemeniti plinovi, H 2 O pare, CO 2 . Pojedinačni ugljovodonici (etan, propan, butan itd.) se ekstrahuju iz pratećih gasova, njihovom obradom se dehidrogenacijom dobijaju nezasićeni ugljovodonici - propilen, butilen, butadien, od kojih se potom sintetišu gume i plastika. Kao gorivo za domaćinstvo koristi se mješavina propana i butana (tečni plin). Prirodni benzin (mješavina pentana i heksana) koristi se kao dodatak benzinu za bolje paljenje goriva pri paljenju motora. Oksidacijom ugljikovodika nastaju organske kiseline, alkoholi i drugi proizvodi.
Ulje- uljasta zapaljiva tečnost tamno smeđe ili skoro crne boje sa karakterističnim mirisom. Lakši je od vode (= 0,73–0,97 g/cm 3), praktično nerastvorljiv u vodi. Po sastavu, ulje je složena mješavina ugljovodonika različite molekularne težine, tako da nema određenu tačku ključanja.
Nafta se sastoji uglavnom od tečnih ugljovodonika (u njima su rastvoreni čvrsti i gasoviti ugljovodonici). Obično su to alkani (uglavnom normalne strukture), cikloalkani i areni, čiji omjer u uljima iz različitih područja varira u velikoj mjeri. Uralno ulje sadrži više arena. Osim ugljikovodika, ulje sadrži kisik, sumpor i dušične organske spojeve.
Sirova nafta se inače ne koristi. Da bi se iz nafte dobili tehnički vrijedni proizvodi, ona se podvrgava preradi.
Primarna obrada ulje se sastoji u njegovoj destilaciji. Destilacija se vrši u rafinerijama nakon odvajanja pratećih gasova. Destilacijom ulja dobijaju se laki naftni proizvodi:
benzin ( t kip = 40-200 ° C) sadrži ugljikovodike S 5 -S 11,
nafta ( t kip = 150–250 ° C) sadrži ugljikovodike S 8 -S 14,
kerozin ( t kip = 180–300 ° C) sadrži ugljikovodike S 12 -S 18,
plinsko ulje ( t kip > 275 °C),
a u ostatku - viskozna crna tekućina - lož ulje.
Ulje se podvrgava daljoj preradi. Destiluje se pod sniženim pritiskom (da se spreči raspadanje) i izoluju se ulja za podmazivanje: vreteno, motor, cilindar, itd. Vazelin i parafin se izoluju iz loživog ulja nekih vrsta ulja. Ostatak lož ulja nakon destilacije – katran – nakon djelomične oksidacije koristi se za proizvodnju asfalta. Glavni nedostatak prerade nafte je nizak prinos benzina (ne više od 20%).
Proizvodi destilacije ulja imaju različite namjene.
Petrol koristi se u velikim količinama kao gorivo za avione i automobile. Obično se sastoji od ugljikovodika koji sadrže u prosjeku 5 do 9 C atoma u molekulima. Nafta Koristi se kao gorivo za traktore, kao i kao rastvarač u industriji boja i lakova. Velike količine se prerađuju u benzin. Kerozin Koristi se kao gorivo za traktore, mlazne avione i rakete, kao i za domaće potrebe. solarno ulje - plinsko ulje- koristi se kao motorno gorivo, i ulja za podmazivanje- za mehanizme za podmazivanje. Petrolatum koristi u medicini. Sastoji se od mješavine tekućih i čvrstih ugljovodonika. Parafin koristi se za dobijanje viših karboksilnih kiselina, za impregnaciju drveta u proizvodnji šibica i olovaka, za proizvodnju svijeća, krema za cipele itd. Sastoji se od mješavine čvrstih ugljovodonika. lož ulje pored prerade u maziva ulja i benzin, koristi se kao tečno gorivo za kotlove.
At sekundarne metode obrade ulje je promjena u strukturi ugljikovodika koji čine njegov sastav. Među ovim metodama od velikog značaja je krekiranje naftnih ugljovodonika, koje se vrši u cilju povećanja prinosa benzina (do 65-70%).
Pucanje- proces cijepanja ugljikovodika sadržanih u ulju, uslijed čega nastaju ugljikovodici s manjim brojem C atoma u molekuli. Postoje dvije glavne vrste krekinga: termičko i katalitičko.
Termičko pucanje vrši se zagrijavanjem sirovine (loživog ulja i sl.) na temperaturi od 470–550 °C i tlaku od 2–6 MPa. U ovom slučaju, molekule ugljikovodika s velikim brojem C atoma dijele se na molekule s manjim brojem atoma i zasićenih i nezasićenih ugljikovodika. Na primjer:
(radikalni mehanizam),
Na ovaj način se uglavnom dobija automobilski benzin. Njegova proizvodnja iz nafte dostiže 70%. Termičko pucanje otkrio je ruski inženjer V.G. Šuhov 1891. godine.
katalitičko pucanje se izvodi u prisustvu katalizatora (obično aluminosilikata) na 450–500 °C i atmosferskom pritisku. Na ovaj način se dobija avionski benzin sa prinosom do 80%. Ova vrsta krekinga uglavnom je podložna kerozinu i frakcijama gasnog ulja. Kod katalitičkog krekinga, zajedno s reakcijama cijepanja, javljaju se i reakcije izomerizacije. Kao rezultat potonjeg nastaju zasićeni ugljikovodici s razgranatim ugljičnim skeletom molekula, što poboljšava kvalitetu benzina:
Katalitički krekirani benzin je višeg kvaliteta. Proces dobijanja teče mnogo brže, uz manju potrošnju toplotne energije. Osim toga, tokom katalitičkog krekinga nastaje relativno mnogo ugljovodonika razgranatog lanca (izo spojeva), koji su od velike vrijednosti za organsku sintezu.
At t= 700 °C i više, dolazi do pirolize.
Piroliza- raspadanje organskih materija bez pristupa vazduha na visokoj temperaturi. Prilikom pirolize nafte, glavni produkti reakcije su nezasićeni gasoviti ugljovodonici (etilen, acetilen) i aromatični ugljovodonici - benzen, toluen itd. Pošto je piroliza ulja jedan od najvažnijih načina dobijanja aromatičnih ugljovodonika, ovaj proces se često naziva aromatizacija ulja.
Aromatizacija– transformacija alkana i cikloalkana u arene. Kada se teške frakcije naftnih derivata zagrijavaju u prisustvu katalizatora (Pt ili Mo), ugljovodonici koji sadrže 6-8 C atoma po molekulu se pretvaraju u aromatične ugljovodonike. Ovi procesi se javljaju tokom reformiranja (nadogradnje benzina).
Reformisanje- ovo je aromatizacija benzina, koja se provodi kao rezultat zagrijavanja u prisustvu katalizatora, na primjer, Pt. U tim uslovima alkani i cikloalkani se pretvaraju u aromatične ugljovodonike, usled čega se oktanski broj benzina takođe značajno povećava. Aromatizacija se koristi za dobijanje pojedinačnih aromatičnih ugljovodonika (benzen, toluen) iz benzinskih frakcija nafte.
Poslednjih godina naftni ugljovodonici se široko koriste kao izvor hemijskih sirovina. Od njih se na različite načine dobivaju tvari potrebne za proizvodnju plastike, sintetičkih tekstilnih vlakana, sintetičke gume, alkohola, kiselina, sintetičkih deterdženata, eksploziva, pesticida, sintetičkih masti itd.
Ugalj kao i prirodni gas i nafta, on je izvor energije i vrijedna hemijska sirovina.
Glavni metod prerade uglja je koksiranje(suha destilacija). Prilikom koksovanja (zagrijavanje do 1000 °S - 1200 °C bez pristupa vazduha) dobijaju se različiti proizvodi: koks, katran uglja, katran voda i koksni gas (šema).
Šema
Koks se koristi kao redukciono sredstvo u proizvodnji željeza u metalurškim postrojenjima.
Katran ugljena služi kao izvor aromatičnih ugljovodonika. Podvrgava se rektifikacionoj destilaciji i dobija se benzol, toluen, ksilen, naftalen, kao i fenoli, jedinjenja koja sadrže azot itd.
Amonijak, amonijum sulfat, fenol itd. dobijaju se iz katranske vode.
Koksni gas se koristi za zagrevanje koksnih peći (sagorevanjem 1 m 3 oslobađa se oko 18.000 kJ), ali se uglavnom podvrgava hemijskoj obradi. Dakle, iz njega se ekstrahuje vodonik za sintezu amonijaka, koji se zatim koristi za proizvodnju azotnih đubriva, kao i metana, benzola, toluena, amonijum sulfata i etilena.