Fuentes naturales de hidrocarburos. Gas natural: composición, uso como combustible. Fuentes naturales de hidrocarburos, su procesamiento Fuentes naturales de hidrocarburos mensaje
Origen de los combustibles fósiles.
Además del hecho de que todos los organismos vivos consisten en sustancias orgánicas, la principal fuente de compuestos orgánicos son: petróleo, carbón, gases de petróleo naturales y asociados.
El petróleo, el carbón y el gas natural son fuentes de hidrocarburos.
Estos recursos naturales se utilizan:
· Como combustible (fuente de energía y calor) - esta es la combustión convencional;
En forma de materias primas para su posterior procesamiento, esto es síntesis orgánica.
Teorías del origen de las sustancias orgánicas:
1- Teoría del origen orgánico.
Según esta teoría, los depósitos se formaron a partir de restos de organismos animales y vegetales extintos, que se convirtieron en una mezcla de hidrocarburos en el espesor de la corteza terrestre bajo la acción de las bacterias, la alta presión y la temperatura.
2- Teoría del origen mineral (volcánico) del petróleo.
Según esta teoría, el petróleo, el carbón y el gas natural se formaron en la etapa inicial de la formación del planeta Tierra. En este caso, los metales se combinan con el carbono, formando carburos. Como resultado de la reacción de los carburos con el vapor de agua, se formaron hidrocarburos gaseosos en las profundidades del planeta, en particular metano y acetileno. Y bajo la influencia del calentamiento, la radiación y los catalizadores, se formaron a partir de ellos otros compuestos contenidos en el aceite. En las capas superiores de la litosfera, los componentes líquidos del petróleo se evaporaron, el líquido se espesó, se convirtió en asfalto y luego en carbón.
Esta teoría fue expresada por primera vez por D. I. Mendeleev, y luego en el siglo XX, el científico francés P. Sabatier simuló el proceso descrito en el laboratorio y obtuvo una mezcla de hidrocarburos similar al petróleo.
componente principal gas natural es metano. También contiene etano, propano, butano. Cuanto mayor sea el peso molecular del hidrocarburo, menor será su contenido en el gas natural.
Solicitud: Cuando se quema gas natural, se libera una gran cantidad de calor, por lo que sirve como un combustible económico y de bajo consumo en la industria. El gas natural también es fuente de materias primas para la industria química: producción de acetileno, etileno, hidrógeno, hollín, plásticos diversos, ácido acético, colorantes, medicamentos y otros productos.
gases de petroleo asociados se encuentra naturalmente sobre el petróleo o se disuelve en él bajo presión. Anteriormente no se utilizaban los gases asociados al petróleo, se quemaban. Actualmente, son capturados y utilizados como combustible y valiosas materias primas químicas. Los gases asociados contienen menos metano que el gas natural, pero contienen mucho más de sus homólogos. Los gases de petróleo asociados se separan en una composición más estrecha.
Por ejemplo: gasolina natural: se agrega una mezcla de pentano, hexano y otros hidrocarburos a la gasolina para mejorar el arranque del motor; la fracción de propano-butano en forma de gas licuado se utiliza como combustible; El gas seco, de composición similar al gas natural, se utiliza para producir acetileno, hidrógeno y también como combustible. En ocasiones, los gases asociados al petróleo se someten a una separación más profunda y de ellos se extraen los hidrocarburos individuales, de los que se obtienen los hidrocarburos insaturados.
El carbón sigue siendo uno de los combustibles y materias primas más comunes para la síntesis orgánica. Qué tipos de carbón hay, de dónde viene el carbón y qué productos se utilizan para obtenerlo: estas son las preguntas principales que consideraremos hoy en la lección. Como fuente de productos químicos, el carbón se utilizó antes que el petróleo y el gas natural.
El carbón no es una sustancia individual. Se compone de: carbono libre (hasta un 10%), sustancias orgánicas que contienen, además de carbono e hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno, minerales que quedan en forma de escoria cuando se quema el carbón.
El carbón es un combustible fósil sólido de origen orgánico. Según la hipótesis biogénica, se formó a partir de plantas muertas como resultado de la actividad vital de los microorganismos en el período Carbonífero de la era Paleozoica (hace unos 300 millones de años). El carbón es más barato que el petróleo, está distribuido de manera más uniforme en la corteza terrestre, sus reservas naturales superan con creces las del petróleo y, según los científicos, no se agotará hasta dentro de un siglo.
La formación de carbón a partir de residuos vegetales (coalificación) se produce en varias etapas: turba - lignito - hulla - antracita.
El proceso de carbonificación consiste en un aumento gradual del contenido relativo de carbono en la materia orgánica debido a su agotamiento en oxígeno e hidrógeno. La formación de turba y lignito se produce como resultado de la descomposición bioquímica de residuos vegetales sin oxígeno. La transición del lignito a piedra ocurre bajo la influencia de temperaturas y presiones elevadas asociadas con procesos volcánicos y de formación de montañas.
FUENTES NATURALES DE HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos son todos tan diferentes -
Líquido, sólido y gaseoso.
¿Por qué hay tantos de ellos en la naturaleza?
Es carbón insaciable.
De hecho, este elemento, como ningún otro, es "insaciable": se esfuerza por formar cadenas, rectas y ramificadas, luego anillos, luego rejillas de una multitud de sus átomos. De ahí los muchos compuestos de átomos de carbono e hidrógeno.
Los hidrocarburos son gas natural, metano, y otro gas combustible doméstico, que se llena con cilindros, propano C 3 H 8. Los hidrocarburos son el petróleo, la gasolina y el queroseno. Y también: un solvente orgánico C 6 H 6, parafina, a partir del cual se hacen las velas de Año Nuevo, vaselina de una farmacia e incluso una bolsa de plástico para envasar alimentos ...
Las fuentes naturales más importantes de hidrocarburos son los minerales: carbón, petróleo, gas.
CARBÓN
Más conocido en todo el mundo. 36 mil cuencas y depósitos de carbón, que juntos ocupan 15% territorios del globo. Los campos de carbón pueden extenderse por miles de kilómetros. En total, las reservas geológicas generales de carbón en el mundo son 5 billones 500 mil millones de toneladas, incluyendo yacimientos explorados - 1 trillón 750 mil millones de toneladas.
Hay tres tipos principales de carbones fósiles. Cuando se quema carbón marrón, antracita, la llama es invisible, la combustión no produce humo y el carbón hace un fuerte crujido cuando se quema.
Antracitaes el carbón fósil más antiguo. Se distingue de la densidad grande y el brillo. Contiene hasta 95% carbón.
Carbón- contiene hasta 99% carbón. De todos los carbones fósiles, es el más utilizado.
carbón marron- contiene hasta 72% carbón. Tiene un color marrón. Como el carbón fósil más joven, a menudo conserva rastros de la estructura del árbol del que se formó. Difiere en alta higroscopicidad y alto contenido de cenizas ( del 7% al 38%), por lo tanto, se usa solo como combustible local y como materia prima para el procesamiento químico. En particular, se obtienen valiosos tipos de combustibles líquidos por hidrogenación: gasolina y queroseno.
El carbono es el componente principal del carbón. 99% ), carbón marron ( hasta el 72%). El origen del nombre carbono, es decir, "carbón que lleva". De manera similar, el nombre latino "carboneum" en la base contiene la raíz carbo-carbón.
Al igual que el petróleo, el carbón contiene una gran cantidad de materia orgánica. Además de las sustancias orgánicas, también incluye sustancias inorgánicas, como agua, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y, por supuesto, el propio carbono: el carbón. Una de las principales formas de procesamiento del carbón es la coquización: calcinación sin acceso al aire. Como resultado de la coquización, que se lleva a cabo a una temperatura de 1000 0 C, se forma lo siguiente:
gas de horno de coque- se compone de hidrógeno, metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono, impurezas de amoníaco, nitrógeno y otros gases.
Alquitrán de hulla - contiene varios cientos de sustancias orgánicas diferentes, incluyendo benceno y sus homólogos, fenol y alcoholes aromáticos, naftaleno y varios compuestos heterocíclicos.
Agua de alquitrán o amoníaco - que contienen, como su nombre lo indica, amoníaco disuelto, así como fenol, sulfuro de hidrógeno y otras sustancias.
Coca– Residuo sólido de coquización, carbón prácticamente puro.
El coque se usa en la producción de hierro y acero, el amoníaco se usa en la producción de fertilizantes nitrogenados y combinados, y la importancia de los productos orgánicos de coque no puede subestimarse. ¿Cuál es la geografía de distribución de este mineral?
La mayor parte de los recursos de carbón recae en el hemisferio norte: Asia, América del Norte, Eurasia. ¿Qué países se destacan en términos de reservas y producción de carbón?
China, Estados Unidos, India, Australia, Rusia.
Los países son los principales exportadores de carbón.
Estados Unidos, Australia, Rusia, Sudáfrica.
principales centros de importación.
Japón, Europa de ultramar.
Es un combustible muy sucio ambientalmente. Durante la extracción del carbón se producen explosiones e incendios de metano y surgen ciertos problemas ambientales.
Contaminación ambiental - este es cualquier cambio indeseable en el estado de este medio ambiente como resultado de las actividades humanas. Esto también sucede en la minería. Imagine una situación en un área minera de carbón. Junto con el carbón, aflora a la superficie una enorme cantidad de roca estéril que, por innecesaria, simplemente se envía a vertederos. Gradualmente formado montones de basura- enormes montañas de desmonte, de decenas de metros de altura, en forma de cono, que distorsionan la apariencia del paisaje natural. ¿Y todo el carbón elevado a la superficie será necesariamente exportado al consumidor? Por supuesto que no. Después de todo, el proceso no es hermético. Una gran cantidad de polvo de carbón se deposita en la superficie de la tierra. Como resultado, la composición de los suelos y las aguas subterráneas cambia, lo que inevitablemente afectará la flora y la fauna de la región.
El carbón contiene carbono radiactivo - C, pero después de que se quema el combustible, la sustancia peligrosa, junto con el humo, ingresa al aire, al agua, al suelo y se convierte en escoria o ceniza, que se usa para producir materiales de construcción. Como resultado, en los edificios residenciales, las paredes y los techos “brillan” y representan una amenaza para la salud humana.
ACEITE
El petróleo ha sido conocido por la humanidad desde la antigüedad. A orillas del Éufrates, fue minado
6-7 mil años antes de Cristo oh . Se usaba para iluminar viviendas, para preparar morteros, como medicinas y ungüentos, y para embalsamar. El petróleo en el mundo antiguo era un arma formidable: ríos de fuego se derramaban sobre las cabezas de quienes asaltaban los muros de la fortaleza, flechas ardientes sumergidas en aceite volaban hacia las ciudades sitiadas. El petróleo era parte integrante del agente incendiario que pasó a la historia con el nombre "fuego griego" En la Edad Media, se utilizó principalmente para el alumbrado público.
Se han explorado más de 600 cuencas de petróleo y gas, 450 están en desarrollo , y el número total de campos petroleros llega a 50 mil.
Distinguir entre petróleo ligero y pesado. El aceite ligero se extrae del subsuelo mediante bombas o por el método de la fuente. La mayoría de la gasolina y el queroseno están hechos de dicho aceite. A veces se extraen grados pesados de petróleo incluso por el método de la mina (en la República de Komi), y a partir de ellos se preparan betún, fuel oil y diversos aceites.
El petróleo es el combustible más versátil, alto en calorías. Su extracción es relativamente sencilla y económica, ya que al extraer petróleo no hay necesidad de bajar personas bajo tierra. El transporte de petróleo a través de oleoductos no es un gran problema. La principal desventaja de este tipo de combustible es la baja disponibilidad de recursos (alrededor de 50 años ) . Las reservas geológicas generales equivalen a 500 mil millones de toneladas, incluidas las exploradas 140 mil millones de toneladas .
A 2007 Los científicos rusos demostraron a la comunidad mundial que las cordilleras submarinas de Lomonosov y Mendeleev, que se encuentran en el Océano Ártico, son una zona de plataforma del continente y, por lo tanto, pertenecen a la Federación Rusa. El profesor de química hablará sobre la composición del aceite, sus propiedades.
El petróleo es un "paquete de energía". Con solo 1 ml, puede calentar un balde entero de agua en un grado, y para hervir un samovar de balde, necesita menos de medio vaso de aceite. En términos de concentración de energía por unidad de volumen, el petróleo ocupa el primer lugar entre las sustancias naturales. Incluso los minerales radiactivos no pueden competir con él en este sentido, ya que el contenido de sustancias radiactivas en ellos es tan pequeño que se puede extraer 1 mg. El combustible nuclear debe ser procesado toneladas de rocas.
El petróleo no es sólo la base del complejo energético y de combustibles de cualquier estado.
Aquí, las famosas palabras de D. I. Mendeleev están en su lugar. “quemar aceite es lo mismo que calentar un horno billetes". Cada gota de aceite contiene más de 900 varios compuestos químicos, más de la mitad de los elementos químicos de la tabla periódica. Este es verdaderamente un milagro de la naturaleza, la base de la industria petroquímica. Aproximadamente el 90% de todo el petróleo producido se utiliza como combustible. A pesar de “ poseer el 10%” , La síntesis petroquímica proporciona muchos miles de compuestos orgánicos que satisfacen las necesidades urgentes de la sociedad moderna. No es de extrañar que la gente respetuosamente llame al petróleo "oro negro", "la sangre de la Tierra".
El aceite es un líquido aceitoso de color marrón oscuro con un tinte rojizo o verdoso, a veces negro, rojo, azul o claro e incluso transparente con un olor acre característico. A veces, el petróleo es blanco o incoloro, como el agua (por ejemplo, en el campo Surukhanskoye en Azerbaiyán, en algunos campos en Argelia).
La composición del aceite no es la misma. Pero todos ellos suelen contener tres tipos de hidrocarburos: alcanos (principalmente de estructura normal), cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos. La proporción de estos hidrocarburos en el petróleo de diferentes campos es diferente: por ejemplo, el petróleo de Mangyshlak es rico en alcanos y el petróleo en la región de Bakú es rico en cicloalcanos.
Las principales reservas de petróleo se encuentran en el hemisferio norte. Total 75 Los países del mundo producen petróleo, pero el 90% de su producción recae en la participación de solo 10 países. Cerca ? Las reservas mundiales de petróleo están en los países en desarrollo. (El profesor llama y muestra en el mapa).
Principales países productores:
Arabia Saudita, Estados Unidos, Rusia, Irán, México.
al mismo tiempo mas 4/5 El consumo de petróleo recae en la participación de los países económicamente desarrollados, que son los principales países importadores:
Japón, Europa de ultramar, Estados Unidos.
El aceite en su forma cruda no se usa en ninguna parte, pero se usan productos refinados.
Refinación de petróleo
Una planta moderna consta de un horno de calentamiento de aceite y una columna de destilación donde el aceite se separa en facciones - mezclas individuales de hidrocarburos según sus puntos de ebullición: gasolina, nafta, queroseno. El horno tiene un tubo largo enrollado en una bobina. El horno es calentado por los productos de combustión de fuel oil o gas. El aceite se suministra continuamente a la bobina: allí se calienta a 320 - 350 0 C en forma de una mezcla de líquido y vapor y entra en la columna de destilación. La columna de destilación es un aparato cilíndrico de acero con una altura de unos 40 m. Tiene dentro varias docenas de particiones horizontales con agujeros, las llamadas placas. Los vapores de aceite, que ingresan a la columna, se elevan y pasan a través de los orificios en las placas. A medida que se enfrían gradualmente a medida que avanzan hacia arriba, se licuan parcialmente. Los hidrocarburos menos volátiles ya están licuados en las primeras placas, formando una fracción de gasóleo; los hidrocarburos más volátiles se recogen arriba y forman una fracción de queroseno; aún más alto - fracción de nafta. Los hidrocarburos más volátiles salen de la columna como vapores y, después de la condensación, forman gasolina. Parte de la gasolina se retroalimenta a la columna para "irrigación", lo que contribuye a un mejor modo de operación. (Anotado en un cuaderno). Gasolina: contiene hidrocarburos C5 - C11, que hierven en el rango de 40 0 C a 200 0 C; nafta - contiene hidrocarburos C8 - C14 con un punto de ebullición de 120 0 C a 240 0 C, queroseno - contiene hidrocarburos C12 - C18, con una temperatura de ebullición de 180 0 C a 300 0 C; gasóleo - contiene hidrocarburos C13 - C15, destilados a una temperatura de 230 0 C a 360 0 C; aceites lubricantes - C16 - C28, hervir a una temperatura de 350 0 C y superior.
Después de la destilación de productos ligeros del petróleo, queda un líquido negro viscoso: el fuel oil. Es una valiosa mezcla de hidrocarburos. Los aceites lubricantes se obtienen a partir del fueloil mediante destilación adicional. La parte del fuel oil que no se destila se llama alquitrán, el cual se utiliza en la construcción y en la pavimentación de caminos (demostración de un fragmento de video). La fracción más valiosa de la destilación directa del petróleo es la gasolina. Sin embargo, el rendimiento de esta fracción no supera el 17-20% en peso de crudo. Surge el problema: ¿cómo satisfacer las necesidades cada vez mayores de la sociedad en combustible para la automoción y la aviación? La solución fue encontrada a finales del siglo XIX por un ingeniero ruso. Vladímir Grigorievich Shujov. A 1891 año, realizó por primera vez una operación industrial agrietamiento fracción de queroseno del petróleo, que permitió aumentar el rendimiento de la gasolina al 65-70% (calculado como petróleo crudo). Solo por el desarrollo del proceso de craqueo térmico de los derivados del petróleo, la humanidad agradecida inscribió con letras doradas el nombre de este personaje único en la historia de la civilización.
Los productos obtenidos como resultado de la rectificación del petróleo se someten a un procesamiento químico, que incluye una serie de procesos complejos, uno de ellos es el craqueo de productos derivados del petróleo (del inglés "Cracking" - división). Existen varios tipos de craqueo: térmico, catalítico, craqueo a alta presión, reducción. El craqueo térmico consiste en la división de moléculas de hidrocarburo con una cadena larga en otras más cortas bajo la influencia de altas temperaturas (470-550 0 C). En el proceso de esta división, junto con los alcanos, se forman alquenos:
Actualmente, el craqueo catalítico es el más común. Se lleva a cabo a una temperatura de 450-500 0 C, pero a una velocidad más alta y le permite obtener gasolina de mayor calidad. En las condiciones del craqueo catalítico, junto con las reacciones de escisión, tienen lugar reacciones de isomerización, es decir, la transformación de hidrocarburos de estructura normal en hidrocarburos ramificados.
La isomerización afecta la calidad de la gasolina, ya que la presencia de hidrocarburos ramificados aumenta mucho su octanaje. El craqueo se refiere a los llamados procesos secundarios de refinación de petróleo. Varios otros procesos catalíticos, como el reformado, también se clasifican como secundarios. reformando- esta es la aromatización de gasolinas calentándolas en presencia de un catalizador, por ejemplo, platino. En estas condiciones, los alcanos y cicloalcanos se convierten en hidrocarburos aromáticos, como resultado de lo cual el número de octanos de la gasolina también aumenta significativamente.
Ecología y campo petrolífero
Para la producción petroquímica, el problema del medio ambiente es especialmente relevante. La producción de petróleo está asociada con los costos de energía y la contaminación ambiental. Una fuente peligrosa de contaminación de los océanos es la producción de petróleo en alta mar, y los océanos también se contaminan durante el transporte de petróleo. Cada uno de nosotros ha visto en la televisión las consecuencias de los accidentes de los petroleros. Costas negras cubiertas de petróleo, oleaje negro, delfines asfixiados, pájaros cuyas alas están cubiertas de petróleo viscoso, personas con trajes protectores que recogen petróleo con palas y baldes. Quisiera citar los datos de un grave desastre medioambiental ocurrido en el Estrecho de Kerch en noviembre de 2007. 2.000 toneladas de productos derivados del petróleo y unas 7.000 toneladas de azufre entraron en el agua. Tuzla Spit, que se encuentra en la unión de los mares Negro y Azov, y Chushka Spit fueron los que más sufrieron a causa del desastre. Tras el accidente, el fuel oil se depositó en el fondo, lo que provocó la muerte de una pequeña concha en forma de corazón, principal alimento de los habitantes del mar. Tomará 10 años restaurar el ecosistema. Murieron más de 15 mil pájaros. Un litro de aceite, al caer al agua, se esparce por su superficie en manchas de 100 m2. La película de aceite, aunque muy delgada, forma una barrera infranqueable en el camino del oxígeno desde la atmósfera hasta la columna de agua. Como resultado, se altera el régimen de oxígeno y el océano. "sofocar". El plancton, que es la columna vertebral de la cadena alimenticia del océano, se está muriendo. En la actualidad, alrededor del 20% del área del océano mundial está cubierta por mareas negras, y el área afectada por la contaminación por petróleo está creciendo. Además del hecho de que el Océano Mundial está cubierto con una película de aceite, también podemos observarlo en tierra. Por ejemplo, en los campos petrolíferos de Siberia occidental, se derrama más petróleo al año del que puede contener un buque cisterna: hasta 20 millones de toneladas. Aproximadamente la mitad de este petróleo termina en el suelo como resultado de accidentes, el resto son fuentes y fugas "planificadas" durante la puesta en marcha de pozos, la perforación exploratoria y las reparaciones de tuberías. El área más grande de tierra contaminada por petróleo, según el Comité para el Medio Ambiente del Okrug Autónomo de Yamalo-Nenets, cae en el distrito de Purovsky.
GAS NATURAL Y ASOCIADO DE PETRÓLEO
El gas natural contiene hidrocarburos de bajo peso molecular, los principales componentes son metano. Su contenido en el gas de varios yacimientos oscila entre el 80% y el 97%. Además de metano - etano, propano, butano. Inorgánico: nitrógeno - 2%; CO2; H2O; H2S, gases nobles. Cuando se quema gas natural, se libera mucho calor.
En cuanto a sus propiedades, el gas natural como combustible supera incluso al petróleo, es más calórico. Esta es la rama más joven de la industria del combustible. El gas es aún más fácil de extraer y transportar. Es el más económico de todos los combustibles. Es cierto que también hay desventajas: el complejo transporte intercontinental de gas. Los camiones cisterna: el estiércol de metano, que transporta gas en estado licuado, son estructuras extremadamente complejas y costosas.
Se utiliza como: combustible eficaz, materia prima en la industria química, en la producción de acetileno, etileno, hidrógeno, hollín, plásticos, ácido acético, colorantes, medicamentos, etc. El gas de petróleo contiene menos metano, pero más propano, butano y otros hidrocarburos superiores. ¿Dónde se produce el gas?
Más de 70 países del mundo tienen reservas comerciales de gas. Además, como en el caso del petróleo, los países en desarrollo tienen reservas muy grandes. Pero la producción de gas la realizan principalmente los países desarrollados. Tienen oportunidades para usarlo o una forma de vender gas a otros países que están en el mismo continente que ellos. El comercio internacional de gas es menos activo que el comercio de petróleo. Alrededor del 15% del gas producido en el mundo ingresa al mercado internacional. Casi 2/3 de la producción mundial de gas proviene de Rusia y EE. UU. Sin duda, la región líder en producción de gas no solo en nuestro país, sino también en el mundo es el Okrug Autónomo de Yamalo-Nenets, donde esta industria se viene desarrollando desde hace 30 años. Nuestra ciudad Novy Urengoy es legítimamente reconocida como la capital del gas. Los depósitos más grandes incluyen Urengoyskoye, Yamburgskoye, Medvezhye, Zapolyarnoye. El campo Urengoy está incluido en el Libro Guinness de los Récords. Las reservas y producción del yacimiento son únicas. Las reservas exploradas superan los 10 billones. m 3 , 6 billones. metro 3 En 2008 JSC "Gazprom" planea producir 598 mil millones de m 3 de "oro azul" en el campo de Urengoy.
Gas y ecología
La imperfección de la tecnología de producción de petróleo y gas, su transporte provoca la quema constante del volumen de gas en las unidades de calor de las estaciones compresoras y en antorchas. Las estaciones de compresores representan alrededor del 30% de estas emisiones. Aproximadamente 450.000 toneladas de gas natural y asociado se queman anualmente en las instalaciones de antorchas, mientras que más de 60.000 toneladas de contaminantes ingresan a la atmósfera.
El petróleo, el gas y el carbón son materias primas valiosas para la industria química. En un futuro cercano, encontrarán un reemplazo en el complejo de combustible y energía de nuestro país. Actualmente, los científicos están buscando formas de utilizar energía solar y eólica, combustible nuclear para reemplazar completamente el petróleo. El hidrógeno es el combustible más prometedor del futuro. Reducir el uso de petróleo en la ingeniería térmica es el camino no solo para su uso más racional, sino también para la preservación de esta materia prima para las generaciones futuras. Las materias primas de hidrocarburos deben usarse solo en la industria de procesamiento para obtener una variedad de productos. Desafortunadamente, la situación no está cambiando todavía y hasta el 94% del petróleo producido se usa como combustible. D. I. Mendeleev dijo sabiamente: "Quemar aceite es lo mismo que calentar el horno con billetes".
Durante la lección, podrá estudiar el tema “Fuentes naturales de hidrocarburos. Refinación de petróleo". Más del 90% de toda la energía consumida actualmente por la humanidad se extrae de compuestos orgánicos naturales fósiles. Aprenderá sobre los recursos naturales (gas natural, petróleo, carbón), qué sucede con el petróleo después de que se extrae.
Tema: Limitar hidrocarburos
Lección: Fuentes Naturales de Hidrocarburos
Alrededor del 90% de la energía consumida por la civilización moderna se genera quemando combustibles fósiles naturales: gas natural, petróleo y carbón.
Rusia es un país rico en combustibles fósiles naturales. Hay grandes reservas de petróleo y gas natural en Siberia occidental y los Urales. El carbón duro se extrae en las cuencas de Kuznetsk, South Yakutsk y otras regiones.
Gas natural consiste en un promedio de 95% en volumen de metano.
Además del metano, el gas natural de varios campos contiene nitrógeno, dióxido de carbono, helio, sulfuro de hidrógeno y otros alcanos ligeros: etano, propano y butanos.
El gas natural se extrae de depósitos subterráneos, donde se encuentra a alta presión. El metano y otros hidrocarburos se forman a partir de sustancias orgánicas de origen vegetal y animal durante su descomposición sin acceso al aire. El metano se produce constantemente y actualmente como resultado de la actividad de los microorganismos.
El metano se encuentra en los planetas del sistema solar y sus satélites.
El metano puro es inodoro. Sin embargo, el gas que se usa en la vida cotidiana tiene un olor desagradable característico. Este es el olor de aditivos especiales: mercaptanos. El olor a mercaptanos permite detectar a tiempo una fuga de gas doméstico. Las mezclas de metano con aire son explosivas. en una amplia gama de proporciones: del 5 al 15% de gas por volumen. Por lo tanto, si huele a gas en la habitación, no solo puede encender un fuego, sino también usar interruptores eléctricos. La chispa más pequeña puede causar una explosión.
Arroz. 1. Petróleo de diferentes campos
Aceite- un líquido espeso como el aceite. Su color es de amarillo claro a marrón y negro.
Arroz. 2. Campos petroleros
El petróleo de diferentes campos varía mucho en su composición. Arroz. 1. La parte principal del petróleo son hidrocarburos que contienen 5 o más átomos de carbono. Básicamente, estos hidrocarburos están saturados, es decir, alcanos. Arroz. 2.
La composición del aceite también incluye compuestos orgánicos que contienen azufre, oxígeno, nitrógeno El aceite contiene agua e impurezas inorgánicas.
Los gases se disuelven en el petróleo, que se liberan durante su extracción - gases de petroleo asociados. Estos son metano, etano, propano, butanos con impurezas de nitrógeno, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno.
Carbón, como el aceite, es una mezcla compleja. La proporción de carbono en él representa el 80-90%. El resto es hidrógeno, oxígeno, azufre, nitrógeno y algunos otros elementos. en lignito la proporción de carbono y materia orgánica es menor que en la piedra. Aún menos orgánico esquisto bituminoso.
En la industria, el carbón se calienta a 900-1100 0 C sin aire. Este proceso se llama procesión de coca. El resultado es coque con alto contenido de carbono, gas de coque y alquitrán de hulla, necesarios para la metalurgia. Muchas sustancias orgánicas se liberan del gas y el alquitrán. Arroz. 3.
Arroz. 3. El dispositivo del horno de coque.
El gas natural y el petróleo son las fuentes más importantes de materias primas para la industria química. El petróleo tal como se produce, o "petróleo crudo", es difícil de utilizar incluso como combustible. Por lo tanto, el petróleo crudo se divide en fracciones (del inglés "fracción" - "parte"), utilizando diferencias en los puntos de ebullición de sus sustancias constituyentes.
El método de separación del petróleo, basado en los diferentes puntos de ebullición de sus hidrocarburos constituyentes, se denomina destilación o destilación. Arroz. cuatro
Arroz. 4. Productos de la refinación del petróleo
La fracción que se destila desde alrededor de 50 a 180 0 C se llama gasolina.
Queroseno hierve a temperaturas de 180-300 0 C.
Un residuo negro espeso que no contiene sustancias volátiles se llama gasolina.
También hay una serie de fracciones intermedias que hierven en rangos más estrechos: éteres de petróleo (40-70 0 C y 70-100 0 C), aguarrás (149-204 ° C) y gasóleo (200-500 0 C). Se utilizan como disolventes. El fuel oil se puede destilar a presión reducida, de esta forma se obtienen aceites lubricantes y parafinas. Residuos sólidos de la destilación de fuel oil - asfalto. Se utiliza para la producción de superficies de carreteras.
El procesamiento de gases de petróleo asociados es una industria separada y permite obtener una serie de productos valiosos.
Resumiendo la lección
Durante la lección, estudió el tema “Fuentes naturales de hidrocarburos. Refinación de petróleo". Más del 90% de toda la energía consumida actualmente por la humanidad se extrae de compuestos orgánicos naturales fósiles. Aprendiste sobre los recursos naturales (gas natural, petróleo, carbón), sobre lo que sucede con el petróleo después de que se extrae.
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2. ¿Cuál es la diferencia entre el gas de petróleo asociado y el gas natural?
3. ¿Cómo se lleva a cabo la refinación del petróleo?
Fuente natural de hidrocarburos | Sus principales características |
Aceite | Mezcla multicomponente compuesta principalmente por hidrocarburos. Los hidrocarburos están representados principalmente por alcanos, cicloalcanos y arenos. |
Gas de petróleo asociado | Junto con la extracción del petróleo se forma una mezcla compuesta casi exclusivamente por alcanos con una cadena carbonada larga de 1 a 6 átomos de carbono, de ahí el origen del nombre. Hay una tendencia: cuanto menor es el peso molecular del alcano, mayor es su porcentaje en el gas de petróleo asociado. |
Gas natural | Una mezcla que consiste predominantemente en alcanos de bajo peso molecular. El principal componente del gas natural es el metano. Su porcentaje, dependiendo del yacimiento de gas, puede ser del 75 al 99%. En segundo lugar en cuanto a concentración por un amplio margen se encuentra el etano, el propano está aún menos contenido, etc. La diferencia fundamental entre el gas natural y el gas de petróleo asociado es que la proporción de propano y butanos isoméricos en el gas de petróleo asociado es mucho mayor. |
Carbón | Mezcla multicomponente de varios compuestos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Además, la composición del carbón incluye una cantidad significativa de sustancias inorgánicas, cuya proporción es significativamente mayor que en el petróleo. |
Refinación de petróleo
El petróleo es una mezcla multicomponente de varias sustancias, principalmente hidrocarburos. Estos componentes difieren entre sí en los puntos de ebullición. En este sentido, si se calienta el aceite, primero se evaporarán los componentes de menor punto de ebullición, luego los compuestos con un punto de ebullición más alto, etc. En base a este fenómeno refinacion de petroleo primario , consistente en destilación (rectificación) aceite. Este proceso se denomina primario, ya que se supone que durante su transcurso no ocurren transformaciones químicas de las sustancias, y el aceite solo se separa en fracciones con diferentes puntos de ebullición. A continuación se muestra un diagrama esquemático de una columna de destilación con una breve descripción del proceso de destilación en sí:
Antes del proceso de rectificación, el aceite se prepara de una manera especial, es decir, se elimina del agua impura con sales disueltas y de las impurezas mecánicas sólidas. El aceite así preparado entra en el horno tubular, donde se calienta a alta temperatura (320-350 o C). Después de calentarse en un horno tubular, el aceite de alta temperatura ingresa a la parte inferior de la columna de destilación, donde las fracciones individuales se evaporan y sus vapores ascienden por la columna de destilación. Cuanto mayor sea la sección de la columna de destilación, menor será su temperatura. Así, las siguientes fracciones se toman a diferentes alturas:
1) gases de destilación (tomados de la parte superior de la columna y, por lo tanto, su punto de ebullición no supera los 40 ° C);
2) fracción de gasolina (punto de ebullición de 35 a 200 o C);
3) fracción nafta (puntos de ebullición de 150 a 250 o C);
4) fracción de queroseno (puntos de ebullición de 190 a 300 o C);
5) fracción diesel (punto de ebullición de 200 a 300 o C);
6) fueloil (punto de ebullición superior a 350 o C).
Cabe señalar que las fracciones promedio aisladas durante la rectificación del aceite no cumplen con los estándares de calidad del combustible. Además, como resultado de la destilación del petróleo, se forma una cantidad considerable de fuel oil, lejos de ser el producto más demandado. A este respecto, después del procesamiento primario del aceite, la tarea es aumentar el rendimiento de fracciones de gasolina más caras, en particular, así como mejorar la calidad de estas fracciones. Estas tareas se resuelven mediante varios procesos. refinación de petróleo , como agrietamiento yreformando .
Cabe señalar que la cantidad de procesos utilizados en el procesamiento secundario del petróleo es mucho mayor, y mencionamos solo algunos de los principales. Comprendamos ahora cuál es el significado de estos procesos.
Craqueo (térmico o catalítico)
Este proceso está diseñado para aumentar el rendimiento de la fracción de gasolina. Para ello, las fracciones pesadas, como el fuel oil, se someten a un fuerte calentamiento, la mayoría de las veces en presencia de un catalizador. Como resultado de esta acción, las moléculas de cadena larga que forman parte de las fracciones pesadas se rompen y se forman hidrocarburos de menor peso molecular. De hecho, esto conduce a un rendimiento adicional de una fracción de gasolina más valiosa que el fueloil original. La esencia química de este proceso se refleja en la ecuación:
reformando
Este proceso cumple la tarea de mejorar la calidad de la fracción de gasolina, en particular, aumentando su resistencia al golpe (número de octano). Es esta característica de las gasolinas la que se indica en las gasolineras (gasolina 92, 95, 98, etc.).
Como resultado del proceso de reformado, aumenta la proporción de hidrocarburos aromáticos en la fracción de gasolina, que entre otros hidrocarburos tiene uno de los índices de octano más altos. Tal aumento en la proporción de hidrocarburos aromáticos se logra principalmente como resultado de las reacciones de deshidrociclación que ocurren durante el proceso de reformado. Por ejemplo, cuando se calienta lo suficiente norte-hexano en presencia de un catalizador de platino, se convierte en benceno y n-heptano de manera similar - en tolueno:
Procesamiento de carbón
El principal método de procesamiento del carbón es procesión de coca . coquización de carbón llamado el proceso en el que el carbón se calienta sin acceso al aire. Al mismo tiempo, como resultado de dicho calentamiento, se aíslan cuatro productos principales del carbón:
1) coca cola
Una sustancia sólida que es casi carbono puro.
2) alquitrán de hulla
Contiene una gran cantidad de diversos compuestos predominantemente aromáticos, como benceno, sus homólogos, fenoles, alcoholes aromáticos, naftaleno, homólogos de naftaleno, etc.;
3) Agua amoniacal
A pesar de su nombre, esta fracción, además de amoníaco y agua, también contiene fenol, sulfuro de hidrógeno y algunos otros compuestos.
4) gas de horno de coque
Los principales componentes del gas de horno de coque son hidrógeno, metano, dióxido de carbono, nitrógeno, etileno, etc.
Las fuentes más importantes de hidrocarburos son los gases de petróleo naturales y asociados, el petróleo y el carbón.
Por reservas gas natural el primer lugar en el mundo pertenece a nuestro país. El gas natural contiene hidrocarburos de bajo peso molecular. Tiene la siguiente composición aproximada (en volumen): 80-98% metano, 2-3% de sus homólogos más cercanos - etano, propano, butano y una pequeña cantidad de impurezas - sulfuro de hidrógeno H 2 S, nitrógeno N 2 , gases nobles , monóxido de carbono (IV ) CO 2 y vapor de agua H 2 O . La composición del gas es específica para cada campo. Existe el siguiente patrón: cuanto mayor es el peso molecular relativo del hidrocarburo, menos está contenido en el gas natural.
El gas natural es ampliamente utilizado como combustible económico y de alto poder calorífico (la combustión de 1m 3 libera hasta 54.400 kJ). Es uno de los mejores tipos de combustible para las necesidades domésticas e industriales. Además, el gas natural es una materia prima valiosa para la industria química: la producción de acetileno, etileno, hidrógeno, hollín, diversos plásticos, ácido acético, colorantes, medicamentos y otros productos.
gases de petroleo asociados están en depósitos junto con el petróleo: se disuelven en él y se ubican por encima del petróleo, formando una “capa” de gas. Al extraer petróleo a la superficie, los gases se separan de él debido a una fuerte caída de presión. Anteriormente, los gases asociados no se usaban y se quemaban durante la producción de petróleo. Actualmente, son capturados y utilizados como combustible y valiosas materias primas químicas. Los gases asociados contienen menos metano que el gas natural, pero más etano, propano, butano e hidrocarburos superiores. Además, contienen básicamente las mismas impurezas que el gas natural: H 2 S, N 2, gases nobles, vapor de H 2 O, CO 2 . Los hidrocarburos individuales (etano, propano, butano, etc.) se extraen de los gases asociados, su procesamiento permite obtener hidrocarburos insaturados por deshidrogenación: propileno, butileno, butadieno, a partir de los cuales se sintetizan cauchos y plásticos. Una mezcla de propano y butano (gas licuado) se utiliza como combustible doméstico. La gasolina natural (una mezcla de pentano y hexano) se utiliza como aditivo de la gasolina para un mejor encendido del combustible al arrancar el motor. La oxidación de hidrocarburos produce ácidos orgánicos, alcoholes y otros productos.
Aceite- Líquido aceitoso inflamable de color marrón oscuro o casi negro con olor característico. Es más ligero que el agua (= 0,73–0,97 g / cm 3), prácticamente insoluble en agua. Por composición, el petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos de varios pesos moleculares, por lo que no tiene un punto de ebullición específico.
El petróleo se compone principalmente de hidrocarburos líquidos (en ellos se disuelven hidrocarburos sólidos y gaseosos). Por lo general, estos son alcanos (principalmente de estructura normal), cicloalcanos y arenos, cuya proporción en aceites de varios campos varía ampliamente. El aceite de Ural contiene más arenos. Además de hidrocarburos, el petróleo contiene oxígeno, azufre y compuestos orgánicos nitrogenados.
Normalmente no se utiliza petróleo crudo. Para obtener productos técnicamente valiosos del petróleo, se somete a procesamiento.
Procesamiento primario el aceite consiste en su destilación. La destilación se lleva a cabo en las refinerías después de la separación de los gases asociados. Durante la destilación del petróleo se obtienen productos petrolíferos ligeros:
gasolina ( t kip \u003d 40–200 ° С) contiene hidrocarburos С 5 -С 11,
nafta ( t kip \u003d 150–250 ° С) contiene hidrocarburos С 8 -С 14,
queroseno ( t kip \u003d 180–300 ° С) contiene hidrocarburos С 12 -С 18,
gasóleo ( t kip > 275 °C),
y en el resto, un líquido negro viscoso, fueloil.
El aceite se somete a un procesamiento posterior. Se destila a presión reducida (para evitar su descomposición) y se aíslan los aceites lubricantes: husillo, motor, cilindro, etc. Del fuel oil se aíslan vaselina y parafina de algunos grados de aceite. El residuo de fuel oil después de la destilación - alquitrán - después de la oxidación parcial se utiliza para producir asfalto. La principal desventaja de la refinación de petróleo es el bajo rendimiento de la gasolina (no más del 20%).
Los productos de la destilación del petróleo tienen varios usos.
Gasolina utilizado en grandes cantidades como combustible de aviación y de automoción. Por lo general, consiste en hidrocarburos que contienen un promedio de 5 a 9 átomos de C en moléculas. Nafta Se utiliza como combustible para tractores, así como disolvente en la industria de pinturas y barnices. Grandes cantidades se transforman en gasolina. Queroseno Se utiliza como combustible para tractores, aviones a reacción y cohetes, así como para necesidades domésticas. aceite solar - gasoil- utilizado como combustible para motores, y aceites lubricantes- para mecanismos de lubricación. vaselina utilizado en medicina. Consiste en una mezcla de hidrocarburos líquidos y sólidos. Parafina utilizado para la obtención de ácidos carboxílicos superiores, para impregnar la madera en la elaboración de cerillas y lápices, para la fabricación de velas, betún para zapatos, etc. Consiste en una mezcla de hidrocarburos sólidos. gasolina además de ser procesado en aceites lubricantes y gasolina, se utiliza como combustible líquido para calderas.
A métodos de procesamiento secundario El petróleo es un cambio en la estructura de los hidrocarburos que forman su composición. Entre estos métodos, de gran importancia es el craqueo de hidrocarburos de petróleo, que se lleva a cabo para aumentar el rendimiento de la gasolina (hasta 65–70%).
Agrietamiento- el proceso de división de los hidrocarburos contenidos en el aceite, como resultado de lo cual se forman hidrocarburos con un menor número de átomos de C en la molécula. Hay dos tipos principales de craqueo: térmico y catalítico.
Craqueo térmico se lleva a cabo calentando la materia prima (aceite combustible, etc.) a una temperatura de 470–550 °C y una presión de 2–6 MPa. En este caso, las moléculas de hidrocarburos con una gran cantidad de átomos de C se dividen en moléculas con una menor cantidad de átomos de hidrocarburos saturados e insaturados. Por ejemplo:
(mecanismo radical),
De esta manera, se obtiene principalmente gasolina para automóviles. Su producción de petróleo alcanza el 70%. El craqueo térmico fue descubierto por el ingeniero ruso V.G. Shukhov en 1891.
craqueo catalítico se lleva a cabo en presencia de catalizadores (generalmente aluminosilicatos) a 450–500 °C y presión atmosférica. De esta forma se obtiene gasolina de aviación con un rendimiento de hasta el 80%. Este tipo de craqueo está sujeto principalmente a fracciones de petróleo de queroseno y gasóleo. En el craqueo catalítico, junto con las reacciones de escisión, se producen reacciones de isomerización. Como resultado de esto último, se forman hidrocarburos saturados con un esqueleto de moléculas de carbono ramificado, lo que mejora la calidad de la gasolina:
La gasolina craqueada catalíticamente es de mayor calidad. El proceso de obtención es mucho más rápido, con un menor consumo de energía térmica. Además, durante el craqueo catalítico se forman relativamente muchos hidrocarburos de cadena ramificada (isocompuestos), que son de gran valor para la síntesis orgánica.
A t= 700 °C y superior, se produce pirólisis.
pirólisis- descomposición de sustancias orgánicas sin acceso al aire a alta temperatura. Durante la pirólisis de aceite, los principales productos de reacción son hidrocarburos gaseosos insaturados (etileno, acetileno) e hidrocarburos aromáticos: benceno, tolueno, etc. Dado que la pirólisis de aceite es una de las formas más importantes de obtener hidrocarburos aromáticos, este proceso a menudo se denomina aromatización de aceite.
Aromatización– transformación de alcanos y cicloalcanos en arenos. Cuando se calientan fracciones pesadas de productos derivados del petróleo en presencia de un catalizador (Pt o Mo), los hidrocarburos que contienen de 6 a 8 átomos de C por molécula se convierten en hidrocarburos aromáticos. Estos procesos ocurren durante el reformado (mejora de la gasolina).
reformando- esta es la aromatización de gasolinas, realizada como resultado de calentarlas en presencia de un catalizador, por ejemplo, Pt. En estas condiciones, los alcanos y cicloalcanos se convierten en hidrocarburos aromáticos, como resultado de lo cual el número de octanos de la gasolina también aumenta significativamente. La aromatización se utiliza para obtener hidrocarburos aromáticos individuales (benceno, tolueno) a partir de fracciones de gasolina del aceite.
En los últimos años, los hidrocarburos de petróleo se han utilizado ampliamente como fuente de materias primas químicas. De ellos se obtienen de diversas formas las sustancias necesarias para la producción de plásticos, fibras textiles sintéticas, caucho sintético, alcoholes, ácidos, detergentes sintéticos, explosivos, pesticidas, grasas sintéticas, etc.
Carbón al igual que el gas natural y el petróleo, es una fuente de energía y una valiosa materia prima química.
El principal método de procesamiento del carbón es procesión de coca(destilación seca). Durante la coquización (calentamiento hasta 1000 °С - 1200 °С sin acceso de aire), se obtienen varios productos: coque, alquitrán de hulla, agua de alquitrán y gas de horno de coque (esquema).
Esquema
El coque se utiliza como agente reductor en la producción de hierro en plantas metalúrgicas.
El alquitrán de hulla sirve como fuente de hidrocarburos aromáticos. Se somete a una destilación de rectificación y se obtienen benceno, tolueno, xileno, naftaleno, así como fenoles, compuestos nitrogenados, etc.
A partir del agua de alquitrán se obtienen amoníaco, sulfato de amonio, fenol, etc.
El gas de horno de coque se utiliza para calentar los hornos de coque (la combustión de 1 m 3 libera alrededor de 18 000 kJ), pero se somete principalmente a procesamiento químico. Entonces, se extrae hidrógeno para la síntesis de amoníaco, que luego se usa para producir fertilizantes nitrogenados, así como metano, benceno, tolueno, sulfato de amonio y etileno.