Природные источники углеводородов (стр. 2 из 11)
Рисунок 2 Природный газ и сырая нефть обнаруживаются в ловушках между слоями горных пород.
Таблица 1 Состав природного газа
| Компоненты | Формула | Содержание,% |
| Метан | СН4 | 88-95 |
| Этан | С2Н6 | 3-8 |
| Пропан | С3Н8 | 0,7-2,0 |
| Бутан | С4Н10 | 0,2-0,7 |
| Пентан | С5Н12 | 0,03-0,5 |
| Диоксид углерода | СО2 | 0,6-2,0 |
| Азот | N2 | 0,3-3,0 |
| Гелий | Не | 0,01-0,5 |
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).
Таблица 2Содержание углерода в некоторых видах топлива и их теплотворная способность
| Топливо | Содержание углерода, % | Теплотворная способность, кДж/кг |
| Дрова | 50,0 | 19 800 |
| Торф | 59,9 | 18 700 |
| Лигнит | 61,8 | 20 900-25 600 |
| Бурый уголь | 69,5 | 27 200 |
| Каменный уголь | 78,7 | 32 100 |
| Антрацит | 91,0 | 32 600 |
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.
Рисунок 3 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.
Рисунок 4 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); ее строение схематически показано на рис. 4. Метилбута- 1,3-диен имеет следующую структуру:
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, β-каротин ответствен за характерную оранжевую окраску моркови.
Глава 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ
Алканы, алкены, алкины и арены получают путем переработки нефти (см. ниже). Уголь тоже является важным источником сырья для получения углеводородов. С этой целью каменный уголь нагревают без доступа воздуха в ретортной печи. В результате получается кокс, каменноугольный деготь, аммиак, сероводород и каменноугольный газ. Этот процесс называется деструктивной перегонкой угля. Путем дальнейшей фракционной перегонки каменноугольного дегтя получают различные арены (табл. 3). При взаимодействии кокса с паром получают водяной газ:
Таблица 3 Некоторые ароматические соединения, получаемые при фракционной перегонке каменноугольного дегтя (смолы)
| Фракция | Диапазон температур кипения, °С | Главные компоненты |
| Легкое масло | 80-170 | Бензол, метилбензол (толуол) |
| Среднее масло | 170-230 | Фенол, нафталин |
| Тяжелое масло (креозот) | 230-270 | Фенол, нафталин, антрацен |
| Зеленое масло | 270-400 | Антрацен |
| Остаток | >400 | Пек |
Из водяного газа с помощью процесса Фишера-Тропша можно получать алканы и алкены. Для этого водяной газ смешивают с водородом и пропускают над поверхностью железного, кобальтового или никелевого катализатора при повышенной температуре и под давлением 200-300 атм.
Процесс Фишера - Тропша позволяет также получать из водяного газа метанол и другие органические соединения, содержащие кислород:
Эта реакция проводится в присутствии катализатора из оксида хрома(III) при температуре 300°С и под давлением 300 атм.
В промышленно слаборазвитых странах такие углеводороды, как метан и этилен, все больше получают из биомассы. Биогаз состоит главным образом из метана. Этилен можно получать путем дегидратации этанола, который образуется в процессах ферментации.
Дикарбид кальция тоже получают из кокса, нагревая его смесь с оксидом кальция при температурах выше 2000°С в электрической печи:
При взаимодействии дикарбида кальция с водой происходит образование ацетилена. Такой процесс открывает еще одну возможность для синтеза ненасыщенных углеводородов из кокса.
Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и других соединений. В таком виде она мало используется. Сначала ее перерабатывают в другие продукты, которые имеют практическое применение. Поэтому сырую нефть транспортируют танкерами или с помощью трубопроводов к нефтеперерабатывающим заводам.
Переработка нефти включает целый ряд физических и химических процессов: фракционную перегонку, крекинг, риформинг и очистку от серы.
Сырую нефть разделяют на множество составных частей, подвергая ее простой, фракционной и вакуумной перегонке. Характер этих процессов, а также число и состав получаемых фракций нефти зависят от состава сырой нефти и от требований, предъявляемых к различным ее фракциям.
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, а на рис. 5 изображена схема устройства первичной дистилляционной (ректификационной) колонны для перегонки нефти. Перейдем теперь к описанию свойств отдельных фракций нефти.