Какое полезное ископаемое используется при производстве бензина
Основными природными источниками углеводородов являются природный и попутный нефтяной газы, нефть и каменный уголь. Эти виды природных ресурсов еще называют горючими ископаемыми, так как их практическое применение основано на способности выделять энергию при сгорании. Эта энергия выделяемая в виде света и тепла, количественно оценивается как теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива, и преобразуется в электрическую энергию или используется для обогрева жилых домов и термохимических процессов.
Классификация гОРЮЧИх ИСКОПАЕМЫХ
Особую группу полезных ископаемых образуют различные виды топлива: в них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, уголь, горючие сланцы, нефть и горючие газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.
| каменный уголь | торф | нефть | природный газ |
|---|---|---|---|
|
|
|
|
| твердый | твердый | жидкость | газ |
| без запаха | без запаха | резкий запах | без запаха |
| однородный состав | однородный состав | смесь веществ | смесь веществ |
| горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений | скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер | природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов | смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород |
| Теплотворная способность – количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива | |||
| 7 000 — 9 000 | 500 — 2 000 | 10000 — 15000 | ? |
В качестве топлива могут также использоваться его альтернативные виды. Это горючие вещества, получаемые искусственно из растительного сырья или синтезируемые из более простых химических соединений, используются в основном как автомобильное топливо. Например, метанол, или метиловый спирт, можно синтезировать из синтез-газа (окиси углерода СО и водорода $H_2$), а из масличных культур (подсолнечника, кукурузы, рапса) можно искусственно получать биотопливо.
Теплотворная способность различных природных горючих веществ и получаемых из них видов топлива, приведены в таблице.
Определение
Теплотворная способность топлива – количество теплоты, выделяемой при полном сгорании топлива, охлаждении продуктов сгорания до температуры топлива и конденсации водяного пара, образовавшегося при окислении водорода, входящего в состав топлива.
| Вид топлива | Теплотворная способность, ккал/кг | Вид топлива | Теплотворная способность, ккал/кг |
|---|---|---|---|
| Традиционное топливо Альтернативное топливо | |||
| метан | 13 175 | Растительные масла | 9 300 – 11 450 |
| пропан-бутановая смесь | 11 872 | Спирт этиловый | 7 150 |
| сырая нефть | 10 250 | Эфир диэтиловый | 10 250 |
| бензин | 10 572 | ||
| дизельное топливо | 10 700 | ||
| мазут | 9 800 | ||
| каменный уголь (антрацит) | 7 750-8 100 | ||
| бурый уголь | 3 900 | ||
| торф | 3 300 – 4 900 | ||
ПРИРОДНЫЙ ГАЗ
В состав природного газа входит в основном метан $CH_4$ (около 93%). Кроме метана природный газ содержит еще и другие углеводороды с короткой цепью (общая формула предельных УВ $C_nH_{2n+2}$), а также азот, углекислый газ, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти – меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы $SO_2$. Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название “болотного” газа.
Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат , обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах ($-80^0C$) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата “законсервировано” 164 кубометра газа.
Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (“гига” равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.
Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют “биогазом”. Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.
Природный газ при сгорании выделяет много тепла и этим превосходит другие виды топлива по своей теплотворной способности. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ – синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.
ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ
Попутный газ растворяется в нефти, так как на большой глубине находится под давлением. При извлечении на поверхность давление в системе “жидкость-газ” падает, вследствие чего растворимость газа уменьшается и газ выделяется из нефти. Это явление делает добычу нефти пожаро- и взрывоопасной.
Попутный газ в отличии от природного газа содержит главным образом пропан и изомеры бутана. Попутный нефтяной газ образуется также в результате естественного крекинга нефти, поэтому включает предельные (метан и гомологи) и непредельные (этилен и гомологи) углеводороды, а также негорючие газы – азот, аргон и углекислый газ. Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и “легкий” газовый бензин, содержащий углеводороды с числом атомов углерода 5 и больше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают непредельные углеводороды – этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске двигателей внутреннего сгорания.
НЕФТЬ
Нефть – жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 – 1,04 г/см³. Нефть представляет собой сложную смесь веществ – преимущественно жидких углеводородов. По составу нефти бывают парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Содержатся в нефти и механические примеси – песок и глина.
Нефть – ценное сырье для получения высококачественных видов моторного топлива. После очистки от воды и других нежелательных примесей нефть подвергают переработке. Подробно процессы технологической переработки нефти (крекинг, риформинг, платформинг) будут рассмотрены в теме “Переработка нефти”
КАМЕННЫЙ УГОЛЬ
Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.
Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений. Методы переработки каменного угля будут также рассмотрены в теме “Методы переработки горючих ископаемых”
Производство бензина – общая информация
Бензин получают за счет переработке нефти, природного газа, газового конденсата, торфа, угля, горючих сланцев, и синтезом из водорода и окиси углерода. Сырье, которое используется для производства бензина – нефть: больше 20% нефти, которую добывают во всем мире, перерабатывают в бензин.
В нашей стране все товарные бензины создаются из газоконденсатов и нефти. Газовый бензин получают на специальных газоперерабатывающих заводах благодаря выделению жидких углеводородов из газов. Такой бензин имеет отличные пусковые характеристики и при добавлении в малых количествах в товарные бензины могут улучшать их свойства эксплуатации. Современный бензин получают путем смешения компонентов, которые получаются за счет каталитического риформинга, прямой перегонки и каталитического крекинга, полимеризации, алкилирования, изомеризации и других процессов по переработке газа и нефти.
Качество компонентов, которые используются для создания каких-либо марок товарных бензинов, сильно различается и напрямую зависит от возможностей предприятия с технологической точки зрения. Товарные бензины аналогичных марок, но созданные на разных нефтеперерабатывающих заводах, будут отличаться фракционным и компонентным составом, это связано с различием перерабатываемого сырья и технологических процессов на каждом нефтеперерабатывающем предприятии.
И даже бензины одинаковых марок, созданные одним заводом в различное время, могут иметь разный компонентный состав из-за проведения регламентных работ на конкретных технологических установках, изменения программы завода по выпуску продукции и состава сырья.
Но во всех случаях должна быть соблюдена технология получения товарных бензинов на конкретном предприятии, это – обязательное требование технических условий и стандартов на бензины.
Основные физические и химические процессы производства бензина
Главные технологические процессы производства бензина – каталитический крекинг и каталитический риформинг. Процесс каталитического риформинга, как и раньше, остается основным процессом производства бензина, несмотря на ограничения по содержанию ароматических углеводородов, потому что он – это главный источник высокооктановых компонентов, и водорода для установок гидроочистки.
Из-за ужесточения норм, которые касаются содержания серы в моторных топливах, нужно увеличивать мощность гидрообессеривания, а это требует дополнительного водорода. Уменьшение роли и доли бензина риформинга в создании экологически чистого реформулированного бензина обусловлено кроме ограничения содержания ароматических углеводородов, ещё и неудовлетворительным распределением октановых свойств по фракциям катализата.
Поэтому процесс бензинового риформинга при производстве бензина, лучше всего сочетать с процессами изомеризации бензина и удаления бензола. Последнее время коммерческая активность и технология по производству на нефтеперерабатывающих заводах мира новых установок каталитического крекинга в псевдоожиженном слое специального микросферического катализатора имеет очень высокий уровень.
Так, если сейчас объем вырабатываемого по всему миру бензина каталитического крекинга почти сравнялся с суммарным объемом выработки бензина изомеризации и риформинга, то в будущем бензин каталитического крекинга и компоненты, которые сопряжены с этим процессом, будут занимать лидирующие позиции в производстве бензина на нефтеперерабатывающих заводах в сравнении с такими процессами риформинга, которые требуют дополнительных ресурсов нефти и прямогонных бензинов.
Этапы производства бензина
За последние годы процесс каталитического крекинга при производстве бензина, стал усовершенствованным, с целью повышения селективности при конверсии исходного вторичного сырья в бензин. Нефтеперерабатывающее производство, в результате которого получают бензин, состоит из трех основных этапов:
- первичная переработка нефти: осуществляется разделение сырой нефти на отдельные фракции, каждая из которых отличаются температурой кипения.
- вторичная переработка: осуществляется обработка фракций, которые были получены после первого этапа. На данной стадии получаются “товарные” нефтепродукты.
- товарное производство: разные фракции должны пройти дополнительную очистку и, если это необходимо, обогащаются присадками, увеличивающими октановое количество топлива.
Хотя в Европе уже давно такая практика запрещена, в будущем планируется запретить её и в России за счет нового технического регламента. Будет ли это так – большой вопрос, так как далеко не каждый завод по переработке нефти может пройти переоснащение.
После того, как нефть прошла переработку, получают не только дизельное топливо и бензин, но и парафины, смазочные масла, битумы. Многие привычные для нас вещи созданы именно благодаря процессу переработки нефти.
Уровень очистки нефти напрямую зависит от заводского оборудования. Не каждый нефтеперерабатывающий завод может создать 95-ю и хотя бы 92-ю марку бензина: оборудование не позволяет. Но, безусловно, стоит этим заниматься, так как применение присадок вредит окружающей природе и даже моторам автомобилей.
Технологический процесс производства бензина
Но это всего лишь поверхностный осмотр технологического процесса производства бензина. Детально этот процесс будет выглядеть так. Вначале на завод поставляется нефть: можно использовать нефтепроводы, водный и железнодорожный транспорт. Наиболее широко в России применяется первый вариант.
На первой стадии из нефти удаляют соль, содержащуюся в сыром материале в огромном количестве. Для того чтобы это сделать, нужно смешать воду и нефть, а потом поставить в специальную электрообессоливащую установку. Такое воздействие электричества ведет к разрушению смеси нефти и воды, а сама вода удаляется из ёмкости. Потом применяются деэмульгаторы, делающие процесс надёжнее.
И только потом начинается непосредственный процесс переработки нефти в бензин – нефть из обессоливающей установки переходит на другую – атмосферно-вакуумную перегонку. Увы, многие технологии так и не поменялось. Но некоторые нефтеперерабатывающие заводы применяют инновационное оборудование. Но и такое оборудование на первичной стадии переработки проходит вакуумную и атмосферную перегонку. Первая группа процессов осуществляется за счет отделения светлых фракций нефти (керосиновые, дизельные, бензиновые). А уже после атмосферной перегонки образуется мазут, используемый также в промышленности.
Различные фракции отличаются различной температурой кипения. А значит, проходя через аппарат, разные составляющие нефти будут подниматься на различную высоту. Бензин, так как является самым лёгким продуктом, поднимается вверх в виде пара, а оттуда затем выводится. Вакуумная же переработка используется для выведения из мазута разнообразных масляных дистиллятов.
Бензин будет получаться уже на следующей стадии, когда из вещества, полученного благодаря атмосферной переработке, будут выводиться газы. Обычно, это бутан и пропан, и они также могут быть использованы в промышленной сфере, но они не годятся для топлива. Так что без более тонкой очистки никак не обойтись.
Получение газового бензина
Как отмечалось ранее, бензин является легчайшей фракцией сырой нефти. Но получить его можно как из этого вещества, так и из попутного газа. Такой произведенный бензин будет называться газовым. Тем более что в промышленных условиях бензин создают из тяжёлых фракций нефти, такой бензин будет называться крекинг-бензином.
Газовый бензин может быть нестабильным и стабильным, тяжёлым и лёгким. Такой бензин применяется как сырьё в химической промышленности.
До применения технологии крекинга, из одной тонны нефти можно было получить только около 200 литров бензина. Когда её стали применять, то получилось повысить её количество до 700 литров. Суть технологии состоит в высоком разогревании мазута, до 500 градусов Цельсия. А как стала использоваться технология “пиролиза”, то из сырой нефти выход бензина повысился до 800 литров с тонны.
В наше время мы знакомы с бензином за счет использования автомобилей. Какие-то авто смогут завестись при А-80 и А-76, а другие – лишь при Аи-95 и Аи-92, а есть и такие автомобили, которые заводятся только при Аи-98. Чем больше октановое число бензина, тем выше будет уровень его очистки. Хотя многие марки данного топлива можно получить за счет смешивания разнообразных компонентов. Но также часто используются и бензогенераторы, перебытывающие топливо в электическую энергию.
Таким образом производство бензина один из важнейших технологических процессов современного мирового производства.
Ян Волховский, promplace.ru
Ископаемое топливо – это категория горючих минералов и веществ, которая производится в результате геологических процессов, воздействующих на мертвые организмы, часто сотни миллионов лет назад в каменноугольный период.
Ископаемые виды топлива не считаются возобновляемым источником энергии, поскольку они не могут воспроизводиться с той скоростью, с которой мы их потребляем. Вопрос о том, следует ли считать их устойчивыми источниками сырья для производства энергии, является сложным вопросом.
Естественные горючие вещества
Естественное ископаемое топливо включает в себя: нефть, газ, уголь, а также может включать в себя торф. 
Химически эти вещества в основном состоят из углерода и водорода с небольшим количеством кислорода, азота, серы и множества других более мелких элементов.
Вся энергия в ископаемом топливе изначально исходит от солнца, поэтому ископаемое топливо является долговременным хранилищем солнечной энергии. Эти плотные поставки энергии обеспечили 87 процентов мирового потребления первичной энергии. Мы используем ископаемое топливо для всего: от выработки электроэнергии до отопления домов и производства бензина для транспорта.
Относительный вес этих источников энергии продолжает изменяться, хотя и незначительно:
- доля природного газа в энергопотреблении изменилась с 23,8 до 23,9 процента,
- угля – с 29,7 до 29,9 процента,
- нефти – с 33,4 до 33,1 процента.
Газ
Международное энергетическое агентство прогнозирует, что газ заменит нефть как основной источник энергии во всем мире.
Сланцевая революция в Соединенных Штатах меняет глобальные рынки нефти и газа. Соединенные Штаты используют растущие уровни внутреннего природного газа для производства электроэнергии. Это привело к расхождениям в ценах между американским и Европейским рынками природного газа, что, в свою очередь, побуждает увеличить использование угольной энергии. Однако в потреблении угля доминирует Китай, на долю которого приходится более половины его мирового потребления.
Общемировая добыча природного газа выросла, в основном за счет США (21,1 процента от общего объема) и России (16,3 процента). Остальные страны: Иран 5,7 % и менее в мировом производстве.
Соединенные Штаты доминируют на мировом рынке добычи природного газа отчасти благодаря сланцевому газу.
Нефтяной газ состоит из дистиллята легкой нефти, в основном из пропана и бутана. Транспортировка и хранение газа осуществляется под давлением от 4 до 40 бар.
Производится также синтетический природный газ из конверсионных соединений твердых углеводородов, таких как уголь. Этот процесс представляет собой гидрирование угля, поэтому получается ряд соединений легких углеводородов, особенно метана.
Уголь
Уголь остается пока самым распространённым ископаемым топливом в мире, хотя рост потребления уменьшается за последнее десятилетие.
Антрацит
Антрацит – это уголь самого лучшего качества с высоким содержанием фиксированного углерода 86 – 98% от массы сухого основания. Антрацит имеет вид блестящего черного, твердого и плотного вещества.
Уголь этого типа делится на 3 подраздела по содержанию углерода, а именно : мета-антрацит с содержанием углерода более 98%, антрацит (92-98%) и полуантрацит (86 – 92%).
Битумин
Битумин – это тип угля, который наиболее распространен в земле. Содержание углерода фиксируется на 46-86% по массе, а содержание летучих веществ – на 2-40%. Своя теплотворная способность колеблется от 4000 до 7000 ккал/кг. Битумный уголь можно легко сжечь, особенно если он находится в виде хлопьев/порошка. Уголь делится на 5 разновидностей, каждая из которых имеет различную теплотворную способность, фиксированный углерод и содержание летучих веществ.
Суб-битумин
Суб – битумин – это тип с большим содержанием воды, которое колеблется от 15 до 30%, но часто содержание серы низкое.
Черновато-коричневый и его структура однородна.
Лигнит или бурый уголь – это полезное ископаемое с низким качеством.
Взято из латинского “lignum”, что означает дерево. Окрашен в коричневый цвет и его структура ламинарная, в нем часто видна такая структура как древесина.
Лигнит
Содержание воды достаточно высокое больше чем 30%. Точно так же содержание летучих веществ. Теплотворная способность угля этого типа колебалась до 4700 ккал/кг. Из-за высокого содержания воды и летучего вещества бурый уголь не экономичен при транспортировке на значительное расстояние.
Нефть
Нефть остается наиболее широко потребляемым ископаемым топливом в мире, но при темпах роста она опережает газ и уголь несколько лет подряд.
Мировая добыча нефти за последние 20 лет выросла более чем в два раза по сравнению с потреблением и сейчас составляет порядка 4 400 млн. тонн в год по всему миру. Это связано главным образом с ростом производства.
Вред экологии
Сжигание ископаемого топлива приводит к выбросу соединений углерода и водорода, которые соединяются с кислородом из атмосферы с образованием диоксида углерода и водяного пара в процессе, называемом сжиганием.
В дополнение к парниковым газам ископаемое топливо также вызывает другие загрязнения, включая, помимо прочего, оксиды азота, серы, твердые частицы, летучие органические соединения, окись углерода и ртуть. В последнее время произошли огромные улучшения в воздействии ископаемых видов энергии на окружающую среду благодаря введению более жестких мер по борьбе с загрязнением в соответствии с законодательством. Безусловно, наибольшее беспокойство по поводу использования ископаемого топлива – это воздействие на климат. Большое количество углекислого газа, выделяющегося при сжигании ископаемого топлива, вызывает изменения климата Земли. Помимо сжигания этих видов энергии существует ряд других экологических проблем, особенно во время их раскопок, разрушения мест обитания, утраты биоразнообразия и загрязнения воды.
Потребление всех видов ископаемого топлива, вероятно, будет расти в будущем. С увеличением гидроразрыва сланцевого газа и во многих странах, заинтересованных в замещении угольной генерации, которая имеет более высокие выбросы парниковых газов, чем газ, использование природного газа, как представляется, вполне готово к росту. Некоторые страны пытаются отойти от использования угля, невероятный рост потребления угля в Китае и Индии, вероятно, оставит его основным энергоресурсом в ближайшие несколько лет.
Хотя нефть в конечном итоге может и не стать доминирующим энергетическим ресурсом в мире, ее использование, как ожидается, будет расти, если не произойдет фундаментальных изменений в том, как мир питает транспортный сектор и каково будет потребление энергии для нужд человека.