Looduslikud süsivesinike allikad. Nafta rafineerimine. Looduslikud süsivesinike allikad Süsivesinike looduslikud allikad gaasiõlikoks

Kõige olulisemad süsivesinike allikad on looduslikud ja nendega seotud naftagaasid, nafta ja kivisüsi.

Reservide järgi maagaas esikoht maailmas kuulub meie riigile. Maagaas sisaldab madala molekulmassiga süsivesinikke. Sellel on järgmine ligikaudne koostis (mahu järgi): 80-98% metaani, 2-3% selle lähimatest homoloogidest - etaan, propaan, butaan ja väike kogus lisandeid - vesiniksulfiid H 2 S, lämmastik N 2, väärisgaasid , süsinikmonooksiid (IV ) CO 2 ja veeaur H 2 O . Gaasi koostis on iga välja jaoks spetsiifiline. On järgmine muster: mida suurem on süsivesiniku suhteline molekulmass, seda vähem on seda maagaasis.

Maagaas on laialdaselt kasutusel odava kõrge kütteväärtusega kütusena (1m 3 põlemisel eraldub kuni 54 400 kJ). See on üks parimaid kütuseliike kodumaiste ja tööstuslike vajaduste jaoks. Lisaks on maagaas väärtuslik tooraine keemiatööstusele: atsetüleeni, etüleeni, vesiniku, tahma, erinevate plastide, äädikhappe, värvainete, ravimite ja muude toodete tootmiseks.

Seotud naftagaasid on maardlates koos õliga: need on selles lahustunud ja asuvad õli kohal, moodustades gaasikorgi. Õli pinnale eraldamisel eralduvad sellest gaasid rõhu järsu languse tõttu. Varem seotud gaase ei kasutatud ja neid põletati naftatootmise ajal. Praegu püütakse neid kinni ja kasutatakse kütusena ja väärtusliku keemilise toorainena. Seotud gaasid sisaldavad vähem metaani kui maagaas, kuid rohkem etaani, propaani, butaani ja kõrgemaid süsivesinikke. Lisaks sisaldavad need põhimõtteliselt samu lisandeid, mis maagaasis: H 2 S, N 2, väärisgaasid, H 2 O aur, CO 2 . Seotud gaasidest ekstraheeritakse üksikud süsivesinikud (etaan, propaan, butaan jne), nende töötlemine võimaldab saada dehüdrogeenimise teel küllastumata süsivesinikke - propüleen, butüleen, butadieen, millest seejärel sünteesitakse kummid ja plastid. Kodumajapidamises kasutatava kütusena kasutatakse propaani ja butaani segu (vedelgaas). Looduslikku bensiini (pentaani ja heksaani segu) kasutatakse bensiini lisandina kütuse paremaks süttimiseks mootori käivitamisel. Süsivesinike oksüdeerimisel tekivad orgaanilised happed, alkoholid ja muud tooted.

Õli- tumepruuni või peaaegu musta värvi õline tuleohtlik iseloomuliku lõhnaga vedelik. See on veest kergem (= 0,73–0,97 g / cm 3), vees praktiliselt lahustumatu. Oma koostiselt on õli mitmesuguse molekulmassiga süsivesinike kompleksne segu, mistõttu sellel ei ole kindlat keemistemperatuuri.

Nafta koosneb peamiselt vedelatest süsivesinikest (neis on lahustunud tahked ja gaasilised süsivesinikud). Tavaliselt on need alkaanid (peamiselt normaalse struktuuriga), tsükloalkaanid ja areenid, mille suhe erinevatest põldudest pärit õlides on väga erinev. Uurali õli sisaldab rohkem areene. Lisaks süsivesinikele sisaldab õli hapnikku, väävlit ja lämmastikku sisaldavaid orgaanilisi ühendeid.

Toornafta tavaliselt ei kasutata. Tehniliselt väärtuslike toodete saamiseks naftast töödeldakse seda.

Esmane töötlemineõli koosneb selle destilleerimisest. Destilleerimine toimub rafineerimistehastes pärast seotud gaaside eraldamist. Õli destilleerimisel saadakse kergeid naftasaadusi:

bensiin ( t kip \u003d 40–200 ° С) sisaldab süsivesinikke С 5 -С 11,

tööstusbensiin ( t kip \u003d 150–250 ° С) sisaldab süsivesinikke С 8 -С 14,

petrooleum ( t kip \u003d 180–300 ° С) sisaldab süsivesinikke С 12 -С 18,

gaasiõli ( t kip > 275 °C),

ja ülejäänud - viskoosne must vedelik - kütteõli.

Õli töödeldakse edasi. Seda destilleeritakse alandatud rõhul (lagunemise vältimiseks) ja eraldatakse määrdeõlid: spindel, mootor, silinder jne. Mõne õliklassi kütteõlist eraldatakse vaseliin ja parafiin. Destilleerimisjärgset kütteõli jääki - tõrva - pärast osalist oksüdatsiooni kasutatakse asfaldi tootmiseks. Nafta rafineerimise peamiseks puuduseks on bensiini madal saagis (mitte rohkem kui 20%).

Nafta destilleerimistoodetel on mitmesuguseid kasutusalasid.

Bensiin kasutatakse suurtes kogustes lennuki- ja autokütusena. Tavaliselt koosneb see süsivesinikest, mis sisaldavad molekulides keskmiselt 5–9 süsinikuaatomit. Tööstusbensiin Seda kasutatakse traktorite kütusena, samuti lahustina värvi- ja lakitööstuses. Suured kogused töödeldakse bensiiniks. Petrooleum Seda kasutatakse kütusena traktorites, reaktiivlennukites ja rakettides, aga ka kodumajapidamistes. päikeseõli - gaasiõli- kasutatakse mootorikütusena ja määrdeõlid- määrdemehhanismide jaoks. Vaseliin kasutatakse meditsiinis. See koosneb vedelate ja tahkete süsivesinike segust. Parafiin kasutatakse kõrgemate karboksüülhapete saamiseks, puidu immutamiseks tikkude ja pliiatsite valmistamisel, küünalde, jalanõude valmistamisel jne. See koosneb tahkete süsivesinike segust. kütteõli lisaks töötlemisele määrdeõlideks ja bensiiniks kasutatakse seda katla vedelkütusena.

Kell sekundaarsed töötlemismeetodidõli on selle koostise moodustavate süsivesinike struktuuri muutus. Nende meetodite hulgas on suur tähtsus õlisüsivesinike krakkimisel, mida tehakse bensiini saagise suurendamiseks (kuni 65–70%).

Pragunemine- õlis sisalduvate süsivesinike lõhustamise protsess, mille tulemusena tekivad molekulis väiksema arvu C-aatomitega süsivesinikud. Krakkimist on kahte peamist tüüpi: termiline ja katalüütiline.

Termiline pragunemine viiakse läbi lähteaine (kütteõli jms) kuumutamisel temperatuuril 470–550 °C ja rõhul 2–6 MPa. Sel juhul jagatakse suure hulga C-aatomitega süsivesinike molekulid molekulideks, milles on nii küllastunud kui ka küllastumata süsivesinike aatomeid. Näiteks:

(radikaalne mehhanism),

Sel viisil saadakse peamiselt autobensiini. Selle naftatoodang ulatub 70% -ni. Termilise pragunemise avastas vene insener V.G. Šuhhov 1891. aastal.

katalüütiline krakkimine viiakse läbi katalüsaatorite (tavaliselt alumiiniumsilikaatide) juuresolekul temperatuuril 450–500 °C ja atmosfäärirõhul. Nii saadakse kuni 80% saagisega lennukibensiini. Seda tüüpi krakkimist mõjutavad peamiselt nafta petrooleumi ja gaasiõli fraktsioonid. Katalüütilise krakkimise korral toimuvad koos lõhustamisreaktsioonidega isomerisatsioonireaktsioonid. Viimase tulemusena moodustuvad molekulide hargnenud süsiniku karkassiga küllastunud süsivesinikud, mis parandavad bensiini kvaliteeti:

Katalüütiliselt krakitud bensiin on kvaliteetsem. Selle hankimise protsess kulgeb palju kiiremini ja vähem soojusenergiat kulutades. Lisaks tekib katalüütilise krakkimise käigus suhteliselt palju hargnenud ahelaga süsivesinikke (isoühendeid), millel on orgaanilise sünteesi jaoks suur väärtus.

Kell t= 700 °C ja üle selle, toimub pürolüüs.

Pürolüüs- orgaaniliste ainete lagunemine ilma õhu juurdepääsuta kõrgel temperatuuril. Õlipürolüüsi käigus on peamisteks reaktsioonisaaduseks küllastumata gaasilised süsivesinikud (etüleen, atsetüleen) ja aromaatsed süsivesinikud - benseen, tolueen jne Kuna õlipürolüüs on üks olulisemaid viise aromaatsete süsivesinike saamiseks, nimetatakse seda protsessi sageli õli aromatiseerimiseks.

Aromatiseerimine– alkaanide ja tsükloalkaanide muundumine areeenideks. Naftasaaduste raskete fraktsioonide kuumutamisel katalüsaatori (Pt või Mo) juuresolekul muundatakse süsivesinikud, mis sisaldavad 6–8 C-aatomit molekuli kohta, aromaatseteks süsivesinikeks. Need protsessid toimuvad reformimisel (bensiini täiustamisel).

Reformimine- see on bensiinide aromatiseerimine, mis viiakse läbi nende kuumutamisel katalüsaatori, näiteks Pt, juuresolekul. Nendes tingimustes muunduvad alkaanid ja tsükloalkaanid aromaatseteks süsivesinikeks, mille tulemusena suureneb oluliselt ka bensiini oktaanarv. Aromatiseerimist kasutatakse üksikute aromaatsete süsivesinike (benseen, tolueen) saamiseks õli bensiinifraktsioonidest.

Viimastel aastatel on naftasüsivesinikke laialdaselt kasutatud keemiliste toorainete allikana. Nendest saadakse mitmel viisil plastide, sünteetiliste tekstiilkiudude, sünteetilist kummi, alkoholide, hapete, sünteetiliste pesuainete, lõhkeainete, pestitsiidide, sünteetiliste rasvade jms tootmiseks vajalikke aineid.

Kivisüsi nagu maagaas ja nafta, on see energiaallikas ja väärtuslik keemiatooraine.

Peamine kivisöe töötlemise meetod on koksistamine(kuivdestilleerimine). Kokseerimisel (kuumutamine kuni 1000 °С - 1200 °С ilma õhu juurdepääsuta) saadakse erinevaid tooteid: koks, kivisöetõrv, tõrvavesi ja koksiahjugaas (skeem).

Skeem

Koksi kasutatakse metallurgiatehastes raua tootmisel redutseerijana.

Kivisöetõrv on aromaatsete süsivesinike allikas. See allutatakse rektifikatsiooni destilleerimisele ja saadakse benseen, tolueen, ksüleen, naftaleen, aga ka fenoole, lämmastikku sisaldavaid ühendeid jne.

Tõrvaveest saadakse ammoniaaki, ammooniumsulfaati, fenooli jne.

Koksiahjude kütmiseks kasutatakse koksiahju gaasi (1 m 3 põlemisel vabaneb umbes 18 000 kJ), kuid peamiselt töödeldakse seda keemiliselt. Niisiis ekstraheeritakse sellest vesinikku ammoniaagi sünteesiks, mida kasutatakse seejärel lämmastikväetiste, aga ka metaani, benseeni, tolueeni, ammooniumsulfaadi ja etüleeni tootmiseks.

Nafta rafineerimine

Õli on mitmekomponentne segu erinevatest ainetest, peamiselt süsivesinikest. Need komponendid erinevad üksteisest keemistemperatuuride poolest. Sellega seoses, kui õli kuumutada, aurustuvad sellest kõigepealt kõige kergemini keevad komponendid, seejärel kõrgema keemistemperatuuriga ühendid jne. Selle nähtuse põhjal esmane nafta rafineerimine , mis koosneb destilleerimine (parandus) õli. Seda protsessi nimetatakse primaarseks, kuna eeldatakse, et selle käigus ainete keemilisi muundumisi ei toimu ja õli eraldub ainult erineva keemistemperatuuriga fraktsioonideks. Allpool on destilleerimiskolonni skemaatiline diagramm koos destilleerimisprotsessi enda lühikirjeldusega:

Enne rektifitseerimisprotsessi valmistatakse õli spetsiaalsel viisil, nimelt eemaldatakse see lisandiga veest koos selles lahustunud sooladega ja tahketest mehaanilistest lisanditest. Sel viisil valmistatud õli siseneb torukujulisse ahju, kus see kuumutatakse kõrge temperatuurini (320-350 o C). Pärast toruahjus kuumutamist siseneb kõrge temperatuuriga õli destilleerimiskolonni alumisse ossa, kus üksikud fraktsioonid aurustuvad ja nende aurud tõusevad destilleerimiskolonnist üles. Mida kõrgem on destilleerimiskolonni osa, seda madalam on selle temperatuur. Seega võetakse erinevatel kõrgustel järgmised murrud:

1) destilleerimisgaasid (võetud kolonni ülaosast ja seetõttu ei ületa nende keemistemperatuur 40 ° C);

2) bensiini fraktsioon (keemistemperatuur 35 kuni 200 o C);

3) tööstusbensiini fraktsioon (keemistemperatuurid 150 kuni 250 o C);

4) petrooleumi fraktsioon (keemistemperatuurid 190–300 o C);

5) diislikütuse fraktsioon (keemistemperatuur 200 kuni 300 o C);

6) kütteõli (keemistemperatuur üle 350 o C).

Tuleb märkida, et õli puhastamisel eraldatud keskmised fraktsioonid ei vasta kütusekvaliteedi standarditele. Lisaks tekib õli destilleerimise tulemusena arvestatav kogus kütteõli – kaugeltki mitte kõige nõutum toode. Sellega seoses on pärast õli esmast töötlemist ülesanne suurendada kallimate, eriti bensiinifraktsioonide saagist, samuti parandada nende fraktsioonide kvaliteeti. Neid ülesandeid lahendatakse erinevate protsesside abil. nafta rafineerimine , nagu näiteks pragunemine jareformimine .

Tuleb märkida, et nafta sekundaarsel töötlemisel kasutatavate protsesside arv on palju suurem ja me puudutame vaid mõnda peamist. Nüüd mõistame, mis on nende protsesside tähendus.

Pragunemine (termiline või katalüütiline)

See protsess on mõeldud bensiini fraktsiooni saagise suurendamiseks. Sel eesmärgil kuumutatakse raskeid fraktsioone, nagu kütteõli, tugevalt, enamasti katalüsaatori juuresolekul. Selle toime tulemusena rebenevad raskete fraktsioonide hulka kuuluvad pika ahelaga molekulid ja moodustuvad väiksema molekulmassiga süsivesinikud. Tegelikult annab see algsest kütteõlist väärtuslikuma bensiinifraktsiooni täiendava saagise. Selle protsessi keemilist olemust peegeldab võrrand:

Reformimine

See protsess täidab ülesannet parandada bensiini fraktsiooni kvaliteeti, eriti suurendada selle löögikindlust (oktaaniarv). Just seda bensiinide omadust näidatakse tanklates (92., 95., 98. bensiin jne).

Reformimisprotsessi tulemusena suureneb aromaatsete süsivesinike osakaal bensiini fraktsioonis, mis teiste süsivesinike seas on ühe kõrgema oktaanarvuga. Selline aromaatsete süsivesinike osakaalu suurenemine saavutatakse peamiselt reformimisprotsessi käigus toimuvate dehüdrotsükliseerimisreaktsioonide tulemusena. Näiteks kui seda piisavalt kuumutada n-heksaan plaatina katalüsaatori juuresolekul muutub benseeniks ja n-heptaan sarnasel viisil - tolueeniks:

Söe töötlemine

Peamine kivisöe töötlemise meetod on koksistamine . Söe koksimine nimetatakse protsessiks, mille käigus sütt kuumutatakse ilma õhu juurdepääsuta. Samal ajal eraldatakse sellise kuumutamise tulemusena kivisöest neli peamist toodet:

1) koks

Tahke aine, mis on peaaegu puhas süsinik.

2) kivisöetõrv

Sisaldab suurel hulgal erinevaid valdavalt aromaatseid ühendeid, nagu benseen, selle homoloogid, fenoolid, aromaatsed alkoholid, naftaleen, naftaleeni homoloogid jne;

3) Ammoniaagi vesi

Vaatamata oma nimele sisaldab see fraktsioon lisaks ammoniaagile ja veele ka fenooli, vesiniksulfiidi ja mõningaid muid ühendeid.

4) koksiahjugaas

Koksiahju gaasi põhikomponendid on vesinik, metaan, süsihappegaas, lämmastik, etüleen jne.

– koosneb (peamiselt) metaanist ja (väiksemates kogustes) selle lähimatest homoloogidest - etaanist, propaanist, butaanist, pentaanist, heksaanist jne; täheldatud seotud naftagaasis, st maagaasis, mis on looduses naftast kõrgemal või mis on selles rõhu all lahustunud.

Õli

- see on õline põlev vedelik, mis koosneb alkaanidest, tsükloalkaanidest, areenidest (ülekaalus), samuti hapnikku, lämmastikku ja väävlit sisaldavatest ühenditest.

Kivisüsi

- orgaanilise päritoluga tahkekütuse mineraal. See sisaldab vähe grafiiti a ja palju keerulisi tsüklilisi ühendeid, sealhulgas elemente C, H, O, N ja S. On antratsiiti (peaaegu veevaba), kivisütt (-4% niiskust) ja pruunsütt (50-60% niiskust). Koksimisel muundatakse kivisüsi süsivesinikeks (gaasilised, vedelad ja tahked) ja koksiks (pigem puhas grafiit).

Söe koksimine

Söe kuumutamine ilma õhu juurdepääsuta temperatuurini 900–1050 ° C viib selle termilise lagunemiseni lenduvate saaduste (kivisöetõrv, ammoniaagivesi ja koksiahjugaas) ja tahke jäägi - koksi - moodustumisega.

Peamised tooted: koks - 96-98% süsinikku; koksiahju gaas - 60% vesinik, 25% metaan, 7% süsinikmonooksiid (II) jne.

Kõrvalsaadused: kivisöetõrv (benseen, tolueen), ammoniaak (koksiahju gaasist) jne.

Õli rafineerimine rektifikatsioonimeetodil

Eelpuhastatud õli destilleeritakse atmosfäärirõhul (või vaakum) pideva destilleerimise kolonnides teatud keemistemperatuurivahemikega fraktsioonideks.

Peamised tooted: kerge ja raske bensiin, petrooleum, gaasiõli, määrdeõlid, kütteõli, tõrv.

Õli rafineerimine katalüütilise krakkimise teel

Tooraine: kõrge keemistemperatuuriga õlifraktsioonid (petrooleum, gaasiõli jne)

Abimaterjalid: katalüsaatorid (modifitseeritud alumiiniumsilikaadid).

Peamine keemiline protsess: temperatuuril 500-600 ° C ja rõhul 5 10 5 Pa süsivesinike molekulid jagunevad väiksemateks molekulideks, katalüütilise krakkimisega kaasnevad aromatiseerimine, isomerisatsioon, alküülimisreaktsioonid.

Tooted: madala keemistemperatuuriga süsivesinike segu (kütus, naftakeemia tooraine).

C 16. H 34 → C 8 H 18 + C 8 H 16
C8H18 → C4H10 + C4H8
C4H10 → C2H6 + C2H4

Tunni jooksul saab uurida teemat „Süsivesinike looduslikud allikad. Nafta rafineerimine". Rohkem kui 90% kogu inimkonna poolt praegu tarbitavast energiast saadakse fossiilsetest looduslikest orgaanilistest ühenditest. Saate teada loodusvaradest (maagaas, nafta, kivisüsi), mis juhtub naftaga pärast selle kaevandamist.

Teema: Süsivesinike piiramine

Õppetund: süsivesinike looduslikud allikad

Umbes 90% kaasaegse tsivilisatsiooni tarbitavast energiast toodetakse looduslike fossiilkütuste – maagaasi, nafta ja kivisöe – põletamisel.

Venemaa on looduslike fossiilkütuste poolest rikas riik. Lääne-Siberis ja Uuralites on suured nafta- ja maagaasivarud. Kivisüsi kaevandatakse Kuznetski, Lõuna-Jakutski vesikondades ja teistes piirkondades.

Maagaas koosneb keskmiselt 95 mahuprotsenti metaanist.

Erinevatest väljadest pärit maagaas sisaldab lisaks metaanile lämmastikku, süsihappegaasi, heeliumi, vesiniksulfiidi ja teisi kergeid alkaane – etaani, propaani ja butaane.

Maagaasi ammutatakse maa-alustest maardlatest, kus see on kõrge rõhu all. Metaan ja muud süsivesinikud tekivad taimse ja loomse päritoluga orgaanilistest ainetest nende lagunemisel ilma õhu juurdepääsuta. Metaani tekib pidevalt ja praegu mikroorganismide tegevuse tulemusena.

Metaani leidub Päikesesüsteemi planeetidel ja nende satelliitidel.

Puhas metaan on lõhnatu. Igapäevaelus kasutataval gaasil on aga iseloomulik ebameeldiv lõhn. See on spetsiaalsete lisandite - merkaptaanide lõhn. Merkaptaanide lõhn võimaldab õigeaegselt tuvastada olmegaasi lekke. Metaani ja õhu segud on plahvatusohtlikud laias vahemikus - 5 kuni 15% gaasi mahust. Seega, kui tunnete ruumis gaasilõhna, võite mitte ainult tule süüdata, vaid kasutada ka elektrilüliteid. Väikseim säde võib põhjustada plahvatuse.

Riis. 1. Nafta erinevatest põldudest

Õli- paks vedelik nagu õli. Selle värvus on helekollasest pruuni ja mustani.

Riis. 2. Naftaväljad

Erinevatest põldudest pärit õli on koostiselt väga erinev. Riis. 1. Põhiosa naftast moodustavad süsivesinikud, mis sisaldavad 5 või enamat süsinikuaatomit. Põhimõtteliselt on need süsivesinikud küllastunud, st. alkaanid. Riis. 2.

Õli koostises on ka väävlit, hapnikku, lämmastikku sisaldavad orgaanilised ühendid Õli sisaldab vett ja anorgaanilisi lisandeid.

Gaasid lahustuvad õlis, mis eralduvad selle ekstraheerimisel - seotud naftagaasid. Need on metaan, etaan, propaan, lämmastiku, süsinikdioksiidi ja vesiniksulfiidi lisanditega butaanid.

Kivisüsi, nagu õli, on keeruline segu. Süsiniku osakaal selles moodustab 80-90%. Ülejäänud on vesinik, hapnik, väävel, lämmastik ja mõned muud elemendid. Pruunisöes süsiniku ja orgaanilise aine osakaal on väiksem kui kivis. Veel vähem orgaanilist põlevkivi.

Tööstuses kuumutatakse kivisütt ilma õhuta temperatuurini 900-1100 0 C. Seda protsessi nimetatakse koksistamine. Tulemuseks on metallurgia jaoks vajalik kõrge süsinikusisaldusega koks, koksigaas ja kivisöetõrv. Gaasist ja tõrvast eraldub palju orgaanilisi aineid. Riis. 3.

Riis. 3. Koksiahju seade

Maagaas ja nafta on keemiatööstuse kõige olulisemad tooraineallikad. Nafta sellisel kujul, nagu seda toodetakse, või "toornaftat" on raske kasutada isegi kütusena. Seetõttu jagatakse toornafta fraktsioonideks (inglise keelest "fraction" - "osa"), kasutades selle koostisainete keemistemperatuuride erinevusi.

Õli eraldamise meetodit, mis põhineb selle koostises olevate süsivesinike erinevatel keemistemperatuuridel, nimetatakse destilleerimiseks või destilleerimiseks. Riis. 4.

Riis. 4. Nafta rafineerimise tooted

Fraktsiooni, mis destilleeritakse umbes 50–180 0 C, nimetatakse bensiin.

Petrooleum keeb temperatuuril 180-300 0 С.

Paksu musta jääki, mis ei sisalda lenduvaid aineid, nimetatakse kütteõli.

Samuti on mitmeid vahefraktsioone, mis keevad kitsamates vahemikes - petrooleetrid (40-70 0 C ja 70-100 0 C), lakibensiin (149-204 ° C) ja ka gaasiõli (200-500 0 C) . Neid kasutatakse lahustitena. Kütteõli saab destilleerida alandatud rõhul, nii saadakse sellest määrdeõlid ja parafiin. Kütteõli destilleerimisel tekkiv tahke jääk - asfalt. Seda kasutatakse teekatete tootmiseks.

Seotud naftagaaside töötlemine on omaette tööstusharu ja võimaldab saada mitmeid väärtuslikke tooteid.

Õppetunni kokkuvõte

Tunnis õppisite teemat „Süsivesinike looduslikud allikad. Nafta rafineerimine". Rohkem kui 90% kogu inimkonna poolt praegu tarbitavast energiast saadakse fossiilsetest looduslikest orgaanilistest ühenditest. Õppisite loodusvarade (maagaas, nafta, kivisüsi) kohta, mis juhtub naftaga pärast selle kaevandamist.

Bibliograafia

1. Rudzitis G.E. Keemia. Üldkeemia alused. 10. klass: õpik õppeasutustele: algtase / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. trükk. - M.: Haridus, 2012.

2. Keemia. 10. klass. Profiili tase: õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin ja teised - M.: Drofa, 2008. - 463 lk.

3. Keemia. 11. klass. Profiili tase: õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin ja teised - M.: Drofa, 2010. - 462 lk.

4. Khomchenko G.P., Khomchenko I.G. Keemiaülesannete kogu ülikoolidesse astujatele. - 4. väljaanne - M.: RIA "Uus laine": Kirjastus Umerenkov, 2012. - 278 lk.

Kodutöö

1. Nr 3, 6 (lk 74) Rudzitis G.E., Feldman F.G. Keemia: orgaaniline keemia. 10. klass: õpik õppeasutustele: algtase / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - 14. trükk. - M.: Haridus, 2012.

2. Mis vahe on seotud naftagaasil ja maagaasil?

3. Kuidas toimub nafta rafineerimine?

Ühendid, mis sisaldavad ainult süsiniku ja vesiniku aatomeid.

Süsivesinikud jagunevad tsüklilisteks (karbotsüklilised ühendid) ja atsüklilisteks.

Tsüklilisteks (karbotsüklilisteks) ühenditeks nimetatakse ühendeid, mis sisaldavad ühte või mitut tsüklit, mis koosnevad ainult süsinikuaatomitest (erinevalt heterotsüklilistest ühenditest, mis sisaldavad heteroaatomeid – lämmastik, väävel, hapnik jne). Karbotsüklilised ühendid jagunevad omakorda aromaatseteks ja mittearomaatseteks (alitsüklilisteks) ühenditeks.

Atsüklilised süsivesinikud hõlmavad orgaanilisi ühendeid, mille molekulide süsiniku karkass on avatud ahelaga.

Neid ahelaid võivad moodustada üksiksidemed (al-kaanid), need võivad sisaldada ühte kaksiksidet (alkeene), kahte või enamat kaksiksidet (dieenid või polüeenid), ühte kolmiksidet (alküünid).

Nagu teate, on süsinikuahelad osa enamikust orgaanilistest ainetest. Seega on süsivesinike uurimine eriti oluline, kuna need ühendid on teiste orgaaniliste ühendite klasside struktuurne alus.

Lisaks on süsivesinikud, eriti alkaanid, peamised looduslikud orgaaniliste ühendite allikad ning olulisemate tööstuslike ja laboratoorsete sünteeside aluseks (skeem 1).

Te juba teate, et süsivesinikud on keemiatööstuse kõige olulisem lähteaine. Süsivesinikud on omakorda looduses üsna laialt levinud ja neid saab eraldada erinevatest looduslikest allikatest: nafta, sellega seotud nafta ja maagaas, kivisüsi. Vaatleme neid üksikasjalikumalt.

Õli- süsivesinike, peamiselt hargnemata ja hargnenud ahelaga alkaanide looduslik komplekssegu, mis sisaldab molekulides 5–50 süsinikuaatomit, ja muude orgaaniliste ainetega. Selle koostis sõltub oluliselt selle tootmiskohast (ladustamiskohast), see võib lisaks alkaanidele sisaldada tsükloalkaane ja aromaatseid süsivesinikke.

Nafta gaasilised ja tahked komponendid lahustuvad selle vedelates komponentides, mis määrab selle agregatsiooni oleku. Õli on tumedat värvi (pruunist mustani) iseloomuliku lõhnaga õline vedelik, mis ei lahustu vees. Selle tihedus on väiksem kui vee tihedus, seetõttu levib õli sellesse sattudes pinnale, takistades hapniku ja muude õhugaaside lahustumist vees. Ilmselgelt põhjustab nafta sattumine looduslikesse veekogudesse mikroorganismide ja loomade surma, põhjustades keskkonnakatastroofe ja isegi katastroofe. On baktereid, mis võivad kasutada õli komponente toiduna, muutes selle oma elutähtsa tegevuse kahjututeks toodeteks. On selge, et nende bakterite kultuuride kasutamine on keskkonnale kõige ohutum ja paljutõotavam viis naftareostuse vastu võitlemiseks selle kaevandamise, transpordi ja töötlemise protsessis.

Looduses täidavad nafta ja sellega seotud naftagaas, millest tuleb juttu allpool, maa sisemuse õõnsusi. Erinevate ainete seguna ei ole õlil pidevat keemistemperatuuri. On selge, et iga selle komponent säilitab segus oma individuaalsed füüsikalised omadused, mis võimaldab eraldada õli selle komponentideks. Selleks puhastatakse see mehaanilistest lisanditest, väävlit sisaldavatest ühenditest ja allutatakse nn fraktsioneerivale destilleerimisele ehk rektifikatsioonile.

Fraktsionaalne destilleerimine on füüsikaline meetod erineva keemistemperatuuriga komponentide segu eraldamiseks.

Destilleerimine toimub spetsiaalsetes seadmetes - destilleerimiskolonnides, milles korratakse õlis sisalduvate vedelate ainete kondenseerumis- ja aurustumistsükleid (joonis 9).

Ainete segu keetmisel tekkivad aurud rikastatakse kergemalt keeva (st madalama temperatuuriga) komponendiga. Need aurud kogutakse kokku, kondenseeritakse (jahutatakse keemistemperatuurist madalamale temperatuurile) ja lastakse uuesti keema. Sel juhul moodustuvad aurud, mis on veelgi rikastatud madala keemistemperatuuriga ainega. Nende tsüklite korduval kordamisel on võimalik saavutada segus sisalduvate ainete peaaegu täielik eraldumine.

Destillatsioonikolonni saab toruahjus temperatuurini 320-350 °C kuumutatud õli. Destilleerimiskolonnis on horisontaalsed aukudega vaheseinad - nn plaadid, millele õlifraktsioonid kondenseeruvad. Kergelt keevad fraktsioonid kogunevad kõrgematele, kõrge keemistemperatuuridega fraktsioonid madalamatele.

Rektifitseerimise käigus jagatakse õli järgmisteks fraktsioonideks:

Rektifikatsioonigaasid - madala molekulmassiga süsivesinike, peamiselt propaani ja butaani segu, mille keemistemperatuur on kuni 40 ° C;

Bensiinifraktsioon (bensiin) - süsivesinikud koostisega C5H12 kuni C11H24 (keemistemperatuur 40-200 °C); selle fraktsiooni peenemal eraldamisel saadakse bensiin (petrooleeter, 40–70 ° C) ja bensiin (70–120 ° C);

Tööstusbensiini fraktsioon - süsivesinikud koostisega C8H18 kuni C14H30 (keemistemperatuur 150-250 °C);

Petrooleumi fraktsioon - süsivesinikud koostisega C12H26 kuni C18H38 (keemistemperatuur 180-300 °C);

Diislikütus - süsivesinikud koostisega C13H28 kuni C19H36 (keemistemperatuur 200-350 °C).

Õli destilleerimise jääk - kütteõli- sisaldab süsivesinikke süsinikuaatomite arvuga 18 kuni 50. Kütteõlist alandatud rõhul destilleerimisel saadakse päikeseõli (C18H28-C25H52), määrdeõlid (C28H58-C38H78), vaseliini ja parafiini – tahkete süsivesinike sulavad segud. Kütteõli destilleerimise tahket jääki - tõrva ja selle töötlemisprodukte - bituumenit ja asfalti kasutatakse teekatete valmistamiseks.

Õli rektifitseerimise tulemusena saadud tooted allutatakse keemilisele töötlemisele, mis hõlmab mitmeid keerulisi protsesse. Üks neist on naftasaaduste krakkimine. Te juba teate, et kütteõli jagatakse alandatud rõhu all komponentideks. See on tingitud asjaolust, et atmosfäärirõhul hakkavad selle komponendid lagunema enne keemistemperatuuri saavutamist. See on lõhenemise aluseks.

Pragunemine - naftasaaduste termiline lagunemine, mille tulemusena moodustuvad molekulis väiksema süsinikuaatomite arvuga süsivesinikud.

Krakkimist on mitut tüüpi: termiline krakkimine, katalüütiline krakkimine, kõrgsurvekrakkimine, redutseerimiskrakkimine.

Termiline krakkimine seisneb pika süsinikuahelaga süsivesinike molekulide lõhustamises lühemateks kõrge temperatuuri (470-550 °C) mõjul. Selle lõhenemise käigus moodustuvad koos alkaanidega alkeenid.

Üldiselt võib selle reaktsiooni kirjutada järgmiselt:

C n H 2n+2 -> C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k
alkaan alkaan alkeen
pikk kett

Saadud süsivesinikud võivad uuesti läbi krakkida, moodustades alkaane ja alkeene, mille molekulis on veelgi lühem süsinikuaatomite ahel:

Tavapärase termilise krakkimise käigus tekib palju madala molekulmassiga gaasilisi süsivesinikke, mida saab kasutada toorainena alkoholide, karboksüülhapete ja suure molekulmassiga ühendite (näiteks polüetüleeni) tootmiseks.

katalüütiline krakkimine esineb katalüsaatorite juuresolekul, mida kasutatakse kompositsiooni looduslike alumosilikaatidena

Katalüsaatorite abil krakkimise rakendamine viib süsivesinike moodustumiseni, mille molekulis on hargnenud või suletud süsinikuaatomite ahel. Sellise struktuuriga süsivesinike sisaldus mootorikütuses parandab oluliselt selle kvaliteeti, eelkõige löögikindlust – bensiini oktaanarvu.

Naftasaaduste krakkimine toimub kõrgel temperatuuril, mistõttu tekivad sageli süsiniku ladestused (tahm), mis saastavad katalüsaatori pinda, mis vähendab järsult selle aktiivsust.

Katalüsaatori pinna puhastamine süsiniku ladestustest - selle regenereerimine - on katalüütilise krakkimise praktilise rakendamise peamine tingimus. Lihtsaim ja odavaim viis katalüsaatori regenereerimiseks on selle röstimine, mille käigus süsiniku ladestused oksüdeeritakse õhuhapniku toimel. Katalüsaatori pinnalt eemaldatakse gaasilised oksüdatsiooniproduktid (peamiselt süsinikdioksiid ja vääveldioksiid).

Katalüütiline krakkimine on heterogeenne protsess, mis hõlmab tahkeid (katalüsaator) ja gaasilisi (süsivesinike aurud) aineid. On ilmne, et katalüsaatori regenereerimine – tahkete lademete vastasmõju atmosfäärihapnikuga – on samuti heterogeenne protsess.

heterogeensed reaktsioonid(gaas - tahke aine) voolab kiiremini, kui tahke aine pindala suureneb. Seetõttu katalüsaator purustatakse ning selle regenereerimine ja süsivesinike krakkimine viiakse läbi "keevkihis", mis on teile tuttav väävelhappe tootmisest.

Krakkimise lähteaine, näiteks gaasiõli, siseneb koonilisse reaktorisse. Reaktori alumine osa on väiksema läbimõõduga, mistõttu toiteauru voolukiirus on väga suur. Suurel kiirusel liikuv gaas püüab katalüsaatoriosakesed kinni ja kannab need reaktori ülemisse ossa, kus selle läbimõõdu suurenemise tõttu voolukiirus väheneb. Gravitatsiooni mõjul langevad katalüsaatoriosakesed reaktori alumisse kitsamasse ossa, kust need jälle ülespoole kantakse. Seega on iga katalüsaatori tera pidevas liikumises ja seda pestakse igast küljest gaasilise reaktiiviga.

Mõned katalüsaatoriterad sisenevad reaktori välimisse, laiemasse ossa ja laskuvad gaasivoolu takistust tundmata alumisse ossa, kus gaasivool need üles korjab ja regeneraatorisse kannab. Ka seal "keevkihi" režiimis katalüsaator põletatakse ja tagastatakse reaktorisse.

Seega ringleb katalüsaator reaktori ja regeneraatori vahel ning nendest eemaldatakse krakkimise ja röstimise gaasilised saadused.

Krakkimise katalüsaatorite kasutamine võimaldab veidi tõsta reaktsiooni kiirust, alandada selle temperatuuri ja parandada krakitud toodete kvaliteeti.

Saadud bensiinifraktsiooni süsivesinikud on peamiselt lineaarse struktuuriga, mis toob kaasa saadud bensiini madala löögikindluse.

"Koputamiskindluse" kontseptsiooni käsitleme hiljem, praegu märgime ainult seda, et hargnenud molekulidega süsivesinikel on palju suurem detonatsioonikindlus. Krakkimisel tekkinud segus on võimalik suurendada isomeersete hargnenud ahelaga süsivesinike osakaalu, lisades süsteemi isomerisatsioonikatalüsaatoreid.

Naftaväljad sisaldavad reeglina suuri kuhjumeid nn assotsieerunud naftagaasist, mis koguneb maapõue nafta kohale ja lahustub selles osaliselt katvate kivimite survel. Sarnaselt naftaga on ka sellega seotud naftagaas väärtuslik looduslik süsivesinike allikas. See sisaldab peamiselt alkaane, mille molekulides on 1 kuni 6 süsinikuaatomit. Ilmselgelt on sellega seotud naftagaasi koostis palju vaesem kui nafta. Kuid vaatamata sellele kasutatakse seda laialdaselt nii kütusena kui ka keemiatööstuse toorainena. Veel mõnikümmend aastat tagasi põletati enamikul naftaväljadel sellega seotud naftagaasi kasutu lisandina naftale. Praegu toodetakse näiteks Venemaa rikkaimas naftasahvris Surgutis maailma odavaimat elektrit, kasutades kütusena sellega seotud naftagaasi.

Nagu juba märgitud, on seotud naftagaas mitmesuguste süsivesinike poolest rikkam kui maagaas. Jagades need murdosadeks, saavad nad:

Looduslik bensiin – väga lenduv segu, mis koosneb peamiselt lentaanist ja heksaanist;

Propaani-butaani segu, mis koosneb, nagu nimigi ütleb, propaanist ja butaanist ning muutub rõhu tõustes kergesti vedelaks;

Kuiv gaas - segu, mis sisaldab peamiselt metaani ja etaani.

Looduslik bensiin, mis on väikese molekulmassiga lenduvate komponentide segu, aurustub hästi isegi madalatel temperatuuridel. See võimaldab Kaug-Põhjas kasutada gaasbensiini sisepõlemismootorite kütusena ja mootorikütuse lisandina, mis muudab mootorite käivitamise talvistes oludes lihtsamaks.

Propaani-butaani segu vedelgaasina kasutatakse kodukütusena (maal teile tuttavad gaasiballoonid) ja tulemasinate täitmiseks. Maanteetranspordi järkjärguline üleminek vedelgaasile on üks peamisi viise ülemaailmsest kütusekriisist ülesaamiseks ja keskkonnaprobleemide lahendamiseks.

Kütusena kasutatakse laialdaselt ka kuiva gaasi, mis on koostiselt lähedane maagaasile.

Seotud naftagaasi ja selle komponentide kasutamine kütusena ei ole aga kaugeltki kõige lootustandvam viis selle kasutamiseks.

Palju tõhusam on kasutada seotud naftagaasi komponente kemikaalide tootmise lähteainena. Vesinik, atsetüleen, küllastumata ja aromaatsed süsivesinikud ja nende derivaadid saadakse alkaanidest, mis on osa seotud naftagaasist.

Gaasilised süsivesinikud ei saa mitte ainult maapõues naftaga kaasas käia, vaid moodustada ka iseseisvaid kogumeid – maagaasimaardlaid.

Maagaas - väikese molekulmassiga gaasiliste küllastunud süsivesinike segu. Maagaasi põhikomponendiks on metaan, mille osakaal on olenevalt valdkonnast 75-99 mahuprotsenti. Maagaas sisaldab lisaks metaanile etaani, propaani, butaani ja isobutaani, samuti lämmastikku ja süsihappegaasi.

Sarnaselt sellega seotud naftagaasile kasutatakse maagaasi nii kütusena kui ka toorainena erinevate orgaaniliste ja anorgaaniliste ainete tootmiseks. Teate juba, et maagaasi põhikomponendist metaanist saadakse vesinikku, atsetüleeni ja metüülalkoholi, formaldehüüdi ja sipelghapet ning paljusid teisi orgaanilisi aineid. Kütusena kasutatakse maagaasi elektrijaamades, elamute ja tööstushoonete vee soojendamise katlasüsteemides, kõrgahju- ja ahjutootmises. Löödes linnamaja köögi gaasipliidis tikku ja süüdates gaasi, "käivitatakse" maagaasi osaks olevate alkaanide oksüdatsiooni ahelreaktsioon. Lisaks naftale, looduslikele ja nendega seotud naftagaasidele on süsi looduslik süsivesinike allikas. 0n moodustab maa sisikonnas võimsaid kihte, selle uuritud varud ületavad oluliselt naftavarusid. Sarnaselt naftale sisaldab kivisüsi suures koguses erinevaid orgaanilisi aineid. Lisaks orgaanilisele sisaldab see ka anorgaanilisi aineid, nagu vesi, ammoniaak, vesiniksulfiid ja loomulikult süsinik ise - kivisüsi. Üks peamisi kivisöe töötlemise viise on koksimine – kaltsineerimine ilma õhu juurdepääsuta. Temperatuuril umbes 1000 ° C läbiviidava koksimise tulemusena moodustuvad:

koksiahjugaas, mis sisaldab vesinikku, metaani, süsinikmonooksiidi ja süsinikdioksiidi, ammoniaagi lisandeid, lämmastikku ja muid gaase;
kivisöetõrv, mis sisaldab mitusada erinevat orgaanilist ainet, sealhulgas benseeni ja selle homolooge, fenooli ja aromaatseid alkohole, naftaleeni ja erinevaid heterotsüklilisi ühendeid;
supra-tõrv ehk ammoniaagivesi, mis sisaldab, nagu nimigi viitab, lahustunud ammoniaaki, samuti fenooli, vesiniksulfiidi ja muid aineid;
koks - koksimise tahke jääk, peaaegu puhas süsinik.

kasutatud koksi raua ja terase tootmisel, ammoniaagi tootmisel - lämmastiku ja kombineeritud väetiste tootmisel ning orgaaniliste koksitoodete tähtsust on vaevalt võimalik üle hinnata.

Seega ei ole nendega seotud nafta ja maagaasid, kivisüsi mitte ainult kõige väärtuslikumad süsivesinike allikad, vaid ka osa ainulaadsest asendamatute loodusvarade sahvrist, mille hoolikas ja mõistlik kasutamine on inimühiskonna järkjärgulise arengu vajalik tingimus.

1. Loetlege peamised looduslikud süsivesinike allikad. Milliseid orgaanilisi aineid igaüks neist sisaldab? Mis neil ühist on?

2. Kirjeldage õli füüsikalisi omadusi. Miks ei ole sellel pidevat keemistemperatuuri?

3. Pärast meediakajastuste kokkuvõtet kirjeldage naftareostusest põhjustatud keskkonnakatastroofe ja nende tagajärgedest ülesaamise viisi.

4. Mis on parandamine? Millel see protsess põhineb? Nimetage õli rektifikatsiooni tulemusena saadud fraktsioonid. Kuidas need üksteisest erinevad?

5. Mis on krakkimine? Esitage naftasaaduste krakkimisele vastava kolme reaktsiooni võrrandid.

6. Milliseid krakkimise liike teate? Mis on neil protsessidel ühist? Kuidas need üksteisest erinevad? Mis on põhimõtteline erinevus erinevat tüüpi krakitud toodete vahel?

7. Miks on seostatud naftagaasi nii nimetatud? Millised on selle peamised komponendid ja nende kasutusalad?

8. Mille poolest maagaas erineb sellega seotud naftagaasist? Mis neil ühist on? Esitage kõigi teile teadaolevate seotud naftagaasi komponentide põlemisreaktsioonide võrrandid.

9. Esitage reaktsioonivõrrandid, mille abil saab maagaasist benseeni saada. Täpsustage nende reaktsioonide tingimused.

10. Mis on koksimine? Millised on selle tooted ja nende koostis? Esitage teile teadaolevate kivisöe koksistamise saaduste tüüpiliste reaktsioonide võrrandid.

11. Selgitage, miks nafta, kivisöe ja nendega seotud naftagaasi põletamine pole kaugeltki kõige ratsionaalsem viis nende kasutamiseks.