), в 2007 году в качестве первичных источников энергии использовались: нефть - 36,0 %, уголь - 27,4 %, природный газ - 23,0 %, в общей сложности доля ископаемого топлива составила 86,4 % от всех источников (ископаемых и неископаемых) потребляемой первичной энергии в мире . Следует отметить, что в состав неископаемых источников энергии включены: гидроэлектростанции - 6,3 %, ядерное - 8,5 %, и другие (геотермальная , солнечная , приливная , энергия ветра , сжигания древесины и отходов) в размере 0,9 % .
Краткая характеристика
Нефть
Нефть - природная маслянистая горючая жидкость , состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Нефть известна человечеству с древнейших времён. Однако в наши дни нефть является одним из важнейших для человечества полезным ископаемым .
Уголь
Ископаемый уголь
Уголь - вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией . Уголь, подобно нефти и газу , представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа:
- бурые угли (лигниты);
В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.
Горючие сланцы
Горючий сланец - полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов , дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты , доломит , гидрослюды, монтмориллонит , каолинит , полевые шпаты , кварц , пирит и других) и органических частей (кероген), последняя составляет 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50-70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей , сохранившим клеточное строение (талломоальгинит ) или потерявшим его (коллоальгинит ); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).
Природный газ
Газовые гидраты
Торф
Основные составляющие нефти, а также газа сформировались в то время, когда органические остатки ещё не полностью окислились, а углерод , углеводород и подобные им компоненты присутствовали в небольших количествах. Осадочные породы покрыли остатки этих веществ. Температура и давление увеличились, и жидкий углеводород скопился в пустотах скал.
Добыча ископаемого угля
Для извлечения угля с больших глубин издавна человечеством используются шахты . Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с глубины чуть более 1200 метров. В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов , редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.
Темпы потребления
Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию , которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности , обеспечив её более современной технологией.
За XVIII век количество добываемого угля увеличилось на 4 000 %, К 1900-му добывалось 700 миллионов тонн угля в год, затем наступил черёд нефти. Потребление нефти росло около 150 лет и в начале третьего тысячелетия выходит на плато . В настоящее время в мире добывается более 87 млн баррелей в день или около 5 млрд тонн в год.
Извлекаемые запасы (резервы)
По опубликованным расчётам оценка запасов угля составляет около 500 миллиардов тонн, а количество извлекаемой нефти на Земле составляет около двух триллионов баррелей. Согласно теории Хабберта, в связи с тем, что нефть является невозобновляемым ресурсом , то рано или поздно её общемировая добыча достигнет своего пика (термин Пик нефти обозначает максимальное мировое производство нефти, которое было либо будет достигнуто). Добыча нефти в США достигла максимума в 1971 году (англ.) , и с тех пор убывает. Международное агентство по энергетике (IEA) в докладе «World Energy Outlook 2004», в частности, отметило: «Ископаемое топливо в настоящее время обеспечивает большую часть мирового потребления энергии и будет продолжать это делать в обозримом будущем. Хотя в настоящее время запасы велики, они не вечны».
Доказанные запасы по данным 2005-2006 годов:
Добыча ископаемых видов топлива по данным 2006 года:
Доказанные запасы (годы добычи в текущем темпе), остающиеся в Земле (2006):
- ископаемый уголь: 148 лет;
- нефть: 43 года;
- природный газ: 61 год.
Значение
Большая часть ископаемого топлива сжигается для получения электрической энергии, подогрева воды и отопления жилых помещений. Издавна человеком в хозяйственной деятельности используются ископаемый уголь, торф, горючие сланцы. Природный газ считался побочным продуктом нефтедобычи, однако в настоящее время становится весьма ценным ископаемым природным ресурсом . Кроме того, в современном мире ископаемое топливо используется в качестве моторного топлива, смазочных материалов и сырья для органического синтеза.
Влияние на окружающую среду
Эмиссия CO 2
Сжигание ископаемых видов топлива приводит к выбросам диоксида углерода (CO 2) - парникового газа , который сохраняется в атмосфере столетиями и вносит наибольший вклад в глобальное потепление . Климатические исследования надежно установили близкую к линейной связь между величиной глобального потепления и количеством накопленного в атмосфере диоксида углерода CO 2 . Для ограничения глобального потепления величиной 2 °C с назначенным шансом на успех, необходимо установить предельную величину будущих совокупных выбросов CO 2 , которые, таким образом, представляют собой конечный по величине общий глобальный ресурс. Эмиссионный бюджет СО 2 , определяемый из цели предотвращения неприемлемого глобального потепления, означает, что 60 - 80 % запасов ископаемого топлива должны оставаться нетронутыми, для чего требуется немедленное и резкое снижение текущих темпов добычи и сжигания ископаемого топлива.
В то же время мировые финансовые рынки в основном игнорируют необходимость ограничения эмиссии CO 2 . Добыча ископаемого топлива продолжает субсидироваться правительствами многих стран, большие средства продолжают расходоваться на разведку новых запасов. Инвесторы склонны полагать, что все запасы углеродного сырья могут стать объектом добычи и коммерческого использования.
Начиная с 2012 года, ряд экологических групп проводят глобальную кампанию за бойкот инвестиций в ископаемое топливо , логику которой её инициаторы формулируют следующим образом: «если неправильно разрушать климат, то неправильно и получать прибыль от этого разрушения» . Масштабы кампании быстро расширяются, её официально поддержала ООН . Несколько транснациональных инвесторов (например, крупнейшая страховая компания Франции AXA) объявили о полном деинвестировании своих средств из добычи угля.
Роль выбросов природного газа
Природный газ, основную часть которого составляет метан , также является парниковым газом. Парниковый эффект одной молекулы метана примерно в 20-25 раз сильнее, чем у молекулы CO 2 , поэтому с климатической точки зрения сжигание природного газа предпочтительней его попаданию в атмосферу.
Другие воздействия
На долю предприятий топливно-энергетического комплекса России приходится половина выбросов вредных веществ в атмосферный воздух, более трети загрязнённых сточных вод, треть твёрдых отходов от всей национальной экономики. Особую актуальность приобретает планирование экологических мероприятий в районах пионерного освоения ресурсов нефти и газа.
Углеводородное топливо – это горючее вещество, состоящее из соединений углерода и водорода. К ним относятся жидкие нефтяные топлива (автотракторные, авиационные, котельные и другие…) и углеводородные горючие газы (метан, этан, бутан, пропан, их природные смеси и другие…). Чем выше содержание в углеводородном топливе водорода, тем больше его массовая теплота сгорания.
Углеводородное топливо представляет собой жидкость сложного состава, состоящую из большого количества индивидуальных углеводородов. Такая жидкость не имеет определенной температуры кипения, процесс кипения происходит в некотором интервале температур. Характерными точками фракционного состава обычно считают температуру начала кипения, температуру выкипания 10, 50, 90 % объема топлива и температуру конца кипения.
Источниками углеводородного топлива являются сырая нефть и природный газ.
Теплота сгорания углеводородных топлив зависит от химического состава и строения индивидуальных углеводородов, входящих в состав топлива, и для углеводородов различных групп находится в пределах 9500 - 10 500 ккал/кг(кДж/кг).
Метан
Простейший углеводород, бесцветный газ без запаха, химическая формула – СН 4 . Малорастворим в воде, легче воздуха. Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %.Метан – наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Молярная масса =16,04г/моль. Температура плавления –182,49°С, кипения –161,58°С. Плотность =0,7168кг/м 3 .
Этан
С 2 Н 6 – органическое соединение, второй член гомологического ряда алканов. В природе содержится в составе природного газа, нефти и других углеводородах. По сравнению с метаном и пропаном более пожара - и взрывоопасен. Малотоксичен. Основное использование этана в промышленности – получение этилена. Этан при нормальных условиях – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Молярная масса =30,07г/моль. Температура плавления −182,81 °C, кипения −88,63 °C. Плотность =1,342 кг/м 3 .
Пропан
С 3 Н 8 – органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе. Чистый пропан не имеет запаха, однако в технический газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом (Бытовой газ). Как представитель углеводородных газов пожара - и взрывоопасен. Малотоксичен. Очень малорастворим в воде. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1% до 9,5 %. Температура кипения –42,1°С, плавления –187,6°С. Молярная масса =44,1г/моль. Плотность =2,019кг/м 3 . Пропан используется в промышленности для сварки, резки металла и в заготовительных работах; в быту для подогрева воды, приготовления пищи и обогрева помещений; в последнее время широко используется в качестве автомобильного топлива (дешевле и экологически безопаснее по сравнению с бензином).
Бутан
С 4 Н 10 – органическое соединение, углеводород класса алканов. Бутан – бесцветный горючий газ, со специфическим запахом. Легковоспламеним, пределы взрываемости 1,9 – 8,4 % в воздухе по объёму. Температура плавления –138,4°С, кипения –0,5°С. Молярная масса =58,12г/моль. Плотность =2,703кг/м 3 . Бутан, также как и пропан, используется в быту для обогрева помещений и приготовления пищи.
Пропан – бутан
Это смесь двух нефтяных углеводородных газов, пропана С 3 Н 8 и бутана С 4 Н 10 . Пропан – бутановая смесь в газообразном состоянии является бесцветной, не ядовитой, тяжелее воздуха, имеет резкий запах. Пропан – бутановые смеси широко используется в промышленности для сварки и резки. Также эта газовая смесь используется в качестве автомобильного топлива.
Авиационное топливо
Это горючее вещество, вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата для получения тепловой энергии в процессе сжигания. Делится на два типа – авиационные бензины и реактивное горючее. Авиационный бензин применяется, как правило, в поршневых двигателях, реактивное горючее в турбореактивных двигателях. Также известны разработки дизельных поршневых авиационных моторов, которые использовали дизельное топливо, а в настоящее время - керосин. Также необходимо отметить, что авиационные топлива применяются не только в авиационной технике. Основная область применения авиационных бензинов - топливо поршневых двигателей.
Котельное нефтяное топливо
Жидкое котельное топливо - топливо, применяемое в стационарных котельных установках, в промышленных печах различного назначения. В зависимости от вида сырья жидкие котельные топлива бывают: нефтяные, получаемые из нефтяных остатков, сланцевые и угольные. Большинство жидких котельных топлив составляют нефтяные фракции (углеводороды, содержащие от 5 до 10 атомов углерода в молекуле). Преимущество жидкого котельного топлива перед твердым определяется их высокой удельной теплотой сгорания, удобством транспортировки и хранения, простотой подачи в топку. Однако в экономически такое топливо уступает газообразному.
Таким образом, благодаря относительно низким затратам на производство и переработку этого топлива, оно получило широкое применение для производственных и хозяйственных нужд населения, поэтому область применения сжиженного углеводородного газа широка.
2.1 Компримированный природный газ
2.2 Сжиженный углеводородный газ
2.3 Сжиженный природный газ
3. Заключение
4. Список литературы
- Введение
На сегодняшний день топливно-энергетическая и природная проблемы обретают все большую значимость и масштабность. Сокращение нефтяных месторождений, ежегодное повышение использования моторного горючего приводят к нехватке и, как результат, увеличению цены бензина и дизельного топлива. Время от времени возникающие мировые топливные кризисы, раз за разом вынуждают подумать о потребности применения других типов энергоресурсов. А автотранспорт считается одним из основных загрязнителей окружающей среды во всем обществе.
Ежегодно только российским автопарком (это более 34 миллионов единиц автотранспортных средств по целой стране) выбрасывается с отработавшими газами 14 миллионов тонн вредных элементов, что составляет 40% общих промышленных выбросов в атмосферу. В крупных населенных пунктах они достигают 90% и представляют значительную экологическую опасность здоровью населения. Размер природоохранного ущерба, причиняемого промышленными выбросами, составляет 2% ВВП, при этом, 60% вреда наносится непосредственно автотранспортом. В совокупности с ежегодным удорожанием нефтепродуктов все без исключения вышеприведенные условия вынуждают сосредоточить более пристальное внимание на вопрос о переходе автотранспорта на другие разновидности топлива.
Наиболее перспективные из них – это природный газ (метан) и углеводородные газы (пропан-бутановые смеси), т.к. на территории нашего государства сконцентрирована без малого третья часть всемирных резервов углеводородного сырья. В настоящий момент сжатый природный газ (КПГ) и сжиженный углеводородный газ (СУГ) считаются более подготовленными видами горючего для применения в двигателях внутреннего сгорания в российских реалиях. За границей стремительно используется сжиженный природный газ (СПГ). Применение данного типа горючего в перспективе станет расширяться и в Российской федерации.
- Углеводородное топливо
Газообразное топливо - единственный тип альтернативного топлива, для которого в Российской Федерации решены технические и экологические проблемы использования. Главная сложность перехода автомобильного автотранспорта на газовое топливо состоит в необходимости формирования надлежащей инфраструктуры: заводов, хранилищ, заправочных станций. Приходится принимать во внимание и психологию покупателя, с предубеждением относящегося к необычному газообразному топливу.
По физическому состоянию горючие газы разделяются в 2 категории: сжатые и сжиженные. В случае если критическая температура углеводородов ниже обычных температур при эксплуатации машин, то их используют в сжатом варианте, а в случае если выше - то в сжиженном варианте под давлением 1,5...2,0 МПа.
2.1 Компримированный природный газ
Компримированный природный газ транспортируют по газопроводу под давлением 50-70 атм. Вплоть до 1994 годы вместо термина «компримированный природный газ» использовался термин «сжатый природный газ».
Природный газ состоит в основном из метана (на 90 %) с небольшими примесями этана (до 6%), пропана (до 1,7%), и бутана (до 1%).
Метан - газ без цвета и аромата, малорастворим в воде, легче воздуха. Он принадлежит к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только лишь из углерода и водорода. Значительное содержание водорода гарантирует более полное горение топлива в цилиндрах двигателя по сопоставлению с бензином и сжиженным нефтяным газом, по этой причине метан считается полноценным топливом для машин с хорошими антидетонационными характеристиками.
1 .Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и газ, уголь и торф. Природный газ состоит главным образом из метана (табл. 1).
Таблица 1 Состав природного газа
| Компоненты | Формула | Содержание,% |
| Метан | СН 4 | 88-95 |
| Этан | С 2 Н 6 | 3-8 |
| Пропан | С 3 Н 8 | 0,7-2,0 |
| Бутан | С 4 Н 10 | 0,2-0,7 |
| Пентан | С 5 Н 12 | 0,03-0,5 |
| Диоксид углерода | СО 2 | 0,6-2,0 |
| Азот | N 2 | 0,3-3,0 |
| Гелий | Не |
0,01-0,5 |
Сырая
нефть представляет собой маслянистую
жидкость, окраска которой может
быть самой разнообразной – от темно-коричневой
или зеленой до почти бесцветной. В ней
содержится большое число алканов. Среди
них есть неразветвленные алканы, разветвленные
алканы и циклоалканы с числом атомов
углерода от пяти до 40. Промышленное название
этих циклоалканов-начтены. В сырой нефти,
кроме того, содержится приблизительно
10% ароматических углеводородов, а также
небольшое количество других соединений,
содержащих серу, кислород и азот.
Рисунок
1 Природный газ и сырая
нефть обнаруживаются
в ловушках между слоями
горных пород.
Уголь
является древнейшим источником энергии,
с которым знакомо человечество. Он представляет
собой минерал, который образовался из
растительного вещества в процессе метаморфизма.
Метаморфическими называются горные породы,
состав которых подвергся изменениям
в условиях высоких давлений, а также высоких
температур. Продуктом первой стадии в
процессе образования угля является
торф,
который представляет собой разложившееся
органическое вещество. Уголь образуется
из торфа после того, как он покрывается
осадочными породами. Эти осадочные породы
называются перегруженными. Перегруженные
осадки уменьшают содержание влаги в торфе.
Таблица
2Содержание углерода
в некоторых видах топлива
и их теплотворная способность
Уголь
служит важным источником сырья для
получения ароматических соединений.
Углеводороды
встречаются в природе не только
в горючих ископаемых, но также
и в некоторых материалах биологического
происхождения. Натуральный каучук
является примером природного углеводородного
полимера. Молекула каучука состоит
из тысяч структурных единиц, представляющих
собой метилбута-1,3-диен (изопрен); ее строение
схематически показано на рис. 4. Метилбута-
1,3-диен имеет следующую структуру:
И
в составе природного газа, и нефти,
и торфа, и угля общим является
наличие группы углеводорода.
2.
Физические
свойства нефти.
Нефть представляет собой маслянистую
жидкость обычно тёмного цвета со своеобразным
запахом. Она немного легче воды и в воде
не растворяется.
Рисунок
2. Геологический разрез
нефтеносной местности.
Нефть
залегает в земле, заполняя пустоты
между частицами различных горных пород
(рис. 2). Для добывания её бурят скважины
(рис. 3). Если нефть богата газами, она под
давлением их сама поднимается на поверхность,
если же давление газов для этого недостаточно,
в нефтяном пласту создают искусственное
давление путём нагнетания туда газа,
воздуха или воды (рис. 4).
Если нефть нагревать в приборе, изображённом
на рисунке 4, то можно заметить, что она
кипит и перегоняется не при постоянной
температуре, что характерно для чистых
веществ, а в широком интервале температур.
Это значит, что нефть представляет собой
не индивидуальное вещество, а смесь веществ.
При нагревании нефти сначала перегоняются
вещества с меньшим молекулярным весом,
обладающие более низкой температурой
кипения, затем температура смеси постепенно
повышается, и начинают перегоняться вещества
с большим молекулярным весом, имеющие
более высокую температуру кипения, и
т. д.
Рисунок
3 .Нефть поднимается
под давлением нагнетаемой
в пласт
В
состав нефти входят главным образом
углеводороды. Основную массу её составляют
жидкие углеводороды, в них растворены
газообразные и твёрдые углеводороды.
Рисунок
4. Перегонка нефти
в лаборатории.
Состав
нефти различных месторождений
неодинаков. Грозненская и западноукраинская
нефть состоят главным образом из предельных
углеводородов. Бакинская нефть состоит
преимущественно из циклических углеводородов
- цикланов.
Цикланы - это углеводороды,
отличающиеся по своему строению от предельных
тем, что содержат замкнутые цепи (циклы)
углеродных атомов.
3 .Серьезная экологическая проблема - загрязнение нефтепродуктами вод Мирового океана. Нефтепродукты попадают в воду прежде всего при морских перевозках. При погрузке, разгрузке, чистке танкеров часть нефти теряется. Кроме того, случаются и аварии танкеров, при которых в море могут попасть десятки тысяч тонн нефти. По оценкам экологов, в Мировой океан попадает ежегодно около 10 млн. тонн нефти, которая растекается по поверхности воды, образуя тонкую радужную пленку. По данным спутниковой фотосьемки, такой пленкой покрыта уже треть поверхности Мирового океана. Из-за этой пленки нарушается контакт поверхности воды с воздухом, уменьшается содержание растворенного в воде кислорода, и гибнут обитатели морей и озер. Кроме того, пленка на поверхности воды замедляет испарение воды, и воздушные массы, проходя над водой, мало насыщаются водяными парами - нефтяная пленка мешает. То есть эти воздушные массы несут на континент меньше осадков, и тоненькая пленка на поверхности воды может изменить климат целых материков
4
.
РЕКТИФИКАЦИЯ
- разделение жидких
многокомпонентных смесей на отдельные
компоненты. Ректификация основана на
многократной дистилляции.(ДИСТИЛЛЯЦИЯ
-
разделение многокомпонентных жидких
смесей на отличающиеся по составу фракции;
основано на различии в составах жидкости
и образующегося из нее пара. Осуществляется
путем частичного испарения жидкости
и последующей конденсации пара. Полученный
конденсат обогащен низкокипящими компонентами,
остаток жидкой смеси - высококипящими).
Из сырой нефти прежде
всего удаляют растворенные в ней примеси
газов, подвергая ее простой перегонке.
Затем нефть подвергают первичной перегонке,
в результате чего ее разделяют на газовую,
легкую и среднюю фракции и мазут. Дальнейшая
фракционная перегонка легкой и средней
фракций, а также вакуумная перегонка
мазута приводит к образованию большого
числа фракций. В табл. 4 указаны диапазоны
температур кипения и состав различных
фракций нефти
Таблица
3 Типичные фракции перегонки
нефти
| Фракция | Температура кипения, °С | Число атомов углерода в молекуле | Содержание,
масс. %
|
| Газы | <40 | 1-4 | 3 |
| Бензин | 40-100 | 4-8 | 7 |
| Лигроин (нафта) | 80-180 | 5-12 | 7 |
| Керосин | 160-250 | 10-16 | 13 |
| Мазут:
Смазочное
масло и воск
|
350-500 | 20-35 | 25 |
| Битум | >500 | >35 | 25 |
Перейдем теперь к описанию свойств отдельных фракций нефти.
Газовая фракция. Газы, получаемые при переработке нефти, представляют собой простейшие неразветвленные алканы: этан, пропан и бутаны. Эта фракция имеет промышленное название нефтезаводской (нефтяной) газ. Ее удаляют из сырой нефти до того, как подвергнуть ее первичной перегонке, или же выделяют из бензиновой фракции после первичной перегонки. Нефтезаводской газ используют в качестве газообразного горючего или же подвергают его сжижению под давлением, чтобы получить сжиженный нефтяной газ. Последний поступает в продажу в качестве жидкого топлива или используется как сырье для получения этилена на крекинг-установках.
Бензиновая фракция. Эта фракция используется для получения различных сортов моторного топлива. Она представляет собой смесь различных углеводородов, в том числе неразветвленных и разветвленных алканов. Особенности горения неразветвленных алканов не идеально соответствуют двигателям внутреннего сгорания. Поэтому бензиновую фракцию нередко подвергают термическому риформингу, чтобы превратить неразветвленные молекулы в разветвленные. Перед употреблением эту фракцию обычно смешивают с разветвленными алканами, циклоалканами и ароматическими соединениями, получаемыми из других фракций путем каталитического крекинга либо риформинга.
Лигроин (нафта). Эту фракцию перегонки нефти получают в промежутке между бензиновой и керосиновой фракцией. Она состоит преимущественно из алканов (табл.4).
Бльшую часть лигроина, получаемого при перегонке нефти, подвергают риформингу для превращения в бензин. Однако значительная его часть используется как сырье для получения других химических веществ.
Таблица 4 Углеводородный состав лигроиновой фракции типичной ближневосточной нефти
| Углеводороды | Число атомов углерода | Содержание,
%
|
||||
| 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| Неразветвленные алканы | 13 | 7 | 7 | 8 | 5 | 40 |
| Разветвленные алканы | 7 | 6 | 6 | 9 | 10 | 38 |
| Циклоалканы | 1 | 2 | 4 | 5 | 3 | 15 |
| Ароматические соединения | – | – | 2 | 4 | 1 | 7 |
| 100 | ||||||
Керосин . Керосиновая фракция перегонки нефти состоит из алифатических алканов, нафталинов и ароматических углеводородов. Часть ее подвергается очистке для использования в качестве источника насыщенных углеводородов-парафинов, а другая часть подвергается крекингу с целью превращения в бензин. Однако основная часть керосина используется в качестве горючего для реактивных самолетов.
Газойль . Эта фракция переработки нефти известна под названием дизельного топлива. Часть ее подвергают крекингу для получения нефтезаводского газа и бензина. Однако главным образом газойль используют в качестве горючего для дизельных двигателей. В дизельном двигателе зажигание топлива производится в результате повышения давления. Поэтому они обходятся без свечей зажигания. Газойль используется также как топливо для промышленных печей.
Мазут . Эта фракция остается после удаления из нефти всех остальных фракций. Большая его часть используется в качестве жидкого топлива для нагревания котлов и получения пара на промышленных предприятиях, электростанциях и в корабельных двигателях. Однако некоторую часть мазута подвергают вакуумной перегонке для получения смазочных масел и парафинового воска.Темный вязкий материал, остающийся после вакуумной перегонки мазута, называется «битум», или «асфальт». Он используется для изготовления дорожных покрытий.
5 .Крекинг. При вторичных методах переработки нефти и происходит изменение структуры углеводородов, входящих в ее состав. Среди этих методов большое значение имеет крекинг (расщепление) углеводородов нефти, проводимый для повышения выхода бензина. В этом процессе крупные молекулы высококипящих фракций сырой нефти расщепляются на меньшие молекулы, из которых состоят низкокипящие фракции
В результате крекинга кроме бензина получают также алкены, необходимые как сырье для химической промышленности.
сырой нефти
С 16 Н 34 > С 8 Н 16 + С 8 Н 18
Гексадекан октен октан
С 8 Н 18 > С 4 Н 10 + С 4 Н 8
Октан бутан бутен
С 4 Н 10 > С 2 Н 6 + С 2 Н 4
бутан этан этен
6
.
Термический
крекинг проводится при нагревании исходного
сырья (мазута и др.) при температуре 450...550
°С и давлении 2...7 МПа. При этом молекулы
углеводородов с большим числом атомов
углерода расщепляются на молекулы с меньшим
числом атомов как предельных, так и непредельных
углеводородов. Таким способом получают
главным образом автомобильный бензин.
Выход его из нефти достигает 70%. Термический
крекинг открыт русским инженером В.Г. Шуховым
в 1891 г.
Каталитический
крекинг производится в присутствии
катализаторов (обычно алюмосиликатов)
при 450 °С и атмосферном давлении. Этим
способом получают авиационный бензин
с выходом до 80%. Такому виду крекинга подвергается
преимущественно керосиновая и газойлевая
фракции нефти. При каталитическом крекинге
наряду с реакциями расщепления протекают
реакции изомеризации. В результате последних
образуются предельные углеводороды с
разветвленным углеродным скелетом молекул,
что улучшает качество бензина.
Важным
каталитическим процессом является
ароматизация углеводородов, т. е. превращение
парафинов и циклопарафинов в ароматические
углеводороды. При нагревании тяжелых
фракций нефтепродуктов в присутствии
катализатора (платины или молибдена)
углеводороды, содержащие 6...8 атомов углерода
в молекуле, превращаются в ароматические
углеводороды. Эти процессы протекают
при риформинге (облагораживании бензинов).
Общее:
Реакция
расщепления,при крекинг-процессах образуется
большое количество газов (газы крекинга),
которые содержат главным образом предельные
и непредельные углеводороды. Эти газы
используют в качестве сырья для химической
промышленности.
Различия:
Получение
разного рода бензина с разным
процентным содержанием, в разных условиях,из неодинакового сырья.
7
.Газы нефтяные
попутные - это углеводородные газы, которые
сопутствуют нефти и выделяются из неё
при сепарации.Газы нефтяные попутные
содержат значительные количества этана,
пропана, бутана и других предельных углеводородов.
Кроме того, в газах нефтяных попутных
присутствуют пары воды, а иногда и азот,
углекислый газ, сероводород и редкие
газы (гелий, аргон).
Перед подачей
в магистральные газопроводы
газ нефтяной попутный перерабатывают
на так называемых газоперерабатывающих
заводах, продукцией которых является
газовый бензин, так называемый отбензиненный
газ и углеводородные фракции, представляющие
собой технически чистые углеводороды
(этан, пропан, бутан, изобутан и др.) или
их смеси.
Газовый бензин
применяют как компонент автомобильных
бензинов. Сжиженные газы (пропан-бутановая
фракция) широко используют как моторное
топливо для автотранспорта или как топливо
для коммунально-бытовых нужд. Углеводородные
фракции - ценное сырьё для химической
и нефтехимической промышленности. Они
широко используются для получения ацетилена.
При окислении пропан-бутановой фракции
образуются ацетальдегид, формальдегид,
уксусная кислота, ацетон и др. продукты.
Изобутан служит для производства высокооктановых
компонентов моторных топлив, а также
изобутилена - сырья для изготовления
синтетического каучука. Дегидрированием
изопентана получают изопрен - важный
продукт при производстве синтетических
каучуков.
8 .К природным газам относятся и так называемые попутные газы, которые обычно растворены в нефти и выделяются при ее добыче. В попутных газах содержится меньше метана, но больше этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в других природных газах, не связанных с залежами нефти, а именно: сероводород, азот, благородные газы, пары воды, углекислый газ.
СН 2 =СН 2 +Н 2 > СН 3 -СН 3
С 3 Н 6 +Сl 2 > СН 3 -СНСl-СН 3
С 2 Н 6 Сl-С 2 Н 6 Cl +2Nа> СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 +2NaCl
9.
10
.Кокс
- серое, чуть серебристое, пористое и очень
твердое вещество, более чем на 96% состоящее
из углерода. Процесс получения- кокса
в результате переработки природных топлив
называется коксованием.
В
наше время 10% добываемого в мире
каменного угля превращают в кокс. Коксование
проводят в камерах коксовой печи, обогреваемых
снаружи горящим газом. При повышении
температуры в каменном угле происходят
разнообразные процессы. При 250 0 С
из него испаряется влага, выделяются
СО и СО 2 ; при 350 0 С уголь размягчается,
переходит в тестообразное, пластическое
состояние, из него выделяются углеводороды-газообразные
и низкокипящие, а также азотистые и фосфористые
соединения. Тяжелые углистые остатки
спекаются при 500 0 С, давая полукокс.
А при 700 0 С и выше полукокс теряет
остаточные летучие вещества, главным
образом водород, и превращается в кокс.
Важным источником промышленного получения
ароматических углеводородов наряду с
переработкой нефти является коксование
каменного угля.
При
нагревании угля без доступа воздуха
до 900-1050 о С приводит к его термическому
разложению с образованием летучих продуктов
и твердого остатка-кокса.
Коксование угля - периодический процесс.
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.
Реакции,
характерные для продуктов коксования
каменного угля.
Кокс применяют для изготовления
электродов, для фильтрования жидкостей
и, самое главное, для восстановления железа
из железных руд и концентратов в доменном
процессе выплавки чугуна. В доменной
печи кокс сгорает и образуется оксид
углерода (IV):
С + 0 2 = СО 2 + Q,
который
взаимодействует с раскаленным
коксом с образованием оксида углерода
(II):
С
+ СO 2 = 2CO - Q
Оксид углерода
(II) и является восстановителем железа,
причем сначала из оксида железа (III) образуется
оксид железа (II, III), затем оксид железа
(II) и, наконец, железо:
- 3Fe 2 O 3
+ CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 + Q
- Fe 3 O 4
+ CO = 3FeO + CO 2 – Q
- FeO + CO
= Fe + CO 2 + Q
Природный газ широко используют как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1 м 3 выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Кроме того, природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности. Разработано много способов переработки природных газов. Главная задача этой переработки - превращение предельных углеводородов в более активные - непредельные, которые затем переводят в синтетические полимеры (каучук, пластмассы). Кроме того, окислением углеводородов получают органические кислоты, спирты и другие продукты.
Раньше попутным газам также не находили применения, и при добыче нефти, они сжигались факельным способом. В настоящее время их стремятся улавливать и использовать как в качестве топлива, так и главным образом в качестве ценного химического сырья. Из попутных газов, а также газов крекинга нефти путем перегонки при низких температурах получают индивидуальные углеводороды.
Именно поэтому сжигание нефти, каменного угля и попутного нефтяного газа не является рациональным способом их использования.
МОУ ГИМНАЗИЯ №48
Реферат по химии на тему:
Природные источники углеводородов.
Челябинск 2003 г.
и т.д.................
Углеводородные топлива представляют собой смесь углеводородов.
Схема установки для определения фракционного состава топлива. Углеводородное топливо представляет собой жидкость сложного состава, состоящую из большого количества индивидуальных углеводородов. Такая жидкость не имеет определенной температуры кипения, процесс кипения происходит в некотором интервале температур. Характерными точками фракционного состава обычно считают температуру начала кипения, температуру выкипания 10, 50, 90 % объема топлива и температуру конца кипения.
Углеводородные топлива обладают свойством поглощать воду из воздуха и растворять ее. Растворимость воды в топливе невелика и зависит при прочих равных условиях от температуры и химического состава топлива. Наиболвеегигроскопичными являются ароматические углеводороды и особенно бензол. Поэтому топлива, богатые ароматическими углеводородами, обладают повышенной гигроскопичностью.
Углеводородное топливо, поступающее при 260 С, подвергается крекингу при 500 С в псевдоожиженном слое; применяется технологическая схема реактор - регенератор.
Углеводородные топлива характеризуются высокой теплотой сгорания. Продуктами их полного сгорания являются, главным образом, двуокись углерода и вода. Лишь водород, бериллий и бор имеют большие теплоты сгорания, чем углеводороды. Однако При их использовании в качестве топлив возникают весьма сложные проблемы, которые здесь не рассматриваются. По эксплуатационным свойствам углеводороды как топлива отличаются значительными преимуществами.
Углеводородные топлива отличаются высокой скоростью и пол-нотой сгорания. Благодаря этому двигатель получает для своей работы тепловой заряд большой плотности в весьма короткий отрезок времени. При хорошо организованном процессе полнота сгорания углеводородных топлив достигает 98 % и более.
Углеводородные топлива мало различаются по количеству воздуха, теоретически необходимого для полного его сгорания - в пределах от 13 9 до 15 0 кг / кг топлива. Причем чем выше массовая теплота сгорания топлива (выше соотношение водорода к углероду), тем больше воздуха необходимо для его сгорания.
Углеводородные топлива обладают свойством поглощать воду из воздуха и растворять ее. Растворимость воды в топливе невелика и зависит при прочих равных условиях от температуры и химического состава топлива. Наиболее гигроскопичными являются ароматические углеводороды, и особенно, бензол. Поэтому топлива, богатые ароматическими углеводородами, обладают повышенной гигроскопичностью.
Углеводородное топливо, которое находится в газообразном состоянии при температуре от 15 С и атмосферном давлении.
Углеводородные топлива без добавок неуглеводородных соединений обладают высокой физической стабильностью.
Гигроскопичность углеводородов. Углеводородные топлива обладают свойством поглощать воду из воздуха и растворять ее.
Легкое углеводородное топливо, перевозимое в жидком виде, а используемое в газообразном, называют сжиженным газом. Он получает широкое применение в качестве топлива в городах и сельских районах.
Углеводородные топлива типа керосина и широкой бензино-лигроино-керосиновой фракции имеют близкие пределы устойчивого горения в двигателе.
Для углеводородных топлив отношение СР / НР определяется с учетом относительного содержания углерода и водорода в рабочей массе топлива.
Для углеводородных топлив это сближение в первом приближении (за исключением области, близкой к области максимальной концентрации инертного газа) происходит прямо пропорционально изменению концентрации инертного газа и в основном вследствие смещения верхнего предела.
Дымность продуктов сгорания Д топлива ТС-1 на выходе из камеры сгорания ГТД в зависимости от давления в камере Я (по данным К. Н. Ерастова.| Расход углеводородов и топлива GT, сжигаемых без дымления, в зависимости от давления Р [ 140 ]. Склонность углеводородных топлив к дымлению характеризуется высотой некоптящего пламени, люминометрическим числом и определяется непосредственно при квалификационных испытаниях топлив на модельной камере сгорания.
Сравнение эффективности различных способов получения водорода. Для углеводородных топлив единственным ограничением является минимум производительности, при которой еще оправдывается сравнительная сложность конструкции установок. При этом первостепенный интерес представляют установки на жидких нефтепродуктах как наиболее универсальные.
Среди углеводородных топлив худшую фильтруемость при одинаковых условиях имеют дизельные топлива, наилучшую - бензины. На установке, моделирующей топливную систему летательных аппаратов, была исследована фильтруемость различных топлив.
Теплопроводность углеводородных топлив зависит от химического состава и температуры.
Теплопроводность углеводородных топлив зависит от их химического состава и при 0 С и атмосферном давлении лежит в пределах 0 115 - 0 125 Вт / (м - К), С повышением температуры теплопроводность топлив уменьшается; давление влияет незначительно. Наибольшую теплоемкость имеют алканы нормального строения. По мере увеличения разветвленности и роста отношения С: Н теплоемкость углеводородов падает. Высокую теплоемкость имеют спирты. При увеличении давления теплоемкость немного уменьшается.
Для углеводородных топлив (без присадки антидетонатора) замечено, что скорость сгорания изменяется пропорционально октановому числу.
Теплоемкость углеводородных топлив при 20 С и атмосферном давлении составляет 1 6 - 2 0 кДж / кг К.
Теплопроводность углеводородных топлив при 0 С и атмосферном давлении изменяется в пределах 0 115 - 0 125 Вт / м К.
Теплотворность углеводородных топлив колеблется в довольно узких пределах.
Фракции, получаемые при перегонке сырой нефти.
Источниками углеводородного топлива являются сырая нефть и природный газ. Месторождения нефти и газа обычно находятся рядом и имеются во многих странах мира.
Эра дешевого углеводородного топлива, обеспечившего небывалые темпы экономического роста промышленно развитых государств, ушла в прошлое безвозвратно.
В углеводородных топливах, при их хранении, происходят химические изменения в основном за счет окисления и дальнейших превращений наиболее нестойких углеводородов. При этом образуются продукты окисления смолистого характера и топлива становятся непригодными к применению на двигателях.
Высшая теплота сгорания некоторых элементов. Теплота сгорания углеводородных топлив зависит от химического состава и строения индивидуальных углеводородов, входящих в состав топлива, и для углеводородов различных групп находится в пределах 9500 - 10 500 ккал / кг. В табл. 4 приведены значения теплоты сгорания на единицу массы и объема для элементов, обладающих наибольшей теплотой сгорания по сравнению с остальными элементами периодической системы.
Основы горения углеводородных топлив, Издат.
Теплота сгорания углеводородных топлив может быть рассчитана по различным эмпирическим формулам.
Основы горения углеводородных топлив (перевод с английского), Изд-во иностр.
Основы горения углеводородных топлив, Издатинлит, 1960, стр.
Зависимость пределов устойчивости горения от химического состава углеводородов. При сгорании углеводородных топлив наблюдается выделение дисперсных частиц углистых веществ, близких по составу к углероду. Образующиеся при горении твердые частицы уносятся с продуктами сгорания и при большой концентрации могут быть заметны в виде дыма. Часть твердых выделений отлагается на поверхностях камеры сгорания в виде нагара. Образование нагара в двигателе зависит от следующих свойств топлива: фракционного и химического состава, плотности, содержания смолистых веществ, серы и других примесей. Кроме того, нагарообразование зависит от конструкции камеры сгорания и от полноты процесса сгорания.
Один пожарник спасает другого, попавшего в ядовитый дым, при пожаре в закрытом складе. При сжигании углеводородного топлива при низких температурах могут образовываться легкие углеводороды, альдегиды (такие как формальдегид) и органические кислоты. Значительные количества окиси азота образуются при высоких температурах - как следствие окисления азота, содержащегося в атмосфере, и при низких температурах горения топлива, в котором содержится много азота. Если топливо содержит хлор, образуется хлористый водород. Полимерные пластические материалы представляют особую опасность.
Молекулярную массу углеводородных топлив определяют главным образом криоскопическим методом и в редких случаях используют метод измерения плотности паров.
Сернистые соединения углеводородных топлив, в том числе и дизельного, в процессе конверсии паром переходят в основном в сероводород. Термодинамические расчеты, выполненные для некоторых реакций сероводорода с твердыми реагентами с целью определения степени превращения сероводорода в условиях больших концентраций водяного пара, показали, что для улавливания сероводорода из влажного газа наиболее благоприятным реагентом является окись цинка. Степень поглощения сероводорода окисью цинка даже в условиях высоких концентраций водяного пара (около 50 %) при температуре 800 - 900 С остается значительной (52 %), а окись кальция в этих же условиях не хемосор-бирует сероводорода.
Катализ окисления углеводородных топлив ионами металлов заключается в генерировании радикалов, обусловливающих развитие окислительных цепей и требующих дополнительного расхода антиокислителя на вывод из сферы реакции вновь образующихся пероксидных радикалов.
Для получения углеводородных топлив с повышенной термической стабильностью предложены способы , которые применяют обработку нефтяных дистиллятов серной кислотой и молекулярными ситами. Молекулярные сита избирательно выделяют полярные соединения, ухудшающие его термостабильность.
При контакте углеводородных топлив с металлами, особенно при повьппенной температуре, на поверхности последних образуются отложения.
Условия применения углеводородных топлив в ракетных двигателях и в сверхзвуковых самолетах существенно различаются. Из бака под наддувом газифицированного азота горючее поступает в центробежный насос, откуда через главный клапан - в зарубашечное пространство двигателя. Часть топлива после главного клапана горючего отбирается в систему автоматического управления рабочим процессом, где имеются узлы с зазорами трущихся пар 17 - 20 мк.
Схема термовоздушного газификатора бензина. Паровая конверсия углеводородного топлива в конструктивном оформлении более сложная. Это обусловлено необходимостью иметь дополнительную емкость для воды, систему ее подачи и дозирования.
Энергетические характеристики топлив для ВРД. Энергетические характеристики углеводородных топлив для ВРД могут быть повышены при помощи их радиоактивного облучения. При радиоактивном облучении молекулярный вес топлива увеличивается.
Энергетические характеристики углеводородных топлив для ВРД ограничены тем, что в их составе наряду с водородом, обладающим самой высокой теплотой сгорания 28 700 ккал / кг, содержится углерод, теплота сгорания которого невысока - 7800 ккал / кг. Путем замены углерода на более высококалорийные элементы, например бериллий (14 970 ккал / кг) и бор (14 170 ккал / кг), открываются широкие возможности получения перспективных высокоэнергетических топлив для ВРД.
Кислотное число углеводородных топлив и масел очень мало. Кислоты, а особенно оксикислоты, накапливающиеся в топливах и маслах при эксплуатации, являются крайне нежелательной примесью.
При выборе углеводородного топлива необходимо рассмотреть некоторые свойства углеводородов. К ним относятся количество теплоты, выделяемое на каждый грамм сожженного топлива; преимущество высокой энтальпии сгорания может быть утрачено, если из-за большой молекулярной массы требуется мною топлива.
Теплотворная способность углеводородных топлив зависит от элементарного состава, который в свою очередь связан с групповым составом.
При сгорании углеводородных топлив наблюдается выделение дисперсных частиц углистых веществ, близких по составу к углероду. Образующиеся при горении твердые частицы, по-видимому, в результате пиролиза топлива до кокса уносятся с продуктами сгорания и при большой концентрации могут быть заметны в виде дыма. Часть коксовых выделений отлагается на поверхностях камеры сгорания, лопатках турбины и прочих частях в виде нагара. Образование нагара в первую очередь зависит от условий сгорания топлива и его химического состава, в частности, от содержания углерода и водорода.
Загрузка...