Нефть, газ и каменный уголь

 

Природные источники  углеводородов

Нефть, газ и каменный уголь 
 

11.11.2011

МОУ ПСШ№1

Отинова Валентина Андреевна 10(4)кл 

 

Содержание

1. Нефть

a) Физические свойства:

фракционная перегонка

б) Химические свойства:

крекинг , термический, каталитический крекинг

в) Получение

г) Применение

2. Газ

a) Получение

б) Применение

3. Каменный уголь 

a) Каменный уголь, коксование

б)  Применение

Заключение  
 
 

 

Нефть

Физические свойства

Нефть  –  это  маслянистая  горючая  жидкость,  обладающая  специфическим

запахом, обычно  коричневого  цвета   с  зеленоватым  или  другим  оттенком,

иногда почти черная, очень редко бесцветная.

Главнейшим свойством  нефти, принесшим  им  мировую  славу  исключительных

энергоносителей, является их способность выделять при сгорании  значительное

количество теплоты. Нефть и ее производные  обладают  наивысшей  среди  всех

видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти  – 41 МДж/кг,  бензина

– 42 МДж/кг. Важным показателем для нефти является  температура кипения,

которая  зависит от  строения  входящих  в состав  нефти углеводородов и

колеблется от 50 до 550°С.

   Нефть, как  и любая жидкость,  при  определенной  температуре  закипает  и

переходит в газообразное состояние. Различные компоненты нефти  переходят  в

газообразное состояние  при различной температуре. Так,  температура  кипения

метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С,  пентана 36,1°С.  Легкие  нефти

кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.

Нефть можно разделить  на ее составляющие, для этого ее очищают от механических примесей или  подвергают так называемой фракционной  перегонке.

Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.

Перегонка осуществляется в специальных установках – ректификационных колоннах, в которых повторяют  цикл конденсации и испарения  жидких веществ, содержащихся в нефти.

 Схема промышленной  установки непрерывной перегонки  нефти

В ректификационную колонну поступает нефть, нагретая в трубчатой печи до температуры 320-350 °С. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями - так называемые тарелки, на которых происходит конденсация фракции нефти.

В процессе ректификации нефти разделяется на следующие  фракции:

• Ректификационные газы – смесь низкомолекулярных углеводородов(пропан, бутан)
• Газолиновая фракция(бензин )  углеводороды от C₅H₁₂ – С₁₁H₂₄
• Лигроиновая фракция – углеводороды  от C₈H₁₈ – C₁₄H₃₀
• Керосиновая фракция – углеводороды от C₁₂H₂₆ – C₁₈H₃₈
• Дизельное топливо – углеводороды от C₁₃H₂₈ – C₁₉H₃₆

Остаток перегонки  нефти – мазут – содержит углеводороды с числом атомов углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазут получают соляровое масло (C₁₈H₂₈ - C₂₅H₅₂), смазочные масла(C₂₈H₅₈ – C₃₈H₇₈), вазелин и парафин – легкоплавкие смеси твердых углеводородов. Твердый остаток перегонки мазута – гудрон и продукты его переработки – битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий. 

Химические свойства

Нефти состоят главным  образом из углерода – 79,5 – 87,5 %  и  водорода  –

11,0 – 14,5 % от массы  нефти.  Кроме  них  в   нефтях  присутствуют  еще три

элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет  0,5

– 8  %.  В  незначительных  концентрациях  в  нефтях  встречаются элементы:

ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций,  марганец,

хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др.  Их  общее  содержание  не

превышает 0,02  –  0,03  %  от  массы  нефти.  Указанные  элементы  образуют

органические  и  неорганические  соединения,  из  которых   состоят   нефти.

Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера  может

встречаться в свободном  состоянии или входить в состав сероводорода.

В результате полученные ректификации нефти продукты подвергаются химической переработке, включающий ряд  сложных процессов. Один из них –  крекинг нефтепродуктов.

Крекинг – термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле.

Существуют несколько  видов крекинга: термический, каталитический крекинг, крекинг высокого давления, восстановительный крекинг.

Термический крекинг – расщепление молекул углеводородов с длинной углеродной цепью на более короткие под действием высокой температуры(470-550°С). Алканы распадаются за счет разрыва связей С–С (более прочные связи С–Н при такой температуре сохраняются) и образуются алканы и алкены с меньшим числом углеродных атомов.  

Например:  

C₆H₁₄

  C₂H₆ + C₄H₈

В общем виде это  процесс можно выразить схемой:

C_nH_2n+2

C_n-kH_2(n-k)+2 + C_kH_2k

При обычном термическом  крекинге образуется много низкомолекулярных  газообразных углеводородов, которые  используют как сырье для получения  спиртов, карбоновых кислот, высокомолекулярных соединений (полиэтилен).

Каталитический  крекинг происходит в присутствии катализаторов, в качестве которых используют природные алюмосиликаты состава nAl₂O₃ * mSiO₂ при температуре 500°С . Осуществление крекинга с применением катализаторов приводит к образованию углеводородов, имеющих разветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле.

Крекинг нефтепродуктов протекает при высоких температурах, поэтому часто образуется нагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает его активность. Очистка от нагара – его регенерация  – основное условие практического  осуществления каталитического  крекинга. Наиболее простым способ регенерации катализатора является его обжиг, при котором происходит окисление нагара кислородом воздуха. 

Каталитический крекинг  – гетерогенный процесс, в котором  участвуют твердое (катализатор)  и газообразные (пары углеводородов) вещества. Гетерогенные реакции (газ – твердое вещество) протекают быстрее при увеличении площади поверхности твердого вещества. Поэтому катализатор измельчают, а его регенерацию и крекинг углеводородов ведут в «кипящем слое», знакомом вам по производству серной кислоты.

Сырье для крекинга, например газойль, поступает в реактор(схема). Нижняя часть реактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья весьма высока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы катализатора и уносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диаметра  скорость потока понижается. Под действием силы тяжести частицы катализатора падают в нижнюю, более узкую часть реактора, откуда вновь выносятся вверх. Таким образом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном движении и со всех сторон омывается газообразным реагентом. 

Схема установки каталитического  крекинга в кипящем  слое

Некоторые зерна  катализатора попадают во внешнюю, более  широкую часть реактора и, встречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываются потоком газа и уносятся в регенератор.  Использование катализаторов крекинга позволяет несколько увеличить  скорость реакции, уменьшить ее температуру, повысить качество продуктов крекинга.

Полученные углеводороды бензиновой фракции в основном имеют  линейное строение, приводит к невысокой  детонационной устойчивости полученного бензина.  

Получение

Месторождение нефти  содержит, большие скопления попутного  нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением  вышележащих пород. Попутный нефтяной газ, как и нефть, является ценным природным источником углеводородов. По составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:

• Газовый бензин (пентан и гексан);
• Пропан - бутановую смесь (пропан и бутан);
• Сухой газ (метан и этан).

Применение

Газовый бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и так же добавкой к моторному топливу, для  облегчения запуска двигателей в  зимних условиях. Пропан - бутановую  смесь применяют как бытовое  топливо и для заполнения зажигалок. Сухой газ широко используют в качестве топлива. Нефтяной газ используется в качестве сырья для химических производств.  Из алканов в ходящий в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен,  непредельные и ароматические углеводороды и их производные. Газообразные углеводороды могут образовывать самостоятельные скопления – месторождение природного газа. 

Природный газ

Природный газ – смесь газообразных предельных углеводородов с не большой молекулярной массой. Основным компонентом газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Так же в природный газ входят этан, пропан, бутан, изобутан, азот и углекислый газ.

Получение

Месторождения природного газа находятся в пористых горных породах, образовавшихся в результате тектонических сдвигов. Слои, покрывающие  эти породы, не пропускают газ. Состав природного газа существенно отличается от одного месторождения к другому. Поэтому перед использованием природный  газ должен проходить обработку, позволяющую удалить ненужные компоненты, например, сернистокислую соль, воду и т.д. Обработка, как правило, осуществляется на месте добычи. При этом особую сложность представляет удаление серных  соединений, поскольку при их  сжигании выделяется токсичный сернистый газ (SO₂).

Применение

Природный газ используется как топливо, и в качестве сырья  для получения разнообразных  органических и неорганических веществ. Из метана получают водород, ацетилена  и метилового спирта, формальдегид и муравьиную кислоту. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах. Ценность природного газа как горючего состоит еще и в том, что это экологически чистое минеральное топливо. При его сгорании образуется гораздо меньше вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Поэтому природный газ является одним из главных источников энергии в человеческой деятельности.

В химической промышленности природный газ используется как  сырьё для получения различных  органических веществ, например, пластмасс, каучука, спирта, органических кислот. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, не существующие в природе, например, полиэтилен. 
 

Каменный  уголь

Каменный  уголь — осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Каменный уголь состоит из органических и неорганических веществ, например, как вода, аммиак, сероводород и углерод - уголь.

Коксование  – способ переработки каменного угля, прокаливание без доступа воздуха. При температуре около 1000°С, в результате коксования образуются: