Природные источники углеводородов, их переработка - Теоретический материал - МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ В ХИМИИ. ХИМИЯ И ЖИЗНЬ

Состав и переработка попутных нефтяных газов

Попутные нефтяные газы выделяются с нефтью при ее добыче из нефтяных скважин.

Попутные газы содержат метан, этан, пропан и другие алканы, а также негорючие газы — азот, аргон и оксид углерода(IV). Содержание алкановых углеводородов С₂—С₅ в попутных нефтяных газах выше, чем в природных.

Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и “газовый бензин”, содержащий углеводороды с С₅ и выше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана (“сжиженный газ”) применяют в качестве бытового топлива. Продукт, содержащий легколетучие углеводороды (“газовый бензин”), добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске двигателей внутреннего сгорания. Однако около 80% всех органических веществ, используемых человеком, получают на основе нефти и нефтяных газов.

Состав и переработка нефти

Нефть — природная смесь жидких и небольшого количества твердых углеводородов. Углеводороды, входящие в состав нефти, можно разделить на три группы:

1) предельные углеводороды (алканы) с прямой или разветвленной цепью (в нефти встречаются почти все члены гомологического ряда метана);

2) нафтены — циклические насыщенные углеводороды (циклопентан, циклогексан и их гомологи);

3) ароматические углеводороды (бензол и его гомологи).

Поэтому в настоящее время все нефти по составу классифицируют на метановые, нафтеновые и ароматические. Непредельные углеводороды (например алкены) в свободном состоянии в нефти встречаются довольно редко. Они образуются только при ее вторичной переработке. Нефть содержит также значительное количество высокомолекулярных соединений — нефтяных смол и продуктов их конденсации. Кроме углеводородов в состав нефти входят примеси — органические кислородные и сернистые соединения, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли.

Первичная переработка нефти

После очистки нефти от воды и растворенных в ней солей, от песка и других примесей нефть подвергают переработке. Методы переработки могут быть физическими и химическими. Физический метод переработки (прямая перегонка) заключается в разделении нефти на ее составные части — фракции. Этот процесс основан на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. При прямой перегонке (при атмосферном давлении) нефть разделяют на отдельные фракции, которые кипят в довольно широком интервале температур.

1. Бензиновая фракция — смесь углеводородов с С5—C₁₀. При более тщательной перегонке этой фракции можно выделить: легкий бензин (петролейный эфир) (т. кип. 40-70 °С), тяжелый бензин (т. кип. 50-195 °С) и лигроин (т. кип. 120-235 °С). Следует отметить, что первая фракция составляет до 20 % от перегоняемой нефти.

2. Керосиновая фракция — смесь углеводородов с С₁₀—С₁₆. В пределах 165-200 °С отгоняют уайт-спирит, в пределах 200-300 °С — керосин, а в интервале 180-360 °С — дизельное топливо.

3. Третья фракция — остаток (мазут), представляющий собой смесь углеводородов с большим числом углеродных атомов. При перегонке мазута под вакуумом (во избежание осмоления при высокой температуре) или с водяным паром можно получить некоторые смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток после отгонки из мазута этих продуктов называется гудроном (нефтяным пеком), из которого вырабатывают битум. Он широко используется в строительстве.

Разделение нефти происходит с использованием непрерывно действующих ректификационных колонн. Ректификационная колонна представляет собой сооружение высотой 50- 60 м и диаметром около 3-4 м. Внутри этой колонны на некотором расстоянии друг от друга расположены горизонтальные перегородки — “тарелки”, которые имеют большое число отверстий — патрубков. Патрубки закрывают сверху колпачками с зубчатыми краями.

Крекинг нефтепродуктов

Для увеличения выхода бензина и керосина некоторые фракции прямой перегонки и мазут подвергают вторичной (химической) переработке. Этот процесс связан с частичным разложением углеводородов, в результате которого происходит разрыв, расщепление больших молекул на наиболее мелкие, кипящие при сравнительно низкой температуре. Химические превращения нефти протекают под влиянием нескольких факторов: температуры, давления и катализаторов, это так называемый крекинг нефтяных продуктов. Различают два основных типа крекинга — термический и каталитический.

Термический крекинг проводят при температуре 470-650 °С и давлении до 7 МПа. Углеводороды с большой молекулярной массой при крекинге превращаются в более ценные продукты — предельные и непредельные углеводороды с более низкой молекулярной массой.

Например:

Распад связей происходит гомолитически с образованием свободных радикалов:

Продукты крекинга разделяют на ректификационной колонне. Наиболее ценная жидкая фракция — бензиновая. Бензин, полученный при крекинге, имеет более высокое октановое число, чем бензин прямой перегонки нефти. Однако химическая стойкость такого бензина невысокая, так как в его состав входят алкены, которые со временем окисляются и образуют смолообразные продукты.

Каталитический крекинг протекает в присутствии катализаторов (АlСl₃, Сr₂O₃, алюмосиликатов) при температуре 470-500 °С и давлении 0,01-0,1 МПа. Каталитическому крекингу подвергают в основном дизельную фракцию. При этом происходит не только разрыв углеводородных цепей в молекуле (как при термическом крекинге), но и процессы изомеризации — превращение неразветвленных углеводородов в разветвленные. Это способствует образованию высокооктанового горючего. Каталитический крекинг — более прогрессивный метод переработки нефтяного сырья, чем термический. В результате каталитического крекинга образуется смесь жидких и газообразных углеводородов, которые разделяют на ректификационных колоннах. Газы каталитического крекинга содержат предельные (пропан и бутан) и непредельные (пропен и бутен) углеводороды. После разделения их используют для синтеза разнообразных органических соединений.

Состав и переработка каменного угля

Уголь — сложная смесь веществ, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В состав угля входят также минеральные вещества, содержащие соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния и других элементов. Полезной частью угля является органическая масса, которая придает ему горючие свойства. Она представляет собой смесь высокомолекулярных соединений с небольшим количеством битумов. Органическая масса сформировалась в результате разложения древесных и растительных остатков в течение многих миллионов лет.

Процесс разложения происходил без доступа воздуха, при повышенном давлении и температуре (около 1000 °С), часто в присутствии влаги. Основное направление переработки угля — коксование. В результате коксования образуются твердые и газообразные продукты: кокс, коксовый газ и каменноугольная смола, аммиачная вода. Полученный кокс гасят водой, дают ему остыть и отправляют на металлургические заводы. Кокс содержит 96-98 % углерода.

Коксовый газ содержит (по объему): 58-62% Н₂, 24,5-26,5% СН₄, 5-6,7% СО, 1,6-3% СO₂, 2-3,5% N₂, 2-2,5% углеводородов, 0,4-0,8% O₂. При охлаждении этого газа конденсируется каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, оксиды углерода и другие газы. Пропуская их через раствор серной кислоты, выделяют аммиак в виде сульфата аммония, который используют как азотное удобрение. Бензол поглощают растворителем, а затем отгоняют из раствора. После отделения аммиака и бензола коксовый газ используют в качестве топлива или как химическое сырье.

Каменноугольная смола образуется в незначительных количествах (до 3%), однако, учитывая масштабы производства кокса (мировое производство достигает около 400 млн.т в год), ее можно рассматривать как сырье для промышленного производства целого ряда органических веществ. Тем более что в этой смоле содержится около 500 различных органических соединений.