1. Surse naturale de hidrocarburi: gaz, petrol, cărbune. Prelucrarea și aplicarea lor practică.
Principalele surse naturale de hidrocarburi sunt petrolul, gazele petroliere naturale și asociate și cărbunele.
Gaze petroliere naturale și asociate.
Gazul natural este un amestec de gaze, a cărui componentă principală este metanul, restul este etan, propan, butan și o cantitate mică de impurități - azot, monoxid de carbon (IV), hidrogen sulfurat și vapori de apă. 90% din acesta este consumat ca combustibil, restul de 10% este folosit ca materie primă pentru industria chimică: producția de hidrogen, etilenă, acetilenă, funingine, diverse materiale plastice, medicamente etc.
Gazul petrolier asociat este și gaz natural, dar apare împreună cu petrolul - este situat deasupra uleiului sau dizolvat în acesta sub presiune. Gazul asociat conține 30-50% metan, restul sunt omologii săi: etan, propan, butan și alte hidrocarburi. În plus, conține aceleași impurități ca și în gazele naturale.
Trei fracții de gaz asociat:
1. Benzina; se adaugă la benzină pentru a îmbunătăți pornirea motorului;
2. Amestecul propan-butan; folosit ca combustibil de uz casnic;
3. Gaz uscat; folosit pentru a produce acilenă, hidrogen, etilenă și alte substanțe, din care, la rândul lor, se produc cauciucuri, materiale plastice, alcooli, acizi organici etc.
Ulei.
Uleiul este un lichid uleios de la galben sau maro deschis până la negru, cu un miros caracteristic. Este mai ușor decât apa și practic insolubil în ea. Uleiul este un amestec de aproximativ 150 de hidrocarburi amestecate cu alte substante, deci nu are un punct de fierbere anume.
90% din uleiul produs este folosit ca materie primă pentru producerea diferiților combustibili și lubrifianți. În același timp, petrolul este o materie primă valoroasă pentru industria chimică.
Ulei extras din măruntaiele pământului, eu îl numesc brut. Țițeiul nu este folosit, este prelucrat. Țițeiul este purificat din gaze, apă și impurități mecanice și apoi este supus distilarii fracționate.
Distilarea este procesul de separare a amestecurilor în componente individuale, sau fracții, pe baza diferențelor dintre punctele lor de fierbere.
În timpul distilării uleiului, mai multe fracții de produse petroliere sunt izolate:
1. Fracția gazoasă (tfierbere = 40°C) conține alcani normali și ramificati CH4 - C4H10;
2. Fracția de benzină (tboil = 40 - 200°C) conține hidrocarburi C 5 H 12 - C 11 H 24; în timpul redistilării, din amestec sunt eliberate produse petroliere ușoare, fierbinți în intervale de temperatură mai scăzute: eter de petrol, benzină pentru aviație și motor;
3. Fracția nafta (benzină grea, punct de fierbere = 150 - 250 ° C), conține hidrocarburi din compoziția C 8 H 18 - C 14 H 30, utilizate ca combustibil pentru tractoare, locomotive diesel, camioane;
4. Fracţia de kerosen (tfierbere = 180 - 300°C) include hidrocarburi din compoziţia C12H26-C18H38; este folosit ca combustibil pentru avioane cu reactie, rachete;
5. Pacura (tboil = 270 - 350°C) este folosită ca motorină și crapată pe scară largă.
După distilarea fracțiilor, rămâne un lichid vâscos întunecat - păcură. Uleiurile solare, vaselina, parafina sunt izolate din păcură. Reziduul din distilarea păcurii este gudron, este folosit în producția de materiale pentru construcția drumurilor.
Reciclarea uleiului se bazează pe procese chimice:
1. Cracarea - scindarea moleculelor mari de hidrocarburi in altele mai mici. Distingeți cracarea termică și cea catalitică, care este mai frecventă în prezent.
2. Reformarea (aromatizarea) este conversia alcanilor și cicloalcanilor în compuși aromatici. Acest proces se realizează prin încălzirea benzinei la presiune ridicată în prezența unui catalizator. Reformarea este utilizată pentru a obține hidrocarburi aromatice din fracțiunile de benzină.
3. Piroliza produselor petroliere se realizează prin încălzirea produselor petroliere la o temperatură de 650 - 800°C, principalii produși de reacție sunt hidrocarburile nesaturate gazoase și aromatice.
Uleiul este o materie primă pentru producerea nu numai a combustibilului, ci și a multor substanțe organice.
Cărbune.
Cărbunele este, de asemenea, o sursă de energie și o materie primă chimică valoroasă. Compoziția cărbunelui este în principal materie organică, precum și apă, minerale, care formează cenușă atunci când este ars.
Unul dintre tipurile de prelucrare a cărbunelui este cocsificarea - acesta este procesul de încălzire a cărbunelui la o temperatură de 1000 ° C fără acces la aer. Cocsificarea cărbunelui se realizează în cuptoare de cocs. Coca-cola constă din carbon aproape pur. Este utilizat ca agent reducător în producția de fontă în furnal la uzinele metalurgice.
Substanțe volatile în timpul condensării gudron de cărbune (conține multe substanțe organice diferite, dintre care majoritatea sunt aromate), apă de amoniac (conține amoniac, săruri de amoniu) și gaz de cocs (conține amoniac, benzen, hidrogen, metan, monoxid de carbon (II), etilenă , azot și alte substanțe).
În timpul lecției, veți putea studia tema „Surse naturale de hidrocarburi. Rafinarea petrolului". Peste 90% din toată energia consumată în prezent de omenire este extrasă din compuși organici naturali fosili. Veți afla despre resursele naturale (gaze naturale, petrol, cărbune), ce se întâmplă cu petrolul după ce este extras.
Subiect: Limitarea hidrocarburilor
Lecția: Surse naturale de hidrocarburi
Aproximativ 90% din energia consumată de civilizația modernă este generată din arderea combustibililor fosili naturali - gaze naturale, petrol și cărbune.
Rusia este o țară bogată în combustibili fosili naturali. Există rezerve mari de petrol și gaze naturale în Siberia de Vest și Urali. Cărbunele este extras în bazinele Kuznetsk, South Yakutsk și în alte regiuni.
Gaz natural constă în medie 95% din volum metan.
În plus față de metan, gazele naturale din diverse câmpuri conține azot, dioxid de carbon, heliu, hidrogen sulfurat și alți alcani ușori - etan, propan și butani.
Gazele naturale sunt extrase din zăcăminte subterane, unde se află sub presiune ridicată. Metanul și alte hidrocarburi se formează din substanțe organice de origine vegetală și animală în timpul descompunerii lor fără acces la aer. Metanul este produs în mod constant și în prezent ca urmare a activității microorganismelor.
Metanul se găsește pe planetele sistemului solar și pe sateliții acestora.
Metanul pur este inodor. Cu toate acestea, gazul folosit în viața de zi cu zi are un miros neplăcut caracteristic. Acesta este mirosul aditivilor speciali - mercaptani. Mirosul de mercaptani vă permite să detectați la timp o scurgere de gaz menajer. Amestecuri de metan cu aer sunt exploziveîntr-o gamă largă de rapoarte - de la 5 la 15% din volum de gaz. Prin urmare, dacă simți miros de gaz în cameră, nu numai că poți aprinde un foc, ci și să folosești întrerupătoare electrice. Cea mai mică scânteie poate provoca o explozie.
Orez. 1. Petrol din diferite domenii
Ulei- un lichid gros ca uleiul. Culoarea sa este de la galben deschis la maro și negru.
Orez. 2. Câmpuri de petrol
Compoziția petrolului din diferite domenii variază foarte mult. Orez. 1. Partea principală a petrolului este hidrocarburile care conțin 5 sau mai mulți atomi de carbon. Practic, aceste hidrocarburi sunt saturate, adică. alcani. Orez. 2.
Compoziția uleiului include și compuși organici care conțin sulf, oxigen, azot.Uleiul conține apă și impurități anorganice.
Gazele sunt dizolvate în ulei, care sunt eliberate în timpul extracției sale - gazele petroliere asociate. Acestea sunt metanul, etanul, propanul, butanii cu impurități de azot, dioxid de carbon și hidrogen sulfurat.
Cărbune, ca și uleiul, este un amestec complex. Ponderea carbonului în el reprezintă 80-90%. Restul este hidrogen, oxigen, sulf, azot și alte câteva elemente. În cărbune brun proporția de carbon și materie organică este mai mică decât în piatră. Și mai puțin organic șisturi petroliere.
În industrie, cărbunele este încălzit la 900-1100 0 C fără aer. Acest proces se numește cocsificabil. Rezultatul este cocs cu un conținut ridicat de carbon, gaz de cocs și gudron de cărbune, necesar pentru metalurgie. O mulțime de substanțe organice sunt eliberate din gaz și gudron. Orez. 3.
Orez. 3. Dispozitivul cuptorului de cocs
Gazele naturale și petrolul sunt cele mai importante surse de materii prime pentru industria chimică. Uleiul așa cum este produs, sau „țițeiul”, este greu de utilizat chiar și ca combustibil. Prin urmare, țițeiul este împărțit în fracții (din engleză „fracție” - „parte”), folosind diferențele în punctele de fierbere ale substanțelor sale constitutive.
Metoda de separare a uleiului, bazată pe diferitele puncte de fierbere ale hidrocarburilor sale constitutive, se numește distilare sau distilare. Orez. patru.
Orez. 4. Produse de rafinare a petrolului
Fracția care este distilată de la aproximativ 50 până la 180 0 C se numește benzină.
Kerosenul fierbe la temperaturi de 180-300 0 C.
Se numește un reziduu gros negru care nu conține substanțe volatile păcură.
Există, de asemenea, o serie de fracții intermediare care fierb în intervale mai înguste - eteri de petrol (40-70 0 C și 70-100 0 C), spirit alb (149-204 ° C) și motorină (200-500 0 C). Sunt folosiți ca solvenți. Păcură poate fi distilată la presiune redusă, în acest fel se obțin uleiuri lubrifiante și parafină. Reziduu solid din distilarea păcurului - asfalt. Este utilizat pentru producția de suprafețe rutiere.
Prelucrarea gazelor petroliere asociate este o industrie separată și face posibilă obținerea unui număr de produse valoroase.
Rezumând lecția
În timpul lecției, ați studiat tema „Surse naturale de hidrocarburi. Rafinarea petrolului". Peste 90% din toată energia consumată în prezent de omenire este extrasă din compuși organici naturali fosili. Ați învățat despre resursele naturale (gaze naturale, petrol, cărbune), despre ce se întâmplă cu petrolul după ce este extras.
Bibliografie
1. Rudzitis G.E. Chimie. Fundamentele Chimiei Generale. Clasa a 10-a: manual pentru instituţiile de învăţământ: nivel de bază / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - ediția a XIV-a. - M.: Educație, 2012.
2. Chimie. Clasa 10. Nivel de profil: manual. pentru învăţământul general instituții / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin şi alţii - M.: Drofa, 2008. - 463 p.
3. Chimie. Clasa a 11a. Nivel de profil: manual. pentru învăţământul general instituții / V.V. Eremin, N.E. Kuzmenko, V.V. Lunin și alții - M.: Drofa, 2010. - 462 p.
4. Hhomcenko G.P., Hhomcenko I.G. Culegere de probleme de chimie pentru cei care intră în universități. - a 4-a ed. - M.: RIA „New Wave”: Editura Umerenkov, 2012. - 278 p.
Teme pentru acasă
1. Nr. 3, 6 (p. 74) Rudzitis G.E., Feldman F.G. Chimie: Chimie organică. Clasa a 10-a: manual pentru instituţiile de învăţământ: nivel de bază / G. E. Rudzitis, F.G. Feldman. - ediția a XIV-a. - M.: Educație, 2012.
2. Care este diferența dintre gazele petroliere asociate și gazele naturale?
3. Cum se realizează rafinarea petrolului?
– constă (în principal) din metan și (în cantități mai mici) din omologii săi cei mai apropiați - etan, propan, butan, pentan, hexan etc.; observat în gazele petroliere asociate, adică gazele naturale care sunt în natură deasupra petrolului sau dizolvate în acesta sub presiune.
Ulei
- este un lichid combustibil uleios, format din alcani, cicloalcani, arene (predominate), precum si compusi care contin oxigen, azot si sulf.
Cărbune
- combustibil solid mineral de origine organică. Conține puțin grafit a și mulți compuși ciclici complecși, inclusiv elementele C, H, O, N și S. Există antracit (aproape anhidru), cărbune (-4% umiditate) și cărbune brun (50-60% umiditate). Prin cocsificare, cărbunele este transformat în hidrocarburi (gazoase, lichide și solide) și cocs (grafit mai degrabă pur).
Cocsificare de cărbune
Încălzirea cărbunelui fără acces la aer la 900-1050 ° C duce la descompunerea lui termică cu formarea de produse volatile (gudron de cărbune, apă de amoniac și gaz de cocs) și un reziduu solid - cocs.
Produse principale: cocs - 96-98% carbon; gaz de cocserie - 60% hidrogen, 25% metan, 7% monoxid de carbon (II), etc.
Subproduse: gudron de cărbune (benzen, toluen), amoniac (din gazul cuptorului de cocs), etc.
Rafinarea petrolului prin metoda de rectificare
Uleiul prepurificat este supus distilarii atmosferice (sau vacuum) in fractii cu anumite intervale de punct de fierbere in coloane de distilare continua.
Produse principale: benzină ușoară și grea, kerosen, motorină, uleiuri lubrifiante, păcură, gudron.
Rafinarea petrolului prin cracare catalitică
Materii prime: fracțiuni de ulei cu punct de fierbere ridicat (kerosen, motorină etc.)
Materiale auxiliare: catalizatori (aluminosilicați modificați).
Procesul chimic principal: la o temperatură de 500-600 ° C și o presiune de 5 10 5 Pa, moleculele de hidrocarburi sunt împărțite în molecule mai mici, cracarea catalitică este însoțită de reacții de aromatizare, izomerizare, alchilare.
Produse: amestec de hidrocarburi cu punct de fierbere scăzut (combustibil, materie primă pentru petrochimie).
C 16. H 34 → C 8 H 18 + C 8 H 16
C8H18 → C4H10 + C4H8
C4H10 → C2H6 + C2H4
Hidrocarburile au o mare importanță economică, deoarece servesc ca cel mai important tip de materie primă pentru obținerea aproape a tuturor produselor din industria modernă a sintezei organice și sunt utilizate pe scară largă în scopuri energetice. Ele par să acumuleze căldură și energie solară, care sunt eliberate în timpul arderii. Turba, cărbunele, șisturile bituminoase, petrolul, gazele petroliere naturale și asociate conțin carbon, a cărui combinație cu oxigenul în timpul arderii este însoțită de eliberarea de căldură.
| cărbune | turbă | ulei | gaz natural |
 |  |
||
| solid | solid | lichid | gaz |
| fara miros | fara miros | Miros puternic | fara miros |
| compoziție uniformă | compoziție uniformă | amestec de substante | amestec de substante |
| o rocă de culoare închisă cu un conținut ridicat de materie combustibilă rezultată din îngroparea acumulărilor diferitelor plante în straturile sedimentare | acumulare de masă vegetală semi-descompusă acumulată pe fundul mlaștinilor și al lacurilor îngroșate | lichid uleios combustibil natural, constă dintr-un amestec de hidrocarburi lichide și gazoase | un amestec de gaze format în intestinele Pământului în timpul descompunerii anaerobe a substanțelor organice, gazul aparține grupului de roci sedimentare |
| Puterea calorică - numărul de calorii eliberate prin arderea a 1 kg de combustibil | |||
| 7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Cărbune.
Cărbunele a fost întotdeauna o materie primă promițătoare pentru energie și multe produse chimice.
Începând cu secolul al XIX-lea, primul consumator important de cărbune a fost transportul, apoi cărbunele a început să fie folosit pentru producerea de energie electrică, cocs metalurgic, producerea diverselor produse în timpul prelucrării chimice, materiale structurale carbon-grafit, materiale plastice, ceară de munte, combustibili sintetici, lichizi și gazoși cu conținut ridicat de calorii, acizi cu conținut ridicat de azot pentru producerea de îngrășăminte.
Cărbunele este un amestec complex de compuși macromoleculari, care include următoarele elemente: C, H, N, O, S. Cărbunele, ca și uleiul, conține o cantitate mare de diverse substanțe organice, precum și substanțe anorganice, cum ar fi, de exemplu , apă, amoniac, hidrogen sulfurat și, desigur, carbonul însuși - cărbune.
Procesarea cărbunelui durează în trei direcții principale: cocsificare, hidrogenare și ardere incompletă. Una dintre principalele moduri de prelucrare a cărbunelui este cocsificabil– calcinare fără acces de aer în cuptoare de cocs la o temperatură de 1000–1200°C. La această temperatură, fără acces la oxigen, cărbunele suferă cele mai complexe transformări chimice, în urma cărora se formează cocs și produse volatile:
1. gaz de cocs (hidrogen, metan, monoxid de carbon și dioxid de carbon, impurități de amoniac, azot și alte gaze);
2. gudron de cărbune (câteva sute de substanțe organice diferite, inclusiv benzen și omologii săi, fenol și alcooli aromatici, naftalenă și diverși compuși heterociclici);
3. supra-gudron, sau amoniac, apă (amoniac dizolvat, precum și fenol, hidrogen sulfurat și alte substanțe);
4. cocs (rezidu solid de cocsificare, carbon practic pur).
Cocsul răcit este trimis la uzinele metalurgice.
Când produsele volatile (gazul cuptorului de cocs) sunt răcite, gudronul de cărbune și apa cu amoniac se condensează.
Trecând produse necondensate (amoniac, benzen, hidrogen, metan, CO 2 , azot, etilenă etc.) printr-o soluție de acid sulfuric, se izolează sulfatul de amoniu, care este folosit ca îngrășământ mineral. Benzenul este preluat în solvent și distilat din soluție. După aceea, gazul de cocs este folosit ca combustibil sau ca materie primă chimică. Gudronul de cărbune se obține în cantități mici (3%). Dar, având în vedere amploarea producției, gudronul de cărbune este considerat materie primă pentru obținerea unui număr de substanțe organice. Dacă produsele care fierb până la 350 ° C sunt îndepărtate de rășină, atunci rămâne o masă solidă - smoală. Este folosit pentru fabricarea lacurilor.
Hidrogenarea cărbunelui se realizează la o temperatură de 400–600°C sub o presiune a hidrogenului de până la 25 MPa în prezența unui catalizator. În acest caz, se formează un amestec de hidrocarburi lichide, care poate fi folosit ca combustibil pentru motor. Obținerea combustibilului lichid din cărbune. Combustibilii sintetici lichizi sunt benzina cu octan ridicat, motorina și combustibilii pentru cazane. Pentru a obține combustibil lichid din cărbune, este necesară creșterea conținutului său de hidrogen prin hidrogenare. Hidrogenarea se realizează folosind circulația multiplă, ceea ce vă permite să transformați într-un lichid și gaze întreaga masă organică de cărbune. Avantajul acestei metode este posibilitatea de hidrogenare a cărbunelui brun de calitate scăzută.
Gazeificarea cărbunelui va face posibilă utilizarea cărbunelui maro și negru de calitate scăzută la centralele termice fără a polua mediul cu compuși ai sulfului. Aceasta este singura metodă de obținere a monoxidului de carbon concentrat (monoxid de carbon) CO. Arderea incompletă a cărbunelui produce monoxid de carbon (II). Pe un catalizator (nichel, cobalt) la presiune normală sau ridicată, hidrogenul și CO pot fi utilizate pentru a produce benzină care conține hidrocarburi saturate și nesaturate:
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH20;
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O.
Dacă distilarea uscată a cărbunelui se efectuează la 500–550°C, se obține gudron, care, împreună cu bitumul, este utilizat în industria construcțiilor ca liant la fabricarea acoperișurilor, acoperirilor hidroizolante (material de acoperiș, pâslă de acoperiș, etc.).
În natură, cărbunele se găsește în următoarele regiuni: regiunea Moscovei, bazinul Yakutsk de Sud, Kuzbass, Donbass, bazinul Pechora, bazinul Tunguska, bazinul Lena.
Gaz natural.
Gazul natural este un amestec de gaze, a cărui componentă principală este metanul CH 4 (de la 75 la 98% în funcție de domeniu), restul este etan, propan, butan și o cantitate mică de impurități - azot, monoxid de carbon (IV ), hidrogen sulfurat și vapori de apă, și, aproape întotdeauna, hidrogen sulfuratși compuși organici ai uleiului - mercaptani. Ei sunt cei care dau gazului un miros neplăcut specific, iar atunci când sunt arse, duc la formarea de dioxid de sulf toxic SO 2.
În general, cu cât greutatea moleculară a hidrocarburii este mai mare, cu atât este mai puțin conținut în gazul natural. Compoziția gazelor naturale din diferite zăcăminte nu este aceeași. Compoziția sa medie ca procent în volum este după cum urmează:
| CH 4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | N 2 și alte gaze |
| 75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Metanul se formează în timpul fermentației anaerobe (fără acces la aer) a reziduurilor vegetale și animale, prin urmare se formează în sedimentele de fund și se numește gaz „de mlaștină”.
Depuneri de metan sub formă cristalină hidratată, așa-numita hidrat de metan, găsit sub un strat de permafrost și la adâncimi mari ale oceanelor. La temperaturi scăzute (-800 ° C) și presiuni ridicate, moleculele de metan sunt situate în golurile rețelei cristaline de gheață de apă. În golurile de gheață ale unui metru cub de hidrat de metan, 164 de metri cubi de gaz sunt „eliminate”.
Bucățile de hidrat de metan arată ca gheața murdară, dar în aer ard cu o flacără galben-albastru. Se estimează că între 10.000 și 15.000 de gigatone de carbon sunt stocate pe planetă sub formă de hidrat de metan (o giga înseamnă 1 miliard). Astfel de volume sunt de multe ori mai mari decât toate rezervele de gaze naturale cunoscute în prezent.
Gazul natural este o resursă naturală regenerabilă, deoarece este sintetizat continuu în natură. Se mai numește și „biogaz”. Prin urmare, mulți oameni de știință de mediu asociază astăzi perspectivele existenței prospere a omenirii tocmai cu utilizarea gazului ca combustibil alternativ.
Ca combustibil, gazele naturale prezintă mari avantaje față de combustibilii solizi și lichizi. Puterea sa calorica este mult mai mare, la ardere nu lasa cenusa, produsele de ardere sunt mult mai prietenoase cu mediul. Prin urmare, aproximativ 90% din volumul total de gaz natural produs este arse drept combustibil la centralele termice și cazanele, în procesele termice la întreprinderile industriale și în viața de zi cu zi. Aproximativ 10% din gazul natural este folosit ca materie primă valoroasă pentru industria chimică: pentru a produce hidrogen, acetilenă, funingine, diverse materiale plastice și medicamente. Metanul, etanul, propanul și butanul sunt izolate din gazul natural. Produsele care pot fi obținute din metan sunt de mare importanță industrială. Metanul este utilizat pentru sinteza multor substanțe organice - gaz de sinteză și sinteza ulterioară a alcoolilor pe baza acestuia; solvenți (tetraclorură de carbon, clorură de metilen etc.); formaldehidă; acetilenă și funingine.
Gazele naturale formează zăcăminte independente. Principalele zăcăminte de gaze naturale combustibile sunt situate în nordul și vestul Siberiei, bazinul Volga-Ural, Caucazul de Nord (Stavropol), Republica Komi, regiunea Astrakhan, Marea Barents.
