4.2.3. Природные источники углеводородов, их переработка.
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 оС). 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 оС);
2) бензиновая фракция (температуры кипения от 35 до 200 оС);
3) лигроиновая фракция (температуры кипения от 150 до 250 оС);
4) керосиновая фракция (температуры кипения от 190 до 300 оС);
5) дизельную фракцию (температуры кипения от 200 до 300 оС);
6) мазут (температуры кипения более 350 оС).
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.
Всего: 19 1–19
Добавить в вариант
Верны ли следующие утверждения о способах переработки и использования природного газа?
А. Перед использованием природный газ разделяют на фракции.
Б. Сжигание природного газа используют для получения тепла и электроэнергии.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба утверждения
4) оба утверждения неверны
Верны ли следующие утверждения о нефти?
А. Нефть состоит преимущественно из предельных углеводородов.
Б. Переработкой нефти получают бензин, керосин, ароматические углеводороды.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
Задания Д26 № 257 
Основным природным источником бутана является
1) попутный нефтяной газ
2) нефть
3) торф
4) каменный уголь
Задания Д26 № 171
Верны ли следующие суждения о природном газе?
А. Основными составляющими природного газа являются метан и ближайшие его гомологи.
Б. Природный газ служит сырьём для получения ацетилена.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2013 по химии
Верны ли следующие суждения о природном газе?
А. Основными составляющими природного газа являются метан и ближайшие его гомологи.
Б. Природный газ служит сырьём для получения ацетилена.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2014 по химии
Верны ли следующие суждения о способах нефтепереработки?
А. К методам вторичной нефтепереработки относят крекинг-процессы: термический и каталитический.
Б. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления происходят реакции изомеризации предельных углеводородов.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
Основной составной частью природного газа является
1) ацетилен
2) метан
3) пропан
4) бутан
Задания Д26 № 214
Основной составной частью природного газа является
1) бензол
2) метан
3) этилен
4) бутан
Задания Д26 № 601
Основным компонентом природного газа является
1) этилен
2) ацетилен
3) бензол
4) метан
Основной составной частью природного газа является
1) ацетилен
2) пропан
3) метан
4) этилен
Верны ли следующие утверждения о переработке нефти?
А. Крекинг — химический процесс.
Б. Разделение нефти на фракции — физический процесс.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба утверждения
4) оба утверждения неверны
Задания Д26 № 558
Верны ли следующие суждения о способах нефтепереработки?
А. К методам вторичной нефтепереработки относят крекинг-процессы: термический и каталитический.
Б. При каталитическом крекинге образуются только предельные углеводороды.
1) верно только А
2) верно только Б
3) верны оба суждения
4) оба суждения неверны
Метан является основным компонентом
1) нефти
2) природного газа
3) коксового газа
4) синтез-газа
Задания Д26 № 859
Уравнение химической реакции
соответствует процессу
1) перегонки
2) риформинга
3) дегидрирования
4) крекинга
В основе крекинга лежат реакции
1) изомеризации
2) присоединения
3) разложения
4) обмена
Задания Д26 № 300
Крекинг нефтепродуктов осуществляется в целях получения
1) бензина
2) сложных эфиров
3) метана
4) мазута
Разделение нефти на фракции осуществляют в процессе
1) перегонки
2) крекинга
3) риформинга
4) коксования
Наиболее токсичны для живого организма ионы:
1) меди
2) натрия
3) ртути
4) магния
5) калия
Запишите номера выбранных ответов.
Для организма человека наиболее токсичным являются каждый из двух ионов:
1) 
2) 
3) 
4) 
Источник: Демонстрационная версия ЕГЭ—2014 по химии
Всего: 19 1–19
- Курс
Меня зовут Быстрицкая Вера Васильевна.
Я репетитор по Химии
![[[pictureof]]](https://dist-tutor.info/s3/dist-tutor/user/20094/ava/thumbnails/mQ6siSVtAT1Szar.jpg)
Вам нужны консультации по Химии по Skype?
Если да, подайте заявку. Стоимость договорная.
Чтобы закрыть это окно, нажмите «Нет».
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
ВАЖНЕЙШИЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
1. Природный газ: Россия, Алжир, Иран, США
2. Нефть: Россия, Саудовская Аравия, Кувейт, Иран, Азербайджан
3. Попутный нефтяной газ
4. Каменный уголь
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
смесь газообразных углеводородов различного происхождения, заполняющие поры и пустоты горных пород, рассеянных в почве
Состав: 98%СН4, 2% — С2Н6, С3Н8, С4Н10, N2, CO2, H2, H2S
Применение:
2. Химическое сырье на 10% (сажа, водород, ацетилен, растворители)
ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ — «шапка» над нефтью»
Смесь углеводородов сопутствующие нефти и выделяющиеся при её добыче
Состав: 30-40% — СН4 7,5% — С2Н6, 21,8% — С3Н8, 20,5% -С4Н10
Примеси — N2,CO2, Н2О,Н2S
Раньше сжигали, сейчас улавливают и используют:
2. Химическое сырье — получают: пластмассы, каучуки, сухой газ, пропан- бутановую смесь, газовый бензин
НЕФТЬ — маслянистая горючая жидкость темного цвета, легче воды, имеет специфический запах, не растворяется в воде, не имеет определенной температуры кипения
Сложная смесь углеводородов (150)– алканов, циклоалканов, аренов линейного и разветвленного строения
Физические: ректификация
Химические: алкилирование, крекинг, ароматизация
Происхождение: горная порода осадочного происхождения (каменноугольный период)
Состав: сложная смесь ВМС, С, Н2, N2, O2 ,S
Коксование (пиролиз) – разложение веществ без доступа кислорода при высокой температуре
ПРОДУКТЫ:
Кокс: Чистый уголь С
Коксовый газ: СН4, N2, CO2, CO, Н2, NН3
Каменноугольная смола: C6H6 и его гомологи, C6H5OH, гетероциклические соединения
NH4OH, C6H5OH, H2S
- фракционная перегонка
- термический крекинг
- каталитический крекинг
- риформинг
- гидрокрекинг
- другие процессы
ФРАКЦИОННАЯ ПЕРЕГОНКА НЕФТИ (РЕКТИФИКАЦИЯ НЕФТИ)
Физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.
Перегонка осуществляется в особых установках – ректификационных колоннах.
Ректификация – разделение многокомпонентных жидких смесей на отдельные компоненты.
В них поступающая нефть нагревается примерно до 320° С, и разогретые продукты подаются на промежуточные уровни.
В колонне может быть от 30 до 60 расположенных с определенным интервалом поддонов и желобов, на которых и конденсируются продукты перегонки.
Фракция – часть сыпучего или кускового твердого материала либо жидкой смеси, выделенная по определенному признаку.
Фракции переработки нефти:
- Газовая
- Бензин
- Лигроин
- Керосин
- Дизельное топливо
- Мазут
Самая ценная вторая фракции
КРЕКИНГ
Непрямая переработка нефти- процесс расщепления нефтепродуктов на углеводороды с меньшим числом атомов С
ВИДЫ КРЕКИНГА
1. ТЕРМИЧЕСКИЙ: расщепление молекул углеводородов на алканы и алкены нормального строения
Условия: t=450-5500С, р=2-7 МПА
Продукты крекинга: сырье для получения спиртов, карбоновых кислот, ВМС
Недостаток : бензин малопригоден для использования в качестве моторного топлива, т.к. быстро осмоляется, за счет непредельных углеводородов
2. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ – расщепление молекул углеводородов на алканы и алкены разветвленного строения
Условия: t=450-5000С, каt. nAl2O3* mSiO2
Продукты крекинга: углеводороды разветвленного строения(сырье для химической промышленности.
Бензин обладает высоким качеством – с большим октановым числом и детонационной стойкостью.
3. ГИДРОКРЕКИНГ — процесс превращения парообразной нефти в бензин и реактивное топливо под действием водорода при высоком давлении, повышенной температуре и наличии катализатора (на основе вольфрама, никеля или платины).
«Гидроочистка» — гидрирование дистиллятов при невысоких требованиях к выходам продукции, главным образом для удаления серы из сырья.
ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ КРЕКИНГЕ
1. АРОМАТИЗАЦИЯ — Пиролиз нефти, риформинг, «облагораживание бензина»
Непрямая химическая переработка бензиновых и лигроиновых фракций при t =500-5400С, каt., p c целью получения высокооктановых бензинов.
Результат: Алканы → циклоалканы→ ароматические (повышение октанового числа бензина)
АЛКИЛИРОВАНИЕ
Процесс введения в молекулы соединений радикалов CH3, C2H5
Используется для получения высокооктанового топлива, ПАВ, инсектицидов, антиокислителей
КАЧЕСТВО БЕНЗИНА определяется детонационной устойчивостью.
Количественным показателем качества бензина является октановое число.
АИ – 92 показывает, что данное горючие имеет такую же детонационную устойчивость, как смесь 92% изооктана и 8% н – гептана.
Для повышения октанового числа используют процесс РИФОРМИНГА низкосортных сортов бензина, который подвергают нагреванию в присутствии катализаторов (платины).
Экологические проблемы использования нефтепродуктов
1.Нефть загрязняет океан при аварийных ситуациях, возникающих на танкерах, разрывах морских трубопроводов, авариях на морских буровых.
2. Ежегодно в океан сливается 2.5 млн.т нефти.
3. Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.
4. Негативные изменения в среде обитания.
Охрана окружающей среды
1.Необходимо удалять из нефтепродуктов серу и азот, чтобы при сжигании топлива в атмосферу не попадали их оксиды.
2. Необходимо охранять среду от загрязнения отходами производства нефтью и нефтепродуктами.
3. Коксохимические производства обязательно должны быть оборудованы пылеуловителями.
При загрузке шихты и выдаче 1 т. угля выбрасывается 0,75кг. пыли, 0,55кг. сероводорода, 0,07кг. аммиака, 0,0004кг. цианидов, 0,13кг. фенола,0,16кг. аренов.
Нефть самый стойкий загрязнитель океанических вод. Ежегодно в моря и океаны попадает 6-10 млн. тонн нефти. Одна тонна нефти растекаясь образует на поверхности пятно площадью 12 км2.
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
И ЕЕ ПОСЛЕДСТВИЯ
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ — загрязнение газообразными и жидкими химическими соединениями и отдельными элементами, а так же их твердыми фракциями.
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
- теплоэлектростанции
- цементные заводы
- металлургические предприятия
- отопления жилищ
- работы транспорта
- сжигания топлива для нужд промышленности
- сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов
ПОСЛЕДСТВИЯ:
Фотохимический туман (смог)
Состав :озон, оксиды азота и серы,фотооксиданты .
- наличие в атмосфере
- высокой концентрации оксидов азота;
- углеводородов и других загрязнителей;
- интенсивной солнечной радиации;
- безветрие.
ПУТИ РЕШЕНИЯ:
- контроль за выбросами в атмосферу различных загрязняющих веществ;
- сокращение количества единиц транспорта;
- выведение предприятий за пределы города;
- увеличение высоты труб;
- установка фильтров на предприятиях.
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД
- минеральные соли
- кислоты
- щелочи
- глинистые частицы
- нефть
- нефтепродукты
- органические остатки
- пестициды
- тяжелые металлы: ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь
ПОСЛЕДСТВИЯ
- происходит повышение температуры воды в водоемах на 6-8°С;
- уменьшается растворимость кислорода;
- ухудшается водообмен между поверхностным и донным слоем.
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ
- Пестициды
- Кислотные дожди
- Попадание сточных вод
ПОСЛЕДСТВИЯ
- гибель полезных насекомых в почве;
- гибель растений.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
- Проблема химического загрязнения среды- глобальная проблема человечества.
- Химическое загрязнение затрагивает все сферы географической оболочки Земли.
- Проблема химического загрязнения требует всестороннего изучения и решения, а также участия всех стран мира( в реализации экологических программ).
Природные источники углеводородов
В природе углеводороды встречаются в виде нефти, природного газа, каменного угля.
Нефть — маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом природного происхождения, состоящая из смеси различных углеводородов.
Природный газ — бесцветный газ, состоящий из смеси различных углеводородов (преимущественно из метана).
Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое, которое имеет сложный состав.
Состав нефти
В зависимости от месторождения нефть имеет различный состав. В неё могут входить: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды.
Фракции нефти
- Фракция, собираемая от 40 до 200°С — фракция бензинов — содержит углеводороды от С6Н12 до С11Н24.
- Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30.
- Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения от 180 до 300°С.
- В следующей фракции получают газойль (выше 275°С) — дизельное топливо.
- Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. После отгонки остается гудрон. Его применяют в дорожном строительстве.
Перегонка нефти
Перегонка – это разделение нефти на отдельные фракции по температуре кипения.
Перегонка нефти осуществляется в ректификационной колонне.
В печи нефть нагревается до 320-350 °С и поступает в ректификационную колонну.
Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки.
Пары нефти подаются в колонну и поднимаются вверх, при этом постепенно охлаждаются и сжижаются.
Менее летучие углеводороды конденсируются внизу, образуя газойлевую фракцию.
Выше собирается керосин, а затем — лигроин. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин.
Главный недостаток перегонки нефти — малый выход бензина (не более 20%).
Крекинг нефтепродуктов
Крекинг — расщепление углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой.
Такой процесс называется крекингом (по англ. crack – расщеплять). Промышленный метод крекинга был изобретен русским инженером В. Г. Шуховым в 1891 г.
Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных углеводородов.
Например, при крекинге гексадекана образуются октан и октен:
C16H34 → C8H18 + C8H16
Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее. При крекинге октана могут образоваться бутан и бутен:
C8H18 → C4H8 + C4H10
А при крекинге бутана образуются этан и этилен:
C4H10 → C2H4 + C2H6
Различают два основных вида крекинга:
Термический крекинг:
Расщепление углеводородов производится при высокой температуре (470—550°С) и давлении.
Бензин термического крекинга содержит много непредельных углеводородов и обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. Он менее устойчив при хранении, так как непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются. Поэтому к бензину термического крекинга добавляют антиокислители.
Каталитический крекинг:
Расщепление углеводородов происходит при несколько более низкой температуре (450- 500°С) с применением катализаторов (алюмосиликатов). Процесс происходит с большей скоростью, чем при термическом крекинге. Бензин каталитического крекинга более высокого качества, чем бензин термического крекинга, так как наряду с реакциями расщепления идет изомеризация и образуются разветвленные углеводороды, которые еще более повышают детонационную стойкость бензина. В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому он более устойчив при хранении.
Ароматизация нефти
Превращение предельных углеводородов и циклоалканов нефти в ароматические углеводороды. Также ароматизацию называют риформингом.
Так как в нефти содержатся также производные циклогексана, например, метилциклогексан, то из него при этих же условиях образуется метилбензол (толуол):
При этих же условиях н-гексан тоже превращается в бензол:
Переработка каменного угля
Каменный уголь подвергают коксованию. Это нагревание без доступа воздуха при температуре 1000-1400оС. При коксовании образуется кокс (почти чистый углерод), коксовый газ (состоит преимущественно из водорода и метана), аммиак, деготь, ароматические углеводорода и др.
Наиболее важные источники углеводородов –
-
природный газ
-
нефть
-
каменный уголь
Природный газ
–
состоит (в основном) из метана и (в меньших количествах) его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана, пентана, гексана и т.д.; наблюдается в попутном нефтяном газе, т. е. природном газе, находящимся в природе над нефтью или растворенном в ней под давлением.
Нефть
– это маслянистая горючая жидкость, состоящая из алканов, циклоалканов, аренов (преобладают), а также кислород-, азот- и серосодержащих соединений.
Уголь
– твердое горючее полезное ископаемое органического происхождения. Он содержит мало графит а и много сложных циклических соединений, включающих элементы С, Н, О, N и S. Встречаются антрацит (почти безводный), каменный уголь (-4% влаги) и бурый уголь (50-60% влаги). Методом коксования уголь превращают в углеводороды (газообразные, жидкие и твердые) и кокс (достаточно чистый графит).
Коксование угля
Нагревание угля без доступа воздуха до 900—1050 °С приводит к его термическому разложению с образованием летучих продуктов (каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ) и твердого остатка — кокса.
Основные продукты: кокс — 96—98% углерода; коксовый газ —60% водорода, 25% метана, 7% оксида углерода (II) и др.
Побочные продукты: каменноугольная смола (бензол, толуол), аммиак (из коксового газа) и др.
Переработка нефти методом ректификации
Предварительно очищенную нефть подвергают атмосферной (или вакуумной) перегонке на фракции с определенными интервалами температур кипения в ректификационных колоннах непрерывного действия.
Основные продукты: легкий и тяжелый бензин, керосин, газойль, смазочные масла, мазут, гудрон.
Переработка нефти каталитическим крекингом
Сырье: высококипящие нефтяные фракции (керосин, газойль и др.)
Вспомогательные материалы: катализаторы (модифицированные алюмосиликаты).
Основной химический процесс: при температуре 500—600 °С и давлении 5·10
5
Па молекулы углеводородов расщепляются на более мелкие молекулы, каталитический крекинг сопровождается реакциями ароматизации, изомеризации, алкилирования.
Продукты: смесь низко кипящих углеводородов (топливо, сырье для нефтехимии).
С
16.
Н
34
→ С
8
Н
18
+ С
8
Н
16
С
8
Н
18
→ С
4
Н
10
+ С
4
Н
8
С
4
Н
10
→ С
2
Н
6
+ С
2
Н
4
Нефть и способы её переработки
Ключевые слова конспекта: Попутный нефтяной газ и его фракции (газовый бензин, пропан-бутановая фракция, сухой газ). Нефть и её фракции (бензин, лигроин, керосин, газойль, мазут). Ректификация (перегонка). Крекинг. Риформинг. Детонационная устойчивость. Октановое число.
Состав нефти и попутного нефтяного газа
Миллионы лет назад в процессе разложения останков животных и растительных организмов в недрах Земли образовалось ещё одно полезное ископаемое — нефть. Полости над её поверхностью занимают попутные нефтяные газы, частично растворённые в нефти вследствие высокого давления.
По сравнению с природным газом в попутном нефтяном газе содержится меньше метана и больше его гомологов: этана, пропана, бутана, пентана и др. Перед использованием попутный нефтяной газ разделяют на составные части, называемые фракциями. Фракция, содержащая пентан, гексан и их изомеры, — это газовый бензин, который используется в качестве низкосортного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Фракцию, содержащую пропан и бутан (её так и называют — пропан-бутановая фракция), используют в качестве топлива для двигателей, работающих на сжиженном газе. Именно такая смесь находится в бытовых газовых баллонах красного цвета, баллонах автомобилей, работающих на газе, а также в газовых зажигалках. Самая низкокипящая фракция — так называемый сухой газ — сходна по составу с природным и может использоваться в качестве топлива или химического сырья.
Нефть — это маслянистая жидкость от светло-коричневого до тёмно-бурого цвета со специфическим запахом, нерастворимая в воде. Именно поэтому разливы нефти в результате аварий танкеров или нефтедобывающих платформ — настоящее экологическое бедствие. Несмотря на ничтожную толщину, нефтяная плёнка препятствует растворению в воде кислорода воздуха, необходимого для дыхания обитателей вод. Гибнут водоплавающие птицы, перья которых покрываются несмываемым маслянистым налётом. Нефтяные разливы загрязняют сотни километров береговой полосы.
По своему составу нефть представляет собой природную смесь углеводородов, главным образом алканов линейного и разветвлённого строения, содержащих от 6 до 50 атомов углерода в молекуле. Нефть может содержать также значительное количество ароматических углеводородов.
Переработка нефти
Газообразные и твёрдые компоненты нефти растворены в её жидкой фазе. Поскольку нефть — сложнейшая смесь многих веществ, она не имеет определённой температуры кипения. При нагревании из нефти постепенно выкипают летучие компоненты в порядке увеличения их плотности и температуры кипения. Такое свойство нефти позволяет разделять её на составляющие — отдельные фракции, представляющие собой смеси веществ с относительно близкими температурами кипения. Этот процесс называют фракционной перегонкой или ректификацией.
Ректификацией (перегонкой) называют разделение жидких смесей на отдельные компоненты — фракции.
Ректификацию осуществляют на специальных установках, называемых ректификационными колоннами. На этих установках нефть разделяют на несколько фракций: бензин, лигроин, керосин, газойль (дизельное топливо) и др. Бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, лигроин — как горючее для сельскохозяйственной техники и сырьё для дальнейшей переработки, керосин — как топливо для современных реактивных самолётов, газойль — как топливо для дизельных двигателей.
Остаток после перегонки нефти — мазут. Эту тёмную вязкую жидкость используют в качестве топлива для тепловых электростанций и котельных, а также перерабатывают с получением битума, гудрона и минеральных масел. 
В процессе перегонки не происходит химических превращений одних веществ в другие. А вот вторичная переработка нефтепродуктов уже сопровождается протеканием химических реакций. Один из процессов вторичной переработки нефти — крекинг нефтепродуктов.
Крекинг — процесс термического расщепления углеводородов с получением продуктов с меньшей относительной молекулярной массой.
Впервые промышленный крекинг керосина осуществил на установке собственной конструкции русский инженер и изобретатель Владимир Григорьевич Шухов в 1891 г., нагревая его до температуры 500—600 °С. При этом молекулы алканов разрываются примерно пополам с образованием предельного и этиленового углеводорода с меньшей длиной углеродной цепи:
Смесь предельных углеводородов, выделенных из продуктов крекинга, аналогична бензиновой фракции нефти и используется в качестве автомобильного топлива. Вторичная переработка нефтепродуктов позволяет увеличить выход наиболее ценного нефтепродукта — бензина.
Бензин, получаемый в результате термического крекинга нефтепродуктов, как правило, невысокого качества. Повысить его позволяет ещё один процесс вторичной переработки нефтепродуктов — риформинг (от англ, reform — переделывать).
Риформинг — переработка нефтепродуктов с целью повышения качества бензина и получения ароматических углеводородов.
Основу процесса риформинга составляют два типа реакций — изомеризация предельных углеводородов и их дегидрирование. В результате первой реакции образуются алканы с разветвлённой углеродной цепью, в результате второй — бензол и его гомологи:
Понятие об октановом числе
Один из показателей качества бензина — его детонационная устойчивость, т. е. способность выдерживать в смеси с воздухом сильное сжатие в цилиндре двигателя без самопроизвольного возгорания. Эта способность напрямую зависит от строения углеводорода. Так, углеводороды разветвлённого строения (циклические и ароматические) способны выдерживать более высокую степень сжатия, чем алканы линейного строения.
Детонационная устойчивость бензина характеризуется количественным показателем, который называют октановым числом. За нулевой показатель в октановой шкале принята детонационная стойкость гептана линейного строения C7H18. Октановое число, равное 100, приписывают углеводороду состава С8Н18 — 2,2,4-триметилпентану (его условное название — изооктан):
Октановое число бензина указывается в его марке. Например, бензин АИ-95 характеризуется октановым числом 95, т. е. имеет такую же детонационную устойчивость, как смесь 95 % изооктана и 5 % н-гептана.
Нефть в мировой экономике
Добыча, транспортировка, переработка и использование природного газа, нефти и нефтепродуктов — один из важнейших аспектов международного сотрудничества. Десятки тысяч километров трубопроводов живым потоком горючего газа связывают государства. Нефтеналивные танкеры перевозят «чёрное золото» с одного континента на другой.
Проблема рынка углеводородного сырья является одной из основных как для каждой страны в отдельности, так и для всего мира в целом. Для развития отрасли требуется международная кооперация. Одни страны специализируются на геологоразведке и добыче нефти и газа, другие разрабатывают и поставляют эффективное оборудование, через третьи страны проходят транспортные артерии.
В середине прошлого века на геополитической карте мира возникли международные картели нефтегазовой отрасли. В них входят страны, оказавшие огромное влияние на развитие нефтяной промышленности и всего энергетического комплекса мира. Это страны ОПЕК (Organization of Petroleum Exporting Countries, Организация стран — экспортёров нефти), возникшей в 1960 г., в состав которой на второе десятилетие XXI в. входят: Венесуэла, Алжир, Иран, Ирак, ОАЭ, Ливия, Кувейт, Катар, Саудовская Аравия, Нигерия и др.
Помимо взаимовыгодного сотрудничества, международная экономическая конкуренция создаёт очаги напряжённости, связанные с разделом сфер влияния на нефтяном рынке. Вооружённые конфликты, обострившиеся в последнее десятилетие в странах Северной Африки, Ближнего Востока, в конечном счёте связаны с желанием доминировать в международном экономическом пространстве, диктовать свои условия на рынке углеводородов.
Мировые цены на нефть значительно влияют на экономическое состояние нашей страны, потому что за счёт экспорта углеводородов происходит значительная часть валютных поступлений, с которыми связаны колебания курса отечественной валюты — рубля. Важнейшей экономической задачей страны является уменьшение зависимости её бюджета от экспорта нефти и газа, высокотехнологичная переработка углеводородного сырья внутри страны, внедрение в развитие всех отраслей промышленности инновационных процессов, безопасных для окружающей среды и обеспечивающих финансовую и технологическую самодостаточность Российской Федерации.
Конспект урока по химии «Нефть и способы её переработки». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 10 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:
- Вернуться к Списку конспектов по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
- Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии
Общие представления о промышленных способах
получения важнейших веществ
Природные
источники углеводородов, их переработка
К числу
важнейших природных источников углеводородов относятся:
·
природный
и попутный нефтяной газы;
·
нефть;
·
каменный
уголь.
Природный
газ
содержит углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий
примерный состав (по объему): 80–98 % метана СН4, 2–3 % его
ближайших гомологов – этана С2Н6, пропана С3Н8,
бутана С4Н10 и небольшое количество примесей –
сероводорода Н2S, азота N2, благородных газов, оксида
углерода(IV) CO2 и паров воды H2O. Состав газа специфичен
для каждого месторождения. Существует следующая закономерность: чем выше
относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в
природном газе.
Попутный
газ
содержит меньше метана СН4, чем природный газ, но больше этана С2Н6,
пропана С3Н8, бутана С4Н10 и высших
углеводородов. Кроме того, в них присутствуют, в основном, те же примеси, что и
в природном газе: сероводород H2S, азот N2, благородные
газы, пары воды Н2О, углекислого CO2. Из попутных газов
извлекают индивидуальные углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.). Их
переработка позволяет получать путем дегидрирования непредельные углеводороды –
пропен, бутен, бутадиен, из которых затем синтезируют каучуки и пластмассы.
Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый
бензин (смесь пентана с гексаном) применяют как добавку к бензину для лучшего
воспламенения горючего при запуске двигателя. Окислением углеводородов получают
органические кислоты, спирты и другие продукты.
Нефть представляет
собой маслянистую горючую жидкость темно-бурого или почти черного цвета
с характерным запахом. Нефть легче воды (ρ = 0,73–0,97 г/ см3), в
воде практически нерастворима. По составу нефть – сложная смесь углеводородов
различной молекулярной массы, поэтому у нее нет определенной температуры
кипения.
Нефть
состоит главным образом из жидких углеводородов, в которых растворены твердые и
газообразные углеводороды: алканы (преимущественно нормального строения),
циклоалканы и арены, соотношение которых в различных месторождениях нефти
колеблется в широких пределах. Так, уральская нефть содержит большое количество
аренов. Кроме углеводородов в состав нефти входят кислородные, сернистые и
азотистые органические соединения.
Различают
первичную и вторичную переработку нефти:
Первичная
переработка нефти заключается в отделении от нефти попутных
газов и перегонке (дистилляции).
Перегонка
– физический процесс, в результате которого нефть разделяется
на фракции в зависимости от температуры кипения углеводородов. При перегонке
нефти получают следующие светлые нефтепродукты:
·
бензин
(tкип. = 40–200 °С) содержит углеводороды С5–С11,
·
лигроин
(tкип. = 150–250 °С) содержит углеводороды С8–С14,
·
керосин
(tкип. = 180–300 °С) содержит углеводороды С12–С18,
·
газойль,
или соляровое масло (tкип. > 275 °С), содержит углеводороды С14–С25.
Остаток от
перегонки нефти содержит вязкую черную жидкость – мазут. Мазут
подвергают дальнейшей переработке, перегоняя его под уменьшенным давлением (для
предупреждения разложения), и выделяют смазочные масла:
веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти
выделяют вазелин и парафин. Остаток после отгонки мазута – гудрон
– применяется для получения асфальта. Главный недостаток перегонки нефти –
малый выход бензина (не более 20 %). Характеристика продуктов перегонки нефти
представлена в таблице:
Продукты перегонки
нефти
|
Продукт |
Состав |
Температура |
Применение |
|
|
Бензин |
С5–С11 |
40–200°С |
Авиационное |
|
|
Лигроин |
С8–С14 |
150–250°С |
Горючее |
|
|
Керосин |
С12–С18 |
180–300°С |
Горючее для |
|
|
Газойль |
С14 – |
> 275°С |
Моторное топливо |
|
|
Мазут |
Смазочные масла |
С20 – |
Труднолетучие |
Смазка для |
|
Вазелин |
Смесь жидких и |
Труднолетучие |
В |
|
|
Парафин |
Смесь твердых |
Труднолетучие |
Для получения пропитка для изготовления |
|
|
Гудрон |
˃ 30 |
Остаток после |
Получение |
Вторичная
переработка нефти сопровождается изменением структуры
углеводородов, входящих в ее состав. Вторичная переработка нефти –
химический процесс.
Среди
вторичных методов переработки нефти большое значение имеет крекинг
углеводородов, проводимый с целью повышения выхода бензина (до 65–70 %).
Крекинг – процесс
расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого
образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Различают
два основных вида крекинга: термический и каталитический.
Термический
крекинг
проводится при нагревании исходного сырья (мазута и др.) при температуре
470–550 °С и давлении 2–6 МПа. При этом молекулы углеводородов с большим числом
атомов С расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов, образуя как
предельные, так и непредельные углеводороды, например:
С8Н18
С4Н10 + С4Н8
октан
бутан бутен
С4Н10
С2Н6 + С2Н4
бутан этан этен
Каталитический
крекинг
проводится в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при более низком
по сравнению с термическим крекингом температуре — 450–500°С и атмосферном
давлении. По сравнению с термическим крекингом, каталитический крекинг
протекает значительно быстрее, с меньшим расходом тепловой энергии. Этим
способом получают авиационный бензин с выходом до 80 %. Такому виду крекинга
подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти.
При
каталитическом крекинге образуется относительно много углеводородов с
разветвленной цепью, представляющих большую ценность для органического синтеза.
В результате реакции изомеризации образуются предельные углеводороды с
разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина:
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2
СН3-СН-СН2-СН2-СН2
н-гексан
|
CH3
изогексан
Наряду с
реакциями изомеризации при каталитическом крекинге циклизации и дегидрирования,
в результате чего образуются циклические углеводороды, в том числе
ароматические.
Бензин
каталитического крекинга обладает более высоким по сравнению с бензином
термического крекинга качеством. Он устойчив при хранении и обладает высоким октановым
числом.
Октановое
число
характеризует устойчивость нефти к детонации – способности горючего
выдерживать сильное сжатие в двигателе без преждевременного сгорания. Наиболее
устойчивы к детонации разветвленные алканы и ароматические углеводороды,
имеющие высокие октановые числа. Неразветвленные алканы характеризуются низкими
октановыми числами.
Сравнительная
характеристика процессов термического и каталитического крекинга представлена в
таблице:
Сравнительная
характеристика
термического и
каталитического крекинга
|
Вид крекинга |
Температура |
Состав |
Свойства |
|
Термический |
470-550оС |
Содержат много |
Неустойчив при |
|
Каталитический |
450-500оС |
Содержат алканы |
Устойчив при |
Пиролиз –
разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре.
Пиролиз происходит при tо = 700°С и выше. При пиролизе нефти
основными продуктами реакции являются непредельные газообразные углеводороды
(этилен, ацетилен) и ароматические – бензол, толуол и др. Поскольку пиролиз
нефти – один из важнейших путей получения ароматических углеводородов, то этот
процесс часто называют ароматизацией нефти.
Ароматизация –
превращение алканов и циклоалканов в арены. Ароматизацию применяют для
получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола) из
бензиновых фракций нефти.
При
нагревании тяжелых фракций нефтепродуктов в присутствии катализатора (Pt)
углеводороды, содержащие 6–8 атомов углерода в молекуле, превращаются в
ароматические углеводороды, например:
СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2
+ Н2
гексан циклогексан
+ 4Н2
циклогексан бензол
Эти
процессы протекают при каталитическом риформинге.
Каталитический
риформинг – процесс ароматизации бензинов, осуществляемый в
результате нагревания их в присутствии катализатора, например платины Pt. В
этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды,
вследствие чего октановое число бензинов также существенно повышается.
Помимо
ароматических соединений продуктами каталитического риформинга являются также
насыщенные углеводороды разветвленного строения, образующиеся в результате
процесса алкилирования, например:
CH3
CH3 CH3
CH3
| |
| |
СН3-СН-СН3
+ СН3-С=СН2 СН3-С-СН2-СН2-СН-СН3
метил-пропан
метилпропен |
CH3
2,2,4-триметилпентан (изооктан)
Углеводороды
нефти широко используются как источник химического сырья. Из них получают
вещества, необходимые для производства пластмасс, синтетического текстильного
волокна, синтетического каучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств,
взрывчатых веществ, ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.
Каменный
уголь
так же, как природный газ и нефть, является источником энергии и ценным
химическим сырьем.
Основной
метод переработки каменного угля – коксование (сухая перегонка).
При коксовании (нагревании до 1000°С – 1200 °С без доступа воздуха) получаются
различные продукты:
·
кокс,
·
каменноугольная
смола,
·
надсмольная
вода,
·
коксовый
газ.
·
Кокс
используют в качестве восстановителя при производстве чугуна на
металлургических заводах.
·
Каменноугольная
смола
служит источником ароматических углеводородов. Ее подвергают ректификационной
перегонке и получают бензол, толуол, ксилол, нафталин, а также фенолы,
азотсодержащие соединения и др. Пек – густая черная масса, оставшаяся после
перегонки смолы, используется для приготовления электродов и кровельного толя.
·
Из
надсмольной воды получают аммиак, сульфат аммония, фенол и
др.
·
Коксовый
газ
применяют для обогревания коксовых печей (при сгорании 1м3
выделяется около 18000 кДж), но в основном его подвергают химической
переработке. Так, из него выделяют водород для синтеза аммиака, используемого
затем для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат
аммония, этилен.