Химия переработка горючих полезных ископаемых природных газов
Природный газ – полезное ископаемое, добываемое из недр Земли. Для его использования в промышленных целях он подвергается специальной переработке для очищения от нежелательных примесей.
Природный газ
Он относится к горным породам и представляет собой сложное соединение из совокупности газов. Главный компонент – метан. Другие углеводороды:
- азот;
- бутан;
- гелий;
- пропан;
- сероводород.
Используется как топливо. Применяется в основных направлениях промышленной химии.
Газ образуется после процесса разложения живых организмов в осадочной оболочке и поднятия их на уровень с меньшим давлением. Это возможно только при изначальном высоком давлении и температуре. Он располагается глубже, чем залежи нефти.
В земле он находится в виде отдельных образований в газообразном состоянии. В воде или нефти его можно обнаружить в растворенном виде. Это ископаемое прозрачное, без запаха. Специфический аромат ему придается с помощью одоризации.
Есть несколько версий возникновения этого вещества.
- В начале развития Земли большую часть занимал океан. Существовавшие в нем живые организмы со временем погибали, накапливаясь в пространстве, в котором не было бактерий и доступа к воздуху. Это помогало противостоять разложению. Со временем эти организмы погружались все глубже. Высокая температура и сильное давление способствовали их химическому воздействию с водородом. В результате этого образовались углеводороды.
- Геологические процессы стали причиной поднятия углеводородов с глубин земной коры наверх, где было меньшее давление. В результате появились газовые, нефтяные залежи.
Именно этих основных версий, объясняющих появление природного газа, придерживаются ученые.
Экологическое значение
Природный газ наносит минимальный ущерб окружающей среде. Данный вид топлива экологически чист. При его горении практически не выделяется вредных отходов, в отличие от угля, дров и нефти. Но существует другая опасность для биосферы.
За прошлый век было использовано большое количество топлива, включая природный газ. Это повлекло за собой увеличение доли углекислого газа в атмосфере. Ученые обеспокоены, что из-за этого возможен парниковый эффект с последующим глобальным потеплением. Как результат – таяние ледников, поднятие уровня воды Мирового океана.
В 1997 году многие страны мира подписали Киотский протокол, чтобы помочь остановить процесс глобального потепления. Он является дополнительным документом к конвенции ООН 1992 года об изменении климата. Международное соглашение было подписано в городе Киото (Япония).
Протокол ратифицирован 192 странами. На эти страны приходится больше половины мировых загрязнений. Главная цель государств – сокращение выбросов парниковых газов. Ученые ищут другие пути получения топливной энергии.
После этого последовало внедрение программы по преодолению техноэкологического кризиса. Задачей является преобразование цен на источники энергии, исходя из их топливной калорийности.
Добыча
В России целенаправленная добыча газа в промышленных масштабах зародилась в прошлом веке. До этого его обнаруживали случайно при бурении скважин для доступа к воде или поиске нефти.
Залежи природного газа находятся не только в земляных пустотах, но и в горных породах с пористой структурой. Благодаря этому процесс добычи его на поверхность упрощается. Он может находиться на разной глубине.
Добыча полезного ископаемого состоит из нескольких этапов. К ним относятся:
- работы по определению места и глубины залежи минеральных образований;
- приготовление скважин, они не делаются глубже, чем 12 километров;
- бурение проводится на всей территории, где располагается полезное ископаемое, это помогает достичь уменьшения давления на природный газ и облегчить добычу из недр земной коры;
- извлечение, в процессе поддерживается разное давление в пласте с веществом и земной оболочке;
- наружу он выходит по установленным скважинам, попадая в механизм сбора, во время этого происходит извлечение и попутных образований, которые находятся в нефти;
- транспортировка, сначала газ проверяется на количество наличия в нем посторонних примесей, при превышении нормы его очищают в краткие сроки на специальных установках в зоне месторождения и добычи;
- если примесей мало, то ископаемое перевозят на территорию завода для переработки.
Перевозка газа осуществляется с помощью трубопровода. Транспортировка проводится под давлением. Другой способ связан с использованием танкеров-газовозов. Они перевозят вещество в жидком состоянии при температуре ниже 60 градусов при повышенном давлении.
Только пройдя эти основные этапы, возможна добыча подходящего к применению природного газа. Он должен быть без большого количества примесей.
Переработка
Полезное ископаемое образовалось в каменноугольный период, в момент появления пород с пористой структурой, нефти и угольных пластов. Большую часть природного газа содержит метан, но у него есть некоторое количество примесей, что делает его неоднородным. Это затрудняет перевозку и дальнейшее использование. Применяются основные направления переработки.
После добычи он проходит первичную переработку сушки для удаления из него пара воды и серы. Затем он отправляется на завод. Цель – принятие компонентами газа товарного вида для дальнейшего применения. Важно, чтобы при осуществлении данного плана не нанести непоправимый ущерб окружающей среде.
Переработка природного газа выполняется тремя способами:
- Термохимическим. Применяется термическое воздействие. В результате этого возникают непредельные углеводороды. Способ возможен только при высоких температурах и давлении.
- Физико-энергетическим. Данная технология способствует сжатию и делению газа на компоненты. Используется сильное нагревание или охлаждение. Чаще всего к этому способу обращаются на участках добычи полезного ископаемого. Сжимание и деление происходит благодаря компрессорам и нефтяным насосам.
- Химико-каталитическим. Метан модифицируется в синтез-газ для возможности осуществления переработки. Используется парциальное окисление или паровая, углекислая конверсия. В химическом методе полученное вещество не нуждается в разделении компонентов.
Только при помощи данных способов возможна переработка природного газа, освобождение его от ненужных примесей.
Результаты переработки
Полученное вещество после переработки используется не только как источник энергии. Выделяются следующие продукты переработки нефти и газа:
- аммиак – необходим для производства удобрений, полимеров, растворителя, нашатырного спирта; бесцветен, присутствует сильный специфический запах;
- анилин – основа для создания красок, полиуретана, каучука; бесцветная жидкость с резким запахом, плохая растворимость в воде;
- гелий – применяется для высоких технологий при изготовлении медицинских изделий и ядерных реакторов, спутников; необходим геологам, так как они с помощью гелиевой съемки определяют глубинные разломы на поверхности земной коры, нет цвета, вкуса и запаха;
- метанол – используется как растворитель и топливный элемент, жидкость без цвета, но присутствует запах этилового спирта; принимать внутрь смертельно опасно;
- уксусная кислота – нужна при изготовлении текстильной продукции, не в сильной концентрации для кулинарии, применяется как растворитель, присутствует резкий запах и кислый вкус;
- формальдегид – применяется в производстве строительных материалов, фенопластов, хорошо работает в качестве антисептика, консерванта для косметических средств, бесцветен, нет резкого запаха;
- этан – из него изготавливаются изделия из пластмассы, необходим для получения соединения этилена; нет цвета, вкуса и запаха.
Продукты переработки природного газа являются востребованным сырьем во многих отраслях промышленности. Главное – использовать их исключительно в своих областях применения.
Природный газ – ценное минеральное образование из недр Земли. Используется как необходимый источник тепловой энергии. Некоторые его производные применяются во многих отраслях промышленности. После извлечения обязательно проходит процесс переработки природного газа для очищения его от ненужных примесей.
( 2 оценки, среднее 5 из 5 )
Углеводороды – это органические соединения, состоящие из атомов водорода и углерода. Основными источниками данных веществ являются горючие полезные ископаемые – нефть, природный и попутный газ, уголь.
Природные источники углеводородов
Нефть
Нефть – это природная маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим запахом, темно-коричневого (черного, красного, синего, белого) цвета или бесцветная, состоящая из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы (алканов, циклоалканов, аренов) и ряда других химических соединений.
нефтяные месторождения | 50 тыс. |
из них: разведано | более 600 |
разрабатывается | 450 |
Различают два вида нефти, в зависимости от плотности и содержания серы:
- Легкая–извлекаетсянасосами или фонтанным способом. Массовая доля серы – незначительно, вследствие чего ценность продукта выше. Используется для производства горючих продуктов – бензина и керосина.
- Тяжелая– добывается шахтным способом. Из-за содержания примесей данный вид горючего ископаемого требует дополнительной очистки. Применяется для изготовления различных масел, мазута.
К преимуществам применения топлива можно отнести – простоту, дешевизну добычи и беспроблемность транспортировки.
К недостаткам – низкую ресурсообеспеченность, то есть соотношение между количеством ресурсов и размерами их использования.
Природные источники углеводородов | Характеристики |
Нефть | Смесь состоящая из большого количества компонентов, основными из которых являются алканы, циклоалканы и арены. |
Попутный нефтяной газ | Смесь состоящая в основном из алканов. Большая часть состоит из пропана. |
Природный газ | Смесь, состоящая из низкомолекулярных алканов. Основная составная часть – метан. |
Каменный уголь | Смесь, состоящая из разного соотношения соединений углерода, водорода, серы. Неорганические вещества состоят наибольшую часть каменного угля. |
Природный газ
Природный газ — это смесь газов, образовавшихся в недрах земли посредством анаэробного разложения органических веществ. Содержание углеводородов в природном ресурсе низкое, 80- 97% составляет метан и незначительный процент – пропан, бутан, этан.
Преимущества данного вида топлива – простота добычи и транспортировки, экономичность.
Недостатки – сложность межконтинентальной транспортировки с помощью дорогостоящих танкеров.
Природный газ не имеет запаха, но для обнаружения протечек вещества в быту, в него добавляют специальные компоненты – меркаптаны. Это связано с тем, что смесь метана с воздухом взрывоопасна, небольшая искра способна спровоцировать происшествие.
Попутный нефтяной газ
Попутный нефтяной газ – это смесь газообразных углеводородов, содержащихся в нефти и выделяющихся при ее добыче и подготовке. Чем ниже молекулярная масса алкана, тем выше его концентрация в природном ресурсе.
Смесь бутана и пропана образует сжиженный газ, который применяется в качестве бытового топлива.
В зависимости от содержания углеводорода попутный газ делится на следующие группы:
- чистый (95–100%);
- углеводородный с примесью углекислого газа 4-20%;
- углеводородный с примесью азота 3-15%;
- углеводородно-азотный, содержанием примесей до 50% соответственно.
Каменный уголь
Данный вид горючего ископаемого относится к твердым, и представляет собой многокомпонентную смесь углеводородов, азота, серы, кислорода и неорганических веществ. Доля углерода составляет 80 %, остальные 20% – органические и неорганические компоненты. Чем выше содержание газа, тем большей теплотворностью обладает вещество, чем ниже – тем дольше уголь может храниться.
Образование данного вида горючего ископаемого проходит в два этапа:
- Появление торфа из остатков растений и живых организмов.
- Формирование твердого угля.
Данный вид топлива является достаточно перспективным для получения ряда химических продуктов и энергии.
Их переработка
Полезные ископаемые требуют переработки для дальнейшего использования и получения необходимых продуктов.
Переработка нефти
В сыром виде данный ресурс не применяется. Переработка может быть первичной и вторичной.
1. Первичная переработка–заключается в ректификации нефти, путем ее нагревания, не приводящая к химическим изменениям вещества. В процессе повышения температуры улетучиваются сначала легкокипящие элементы, затем требующие более высокой температуры.
Схема ректификационной колонны
На подготовительном этапе требуется очитка нефти от воды, солей и твердых механических частиц. Далее вещество поступает в трубчатую печь, где подвергается нагреванию до 350 °С. Горячий состав перемещается в нижнюю часть ректификационной колонны, в которой осуществляется испарение отдельных фракций на разные уровни, в зависимости отих температуры кипения:
- ректификационные газы (верхняя часть, температура кипения не более 40 оС);
- бензиновая фракция (35 -200 оС);
- лигроиновая фракция (150 – 250 оС);
- керосиновая фракция (190 – 300 оС);
- дизельную фракцию (200 -300 оС);
- мазут (нижняя часть колонны, температура кипения более 350 оС).
2. Вторичная: крекинг и риформинг – необходимы для повышения выхода после переработки более дорогих и качественных фракций.
Крекинг – способ обработки мазута путем нагревания с совместным воздействием катализатора, для увеличения выхода бензиновой фракции.
Риформинг – направлен на улучшение качественных характеристик бензиновой фракции путем реакций дегидроциклизации.
Переработка природного газа
Содержание примесей в природном газе затрудняет его дальнейшую транспортировку и использование. В связи с этим он подвергается переработке:
- Сушке – для удаления серы и воды.
- Переработка производственным методом в целях придания товарного вида:
- термохимическим способом – при высокой температуре и давлении;
- физико-энергетическим – охлаждением или нагреванием ресурса для его сжатия и деления;
- химико-каталитическим – методом парциального окисления или паровой, углекислой конверсии.
В результате процессов образуются вещества: источники энергии и химические продукты (аммиак, уксусная кислота, метонол и др.).
Обработка попутного нефтяного газа
Концентрация продуктов нефтепереработки негативно влияет на экологию и здоровье населения. В связи с этим возникла необходимость в переработке ПНГ и практическом применении.
Существуют несколько способов утилизации и переработки:
- Фракционный метод – основан на разделении газа на компоненты.
- Закачка в пласт нефти, для повышения давления и увеличения объемов добычи.
- Мембранная очистка с дальнейшим сжижением и использованием для получения топлива и нефтехимического сырья.
- Переработка в сжиженный газ.
Переработка каменного угля
Переработка данного вида ресурса называется коксованием, которое осуществляется путем накаливания угля до 900-1100°С без доступа воздуха.
В результате получаются следующие продукты:
- кокс с высоким содержанием углерода;
- коксовый газ;
- каменноугольная смола.
Более 90% всей энергии, потребляемой человечеством в настоящее время, добывается из ископаемых природных органических соединений. ПО своим свойствам газ превосходит нефть.
Смотри также:
- Понятие о металлургии: общие способы получения металлов
- Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола). Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия
- Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки
- Применение изученных неорганических и органических веществ
В природе углеводороды встречаются в виде нефти, природного газа, каменного угля.
Нефть — маслянистая жидкость от светло-бурого до черного цвета с характерным запахом природного происхождения, состоящая из смеси различных углеводородов.
Природный газ — бесцветный газ, состоящий из смеси различных углеводородов (преимущественно из метана).
Каменный уголь — твердое горючее полезное ископаемое, которое имеет сложный состав.
Состав нефти
В зависимости от месторождения нефть имеет различный состав. В неё могут входить: алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды.
Фракции нефти
- Фракция, собираемая от 40 до 200°С — фракция бензинов — содержит углеводороды от С6Н12 до С11Н24.
- Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250 °С, содержит углеводороды от С8Н18 до С14Н30.
- Керосиновая фракция включает углеводороды от С12Н26 до С18Н38 с температурой кипения от 180 до 300°С.
- В следующей фракции получают газойль (выше 275°С) — дизельное топливо.
- Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. После отгонки остается гудрон. Его применяют в дорожном строительстве.
Перегонка нефти
Перегонка – это разделение нефти на отдельные фракции по температуре кипения.
Перегонка нефти осуществляется в ректификационной колонне.
В печи нефть нагревается до 320-350 °С и поступает в ректификационную колонну.
Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки.
Пары нефти подаются в колонну и поднимаются вверх, при этом постепенно охлаждаются и сжижаются.
Менее летучие углеводороды конденсируются внизу, образуя газойлевую фракцию.
Выше собирается керосин, а затем — лигроин. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин.
Главный недостаток перегонки нефти — малый выход бензина (не более 20%).
Крекинг нефтепродуктов
Крекинг — расщепление углеводородов с длинной цепью на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой.
Такой процесс называется крекингом (по англ. crack – расщеплять). Промышленный метод крекинга был изобретен русским инженером В. Г. Шуховым в 1891 г.
Процесс крекинга происходит с разрывом углеродных цепей и образованием более простых предельных и непредельных углеводородов.
Например, при крекинге гексадекана образуются октан и октен:
C16H34 → C8H18 + C8H16
Образовавшиеся вещества могут разлагаться далее. При крекинге октана могут образоваться бутан и бутен:
C8H18 → C4H8 + C4H10
А при крекинге бутана образуются этан и этилен:
C4H10 → C2H4 + C2H6
Различают два основных вида крекинга:
Термический крекинг:
Расщепление углеводородов производится при высокой температуре (470—550°С) и давлении.
Бензин термического крекинга содержит много непредельных углеводородов и обладает большей детонационной стойкостью, чем бензин прямой перегонки. Он менее устойчив при хранении, так как непредельные углеводороды легко окисляются и полимеризуются. Поэтому к бензину термического крекинга добавляют антиокислители.
Каталитический крекинг:
Расщепление углеводородов происходит при несколько более низкой температуре (450- 500°С) с применением катализаторов (алюмосиликатов). Процесс происходит с большей скоростью, чем при термическом крекинге. Бензин каталитического крекинга более высокого качества, чем бензин термического крекинга, так как наряду с реакциями расщепления идет изомеризация и образуются разветвленные углеводороды, которые еще более повышают детонационную стойкость бензина. В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится меньше, и поэтому он более устойчив при хранении.
Ароматизация нефти
Превращение предельных углеводородов и циклоалканов нефти в ароматические углеводороды. Также ароматизацию называют риформингом.
Так как в нефти содержатся также производные циклогексана, например, метилциклогексан, то из него при этих же условиях образуется метилбензол (толуол):
При этих же условиях н-гексан тоже превращается в бензол:
Переработка каменного угля
Каменный уголь подвергают коксованию. Это нагревание без доступа воздуха при температуре 1000-1400оС. При коксовании образуется кокс (почти чистый углерод), коксовый газ (состоит преимущественно из водорода и метана), аммиак, деготь, ароматические углеводорода и др.