В каких полезных ископаемых есть углерод
В природе углерода не так уж и много, но он есть везде: в воздухе (углекислый газ и угарный газ), растворен в океанах и реках, залегает в ископаемых породах в земле, содержится в каждой клетке растения, животного, человека. Существует круговорот углерода в природе:
— углекислый газ выделяется в атмосферу с вулканическими газами, из горячих источников, из поверхностных слоев рек и океанов, при сгорании топлив, при дыхании растений и животных;
— в тоже время, углекислый газ поглощается растениями, переходит в организм животных и людей, а после их смерти возвращается в почву.
В чистом виде и в значимых количествах углерод встречается только в виде алмазов и графитов. Но он — составная часть ископаемого топлива (уголь, нефть, газ, сланцы), торфа, битумов, природных минералов (мел, известняк, доломиты, карбонаты).
Токсическое действие
При разработках угольных месторождений, при сжигании топлив, в процессе деятельности человека в воздух поступает большое количество аэрозолей углерода, попадающих в органы дыхания человека и животных. Регулярное вдыхание аэрозолей с высокой концентрацией углерода приводят к таким заболеваниям, как пылевой бронхит, антракоз. На всех производствах, связанных с углеродными аэрозолями и пылью, обязательно нормируется ПДК содержания алмазов, кокса, угля, углеродной пыли, сажи и др. Работники обязательно должны использовать средства защиты органов дыхания при работе с ними.
Угарный газ и углекислый газ обладают токсическим действием, превышение ПДК этих газов в воздухе может вызвать летальный исход. Поэтому в закрытых помещениях большое внимание должно уделяться поглощению и удалению из воздуха углекислоты, выделяемой при дыхании.
Токсическим действием обладает радиоактивный изотоп С-14. Встраиваясь в молекулы белков, особенно в ДНК и РНК, он может оказывать мутагенное воздействие, поэтому для него тоже установлены ПДК содержания в воздухе рабочего помещения.
Применение
Нет ни одной области промышленности, в которой в той или иной степени не использовался бы углерод. Расскажем об основных сферах его использования:
• Основные виды ископаемого топлива на земле: нефть, уголь и газ — это соединения углерода. Они нужны для получения тепла, энергии, огромного количества химических материалов. 
• В сельском хозяйстве, в медицине, энергетике, в ядерной отрасли.
• В промышленной индустрии очень востребованы карбонаты.
• Графит используется при изготовлении карандашей, электродов, высокотемпературных и низкотемпературных смазок, красителей; тиглей для металлических заготовок, углепластиков, углеродных волокон, стеклоуглерода и других углеграфитовых материалов, отличающихся особо высокой жаростойкостью.
• Стеклоуглерод идет на производство тиглей и электродов.
• Техуглерод применяется как наполнитель при производстве резин для шин и пластмасс. Придает им прочность, долговечность и некоторые особые свойства.
• Алмазы применяются в технике, сверлении, лазерных установках, в ювелирном деле. Технические алмазы используются для получения абразивных материалов. Только сложность обработки и высокая стоимость мешают алмазам стать лучшим материалом для подложек процессоров.
• В медицине используется активированный уголь для вывода токсинов, а графит — в мазях для лечения болезней кожи.
• Фильтры на основе угля применяются в противогазах, респираторах, лицевых масках и сменных патронах для них; системах очистки воды.
• В научных исследованиях радиоуглеродный анализ на основе изотопа С-14 — один из самых важных анализов в археологии, геологии, палеонтологии.
• Большие перспективы у применения новых неорганических материалов на основе углерода. Об этом — следующая статья.
Источник
Битуминозный каменный уголь
Химическая структура угля
Ка́менный у́голь — твёрдое горючее полезное ископаемое, промежуточная по содержанию углерода форма угля между бурым углём и антрацитом.
История[править | править код]
Каменный уголь был известен ещё в древнем мире. Первое упоминание о нём связывают с Аристотелем (IV век до н. э.)[1]. Несколькими десятилетиями позже, его ученик Теофраст Эресский в «Трактате о камне» писал:
«… Носят эти ископаемые вещества название антрацита (или угля) … они вспыхивают и горят подобно древесному углю…»[2]
Древние римляне добывали каменный уголь для отопления на территории нынешней Великобритании. В I веке до н. э. в китайской провинции Юньнань уголь нагревали без доступа воздуха и получали кокс[3].
Характеристика[править | править код]
Плотная порода чёрного, иногда серо-чёрного цвета. Блеск смоляной или металлический. В органическом веществе каменного угля содержится 75—92 % углерода, 2,5—5,7 % водорода, 1,5—15 % кислорода. Содержит 2—48 % летучих веществ. Влажность 1—12 %. Высшая теплота сгорания в пересчёте на сухое беззольное состояние 30,5—36,8 МДж/кг. Каменный уголь относится к гумолитам; сапропелиты и гумитосапропелиты присутствуют в виде линз и небольших слоёв.
Образование каменного угля характерно почти для всех геологических систем — от девона до неогена (включительно); он активно формировался в карбоне, перми, юре. Залегает уголь в форме пластов и линзовидных залежей различной мощности (от десятков сантиметров до нескольких десятков и сотен метров) на разных глубинах (от выходов на поверхность до 2500 м и глубже).
Каменный уголь характеризуется нейтральным составом органической массы. Он не реагирует со слабыми щелочами ни в обычных условиях, ни под давлением. Битумы каменного угля, в отличие от угля бурого, представлены преимущественно соединениями ароматической структуры. В каменном угле не обнаружены жирные кислоты и эфиры, мало соединений со структурой парафинов. Угольное вещество является неферромагнитным (диамагнитным), минеральные примеси характеризуются парамагнитными свойствами. Магнитная восприимчивость угля возрастает с увеличением их стадии метаморфизма. По своим тепловым свойствам каменный уголь приближается к теплоизоляторам.
Главные технологические свойства каменного угля, определяющие его ценность: спекаемость и коксовая способность. Стандартный показатель спекания — индекс Рога (RI) и толщина пластического слоя в аппарате Л. М. Сапожникова.
Образование[править | править код]
Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических остатков растений, подвергшихся изменениям (метаморфизму) в условиях высокого давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.
При погружении угленосной толщи на глубину в условиях повышения давления и температуры происходит последовательное превращение органической массы, изменение её химического состава, физических свойств и молекулярного строения. Все эти преобразования обозначаются термином «региональный метаморфизм угля». На конечной (высшей) стадии метаморфизма каменный уголь превращается в антрацит с ярко выраженной кристаллической структурой графита. Кроме регионального метаморфизма, иногда (реже) имеют место преобразования под воздействием тепла изверженных пород, расположенных рядом с угленосными толщами (перекрывающих или подстилающих их) — термальный метаморфизм, а также непосредственно в угольных пластах — контактовый метаморфизм. Рост степени метаморфизма в органическом веществе каменного угля прослеживается последовательным увеличением относительного содержания углерода и уменьшением содержания кислорода и водорода. Последовательно снижается выход летучих веществ (от 50 до 8 % в пересчёте на сухое беззольное состояние), изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и физические свойства угля. В частности, линейно меняются блеск, отражательная способность, насыпная масса угля и другие свойства. Другие важные физические свойства (пористость, плотность, спекаемость, теплота сгорания, упругие свойства и другое) изменяются по ярко выраженным параболическим законам или смешанным.
Как оптический критерий стадии метаморфизма угля используется показатель отражательной способности; он применяется также и в нефтяной геологии для установления стадии катагенных преобразований осадочной толщи. Отражательная способность в масляной иммерсии (R0) последовательно возрастает от 0,5-0,65 % для угля марки Д до 2-2,5 % для угля марки Т.
Плотность и пористость каменного угля зависят от петрографического состава, количества и характера минеральных примесей и степени метаморфизма. Наибольшей плотностью (1300—1500 кг/м³) характеризуются компоненты группы фюзинита, наименьшей (1280—1300 кг/м³) — группы витринита. Изменение плотности с повышением степени метаморфизма происходит параболическим законом с инверсией в зоне перехода к группе жирных; в малозольных проявлениях она снижается от угля марки Д к марке Ж в среднем от 1370 до 1280 кг/м³ и затем последовательно возрастает для угля марки Т до 1340 кг/м³.
Общая пористость угля изменяется также по экстремальным законам; для донецкого угля марки Д она составляет 14—22 %, угля марки К 4—8 % и увеличивается (видимо, вследствие разрыхления) до 10—15 % для угля марки Т. Поры в угле разделяют на макропоры (средний диаметр 500×10−10 м) и микропоры (5-15×10−10 м). Промежуток занимают мезопоры. Пористость уменьшается с увеличением стадии метаморфизма. Эндогенная (развитая в процессе образования угля) трещиноватость, которая оценивается количеством трещин на каждые 5 см блестящего угля, зависит от стадии метаморфизма угля: она возрастает до 12 трещин при переходе бурого угля в длиннопламенный уголь и имеет максимум в 35-60 для коксующегося угля и последовательно уменьшается до 12-15 трещин при переходе к антрацитам. Подчинённые такой же закономерности изменения упругих свойств угля — модуль Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига (среза), скорость ультразвука. Механическая прочность каменного угля характеризуется его дробимостью, хрупкостью и твёрдостью, а также временным сопротивлением сжатию.
Классификация, виды[править | править код]
Каменный уголь разделяют на блестящий, полублестящий, полуматовый, матовый. Как правило, блестящие виды угля малозольны вследствие незначительного содержания минеральных примесей.
Среди структур органического вещества угля выделено 4 типа (телинитовый, посттелинитовый, преколинитовый и колинитовый), которые являются последовательными стадиями единого процесса разложения лигнинов — целлюлозных тканей. К генетическим группам каменного угля, кроме этих четырёх типов, дополнительно включён лейптинитовый уголь. Каждая из пяти генетических групп по типу вещества микрокомпонентов угля разделена на соответствующие классы.
Существует много видов классификаций каменного угля: по вещественному составу, петрографическому составу, генетические, химико-технологические, промышленные и смешанные. Генетические классификации характеризуют условия накопления угля, вещественные и петрографические — его вещественный и петрографический состав, химико-технологические — химический состав угля, процессы формирования и промышленной переработки, промышленные — технологическое группировки видов угля в зависимости от требований промышленности. Классификации угля в пластах используются для характеристики угольных месторождений.
Промышленная классификация угля[править | править код]
За основу промышленной классификации каменного угля в отдельных странах принимаются различные параметры свойств и состава угля: в США каменный уголь классифицируют по теплоте сгорания, содержанием связанного углерода и относительным содержанием летучих веществ, в Японии — по теплоте сгорания, так называемым топливным коэффициентам и прочностью коксов либо неспособностью к коксованию. В СССР в 1954 году как основная промышленная классификация действовала разработанная в 1930 году В. С. Крымом так называемая Донецкая классификация. Она называется иногда «марочной», одновременно является и генетической, поскольку положенные в её основу изменения свойств угля отражают их связь с генетическим развитием органического вещества угля.
Залежи[править | править код]
| Страна | Каменный уголь | Бурый уголь | Всего | % |
|---|---|---|---|---|
| США | 111338 | 135305 | 246643 | 27,1 |
| Россия | 49088 | 107922 | 157010 | 17,3 |
| Китай | 62200 | 52300 | 114500 | 12,6 |
| Индия | 90085 | 2360 | 92445 | 10,2 |
| Австралия | 38600 | 39900 | 78500 | 8,6 |
| Южная Африка | 48750 | 48750 | 5,4 | |
| Украина | 16274 | 17879 | 34153 | 3,8 |
| Казахстан | 28151 | 3128 | 31279 | 3,4 |
| Польша | 14000 | 14000 | 1,5 | |
| Бразилия | 10113 | 10113 | 1,1 | |
| Германия | 183 | 6556 | 6739 | 0,7 |
| Колумбия | 6230 | 381 | 6611 | 0,7 |
| Канада | 3471 | 3107 | 6578 | 0,7 |
| Чехия | 2094 | 3458 | 5552 | 0,6 |
| Индонезия | 740 | 4228 | 4968 | 0,5 |
| Турция | 278 | 3908 | 4186 | 0,5 |
| Мадагаскар | 198 | 3159 | 3357 | 0,4 |
| Пакистан | 3050 | 3050 | 0,3 | |
| Болгария | 4 | 2183 | 2187 | 0,2 |
| Таиланд | 1354 | 1354 | 0,1 | |
| Северная Корея | 300 | 300 | 600 | 0,1 |
| Новая Зеландия | 33 | 538 | 571 | 0,1 |
| Испания | 200 | 330 | 530 | 0,1 |
| Зимбабве | 502 | 502 | 0,1 | |
| Румыния | 22 | 472 | 494 | 0,1 |
| Венесуэла | 479 | 479 | 0,1 | |
| Всего | 478771 | 430293 | 909064 | 100,0 |
Каменный уголь сосредоточен в Донецком каменноугольном бассейне и в Львовско-Волынском угольном бассейне (Украина); Карагандинском (Казахстан); Южно-Якутском, Минусинском, Буреинском, Тунгусском, Ленском, Таймырском (Россия); Аппалачском, Пенсильванском (Северная Америка), Нижнерейнско-Вестфальском (Рурском — Германия); Верхнесилезском, Остравско-Карвинском (Чехия и Польша); бассейне Шаньси (Китай), Южно-Валлийском бассейнах (Великобритания).
Среди крупнейших каменноугольных бассейнов, промышленная разработка которых началась в XVIII—XIX вв., выделяют Центральную Англию, Южный Уэльс, Шотландию и Ньюкасл (Великобритания); Вестфальский (Рур) и Саарбрюккенский бассейны (Германия); месторождения Бельгии и Северной Франции; бассейны Сент-Этьенна (Франция); Силезии (Польша); Донецкий бассейн (Украина).
Международный рынок[править | править код]
В 2017 году[5] уголь занял 16-е место среди наиболее торгуемых товаров на мировом внешнем рынке. Оборот оценивался в 122 млрд долл. США.
- Ведущие экспортеры (объём экспорта и импорта в скобках в млрд долларов):
- Австралия 39 % (47)
- Индонезия 16 % (18,9)
- Россия 13 % (16,1)
- США 8,7 % (10,6)
- Колумбия 6,3 % (7,63)
- ЮАР 5,1 % (6,23)
- Канада 4,6 % (5,66)
- Основные импортеры
- Япония 16 % (19,5)
- Индия 16 % (19,4)
- Китай 15 % (17,8)
- Южная Корея 11 % (13,3)
Использование[править | править код]
Каменный уголь используется как технологическое, энерго-технологическое и энергетическое сырьё, при производстве кокса и полукокса в связи с получением из них большого количества химических продуктов (нафталин, фенол, пек и так далее), на основе которых получают удобрения, пластмассы, синтетические волокна, лаки, краски и так далее.
Одно из самых перспективных направлений использования каменного угля — сжижение (гидрогенизация угля) с получением жидкого топлива. Существуют различные схемы неэнергетического использования каменного угля на основе термохимической, химической и другой переработки с целью их полного комплексного использования и обеспечения охраны окружающей среды.
См. также[править | править код]
- Угольная промышленность
- Каменноугольный кокс
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Смирнов В. А., Сергеев П. В., Белецкий В. С. Технология обогащения угля. Учебное пособие. — Донецк: Восточный издательский дом, 2011. — 476 с.
- Белецкий В. С. Уголь в современном мире и Украине // Донец. Рос. Науч. т-во им. Шевченко. Т. 3: Химия, технические науки, науки о земле, медицина и психология. — Донецк, 2003. — С. 58-66.
- Каменный уголь // Техническая энциклопедия. Том 9. — М.: Советская энциклопедия, 1929. — Стб. 606—633
Источник
ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ
Углеводороды все такие разные —
Жидкие и твёрдые, и газообразные.
Почему так много их в природе?
Дело в ненасытном углероде.
Действительно,
этот элемент, как никакой другой, “ненасытен”: он так и стремится
образовывать то цепи, прямые и разветвлённые, то кольца, то сетки из
множества своих атомов. Отсюда множество соединений из атомов углерода и
водорода.
Углеводороды – это и природный газ – метан, и другой бытовой горючий газ, которым наполняют баллоны – пропан С3Н8. Углеводороды – это и нефть, и бензин, и керосин. А ещё – органический растворитель С6Н6, парафин, из которого сделаны новогодние свечи, вазелин из аптеки и даже полиэтиленовый пакет для упаковки продуктов…
Важнейшими природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – каменный уголь, нефть, газ.
КАМЕННЫЙ УГОЛЬ
На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15%
территории земного шара. Угольные бассейны могут тянуться на тысячи
километров. Всего общегеологические запасы угля на земном шаре
составляют 5 трлн. 500 млрд. тонн, в том числе разведанные месторождения —1 трлн. 750 млрд. тонн.
Различают три главных вида ископаемых углей. При горении бурого угля, антрацита – пламя невидимое, сгорание бездымное, а каменный уголь при горении издаёт громкий треск.
Антрацит – самый древний из ископаемых углей. Отличается большой плотностью и блеском. Содержит до 95% углерода.
Каменный уголь – содержит до 99% углерода. Из всех ископаемых углей находит самое широкое применение.
Бурый уголь – содержит до 72%
углерода. Имеет бурый цвет. Как самый молодой из ископаемых углей,
часто сохраняет следы структуры дерева, из которого он образовался.
Отличается большой гигроскопичностью и высокой зольностью (от 7% до 38 %),
поэтому используется только как местное топливо и как сырьё для
химической переработки. В частности, путём его гидрогенизации получают
ценные виды жидкого топлива: бензин и керосин.
Углерод основная составная часть каменного угля(99%), бурого угля (до 72%).
Происхождение названия углерод, то есть, “рождающий уголь”. Аналогично и
латинское название “карбонеум” в основе содержит корень карбо-уголь.
Как
и нефть, каменный уголь содержит большое количество органических
веществ. Кроме органических веществ, в его состав входят и
неорганические вещества, такие, как вода, аммиак, сероводород и, конечно
же, сам углерод – уголь. Одним из основных способов переработки
каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха. В
результате коксования, которое проводят при температуре 10000 С, образуется:
Коксовый газ – в его состав входят водород, метан, угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов.
Каменноугольная смола –
содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе
бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и разные
гетероциклические соединения.
Надсмольная или аммиачная вода – содержащая, как ясно из названия, растворённый аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества.
Кокс – твёрдый остаток коксования, практический чистый углерод.
Кокс
используется в производстве чугуна и стали, аммиак — в производстве
азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов
коксования трудно переоценить. Какова же география распространения этого
полезного ископаемого?
Основная
часть угольных ресурсов приходится на северное полушарие – Азию,
Северную Америку, Евразию. Какие же страны выделяются по запасам и
добыче угля?
Китай, США, Индия, Австралия, Россия.
Главными экспортёрами угля являются страны.
США, Австралия, Россия, ЮАР.
Главные центры импорта.
Япония, Зарубежная Европа.
Это
очень экологически грязное топливо. При добыче угля происходят взрывы и
возгорания метана, возникают определенные проблемы, связанные с
окружающей средой.
Загрязнение окружающей среды
– это любое нежелательное изменение состояния этой среды в результате
хозяйственной деятельности человека. Это происходит и при добыче
полезных ископаемых. Представим ситуацию в районе добычи угля. Вместе с
углём на поверхность поднимается огромное количество пустой породы,
которое за ненадобностью просто отправляют в отвалы. Постепенно
образуются терриконы – огромные, в десятки метров высотой,
конусообразные горы пустой породы, которые искажают облик природного
ландшафта. А весь ли уголь, поднятый на поверхность, обязательно будет
вывезен потребителю? Конечно, нет. Ведь процесс негерметичен. Огромное
количество угольной пыли оседает на поверхность земли. В результате
изменяется состав почв, грунтовых вод, что неминуемо повлияет на
животный и растительный мир района.
Уголь
содержит радиоактивный углерод — С, но после сжигания топлива опасное
вещество вместе с дымом попадает в воздух, воду, почву, спекается в шлак
или золу, которая используется для производства строительных
материалов. В результате, в жилых домах стены и перекрытия “фонят” и
представляют угрозу для здоровья человека.
НЕФТЬ
Нефть известна человечеству с древних времён. На берегу Евфрата она добывалась
6-7 тыс. лет до н. э.
Использовалась она для освещения жилищ, для приготовления строительных
растворов, в качестве лекарств и мазей, при бальзамировании. Нефть в
древнем мире была грозным оружием: огненные реки лились на головы
штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в нефти, летели в
осаждённые города. Нефть являлась составной частью зажигательного
средства, вошедшего в историю под названием “греческого огня”. В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.
Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч.
Различают легкую и тяжелую нефть.
Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из
такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти
иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из
нее битум, мазут, различные масла.
Нефть
наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается
относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет
необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по
трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого
вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет). Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 140 млрд. тонн.
В 2007
году российские учёные доказали мировому сообществу, что подводные
хребты Ломоносова и Менделеева, которые находятся в Северном Ледовитом
океане являются шельфовой зоной материка, а следовательно принадлежат
Российской Федерации. О составе нефти, её свойствах расскажет учитель
химии.
Нефть
– это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл её можно нагреть на один
градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар,
нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице
объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже
радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так
как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для
извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.
Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.
Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”. В каждой капле нефти содержится более 900 различных
химических соединений, более половины химических элементов
Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа
нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти
используется в качестве топлива. Несмотря на “свои 10%”,
нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических
соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного
общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”,
“кровью Земли”.
Нефть
– маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым
оттенком, иногда чёрная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная с
характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная, как вода
(например, в Суруханском месторождении в Азербайджане, в некоторых
месторождениях в Алжире).
Состав
нефти неодинаков. Но все они обычно содержат углеводороды трёх видов –
алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и
ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти
различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата
алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.
Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Около ? мировых запасов нефти приходится на развивающиеся страны. (Учитель называет и показывает на карте).
Главные страны производители:
Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика.
В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:
Япония, Зарубежная Европа, США.
Нефть в сыром виде нигде не используется, а находят применение продукты нефтепереработки.
Переработка нефти
Современная установка состоит из печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции – отдельные
смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения: бензин,
лигроин, керосин. В печи имеется свернутая в змеевик длинная труба. Печь
обогревается продуктами сгорания мазута или газа. В змеевик непрерывно
подается нефть: там она нагревается до 320 — 350 0Си в
виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну.
Ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой
около 40м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных
перегородок с отверстиями – так называемые тарелками. Пары нефти,
поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в
тарелках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они частично
сжижаются. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках,
образуя газойлевуюфракцию; более летучие углеводороды собираются
выше и образуют керосиновую фракцию; ещё выше – лигроиновую фракцию.
Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и после
конденсации, образуют бензин. Часть бензина подаётся обратно в колону
для “орошения”, что способствуют лучшему режиму работы. (Запись в
тетради). Бензин – содержит углеводороды С5 – С11, кипящие в интервале
от400С до 2000 С; лигроин – содержит углеводороды С8 — С14 с температурой кипения от 1200С до 2400С;керосин- содержит углеводороды С12 – С18, кипящие при температуре от1800С до 3000С; газойль — содержит углеводороды С13 – С15, отгоняют при температуре от 2300С до 3600 С; смазочные масла- С16 – С28, кипят при температуре 3500 С и выше.
После
отгонки из нефти светлых продуктов остаётся вязкая чёрная жидкость –
мазут. Он представляет собой ценную смесь углеводородов. Из мазута путём
дополнительной перегонки получают смазочные масла. Неперегоняющуюся
часть мазута называют гудроном, который используется в строительстве и
при асфальтировании дорог.(Демонстрация фрагмента видеофильма). Наиболее
ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход
этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает
проблема: как удовлетворить все возрастающие потребности общества в
автомобильном и авиационном топливе? Решение было найдено в конце 19
века русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым. В 1891 году он впервые осуществил промышленный крекинг
керосиновой фракции нефти, что позволило увеличить выход бензина до
65-70% (в расчёте на сырую нефть). Только за разработку процесса
термического крекинга нефтепродуктов благодарное человечество золотыми
буквами вписало имя этого уникального человека в историю цивилизации.
Полученные
в результате ректификации нефти продукты подвергают химической
переработке, включающей ряд сложных процессов, Один из них – крекинг
нефтепродуктов (от английского “Сracking”-расщепление). Различают
несколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокого
давления, восстановительный. Термический крекинг заключается в
расщеплении молекул углеводородов с длинной цепью на более короткие под
действием высокой температуры (470-5500C). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:
С16Н34 → С8Н18 (октан) + С8Н16 (октен)
В настоящее время наиболее распространён каталитический крекинг. Он проводится при температуре 450-500 0С,
но с большей скоростью и позволяет получать бензин более высокого
качества. В условиях каталитического крекинга наряду с реакциями
расщепления идут реакции изомеризации, то есть превращения углеводородов
нормального строения в углеводороды разветвлённые.
Изомеризация
влияет на качество бензина, так как наличие разветвленных углеводородов
сильно повышает его октановое число. Крекинг относят к так называемым
вторичным процессам нефтепереработки. К вторичным относят и ряд других
каталитических процессов, например риформинг. Риформинг – это
ароматизация бензинов, путём нагревания их в присутствии катализатора,
например, платины. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в
ароматические углеводороды, в следствии чего октановое число бензинов
также существенно повышается.
Экология и нефтепромысел
Для
нефтехимического производства особенно актуальна проблема окружающей
среды. Добыча нефти связана с затратами энергии и загрязнением
окружающей среды. Опасным источником загрязнения Мирового океана
является морская нефтедобыча, также Мировой океан загрязняется при
транспортировке нефти. Каждый из нас видел по телевизору последствия
аварий нефтеналивного танкера. Чёрные, покрытые слоем мазута берега,
чёрный прибой, задыхающиеся дельфины, Птицы, крылья которых в вязком
мазуте, люди в защитных костюмах, собирающие нефть лопатами и вёдрами.
Хочу привести данные серьёзной экологической катастрофы, которая
произошла в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2
тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за
катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и
Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из — за
чего погибла мелкая ракушка-сердцевидка-основная еда обитателей моря. На
восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц.
Литр нефти, попав в воду, растекается по её поверхности пятнами площадью
100 кв.м. Нефтяная пленка, хотя и очень тонкая, образует непреодолимую
преграду на пути кислорода из атмосферы в водную толщу. В результате
нарушается кислородный режим и океан “задыхается”. Гибнет
планктон, являющийся основой пищевой цепи океана. В настоящее время
нефтяными пятнами покрыто уже около 20% площади Мирового океана, и
площадь, пораженная нефтяным загрязнением растет. Кроме того, что
нефтяной пленкой покрыт Мировой океан, мы можем её наблюдать и на суше.
Например, на нефтяных месторождениях Западной Сибири в год проливается
нефти больше, чем вмещает танкер — до 20 млн. тонн. Около половины этой
нефти попадает на землю в результате аварий, остальное – “плановые”
фонтаны и утечки при запуске скважин, разведочном бурении, ремонте
трубопроводов. Наибольшая площадь нефтезагрязнённых земель, по данным
Комитета по окружающей среде Ямало-Ненецкого автономного округа,
приходится на Пуровский район.
ПРИРОДНЫЙ И ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗЫ
В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан.
Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%.
Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО2; Н2О;
Н2S, благородные газы. При сгорании природного газа выделяется много
тепла.
По
своим свойствам природный газ как топливо превосходит даже нефть, он
более каллориней. Это самая молодая отрасль топливной промышленности.
Газ ещё проще добывают и транспортируют. Это самое экономичное из всех
видов топлива. Есть, правда, и недостатки: сложная межконтинентальная
транспортировка газа. Танкеры – метанавозы, перевозящие газ в сжиженном
состоянии представляют собой исключительно сложные дорогие конструкции.
Применяется
в качестве: эффективного топлива, сырья в химической промышленности, в
производстве ацетилена, этилена, водорода, сажи, пластмассы, уксусной
кислоты, красителей, медикаментов и др. Попутные (нефтяные газы) –
природные газы, которые растворяются в нефти и выделяются при её добыче.
В нефтяном газе содержится меньше метана, но больше пропана, бутана и
других высших углеводородов. А где газ добывается?
Более
70 стран мира обладают промышленными запасами газа. Причём, как и в
случае с нефтью, очень крупными запасами располагают развивающиеся
страны. Но добычу газа ведут в основном развитые страны. Они имеют
возможности для его использования или способ продавать газ другим
странам, находящимися с ними на одном материке. Международная торговля
газом менее активна, чем торговля нефтью. На международном рынок
поступает около 15% добываемого в мире газа. Почти 2/3 мировой добычи
газа дают Россия и США. Бесспорно ведущим регионом газодобычи не только
нашей страны, но и в мире является Ямало-Ненецкий автономный округ, где
эта отрасль развивается уже 30 лет. Наш город Новый Уренгой по праву
признан газовой столицей. К крупнейшим месторождениям относятся
Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное. Уренгойское месторождение
включено в “Книгу рекордов Гиннеса”. Запасы и добыча месторождения
уникальны. Разведанные запасы превышают 10 трлн. м3, с момента эксплуатации уже добыто 6 трлн. м3. В 2008 году ОАО “Газпром” планирует добыть на Уренгойском месторождении 598 млрд. м3 “голубого золота”.
Газ и экология
Несовершенство
технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает
постоянное сжигание объёма газа на тепло-агрегатах компрессорных станций
и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих
выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн
природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60
тыс. тонн загрязняющих веществ.
Нефть,
газ, каменный уголь – это ценное сырьё для химической промышленности. В
недалёком будущем им будет найдена замена в топливно-энергетическом
комплексе нашей страны. В настоящее время учёные ведут поиск путей
использования энергии солнца и ветра, ядерного горючего с целью полной
замены нефти. Наиболее перспективным видом топлива будущего является
водород. Сокращение использования нефти в теплоэнерге?