Naturalne źródła węglowodorów. Rafinacja ropy naftowej. Naturalne źródła węglowodorów Naturalne źródła węglowodorów Koks olej napędowy

Najważniejszymi źródłami węglowodorów są naturalne i towarzyszące gazy ropopochodne, ropa i węgiel.

Według rezerw gazu ziemnego pierwsze miejsce na świecie należy do naszego kraju. Gaz ziemny zawiera węglowodory o niskiej masie cząsteczkowej. Ma następujący przybliżony skład (objętościowo): 80-98% metan, 2-3% jego najbliższych homologów - etan, propan, butan oraz niewielka ilość zanieczyszczeń - siarkowodór H 2 S, azot N 2 , gazy szlachetne , tlenek węgla (IV ) CO 2 i para wodna H 2 O . Skład gazu jest specyficzny dla każdego pola. Istnieje następujący wzór: im wyższa względna masa cząsteczkowa węglowodoru, tym mniej jest on zawarty w gazie ziemnym.

Gaz ziemny jest powszechnie stosowany jako tanie paliwo o wysokiej kaloryczności (spalanie 1m 3 uwalnia do 54400 kJ). Jest jednym z najlepszych rodzajów paliwa na potrzeby domowe i przemysłowe. Ponadto gaz ziemny jest cennym surowcem dla przemysłu chemicznego: do produkcji acetylenu, etylenu, wodoru, sadzy, różnych tworzyw sztucznych, kwasu octowego, barwników, leków i innych produktów.

Powiązane gazy ropopochodne znajdują się w złożach razem z ropą: są w niej rozpuszczone i znajdują się nad ropą, tworząc gazowy „korek”. Podczas wydobywania oleju na powierzchnię, gazy są od niego oddzielane w wyniku gwałtownego spadku ciśnienia. Wcześniej gazy towarzyszące nie były używane i były spalane podczas wydobycia ropy naftowej. Obecnie są wychwytywane i wykorzystywane jako paliwo oraz cenne surowce chemiczne. Gazy towarzyszące zawierają mniej metanu niż gaz ziemny, ale więcej etanu, propanu, butanu i wyższych węglowodorów. Ponadto zawierają w zasadzie te same zanieczyszczenia, co w gazie ziemnym: H 2 S, N 2, gazy szlachetne, para H 2 O, CO 2 . Poszczególne węglowodory (etan, propan, butan itp.) są ekstrahowane z towarzyszących gazów, ich przetwarzanie umożliwia otrzymanie poprzez odwodornienie węglowodorów nienasyconych - propylenu, butylenu, butadienu, z których następnie syntetyzuje się kauczuki i tworzywa sztuczne. Jako paliwo domowe stosuje się mieszankę propanu i butanu (gaz płynny). Benzyna naturalna (mieszanina pentanu i heksanu) stosowana jest jako dodatek do benzyny w celu lepszego zapłonu paliwa podczas uruchamiania silnika. W wyniku utleniania węglowodorów powstają kwasy organiczne, alkohole i inne produkty.

Olej- oleista łatwopalna ciecz o barwie ciemnobrązowej lub prawie czarnej o charakterystycznym zapachu. Jest lżejszy od wody (= 0,73–0,97 g/cm3), praktycznie nierozpuszczalny w wodzie. Ze względu na skład olej jest złożoną mieszaniną węglowodorów o różnych masach cząsteczkowych, więc nie ma określonej temperatury wrzenia.

Olej składa się głównie z ciekłych węglowodorów (rozpuszczają się w nich stałe i gazowe węglowodory). Zwykle są to alkany (głównie o normalnej budowie), cykloalkany i areny, których proporcje w olejach z różnych dziedzin są bardzo zróżnicowane. Olejek Ural zawiera więcej aren. Oprócz węglowodorów olej zawiera tlen, siarkę i azotowe związki organiczne.

Zwykle nie stosuje się ropy naftowej. Aby uzyskać wartościowe technicznie produkty z oleju poddaje się go obróbce.

Przetwarzanie pierwotne olej polega na jego destylacji. Destylacja prowadzona jest w rafineriach po oddzieleniu towarzyszących gazów. Podczas destylacji ropy naftowej otrzymuje się lekkie produkty naftowe:

benzyna ( t kip \u003d 40–200 ° С) zawiera węglowodory С 5 -С 11,

benzyna ( t kip \u003d 150–250 ° С) zawiera węglowodory С 8 -С 14,

nafta ( t kip \u003d 180–300 ° С) zawiera węglowodory С 12 - С 18,

olej napędowy ( t kip > 275 °C),

aw pozostałej części - lepka czarna ciecz - olej opałowy.

Olej poddawany jest dalszej obróbce. Jest destylowany pod zmniejszonym ciśnieniem (aby zapobiec rozkładowi) i wyodrębnia się oleje smarowe: wrzeciono, silnik, cylinder itp. Wazelina i parafina są izolowane z oleju opałowego niektórych gatunków oleju. Pozostałość po destylacji oleju opałowego - smoła - po częściowym utlenieniu służy do produkcji asfaltu. Główną wadą rafinacji ropy naftowej jest niska wydajność benzyny (nie więcej niż 20%).

Produkty destylacji ropy naftowej mają różne zastosowania.

Benzyna stosowany w dużych ilościach jako paliwo lotnicze i samochodowe. Zwykle składa się z węglowodorów zawierających średnio od 5 do 9 atomów C w cząsteczkach. Ropa Stosowany jest jako paliwo do ciągników, a także rozpuszczalnik w przemyśle farb i lakierów. Duże ilości są przetwarzane na benzynę. Nafta oczyszczona Wykorzystywany jest jako paliwo do ciągników, samolotów odrzutowych i rakiet, a także na potrzeby domowe. olej słoneczny - olej napędowy- używany jako paliwo silnikowe, oraz oleje smarowe- do smarowania mechanizmów. Wazelina stosowane w medycynie. Składa się z mieszaniny ciekłych i stałych węglowodorów. Parafina stosowany do otrzymywania wyższych kwasów karboksylowych, do impregnacji drewna przy produkcji zapałek i ołówków, do produkcji świec, past do butów itp. Składa się z mieszaniny stałych węglowodorów. olej opałowy oprócz przerobu na oleje smarowe i benzynę jest stosowany jako paliwo płynne do kotłów.

Na wtórne metody przetwarzania olej to zmiana struktury węglowodorów, które składają się na jego skład. Wśród tych metod duże znaczenie ma kraking węglowodorów ropopochodnych, który prowadzi się w celu zwiększenia uzysku benzyny (do 65-70%).

Pękanie- proces rozszczepiania węglowodorów zawartych w oleju, w wyniku którego powstają węglowodory o mniejszej liczbie atomów C w cząsteczce. Istnieją dwa główne rodzaje krakingu: termiczne i katalityczne.

Pękanie termiczne odbywa się poprzez ogrzewanie surowca (oleju opałowego itp.) w temperaturze 470–550 °C i ciśnieniu 2–6 MPa. W tym przypadku cząsteczki węglowodorów o dużej liczbie atomów C są dzielone na cząsteczki o mniejszej liczbie atomów zarówno węglowodorów nasyconych, jak i nienasyconych. Na przykład:

(mechanizm radykalny),

W ten sposób uzyskuje się głównie benzynę samochodową. Jego produkcja z ropy sięga 70%. Pękanie termiczne zostało odkryte przez rosyjskiego inżyniera W.G. Szuchowa w 1891 roku.

kraking katalityczny przeprowadza się w obecności katalizatorów (zwykle glinokrzemianów) w temperaturze 450–500 °C i pod ciśnieniem atmosferycznym. W ten sposób uzyskuje się benzynę lotniczą z wydajnością do 80%. Ten rodzaj krakingu poddawany jest głównie frakcjom nafty i oleju napędowego. W krakingu katalitycznym wraz z reakcjami rozszczepiania zachodzą reakcje izomeryzacji. W wyniku tych ostatnich powstają węglowodory nasycone o rozgałęzionym węglowym szkielecie cząsteczek, co poprawia jakość benzyny:

Benzyna z krakingu katalitycznego jest wyższej jakości. Proces jej pozyskiwania przebiega znacznie szybciej, przy mniejszym zużyciu energii cieplnej. Ponadto podczas krakingu katalitycznego powstaje stosunkowo dużo węglowodorów rozgałęzionych (izozwiązków), które mają duże znaczenie dla syntezy organicznej.

Na t= 700 °C i powyżej, zachodzi piroliza.

Piroliza- rozkład substancji organicznych bez dostępu powietrza w wysokiej temperaturze. Podczas pirolizy oleju głównymi produktami reakcji są nienasycone węglowodory gazowe (etylen, acetylen) oraz węglowodory aromatyczne - benzen, toluen itp. Ponieważ piroliza oleju jest jednym z najważniejszych sposobów otrzymywania węglowodorów aromatycznych, proces ten często nazywany jest aromatyzacją oleju.

Aromatyzacja– przekształcenie alkanów i cykloalkanów w areny. Gdy ciężkie frakcje produktów naftowych są ogrzewane w obecności katalizatora (Pt lub Mo), węglowodory zawierające 6-8 atomów C w cząsteczce są przekształcane w węglowodory aromatyczne. Procesy te zachodzą podczas reformingu (ulepszania benzyny).

Reformowanie- jest to aromatyzacja benzyn, przeprowadzana w wyniku ich podgrzania w obecności katalizatora np. Pt. W tych warunkach alkany i cykloalkany są przekształcane w węglowodory aromatyczne, w wyniku czego znacznie wzrasta również liczba oktanowa benzyny. Aromatyzacja służy do pozyskiwania poszczególnych węglowodorów aromatycznych (benzen, toluen) z benzynowych frakcji ropy naftowej.

W ostatnich latach węglowodory ropopochodne są szeroko stosowane jako źródło surowców chemicznych. Substancje niezbędne do produkcji tworzyw sztucznych, syntetycznych włókien tekstylnych, syntetycznego kauczuku, alkoholi, kwasów, syntetycznych detergentów, materiałów wybuchowych, pestycydów, syntetycznych tłuszczów itp. pozyskiwane są z nich na różne sposoby.

Węgiel podobnie jak gaz ziemny i ropa naftowa jest źródłem energii i cennym surowcem chemicznym.

Główną metodą przeróbki węgla jest spiekanie(sucha destylacja). Podczas koksowania (ogrzewanie do 1000–1200°C bez dostępu powietrza) otrzymuje się różne produkty: koks, smołę węglową, wodę smołową i gaz koksowniczy (schemat).

Schemat

Koks wykorzystywany jest jako reduktor w produkcji żelaza w zakładach hutniczych.

Smoła węglowa służy jako źródło węglowodorów aromatycznych. Poddawany jest destylacji rektyfikacyjnej i otrzymuje się benzen, toluen, ksylen, naftalen, a także fenole, związki zawierające azot itp.

Z wody smołowej otrzymuje się amoniak, siarczan amonu, fenol itp.

Gaz koksowniczy służy do ogrzewania pieców koksowniczych (spalanie 1 m 3 uwalnia ok. 18 000 kJ), ale poddawany jest głównie obróbce chemicznej. Pozyskiwany jest więc z niej wodór do syntezy amoniaku, który jest następnie wykorzystywany do produkcji nawozów azotowych, a także metanu, benzenu, toluenu, siarczanu amonu i etylenu.

Rafinacja ropy naftowej

Olej to wieloskładnikowa mieszanina różnych substancji, głównie węglowodorów. Składniki te różnią się między sobą temperaturami wrzenia. W związku z tym, jeśli olej zostanie podgrzany, najpierw odparują z niego najlżejsze składniki, a następnie związki o wyższej temperaturze wrzenia itp. W oparciu o to zjawisko rafinacja oleju pierwotnego , składający się z destylacja (sprostowanie) olej. Proces ten nazywamy pierwotnym, gdyż zakłada się, że w jego przebiegu nie dochodzi do przemian chemicznych substancji, a olej rozdzielany jest jedynie na frakcje o różnych temperaturach wrzenia. Poniżej schematyczny diagram kolumny destylacyjnej z krótkim opisem samego procesu destylacji:

Przed procesem rektyfikacji olej jest przygotowywany w specjalny sposób, a mianowicie jest usuwany z zanieczyszczonej wody z rozpuszczonymi w niej solami oraz stałych zanieczyszczeń mechanicznych. Tak przygotowany olej trafia do pieca rurowego, gdzie jest podgrzewany do wysokiej temperatury (320-350 o C). Olej wysokotemperaturowy po podgrzaniu w piecu rurowym trafia do dolnej części kolumny destylacyjnej, gdzie poszczególne frakcje odparowują, a ich pary unoszą się w górę kolumny destylacyjnej. Im wyższy przekrój kolumny destylacyjnej, tym niższa jest jej temperatura. Tak więc następujące frakcje są brane na różnych wysokościach:

1) gazy destylacyjne (pobrane z samego szczytu kolumny, a zatem ich temperatura wrzenia nie przekracza 40 ° C);

2) frakcja benzynowa (temperatura wrzenia od 35 do 200 o C);

3) frakcja benzyny ciężkiej (temperatura wrzenia od 150 do 250 o C);

4) frakcja naftowa (temperatura wrzenia od 190 do 300 o C);

5) frakcja oleju napędowego (temperatura wrzenia od 200 do 300 o C);

6) olej opałowy (temperatura wrzenia powyżej 350 o C).

Należy zauważyć, że średnie frakcje wyodrębnione podczas rektyfikacji oleju nie spełniają norm jakości paliw. Ponadto w wyniku destylacji ropy powstaje znaczna ilość oleju opałowego, który nie jest najbardziej poszukiwanym produktem. W związku z tym, po pierwotnym przerobie ropy, zadaniem jest zwiększenie uzysku droższych, w szczególności frakcji benzynowych, a także poprawa jakości tych frakcji. Zadania te są rozwiązywane za pomocą różnych procesów. rafinacja ropy naftowej , Jak na przykład Pękanie orazreformowanie .

Należy zauważyć, że liczba procesów wykorzystywanych we wtórnej obróbce ropy jest znacznie większa i dotykamy tylko niektórych z głównych. Zrozummy teraz, jakie jest znaczenie tych procesów.

Kraking (termiczny lub katalityczny)

Proces ten ma na celu zwiększenie wydajności frakcji benzyny. W tym celu frakcje ciężkie, takie jak olej opałowy, poddawane są silnemu nagrzewaniu, najczęściej w obecności katalizatora. W wyniku tego działania rozrywane są długołańcuchowe cząsteczki wchodzące w skład frakcji ciężkich i powstają węglowodory o mniejszej masie cząsteczkowej. W rzeczywistości prowadzi to do dodatkowego uzysku bardziej wartościowej frakcji benzyny niż oryginalny olej opałowy. Istotę chemiczną tego procesu odzwierciedla równanie:

Reformowanie

Proces ten realizuje zadanie poprawy jakości frakcji benzynowej, w szczególności zwiększenie jej odporności na uderzenia (liczba oktanowa). To właśnie ta charakterystyka benzyn jest wskazywana na stacjach benzynowych (benzyna 92, 95, 98 itd.).

W wyniku procesu reformingu wzrasta udział węglowodorów aromatycznych we frakcji benzyny, która wśród innych węglowodorów ma jedną z najwyższych liczb oktanowych. Taki wzrost udziału węglowodorów aromatycznych uzyskuje się głównie w wyniku reakcji dehydrocyklizacji zachodzących podczas procesu reformingu. Na przykład po wystarczającym podgrzaniu n-heksan w obecności katalizatora platynowego zamienia się w benzen, a n-heptan w podobny sposób - w toluen:

Przeróbka węgla

Główną metodą przeróbki węgla jest spiekanie . Koksowanie węgla nazywany procesem, w którym węgiel jest podgrzewany bez dostępu do powietrza. Jednocześnie w wyniku takiego ogrzewania wyodrębniane są z węgla cztery główne produkty:

1) koks

Substancja stała, która jest prawie czystym węglem.

2) smoła węglowa

Zawiera dużą liczbę różnych związków głównie aromatycznych, takich jak benzen, jego homologi, fenole, alkohole aromatyczne, naftalen, homologi naftalenu itp.;

3) Woda amoniakalna

Wbrew nazwie frakcja ta oprócz amoniaku i wody zawiera również fenol, siarkowodór i kilka innych związków.

4) gaz koksowniczy

Głównymi składnikami gazu koksowniczego są wodór, metan, dwutlenek węgla, azot, etylen itp.

– składa się (głównie) z metanu oraz (w mniejszych ilościach) jego najbliższych homologów - etanu, propanu, butanu, pentanu, heksanu itp.; obserwowane w towarzyszącym gazie ropopochodnym, tj. gazie ziemnym występującym w naturze nad ropą lub rozpuszczonym w niej pod ciśnieniem.

Olej

- jest to oleista palna ciecz, składająca się z alkanów, cykloalkanów, arenów (dominuje), a także związków zawierających tlen, azot i siarkę.

Węgiel

- mineralny paliwo stałe pochodzenia organicznego. Zawiera mało grafitu i wiele złożonych związków cyklicznych, w tym pierwiastki C, H, O, N i S. Występują w nim antracyt (prawie bezwodny), węgiel (wilgotność -4%) i węgiel brunatny (50-60% wilgotności). W procesie koksowania węgiel przekształcany jest w węglowodory (gazowe, płynne i stałe) oraz koks (raczej czysty grafit).

Koksowanie węgla

Ogrzanie węgla bez dostępu powietrza do temperatury 900-1050 °C prowadzi do jego rozkładu termicznego z wytworzeniem produktów lotnych (smoła węglowa, woda amoniakalna i gaz koksowniczy) oraz osad stały - koks.

Główne produkty: koks - 96-98% węgla; gaz koksowniczy - 60% wodór, 25% metan, 7% tlenek węgla (II) itp.

Produkty uboczne: smoła węglowa (benzen, toluen), amoniak (z gazu koksowniczego) itp.

Rafinacja ropy metodą rektyfikacji

Wstępnie oczyszczony olej poddawany jest destylacji atmosferycznej (lub próżniowej) na frakcje o określonych zakresach temperatury wrzenia w kolumnach do ciągłej destylacji.

Główne produkty: benzyna lekka i ciężka, nafta, olej napędowy, oleje smarowe, olej opałowy, smoła.

Rafinacja ropy naftowej przez kraking katalityczny

Surowce: wysokowrzące frakcje olejowe (nafta, olej napędowy itp.)

Materiały pomocnicze: katalizatory (modyfikowane glinokrzemiany).

Główny proces chemiczny: w temperaturze 500-600 ° C i ciśnieniu 5 105 Pa cząsteczki węglowodorów rozkładają się na mniejsze cząsteczki, krakingowi katalitycznemu towarzyszy aromatyzacja, izomeryzacja, reakcje alkilacji.

Produkty: mieszanina węglowodorów niskowrzących (paliwo, wsad do petrochemii).

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

Podczas lekcji będziesz mógł zapoznać się z tematem „Naturalne źródła węglowodorów. Rafinacja ropy naftowej”. Ponad 90% całej energii zużywanej obecnie przez ludzkość pochodzi z kopalnych naturalnych związków organicznych. Dowiesz się o zasobach naturalnych (gaz ziemny, ropa, węgiel), co dzieje się z ropą po jej wydobyciu.

Temat: Ogranicz węglowodory

Lekcja: Naturalne źródła węglowodorów

Około 90% energii zużywanej przez współczesną cywilizację pochodzi ze spalania naturalnych paliw kopalnych – gazu ziemnego, ropy naftowej i węgla.

Rosja to kraj bogaty w naturalne paliwa kopalne. Na Zachodniej Syberii i na Uralu znajdują się duże rezerwy ropy naftowej i gazu ziemnego. Węgiel kamienny wydobywany jest w basenach Kuźniecka, Południowego Jakucka i innych regionach.

Gazu ziemnego zawiera średnio 95% objętości metanu.

Oprócz metanu gaz ziemny z różnych złóż zawiera azot, dwutlenek węgla, hel, siarkowodór oraz inne lekkie alkany – etan, propan i butany.

Gaz ziemny wydobywany jest ze złóż podziemnych, gdzie znajduje się pod wysokim ciśnieniem. Metan i inne węglowodory powstają z substancji organicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego podczas ich rozkładu bez dostępu powietrza. Metan jest produkowany w sposób ciągły i obecnie w wyniku działania mikroorganizmów.

Metan znajduje się na planetach Układu Słonecznego i ich satelitach.

Czysty metan jest bezwonny. Jednak gaz używany w życiu codziennym ma charakterystyczny nieprzyjemny zapach. To zapach specjalnych dodatków - merkaptanów. Zapach merkaptanów pozwala na czas wykryć wyciek gazu domowego. Mieszaniny metanu z powietrzem są wybuchowe w szerokim zakresie proporcji - od 5 do 15% objętości gazu. Dlatego jeśli w pomieszczeniu poczujesz zapach gazu, możesz nie tylko rozpalić ogień, ale także użyć przełączników elektrycznych. Najmniejsza iskra może spowodować wybuch.

Ryż. 1. Ropa z różnych dziedzin

Olej- gęsty płyn jak olej. Jego kolor to od jasnożółtego do brązowego i czarnego.

Ryż. 2. Pola naftowe

Ropa z różnych dziedzin różni się znacznie składem. Ryż. 1. Główną częścią oleju są węglowodory zawierające 5 lub więcej atomów węgla. Zasadniczo węglowodory te są nasycone, tj. alkany. Ryż. 2.

W skład oleju wchodzą również związki organiczne zawierające siarkę, tlen, azot.Olej zawiera wodę i zanieczyszczenia nieorganiczne.

W oleju rozpuszczane są gazy, które uwalniają się podczas jego ekstrakcji - towarzyszące gazy ropopochodne. Są to metan, etan, propan, butany z zanieczyszczeniami azotu, dwutlenku węgla i siarkowodoru.

Węgiel, podobnie jak olej, jest złożoną mieszanką. Udział węgla w nim wynosi 80-90%. Reszta to wodór, tlen, siarka, azot i kilka innych pierwiastków. W węglu brunatnym zawartość węgla i materii organicznej jest mniejsza niż w kamieniu. Jeszcze mniej organiczne łupki naftowe.

W przemyśle węgiel jest podgrzewany do 900-1100 0 C bez powietrza. Ten proces nazywa się spiekanie. Rezultatem jest koks o wysokiej zawartości węgla, gaz koksowniczy i smoła węglowa, niezbędna w hutnictwie. Z gazu i smoły uwalnianych jest wiele substancji organicznych. Ryż. 3.

Ryż. 3. Urządzenie pieca koksowniczego

Gaz ziemny i ropa naftowa to najważniejsze źródła surowców dla przemysłu chemicznego. Ropa w takiej postaci, w jakiej jest produkowana, czyli „ropa naftowa”, jest trudna do wykorzystania nawet jako paliwo. Dlatego ropa naftowa dzieli się na frakcje (z angielskiego „frakcja” - „część”), wykorzystując różnice w temperaturach wrzenia jej składników.

Metoda oddzielania oleju, oparta na różnych temperaturach wrzenia wchodzących w jego skład węglowodorów, nazywana jest destylacją lub destylacją. Ryż. 4.

Ryż. 4. Produkty rafinacji ropy naftowej

Frakcja destylowana od około 50 do 180 0 C nazywa się benzyna.

Nafta oczyszczona wrze w temperaturze 180-300 0 C.

Gęsty czarny osad, który nie zawiera substancji lotnych, nazywa się olej opałowy.

Istnieje również szereg frakcji pośrednich wrzących w węższych zakresach - etery naftowe (40-70 0 C i 70-100 0 C), benzyna lakowa (149-204 ° C) i olej napędowy (200-500 0 C). Są używane jako rozpuszczalniki. Olej opałowy można destylować pod zmniejszonym ciśnieniem, w ten sposób uzyskuje się z niego oleje smarowe i parafinę. Stała pozostałość z destylacji oleju opałowego - asfalt. Służy do produkcji nawierzchni drogowych.

Przetwarzanie towarzyszących gazów ropopochodnych stanowi odrębną branżę i umożliwia pozyskiwanie szeregu cennych produktów.

Podsumowując lekcję

Podczas lekcji studiowałeś temat „Naturalne źródła węglowodorów. Rafinacja ropy naftowej”. Ponad 90% całej energii zużywanej obecnie przez ludzkość pochodzi z kopalnych naturalnych związków organicznych. Dowiedziałeś się o zasobach naturalnych (gaz ziemny, ropa, węgiel), o tym, co dzieje się z ropą po jej wydobyciu.

Bibliografia

1. Rudzitis G.E. Chemia. Podstawy chemii ogólnej. Klasa 10: podręcznik dla instytucji edukacyjnych: poziom podstawowy / G. E. Rudzitis, F.G. Feldmana. - 14. edycja. - M.: Edukacja, 2012.

2. Chemia. Klasa 10. Poziom profilu: podręcznik. dla kształcenia ogólnego instytucje / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, W.W. Lunin i in. - M.: Drofa, 2008. - 463 s.

3. Chemia. Klasa 11. Poziom profilu: podręcznik. dla kształcenia ogólnego instytucje / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, W.W. Lunin i in. - M.: Drofa, 2010r. - 462 s.

4. Khomchenko GP, Khomchenko I.G. Zbiór problemów z chemii dla osób wkraczających na uniwersytety. - 4 wyd. - M .: RIA "Nowa fala": Wydawnictwo Umerenkov, 2012. - 278 s.

Zadanie domowe

1. Nr 3, 6 (s. 74) Rudzitis G.E., Feldman F.G. Chemia: Chemia organiczna. Klasa 10: podręcznik dla instytucji edukacyjnych: poziom podstawowy / G. E. Rudzitis, F.G. Feldmana. - 14. edycja. - M.: Edukacja, 2012.

2. Jaka jest różnica między powiązanym gazem ropopochodnym a gazem ziemnym?

3. Jak przebiega rafinacja ropy naftowej?

Związki zawierające tylko atomy węgla i wodoru.

Węglowodory dzielą się na cykliczne (związki karbocykliczne) i acykliczne.

Związki cykliczne (karbocykliczne) nazywane są związkami, które zawierają jeden lub więcej cykli składających się tylko z atomów węgla (w przeciwieństwie do związków heterocyklicznych zawierających heteroatomy - azot, siarka, tlen itp.). Z kolei związki karbocykliczne dzielą się na związki aromatyczne i niearomatyczne (alicykliczne).

Węglowodory acykliczne obejmują związki organiczne, których szkielet węglowy cząsteczek jest otwartymi łańcuchami.

Łańcuchy te mogą tworzyć wiązania pojedyncze (alkany), zawierać jedno wiązanie podwójne (alkeny), dwa lub więcej wiązań podwójnych (dieny lub polieny), jedno wiązanie potrójne (alkiny).

Jak wiesz, łańcuchy węglowe są częścią większości substancji organicznych. Dlatego badanie węglowodorów ma szczególne znaczenie, ponieważ związki te stanowią podstawę strukturalną innych klas związków organicznych.

Ponadto węglowodory, zwłaszcza alkany, są głównymi naturalnymi źródłami związków organicznych i podstawą najważniejszych syntez przemysłowych i laboratoryjnych (Schemat 1).

Wiesz już, że węglowodory są najważniejszym surowcem w przemyśle chemicznym. Z kolei węglowodory są dość rozpowszechnione w przyrodzie i można je izolować z różnych źródeł naturalnych: ropy naftowej, ropy naftowej i gazu ziemnego, węgla. Rozważmy je bardziej szczegółowo.

Olej- naturalna złożona mieszanina węglowodorów, głównie alkanów liniowych i rozgałęzionych, zawierająca od 5 do 50 atomów węgla w cząsteczkach, z innymi substancjami organicznymi. Jego skład w znacznym stopniu zależy od miejsca jego produkcji (złoża), może oprócz alkanów zawierać cykloalkany i węglowodory aromatyczne.

Składniki gazowe i stałe oleju rozpuszczają się w jego składnikach ciekłych, co decyduje o stanie jego skupienia. Olej to oleista ciecz o ciemnej (od brązowej do czarnej) barwie o charakterystycznym zapachu, nierozpuszczalna w wodzie. Jego gęstość jest mniejsza niż wody, dlatego dostając się do niej olej rozchodzi się po powierzchni, zapobiegając rozpuszczaniu się w wodzie tlenu i innych gazów powietrza. Oczywiście, dostając się do naturalnych zbiorników wodnych, ropa powoduje śmierć mikroorganizmów i zwierząt, prowadząc do katastrof ekologicznych, a nawet katastrof. Istnieją bakterie, które potrafią wykorzystać składniki oleju jako pokarm, zamieniając go w nieszkodliwe produkty swojej życiowej aktywności. Oczywiste jest, że wykorzystanie kultur tych bakterii jest najbardziej bezpiecznym dla środowiska i obiecującym sposobem walki z zanieczyszczeniem ropą w procesie jej produkcji, transportu i przetwarzania.

W przyrodzie ropa naftowa i związany z nią gaz ropopochodny, które zostaną omówione poniżej, wypełniają puste przestrzenie we wnętrzu Ziemi. Będąc mieszaniną różnych substancji, olej nie ma stałej temperatury wrzenia. Oczywiste jest, że każdy z jego składników zachowuje swoje indywidualne właściwości fizyczne w mieszance, co umożliwia rozdzielenie oleju na jego składniki. W tym celu jest oczyszczany z zanieczyszczeń mechanicznych, związków zawierających siarkę i poddawany tak zwanej destylacji frakcyjnej, czyli rektyfikacji.

Destylacja frakcyjna to fizyczna metoda rozdzielania mieszaniny składników o różnych temperaturach wrzenia.

Destylację przeprowadza się w specjalnych instalacjach - kolumnach destylacyjnych, w których powtarzają się cykle kondensacji i parowania substancji ciekłych zawartych w oleju (rys. 9).

Pary powstające podczas wrzenia mieszaniny substancji wzbogacane są składnikiem lżej wrzącym (tj. posiadającym niższą temperaturę). Pary te są zbierane, skraplane (schładzane poniżej temperatury wrzenia) i ponownie doprowadzane do wrzenia. W tym przypadku powstają opary, które są jeszcze bardziej wzbogacone niskowrzącą substancją. Poprzez wielokrotne powtarzanie tych cykli można osiągnąć prawie całkowite oddzielenie substancji zawartych w mieszaninie.

Kolumna destylacyjna odbiera olej ogrzany w piecu rurowym do temperatury 320-350 °C. Kolumna destylacyjna posiada poziome przegrody z otworami - tzw. płyty, na których kondensują frakcje olejowe. Frakcje lekko wrzące gromadzą się na wyższych, wysokowrzące na niższych.

W procesie rektyfikacji olej dzieli się na następujące frakcje:

Gazy rektyfikacyjne - mieszanina węglowodorów o niskiej masie cząsteczkowej, głównie propanu i butanu, o temperaturze wrzenia do 40 ° C;

Frakcja benzynowa (benzyna) - węglowodory o składzie od C 5 H 12 do C 11 H 24 (temperatura wrzenia 40-200 ° C); przy dokładniejszym oddzieleniu tej frakcji otrzymuje się benzynę (eter naftowy, 40-70 ° C) i benzynę (70-120 ° C);

Frakcja naftowa - węglowodory o składzie od C8H18 do C14H30 (temperatura wrzenia 150-250 °C);

Frakcja naftowa - węglowodory o składzie od C12H26 do C18H38 (temperatura wrzenia 180-300 ° C);

Olej napędowy - węglowodory o składzie od C13H28 do C19H36 (temperatura wrzenia 200-350 °C).

Pozostałości po destylacji oleju – olej opałowy- zawiera węglowodory o liczbie atomów węgla od 18 do 50. Destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem z oleju opałowego daje olej solarny (C18H28-C25H52), oleje smarowe (C28H58-C38H78), wazelinę i parafinę - topliwe mieszaniny stałych węglowodorów. Pozostałości stałe z destylacji oleju opałowego - smoła i produkty jej przetwarzania - bitum i asfalt są wykorzystywane do produkcji nawierzchni drogowych.

Produkty otrzymane w wyniku rektyfikacji oleju poddawane są obróbce chemicznej, która obejmuje szereg skomplikowanych procesów. Jednym z nich jest kraking produktów naftowych. Wiesz już, że olej opałowy jest rozdzielany na składniki pod zmniejszonym ciśnieniem. Wynika to z faktu, że pod ciśnieniem atmosferycznym jego składniki zaczynają się rozkładać przed osiągnięciem temperatury wrzenia. Na tym polega pękanie.

Pękanie - rozkład termiczny produktów naftowych, prowadzący do powstania węglowodorów o mniejszej liczbie atomów węgla w cząsteczce.

Istnieje kilka rodzajów krakingu: kraking termiczny, kraking katalityczny, kraking wysokociśnieniowy, kraking redukcyjny.

Kraking termiczny polega na rozszczepieniu pod wpływem wysokiej temperatury (470-550 °C) cząsteczek węglowodorów o długim łańcuchu węglowym na krótsze. W procesie tego rozszczepiania wraz z alkanami powstają alkeny.

Ogólnie tę reakcję można zapisać w następujący sposób:

C n H 2n+2 -> C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k
alkan alkano alken
długi łańcuch

Powstałe węglowodory mogą ponownie ulec krakingowi, tworząc alkany i alkeny o jeszcze krótszym łańcuchu atomów węgla w cząsteczce:

Podczas konwencjonalnego krakingu termicznego powstaje wiele węglowodorów gazowych o małej masie cząsteczkowej, które można wykorzystać jako surowce do produkcji alkoholi, kwasów karboksylowych i związków o dużej masie cząsteczkowej (na przykład polietylenu).

kraking katalityczny występuje w obecności katalizatorów, które są wykorzystywane jako naturalne glinokrzemiany składu

Realizacja krakingu przy użyciu katalizatorów prowadzi do powstania w cząsteczce węglowodorów o rozgałęzionym lub zamkniętym łańcuchu atomów węgla. Zawartość węglowodorów o tej strukturze w paliwie silnikowym znacznie poprawia jego jakość, przede wszystkim odporność na uderzenia - liczbę oktanową benzyny.

Kraking produktów naftowych przebiega w wysokich temperaturach, dlatego często tworzą się osady węgla (sadza), zanieczyszczając powierzchnię katalizatora, co znacznie zmniejsza jego aktywność.

Oczyszczenie powierzchni katalizatora z nagaru – jego regeneracja – jest głównym warunkiem praktycznej realizacji krakingu katalitycznego. Najprostszym i najtańszym sposobem regeneracji katalizatora jest jego prażenie, podczas którego nagar utleniany jest tlenem atmosferycznym. Z powierzchni katalizatora usuwane są gazowe produkty utleniania (głównie dwutlenek węgla i dwutlenek siarki).

Kraking katalityczny to niejednorodny proces obejmujący substancje stałe (katalizator) i gazowe (opary węglowodorów). Oczywiste jest, że regeneracja katalizatora – oddziaływanie osadów stałych z tlenem atmosferycznym – jest również procesem niejednorodnym.

reakcje heterogeniczne(gaz - ciało stałe) płynie szybciej wraz ze wzrostem powierzchni ciała stałego. Dlatego katalizator jest kruszony, a jego regeneracja i kraking węglowodorów odbywa się w „złożu fluidalnym”, znanym Państwu z produkcji kwasu siarkowego.

Surowiec do krakowania, taki jak olej gazowy, wchodzi do reaktora stożkowego. Dolna część reaktora ma mniejszą średnicę, więc szybkość przepływu pary zasilającej jest bardzo duża. Poruszający się z dużą prędkością gaz wychwytuje cząstki katalizatora i przenosi je do górnej części reaktora, gdzie ze względu na wzrost jego średnicy zmniejsza się prędkość przepływu. Pod wpływem grawitacji cząstki katalizatora opadają do dolnej, węższej części reaktora, skąd ponownie są unoszone w górę. W ten sposób każde ziarno katalizatora jest w ciągłym ruchu i jest wypłukiwane ze wszystkich stron odczynnikiem gazowym.

Niektóre ziarna katalizatora przedostają się do zewnętrznej, szerszej części reaktora i nie napotykając oporów przepływu gazu opadają do dolnej części, gdzie są wychwytywane przez przepływający gaz i odprowadzane do regeneratora. Również tam, w trybie „złoża fluidalnego”, katalizator jest spalany i zawracany do reaktora.

W ten sposób katalizator krąży między reaktorem a regeneratorem, a gazowe produkty krakingu i prażenia są z nich usuwane.

Zastosowanie katalizatorów krakowania pozwala na nieznaczne zwiększenie szybkości reakcji, obniżenie jej temperatury oraz poprawę jakości krakowanych produktów.

Otrzymane węglowodory frakcji benzynowej mają głównie strukturę liniową, co prowadzi do niskiej odporności na stukanie otrzymanej benzyny.

Pojęcie „odporności na uderzenia” rozważymy później, na razie zauważamy tylko, że węglowodory o rozgałęzionych cząsteczkach mają znacznie większą odporność na detonację. Możliwe jest zwiększenie udziału izomerycznych węglowodorów rozgałęzionych w mieszaninie powstającej podczas krakingu poprzez dodanie do układu katalizatorów izomeryzacji.

Pola naftowe zawierają z reguły duże nagromadzenia tzw. gazu skojarzonego, który gromadzi się nad ropą w skorupie ziemskiej i częściowo rozpuszcza się w niej pod naporem skał leżących na ich powierzchni. Podobnie jak ropa, gaz z ropy naftowej jest cennym naturalnym źródłem węglowodorów. Zawiera głównie alkany, które w swoich cząsteczkach mają od 1 do 6 atomów węgla. Oczywiście skład towarzyszącego gazu ropopochodnego jest znacznie uboższy niż ropy naftowej. Jednak mimo to znajduje szerokie zastosowanie zarówno jako paliwo, jak i surowiec dla przemysłu chemicznego. Jeszcze kilkadziesiąt lat temu na większości pól naftowych spalany był gaz z ropy naftowej jako bezużyteczny dodatek do ropy. Obecnie, na przykład, w Surgut, najbogatszej rosyjskiej spiżarni ropy naftowej, przy użyciu towarzyszącego mu gazu ropopochodnego wytwarzana jest najtańsza na świecie energia elektryczna.

Jak już wspomniano, towarzyszący gaz ropopochodny jest bogatszy w skład różnych węglowodorów niż gaz ziemny. Dzieląc je na ułamki, otrzymują:

Benzyna naturalna - wysoce lotna mieszanina składająca się głównie z lentanu i heksanu;

Mieszanina propan-butan, składająca się, jak sama nazwa wskazuje, z propanu i butanu, łatwo przechodząca w stan ciekły przy wzroście ciśnienia;

Gaz suchy - mieszanina zawierająca głównie metan i etan.

Benzyna naturalna będąca mieszaniną składników lotnych o małej masie cząsteczkowej dobrze paruje nawet w niskich temperaturach. Umożliwia to wykorzystanie benzyny gazowej jako paliwa do silników spalinowych na Dalekiej Północy oraz jako dodatku do paliw silnikowych, co ułatwia rozruch silników w warunkach zimowych.

Mieszanka propan-butan w postaci skroplonego gazu jest używana jako paliwo domowe (znane Państwu w kraju butle gazowe) oraz do napełniania zapalniczek. Stopniowe przechodzenie z transportu drogowego na gaz płynny jest jednym z głównych sposobów przezwyciężenia światowego kryzysu paliwowego i rozwiązania problemów środowiskowych.

Gaz suchy, zbliżony składem do gazu ziemnego, jest również szeroko stosowany jako paliwo.

Jednak wykorzystanie związanego z nim gazu ropopochodnego i jego składników jako paliwa nie jest najbardziej obiecującym sposobem jego wykorzystania.

O wiele bardziej efektywne jest wykorzystanie powiązanych składników gazu ropopochodnego jako surowca do produkcji chemicznej. Wodór, acetylen, węglowodory nienasycone i aromatyczne oraz ich pochodne otrzymuje się z alkanów wchodzących w skład towarzyszącego gazu naftowego.

Węglowodory gazowe mogą nie tylko towarzyszyć ropie w skorupie ziemskiej, ale także tworzyć niezależne akumulacje – złoża gazu ziemnego.

Gazu ziemnego - mieszanina gazowych węglowodorów nasyconych o małej masie cząsteczkowej. Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan, którego udział w zależności od złoża waha się od 75 do 99% objętości. Oprócz metanu gaz ziemny zawiera etan, propan, butan i izobutan oraz azot i dwutlenek węgla.

Podobnie jak gaz naftowy, gaz ziemny jest wykorzystywany zarówno jako paliwo, jak i surowiec do produkcji różnych substancji organicznych i nieorganicznych. Wiesz już, że z metanu, głównego składnika gazu ziemnego, otrzymuje się wodór, acetylen i alkohol metylowy, formaldehyd i kwas mrówkowy oraz wiele innych substancji organicznych. Jako paliwo gaz ziemny wykorzystywany jest w elektrowniach, w instalacjach kotłowych do ogrzewania wodnego budynków mieszkalnych i przemysłowych, w produkcji wielkopiecowej i martenowskiej. Zapalając zapałkę i zapalając gaz w kuchence gazowej domu miejskiego, "rozpoczyna się" reakcja łańcuchowa utleniania alkanów, które wchodzą w skład gazu ziemnego. Poza ropą naftową, naturalnymi i towarzyszącymi gazami ropopochodnymi węgiel jest naturalnym źródłem węglowodorów. Gdy tworzy w trzewiach ziemi potężne warstwy, jej zbadane złoża znacznie przewyższają zasoby ropy naftowej. Podobnie jak olej, węgiel zawiera dużą ilość różnych substancji organicznych. Oprócz organicznych obejmuje również substancje nieorganiczne, takie jak woda, amoniak, siarkowodór i oczywiście sam węgiel - węgiel. Jednym z głównych sposobów przeróbki węgla jest koksowanie - kalcynacja bez dostępu powietrza. W wyniku koksowania, które odbywa się w temperaturze około 1000 ° C, powstają:

Gaz koksowniczy, który zawiera wodór, metan, tlenek węgla i dwutlenek węgla, zanieczyszczenia amoniakiem, azot i inne gazy;
smoła węglowa zawierająca kilkaset różnych substancji organicznych, w tym benzen i jego homologi, fenole i alkohole aromatyczne, naftalen i różne związki heterocykliczne;
smoła lub woda amoniakalna, zawierająca, jak sama nazwa wskazuje, rozpuszczony amoniak, a także fenol, siarkowodór i inne substancje;
koks - stała pozostałość koksowania, prawie czysty węgiel.

zużyty koks w produkcji żelaza i stali, amoniaku – w produkcji nawozów azotowych i kombinowanych oraz znaczenia organicznych produktów koksowniczych trudno przecenić.

Tak więc związana z nią ropa naftowa i gazy naturalne, węgiel są nie tylko najcenniejszymi źródłami węglowodorów, ale także częścią unikalnej spiżarni niezastąpionych zasobów naturalnych, których ostrożne i rozsądne wykorzystanie jest niezbędnym warunkiem postępowego rozwoju społeczeństwa ludzkiego.

1. Wymień główne naturalne źródła węglowodorów. Jakie substancje organiczne znajdują się w każdym z nich? Co oni mają ze sobą wspólnego?

2. Opisać właściwości fizyczne oleju. Dlaczego nie ma stałej temperatury wrzenia?

3. Po podsumowaniu doniesień medialnych opisz katastrofy ekologiczne spowodowane wyciekiem ropy oraz sposoby przezwyciężenia ich skutków.

4. Co to jest sprostowanie? Na czym opiera się ten proces? Nazwij frakcje uzyskane w wyniku rektyfikacji oleju. Czym się od siebie różnią?

5. Co to jest pękanie? Podaj równania trzech reakcji odpowiadających krakingowi produktów naftowych.

6. Jakie znasz rodzaje crackowania? Co te procesy mają ze sobą wspólnego? Czym się od siebie różnią? Jaka jest zasadnicza różnica między różnymi rodzajami produktów krakowanych?

7. Dlaczego tak nazwany jest powiązany gaz naftowy? Jakie są jego główne składniki i ich zastosowania?

8. Czym różni się gaz ziemny od powiązanego gazu naftowego? Co oni mają ze sobą wspólnego? Podaj równania reakcji spalania wszystkich znanych Ci składników towarzyszącego gazu ropopochodnego.

9. Podaj równania reakcji, które można wykorzystać do otrzymywania benzenu z gazu ziemnego. Określ warunki dla tych reakcji.

10. Co to jest koksowanie? Jakie są jego produkty i ich skład? Podaj równania reakcji typowych dla znanych Ci produktów koksowania węgla.

11. Wyjaśnij, dlaczego spalanie ropy naftowej, węgla i związanego z nimi gazu nie jest najbardziej racjonalnym sposobem ich wykorzystania.