Химия в решении проблемы обеспечения энергией

1. Введение.

В наши дни, когда человеческое развитие достигло высот, такие проблемы, как

экология, продовольствие, энергия заставляют задуматься о будущем.

Как мне кажется, эта тема наиболее актуальна сейчас и поэтому  я выбрал её.

Энергия - "двигатель" развития человечества. Поэтому проблема сырья, как

основного источника энергии должна решаться в первую очередь. В основе  её

решения лежит рациональное использование природных ископаемых, вторичная

переработка, использование побочных продуктов производства, таких как

углеводороды, CO, SO₂, NO_x... Эти же мероприятия, на мой

взгляд, будут способствовать улучшению экологической обстановки на нашей

планете.

Для решения этих проблем  химия объединяется с биологией, геологией, физикой,

кибернетикой, и другими науками. С помощью этого объединения, во главе с

химией, можно решить, на мой взгляд, практически все эти проблемы. Начну, как

я уже говорил, с самой важной проблемы - проблемы сырья.

 

     2.Нефть и Газ.

1) Нефть и газ - осадочные  полезные ископаемые. (см. приложение №1)

 

Нефть – это горючая  маслянистая жидкость, распространённая в осадочной оболочке Земли; важнейшее  полезное ископаемое. Это сложное  смесь алканов, некоторых цикланов и Аренов, а также кислородных, сернистых и азотистых соединений. Путём перегонки из нефти получают бензин, реактивное топливо, керосин, дизельное топливо, мазут.

 

Одно из главных свойств  сырой (непереработанной) нефти – ее плотность, которая зависти от содержания тяжелых углеводородов: парафинов, смол и других. (см. приложение №2)

 

Нефть, добывающаяся, содержит много бензиновых и керосиновых  фракций, имеет много серы, которую  необходимо отделять. Нефть залегает на глубине от 2.5 км. до 6, поэтому более 90% нефти в округе добывается с помощью насосов и компрессоров. Для поддержания давления пластах применяется закачка воды или газа. В результате такой добычи можно извлекать из недр лишь около 1/3 имеющихся в месторождениях запасов нефти.

 

Нефть образовалась на нашей  территории в юрский период мезозойской  эры, более 53 млн. лет назад, когда  произошли глобальные изменения  климата.

 

Газ – это агрегатное состояние вещества, в котором  кинетическая энергия теплового  движения его частиц значительно  превосходит потенциальную энергию  взаимодействий между ними, в связи, с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствии внешних  полей весь предоставленный им объем.

 

Доля метана в этой смеси  составляет – 85 – 99%. Кроме этих компонентов  в природном газе содержится азот, углекислый газ, гелий, аргон, водяные  пары, сероводород и ртуть. Он обычно бесцветен и не имеет запаха (если в нём нет сероводорода). В недрах Земли ХМАО присутствует газоконденсат – природная смесь легкокипящих, жидких нефтяных углеводов. В недрах Земли, в условиях высоких температур и давлений они находятся в парообразном состоянии, а на поверхности из добытого газа выпадает светлая жидкая смесь – газоконденсат.

 

Кроме газоконденсата, бывает попутный жирный газ, связанный с газовыми шапками нефтяных месторождений, содержащий большое количество тяжелых углеводородов. Такие месторождения называются газонефтяными.

 

На территории нашего округа из всего объема добываемого газа 99.8% принадлежит попутному газу.

 

На территории Ханты-Мансийского  автономного округа приходиться  около 80 % начальных потенциальных  ресурсов нефти Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции и практически половина ресурсного потенциала нефти России.

 

Около 90 % площади округа приходиться на территории, перспективные  и в нефтегазоносном отношении. Округ в настоящее время является одним из основных регионов, где  ведутся разведка и добыча углеводородного  сырья; его вклад в годовую  добычу российской нефти составляет свыше 57%.

 

Основные нефтегазовые Месторождения  Ханты - Мансийского автономного  округа расположены в широтном Приобье в подзонах северной (южный склон Сибирских Увалов) и средней тайги (Сургутское полесье).

 

На территории округа по состоянию на 1.01. 2003 года открыто 414 месторождений, из них 358 нефтяных, 22 газовых  и газоконденсатных, 34 нефтегазовых, газонефтяных и нефтегазоконденсатных. На начало 2005 года в эксплуатации находилось 249 месторождений, на 50 из них добыча нефти превысила 1 млн. тонн в год  ( см. приложение № 3, 4)

 

Около 40 % запасов нефти  на месторождениях уже добыто. На текущие, то есть подготовленные к разработке (проинвестированые) запасы категорий А и В, приходиться соответственно 4 и 10% от начальных запасов промышленных категорий округа, на текущие разведанные (непроинвестированные) категории С1 – 31% на предварительно оценённые ресурсы категории С2 – 18%.

 

Таким образом, доля текущих  экономически благоприятных для  добычи запасов нефти

 

( текущих запасов категорий АВС1 ) от начальных, выявленных по округу, составляет 45%.

 

С 1993 года в округе проходят конкурсы (тендеры) на право разработки месторождении нефти. В нём участвуют  и российские и иностранные фирмы. Цель этих мероприятий состоит не только в привлечении финансовых средств для освоения новых месторождений, но и в решении технологических, экономических и социально-политических проблем. Предпочтения отдается проектам, которые гарантируют сохранение природной среды и получение максимальной экономической отдачи от производства работ.

 

 В рамках реализации  Программы лицензирования поисковых  участков недр на 2003-2005 года в  Ханты – Мансийском автономном  округе - Югре выдано 90 лицензий на  пользование недрами в целях  поиска и оценки месторождений  углеводородного сырья. Именно  этим объясняется рост объёмов  проведения сейсморазведочных работ  на углеводородное сырьё новыми  методами. В 2004 году объём сейсморазведочных  работ на углеводородное сырье  составил 19.4% пог. Км, что на 5.8% больше уровня 2003 года

 

Значительная часть ресурсов в распределённом фонде недр (РФН) приурочена к территориям крупнейших добывающих нефтяных компаний, на территории которых приходиться 71% начальных  потенциальных ресурсов нефти РФН  и 84% от суммарных начальных выявленных в распределённом фонде недр запасов  месторождений.

 

Обеспеченность выявленными  ресурсами при существующих уровнях  добычи у компаний различна. Некоторые  из них уже сейчас испытывают нехватку выявленных ресурсов для поддержания  уровней добычи в ближайшие годы.

 

В составе РФН находятся  наиболее изученные и перспективные  территории округа. Площадь перспективных  земель округа за пределами контуров выделенных лицензионных участков составляет 301.8 тыс. кв. км.

 

В течение 2004 года на распределенном фонде недр за счет средств бюджета  автономного округа открыто 11 новых  месторождений: Айкеаганское, Южно-Чистинское, Южно-Мытаяхинское, Южно-Ляминское (Сургутский район); Туканское (Нефтеюганский район); Новомостовское (Советский район); Тангинское и Западно-Симивидовское (Кондинский район); Торешское, Южно-Моимское, Октябрьское (Октябрьский район). В 2003 году было открыто 15 месторождений.

 

В настоящее время в  запасы месторождений переведено 11% начального потенциала нефти территории нераспределённого фонда недр (НФН), 13% его приходиться на перспективные  ресурсы нефти категории С3+Д0.

 

Анализ ресурсной базы округа свидетельствует, что для  дальнейшего и эффективного ее освоения, обеспечения добычи нефти текущими запасами категорий АВС1, необходима доразведка ресурсов категории С2, опоискование локальных объектов, оцененных по категориям С3 и Д0, увеличение объёмов сейсмических и буровых работ на малоисследованных территориях и горизонтах, где значительная часть потенциальных ресурсов еще не локализована, то есть приходиться на прогнозные ресурсы категорий Д1 и Д2.

 

     3.Получение исходного сырья и основные нефтехимические производства.

Получение исходного сырья  и основные нефтехимические производства

 

Нефтехимической промышленностью  принято называть производство химических продуктов на основе нефти и газа. К нефтехимическим производствам  относятся:

) производство сырья - олефинов, диенов, ароматических и  нафтеновых углеводородов;

) производство полупродуктов  - спиртов, альдегидов, кетонов, ангидридов, кислот и др.;

) производство поверхностно-активных  веществ;

) производство высокомолекулярных  соединений - полимеров.

1)В производстве продуктов нефтехимического синтеза большое место занимает подготовка углеводородного сырья и получение первичных исходных углеводородов: предельных (парафиновых), непредельных (олефиновых, диеновых, ацетилена), ароматических и нафтеновых. Основная их часть превращается в функциональные производные с активными группами, содержащими кислород, азот, хлор, фтор, серу и др. элементы. Нефтяные фракции и газы не могут быть прямо переработаны в товарные химические продукты. Для такой переработки нужно предварительно получить химически активные углеводороды, к которым относятся в первую очередь непредельные углеводороды (олефины): этилен С2Н4, пропилен С3Н6, бутилен С4Н8, и др. Основным промышленным методом получения олефинов является пиролиз различного газообразного и жидкого нефтяного сырья, что можно разобрать на примере этилена.

Этилен или этен СН2 = СН2 По химическим свойствам - типичный представитель олефинов, обладает высокой реакционной способностью. Основной метод получения этилена пиролиз жидких дистиллятов нефти или низших парафиновых углеводородов. Реакцию обычно проводят в трубчатых печах при 750-900 °С и давлении 0,3 МПа. В России, Западной Европе и Японии сырьем служит прямогонный бензин; выход этилен около 30% с одновременным образованием значительного количества жидких продуктов, в том числе ароматических углеводородов. При пиролизе газойля выход этилена составляет 15-25%. Разработан метод получения этилена из метана: 2СН4 С2Н4 + Н2; реакцию проводят на оксидах Mn, Tl, Cd или Рb при 500-900 °С в присутствии кислорода. Газы пиролиза разделяют дробной абсорбцией, глубоким охлаждением и ректификацией под давлением.

Еще одним видом сырья  для нефтехимического производства является ацетилен С2Н2, получаемый при  высокой температуре путем электрокрекинга (в условиях вольтовой дуги) метана или смеси пропан-бутана при температурах ~1500°С и термоокислительного пиролиза метана по реакции (вместе с этиленом). Для получения ацетилена используют также электродуговые и плазмохимические методы. Особенно эффективен электрокрекинг жидких углеводородов (метод Н.С. Печуро), позволяющий использовать любые CH-содержащие соединения (даже отходы хим. производств) для получения ацетилена, этилена, водорода и сажи. Серьезное внимание привлекают и гомологи ацетилена: CH2=C=CH2 (аллен), винилацетилен, диацетилен, которые образуются в процессах окислительного пиролиза метана, электрокрекинга углеводородов и пиролиза нефтяных фракций в производстве этилена и пропилена.

Следует подчеркнуть, что  выход конечной продукции зависит  не только от научно-технического уровня производства, но и в значительной степени от качественных характеристик  используемого химического сырья.

) Производство поверхностно-активных  веществ. Для производства синтетических  материалов необходимы ароматические  углеводороды - бензол, толуол, ксилол, нафталин и др. Бензол применяется  главным образом для производства  стирола и фенола. Рассмотрим  синтез бензола, так как он  широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для  производства лекарств, различных  пластмасс, синтетической резины, красителей. Бензол - один из наиболее  распространенных химических продуктов  и самое распространенное ароматическое  соединение. В физическом весе  пластмасс около 30%, в каучуках  и резинах - 66%, в синтетических  волокнах - до 80% приходится на ароматические  углеводороды, родоначальником которых  является бензол.

Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах  по большей части синтезируется  из других её компонентов. В зависимости  от технологии производства получают различные марки бензола. Бензол нефтяной получают в процессе каталитического  риформинга бензиновых фракций, каталитического гидродеалкилирования толуола и ксилола, а также при пиролизе нефтяного сырья. Бензол подразделяют на бензол нефтяной и каменноугольный «высшей очистки», «для синтеза», «высшего сорта», «первого сорта», «для нитрации», «технический», «сырой».

Основное количество бензола  получают каталитическим риформингом (470-550°С) нефтяной фракции, выкипающей при 62-85°С. Бензол выделяют и из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производствах этилена и пропилена. Этот способ является более выгодным экономически, поскольку в образующейся смеси продуктов на долю бензола приходится около 40% против 3% при риформинге. Однако сырьевые ресурсы для этого способа весьма ограничены, поэтому большую часть бензола производят риформингом.

Каталитический риформинг предназначен для повышения октанового числа прямогонных бензиновых фракций путём химического превращения углеводородов, входящих в их состав, до 92-100 пунктов. Процесс ведётся в присутствии алюмо-платино-рениевого катализатора. Повышение октанового числа происходит за счёт увеличения доли ароматических углеводородов. Продукты, полученные в результате риформинга узких бензиновых фракций, подвергаются разгонке с получением бензола, толуола и смеси ксилолов. Сырьем для каталитического риформинга служит тяжелая бензиновая фракция (нафта, или лигроин) - смесь парафинов, нафтенов и ароматических углеводородов.

В течение последних 15 лет  спрос на бензол и ксилолы начал  значительно опережать спрос  на толуол. В результате был разработан технологический процесс диспропорционирования толуола, позволяющий повысить объем производства этих продуктов. При диспропорционировании толуола происходит восстановление до бензола с потерей метильной группы и окисление до ксилола, так как метильная группа присоединяется к другой молекуле толуола. Катализаторами процесса служат платина и палладий, редкоземельные металлы и неодим, нанесенные на оксид алюминия, а также хром, нанесенный на алюмосиликат. Наглядно ознакомиться со схемой основных синтезов на основе бензола можно на рис. 1 (см. приложение).

При взаимодействии с низкомолекулярными олефинами (этилен, пропилен, бутилен) из фенола получают промежуточные продукты, необходимые для производства моющих веществ, смол и присадок к маслам. Толуол в основном используется как  высокооктановая добавка к моторным топливам и как растворитель. Ксилол применяется при производстве синтетических волокон («лавсан»). ?-Ксилол представляет собой главное сырье для производства терефталевой кислоты, используемой для производства полиэтилентерефталата (PET). Благодаря постоянному увеличению объемов производства PET промышленность требует все больших количеств ?-ксилола. Главный источник ?-ксилола - ректификация нефти, однако он уже не может покрыть все необходимые потребности промышленности в этом веществе, из-за чего возникает необходимость поиск новых источников ?-ксилола.