Сообщение на тему: «Природные источники углеводородов»
Подготовила
Углеводороды
Углеводороды - соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода.
Углеводороды делят на циклические (карбоциклические соединения) и ациклические.
Циклическими (карбоциклическими) называют соединения, в состав которых входит один или более циклов, состоящих только из атомов углерода (в отличие от гетероциклических соединений, содержащих гетероатомы - азот, серу, кислород и т.
д.). Карбоциклические соединения, в свою очередь, делят на ароматические и неароматические (алициклические) соединения.
К ациклическим углеводородам относят органические соединения, углеродный скелет молекул которых представляет собой незамкнутые цепи.
Эти цепи могут быть образованы одинарными связями (алканы СnН2n+2), содержать одну двойную связь (алкены СnН2n), две или несколько двойных связей (диены или полиены), одну тройную связь (алкины СnН2n-2).
Как вы знаете, углеродные цепи являются частью большинства органических веществ. Таким образом, изучение углеводородов приобретает особое значение, так как эти соединения являются структурной основой остальных классов органических соединений.
Кроме того, углеводороды, в особенности алканы, - это основные природные источники органических соединений и основа наиболее важных промышленных и лабораторных синтезов.
Углеводороды являются важнейшим видом сырья для химической промышленности. В свою очередь, углеводороды достаточно широко распространены в природе и могут быть выделены из различных природных источников: нефти, попутного нефтяного и природного газа, каменного угля.
Рассмотрим их подробнее.
Нефть - природная сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвленного строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 атомов углерода, с другими органическими веществами.
Состав ее существенно зависит от места ее добычи (месторождения), она может, помимо алканов, содержать циклоалканы и ароматические углеводороды.
Газообразные и твердые компоненты нефти растворены в ее жидких составляющих, что и определяет ее агрегатное состояние. Нефть - маслянистая жидкость темного (от бурого до черного) цвета с характерным запахом, нерастворимая в воде. Ее плотность меньше, чем у воды, поэтому, попадая в нее, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода и других газов воздуха в воде.
Очевидно, что, попадая в природные водоемы, нефть вызывает гибель микроорганизмов и животных, приводя к экологическим бедствиям и даже катастрофам. Существуют бактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуя ее в безвредные продукты своей жизнедеятельности. Понятно, что именно использование культур этих бактерий наиболее экологически безопасный и перспективный путь борьбы с загрязнением окружающей среды нефтью в процессе ее добычи, транспортировки и переработки.
В природе нефть и попутный нефтяной газ, речь о котором пойдет ниже, заполняют полости земных недр. Представляя собой смесь различных веществ, нефть не имеет постоянной температуры кипения. Понятно, что каждый ее компонент сохраняет в смеси свои индивидуальные физические свойства, что и позволяет разделить нефть на ее составляющие. Для этого ее очищают от механических примесей, серосодержащих соединений и подвергают так называемой фракционной перегонке, или ректификации.
Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.
В процессе ректификации нефть разделяют на следующие фракции:
Ректификационные газы - смесь низкомолекулярных углеводородов, преимущественно пропана и бутана, с температурой кипения до 40 °С;
Газолиновую фракцию (бензин) - углеводороды состава от С5Н12 до С11Н24 (температура кипения 40-200 °С); при более тонком разделении этой фракции получают газолин (петролейный эфир, 40-70 °С) и бензин (70-120 °С);
Лигроиновую фракцию - углеводороды состава от С8Н18 до С14Н30 (температура кипения 150-250 °С);
Керосиновую фракцию - углеводороды состава от С12Н26 до С18Н38 (температура кипения 180-300 °С);
Дизельное топливо - углеводороды состава от С13Н28 до С19Н36 (температура кипения 200-350 °С).
Остаток перегонки нефти - мазут - содержит углеводороды с числом атомов углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазута получают соляровое масло (С18Н28-С25Н52), смазочные масла (С28Н58-С38Н78), вазелин и парафин - легкоплавкие смеси твердых углеводородов.
Твердый остаток перегонки мазута - гудрон и продукты его переработки - битум и асфальт используют для изготовления дорожных покрытий.
Попутный нефтяной газ
Месторождения нефти содержат, как правило, большие скопления, так называемого попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород.
Как и нефть, попутный нефтяной газ является ценным природным источником углеводородов. Он содержит в основном алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомов углерода. Очевидно, что по составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Однако, несмотря на это, он также широко используется и в качестве топлива, и в качестве сырья для химической промышленности. Еще несколько десятилетий назад на большинстве месторождений нефти попутный нефтяной газ сжигали как бесполезное приложение к нефти.
В настоящее время, например, в Сургуте, богатейшей нефтяной кладовой России, вырабатывают самую дешевую в мире электроэнергию, используя как топливо попутный нефтяной газ.
Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:
Газовый бензин - легколетучую смесь, состоящую в основном из лентана и гексана;
Пропан-бутановую смесь, состоящую, как ясно из названия, из пропана и бутана и легко переходящую в жидкое состояние при повышении давления;
Сухой газ - смесь, содержащую в основном метан и этан.
Газовый бензин, являясь смесью летучих компонентов с небольшой молекулярной массой, хорошо испаряется даже при низких температурах. Это позволяет использовать газовый бензин в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания на Крайнем Севере и как добавку к моторному топливу, облегчающую запуск двигателей в зимних условиях.
Пропан-бутановая смесь в виде сжиженного газа применяется как бытовое топливо (знакомые вам газовые баллоны на даче) и для заполнения зажигалок.
Постепенный перевод автомобильного транспорта на сжиженный газ - один из основных путей преодоления глобального топливного кризиса и решения экологических проблем.
Сухой газ, близкий по составу к природному, также широко используется в качестве топлива.
Однако применение попутного нефтяного газа и его составляющих в качестве топлива далеко не самый перспективный путь его использования.
Значительно более эффективно использовать компоненты попутного нефтяного газа в качестве сырья для химических производств. Из алканов, входящих в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и их производные.
Газообразные углеводороды могут не только сопровождать нефть в земной коре, но и образовывать самостоятельные скопления - месторождения природного газа.
Природный газ
Природный газ - смесь газообразных предельных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонентом природного газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему.
Кроме метана в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ.
Как и попутный нефтяной, природный газ используется и как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ.
Вы уже знаете, что из метана, основного компонента природного газа, получают водород, ацетилен и метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту, многие другие органические вещества. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах.
Чиркая спичкой и зажигая газ в кухонной газовой плите городского дома, вы «запускаете» цепную реакцию окисления алканов, входящих в состав природного газа.
Каменный уголь
Кроме нефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источником углеводородов является каменный уголь.
0н образует мощные пласты в земных недрах, его разведанные запасы значительно превышают запасы нефти. Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество различных органических веществ.
Кроме органических, в его состав входят и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод - уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование - прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре около 1000 °С, образуются:
Коксовый газ, в состав которого входят водород, метан, Угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов;
каменноугольная смола, содержащая несколько сотен раз-Личных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения;
надсмолъная, или аммиачная вода, содержащая, как ясно из названия, растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества;
кокс - твердый остаток коксования, практически чистый углерод.
Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить.
Вывод: таким образом, нефть, попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь не только ценнейшие источники углеводородов, но и часть уникальной кладовой невосполнимых природных ресурсов, бережное и разумное использование которых - необходимое условие прогрессивного развития человеческого общества.
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые. Большинство органических веществ получают из природных источников. В процессе синтеза органических соединений в качестве сырья используют природные и сопутствующие газы, каменный и бурый уголь, нефть, горючие сланцы, торф, продукцию животного и растительного происхождения.
Каков состав природного газа
Качественный состав природного газа это компоненты двух групп: органические и неорганические.
К органическим составляющим относятся: метан — СН4; пропан — С3Н8; бутан — С4Н10; этан — С2Н4; более тяжелые углеводороды с количеством атомов углерода больше пяти. Неорганические компоненты включают в себя следующие соединения: водород (в небольших количествах) — Н2; углекислый газ — СО2; гелий — Не; азот — N2; сероводород — H2S.
Каким именно будет состав той или иной смеси, зависит от источника, то есть месторождения. Этими же причинами объясняются и различные физико-химические свойства природного газа.
Химический состав
Основную часть природного газа составляет метан (CH4) - до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды:
* этан (C2H6),
* пропан (C3H8),
* бутан (C4H10)
- гомологи метана, а также другие неуглеводородные вещества:
* водород (H2),
* сероводород (H2S),
* диоксид углерода (СО2),
* азот (N2),
* гелий (Не) .
Природный газ не имеет цвета и запаха.
Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество меркаптанов, имеющих сильный неприятный запах
Какие преимущества природного газа перед другими видами топлива
1. упрощенная добыча (не нуждается в искусственном откачивание)
2. готов к использованию без промежуточных переработок (перегонок)
транспортировка как в газообразном, так и в жидком состоянии.
4. минимальные выбросы вредных веществ при сгорании.
5. удобство подачи топлива в уже газообразном состоянии при его сжигании (меньшая себестоимость оборудования, использующего данный вид топлива)
запасы наиболее обширные, чем другие виды топлива (меньше рыночная\ стоимость)
7. использование в больших отраслях народного хозяйства, чем другие виды топлива.
достаточное количество в недрах России.
9. выбросы самого топлива при авариях менее токсичны для окружающей среды.
10. высокая температура горения для использования в технологических схемах народного хозяйства и т. д. и т. п.
Применение в химической промышленности
Его используют для получения пластмассы, спирта, каучука, органических кислот. Только с использованием природного газа можно синтезировать такие химические вещества, которые просто не встретишь в природе, к примеру, полиэтилен.
метан применяется как сырье для производства ацетилена, аммиака, метанола и цианистого водорода. При этом природный газ является главной сырьевой базой при производстве аммиака. Практически три четверти всего аммиака применяется для производства азотных удобрений.
Цианистый водород, получаемый уже из аммиака, вместе с ацетиленом служит первоначальным сырьем для производства различных синтетических волокон. Из ацетилена можно вырабатывать разные пласты-каты, которые довольно широко применяются в промышленности и в быту.
Также при помощи него производится ацетатный шелк.
Природный газ является одним из лучших видов топлива, которые используются для промышленных и бытовых нужд. Его ценность как горючего состоит также в том, что это минеральное топливо довольно чистое экологически. При его сгорании появляется гораздо меньше вредных веществ, если сравнить с другими видами топлива.
Важнейшие нефтепродукты
Из нефти в процессе переработки получают топливо (жидкое и газообразное), смазочные масла и консистентные смазки, растворители, индивидуальные углеводороды – этилен, пропилен, метан, ацетилен, бензол, толуол, ксило и др., твердые и полутвердые смеси углеводородов (парафин, вазелин, церезин), нефтяные битумы, технический углерод (сажу), нефтяные кислоты и их производные.
Жидкое топливо, получаемое нефтепереработкой, подразделяют на моторное и котельное.
К газообразному топливу относят углеводородные сжиженные топливные газы, применяемые для коммунально-бытового обслуживания. Это смеси пропана и бутана в разных соотношениях.
Смазочные масла, предназначенные для обеспечения жидкостной смазки в различных машинах и механизмах, подразделяют в зависимости от применения на индустриальные, турбинные, компрессорные, трансмиссионные, изоляционные, моторные.
Консистентные смазки представляют собой нефтяные масла, загущенные мылами, твердыми углеводородами и другими загустителями.
Индивидуальные углеводороды, получаемые в результате переработки нефти и нефтяных газов, служат сырьем для производства полимеров и продуктов органического синтеза.
Из них наиболее важны предельные – метан, этан, пропан, бутан; непредельные – этилен, пропилен; ароматические – бензол, толуол, ксилолы. Также продуктами переработки нефти являются предельные углеводороды с большой молекулярной массой (С16 и выше) – парафины, церезины, применяемые в парфюмерной промышленности и в виде загустителей для консистентных смазок.
Нефтяные битумы, получаемые из тяжелых нефтяных остатков путем их окисления, используют для дорожного строительства, для получения кровельных материалов, для приготовления асфальтовых лаков и полиграфических красок и др.
Одним из главных продуктов переработки нефти является моторное топливо, которое включает авиационные и автомобильные бензины.
Какие главные природные источники углеводородов вам известны?
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые.
Большинство органических веществ получают из природных источников. В процессе синтеза органических соединений в качестве сырья используют природные и сопутствующие газы, каменный и бурый уголь, нефть, горючие сланцы, торф, продукцию животного и растительного происхождения.
12Следующая ⇒
Ответы к параграфу 19
1. Какие главные природные источники углеводородов вам известны?
Нефть, природный газ, сланцы, каменный уголь.
Каков состав природного газа? Покажите на географической карте важнейшие месторождения: а) природного газа; б) нефти; в) каменного угля.
3. Какие преимущества по сравнению с другими видами топлива имеет природный газ? Для каких целей используют природный газ в химической промышленности?
Природный газ, по сравнению с другими источниками углеводородов, наиболее легок в добыче, транспортировке и переработке.
В химической промышленности природный газ используется в качестве источника низкомолекулярных углеводородов.
4. Напишите уравнения реакций получения: а) ацетилена из метана; б) хлоропренового каучука из ацетилена; в) тетрахлорметана из метана.
5. Чем отличаются попутные нефтяные газы от природного газа?
Попутные газы – это летучие углеводороды, растворенные в нефти.
Их выделение происходит путем перегонки. В отличие от природного газа, может быть выделен на любой стадии разработки нефтяного месторождения.
6. Охарактеризуйте основные продукты, получаемые из попутных нефтяных газов.
Основные продукты: метан, этан, пропан, н-бутан, пентан, изобутан, изопентан, н-гексан, н-гептан, изомеры гексана и гептана.
Назовите важнейшие нефтепродукты, укажите их состав и области их применения.
8. Какие смазочные масла используют на производстве?
Моторные масла трансмиссионные, индустриальные, смазочно-охлаждающие эмульсии для металлорежущих станков и др.
Как осуществляют перегонку нефти?
10. Что такое крекинг нефти? Составьте уравнение реакций расщепления углеводородов 
и 
при этом процессе.
Почему при прямой перегонке нефти удается получить не более 20 % бензина?
Потому, что содержание бензиновой фракции в нефти ограниченно.
12. Чем отличается термический крекинг от каталитического? Дайте характеристику бензинов термического и каталитического крекингов.
При термическом крекинге необходимо нагревать реагирующие вещества до высоких температур, при каталитическом – введение катализатора снижает энергию активации реакции, что позволяет существенно уменьшить температуру реакции.
Как практически можно отличить крекинг-бензин от бензина прямой перегонки?
Крекинг-бензин обладает более высоким октановым числом, по сравнению с бензином прямой перегонки, т.е. детонационно более устойчив и рекомендуется для использованию в двигателях внутреннего сгорания.
14. Что такое ароматизация нефти? Составьте уравнения реакций, поясняющих этот процесс.
Какие основные продукты получают при коксовании каменного угля?
Нафталин, антрацен, фенантрен, фенолы и каменноугольные масла.
16. Как получают кокс и где его используют?
Кокс – твердый пористый продукт серого цвета, получаемый путём кокосования каменного угля при температурах 950-1100 без доступа кислорода.
Его применяют для выплавки чугуна, как бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов.
17. Какие основные продукты получают:
а) из каменноугольной смолы; б) из надсмольной воды; в) из коксового газа? Где они применяются? Какие органические вещества можно получить из коксового газа?
а)бензол, толуол, нафталин – химическая промышленность
б)аммиак, фенолы, органические кислоты – химическая промышленность
в)водород, метан, этилен – топливо.
Вспомните все основные способы получения ароматических углеводородов. Чем различаются способы получения ароматических углеводородов из продуктов коксования каменного угля и нефти? Напишите уравнения соответствующих реакций.
Различаются способами получения: первичная переработка нефти основана на различии в физических свойствах различных фракций, а коксование основано сугубо на химических свойствах каменного угля.
Поясните, как в процессе решения энергетических проблем в стране будут совершенствоваться пути переработки и использования природных углеводородных ресурсов.
Поиск новых источников энергии, оптимизация процессов добычи и переработки нефти, разработка новых катализаторов для удешевления всего производства и т.д.
20. Каковы перспективы получения жидкого топлива из угля?
В перспективе получение жидкого топлива из угля возможно, при условии снижения затрат на его производство.
Задача 1.
Известно, что газ содержит в объемных долях 0,9 метана, 0,05 этана, 0,03 пропана, 0,02 азота. Какой объем воздуха потребуется, чтобы сжечь 1 м3 этого газа при нормальных условиях?
Задача 2.
Какой объем воздуха (н.у.) необходим, чтобы сжечь 1 кг гептана?
Задача 3. Вычислите, какой объем (в л) и какая масса (в кг) оксида углерода (IV) получится при сгорании 5 моль октана (н.у.).
Основными источниками углеводородов на нашей планете являются природный газ , нефть и каменный уголь . Миллионы лет консервации в недрах земли выдержали наиболее устойчивые из углеводородов: насыщенные и ароматические.
Природный газ состоит в основном из метана с примесями других газообразных алканов, азота, углекислого и некоторых других газов; каменный уголь содержит в основном полициклические ароматические углеводороды .
Нефть, в отличие от природного газа и угля, содержит всю гамму компонентов:
Присутствуют в нефти и другие вещества: гетероатомные органические соединения (содержат серу, азот, кислород и другие элементы), вода с растворёнными в ней солями, твёрдые частицы других пород и прочие примеси.
Интересно знать!Углеводороды встречаются и в космосе, в том числе на других планетах.
Например, метан составляет значительную часть атмосферы Урана и обуславливает её светло-бирюзовую окраску, наблюдаемую в телескоп. Атмосфера Титана, крупнейшего спутника Сатурна, состоит в основном из азота, но содержит также углеводороды метан, этан, пропан, этин, пропин, бутадиин и их производные; порой там идут метановые дожди, и углеводородные реки стекаются в углеводородные озёра на поверхности Титана.
Присутствие ненасыщенных углеводородов наряду с насыщенными и молекулярным водородом обусловлено воздействием солнечной радиации.
Менделееву принадлежит фраза: «Сжигать нефть - всё равно, что топить печь ассигнациями». Благодаря появлению и развитию технологий переработки нефти она в XX веке из обычного топлива превратилась в ценнейший источник сырья для химической промышленности.
Нефтепродукты в настоящее время используются почти во всех отраслях производства.
Первичная переработка нефти представляет собой подготовку , то есть очистку нефти от неорганических примесей и растворённого в ней нефтяного газа, и перегонку , то есть физическое разделение на фракции в зависимости от температуры выкипания:
Из мазута, остающегося после перегонки нефти при атмосферном давлении, под действием вакуума выделяют компоненты большой молекулярной массы, пригодные для переработки в минеральные масла, моторные топлива и прочие продукты, а остаток - гудрон - используется для производства битумов.
В процессе вторичной переработки нефти отдельные фракции подвергаются химическим превращениям .
Это крекинг, риформинг, изомеризация и множество других процессов, позволяющих получать ненасыщенные и ароматические углеводороды, алканы разветвлённого строения и прочие ценные нефтепродукты. Часть из них расходуется на производство высококачественного топлива и различных растворителей, а часть является сырьём для получения новых органических соединений и материалов для самых разных отраслей промышленности.
Но следует помнить, что запасы углеводородов в природе пополняются намного медленнее, чем их расходует человечество, а сам процесс переработки и сжигания нефтепродуктов вносит сильные отклонения в химический баланс природы.
Разумеется, рано или поздно природа восстановит равновесие, но это может обернуться серьёзными проблемами для человека. Поэтому необходимы новые технологии , чтобы в будущем отказаться от использования углеводородов в качестве топлива.
Для решения таких глобальных задач необходимо развитие фундаментальной науки и глубокое понимание окружающего нас мира.
В ходе урока вы сможете изучить тему «Природные источники углеводородов. Переработка нефти». Более 90% всей энергии, потребляемой человечеством в настоящее время, добывается из ископаемых природных органических соединений. Вы узнаете о природных ископаемых (природном газе, нефти, каменном угле), о том, что происходит с нефтью после ее добычи.
Тема: Предельные углеводороды
Урок: Природные источники углеводородов
Около 90% энергии, потребляемой современной цивилизацией, образуется при сжигании природных горючих ископаемых - природного газа, нефти и каменного угля.
Россия - страна, богатая запасами природных горючих ископаемых. Большие запасы нефти и природного газа есть в Западной Сибири и Приуралье. Каменный уголь добывают в Кузнецком, Южно-Якутском бассейнах и других регионах.
Природный газ состоит в среднем по объему на 95% из метана.
Кроме метана, в природном газе разных месторождений содержатся азот, углекислый газ, гелий, сероводород, а также другие легкие алканы - этан, пропан и бутаны.
Природный газ добывают из подземных месторождений, где он находится под большим давлением. Метан и другие углеводороды образуются из органических веществ растительного и животного происхождения при их разложении без доступа воздуха. Метан образуется постоянно и в настоящее время в результате деятельности микроорганизмов.
Метан обнаружен на планетах Солнечной системы и их спутниках.
Чистый метан не имеет запаха. Однако используемый в быту газ имеет характерный неприятный запах. Так пахнут специальные добавки - меркаптаны. Запах меркаптанов позволяет вовремя обнаружить утечку бытового газа. Смеси метана с воздухом взрывоопасны в широком диапазоне соотношений - от 5 до 15% газа по объему. Поэтому при ощущении запаха газа в помещении нельзя не только зажигать огонь, но и пользоваться электрическими выключателями. Малейшая искра способна вызвать взрыв.
Рис. 1. Нефть разных месторождений
Нефть - густая жидкость, похожая на масло. Цвет ее - от светло-желтой до коричневой и черной.
Рис. 2. Месторождения нефти
Нефть разных месторождений сильно различается по составу. Рис. 1. Основная часть нефти - углеводороды, содержащие 5 и более атомов углерода. В основном, эти углеводороды относятся к предельным, т.е. алканам. Рис. 2.
В состав нефти входят также органические соединения, содержащие серу, кислород, азот, Нефть содержит воду и неорганические примеси.
В нефти растворены газы, которые выделяются при ее добыче - нефтяные попутные газы . Это метан, этан, пропан, бутаны с примесями азота, углекислого газа и сероводорода.
Каменный уголь , как и нефть, представляет собой сложную смесь. На долю углерода в нем приходится 80-90%. Остальное - водород, кислород, сера, азот и некоторые другие элементы. В буром угле доля углерода и органических веществ ниже, чем в каменном. Еще меньше органики в горючих сланцах .
В промышленности каменный уголь нагревают до 900-1100 0 С без доступа воздуха. Этот процесс называется коксованием . В результате получается необходимый для металлургии кокс с высоким содержанием углерода, коксовый газ и каменноугольная смола. Из газа и смолы выделяют много органических веществ. Рис. 3.
Рис. 3. Устройство коксовой печи
Природный газ и нефть являются важнейшими источниками сырья для химической промышленности. Нефть в том виде, как ее добывают, или «сырую нефть», трудно использовать даже в качестве топлива. Поэтому сырую нефть разделяют на фракции (от англ. «fraction» - «часть»), используя различия в температурах кипения составляющих ее веществ.
Способ разделения нефти, основанный на разных температурах кипения составляющих ее углеводородов, называется перегонкой или дистилляцией. Рис. 4.
Рис. 4. Продукты переработки нефти
Фракцию, которая перегоняется примерно от 50 до 180 0 С, называют бензином .
Керосин кипит при температурах 180-300 0 С.
Густой черный остаток, не содержащий легколетучих веществ, называется мазутом .
Существует и ряд промежуточных фракций, кипящих в более узких диапазонах - петролейные эфиры (40-70 0 С и 70-100 0 С), уайт-спирит (149-204°С), а также газойль (200-500 0 С). Они используются в качестве растворителей. Мазут можно перегнать при пониженном давлении, таким путем из него получают смазочные масла и парафин. Твердый остаток от перегонки мазута - асфальт . Его используют для производства дорожных покрытий.
Переработка попутных нефтяных газов является отдельной отраслью и позволяет получить ряд ценных продуктов.
Подведение итога урока
В ходе урока вы изучили тему «Природные источники углеводородов. Переработка нефти». Более 90% всей энергии, потребляемой человечеством в настоящее время, добывается из ископаемых природных органических соединений. Вы узнали о природных ископаемых (природном газе, нефти, каменном угле), о том, что происходит с нефтью после ее добычи.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2008. - 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений/ В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин и др. - М.: Дрофа, 2010. - 462 с.
4. Хомченко Г.П., Хомченко И.Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. - 4-е изд. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. - 278 с.
Домашнее задание
1. №№ 3, 6 (с. 74) Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: Органическая химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень/ Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е издание. - М.: Просвещение, 2012.
2. Чем отличается попутный нефтяной газ от природного газа?
3. Как осуществляется перегонка нефти?
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ И ИХ ПЕРЕРАБОТКА
1.Основные направления промышленной переработки природного газа
А) топливо, источник энергии
Б) получение парафинов
В) получение полимеров
Г) получение растворителей.
2.Какой химический метод используют для первичной переработки нефти?
А) сжигание
Б) разложение
В) фракционная перегонка
Г) крекинг.
3.Источником, каких углеводородов является каменноугольная смола?
А) предельных
Б) ароматических
В) непредельных
Г) циклопарафинов.
4.Почему переработка угля носит название сухой перегонки?
А) проводится без доступа воздуха
Б) без доступа воды
В) осушают продукты
Г) перегоняют сухим паром.
5.Главным компонентом природного газа является
А) этан
Б) бутан
В) бензол
Г) метан.
6. Основной тип переработки природного газа:
А) получение синтез-газа
Б) как топливо
В) получение ацетилена
Г) получение бензина
7. Экономически выгодное и экологически безопасное топливо – это..
А) каменный уголь
Б) природный газ
В) торф
Г) нефть
8. Перегонка нефти основана:
А) на разных температурах кипения составляющих компонентов
Б) на разности плотности составляющих компонентов
В) на различной растворимости составляющих компонентов
Г) на разной растворимости в воде
9. Что вызывает коррозию труб при перегонке и переработке нефти?
А) наличие в составе нефти песка
Б) глины
В) серы
Г) азота
10. Переработка нефтепродуктов с целью получения углеводородов с меньшей молекулярной массой называется:
А) пиролиз
Б) крекинг
В) разложение
Г) гидрогенизация
11. Каталитический крекинг позволяет получить углеводороды:
А) нормального (неразветвленного строения)
Б) разветвленные
В) ароматические
Г) непредельные
12. В качестве антидетонатора топлива используется:
А) хлорид алюминия
Б) тетраэтилсвинец
В) хлорид свинца
Г) ацетат кальция
13. Природный газ не используется как:
А) сырье в производстве сажи
Б) сырье в органическом синтезе
В) реагент в фотосинтезе
Г) топливо в быту
14. С химической точки зрения газификация – это …
А) доставка бытового газа потребителям
Б) прокладка газовых труб
В) превращение ископаемого угля в газ
Г) обработка материалов газом
15. Не относится к фракциям перегонки нефти
А) керосин
Б) мазут
В) смола
Г) газойль
16. Название, никак не относящееся к моторным топливам, - это …
А) бензин
Б) керосин
В) этин
Г) газойль
17. При крекинге октана образуется алкан с числом атомов углерода в молекуле, равным …
А) 8
Б) 6
В) 4
Г) 2
18. При крекинге бутана образуется олефин -
А) октен
Б) бутен
В) пропен
Г) этен
19. Крекинг нефтепродуктов - это
А) разделение углеводородов нефти на фракции
Б) превращение предельных углеводородов нефти в ароматические
В) термическое или каталитическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле
Г) превращение ароматических углеводородов нефти в предельные
20. Основные природные источники предельных углеводородов - …
А) болотный газ и каменный уголь;
Б) нефть и природный газ;
В) асфальт и бензин;
Г) кокс и полиэтилен.
21. Какие углеводороды входят в состав попутного нефтяного газа?
А) метан, этан, пропан, бутан
Б) пропан, бутан
В) этан, пропан
Г) метан, этан
22. Каковы продукты пиролиза каменного угля?
А) кокс, коксовый газ
Б) кокс, каменная смола
В) кокс, коксовый газ, каменноугольная смола, раствор аммиака и сероводорода
Г) кокс, коксовый газ, каменноугольная смола
23. Укажите физический способ переработки нефти
А) риформинг
Б) фракционная перегонка
В) каталитический крекинг
Г) термический крекинг
ОТВЕТЫ:
1 ___
2 ___
3 ___
4 ___
5 ___
6 ___
7 ___
8 ___
9 ___
10___
11___
12___
13___
14___
15___
16___
17___
18___
19___
20___
21___
22___
23___
Критерии оценки:
9 – 12 баллов – «3»
13 – 16 баллов - «4»
17 – 23 балла – «5»
Природный источник углеводородов | Его основные характеристики |
Нефть | Многокомпонентная смесь, состоящая преимущественно из углеводородов. Углеводороды представлены в основном алканами, циклоалканами и аренами. |
Попутный нефтяной газ | Смесь, состоящая практически только из алканов с длинной углеродной цепью от 1 до 6-ти углеродных атомов, образуется попутно при добыче нефти, отсюда и происхождение названия. Имеет место такая тенденция: чем меньше молекулярная масса алкана, тем его процентное содержание в попутном нефтяном газе выше. |
Природный газ | Смесь, состоящая преимущественно из низкомолекулярных алканов. Основной компонент природного газа — метан. Его процентное содержание в зависимости от месторождения газа может быть от 75 до 99%. На втором месте по концентрации с большим отрывом — этан, еще меньше содержится пропана и т.д. Принципиальное отличие природного газа от попутного нефтяного заключается в том, что в попутном нефтяном газе намного выше доля пропана и изомерных бутанов. |
Каменный уголь | Многокомпонентная смесь различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Также в состав каменного угля входит значительное количество неорганических веществ, доля которых существенно выше, чем в нефти. |
Переработка нефти
Нефть представляет собой многокомпонентную смесь различных веществ преимущественно углеводородов. Данные компоненты отличаются друг от друга по температурам кипения. В связи с этим, если нагревать нефть, то сначала из нее будут улетучиваться наиболее легкокипящие компоненты, затем соединения с более высокой температурой кипения и т.д. На данном явлении основана первичная переработка нефти , заключающаяся в перегонке (ректификации) нефти. Данный процесс называют первичным, поскольку предполагается, что при его протекании не происходят химические превращения веществ, а нефть лишь разделяется на фракции с различными температурами кипения. Ниже представлена принципиальная схема ректификационной колонны с кратким описанием самого процесса перегонки:
Перед процессом ректификации нефть специальным образом подготавливают, а именно, избавляют от примесной воды с растворенными в ней солями и от твердых механических примесей. Подготовленная таким образом нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры (320-350 о С). После нагревания в трубчатой печи нефть, обладающая высокой температурой, поступает в нижнюю часть ректификационной колонны, где происходит испарение отдельных фракций и подъем их паров вверх по ректификационной колонне. Чем выше находится участок ректификационной колонны, тем его температура ниже. Таким образом, на разной высоте отбирают следующие фракции:
1) ректификационные газы (отбирают в самой верхней части колонны, в связи с чем их температура кипения не превышает 40 о С);
2) бензиновая фракция (температуры кипения от 35 до 200 о С);
3) лигроиновая фракция (температуры кипения от 150 до 250 о С);
4) керосиновая фракция (температуры кипения от 190 до 300 о С);
5) дизельную фракцию (температуры кипения от 200 до 300 о С);
6) мазут (температуры кипения более 350 о С).
Следует отметить, что средние фракции, выделяемые при ректификации нефти, не удовлетворяют стандартам, предъявляемым к качествам топлив. Кроме того, в результате перегонки нефти образуется немалое количество мазута — далеко не самого востребованного продукта. В связи с этим после первичной переработки нефти стоит задача повышения выхода более дорогих, в частности, бензиновых фракций, а также повышения качества этих фракций. Эти задачи решаются с применением различных процессов вторичной переработки нефти , например, таких как крекинг и риформинг .
Следует отметить, что количество процессов, используемых при вторичной переработке нефти, значительно больше, и мы затрагиваем лишь одни из основных. Давайте теперь разберемся, в чем же заключается смысл этих процессов.
Крекинг (термический или каталитический)
Данный процесс предназначен для повышения выхода бензиновой фракции. Для этой цели тяжелые фракции, например, мазут подвергают сильному нагреванию чаще всего в присутствии катализатора. В результате такого воздействия длинноцепочечные молекулы, входящие в состав тяжелых фракций, рвутся и образуются углеводороды с меньшей молекулярной массой. Фактически это приводит к дополнительному выходу более ценной, чем исходный мазут, бензиновой фракции. Химическую суть данного процесса отражает уравнение:
Риформинг
Данный процесс выполняет задачу улучшения качества бензиновой фракции, в частности повышения ее детонационной устойчивости (октанового числа). Именно эта характеристика бензинов указывается на бензозаправках (92-й, 95-й, 98-й бензин и т.д.).
В результате процесса риформинга повышается доля ароматических углеводородов в бензиновой фракции, имеющих среди прочих углеводородов одни из самых высоких октановых чисел. Достигается такое увеличение доли ароматических углеводородов в основном в результате протекания при процессе риформинга реакций дегидроциклизации. Например, при достаточно сильном нагревании н -гексана в присутствии платинового катализатора он превращается в бензол, а н-гептан аналогичным образом — в толуол:
Переработка каменного угля
Основным способом переработки каменного угля является коксование . Коксованием угля называют процесс, при котором уголь нагревают без доступа воздуха. При этом в результате такого нагревания из угля выделяют четыре основных продукта:
1) Кокс
Твердая субстанция, представляющая собой практически чистый углерод.
2) Каменноугольная смола
Содержит большое количество разнообразных преимущественно ароматических соединений, таких как бензол его гомологи, фенолы, ароматические спирты, нафталин, гомологи нафталина и т.д.;
3) Аммиачная вода
Несмотря на свое название данная фракция, помимо аммиака и воды, содержит также фенол, сероводород и некоторые другие соединения.
4) Коксовый газ
Основными компонентами коксового газа являются водород, метан, углекислый газ, азот, этилен и т.д.
Споры о форме Земли не умаляют значения ее содержимого. Самым главным ископаемым всегда были подземные воды. Они обеспечивают первоочередную потребность человеческого организма. Однако без ископаемого топлива, которое является основным поставщиком энергии для цивилизации людей, жизнь человека представляется совершенно другой.
Топливо - источник энергии
Среди всех ископаемых, сокрытых в недрах Земли, топливо относится к горючему (или осадочному) виду.
Основа углеводородная, поэтому одним из эффектов реакции горения является выделение энергии, которую легко можно использовать для улучшения комфортности жизни человека. За последнее десятилетие около 90% всей используемой на Земле энергии было произведено при помощи ископаемого топлива. Этот факт заставляет о многом задуматься, если учесть, что богатства недр планеты относятся к невозобновляемым источниками энергии и со временем истощаются.
Виды топлива
Основные виды топлива |
|||
твердые | жидкие | газообразные | дисперсные |
Поставщиком всех видов ископаемого топлива являются нефть, уголь и природный газ.
Краткая используемых как топливо
Сырьем для производства энергоносителей являются нефть, уголь, горючие сланцы, природный газ, газовые гидраты, торф.
Нефть - жидкость, относящаяся к горючим (осадочным) ископаемым. Состоит из углеводородов и иных химических элементов. Цвет жидкости, в зависимости от состава, варьируется между светло-коричневым, темно-коричневым и черным цветами. Редко встречаются составы желто-зеленого и бесцветного окраса. Наличие в нефти азота, серы и кислородосодержащих элементов определяют ее цвет и запах.
Уголь - название латинского происхождения. Carbō - международное название углерода. В составе присутствуют битумные массы и остатки растений. Это органическое соединение, ставшее объектом медленного разложения под действием внешних факторов (геологических и биологических).
Горючие сланцы, как и уголь , являются представителем группы твердых горючих ископаемых, или каустобиолитов (что в дословном переводе с греческого языка звучит как «горючий жизненный камень»). При сухой перегонке (под воздействием высоких температур) образовывает смолы, близкие по своему химическому составу к нефти. В составе сланцев преобладают минеральные вещества (кальцид, доломит, кварц, пирит и др.), но присутствуют и органические (кероген), которые только в породах высокого качества достигают 50% всего состава.
Природный газ - газообразное вещество, образовывающееся при разложении органических веществ. В недрах Земли встречаются три вида накопления смесей газов: отдельные скопления, газовые шапки нефтяных месторождений и в составе нефти или воды. При оптимальных климатических условиях вещество находится только в газообразном состоянии. Возможно нахождение в земных недрах в виде кристаллов (естественные газогидраты).
Газовые гидраты - кристаллические образования, образующиеся из воды и газа при определенных условиях. Относятся к группе соединений переменного состава.
Торф - рыхлая порода, используемая как топливо, теплоизоляционный материал, удобрение. Является газоносным полезным ископаемым, применяется в качестве топлива во многих регионах.
Происхождение
Все, что современный человек добывает в недрах земли, относится к невозобновляемым природным ресурсам. Для их появления потребовались миллионы лет и особые геологические условия. Большое количество ископаемого топлива образовалось в мезозое.
Нефть - согласно биогенной теории ее происхождения, образование длилось на протяжении сотен миллионов лет из органических веществ осадочных пород.
Уголь - образовывается при условии, что разлагающийся растительный материал пополняется быстрее, чем происходит его разложение. Подходящим местом для такого процесса являются болота. Стоячая вода предохраняет пласт растительной массы от полного разрушения бактериями посредством малого содержания в ней кислорода. Уголь делится на гумусовый (происходит из остатков древесины, листьев, стеблей) и сапропелитовый (образован в основном из водорослей).
Сырьем для образования угля можно назвать торф. При условии погружения его под слои наносов происходит потеря воды и газов под воздействием сжатия и образование угля.
Горючие сланцы - органическая составляющая образована при помощи биохимических преобразований простейших водорослей. Делится на два вида: талломоальгинит (содержит водоросли с сохранной клеточной структурой) и коллоальгинит (водоросли с потерей клеточной структуры).
Природный газ - согласно все той же теории биогенного происхождения ископаемых, природный газ образуется при больших показаниях давления и температуры, нежели нефть, что доказывается более глубоким залеганием месторождений. Образовываются же они из одинакового природного материала (останки живых организмов).
Газовые гидраты - это такие образования, для появления которых необходимы специальные термобарические условия. Поэтому образовываются они в основном на морских донных осадках и мерзлых породах. Также могут образовываться на стенках труб при добыче газа, в связи с чем ископаемое подогревают до температуры выше гидратообразования.
Торф - образовывается в условиях болот из не полностью разложившихся органических остатков растений. Откладывается на поверхности почвы.
Добыча
Каменный уголь и природный газ различаются не только способами подъема на поверхность. Глубже остальных расположены месторождения газа - от одного до нескольких километров вглубь. Находится вещество в порах коллекторов (пласт, содержащий природный газ). Силой, заставляющей подниматься вещество вверх, является разность давления в подземных пластах и системе сбора. Добыча происходит при помощи скважин, которые стараются распределить равномерно на протяжении всего месторождения. Добыча топлива, таким образом, позволяет избежать перетоков газа между участками и несвоевременного обводнения залежей.
Технологии добычи нефти и газа имеют некоторые сходства. Виды нефтедобычи различают по способам поднятия вещества на поверхность:
- фонтан (технология, схожая с газовой, основана на разности давления под землей и в системе доставки жидкости);
- газлифт;
- при помощи электроцентробежного насоса;
- с установкой электровинтового насоса;
- штанговые насосы (иногда соединенные с наземным станком-качалкой).
Способ добычи зависит от глубины залегания вещества. Вариантов поднятия нефти на поверхность огромное множество.
Способ разработки угольного месторождения также зависит от особенностей залегания угля в грунте. Открытым способом ведут разработку при нахождении ископаемого на уровне ста метров от поверхности. Часто производится смешанный тип добычи: вначале открытым способом, затем - подземным (при помощи забоев). Угольные залежи богаты иными ресурсами потребительской значимости: это ценные металлы, метан, редкие металлы, подземные воды.
Сланцевые месторождения разрабатываются или шахтным способом (считается низкоэффективным) или добычей в пласте, при нагревании породы под землей. В связи со сложностью технологии добыча ведется в очень ограниченных количествах.
Добыча торфа ведется при помощи осушения болот. Вследствие появления кислорода активизируются аэробные микроорганизмы, разлагающие его органическое вещество, что приводит к выделению углекислого газа с огромной скоростью. Торф - самый дешевый вид топлива, его добыча ведется постоянно с соблюдением определенных правил.
Извлекаемые запасы
Одна из оценок благосостояния общества производится по потреблению топлива на душу населения: чем больше потребление, тем комфортнее живут люди. Этот факт (и не только) заставляет человечество увеличивать объемы добычи топлива, влияя на ценообразование. Стоимость нефти сегодня определяется таким экономическим термином как «нетбэк». Этот термин подразумевает цену для в которую включены средневзвешенная стоимость нефтепродуктов (вырабатываемых из покупаемого вещества) и доставка сырья до предприятия.
Торговые биржи реализуют нефть по ценам СИФ, что в дословном переводе звучит как «стоимость, страхование и фрахт». Из этого можно сделать вывод, что стоимость нефти сегодня по котировкам сделок включает в себя цену сырья, транспортные расходы по его доставке.
Темпы потребления
С учетом возрастающих темпов потребления природных ресурсов дать однозначную оценку обеспеченности топливом на продолжительный период сложно. При существующей динамике добыча нефти в 2018 году составит 3 миллиарда тонн, что приведет к истощению мировых запасов на 80% уже к 2030 году. Обеспеченность черным золотом прогнозируется в пределах 55 - 50 лет. Природный газ может быть исчерпан через 60 лет при современных темпах потребления.
Запасов угля на Земле гораздо больше, нежели нефти, газа. Однако за последнее десятилетие его добыча увеличилась, и если темпы не спадут, то из запланированных 420 лет (существующие прогнозы) запасы истощатся за 200.
Влияние на окружающую среду
Активное использование ископаемого топлива приводит к увеличению выброса в атмосферу диоксида углерода (CO2), пагубное влияние на климат планеты которого подтверждено международными экологическими организациями. Если не сократить выбросы CO2, неизбежна экологическая катастрофа, начало которой могут наблюдать современники. По предварительным подсчетам, от 60% до 80% всех ископаемых запасов топлива должны остаться нетронутыми для стабилизации обстановки на Земле. Однако это не единственный побочный эффект использования ископаемого топлива. Сама добыча, транспортировка, переработка на НПЗ способствуют загрязнению окружающей среды куда более токсичными веществами. Примером может служить авария в Мексиканском заливе, приведшая к приостановке Гольфстрима.
Ограничения и альтернативы
Добыча горючих ископаемых - выгодный бизнес для компаний, главным ограничителем деятельности которых является истощаемость природных запасов. Обычно забывают упомянуть о том, что пустоты, образованные деятельностью человека в недрах земли, способствуют исчезновению пресной воды на поверхности и ее уходу в более глубокие слои. Исчезновение питьевой воды на Земле нельзя оправдать никакими преимуществами добычи горючих ископаемых. А оно произойдет, если человечество не займется рационализацией своего пребывания на планете.
Еще пять лет назад в Китае появились мотоциклы и автомобили с двигателями нового поколения (бестопливные). Но выпущены они были в строго ограниченном количестве (для определенного круга людей), а технология стала засекреченной. Это говорит лишь о недальновидности человеческой жадности, ведь если можно «делать деньги» на нефти и газе, никто не помешает нефтяным магнатам этим заниматься.
Заключение
Наряду с известными альтернативными (возобновляемыми) источниками энергии, существуют менее затратные, но засекреченные технологии. Все же их применение неизбежно должно войти в жизнь человека, иначе будущее станет не таким продолжительным и безоблачным, как его представляют себе «бизнесмены».