Природні джерела вуглеводнів

Ви вже знаєте, що вуглеводні є найважливішим видом сировини для хімічної промисловості. У свою чергу, вуглеводні досить широко поширені в природі і можуть бути виділені з різних природних джерел:

  • нафти;
  • попутного нафтового і природного газу;
  • кам’яного вугілля.

Розглянемо їх докладніше.

Склад нафти істотно залежить від місця її видобутку (родовища); крім алканів вона може містити:

  • циклоалкани;
  • ароматичні вуглеводні.

Газоподібні і тверді компоненти нафти розчинені в її рідких складових, що і визначає її агрегатний стан.

Нафта – масляниста рідина темного (від бурого до чорного) кольору з характерним запахом, нерозчинна у воді.

Її щільність менша, ніж у води. Нафта, яка потрапила у водойму, розтікається по поверхні водної гладі, перешкоджаючи розчиненню кисню та інших газів повітря у воді і викликаючи загибель мікроорганізмів і тварин.

Існують бактерії, які здатні використовувати компоненти нафти в якості їжі, перетворюючи її в нешкідливі продукти своєї життєдіяльності. Зрозуміло, що саме використання культур цих бактерій – це найбільш екологічно безпечний і перспективний шлях боротьби із забрудненням навколишнього середовища нафтою в процесі її:

  • видобутку;
  • транспортування;
  • переробки.

Ректифікаційні колони

У природі нафту і попутний нафтовий газ, мова про який піде нижче, заповнюють порожнини земних надр. Представляючи собою суміш різних речовин, нафта не має постійної температури кипіння. Зрозуміло, що кожен її компонент зберігає в суміші свої індивідуальні фізичні властивості, що і дозволяє розділити нафту на її складові. Для цього її очищають від механічних домішок, сірковмісних сполук і піддають так званій фракційній перегонці, чи ректифікації.

Перегонка здійснюється в спеціальних установках – ректифікаційних колонах, в яких повторюють цикли конденсації і випаровування рідких речовин, які містяться в нафті.

Пари, які утворюються при кипінні суміші речовин, збагачені більш легкокиплячим (тобто мають більш низьку температуру кипіння) компонентом в порівнянні зі складом киплячої рідини.

Ці пари збирають, конденсують (охолоджують до температури нижче температури кипіння) і знову доводять до кипіння. У цьому випадку утворюються пари, ще більш збагачені легкопиплячою речовиною. Багаторазовим повторенням цих циклів можна домогтися практично повного поділу речовин, які містяться в суміші.

У колону ректифікації надходить нафта, нагріта в трубчастої печі до температури 320-350°С.

Колона ректифікації має горизонтальні перегородки з отворами – так звані тарілки, на яких відбувається конденсація фракцій нафти. На більш високих тарілках скупчуються легкокиплячі фракції, на нижніх – висококиплячі.

У процесі ректифікації нафту поділяють на такі фракції:

  • ректифікаційні гази – суміш низькомолекулярних вуглеводнів, переважно пропану і бутану, з температурою кипіння нижче 40°С;
  • газолінова фракція (бензин) – вуглеводні складу від С5Н12 до С11Н24 (температура кипіння 40- 200°С); при більш тонкому поділі цієї фракції отримують газолін (петролейний ефір, 40-70°С) і бензин (70-120°С);
  • лигроінова фракція – вуглеводні складу від С8Н18 до С14Н30 (температура кипіння 150-250°С);
  • гасова фракція – вуглеводні складу від С12Н26 до С18Н38 (температура кипіння 180-300°С);
  • дизельне паливо – вуглеводні складу від С13Н28 до С19Н40 (температура кипіння 200-350°С).

Залишок перегонки нафти – мазут – містить вуглеводні з числом атомів вуглецю від 18 до 50.

Перегонкою при зниженому тиску з мазуту отримують солярове масло (С18Н3825Н52), мастила (С28Н5838Н78), вазелін і парафін – легкоплавкі суміші твердих вуглеводнів.

Твердий залишок перегонки мазуту – гудрон і продукти його переробки – бітум і асфальт використовують для виготовлення дорожніх покриттів.

Отримані в результаті ректифікації нафти продукти піддають хімічній переробці, що включає ряд складних процесів. Один з них – крекінг нафтопродуктів. Ви вже знаєте, що мазут розділяють на компоненти при зниженому тиску. Це пояснюється тим, що при атмосферному тиску його складові починають розкладатися, не досягнувши температури кипіння. Саме процес розкладання вуглеводнів лежить в основі їх крекінгу.

Розрізняють декілька видів крекінгу:

  • термічний;
  • каталітичний;
  • відновлювальний крекінг високого тиску.

Термічний крекінг полягає в розщепленні молекул вуглеводнів з довгим вуглецевим ланцюгом на більш короткий під дією високої температури (470-550°С). У процесі розщеплення поряд з алканами утворюються алкени.

Вуглеводні які утворились можуть знову піддаватися крекінгу з утворенням алканів і алкенів з ще більш коротким ланцюгом атомів вуглецю в молекулі.

При термічному крекінгу утворюється багато низькомолекулярних газоподібних вуглеводнів, які можна використовувати як сировину для отримання:

  • спиртів;
  • карбонових кислот;
  • високомолекулярних сполук (наприклад, поліетилену).

Каталітичний крекінг відбувається в присутності каталізаторів, в якості яких використовують природні алюмосилікати складу nАl2O3mSiO2.

Здійснення крекінгу з застосуванням каталізаторів призводить до утворення вуглеводнів, які мають розгалужений або замкнутий ланцюг атомів вуглецю в молекулі. Склад вуглеводнів такої будови в моторному паливі значно підвищує його якість, в першу чергу детонаційну стійкість – октанове число бензину.

Крекінг нафтопродуктів протікає при високих температурах, тому часто утворюється нагар (сажа), яка забруднює поверхню каталізатора, що різко знижує його активність.

Установка каталітичного крекінгу в «киплячому шарі»

Очищення поверхні каталізатора від нагару (регенерація) – основна умова практичного здійснення каталітичного крекінгу. Найбільш простим і дешевим способом регенерації каталізатора є його випал, при якому відбувається окислення нагару киснем повітря.

Газоподібні продукти окислення (в основному вуглекислий і сірчистий гази) видаляються з поверхні каталізатора.

Каталітичний крекінг – гетерогенний процес, в якому беруть участь тверді (каталізатор) і газоподібні (пари вуглеводнів) речовини. Очевидно, що регенерація каталізатора, пов’язана із взаємодією твердого нагару з киснем повітря – також гетерогенний процес.

Гетерогенні реакції (газ – тверда речовина) протікають швидше при збільшенні площі поверхні твердої речовини. Тому каталізатор подрібнюють, а його регенерацію і крекінг вуглеводнів ведуть в «киплячому шарі», знайомому вам з виробництва сірчаної кислоти.

Каталітичний крекінг здійснюють у спеціальній установці. Сировина для крекінгу, наприклад газойль, надходить у реактор конічної форми. Так як нижня частина реактора має менший діаметр, швидкість потоку парів сировини вельми високий. Рухомий з великою швидкістю газ захоплює частинки каталізатора і забирає їх у верхню частину реактора, де через збільшення його діаметра швидкість потоку знижується. Під дією сили тяжіння частинки каталізатора падають в нижню, більш вузьку частину реактора, звідки знову виносяться вгору.

Таким чином, кожна крупинка каталізатора знаходиться в постійному русі і з усіх боків омивається газоподібним реагентом.

Деякі зерна каталізатора потрапляють у зовнішню, більш широку частину реактора і, не зустрічаючи опору потоку газу, опускаються в нижню частину, де підхоплюються потоком газу і несуться в регенератор. Там також в режимі «киплячого шару» проходить випал каталізатора і повернення його в реактор.

Таким чином, каталізатор циркулює між реактором і регенератором, а газоподібні продукти крекінгу і випалу видаляються з них.

Використання каталізаторів крекінгу дозволяє дещо збільшити швидкість реакції і зменшити її температуру, підвищивши якість продуктів крекінгу.

Отримані вуглеводні бензинової фракції, в основному, мають лінійну будову, що призводить до невисокої детонаційної стійкості отриманого бензину.

Вуглеводні з молекулами розгалуженої будови мають значно більшу детонаційну стійкість. Збільшити частку таких вуглеводнів в суміші, яка утворюється при крекінгу, можна додаючи в систему каталізатора ізомеризації.

Родовища нафти містять, як правило, великі скупчення так званого попутного нафтового газу, який збирається над нафтою і частково розчиняється в ній під тиском вищерозміщених порід.

Як і нафту, попутний нафтовий газ є цінним природним джерелом вуглеводнів.

Він містить, в основному алкани, в молекулах яких від 1 до 6 атомів вуглецю. Очевидно, що за складом попутний нафтовий газ значно бідніший, ніж нафта. Однак, незважаючи на це, він також широко використовується і в якості палива, і в якості сировини для хімічної промисловості.

Ще кілька десятиліть тому на більшості родовищ нафти попутний нафтовий газ спалювали. В даний час, наприклад в Сургуті, багатющій нафтовій коморі Росії, виробляють найдешевшу в світі електроенергію, використовуючи як паливо попутний нафтовий газ.

Попутний нафтовий газ в порівнянні з природним багатший за складом. При його фракціонуванні отримують:

  • газовий бензин – легколетуча суміш, яка складається, в основному, з пентану і гексану;
  • пропан-бутанова суміш, яка легко переходить у рідкий стан при підвищенні тиску;
  • сухий газ – суміш, яка містить, в основному, метан і етан.

Газовий бензин, будучи сумішшю летких компонентів з невеликою молекулярною масою, добре випаровується навіть при низьких температурах. Це дозволяє використовувати газовий бензин в якості палива для двигунів внутрішнього згоряння на Крайній Півночі і як добавку до моторного палива, що полегшує запуск двигунів в зимових умовах.

Пропан-бутанова суміш у вигляді зрідженого газу застосовується як побутове паливо (знайомі вам газові балони на дачі) і для заповнення запальничок. Перехід автомобільного транспорту на скраплений газ – один із шляхів подолання глобальної паливної кризи та вирішення екологічних проблем.

Сухий газ, близький за складом до природного, також широко використовується як паливо.

Однак застосування попутного нафтового газу та його складових в якості палива далеко не найперспективніший шлях його використання. Значно більш ефективно використовувати компоненти попутного нафтового газу в якості сировини для хімічних виробництв.

З алканів, які входять до складу попутного нафтового газу, отримують:

  • водень;
  • ацетилен;
  • ненасичені та ароматичні вуглеводні та їх похідні.

Газоподібні вуглеводні можуть не тільки супроводжувати нафту в земній корі, а й утворювати родовища природного газу.

Природний газ

Основним компонентом природного газу є метан, частка якого, в залежності від родовища, становить від 75 до 99% за об’ємом. Крім метану, до складу природного газу входять:

  • етан;
  • пропан;
  • бутан;
  • ізобутан;
  • азот;
  • вуглекислий газ.

Як і попутний нафтовий, природний газ використовується і як паливо, і в якості сировини для отримання різноманітних органічних і неорганічних сполук.

Ви вже знаєте, що з основного компонента природного газу – метану, отримують:

  • водень;
  • ацетилен метиловий спирт;
  • формальдегід;
  • мурашину кислоту та багато інших органічні речовини.

В якості палива природний газ використовують на електростанціях, у котельнях, в доменному і мартенівському виробництвах. Чиркаючи сірником і запалюючи газ в кухонному газовому пальнику, ви запускаєте ланцюгову реакцію окислення алканів, які входять до складу природного газу.

Крім нафти, природного і попутного нафтового газів, природним джерелом вуглеводнів є кам’яне вугілля.

Кам’яне вугілля

Кам’яне вугілля утворює потужні пласти в земних надрах. Його розвідані запаси значно перевищують запаси нафти. Як і нафта, кам’яне вугілля містить велику кількість різних органічних речовин.

Одним з основних способів переробки кам’яного вугілля є коксування – прожарювання без доступу кисню.

У результаті коксування, яке проводять при температурі близько 1000°С, утворюються:

  • коксовий газ, до складу якого входять водень, метан, чадний і вуглекислий гази, домішки аміаку, азоту та інших газів;
  • кам’яновугільна смола, яка містить кілька сотень різних органічних речовин, у тому числі бензол і його гомологи, фенол і ароматичні спирти, нафталін і різні гетероциклічні сполуки;
  • надсмольна, або аміачна, вода, яка містить, як зрозуміло з назви, розчинений аміак, а також фенол, сірководень та інші речовини;
  • кокс – твердий залишок коксування, практично чистий вуглець.

Кокс використовується у виробництві чавуну, аміак – у виробництві азотних і комбінованих добрив, а значення органічних продуктів коксування важко переоцінити.

Таким чином, нафта, попутний нафтовий і природний гази, кам’яне вугілля не тільки найцінніші джерела вуглеводнів, а й частина унікальної комори невідновних природних ресурсів.

Дбайливе і розумне використання цих ресурсів – це необхідна умова прогресивного розвитку людського суспільства.

Посилання на основну публікацію