Природные источники углеводородов, их переработка / Справочник
Нефть
Следующий природный углеводород – нефть, известен людям с древних времён. На берегах реки Евфрат ее добывали еще 6-7 тыс. лет до н. э. Применяли нефть для освещения жилищ, готовили из нее строительные растворы, а также использовали как лекарства и мази в процессе бальзамирования. Кроме этого, нефть была главным компонентом зажигательного средства, называемого “греческим огнем”.На сегодняшний день разведано свыше 600 нефтегазоносных бассейнов. Разработки ведутся в 450 из них. При этом ученые считают, что всего в мире около 50 тысяч нефтяных месторождений.Бывает легкая и тяжелая нефть. Извлечение легкой нефти происходит при помощи насосов или фонтанным методом. Из такого продукта создают главным образом бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти часто разрабатывают шахтным способом (к примеру, в Республике Коми). Из нее создают битум, мазут, разные масла.Нефть можно назвать самым универсальным топливом. Добывать ее довольно легко, поскольку для этого не нужно опускать под землю людей. Основным недостатком такого топлива можно назвать невысокую ресурсообеспеченность (примерно 50 лет). 
Каждая капля нефти содержит свыше 900 разных химических соединений, больше половины Периодической системы элементов. Примечательно, что в сыром виде нефть совершенно не используют, применяют исключительно продукты нефтепереработки.Переработка природных углеводородов, а именно нефти дает возможность получить большое количество крайне ценных продуктов. Результатом отгонки из нефти светлых продуктов является получение мазута. Его подвергают второй перегонке с целью получения смазочных масел. Неперегоняемая часть мазута – гудрон. Его применяют в строительной отрасли, а также в процессе асфальтирования дорог. Объем бензина не превышал 17-20% от массы сырой нефти. Однако, Владимир Шухов в 1891 году предложил вариант промышленного крекинга керосиновой фракции нефти. Таким образом, удалось повысить выход бензина до 65-70% (в перерасчёте на сырую нефть).Добыча нефти связана с загрязнением окружающей среды. В результате аварий нефтеналивных танкеров, которые периодически происходят, берега покрываются слоем мазута, задыхаются рыбы и млекопитающие, гибнут птицы, когда их крылья вымазываются в мазут. К примеру, в 2007 году в Керченском проливе в воду вылились 2 тысячи тонн нефтепродуктов и почти 7 тысяч тонн серы. Затронутая аварией экосистема сможет восстановиться не раньше, чем через 10 лет. В результате разлива нефти в проливе погибли свыше 15 тысяч птиц. Только представьте, что литр нефти, дающий воду, образует на ее поверхности пятно площадью 100 кв.м. Экологи заявили, что на сегодняшний день почти 20% площади мирового океана покрыты нефтяными пятнами.
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.
Вторичная переработка нефти
Крекинг
Бензиновая фракция составляет лишь небольшую долю от всей добываемой нефти, и получаемый в процессе перегонки бензин не может удовлетворить спрос на него. Поэтому одной из задач вторичной переработки нефти является превращение тяжёлых углеводородов в углеводороды бензиновой фракции. Для этого молекулы с большим числом атомов углерода расщепляются на более мелкие. Этот процесс называется крекингом.
При высоких температурах происходит расщепление химических связей углерод-углерод, в результате чего молекулы углеводородов с длинной цепью атомов углерода превращаются в углеводороды с более короткой цепью, например:
Как видно из приведённого примера, из углеводорода состава C12H26 образовалась смесь алкана и алкена с числом атомов углерода в молекулах, равным 6, что соответствует бензиновой фракции. Следует отметить, что расщепление молекулы исходного вещества может происходить по любой связи углерод-углерод, например:
В результате образуется смесь предельных и непредельных углеводородов преимущественно неразветвлённого строения. Описанный процесс называется термическим крекингом. Термический крекинг проводится при температурах до 800 °С. Чем выше температура крекинга, тем сильнее дробятся молекулы исходных веществ. Так, при температурах около 800 °С образуется большое количество газообразных алкенов (этена, пропена и бутенов), которые используются для получения полимеров.
Недостатком термического крекинга является большое содержание в его продуктах углеводородов неразветвлённого строения. Поэтому полученный таким способом бензин имеет невысокое октановое число (обычно не выше 70). Бензин с более высоким октановым числом можно получить в результате каталитического крекинга. Каталитический крекинг осуществляется при более низких температурах (400–500 °С) в присутствии катализаторов. В этих условиях, наряду с расщеплением молекул, происходит изомеризация получающихся углеводородов (§ 10), то есть образуются углеводороды разветвлённого строения.
Риформинг
Ещё более эффективным способом получения бензина с высоким октановым числом является риформинг — процесс превращения алканов в ароматические углеводороды при нагревании на катализаторе. Например, при нагревании гексана на платиновом катализаторе он превращается в бензол:
В аналогичных условиях гептан превращается в толуол:
Как видно, в ходе описанных реакций от молекул алканов отщепляются четыре молекулы водорода и образуются циклические ароматические углеводороды, поэтому данные процессы называют дегидроциклизацией, или ароматизацией, алканов. Дегидроциклизация алканов используется не только для повышения октанового числа бензина, но и с целью получения бензола и его гомологов.
Использование процессов вторичной переработки нефти позволяет довести выход бензина с 15 % (первичная переработка) до примерно 60 %. Кроме этого, в процессах вторичной переработки образуется большое число ценных веществ, которые являются сырьём для получения полимеров и других продуктов.
Природный газ
Основным компонентом этого природного ресурса является метан. В незначительном количестве содержит этан, пропан, бутан, а также азот, углекислый газ и сероводород. Без углеводородов не было бы и природного газа. Его залежи образовываются в донных отложениях при анаэробном разложении останков животного и растительного происхождения. Соединение накапливающейся органики с молекулами водорода в глубоких слоях пород под воздействием повышенного давления приводило к аккумулированию углеводородов.
Газ имеет превосходство перед нефтью по эффективности использования, простоте добычи и экономичности. Добыча заключается в бурении скважин на всей площади месторождения. Поскольку газ в чистом виде в природе встречается крайне редко, для отделения его от примесей породы или других химических соединений рядом с местом добычи разворачиваются перерабатывающие комплексы. Например, сопутствующий месторождениям нефти газ имеет большую взрывоопасность при добыче черного золота, поэтому его откачка является обязательным первичным условием.
Значительно экономить на транспортировке позволяет то, что сырье не требует такой очистки, как нефть, для перегонки по газопроводу. На химических заводах газ подвергается вторичной переработке, которая по принципу воздействия на природное сырье подразделяется на следующие виды:
- физико-энергетическая переработка;
- термохимическая;
- химико-каталитическая.
Первый метод предполагает сильное нагревание или охлаждение газа, за счет чего происходит его сжатие и разделение на компоненты. Обычно именно этот способ используется на местах газодобычи.
Суть второй технологии заключается в образовании непредельных углеводородов под воздействием высоких температур и давления.
Третий способ заключается в трансформации метана в синтезированный газ и последующая его переработка. Для этого применяют паровую конверсию. Этот вариант — самый быстрый и экономичный, так как высокая скорость протекания химической реакции избавляет от использования дополнительных катализаторов.
В основном продукты переработки природного газа используют как топливо.
Из прочих составляющих также получают смолы, формальдегиды, аммиак, различные кислоты, которые находят дальнейшее применение в химической, оборонной, пищевой промышленности, в текстильном производстве и многих других отраслях.
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:
Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее. При крекинге октана могут образоваться бутан и бутен:
А при крекинге бутана образуются этан и этилен:
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.
*Предприятия нефтехимии Республики Беларусь
В нашей стране действуют два крупнейших нефтеперерабатывающих завода — в Новополоцке (ОАО «Нафтан») и Мозыре (ОАО «Мозырский нефтеперерабатывающий завод»). Основные продукты переработки нефти — автобензины, дизельное топливо, авиационные бензины, смазочные масла, ароматические углеводороды.
В Новополоцке, кроме продуктов нефтепереработки, из нефти получают много другой ценной продукции: полиэтилен и изделия из него (полиэтиленовая плёнка, трубы, электроизоляционные материалы и др.); продукты органического синтеза (компоненты для получения синтетических волокон и пластмасс), отдельные углеводороды и многое другое.
Выпускаемая на белорусских заводах продукция отвечает современным экологическим требованиям. Промышленные стоки предприятий проходят полный цикл глубокой очистки.
Важнейшими задачами, стоящими перед предприятиями нефтехимического комплекса нашей страны, является увеличение глубины переработки нефти, повышение качества получаемых продуктов, в том числе с точки зрения повышения их экологической чистоты, улучшение экологичности производств за счёт утилизации отходов и получения из них новых видов продукции.
Практическое применение
Наличие углеводородов в группе полезных ископаемых, относимых к горючим, предполагает использование последних в первую очередь в качестве топлива. Каждый из природных ресурсов имеет свои особенности залегания, добычи и переработки.
Каменный уголь
Нашедший наиболее широкое применение вид ископаемого угля.
Твердое горючее вещество органического (растительного) происхождения, представляющее собой смесь соединений углерода, кислорода, водорода, серы и азота.
Неорганические примеси также присутствуют.
Промышленная добыча угля возможна тремя способами в зависимости от глубины залегания породы, ее твердости и доступности:
- Карьерный (разрезной) — открытая добыча.
- Шахтный — подземная добыча.
- Гидравлический способ — с помощью гидравлического комбайна.
Наиболее качественный уголь получают из шахт, но вместе с тем это самый трудоемкий, дорогой и небезопасный способ добычи.
Способы переработки угля
Пиролиз (коксование) — основан на воздействии высоких температур в безвоздушном пространстве, в результате чего происходит разрушение и трансформация полимерных молекул. Полученный таким образом, кокс является сырьем для металлургической промышленности.
Газификация. Этот метод также применяет высокие температуры, но уже при наличии воздушной среды. Воздействие смеси газов и пара преобразует уголь из твердого состояния в газообразное. Конечным результатом переработки являются железо, никель, кобальт и другие металлы.
Полукоксование — за счет окисления с помощью катализатора при низкотемпературном режиме в 500 °C получают промежуточный продукт в виде смолы. В дальнейшем из нее изготавливают топливо или растворители.
Деструктивная гидрогенизация основана на химической реакции присоединения атомов водорода от молекул катализатора, коим является железосодержащая руда, к молекулам угля. Этот способ превращает твердое топливо в жидкое, так называемую синтетическую нефть.
Множество полезных веществ выполняют важную миссию, обеспечивая процесс жизнедеятельности людей.
В целом если нет технологии получения углеводородов, то и прогресс в развитии человечества как таковой невозможен. Ибо для любого действия нужна энергия, а если ее нет, то не будет и действия.
Источник
