Природные источники

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ

     Природными  источниками углеводородов  являются  горючие  ископаемые  -

нефть и газ, уголь и торф.  Залежи  сырой  нефти  и  газа  возникли  100-200

миллионов  лет  назад  из  микроскопических  морских  растений  и  животных,

которые оказались  включенными в  осадочные  породы,  образовавшиеся  на  дне

моря, В отличие  от этого уголь и торф начали  образовываться  340  миллионов

лет назад из растений, произраставших на суше.

      Природный газ и сырая нефть  обычно обнаруживаются  вместе  с  водой  в

нефтеносных слоях, расположенных между слоями горных пород (рис. 2).  Термин

«природный газ» применим также  к  газам,  которые  образуются  в  природных

условиях  в результате  разложения  угля.  Природный газ и сырая   нефть

разрабатываются на всех континентах, за исключением  Антарктиды.  Крупнейшими

производителями природного газа  в  мире  являются  Россия,  Алжир,  Иран  и

Соединенные  Штаты.  Крупнейшими  производителями   сырой   нефти   являются

Венесуэла, Саудовская Аравия, Кувейт и Иран.

      Природный газ состоит главным  образом из метана (табл. 1).

      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.

Уголь  является  древнейшим  источником  энергии,  с  которым  знакомо

человечество. Он представляет собой минерал (рис.  3),  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.

      В классификации углей используются три критерия: чистота (определяется

относительным содержанием углерода в процентах); тип (определяется  составом

исходного   растительного   вещества);   сортность   (зависит   от   степени

метаморфизма).

      Самыми низкосортными видами  ископаемых углей являются  бурый   уголь  и

лигнит (табл. 2). Они ближе всего к  торфу  и  характеризуются  сравнительно

низким содержанием  углерода и  высоким  содержанием  влаги.  Каменный  уголь

характеризуется  меньшим  содержанием  влаги   и   широко   используется   в

промышленности. Самый  сухой  и  твердый  сорт  угля  –  это  антрацит.  Его

используют для  отопления жилищ и приготовления  пищи.

      В последнее время благодаря   техническим  достижениям   становится  все

более экономичной  газификация угля.  Продукты  газификации угля  включают

моноксид  углерода,  диоксид углерода,   водород,   метан   и   азот.   Они

используются  в качестве газообразного горючего либо как сырье для  получения

различных химических продуктов и удобрений.

      Уголь, как это изложено  ниже,  служит  важным  источником  сырья   для

получения ароматических  соединений.

Вариант молекулярной модели низкосортного угля. Уголь

представляет  собой сложную смесь химических веществ, в состав которых

входят углерод, водород и кислород, а также  небольшие количества азота,

серы и примеси  других элементов. Кроме того, в состав угля в зависимости от

его сорта входит различное количество влаги и  различных минералов.

Углеводороды, встречающиеся  в биологических системах.

   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).  Метилбута-1,3-диен 

     Натуральный  каучук. Приблизительно 90% натурального  каучука,  который

добывается  в  настоящее  время  во  всем  мире,  получают  из  бразильского

каучуконосного  дерева Hevea brasiliensis, культивируемого главным образом в

экваториальных  странах Азии. Сок этого дерева, представляющий  собой латекс

(коллоидный  водный раствор полимера), собирают  из надрезов, сделанных  ножом

на коре. Латекс содержит приблизительно 30% каучука. Его  крохотные  частички

взвешены в воде. Сок сливают в алюминиевые емкости, куда добавляют кислоту,

заставляющую каучук коагулировать.

      Многие  другие  природные   соединения   тоже   содержат   изопреновые

структурные  фрагменты.   Например,   лимонен   содержит   два   изопреновых

фрагмента. Лимонен является главной составной частью масел,  извлекаемых из

кожуры  цитрусовых,  например   лимонов   и   апельсинов.   Это   соединение

принадлежит к  классу соединений, называемых терпенами.  Терпены  содержат  в

своих  молекулах  10  атомов  углерода  (С10-соединения)  и   включают   два

изопреновых фрагмента, соединенных друг с другом последовательно («голова к

хвосту»). Соединения с четырьмя  изопреновыми  фрагментами (С20-соединения)

называются дитерпенами, а с шестью  изопреновыми  фрагментами -тритерпенами

(С30-соединения). Сквален, который  содержится  в масле из  печени  акулы,

представляет  собой тритерпен. Тетратерпены (С40-соединения) содержат  восемь

изопреновых  фрагментов.   Тетратерпены   содержатся   в   пигментах   жиров

растительного и животного происхождения.  Их  окраска  обусловлена  наличием

длинной сопряженной  системы двойных связей. Например,  ?-каротин  ответствен

за характерную  оранжевую окраску моркови

ГАЗ:

Разведанные запасы природного газообразного топлива  на Земле велики, превышают 60 трлн м³, а прогнозируемые запасы оцениваются в 200 трлн м³.

Крупнейшие газовые  месторождения в мире в Алжире, Иране, США, Нидерландах. В России –  это Западная Сибирь, Республика Коми, Астраханская и Оренбургская области.

Природный газ  является главным источником сырья  для химической промышленности. Основной составной частью природного газа является метан (80–90 %). Кроме метана в природном  газе присутствуют его гомологи –  этан, пропан, бутан, а также неорганические примеси – углекислый газ, азот, инертные газы. Предельные углеводороды – газы не имеют ни цвета, ни запаха. Для облегчения обнаружения утечки газа к нему добавляют специальный ароматизатор.

Попутный нефтяной газ по происхождению тоже является природным. Свое название он получил  потому, что находится в залежах  вместе с нефтью – он растворен  в ней и находится над нефтью, образуя газовую “шапку”. При  извлечении нефти на поверхность, он отделяется от нее вследствие резкого  падения давления. Возможности использования его значительно шире, чем природного, т. к. в нем кроме метана содержится значительное 

количество других углеводородов. Поэтому путем химической переработки из него можно получить больше веществ, чем из природного газа. 

Нефть

Нефть представляет собой сложную смесь парафиновых, нафтеновых, ароматических и других углеводородов с различными молекулярными  массами и температурами кипения. Так же в нефти содержаться  сернистые, кислород и азотсодержащие органические соединения. И поэтому, для получения из нефти товарных продуктов различного назначения, применяют  методы разделения нефти на фракции  или группы углеводородов. И при  необходимости, изменяют их химический состав, дальнейшим проведением каталитических и термических процессов.

Различают первичные  и вторичные методы переработки  нефти. Первичными процессами называют процессы разделения нефти на более  или менее однородные фракции  без химического преобразования входящих в неё веществ. Основным приёмом разделения является дистилляция (перегонка) - процесс разделения жидких веществ по температурам их кипения. Атмосферная перегонка относится  к первичному процессу и отсюда можно  выделить основное её назначение - разделить  нефть на фракции, и использовать максимальные возможности нефти  по количеству и качеству получаемых исходных продуктов.

Атмосферную перегонку  можно осуществить следующими способами: 1) с однократным испарением в  трубчатой, печи и разделением отгона в одной ректификационной колонне; 2) двухкратным испарением и разделением в двух ректификационных колоннах - в колонне предварительного испарения (эвапораторе) с отделением легких бензиновых фракций и в основной колонне; 3) Постепенным испарением.

Сырьём установки  атмосферной перегонки может  служить как нефть, так и газовый  конденсат. Физико-химические свойства нефтей и составляющих их фракций оказывают влияние на выбор технологии получения нефтепродуктов. Поэтому, при определении направления переработки нефти нужно стремиться по возможности максимально, полезно использовать индивидуальные природные особенности её химического состава.

Каталитический  крекинг. Этот метод приводит к образованию смеси насыщенных и ненасыщенных продуктов. Каталитический крекинг проводится при сравнительно невысоких температурах, а в качестве катализатора используется смесь кремнезема и глинозема. Таким путем получают высококачественный бензин и ненасыщенные углеводороды из тяжелых фракций нефти.

Термический крекинг. Крупные молекулы углеводородов, содержащихся в тяжелых фракциях нефти, могут быть расщеплены на меньшие молекулы путем нагревания этих фракций до температур, превышающих их температуру кипения. Как и при каталитическом крекинге, в этом случае получают смесь насыщенных и ненасыщенных продуктов. Термический крекинг имеет особенно важное значение для получения ненасыщенных углеводородов, например этилена и пропена. Для термического крекинга используются паровые крекинг-установки. В этих установках углеводородное сырье сначала нагревают в печи до 800°С, а затем разбавляют его паром. Это увеличивает выход алкенов. После того как крупные молекулы исходных углеводородов расщепятся на более мелкие молекулы, горячие газы охлаждают приблизительно до 400СС водой, которая превращается в сжатый пар. Затем охлажденные газы поступают в ректификационную (фракционную) колонну, где они охлаждаются до 40°С. Конденсация более крупных молекул приводит к образованию бензина и газойля. Несконденсировавшиеся газы сжимают в компрессоре, который приводится в действие сжатым паром, полученным на стадии охлаждения газов. Окончательное разделение продуктов производится в колоннах фракционной перегонки.

Фракционная перегонка. Сырую нефть разделяют на  множество  составных  частей,  подвергая  ее

простой, фракционной  и  вакуумной  перегонке.  Характер  этих  процессов,  а