Temat: Właściwości węgla, gazu ziemnego oraz ropy naftowej
Głównymi źródłami węglowodorów są gaz ziemny, ropa naftowa i węgiel kamienny.
Gaz ziemny. Występuje on na różnych głębokościach ziemi, jest gazem szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie. Występuje on w Rosji, USA, Iranie, Rumunii; w Polsce na Podkarpaciu. W skład gazu ziemnego wchodzą: 95-98% metanu, 2-3% najbliższych homologów metanu (etan, propan; butan), niewielkie ilości siarkowodoru, azotu i pary wodnej. Gaz ziemny jest nie tylko tanim paliwem o dużej wartości opałowej, lecz również cennym surowcem chemicznym. Rozkład metanu w wysokich temperaturach (pirolżza) powoduje powstawanie acetylenu, wodoru i sadzy. Przez chlorowanie metanu otrzymuje się jedno- i wielochloropochodne, które są surowcami chemicznymi w produkcji barwników, chemicznych środków trujących i rozpuszczalników. Niektóre z nich (CHCl3, C2H5Cl) znajdują zastosowanie w lecznictwie. Chlorowcopochodne metanu i etanu, zawierające fluor i chlor; stosuje się jako chłodziwo w urządzeniach chłodniczych. Przez katalityczne utlenienie węglowodorów wchodzących w skład gazu ziemnego, można otrzymać metanol, formaldehyd i kwas octowy. W wyniku niecałkowitego utlenienia metanu otrzymuje się tlenek węgla, który poddaje się przerobowi w celu otrzymania syntetycznego paliwa silnikowego, kwasów mrówkowego i szczawiowego oraz innych substancji o dużym znaczeniu.
R o p a n a f t o w a. Ropa naftowa jest nazywana również olejem skalnym, występuje w USA, Rosji, Wenezueli, Indonezji, Meksyku, Iranie, Rumunii. W Polsce niewielkie pokłady roponośne znajdują się koło Sanoka, Jasła,. Krosna i Gorlic. Istnieją dwie teorie dotyczące pochodzenia ropy naftowej :
Mendelejewa - węglikowa i
2) polskiego chemika B. Radziszewskiego (1838-1914) głosząca o powstaniu ropy naftowej wskutek rozkładu w głębi ziemi fauny i flory, nagromadzonych we wcześniejszych epokach geologicznych. Rodzaje ropy naftowej, których skład waha się w szerokich granicach, zależą od wieku ropy, temperatur i jej pochodzenia.
Główną częścią składową wszystkich rodzajów ropy naftowej są różnego typu węglowodory, np. ropa pensylwańska zawiera prawie wyłącznie węglowodory nasycone, ropy rosyjskie - ok. 80% naftenów (węglowodorów cykloparafinowych o wzorze CnH2n). Ponadto w większości rodzajów ropy naftowej występują większe lub mniejsze ilości olefin, terpenów i węglowodorów aromatycznych (benzen) . Oprócz węglowodorów w ropach naftowych występują też rozmaite substancje zawierające tlen, siarkę i azot. Zwykle ropie naftowej towarzyszy gaz ziemny. W zależności od rodzaju ropa naftowa może być cieczą ruchliwą, oleistą lub lepką, jasnobrunatną lub prawie czarną. Jest ona lżejsza od wody, a charakterystyczny zapach zależy od jej składu chemicznego. Destylacja frakcjonowana - ropę naftową rozdziela się metodą destylacji na różne frakcje:
Rozdział taki jest możliwy dzięki zależności pomiędzy temperaturą wrzenia a masą cząsteczkową związków chemicznych.
3. Zastosowanie produktów:
frakcja gazowa, podobnie jak gaz ziemny, stosowana przede wszystkim do ogrzewania,
benzyna - silniki spalinowe wymagające dość lotnego paliwa,
nafta - silniki traktorów i silniki odrzutowe, ogrzewanie,
olej napędowy - silniki Diesla, ogrzewanie (mazut),
oleje smarowe - wosk parafinowy, wazelina (oczyszczone produkty
Składniki ropy naftowej
Frakcja
|
Temp. destylacji [oC] |
Liczba atomów węgla |
Gaz Eter naftowy Ligroina (lekka nafta) Gazolina surowa (benzyna) Nafta Olej gazowy Olej smarowy
Asfalt lub koks naftowy |
poniżej 20 20-60 60-100 40-205 175-325 powyżej 275 nielotna ciecz
nielotne ciało stałe |
C1-C4 C5-C6 C6-C7 C5-C10 i cykloalkany C12-C18 i związki aromatyczne C12 i wyższe przypuszczalnie długie łańcuchy przy- łączone do struktur cyklicznych struktury policykliczne |
asfalt - pokrywanie dachów i budowa dróg,
koks naftowy - paliwo, produkcja elektrod węglowych dla przemysłu elektrochemicznego,
eter naftowy i ligroina - dobre rozpuszczalniki wielu substancji organicznych.
4. Przemiany innego rodzaju niektórych frakcji:
katalityczna izomeryzacja - przekształcenie alkanów łańcuchowych (n-alkany) w alkany o łańcuchach rozgałęzionych,
kraking - rozpad wyższych alkanów do niższych homologów oraz do alkenów. Stosowany, by zwiększyć ilość otrzymywanej benzyny. Alkeny są najważniejszym surowcem do produkcji związków alifatycznych na wielką skalę,
katalityczny reforming - przekształcenie alkanów i cykloalkanów w węglowodory aromatyczne (surowiec do przemysłowej syntezy arenów).
. Wiek najstarszych złóż ropy wynosi ok. 500 milionów lat.
Ropa naftowa jest oleistą cieczą o charakterystycznym zapachu. Nie miesza się z wodą, jest palna.
Ropa naftowa na ziemiach polskich była znana od dawna. Wypływała często na powierzchnię ziemi. Karczmarze w poszukiwaniu alkoholu zaczęli ją destylować i otrzymali przezroczystą ciecz palącą się jasnym płomieniem. Substancję tę nazwano naftą.
Znaczenie ropy bardzo wzrosło, kiedy Ignacy Łukasiewicz skonstruował lampę, w której paliła się nafta, dając światło o wiele mocniejsze niż używane dotychczas świece.
P r z e r ó b r o p y n a f t o w e j. Podstawowym sposobem wstępnego przerobu ropy naftowej jest destylacja. Po oddzieleniu gazoliny i wody ropę naftową rozdestylowuje się w kolumnach rektyfikacyjnych umożliwiających rozdzielenie jej na poszczególne frakcje węglowodorowe na podstawie ich temperatur wrzenia. Zwykle w wyniku destylacji frakcyjnej otrzymuje się następujące frakcje: benzynę (temp. 40-200°C), ligroinę (temp. 120-240°C), naftę i olej napędowy (temp. 150-310°C).Po oddestylowaniu tych frakcji pozostaje mazut, który poddaje się destylacji pod zmniejszonym ciśnieniem lub destylacji z parą wodną, w wyniku czego otrzymuje się różnego typu oleje smarowe (traktorowe, lotnicze, do silników wysokoprężnych). W przypadku niektórych gatunków ropy naftowej z frakcji olejów smarowych wyodrębnia się stałą parafinę i wazelinę naturalną. Pozostałość po destylacji, czyli tzw. gudron, ma postać smolistej masy i jest stosowany do wyrobu produktów bitumicznych, jak asfalty, lepiki itp.
Poszczególne frakcje znajdują zastosowanie jako paliwa lotnicze (benzyny o tw. = 40-180°C) i samochodowe (benzyny o tw. = 50-200°C), jak paliwa do silników wysokoprężnych i silników odrzutowych (ligroina i nafta, niektóre oleje, olej napędowy). Frakcje nisko wrzące ropy naftowej stosuje się jako rozpuszczalniki. W wyższych temperaturach wrzące frakcje (nafta, ligroina, oleje) poddaje się dalszemu przerobowi chemicznemu, który jest uzależniony od składu danej ropy naftowej. Głównymi metodami przerobu wysoko wrzących frakcji produktów naftowych otrzymanych w wyniku destylacji frakcyjnej ropy parafinowej i naftenowej, są krakowanie i aromatyzacja (cyklizacja).
W procesie krakowania następuje rozszczepienie węglowodorów o dużych cząsteczkach (10-20 atomów węgla) na węglowodory o mniejszych cząsteczkach (5-10 atomów węgla). Nazwa procesu "krakowanie" pochodzi od angielskiego czasownika to crack - pękać, rozbijać, rozszczepiać, rozłupywać. W wyniku bezpośredniej destylacji ropy naftowej otrzymuje się jedynie ok. 15-20% benzyny, metodą krakowania zaś kilkakrotnie więcej. W technice stosuje się dwa sposoby krakowania: termiczne i Icatalityczne.
Krakowanie termiczne przebiega w temp. 400-600°C, pod ciśnieniem 15-60 at, bez katalizatorów. W wyniku krakowania mazutu i gudronu w temp. 400-500°C otrzymuje się ok. 15% benzyny, nafty i oleju solarowego, w wyniku krakowania oleju solarowego i oleju napędowego w temp. 500-600°C otrzymuje się do 50% benzyny. Podczas krakowania termicznego powstaje stosunkowo dużo związków nienasyconych, wobec tego wprowadzono do przemysłu metodę hydrokrakowania. Hydrokrakowanie jest to proces termicznego rozkładu węglowodorów połączony z równoczesnym uwodornieniem, dzięki czemu uzyskuje się wysokowartościowe paliwa płynne.
Krakowanie katalityczne polega na ogrzewaniu produktów naftowych do temp. 300-500 °C w obecności katalizatorów (AlCl3 i glinokrzemiany). Tą metodą otrzymuje się znacznie mniejsze ilości węglowodorów nienasyconych, a spośród nasyconych przeważają węglowodory o rozgałęzionych łańcuchach węglowych. Związki te zwykle mają niższe temperatury wrzenia i są bardziej cennym paliwem do silników spalinowych. Duże znaczenie jako paliwo i surowce chemiczne mają guzolina i gazy krakowe. Gazolinę tworzą węglowodory nasycone zawierające 1-5 atomów węgla w cząsteczce, które pod ziemią w warunkach zwiększonego ciśnienia są zwykle rozpuszczone w ropie naftowej. Gazy te zawierają głównie propan i butan, przy czym wydzielają się z ropy naftowej zarówno w procesie jej wydobywania, jak i podczas destylacji. Podczas krakowania powstaje również dość duża ilość gazowych węglowodorów nasyconych i nienasyconych. Gazolinę i gazy krakowe zwykle poddaje się destylacji w temperaturze dość niskiej w celu wyodrębnienia poszczególnych węglowodorów. Frakcję propanowo-butanową w postaci skroplonego gazu wykorzystuje się jako paliwo i cenny surowiec chemiczny, z którego otrzymuje się propylen, butyleny i butadien, mające zastosowanie w produkcji tworzyw sztucznych i kauczuku. Ponadto propan i butan poddaje się chlorowaniu, utlenianiu i wielu innym reakcjom chemicznym, w wyniku których otrzymuje się różne rozpuszczalniki i odczynniki chemiczne.
Węgiel- Jednym z najważniejszych źródeł węglowodorów i innych bardziej złożonych substancji organicznych jest węgiel kamienny. Proces przerobu na skalę przemysłową odbywa się w koksowniach. W wyniku tego procesu otrzymujemy trzy rodzaje produktów:
Produkty gazowe - Gaz świetlny lub koksowniczy, w którego skład wchodzą głównie wodór, tlenek węgla, azot, a także węglowodory. Te produkty wykorzystuje się następnie przy produkcji: gumy, opon samochodowych, parafiny nawozów sztucznych wykorzystywanych w rolnictwie.
Produkty ciekłe - woda pogazowa zawierająca głównie amoniak i sole amonowe oraz substancje smołowe wykorzystywane przy produkcji materiałów wybuchowych, farb i lakierów, nawozów sztucznych, oraz leków.
Koks - porowate czarne bryłki węgla zanieczyszczone siarką i substancjami mineralnymi. Stosowany głównie do ogrzewania.
Głównym procesem przerobu węgla jest koksowanie, czyli rozkładowa (sucha) destylacja węgla, polegająca na ogrzewaniu go do temp. 1000---1200°C bez dostępu powietrza. Proces ten przeprowadza się w specjalnych piecach koksowniczych, połączonych ze sobą w zespoły. W wyniku koksowania, węgla kamiennego uzyskuje się koks, smołę pogazową, wodę pogazową i gaz koksowniczy. Gaz koksowniczy zawiera 50-60% wodoru, metan, etylen, tlenek węgla i inne gazy. Gaz koksowniczy częściowo zużywa się jako paliwo do ogrzewania, pieców koksowniczych, a resztę poddaje się dalszemu przerobowi chemicznemu. Doniosłe badania w dziedzinie fizykochemii węgla kamiennego przeprowadził polski uczony Wojciech Świętosławski (1881-1968).
Woda pogazowa zawiera dużo amoniaku stosowanego jako surowiec do otrzymywania nawozów azotowych (siarczan amonowy). W smole pogazowej znajduje się wiele różnych związków aromatycznych, dlatego poddaje się ją destylacji frakcyjnej. W ten sposób smołę pogazową rozdziela się na frakcje zawierające węglowory aromatyczne (benzen, tóluen, ksylen, naftalen, fenole), związki posiadające azot i wiele innych substancji znajdujących szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym do produkcji leków, barwników, tworzyw sztucznych itd. Pozostałość po destylacji smoły węglowej - pak z węgla kamiennego - często poddaje się przerobowi na koks pakowy (bezpopiołowy), który stosuje się do produkcji elektrod (np. używanych przy otrzymywaniu Al).
Bardzo długo węgiel kamienny i ropa naftowa były wykorzystywane jedynie jako paliwa. Dzięki opracowaniu metod wyodrębniania z nich różnych substancji chemicznych, węgiel kamienny i ropa naftowa stały się naturalnymi źródłami cennych surowców chemicznych.
1