Горючие газы

Важными природными источниками углеводородов являются газообразные вещества — горючие природные газы, попутные газы, газы переработки нефти и каменного угля.
Состав. Природные газы заполняют пустоты, образующиеся в горных породах под землей. Природный газ представляет собой смесь разнообразных алканов, главным компонентом является метан, объемная доля которого может достигать 98%. Кроме метана в природном газе могут содержаться этан, пропан, бутан, пентан. Обязательными компонентами природного газа являются азот, оксид углерода (IV), пары воды,
инертные газы.

Попутные, или нефтяные газы растворены в нефти. При ее добыче эти газы отделяются. Преобладающим компонентом этих газов также является метан, однако в них содержится намного больше, чем в природных газах, этана, пропана, бутана. Раньше попутные газы сжигали при их выделении. Сейчас разработаны методы улавливания этих газов, которые используют как топливо и сырье химической промышленности.
При переработке нефти выделяются газы нефтепереработки. Они представляют собой смесь углеводородов, главным образом пропана, бутана и этана. Метан также содержится в газах нефтепереработки, однако в небольших количествах.
При переработке каменного угля на кокс выделяется коксовый газ, содержащий водород, оксиды углерода, метан, этилен и другие непредельные и ароматические углеводороды.
В настоящее время в связи с сокращением природных запасов газов и нефти все шире используются продукты газификации каменного угля. При осуществлении этого процесса каменный уголь взаимодействует при высоких температурах с различными окислителями: воздухом, водяным паром, оксидом углерода (IV). В результате образуются различные газообразные смеси, которые кроме неорганических компонентов содержат
метан и другие углеводороды.
Применение. Горючие газы представляют собой высокоэффективное топливо. В некоторых странах до 30% всей получаемой энергии вырабатывается за счет сжигания природного и других горючих газов. Важной особенностью газообразного топлива по сравнению с жидким и твердым является меньшее загрязнение окружающей среды продуктами горения.
Из газов нефтепереработки и попутных газов выделяют жидкие углеводороды (пентан, гексан и др.), которые образуют газовый бензин, используемый в качестве жидкого топлива.
Горючие газы являются также ценным сырьем химической промышленности. Природные и попутные газы, используемые в химическом синтезе, как правило, разделяют на отдельные компоненты, каждый из которых перерабатывают отдельно.
Одной из основных областей использования метана является получение синтез-газа — смеси оксида углерода (II) СО и водорода. Синтез-газ получается при конверсии метана с водяным паром. Синтез-газ используется для различных синтезов. Если его применяют как источник водорода в синтезе аммиака, то он подвергается дальнейшей конверсии с водяным паром:
CO+H2O → CO2+H2
Растворимый в воде оксид углерода (IV) легко отделяется.
Из метана природного газа путем термической обработки получают ацетилен:
2CH4 → C2H2 + 3H2
При нагревании природного газа с кислородом (окислительный пиролиз) можно получить два продукта: ацетилен и синтез-газ.
Этан и пропан, которые выделяются из природных и попутных газов и газов нефтепереработки, используются для получения этилена, пропилена и продуктов их полимеризации. Из коксового газа выделяют ароматические углеводороды и этилен, который применяют в производстве полиэтилена.
Нефть
Свойства и состав. Нефть представляет собой маслянистую жидкость, цвет которой в зависимости от месторождения этого природного ископаемого меняется от светло-коричневого до темно-коричневого. Плотность нефти обычно составляет 0,80-0,95 г/см³. В воде нефть практически не ра-
створяется.
В состав любой нефти входят алканы (парафины), циклоалканы (нафтены) и ароматические углеводороды. Соотношение этих соединений различное в нефтях разных месторождений. Кроме того, нефть содержит разнообразные примеси, массовая доля которых может достигать 4-
5%. Наиболее распространенные примеси — органические кислоты, сероводород, серо-органические соединения. В нефти обнаружены в небольших количествах соединения металлов (никеля, магния, кальция, ванадия, железа). Всего в состав нефти входят свыше 20 химических элементов.
Добываемая сырая нефть содержит много воды, отделив которую, получают товарную нефть, идущую на переработку.
Дистилляция, или прямая перегонка нефти. Дистилляция, или перегонка, метод первичной переработки нефти. До проведения перегонки от нефти отделяют газы пропан и бутан.
Перегонку нефти проводят в ректификационной установке.

Колонна установки представляет собой стальную башню, внутри которой расположены поперечные тарелки с отверстиями.

Устройство ректификационной тарелки
В кубе нефть нагревается до температуры примерно 350°С, и пары компонентов нефти из куба поступают в колонну. Проходя через отверстия в тарелках, пары постепенно конденсируются. В первую очередь конденсируются те компоненты нефти, которые имеют наибольшую температуру кипения. Наиболее легкокипящая фракция нефти — бензин конденсируется в холодильнике и частично возвращается в колонну, орошая ее. Для увеличения эффективности разделения в колонну продувают горячий водяной пар. По мере конденсации паров жидкие продукты (фракции нефти) постепенно отбираются из колонны. Такая установка перегонки нефти является непрерывно действующей.

В результате перегонки нефти выделяются следующие основные нефтепродукты: а) бензиновая фракция, содержащая легкий бензин, бензин и лигроин; б) керосиновая фракция, содержащая керосин и газойль; в) мазут, который подвергается дополнительной перегонке. При дистилляции
мазута получаются соляровые масла, смазочные масла и остаток — гудрон.
В наибольших количествах народному хозяйству нужны более легкие нефтепродукты. Для их получения различные фракции перегонки нефти подвергают дополнительной переработке.
Переработка нефтепродуктов
Наиболее ценными нефтепродуктами являются легкие (бензиновые) фракции нефти. Для повышения выхода бензиновых фракций и улучшения их качества более тяжелые нефтепродукты подвергают дополнительной переработке. Важнейшие способы переработки нефтепродуктов крекинг, пиролиз, риформинг.
Крекинг.
Крекинг — это разложение углеводородов нефти на более легкие. При крекинге протекают, например, такие процессы:

Как видно, при крекинге наряду с алканами образуются алкены.
Применяют термический и каталитический крекинг.
Термический крекинг проводят при высокой температуре, обычно 450-600°С, и повышенном давлении 2-7 МПа. Процесс термического крекинга разработал русский инженер В. Г. Шухов в 1891 г.
Термическим крекингом получают автомобильный бензин, технический углерод, газообразные углеводороды.
Каталитический крекинг проводится при более низком давлении в присутствии катализаторов. Обычно в качестве катализатора используют смесь оксида алюминия, диоксида кремния, оксида железа (III), оксида кальция. Температура при каталитическом крекинге 450-525°С.
Процесс каталитического крекинга протекает с более высокой скоростью, чем термический крекинг. При этом углеводороды не только расщепляются, но и подвергаются изомеризации: образуются углеводороды с разветвленными углеродными цепями.
В результате каталитического крекинга образуются ценные продукты: углеводородный горючий газ (основные компоненты — пропан и бутан), бензин, газойль.
Пиролиз.
При температурах 700-1000°С проводят пиролиз (термическое разложение) нефтепродуктов, в результате которого получают главным образом легкие алкены (этилен, пропилен и др.) и ароматические углеводороды. При пиролиз возможно протекание следующих реакций:
CH3 — CH3 → CH2 — CH2 + H2

Каталитический риформинг — это процесс обогащения бензиновых фракций нефти ароматическими и другими циклическими углеводородами. Он проводится в присутствии катализаторов из платины или платины и рения.
При каталитическом риформинге бензинов из алканов образуются ароматические соединения, например:

Циклоалканы превращаются в ароматические соединения, подвергаются гидрированию, изомеризации, например:

Продукты риформинга нефтепродуктов используются для получения топливного бензина.
Важнейшие нефтепродукты
Топливные нефтепродукты. Важнейшим топливным нефтепродуктом является бензин. Топливный бензин представляет собой смесь предельных, непредельных, ароматических углеводородов. Число углеродных атомов в углеводородах топливного бензина составляет от 4 до 12. Бензин получают, смешивая отдельные фракции первичной переработки нефти (бензиновая, лигроиновая) с продуктами крекинга и риформинга. Используется в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и самолетах.
Важной характеристикой бензина является октановое число, которое характеризует стойкость к детонации (взрыву) топлива при воспламенении от искры. Октановое число изооктана принято за 100, н-гептана — за 0. Обычно октановое число автобензинов равно 66—98, авиабензинов 91-100.
Реактивное топливо используется в современных летательных аппаратах. Оно представляет собой продукты легких фракций прямой перегонки нефти.
Дизельное топливо представляет собой смесь керосина, газойля с добавкой продуктов каталитического крекинга. Это топливо используется в дизельных двигателях.
Котельное топливо, используемое в качестве топлива промышленных печей и котельных установок, представляет собой смесь мазута, остатка при крекинге, каменноугольных
смол и других веществ.
Сжиженные газы — пропан и бутан, выделяемые при переработке нефти, используются в качестве топлива в быту.
Растворители. Многие нефтепродукты являются хорошими растворителями, главным образом органических соединений.
Так, легкий бензин — петролейный эфир хорошо растворяет жиры и смолы. Его используют для извлечения этих веществ методом экстракции.
Бензин и керосин применяются в качестве растворителей лаков, красок и клеев. С использованием в качестве растворителя керосина получают полимер поливинилхлорид.
В качестве растворителей используются также ароматические углеводороды, получаемые при пиролизе и каталитическом риформинге нефти (бензол, толуол, ксилолы).
Масла и другие нефтепродукты. Смазочные масла (индустриальные, приборные, моторные и др.) — жидкие вещества, предназначенные для смазки трущихся частей механизмов. На основе жидких нефтяных масел получают также пластичные твердые смазочные вещества.
Битум — жидкие и твердые вещества черного цвета, содержат высокомолекулярные углеводороды нефти, масла, смолы, органические кислоты. Они используются в производстве асфальта, строительных материалов (рубероида, толи), электроизоляторов, лаков.
Парафин — твердое вещество, представляющее собой смесь нормальных алканов с числом углеродных атомов от 18 до 35. Применяют для пропитки древесины и бумаги, для изготовления свечей, твердых смазок, синтетических моющих средств.
Церезин — смесь твердых алканов, главным образом нормальных изомеров, с числом углеродных атомов от 36 до 55. Применяют в качестве электроизоляционного материала, для получения вазелина, кремов, твердых смазок.
Керосин — жидкий продукт перегонки нефти, содержащий углеводороды с 9-16 атомами углерода. Применяется в осветительных приборах и в качестве топлива для самолётов и тепловозов.
Многие нефтепродукты являются ценным сырьем нефтехимического синтеза. Эта важная отрасль нефтехимической промышленности. На основе нефтепродуктов и природных газов производят следующие соединения: аммиак, этилен, пропилен,бутадиен-1,3, дихлорэтан, винилхлорид, бензол, толуол, ксилолы, этилбензол, стирол, спирты и многие другие вещества.