Какие главные природные источники. Природные источники углеводородов, их переработка. Его основные характеристики
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».
Обзор материала
Обзор материала
Интегрированный урок по химии и географии в 10-м классе по теме "Природные источники углеводородов"
“...Топить можно и ассигнациями”
Д.И. Менделеев
Оборудование: Географические карты полезных ископаемых России и мира, карты “Топливная промышленность мира”, “Полезные ископаемые мира”, карты учебника, атласы, таблицы учебника, статистический материал. коллекции “Топливо”, “Нефть и продукты её переработки”, «Полезные ископаемые», мультимедийная установка, таблицы “Продукты перегонки нефти”, “Ректификационная колонна”,“Вторичная переработка нефти...”, “ Вредное воздействие на окружающую среду...”
Цели урока:
1.Повторить размещение месторождений углеводородов на территории России и мира.
2.Обобщить знания о природных источниках углеводородов: их составе, физических свойствах, способах добычи, переработке.
3.Рассмотреть перспективы изменения структуры ТЭК(альтернативные источники энергии).
Методы обучения: рассказ, лекция, беседа, демонстрации коллекций, самостоятельная работа с географической картой, атласом.
Тема “Природные источники углеводородов” сейчас актуальна, как никогда. Разработка месторождений углеводородного сырья ставит перед обществом множество проблем. Это в первую очередь социальные проблемы, связанные с освоением труднодоступных районов, где отсутствует социальная структура. Суровые условия требуют разработки новых технологий добычи и транспортировки сырья. Экспорт сырых нефтепродуктов, отсутствие развитой промышленной базы для их переработки, недостаток нефтепродуктов на внутрироссийском рынке– это проблемы экономические и политические. Экологические проблемы, связанные с добычей, транспортировкой, переработкой углеводородов. Человеческое общество вынуждено искать способы решения всех этих проблем. Важно научиться принимать решения, делать выбор, отвечать за результаты своей деятельности.
Ход урока
На столах учащихся лежат коллекции твердых видов топлива и полезных ископаемых, атласы, учебники по географии.
Урок начинает учитель химии, рассказывая учащимся о значении газа и нефти не только как источников энергии, но и сырья для химической промышленности. Затем с учащимися обсуждается вопрос о преимуществе газообразного топлива перед твердым.В ходе обсуждения формулируются и записываются выводы.
Учитель химии
Основными природными источниками углеводородов являются:
Природный и попутный нефтяной газы
Нефть
Уголь
Природный и попутный нефтяные газы различаются по своему нахождению в природе,составу и применению.
Давайте рассмотрим состав природного газа.
Состав природного газа.
СН4 93 - 98% С4Н10 0,1 - 1%
С2Н6 0,5 - 4% С5Н12 0 - 1%
С3Н8 0,2 - 1,5% N2 2 - 13%
и другие газы.
Как мы видим, основной частью природного газа является метан.
В попутном нефтяном газе содержится значительно меньше метана(30-50%),но больше его ближайших гомологов: этана. пропана, бутана, пентана (до 20 % каждого)и других предельных углеводородов. Месторождения природного газа обычно находятся поблизости от нефтяных месторождений; по-видимому, природный газ (так же как и попутный нефтяной газ) образовался вследствие распада углеводородов нефти в результате деятельности анаэробных бактерий.
Природный и попутный нефтяные газы представляют собой дешёвое топливо и ценное химическое сырьё Важнейшим видом газообразного топлива является природный газ, дешевый и высококалорийный (до 39 700 кДж), т. к. его главной составной частью является метан (до 93-98%).
А как вы думаете, почему природный газ используется в качестве газообразного топлива?
Газообразное топливо имеет значительные преимущества перед твердым:
легко и полностью смешивается с воздухом, поэтому при его сжигании требуется лишь небольшой избыток воздуха для полного сгорания;
газ можно предварительно нагреть в специальных генераторах, чтобы получить высшую температуру пламени;
устройство топок значительно проще, т. к. при сгорании нет шлаков или золы;
отсутствие дыма благотворно сказывается на санитарно-гигиенических условиях окружающей среды; экологическая чистота;
Газообразное топливо можно передавать по газопроводам.
Дешевизна;
Высокая теплотворная способность
По этой причине газообразное топливо находит все более широкое применение в промышленности, быту и автотранспорте и является одним из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд.
Во второй половине 20 века мировая добыча газа выросла более чем в 10 раз и продолжает расти. Ещё недавно газ добывался главным образом в развитых странах, но в последнее время растёт роль стран Азии и Африки. Бесспорным лидером по запасам и добыче газа является Россия. На мировой рынок поступает 15 -20% добываемого сырья
Учащимся задаются вопросы:
1. Как по-вашему, где используются топливные ресурсы?
После ответов учащихся учитель подводит итог и еще раз дает определение топливно-энергетического комплекса. Затем предлагаются задания. (работа в малых группах, чтение карт, таблиц, схем. Частично поисковая работа)
Задание 1: По таблице № 4 учебника ознакомиться с мировым производством основных видов топлива (добыча нефти и газа).
Задание 2: По рисунку 23 познакомиться со сдвигом в структуре мирового потребления топливных ресурсов и ответить на вопрос: растет ли потребление газа в мире? (Ответ – да)
В ходе обсуждения данных таблицы № 4 и рисунка 23 учащиеся приходят к выводу о существовании нескольких наиболее важных районов добычи нефти и газа. Учитель по географической карте показывает и называет главные районы добычи нефти и газа, учащиеся сверяют их со своими атласами, называют страны и записывают их в тетрадь.
Общее число нефтяных месторождений около 50 тысяч. Однако при современном уровне добычи давайте рассчитаем ресурсообеспеченность человечества.
В тетрадь: Вспомните формулу расчёта (Р=З/Д)
В каких единицах выражается ресурсообеспеченность? (года). Сделайте вывод! (мало)
В мире есть страны, обладающие колоссальными запасами нефти. Пользуясь таблицей, назовите 3 страны, обладающие крупнейшими запасами. Какое место занимает Россия?
Добычу нефти ведут многие страны. В каждом регионе можно выделить несколько стран – лидеров по добыче. Пользуясь картосхемой, назовите эти страны и запишите в тетрадь
В Европе: В Азии: В Америке: В Африке:
Где же именно находятся крупнейшие месторождения нефти? Вот лишь некоторая их часть.
1баррель нефти равен 158,988 литра, 1 баррель в сутки – 50 тонн в год
В Гаваре добывалось более 680 тыс. т. нефти в день, кроме того 56,6 млн м³ в день природного газа.
Агаджари эксплуатируются 60 фонтанирующих скважин, годовая добыча 31,4 млн. т
В Большом Бургане эксплуатируется 484 фонтанирующих скважины, годовая добыча около 70 млн. т
Что такое шельф?
Как думаете, добыча с шельфа обходится дешевле или дороже, чем на материке? Почему?
Какие страны выделены на картосхеме? Что их объединяет? Как называется эта организация? Её главная задача?
Нефть активно продаётся на мировом рынке. (40%) Между странами сложились устойчивые связи, так называемые «нефтяные мосты». Назовите важнейшие из них? Чем бы вы объяснили их существование? Каким образом транспортируется нефть?
Самый большой танкер длина 500 метров. Берёт на борт до 500 000 тонн нефти.
Супертанкеры - порождение научно-технической революции нашего времени. Само слово происходит от английского слова «tank» - цистерна. Морской танкер это судно, предназначенное для перевозки жидких грузов (нефти, кислоты, растительного масла, расплавленной серы и прочее) в судовых цистернах (танках). Супертанкеры могут перевезти за один рейс на 50 процентов нефти больше чем другие, а эксплуатационные расходы на бункеровку, экипаж, и страховку всего на 15 процентов больше, что позволяет нефтяным компаниям, фрахтующим судно увеличивать свою прибыль и сэкономить сбережения. На такие нефтяные танкеры всегда будет спрос.
Одним из представителей такого класса морских судов являлся нефтеналивной танкер «Batillus». Это грузовое судно было создано, от начала до конца, по исходному проекту без дополнительной модернизации в ходе эксплуатации. Был построен за 10 месяцев, и было израсходовано на строительство около 70 000 тонн стали. Постройка владельцу обошлась в 130 миллионов долларов
Ближний Восток: страны вокруг Персидского залива (Саудовская Аравия, Арабские Эмираты, Иран, Ирак). На этот регион приходится 2/3 мировой добычи нефти.
Северная Америка: Аляска, Техас.
Северная и Западная Африка: Алжир, Ливия, Нигерия, Египет.
Южная Америка: север материка, Венесуэла.
Европа: шельф Северного и Норвежского морей.
Россия (Западная Сибирь): Томская и Тюменская области.
Задание 3: По рисунку 24 определить страны-лидеры по добыче нефти, По рисунку 25 определить формирование устойчивых нефтяных мостов между странами.
ВЫВОД: Добыча нефти и газа осуществляется главным образом в развивающихся странах, потребление – в развитых.
Продолжает учитель химии.
Значительное увеличение добычи высококалорийных и более дешевых видов топлива (нефти и газа) привело к резкому снижению доли твердого топлива в топливном балансе стран.
Попутный нефтяной газ тоже является (по происхождению) природным газом. Своим названием он обязан нефти, вместе с которой он встречается в природе. Попутный нефтяной газ растворен в нефти (частично), а частично находится над ней, образуя газовый купол. Под давлением этого газа нефть и поднимается по скважине на поверхность. При уменьшении давления попутный нефтяной газ легко выходит из нефти.
Долгое время попутный нефтяной газ не находил применения и его сжигали на месте. В настоящее время его улавливают и используют в качестве топлива или как один из источников для органического синтеза, т. к. содержит большое количество гомологов метана. Для более рационального использования попутный нефтяной газ разделяют на фракции.
Газовые фракции: 1. C5H12, C6H14 и др жидкости - газовый бензин;
2. C3H8, C4H10 - пропан-бутановая смесь
3. СН4, С2Н6 и другие примеси – «сухой газ»
Используется в качестве добавок к бензину;
В качестве топлива и как бытовой газ;
В органическом синтезе и как топливо.
Мы рождаемся и живем в мире продуктов и вещей, полученных из нефти. В истории человечества были каменный и железный периоды. Как знать может быть историки назовут нефтяным или пластмассовым наш период. Нефть – является наиболее титулованным видом полезных ископаемых. Ее величают и «королевой энергетики» и «царицей плодородия». А ее королевский сан в органической химии – «черное золото». Нефть создала новую отрасль промышленности – нефтехимию, она же породила ряд экологических проблем.
Нефть известна человечеству с давних времен. На берегу Евфрата она добывалась 6-7 тыс. лет до н. э. Использовалась она для освещения жилищ, для бальзамирования. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием «греческого огня». В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.
Вначале 19 века в России из нефти путем перегонки было получено осветительное масло, названное керосином, который использовался в лампах, изобретенных в середине 19 века. В тот же период в связи с ростом промышленности и появлением паровых машин стал возрастать спрос на нефть как источник смазочных веществ. Внедрение в конце 60-х гг. 19 века бурения нефтяных скважин считается зарождением нефтяной промышленности.
На рубеже 19-20 веков были изобретены бензиновый и дизельный двигатели. Это привело к бурному развитию добычи нефти и способов ее переработки.
Нефть-это «сгусток энергии». Используя всего лишь 1 мл этого вещества, можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведерный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объема нефть занимает 1 место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько мало, что для извлечения 1 мг ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.
Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет назад в толще Земли. Происхождение нефти- одна из сокровенных тайн природы.
Нефть и нефтепродукты.
Нефть – единственное жидкое ископаемое горючее. Маслянистая жидкость от желтого до темно-коричневого цвета, легче воды. (демонстрируются образцы нефти.) Различают лёгкие и тяжёлые нефти. Лёгкие извлекают насосами, фонтанным способом, из них делают в основном бензин и керосин. Тяжёлые иногда добывают даже шахтным способом (Яремское месторождение в Республике Коми) и перерабатывают в битум, мазут, масла.
В отличие от других полезных ископаемых нефть, как и газ, не образует отдельных пластов, она заполняет пустоты в породах: поры между песчинками, трещины.
Нефть горюча. Она сохраняет это свойство, даже находясь на поверхности воды, где способна воспламениться от горючего факела, пока не растечется в тонкую радужную пленку. Нефть – уникальное топливо, её теплота сгорания – 37-49 МДж/кг. Так, 10 т нефти дают столько же тепла, сколько 13 т антрацита, 31 т дров. Она является основой энергетики, химической промышленности. Известна и лечебная нефть, богатая нафтеновыми и ароматическими углеводородами.
Лабораторный опыт №1. Физические свойства нефти
Рассматриваем пробирку с нефтью (масляничная жидкость, темно-бурого цвета, почти черного с характерным запахом.)
Нефть не напоминает по запаху бензин, с чем ассоциируется представление о ней. Аромат нефти придают сопутствующий сероуглерод, остатки растительных и животных организмов.
Растворяем нефть в воде (не растворяется, на поверхности образуется пленка). Плотность пленки меньше воды, поэтому она находится на поверхности.
Элементарный состав нефти.
С – 84 – 87% O, N, S - 0,5 – 2%
Н – 12 – 14% в отдельных месторождениях до 5% S
Нефть – сложная смесь большого числа органических соединений.
Состав нефти и ее продукты.
Переработка нефти (химия)
Переработка нефти – это процесс, который предусматривает создание сложного оборудования.
Учитель: заполните таблицу « Переработка нефти»
|
Первичная переработка(физические процессы) |
Очистка |
Обезвоживание,обессоливание, отгонка летучих углеводородов (преимущественно метана) |
|
Перегонка |
Термическое разделение нефти на фракции. основанное на разности температур кипения углеводородов, имеющих разную молекулярную массу |
|
|
Вторичная переработка(химические процессы) |
Крекинг |
Расщепление углеводородов с длинной цепью и образование углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекулах |
|
Риформинг |
Изменение структуры молекул УВ путем: Изомеризации, алкилирования, Циклизации(ароматизации) |
Первичная переработка нефти – ректификация – разделение на фракции нефти, основанный на различии температур кипения.
Нефть подают в ректификационную колонну через трубчатую печь, в которой она нагревается до 350⁰С. В виде пара, нефть поднимается наверх по колонне и постепенно охлаждаясь, разделяется на фракции: бензин, лигроин, керосин, соляровые масла, мазут. Неперегоняемая часть – гудрон.
(по таблице рассказывается о работе ректификационной колонны, называются фракции и области их применения).
Фракции нефти:
С5 – С11 - бензин (топливо для автомашин и самолетов, растворитель);
С8 - С14 – лигроин (топливо для тракторов);
С12 – С18 – керосин (топливо для тракторов, ракет, самолетов);
С15 – С22 – газойль (светлые нефтепродукты) – диз. топливо.
Остаток перегонки – мазут (топливо для котельных). При дополнительных перегонках образуются смазочные масла. Применение мазута – соляровое масло, парафине, вазелин, смазочные масла. Применение гудрона – битум, асфальт.
Вторичная переработка нефти: крекинг (каталитический и термический).
|
термический |
каталитический |
|
450–550° |
400-500 °С, кат. Al2O3 · nSiO2(катализатор алюмосиликаты) |
|
Процесс протекает медленно |
Процесс протекает быстро |
|
Образуется много непредельных УВ |
Образуется значительно меньше непредельных УВ |
|
Полученный бензин: 1)устойчив к детонации 2)неустойчив при хранении(непредельные УВ легко окисляются) |
Полученный бензин: 1)устойчив к детонации 2)более устойчив при хранении(так как много непредельных УВ) |
С16Н34 → С8Н18 + С8Н16 СH₃- CH₂- CH₂- CH₃ → CH₃- CH- CH₃
CH₃
Марка бензина и его качество зависят от его детонационной стойкости по октановой шкале:
За 0 принята детонационная стойкость (легко самовозгорается)
н. гептан;
За 100 – (высокая устойчивость) 2,2,4-триметилпентан. Чем больше в бензине содержится н.гептана, тем выше его марка.
Устойчивы к детонации разветвленные предельные УВ, непредельные и ароматические УВ.
Риформинг (ароматизация) - 450⁰ - 540⁰С
гексан → циклогексан → бензол: C₆H₁₄ → C₆H₁₂ → C₆H₆
Производят для увеличения детонационной стойкости бензина – способность выдерживать при высоких температурах сильное сжатие в цилиндре двигателя без самопроизвольного возгорания.
Продолжает урок учитель географии
Распределение основных запасов нефти в мире.
Слово «нефть» появилось в русском языке в 17 веке и происходит от арабского «нафата», что означает «извергать». Так называли в 4-3 тыс. до н. э. жители Месопотамии- древнего очага цивилизации- легковоспламеняющуюся маслянистую черную жидкость, которая действительно иногда извергается на поверхность земли в виде фонтанов.
Поэтому, с древних времен и до середины 19 века нефть добывали там, где она изливалась в виде источников, проходя по разломам и трещинам в горных породах. Но когда начали ее искать вдали от мест непосредственного выхода нефти, возникли вопросы: как это делать? где бурить скважины?
В ходе долгих геологических исследований, было установлено, что нефть скорее всего будет там, где мощные пласты осадочного чехла смяты в складки и разорваны тектоническими движениями земной коры, образуя куполовидные изгибы пластов, так называемый антиклинальный тип природного скопления углеводородов, называемый залежью. Участки земной коры, содержащей одну или несколько таких залежей, называют месторождениями.
В мире открыто более 27 тыс. нефтяных месторождений, но лишь небольшая их часть (1%) содержит ¾ мировых запасов нефти, а 33 супергиганта- половину мировых запасов.
Анализируя распределения мировых разведанных ресурсов нефти по регионам и странам, приходим к выводу, что исключительная роль приходится на Юго-Западную Азию, а именно 2/3 мировых ресурсов нефти залегают в странах Персидского залива (СА, Ирак, ОАЭ, Кувейт, Иран).
Предлагаю, используя данные выполнить задание №1(отметить на контурной карте 10 первых стран мира по разведанным ресурсам нефти).
Топливная промышленность в мировом хозяйстве.
НПЗ, занимающееся переработкой нефти различные виды топлива (бензин, керосин, мазут) располагаются в основном в районах потребления. Поэтому в мировом хозяйстве образовался огромный территориальный разрыв между районами ее добычи и потребления. Выясним, почему?
В настоящее время нефть добывается более, чем в 80 странах мира. Между экономически развитыми и развивающимися странами мировая добыча (приближающаяся к 3,5 млрд. тонн) распределяется примерно поровну.
Чуть более 40% приходится на страны ОПЕК, а из отдельных крупных регионов особо выделяется Зарубежная Азия- прежде всего благодаря странам Персидского залива.
Проанализируем данные, так, на страны Персидского залива приходится 2/3 мировых разведанных запасов нефти и около 1/3 ее мировой добычи. 4страны этого региона добывают более 100 млн. тонн нефти в год каждая, при этом в данном списке лидирует СА, занимающая 1 место в мире. Остальные же регионы по размерам добычи нефти распределяются в таком порядке: Латинская Америка, Северная Америка, Африка, СНГ, Северная Европа. При этом большая часть энергоресурсов, прежде всего нефти, добываемой в развивающихся странах вывозится в США, Западную Европу, Японию, которые будут всегда испытывать высокую зависимость топливного импорта в промышленности.
В результате между многими странами и континентами образовались устойчивые «энергетические мосты»- в виде мощных, прежде всего океанических, нефтяных грузопотоков.
Таким образом ведущими экспортерами нефти в настоящее время остаются страны ОПЕК (почти ОПЕК 2/3 мирового экспорта), Мексика и Россия. Отсюда наиболее мощные экспортные грузопотоки нефти имеют следующие направления:
Закрепляя предложенный материал, выполните задание №2 на контурных картах. Отметьте основные грузопотоки нефти.
Русский технолог и конструктор – Шухов В.Г.;
произвел (1878) расчеты первого в России нефтепровода и руководил его постройкой. Получил (1891) патент на создание установки крекинга углеводородов нефти;
К началу 80-х годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т нефти, что составляло 10,23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Аварийные ситуации, слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, все это обуславливает присутствие постоянных долей загрязнения на трассах морских путей.
За последние 130 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 12 000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 11 000 и 1 350 промышленных скважин оборудовано. Из-за незначительных утечек ежегодно теряется 10,1 млн т нефти. Большие массы нефти поступают в моря по рекам, со стоками промышленности. Попадая в морскую среду, нефть сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной мощности. Нефтяная пленка изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света. Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую "нефть в воде" и обратную "вода в нефти". Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 10,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, содержащей поверхностно активные вещества. При удалении летучих фракций, нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.
13 ноября 2002 г. Нагруженный нефтью танкер тонет у берегов Испании. В трюмах танкера находится 77 тысяч тонн нефти.
К моменту гибели танкера в море вылилось около 5 тысяч тонн мазута и дизельного топлива, используемого для работы двигателей танкера, примерно столько же вылилось, когда танкер раскололся на две части. В районе катастрофы образовались два гигантских нефтяных пятна, площадь которых составила более 100 квадратных километров. Волны выбрасывают на берег все новые и новые порции мазута, и, сколько видит глаз, на все побережье ложится полоса ядовитого черно-бурого цвета.Черный прибой безобразно контрастирует с зелеными кустарниками прибрежья.
Рыбы обволакиваются нефтью и погибают от удушья. Морские птицы – гагары, чайки, кайры, бакланы – топчутся на камнях. Им холодно, их грудь, шея, крылья покрыты нефтью, ядовитая гадость проникает внутрь организма, когда они пытаются клювом почистить перышки. Ничего не понимая, они смотрят на ставшую им чуждой родную стихию тоскливо, словно предчувствуя неминуемую гибель. Птицы безропотно даются в руки энтузиастам, которые стараются отчистить оперение от нефти, пипетками закапывают в глазки-бусинки спасительный раствор. Но только немногим сотням из тысяч погибающих птиц удается оказать помощь. Нанесен непоправимый ущерб одному из богатейших рыбодобывающих регионов страны. Загажены уникальные места сбора устриц, мидий, ловли осьминогов и крабов.
учитель химии
Очистка от нефти
Методы борьбы с нефтью в океане:
а) самоликвидация, б) химическое рассеивание, в) поглощение, г) ограждение,д) биологическая очистка.
А - нефтяное пятно мало и далеко от берега (растворение в воде и выпаривание)
Б - хим.препараты (впитывают нефть, стягивают в малые пятна и убираются сачками)
В - солома или торф поглощают малые пятна при штиле
Г - ограждение «контейнерами» и откачка насосами из них
Д - биологические препараты
Чтобы уменьшить вред, наносимый природе, необходимо:
совершенствовать способы и технологии добычи, хранения, транспортировки нефти и обеспечивать безопасность производства.
Ископаемые угли – это твердые продукты изменения древних растительных остатков, используемые в промышленности в виде топлива, а также в качестве химического сырья. Их различают по зольности. Если зольность ниже 50 % – это угли, если выше – горючие сланцы.
В составе углей содержится 60-98 % углерода, 1-12 % водорода, 2-20 % кислорода, 1-3 % азота, сера, фосфор, кремний, алюминий, железо, влага
По составу исходного материала угли подразделяют на гумусовые (образовались из высших растений) и сапропелевые (образовались из водорослей). Торф или сапропель постепенно под давлением и при отсутствии кислорода превращаются в бурый уголь, который переходит в каменный уголь, а затем в антрацит. В специфических геологических условиях (сильное давление, высокая температура) уголь может превращаться в графит и шунгит – породу, содержащую скрытокристаллический углерод.
Бурые угли – рыхлые образования бурого или черно-бурого цвета. В их составе 64-78 % углерода, до 6 % водорода. Они имеют низкую теплопроводную способность. Это низкокачественные угли. Самые большие запасы бурого угля сосредоточены в Ленском и Канско-Ачинском бассейнах России (работа с географической картой)
Каменные угли очень плотные. В их составе 90% углерода, до 5 % водорода (работа с диаграммой “Угли” (Приложение 1)). Они обладают большой теплотворной способностью. Из них путём переработки можно получить более 400 различных продуктов, стоимость которых по сравнению со стоимостью самого угля увеличивается в 20-25 раз. Переработку каменного угля осуществляют на коксохимических заводах. Очень перспективное направление переработки – получение жидкого топлива из угля.
Топливо. химическое сырьё
Учитель географии
Крупнейшие каменноугольные бассейны – Тунгусский, Ленский, Таймырский в России; Аппалачский в США, Русский в ФРГ, Карагандинский бассейн в Казахстане (работа с географической картой).
Антрациты – содержат больше всего углерода – до 97 % (работа с диаграммой “Угли”), поэтому используется как высококачественное бездымное топливо, а так же в металлургии, химической и электротехнической промышленности.
Рассмотрите угли в коллекции и обратите внимание на то, что чем больше содержание углерода в веществе, тем интенсивнее его окраска, тем выше качество угля.
Учащиеся рассматривают бурый, каменный угли, антрацит в коллекции “Топливо”
Как добывают угли?
Добывают уголь двумя способами: открытым и подземным. Открытый способ более прогрессивный и экономический, поскольку позволяет применять технику. Таким способом добывают главным образом энергетические угли. Подземный способ более дорогостоящий, но и более перспективный, поскольку наиболее высококачественные угли находятся на большой глубине. Сегодня так добывают угли для металлургии.
Какая страна занимает 1 место по разведанным запасам угля? (США)
Учитель химии
Д.И. Менделеев, которому в этом году исполнилось 175 лет со дня рождения, писал по данной проблеме: “Нет отходов, есть неиспользованное сырьё”.
Таким образом, нефть, газ, угли – не только ценнейшие источники углеводородов, но и часть уникальной кладовой невосполнимых природных ресурсов, бережное и разумное использование которых -необходимое условие прогрессивного развития человеческого общества. По этому поводу возвращаемся ещё раз к эпиграфу нашего занятия-словам великого русского учёного-химика Д.И. Менделеева, который сказал, что “Нефть – не топливо, топить можно и ассигнациями”. Это высказывание можно отнести ко всем природным углеводородам.
Закрепление изученного материала
1. Какие продукты выделяют из попутного нефтяного газа и для чего их используют?
Ответ: Из попутного нефтяного газа выделяют газовый бензин, который используют как добавку к обычному бензину; пропан-бутановая фракция используется в качестве топлива; сухой газ используется в реакциях органического синтеза.
2. Почему газовый бензин легче воспламеняется в двигателе, чем обычный?
Ответ: Газовый бензин имеет более низкую температуру воспламенения, чем обычный.
3. Почему состав нефти нельзя выразить одной формулой?
Ответ: Состав нефти нельзя выразить одной формулой, т. к. нефть – смесь множества углеводородов.
Домашнее задание:
1. По учебнику § 20 – 22 (до крекинга нефтепродуктов) читать
2. Вопросы и задания: № 4 § 20, № 7 – 9 § 21
Скачать материалПРИРОДНЫЕ 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»
1. Природные источники углеводородов: газ, нефть, каменный уголь. Их переработка и практическое применение.
Основными природными источниками углеводородов являются нефть, природный и попутный нефтяной газы и каменный уголь.
Природный и попутный нефтяной газы.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан, остальное приходится на долю этана, пропана, Бутана, и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды. 90% его расходуется в качестве топлива, остальные 10% используют как сырье для химической промышленности: получение водорода, этилена, ацетилена, сажи, различный пластмасс, медикаментов и др.
Попутный нефтяной газ – это тоже природный газ, но он встречается вместе с нефтью – находится над нефтью или растворен в ней под давлением. Попутный газ содержит 30 – 50% метана, остальная часть приходится на его гомологи: этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Кроме того, в нем присутствуют те же примеси, что и в природном газе.
Три фракции попутного газа:
1. Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
2. Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
3. Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.
Нефть.
Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима. Нефть представляет собой смесь примерно 150 углеводородов с примесями других веществ, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
90% добываемой нефти используется как сырье для производства различных видов топлива и смазочных материалов. В то же время нефть – ценное сырье для химической промышленности.
Нефть, добываемую из земных недр, называю сырой. В сыром виде нефть не применяют, ее подвергают переработке. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей, а затем подвергают фракционной перегонке.
Перегонка – процесс разделения смесей на отдельные компоненты, или фракции, на основании различия их температур кипения.
При перегонке нефти выделяют несколько фракций нефтепродуктов:
1. Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
2. Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
3. Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
4. Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
5. Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.
После отгонки фракций остается темная вязкая жидкость – мазут. Из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства.
Вторичная переработка нефти основана на химических процессах:
1. Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
2. Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
3. Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.
Нефть – сырье для производства не только топлива, но и многих органических веществ.
Каменный уголь.
Каменный уголь так же является источником энергии и ценным химическим сырьем. В состав каменного угля в основном органические вещества, а также вода, минеральные вещества, при сжигании образующие золу.
Одним из видов переработки каменного угля является коксование – это процесс нагревания угля до температуры 1000°С без доступа воздуха. Коксование угля проводят в коксовых печах. Кокс состоит из практически чистого углерода. Его используют в качестве восстановителя при доменом производстве чугуна на металлургических заводах.
Летучие вещества при конденсации каменноугльную смолу (содержит много различных органических веществ, из них большая часть – ароматические), аммиачную воду (содержит аммиак, соли аммония) и коксовый газ (содержит аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), этилен, азот и другие вещества).
Вспомните: дистилляция (перегонка) — способ разделения смеси летучих жидкостей методом постепенного выпаривания с последующей конденсацией.
Нефть. Перегонка нефти
Многие органические вещества, с которыми вы имеете дело в повседневной жизни,— пластмассы, краски, моющие средства, лекарства, лаки, растворители — синтезированы из углеводородов. В природе есть три основных источника углеводородов — нефть, природный газ и каменный уголь.
Нефть — одно из важнейших полезных ископаемых. Невозможно представить нашу жизнь без нефти и продуктов ее переработки. Не зря страны, богатые нефтью, играют важную роль в мировой экономике.
Нефть — это темная маслянистая жидкость, залегающая в земной коре (рис. 29.1). Она представляет собой однородную смесь из нескольких сотен веществ — преимущественно насыщенных углеводородов с числом атомов Карбона в молекуле от 1 до 40.
Для переработки этой смеси используют как физические, так и химические методы. Сначала нефть разделяют на простые смеси — фракции — путем перегонки (дистилляции или ректификации), основанной на том, что различные вещества в составе нефти кипят при различных температурах (табл. 12). Перегонка происходит в ректификационной колонне при значительном нагреве (рис. 29.2). Фракции с самыми большими температурами кипения, разлагающиеся при высокой температуре, перегоняют при пониженном давлении.
Таблица 12. Фракции перегонки нефти
|
Число атомов Карбона в молекулах |
Температура кипения, °С |
Применение |
|
|
Свыше 200 о С |
|||
|
Автомобильное горючее |
|||
|
Топливо, сырье для синтеза |
|||
|
Авиационный бензин |
|||
|
Дизельное горючее |
|||
|
Тяжелый газойль (мазут) |
Топливо для теплоэлектростанций |
||
|
При нагревании разлагается, перегоняют при пониженном давлении |
Производство асфальта, битума, парафина, смазочных материалов, топливо для котельных |
Украина достаточно богата запасами нефти. Основные месторождения сосредоточены в трех нефтегазоносных регионах: восточном (Сумская, Полтавская, Черниговская и Харьковская области), западном (Львовская и Ивано-Франковская области) и южном (Причерноморье, шельфы Азовского и Черного морей). Запасы нефти в Украине оцениваются в около 2 млрд тонн, но значительная их часть сосредоточена на больших глубинах (5-7 км). Ежегодная добыча нефти в Украине составляет около 2 млн тонн при потребности в 16 млн тонн, поэтому, к сожалению, Украина пока вынуждена импортировать значительные объемы нефти.
Химическая переработка нефтепродуктов
Некоторые продукты перегонки нефти можно использовать сразу, без дальнейшей переработки,— это бензин и керосин, но они составляют лишь 20-30 % нефти. К тому же после перегонки бензин получается низкого качества (с небольшим октановым числом, т. е. при сжатии в двигателе он взрывается, а не сгорает). Двигатель, работающий на таком топливе, издает характерный стук и быстро выходит из строя. Для повышения качества бензина и увеличения его выхода нефть подвергают химической переработке.
Один из важнейших способов химической переработки нефти — крекинг (от англ. to crack — расщеплять, ломать, поскольку при крекинге происходит разрыв карбоновых цепей) (рис. 29.3). При нагревании до 500 °С без доступа воздуха в присутствии специальных катализаторов длинные молекулы алканов расщепляются на более мелкие. При крекинге из насыщенных углеводородов образуется смесь легких насыщенных и ненасыщенных углеводородов, например:
Благодаря этому процессу увеличивается выход бензина и керосина. Такой бензин иногда называют крекинг-бензином.
Одной из характеристик, определяющей качество бензина, является октановое число, которое показывает возможность детонации (взрыва) топливновоздушной смеси в двигателе. Чем выше значение октанового числа, тем меньше вероятность детонации, а следовательно, выше качество бензина. Гептан непригоден в качестве моторного топлива, он детонирует с большей вероятностью, тогда как изооктан (2,2,4-триметилпентан) обладает противоположными свойствами — он почти не детонирует в двигателе. Эти два вещества стали основой шкалы определения качества бензина — шкалы октановых чисел. В этой шкале гептан получил значение 0, а изооктан — 100. Согласно этой шкале, бензин с октановым числом 95 обладает такими же детонационными свойствами, как и смесь 95 % изооктана и 5 % гептана.
Переработка нефти происходит на специальных предприятиях — нефтеперерабатывающих заводах. Там проводят как ректификацию сырой нефти, так и химическую переработку полученных нефтепродуктов. В Украине есть шесть нефтеперерабатывающих заводов: в Одессе, Кременчуге, Херсоне, Лисичанске, Надворнянске и Дрогобыче. Суммарная мощность всех украинских предприятий по переработке нефти превышает 52 млн тонн в год.
Природный газ
Второй по важности источник углеводородного сырья — это природный газ, главной составляющей которого является метан (93-99 %). Природный газ используют в первую очередь как эффективное топливо. При его сгорании не образуется ни зола, ни ядовитый угарный газ, поэтому природный газ считается экологически чистым топливом.
Большое количество природного газа использует химическая промышленность. Переработка природного газа сводится главным образом к получению ненасыщенных углеводородов и синтез-газа. Этилен и ацетилен образуются при отщеплении водорода от низших алканов:
Синтез-газ — смесь карбон(П) оксида и водорода — получают нагреванием метана с водяным паром:
Из этой смеси, используя разные катализаторы, синтезируют окси-генсодержащие соединения — метиловый спирт, уксусную кислоту и др.
При пропускании над кобальтовым катализатором синтез-газ превращается в смесь алканов, представляющую собой синтетический бензин:
Каменный уголь
Еще одним источником углеводородов является каменный уголь. В химической промышленности его перерабатывают путем коксования — нагревания до 1000 °С без доступа воздуха (рис. 29.5, с. 170). При этом образуются кокс и каменноугольная смола, масса которой составляет лишь несколько процентов от массы угля. Кокс используют как восстановитель в металлургии (например, для получения железа из его оксидов).
Каменноугольная смола содержит несколько сотен органических соединений, преимущественно ароматических углеводородов, которые получают из нее перегонкой.
Каменный уголь также используют в качестве топлива, однако при этом возникают большие экологические проблемы. Во-первых, уголь содержит негорючие примеси, которые при сгорании топлива превращаются в шлаки; во-вторых, в составе угля содержатся небольшие количества соединений Сульфура и Нитрогена, при сгорании которых образуются оксиды, загрязняющие атмосферу. По запасам угля Украина занимает одно из первых мест в мире. На территории, равной 0,4 % от мировой, в Украине сосредоточено около 5 % мировых запасов энергетического сырья, 95 % из которых приходится именно на каменный уголь (около 54 млрд тонн). В 2015 году добыча угля составила 40 млн тонн, что почти вдвое меньше, чем в 2011 году. Сегодня в Украине 300 каменноугольных шахт, причем 40 % из них добывают коксующийся уголь (который можно перерабатывать на кокс). Добыча сосредоточена преимущественно в Донецкой, Луганской, Днепропетровской и Волынской областях.
Лингвистическая задача
На греческом pyro означает «огонь», а lysis — «разложение». Как вы считаете, почему термины «крекинг» и «пиролиз» часто используют как синонимы?
Ключевая идея
Основными источниками углеводородов для промышленности являются нефть, каменный уголь и природный газ. Для более эффективного применения эти природные ископаемые необходимо подвергнуть переработке для выделения отдельных веществ или смесей.
Контрольные вопросы
334. Назовите основные природные источники углеводородов.
335. На чем основан физический метод разделения нефти на фракции?
336. На какие фракции разделяют нефть при перегонке? Охарактеризуйте их применение. Какой продукт переработки нефти является самым ценным для современного общества?
337. Чем различаются важнейшие нефтепродукты по химическому составу?
338. Используя информацию этого и предыдущих параграфов, опишите использование природного газа в химической промышленности.
339. Какие основные продукты добывают коксованием каменного угля?
340. Почему уголь при переработке нагревают без доступа воздуха?
341. Почему природный газ лучше каменного угля в качестве топлива?
342. Какие вещества и материалы добывают переработкой каменного угля и природного газа?
Задания для усвоения материала
343. В процессе крекинга углеводорода C 20 H 42 образуются два продукта с одинаковым числом атомов Карбона в молекулах. Составьте уравнение реакции.
344. В чем заключается принципиальное отличие крекинга нефти от ректификации?
345. Как вы считаете, почему при прямой перегонке нефти не удается переработать ее на бензин более чем на 20 %?
346. Проанализируйте рис. 29.2 и опишите, как происходит перегонка нефти.
347. Составьте уравнения реакций получения этилена и ацетилена из компонентов природного газа.
348. Один из компонентов бензина — это углеводород C 8 H 18 . Составьте уравнение реакции его получения из карбон(И) оксида и водорода.
349. При полном сгорании бензина в двигателе образуются углекислый газ и вода. Составьте уравнение реакции сгорания бензина, если считать, что он состоит из углеводородов состава C 8 H 18 .
350. В выхлопных газах автомобилей содержатся ядовитые вещества: кар-бон(П) оксид и нитроген(^) оксид. Объясните, в результате каких химических реакций они образовались.
351. Во сколько раз увеличится объем топливно-воздушной смеси, состоящей из 40 мл паров октана и 3 л воздуха, при поджигании? При расчетах примите, что в воздухе содержится 20 % кислорода (по объему).
352. Бензин, продаваемый в странах с теплым климатом, состоит из углеводородов с большей молекулярной массой, чем бензин, который реализуют в странах с холодным климатом. Предположите, почему нефтепереработчики поступают таким образом.
353*. Нефть содержит столько ценных органических веществ, что Д. И. Менделеев говорил: «Сжигать нефть в топке — это почти то же, что топить ассигнациями». Как вы понимаете это высказывание? Предложите способы рационального использования природных источников углеводородов.
354*. В дополнительных источниках найдите информацию о материалах и веществах, сырьем для которых являются нефть, природный газ или уголь. Можно ли их изготовить без использования природных источников углеводородов? Можно ли человечеству отказаться от использования этих материалов? Ответ обоснуйте.
355*. Используя знания, полученные на уроках географии в 8 и 9 классах, опишите действующие и перспективные бассейны и районы добычи угля, нефти, природного газа в Украине. Согласовывают ли расположение предприятий по переработке этих источников углеводородов с их месторождениями.
Это материал учебника