Використання їх в якості палива і в хімічному синтезі - студопедія
Найбільш важливими джерелами вуглеводнів є природний і попутні нафтові гази, нафта, кам'яне вугілля.
За запасами природного газу перше місце в світі належить нашій країні. У природному газі містяться вуглеводні з низькою молекулярною масою. Він має такий приблизний склад (за обсягом): 80-98% метану, 2-3% його найближчих гомологів - етану, пропану, бутану і невелика кількість домішок - сірководню Н2 S, азоту N2. благородних газів, оксиду вуглецю (IV) CO2 і парів води H2 O. Склад газу специфічний для кожного родовища. Існує наступна закономірність: чим вище відносна молекулярна маса вуглеводню, тим менше його міститься в природному газі.
Природний газ широко використовується як дешеве паливо з високою теплотворною здатністю (при спалюванні 1м 3 виділяється до 54 400 кДж). Це один з кращих видів палива для побутових і промислових потреб. Крім того, природний газ є цінною сировиною для хімічної промисловості: отримання ацетилену, етилену, водню, сажі, різних пластмас, оцтової кислоти, барвників, медикаментів та інших продуктів.
Попутні нафтові гази знаходяться в покладах разом з нафтою: вони розчинені в ній і знаходяться над нафтою, утворюючи газову "шапку". Під час вилучення нафти на поверхню гази внаслідок різкого падіння тиску відокремлюються від неї. Раніше попутні гази не знаходили застосування і при видобутку нафти спалювалися факельним способом. В даний час їх вловлюють і використовують як паливо і цінна хімічна сировина. У попутних газах міститься менше метану, ніж в природному газі, але більше етану, пропану, бутану і вищих вуглеводнів. Крім того, в них присутні в основному ті ж домішки, що і в природному газі: H2 S, N2. благородні гази, пари Н2 О, CO2. З попутних газів витягають індивідуальні вуглеводні (етан, пропан, бутан і т.д.), їх переробка дозволяє отримувати шляхом дегідрування ненасичені вуглеводні - пропилен, бутилен, бутадієн, з яких потім синтезують каучуки і пластмаси. Суміш пропану і бутану (скраплений газ) застосовують як побутове паливо. Газовий бензин (суміш пентану з гексаном) застосовують як добавку до бензину для кращого займання пального при запуску двигуна. Окисленням вуглеводнів отримують органічні кислоти, спирти та інші продукти.
Нафта - масляниста горюча рідина темно-бурого або майже чорного кольору з характерним запахом. Вона легше води (= 0,73-0,97 г / см 3), у воді практично нерозчинні. За складом нафта - складна суміш вуглеводнів різної молекулярної маси, тому у неї немає певної температури кипіння.
Нафта складається головним чином з рідких вуглеводнів (в них розчинені тверді і газоподібні вуглеводні). Зазвичай це алкани (переважно нормальної будови), Циклоалкани і арени, співвідношення яких в нафтах різних родовищ коливається в широких межах. Уральська нафта містить більше аренов. Крім вуглеводнів, нафта містить кисневі, сірчисті і азотисті органічні сполуки.
Сира нафта звичайно не застосовується. Для одержання з нафти технічно цінних продуктів її піддають переробці.
Первинна переробка нафти полягає в її перегонці. Перегонку виробляють на нафтопереробних заводах після відділення попутних газів. При перегонці нафти отримують світлі нафтопродукти:
бензин (tкип = 40-200 ° С) містить вуглеводні С5 -С11,
нафта (t кип = 150-250 ° С) містить вуглеводні С8 -С14,
гас (tкип = 180-300 ° С) містить вуглеводні С12 -С18,
а в залишку - в'язку чорну рідину - мазут.
Мазут піддають подальшій переробці. Його переганяють під зменшеним тиском (щоб попередити розкладання) і виділяють мастила: веретенне, машинне, циліндрове і ін. З мазуту деяких сортів нафти виділяють вазелін і парафін. Залишок мазуту після відгону - гудрон - після часткового окислення застосовується для отримання асфальту. Головний недолік перегонки нафти - малий вихід бензину (не більше 20%).
Продукти перегонки нафти мають різне застосування.
Бензин у великих кількостях використовується як авіаційне й автомобільне паливо. Він складається зазвичай з вуглеводнів, що містять в молекулах в середньому від 5 до 9 атомів С. Лігроїн застосовується як пальне для тракторів, а також як розчинник у лакофарбовій галузі промисловості. Великі кількості його переробляють в бензин. Гас застосовується як пальне для тракторів, реактивних літаків і ракет, а також для побутових потреб. Солярове масло - газойль - використовується як моторне паливо, а мастила - для змащення механізмів. Вазелін використовується в медицині. Він складається з суміші рідких і твердих вуглеводнів. Парафін застосовується для отримання вищих карбонових кислот, для просочення деревини у виробництві сірників і олівців, для виготовлення свічок, гуталіну і т.д. Він складається з суміші твердих вуглеводнів. Мазут крім переробки на мастила і бензин використовується в якості котельного рідкого палива.
При вторинних методах переробки нафти відбувається зміна структури вуглеводнів, що входять до її складу. Серед цих методів велике значення має крекінг вуглеводнів нафти, що проводиться з метою підвищення виходу бензину (до 65-70%).
Крекінг - процес розщеплення вуглеводнів, що містяться в нафті, в результаті якого утворюються вуглеводні з меншим числом атомів С в молекулі. Розрізняють два основних види крекінгу: термічний і каталітичний.
Термічний крекінг проводиться при нагріванні вихідної сировини (мазуту і ін.) При температурі 470-550 ° С і тиску 2-6 МПа. При цьому молекули вуглеводнів з великим числом атомів С розщеплюються на молекули з меншим числом атомів як граничних, так і ненасичених вуглеводнів. наприклад:
Таким способом одержують головним чином автомобільний бензин. Вихід його з нафти досягає 70%. Термічний крекінг відкритий українським інженером В.Г.Шухова в 1891 р
Каталітичний крекінг проводиться в присутності каталізаторів (зазвичай алюмосилікатів) при 450-500 ° С і атмосферному тиску. Цим способом отримують авіаційний бензин з виходом до 80%. Такому виду крекінгу піддається переважно гасова і газойлевая фракції нафти. При каталітичному крекінгу разом з реакціями розщеплення протікають реакції ізомеризації. В результаті останніх утворюються граничні вуглеводні з розгалуженим вуглецевим скелетом молекул, що покращує якість бензину:
Бензин каталітичного крекінгу володіє більш високою якістю. Процес його отримання протікає значно швидше, з меншою витратою теплової енергії. До того ж при каталітичному крекінгу утворюється відносно багато вуглеводнів з розгалуженою ланцюгом (ізосоедіненій), що представляють велику цінність для органічного синтезу.
При t = 700 ° С і вище відбувається піроліз.
Піроліз - розкладання органічних речовин без доступу повітря при високій температурі. При піролізі нафти основними продуктами реакції є ненасичені газоподібні вуглеводні (етилен, ацетилен) й ароматичні - бензол, толуол і ін. Оскільки піроліз нафти - один з найважливіших шляхів отримання ароматичних вуглеводнів, то цей процес часто називають ароматизацией нафти.
Ароматизація - перетворення алканів і циклоалканов в арени. (Облагороджування бензинів).
Риформинг - це ароматизація бензинів, що здійснюється в результаті нагрівання їх в присутності каталізатора, наприклад Pt. У цих умовах алкани і Циклоалкани перетворюються в ароматичні вуглеводні, внаслідок чого октанове число бензинів також істотно підвищується. Ароматизацію застосовують для отримання індивідуальних ароматичних вуглеводнів (бензолу, толуолу) з бензинових фракцій нафти.
Кам'яне вугілля так само, як природний газ і нафту, є джерелом енергії і цінним хімічним сировиною.
Основний метод переробки кам'яного вугілля - коксування (суха перегонка). При коксуванні (нагріванні до 1000 ° С - 1200 ° С без доступу повітря) виходять різні продукти: кокс, кам'яновугільна смола, надсмольная вода і коксовий газ (схема).
• Кокс використовують у ролі відновлювача при виробництві чавуну на металургійних заводах.
• Кам'яновугільна смола служить джерелом ароматичних вуглеводнів. Її піддають ректифікаційної перегонці і одержують бензол, толуол, ксилол, нафталін, а також феноли, азотовмісні сполуки та ін. Пек - густа чорна маса, що залишилася після перегонки смоли, використовується для приготування електродів і покрівельного толю.
• З надсмольної води отримують аміак, сульфат амонію, фенол та ін.
• Коксовий газ застосовують для обігрівання коксових печей (при згоранні 1 м 3 виділяється близько 18000 кДж), але в основному його піддають хімічній переробці. Так, з нього виділяють водень для синтезу аміаку, використовуваного потім для отримання азотних добрив, а також метан, бензол, толуол, сульфат амонію, етилен.