Сырьевая база и основные источники энергии в химической технологии
Природные, попутные, технологические газы
Углеводородные газы по происхождению можно разбить на три группы:
1) Природный газ – добывается из чисто газовых месторождений.
2) Естественный нефтяной газ или попутный газ – смесь углеводородов, выделяющихся из нефти при ее добыче.
3) Искусственный нефтяной газ – газ, получающейся при переработке нефти.
Главные составные части этих газов – метан, этан, пропан, бутаны и пентаны. В них так же содержаться небольшие примеси углекислого газа, сероводорода, воды.
Природные горючие газы известны человечеству давно. Упоминает о них в своих записках еще русский путешественник Афанасий Никитин, совершивший в XV веке путешествие в Индию. Однако, практическое использование естественных газов началось только в конце XIX века. Газы использовались как средство нагревания перегонных кубов. Тогда же начались интенсивные работы по поиску новых газовых месторождений.
Выходы газов чаще всего встречаются в нефтеносных и каменноугольных районах: Кавказ, район Нижней и Средней Волги до Урала, Северный Урал, Западная Сибирь. Но были разработаны и специальные газовые месторождения. Скопления газов были найдены в районе верхней Камы, в Саратовской области, в Сальских степях, Ставропольском и Краснодарском краях, на Каспийском побережье, в Дагестане и в других районах. На основе этих природных богатств возникла новая отрасль промышленности – газовая индустрия, включающая в себя производство специального оборудования – компрессоров, газодувок, форсунок, запорно-регулирующей аппаратуры, производство специальных высоконапорных труб большого диаметра, разработку методов и способов высококачественной сварки таких труб, проводимой зачастую в экстремальных условиях, разработку способов строительства газопроводов в сложных природных условиях.
Состав газов меняется в зависимости от местонахождения, но главным компонентом является метан СН4 и его ближайшие гомологи, то есть предельные или насыщенные углеводороды.
Метан – бесцветный газ без запаха, плохо растворим в воде, (при 20 °С в 100 г воды растворяется 9 мл метана). Горит на воздухе голубоватым пламенем, выделяя 890,31 кДж/моль тепла. С кислородом и воздухом образует взрывчатые смеси (5,2-14% СН4). До 700 °С метан устойчив. Выше этой температуры он начинает диссоциировать на углерод и водород. Пиролиз метана:
В природе метан встречается везде, где происходит гниение или разложение органических веществ без доступа воздуха., то есть в анаэробных условиях ()например, на дне болот). В более глубоких слоях земли – в каменноугольных пластах, вблизи нефтяных месторождений – метан может накапливаться в колоссальных количествах, собираясь в пустотах и трещинах угля и тому подобное. При разработке таких пластов метан выделяется в шахты, что может привести к взрыву.
Природный метан находит использование главным образом как дешевое и удобное топливо. Теплотворная способность метана (55252,5 кДж/кг) значительно больше, чем у бензина (43576,5 кДж/кг). Это позволяет использовать его в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Нефть
Россия обладает большими запасами нефти и газа – основными источниками углеводородов. Начало работам по изучению нефти было положено великими русскими химиками А.М. Бутлеровым и В.В. Марковниковым. Значительный вклад внесли их последователи Зайцев, Вагнер, Коновалов, Фаворский, Лебедев, Зелинский, Наметкин. Российская химическая наука в области нефтепереработки традиционно опережала всех остальных по части разработки новых технологических процессов.
Нефть – маслянистая горючая жидкость, чаще всего черного цвета. Как известно, нефть представляет собой сложную смесь очень большого числа индивидуальных веществ. Главная часть – это предельные углеводороды ряда метана (алканы, CnH2n+2), циклические углеводороды – насыщенные (нафтены, CnH2n) и ненасыщенные, в том числе ароматические углеводороды. Кроме того, в состав нефтей входит вода, гетеросоединения – кислород-, азот-, серосодержащие органические вещества. Соотношение между компонентами нефти варьируются в широком диапазоне и зависят от месторождения нефти.
Каменный уголь
Ископаемый каменный уголь – сложная смесь, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Он содержит так же минеральные вещества, состоящие из соединений кремния, кальция, алюминия, магния, железа и других металлов. Полезной частью угля является его горючая масса, минеральная часть – это балласт, представляющий интерес только как потенциальный строительный материал.
Элементарный состав и теплотворная способность горючих ископаемых приведена в таблице 7.
Таблица 7
Элементарный состав и теплотворная способность ископаемых горючих
| Вид горючего | Содержание вещества, % | Теплотворная способность, ккал/кг | ||||
| углерод | водород | кислород | азот | зола | ||
| Торф | 53-60 | 5-6 | 32-40 | 2-6 | 4000-5000 | |
| Бурый уголь | 55-73 | 4-8 | 20-35 | 7-38 | 4000-6200 | |
| Каменный уголь | 80-90 | 4-6 | 10-15 | 8-9 | 7000-9000 | |
| Антрацит | 92-97 | 1-3 | 1-3 | следы | - | 9000-9200 |
Горючая масса – это продукт постепенного разложения растительного сырья, содержащего клетчатку. Такие процессы превращения растений в ископаемые углеродистые материалы протекали в течение длительного времени (от десятков до сотен тысяч лет) и протекают в настоящее время на дне болот, озер, в недрах земли. Разложение растительных остатков происходит без доступа воздуха (то есть в анаэробных условиях), часто при участии влаги, повышенных давлении и температуре и протекают через следующие стадии:
- образование торфа;
- образование бурого угля;
- образование мягкого каменного угля;
- образование твердого угля – антрацита.
Чем больше возраст угля, тем глубже процесс обугливания и тем больше содержание углерода в том или ином продукте. Углерод присутствует в каменных углях не в свободном виде, а в связи с другими элементами и, по-видимому, образует высокополимерные молекулы. Переход образований типа торфа или молодого бурого угля в каменные угли происходит в особых условиях, без которых молодые образования могут находиться в земле десятки тысяч лет и не дать настоящего угля. Считается, что решающим фактором в процессе превращения растительных остатков в уголь являются микробиологические процессы, которые протекают с участием особого вида грибков и бактерий, выделяющих специальные ферменты, способствующие так называемой гумификации растительных остатков. Температура и давление играют роль ускорителей этих ферментативных процессов. Биохимическая теория происхождения углей получила экспериментальное подтверждение в работах русского химика В.Е. Раковского и других исследователей, которые показали, что процесс обугливания торфа, который в естественных условиях идет несколько тысячелетий, можно осуществить за несколько месяцев, если, например, обеспечить быстрый рост и размножение специальных грибков в процессе саморазогревания торфа.