Природные источники углеводородов.
Важнейшие природные источники углеводородов – нефть, природный гази каменный уголь. Они образуют богатые месторождения в различных районах Земли.
Раньше добытые природные продукты применялись исключительно как топливо. В настоящее время разработаны и широко применяются методы их переработки, позволяющие выделять ценные углеводороды, которые используются и как высококачественное топливо, и как сырье для различных органических синтезов. Переработкой природных источников сырья занимается нефтехимическая промышленность. Разберем основные способы переработки природных углеводородов.
Самый ценный источник природного сырья – нефть. Она представляет собой маслянистую жидкость темно-бурого или черного цвета с характерным запахом, практически нерастворимую в воде. Плотность нефти составляет 0,73–0,97 г/см3. Нефть – сложная смесь различных жидких углеводородов, в которых растворены газообразные и твердые углеводороды, причем состав нефти из различных месторождений может отличаться. В различном соотношении в составе нефти могут присутствовать алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды, а также кислород-, серу- и азотсодержащие органические соединения.
Сырая нефть практически не применяется, а подвергается переработке.
Различают первичную переработку нефти(перегонку), т.е. разделение ее на фракции с различными температурами кипения, и вторичную переработку (крекинг), в процессе которой изменяют структуру углеводоро-
дов, входящих в ее состав.
Первичная переработка нефти основана на том, что температура кипения углеводородов тем больше, чем больше их молярная масса. В состав нефти входят соединения с температурами кипения от 30 до 550°С. В результате перегонки нефть разделяют на фракции, кипящие при различной температуре и содержащие смеси углеводородов с различной молярной массой. Эти фракции находят разнообразное применение (см. таблицу 10.2).
Таблица 10.2. Продукты первичной переработки нефти.
| Фракция | Температура кипения, °С | Состав | Применение |
| Сжиженный газ | <30 | Углеводороды С3-С4 | Газообразное топливо, сырье для химической промышленности |
| Бензиновая | 40-200 | Углеводороды С5 – С9 | Авиационное и автомобильное топливо, растворитель |
| Лигроиновая | 150-250 | Углеводороды С9 – С12 | Топливо для дизельных двигателей, растворитель |
| Керосиновая | 180-300 | Углеводороды С9-С16 | Топливо для дизельных двигателей, бытовое топливо, осветительное горючее |
| Газойлевая | 250-360 | Углеводороды С12-С35 | Дизельное топливо, сырье для каталитического крекинга |
| Мазут | > 360 | Высшие углеводороды, О-,N-,S-,Ме-содержащие вещества | Топливо для котельных установок и промышленных печей, сырье для дальнейшей перегонки |
На долю мазута приходится около половины массы нефти. Поэтому его также подвергают термической переработке. Чтобы предотвратить разложение, мазут перегоняют при пониженном давлении. При этом получают несколько фракций: жидкие углеводороды, которые применяются в качестве смазочных масел; смесь жидких и твердых углеводородов – вазелин, используемый при приготовлении мазей; смесь твердых углеводородов – парафин, идущий на производство гуталина, свечей, спичек и карандашей, а также для пропитки древесины; нелетучий остаток – гудрон, используемый для получения дорожных, строительных и кровельных битумов.
Вторичная переработка нефти включает химические реакции, изменяющие состав и химическое строение углеводородов. Ее разновиднос-
ти – термический крекинг, каталитический крекинг, каталитический риформинг.
Термическому крекингу обычно подвергают мазут и другие тяжелые фракции нефти. При температуре 450-550°С и давлении 2–7 МПа происходит расщепление по свободнорадикальному механизму молекул углеводородов на фрагменты с меньшим числом атомов углерода, причем образуются предельные и непредельные соединения:
t
С16Н34¾® С8Н18 + С8Н16
t
C8H18¾®C4H10 +C4H8
Этим способом получают автомобильный бензин.
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при атмосферном давлении и температуре 550 - 600°С. При этом из керосиновой и газойлевой фракций нефти получают авиационный бензин.
Расщепление углеводородов в присутствии алюмосиликатов идет по ионному механизму и сопровождается изомеризацией, т.е. образованием смеси предельных и непредельных углеводородов с разветвленным углеродным скелетом, например:
СН3СН3СН3СН3СН3
кат., t||
C16H34¾¾® СН3-С -С-СН3+ СН3-С = С - СН-СН3
||
СН3СН3
Каталитический риформингпроводят при температуре 470-540°С и давлении 1–5 МПа с использованием платинового или платино-рениевого катализаторов, нанесенных на основу из Al2O3. В этих условиях происходит превращение парафинов и
циклопарафинов нефти в ароматические углеводороды
:
кат., t, p
¾¾¾¾® + 3Н2
кат., t, p
С6Н14¾¾¾¾® + 4Н2
Каталитические процессы позволяют получать бензин улучшенного качества благодаря высокому содержанию в нем разветвленных и ароматических углеводородов. Качество бензина характеризуется его октановым числом.Чем сильнее сжата смесь топлива с воздухом поршнями, тем больше мощность двигателя. Однако сжатие можно осуществлять только до определенного предела, выше которого происходит детонация (взрыв)
газовой смеси, вызывающий перегрев и преждевременный износ двигателя. Наименьшая стойкость к детонации у нормальных парафинов. С уменьшением длины цепи, увеличением ее разветвленности и числа двой-
ных связей она возрастает; особенно велика она у ароматических углево-
дородов. Для оценки стойкости к детонации различных сортов бензина их сравнивают с аналогичными показателями для смеси изооктана и н-геп-танас различным соотношением компонентов; октановое число равно процентному содержанию в этой смеси изооктана. Чем оно больше, тем выше качество бензина. Октановое число можно повысить также добавлением специальных антидетонаторов, например, тетраэтилсвинцаPb(C2H5)4, однако такой бензин и продукты его сгорания токсичны.
Помимо жидкого топлива в каталитических процессах получают низшие газообразные углеводороды, которые используются затем как сырье для органического синтеза.
Другой важный природный источник углеводородов, значение которого постоянно возрастает – природный газ. Он содержит до 98%об.метана, 2–3%об. его ближайших гомологов, а также примеси сероводорода, азота, углекислого газа, благородных газов и воды. Газы, выделяющиеся при добыче нефти (попутные), содержат меньше метана, но больше его гомологов.
Природный газ используется в качестве топлива. Кроме того, из него путем перегонки выделяют индивидуальные предельные углеводороды, а также синтез-газ, состоящий в основном из СО и водорода; их используют как сырье для различных органических синтезов.
В больших количествах добывают каменный уголь – неоднородный твердый материал черного или серо-черного цвета. Он представляет собой сложную смесь различных высокомолекулярных соединений.
Каменный уголь используют как твердое топливо, а также подвергают коксованию– сухой перегонке без доступа воздуха при 1000-1200°С. В результате этого процесса образуются: кокс, представляющий собой тонкоизмельченный графит и применяющийся в металлургии в качестве восстановителя; каменноугольную смолу, которую подвергают перегонке и получают ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол, фенол и др.) и пек, идущий на приготовление кровельного толя;аммиачную воду и коксовый газ, содержащий около 60% водорода и 25% метана.
Таким образом, природные источники углеводородов обеспечивают
химическую промышленность разнообразным и сравнительно дешевым сырьем для проведения органических синтезов, которые позволяют получать многочисленные органические соединения, не встречающиеся в природе, но необходимые человеку.
Общую схему использования природных сырьевых источников для основного органического и нефтехимического синтеза можно представить следующим образом.
Уголь Нефть Газ
Арены Синтез-газ Ацетилен АлкеныАлканы
Основной органический и нефтехимический синтез
Контрольные задания.
1222. В чем отличие первичной переработки нефти от вторичной переработки?
1223. Какие соединения определяют высокое качество бензина?
1224. Предложите способ, позволяющий, исходя из нефти, получить этиловый спирт.
1225. Как синтезировать из природного газа бензол? толуол?
1226. Какие вещества входят в состав известного вам газообразного, жидкого и твердого топлива?
1227. Приведите примеры реакций, позволяющих из неорганических соединений получить органические вещества.
Уголь Нефть Газ
Арены Синтез-газ Ацетилен АлкеныАлканы
Основной органический и нефтехимический синтез
Контрольные задания.