Химия · Органическая химия · 10 класс

Природный газ, нефть и каменный уголь

Как из одной чёрной нефти получают бензин, керосин и мазут?

Ситуация

Газ, горящий на вашей газовой плите, приходит по трубам с месторождений Мубарек или Шуртан, но сначала на заводе его очищают от соединений серы. А на Ферганском нефтеперерабатывающем заводе одна чёрная жидкость — нефть — разделяется в колонне высотой в несколько десятков метров на бензин, керосин, дизельное топливо и мазут. В Ангрене уголь превращают в газ прямо под землёй. Как из одного сырья получают столько разных продуктов и почему автомобилю нужен бензин «АИ-92»?

Тема

Природный газ, нефть и каменный уголь. Ректификационная колонна Ферганского нефтеперерабатывающего завода, газ Шуртана и Мубарека, уголь Ангрена

Ключевые понятия

Ректификационная колонна
Крекинг, октановое число
Коксование

Формулы

CH_{4} + 2 O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 H_{2} O

Горение природного газа (в основном метана): 1 моль $CH_{4}$ выделяет ≈ 890 кДж теплоты.

2 H_{2} S + O_{2} \overset{}{\to} 2 S + 2 H_{2} O

Процесс Клауса: из $H_{2} S$ , выделенного из природного газа, получают серу.

\begin{matrix} газ & < 40^{\circ} C \\ бензин & 40 – 200^{\circ} C \\ керосин & 200 – 270^{\circ} C \\ дизель (газойль) & 270 – 350^{\circ} C \\ мазут & > 350^{\circ} C \end{matrix}

Фракции нефти по температурам кипения (приблизительные, условные границы).

C_{16} H_{34} \overset{\overset{}{t}}{\to} C_{8} H_{18} + C_{8} H_{16}

Крекинг: длинные молекулы распадаются, образуются бензин (алкан) и алкен.

октановое число = φ (изооктан), %

Объёмная доля изооктана в смеси изооктана с н-гептаном, которая детонирует так же, как данный бензин.

Теория

Природный газ (2.18)

Природный газ состоит в основном из метана (в зависимости от месторождения ≈ 85–98 %), в нём есть этан, пропан, бутан, азот, углекислый газ, а на некоторых месторождениях — сероводород. В Узбекистане газ добывают на месторождениях Газли, Шуртан и других. Перед подачей в трубопровод газ осушают и очищают от «кислых» примесей: в абсорбере раствор амина поглощает $H_{2} S$ и $CO_{2}$ , а в регенераторе при нагревании выделяет их обратно; выделенный $H_{2} S$ превращают в серу по способу Клауса: $2 H_{2} S + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 SO_{2} + 2 H_{2} O$ , $2 H_{2} S + SO_{2} \overset{}{\to} 3 S + 2 H_{2} O$ . Так Мубарекский газоперерабатывающий завод ежегодно выпускает сотни тысяч тонн технической серы. Газ — топливо и химическое сырьё: из него получают водород и аммиак («Навоиазот»), метанол, ацетилен, сажу, а в Шуртане — полиэтилен. По технологии GTL газ превращают в синтез-газ ( $CO + H_{2}$ ), а затем по способу Фишера–Тропша — в жидкое топливо: завод GTL «Олтин-Йул» в Кашкадарье (2021) рассчитан на получение ≈ 1,5 млн т топлива в год из 3,6 млрд м³ газа.

Нефть и ректификация (2.19)

Нефть — смесь сотен углеводородов (алканов, циклоалканов, аренов), в ней также есть немного соединений серы, азота и кислорода. Нефть нагревают в трубчатой печи до ≈ 350 °C и подают в ректификационную колонну. Внутри колонны десятки тарелок: пар поднимается вверх, жидкость стекает вниз, на каждой тарелке они встречаются и обмениваются теплом и веществом. Поэтому колонна внизу горячая, вверху холодная: лёгкие вещества собираются вверху, тяжёлые — внизу. Фракции (приблизительно): газ < 40 °C (C₁–C₄), бензин 40–200 °C (C₅–C₁₁), керосин 200–270 °C, дизельное топливо (газойль) 270–350 °C, мазут > 350 °C; в учебниках приводят также лигроин (150–250 °C) и более широкие интервалы — границы условны. Затем фракции очищают: соединения серы превращают на катализаторе водородом в $H_{2} S$ и удаляют (гидроочистка). Мазут нельзя перегонять при высокой температуре (он разлагается), поэтому его перегоняют в вакууме: получают смазочные масла (вакуумный газойль) и остаток — гудрон (битум). В Узбекистане работают Ферганский НПЗ (с 1959 года) и Бухарский НПЗ (с 1997 года, перерабатывает нефть и газовый конденсат).

Крекинг, риформинг и октановое число

Бензина прямой перегонки получается мало, и качество у него низкое. Крекинг — расщепление длинных молекул: термический (≈ 450–550 °C) и каталитический (катализаторы — алюмосиликаты, цеолиты, ≈ 450–500 °C). Например, $C_{16} H_{34} \overset{}{\to} C_{8} H_{18} + C_{8} H_{16}$ : одна часть становится алканом, другая — алкеном. При каталитическом крекинге образуется много разветвлённых и ароматических молекул. Детонация — самовоспламенение топливной смеси раньше, чем до неё дойдёт пламя от искры: двигатель «стучит», перегревается, разрушается. Стойкость бензина к детонации оценивают октановым числом: изооктан (2,2,4-триметилпентан) — 100, н-гептан — 0; октановое число — это процент изооктана в такой смеси изооктана с н-гептаном, при которой она детонирует так же, как данный бензин. У разветвлённых алканов и аренов октановое число высокое: н-пентан 62, изопентан ≈ 92, толуол ≈ 120. Риформинг (катализатор Pt) превращает н-алканы в арены, изомеризация — в разветвлённые алканы. Двигателю с высокой степенью сжатия нужен бензин с высоким октановым числом (АИ-92, АИ-95).

Каменный уголь (2.20)

Угли: торф, бурый уголь (Ангрен), каменный уголь, антрацит — доля углерода растёт в этом порядке. Коксование — нагревание каменного угля без доступа воздуха до ≈ 1000 °C. Продукты: кокс (топливо и восстановитель в доменной печи), каменноугольная смола (источник бензола, толуола, нафталина, фенола, пиридина), аммиачная вода (соли аммония — удобрения) и коксовый газ (≈ 55–60 % $H_{2}$ , ≈ 25 % $CH_{4}$ , $CO$ ). Из 1 т угля получают примерно 750 кг кокса, 30–55 кг смолы и ≈ 300 м³ газа. При 500–600 °C идёт полукоксование — смолы больше, газа меньше. Если нагреть уголь в пробирке в лаборатории: вода и смола собираются в U-образной трубке, влажная красная лакмусовая бумага синеет от аммиака, газ горит на конце трубки, в пробирке остаётся кокс. Подземная газификация: в пласт подают воздух, и уголь горит на месте: $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ , $CO_{2} + C \overset{}{\to} 2 CO$ , $C + H_{2} O \overset{}{\to} CO + H_{2}$ — на поверхность выходит горючий газ. В Ангрене этот способ применяют с 1960-х годов, газ сжигали на электростанции. Безопасность: $CO$ в коксовом газе ядовит — опыт проводят в вытяжном шкафу; отверстие пробирки слегка наклоняют вниз.

Рациональное использование и экология (2.22)

Нефть и газ — невозобновляемые ресурсы. Глубокая переработка (крекинг, риформинг, вакуумная перегонка, коксование) даёт из тонны нефти больше лёгких продуктов; сбор попутного нефтяного газа вместо сжигания на факеле, получение из газа полимеров и удобрений экономят сырьё. При сгорании топлива выделяется $CO_{2}$ (парниковый эффект), из сернистого топлива — $SO_{2}$ (кислотные дожди), при неполном сгорании — $CO$ и сажа. Поэтому газ и топливо очищают от серы, в бензин не добавляют свинцовые антидетонаторы, в автомобилях применяют каталитические нейтрализаторы. Правильное сжигание газа в плите и печи дома и проветривание комнаты предотвращают отравление угарным газом.

Вуз: плотность и температура вспышки; границы модели

Плотность измеряют ареометром: он плавает в жидкости, и уровень жидкости на шкале показывает плотность (в лёгкой жидкости погружается глубже). Типичные значения (15–20 °C): бензин ≈ 0,74, керосин ≈ 0,80, дизельное топливо ≈ 0,84, мазут ≈ 0,96 г/мл. Температура вспышки — самая низкая температура, при которой пары нагретого в закрытом тигле продукта с воздухом на миг вспыхивают от пламени (горение не продолжается); температура воспламенения — температура, при которой горение продолжается. Керосин ≈ 40–45 °C, дизельное топливо ≈ 60–70 °C (норма ≥ 55 °C), бензин ниже −40 °C — он самый опасный. Модель: кривые перегонки трёх видов сырья типовые (не нефть конкретного месторождения); температурная схема колонны упрощена (у настоящей колонны верх ≈ 100–120 °C, используются водяной пар и орошение); смешение по октановому числу линейно по определению только для эталонной смеси; критическая степень сжатия двигателя и кривая давления схематичны; состав газа и доля $H_{2} S$ типовые, в расчёте серы выход установки Клауса принят 97 %; время замедлено.

Знаете ли вы?

Ферганский нефтеперерабатывающий завод запущен в 1959 году и выпускает более 60 видов нефтепродуктов; его проектная мощность — около 5,5 млн тонн нефти в год.
Завод «Uzbekistan GTL» («Олтин-Йул») в Кашкадарье открыт в декабре 2021 года: он рассчитан на получение примерно 1,5 млн тонн синтетического топлива — авиакеросина, дизельного топлива, нафты и сжиженного газа — из 3,6 млрд м³ природного газа в год.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алканы и циклоалканы — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс
Углеводы: глюкоза и крахмал — 10 класс
Распознавание органических веществ — 10 класс