Промишлено производство на органични съединения - нефт, природен газ, въглища. Изкопаеми горива (въглища, нефт, газ)
Изкопаемите горива са нефт, въглища, нефтени шисти, природен газ и неговите хидрати, торф и други горими минерали и вещества от групата на каустобиолита, използвани главно като гориво, добивани под земята или отворен път. Изкопаемите горива се образуват от вкаменени останки на мъртви растения по време на процеса на разлагане при анаеробни условия под въздействието на топлина и налягане в земната кора в продължение на милиони години. Въглищата и торфът са горива, които се образуват, когато останките от животни и растения се натрупват и разлагат. Изкопаемите горива са невъзобновяеми Натурални ресурси, натрупани в продължение на милиони години. Според Администрацията за енергийна информация през 2007 г. използваните първични енергийни източници са: нефт - 36,0%, въглища - 27,4%, природен газ - 23,0%, като общо делът на изкопаемите горива представлява 86,4% от всички източници (изкопаеми и неизкопаеми) от консумираната първична енергия в света. Трябва да се отбележи, че съставът на неизкопаемите енергийни източници включва: водноелектрически централи - 6,3%, ядрени - 8,5%, и други (геотермална, слънчева, енергия от приливи и отливи, вятърна енергия, изгаряне на дърва и отпадъци) в размер на 0,9% .
Нефтът (на гръцки ναφθα, или през турски neft, от персийски масло; връща се към акад. Napatum - пламна, възпламенявам) е естествена маслена горима течност, състояща се от сложна смес от въглеводороди и някои други органични съединения. Цветът на маслото е червено-кафяв, понякога почти черен, въпреки че понякога има и слабо оцветено жълто-зелено и дори безцветно масло; има специфична миризма, често срещана в седиментните скали на Земята. Маслото е познато на човечеството от древни времена. Днес обаче петролът е един от най-важните минерали за човечеството.
Въглищата са вид изкопаемо гориво, образувано от части от древни растения под земята без кислород. Международното наименование на въглерод идва от лат. carbō („въглища“). Въглищата са първото изкопаемо гориво, използвано от човека. Той позволи да се осъществи индустриалната революция, която от своя страна допринесе за развитието на въгледобивната промишленост, осигурявайки й повече модерна технология. Въглищата, подобно на нефта и газа, са органично вещество, което е претърпяло бавно разлагане под действието на биологични и геоложки процеси. Основата на образуването на въглища са растителните остатъци. В зависимост от степента на преобразуване и специфичното количество въглерод във въглищата се разграничават четири негови вида:
кафяви въглища (лигнит); въглища; антрацити; графити.
В западните страни има малко по-различна класификация - съответно лигнитни въглища, суббитуминозни въглища, битуминозни въглища, антрацити и графити.
Маслените шисти са минерал от групата на твърдите каустобиолити, който при суха дестилация дава значително количество смола (подобна по състав на нефта). Шистите са се образували преди 450 милиона години на дъното на морето от растителни и животински останки. Маслените шисти се състоят от преобладаващи минерални (калцит, доломит, хидрослюда, монтморилонит, каолинит, фелдшпати, кварц, пирит и други) и органични части (кероген), като последният е 10-30% от масата на скалата и само в шисти от най-високото качество достига 50-70%. Органичната част е био- и геохимично трансформирано вещество от най-простите водорасли, което е запазило клетъчната си структура (таломоалгинит) или я е загубило (колоалгинит); под формата на примес в органичната част има изменени остатъци висши растения(витринит, фузенит, липоидинит).
Природен газ - смес от газове, образувани в недрата на земята по време на анаеробно разлагане органична материя. Отнася се за минерали. Природният газ в резервоарни условия (условия на намиране в земните недра) е в газообразно състояние - под формата на отделни натрупвания (газови залежи) или под формата на газова шапка на нефтени и газови находища, или в разтворено състояние в масло или вода. При стандартни условия (101,325 kPa и 20 °C) природният газ е само в газообразно състояние. Също така, природният газ може да бъде в кристално състояние под формата на природни газови хидрати.
Газовите хидрати (също хидрати на природен газ или клатрати) са кристални съединения, образувани при определени термобарични условия от вода и газ. Името "клатрати" (от латински clathratus - "поставям в клетка") е дадено от Пауъл през 1948 г. Газовите хидрати са нестехиометрични съединения, т.е. съединения с променлив състав.
Шистов природен газ (английски шистов газ) - природен газ, извлечен от нефтени шисти и състоящ се главно от метан.
Торф (нем. Torf) - горим минерал; образувани от натрупването на растителни остатъци, претърпели непълно разлагане в блатни условия. Съдържа 50-60% въглерод. Топлина на изгаряне (максимална) - 24 MJ/kg. Използва се комплексно като гориво, тор, топлоизолационен материал и др. Блатото се характеризира с отлагане на ненапълно разградена органична материя върху повърхността на почвата, която по-късно се превръща в торф. Слоят торф в блатата е най-малко 30 см (ако е по-малко, тогава това са влажни зони).
Изкопаемите горива съдържат висок процент въглерод и включват изкопаеми въглища, нефт и природен газ. От своя страна нефтът, газът и изкопаемите въглища са се образували от отлаганията на някога живи организми под въздействието на висока температура, налягане и анаеробно разлагане на мъртви организми, погребани под слой от седиментни скали. Възрастта на организмите, в зависимост от вида на изкопаемото гориво, обикновено е милиони години, а понякога надхвърля 650 милиона години. Повече от 80% от използвания в момента нефт и газ са образувани в слоеве, образувани през мезозойския и терциерния период между 180 и 30 милиона години от морски микроорганизминатрупани под формата на седиментни скали на морското дъно.
Основните съставки на петрола, както и на газа, се образуват във време, когато органичните остатъци все още не са напълно окислени и въглеродът, въглеводородите и подобни компоненти присъстват в малки количества. Седиментните скали покриват останките от тези вещества. Температурата и налягането се повишават и течният въглеводород се натрупва в кухините на скалите.
По отношение на произхода на нефта и природния газ съществува алтернативна хипотеза, която се опитва да обясни образуването на някои аномални нефтени залежи.
Производство на нефт - подотрасъл на нефтената промишленост, клон на икономиката, занимаващ се с добив на естествен минерал - нефт. Разкопките по бреговете на Ефрат установяват съществуването на петролно находище от 6000-4000 години пр.н.е. Използван е като гориво, а нефтеният битум - в строителството и пътния бизнес. Маслото също беше известно в Древен Египеткъдето се използва за балсамиране на мъртвите. Въпреки факта, че от 18-ти век са правени отделни опити за пречистване на петрола, все пак до втория половината на XIXвек е бил използван предимно в естествен вид. Маслото обаче привлече голямо внимание едва след като в Русия беше доказано от фабричната практика на братя Дубинин (от 1823 г.), а в Америка от химика Б. Силиман (1855 г.), че керосинът, осветително масло, подобно на фотогена, може да бъдат изолирани от него.което е било широко използвано по това време и се е произвеждало от определени видове въглища и шисти. Това беше улеснено от разработения в средата на XIX век нов начинпроизводство на нефт с помощта на сондажи вместо кладенци (мини). Първият (проучвателен) нефтен кладенец е промишлено пробит на полуостров Абшерон през 1847 г., първият производствен кладенец е пробит на реката. Кудако в Кубан през 1864 г. В Съединените щати първият кладенец е пробит през 1859 г. При разработване на нефтени находища прясна вода се изпомпва в резервоара (за поддържане на налягането в резервоара), включително смесена със свързан петролен газ (въздействие вода-газ) или различни химикализа увеличаване на добива на петрол и борба със спирането на водата в производствените кладенци. Поради факта, че запасите от петрол на сушата са изчерпани, по-нататъшното усъвършенстване на технологията на добивния подсектор на петролната промишленост направи възможно започването на разработването на петролни полета на континенталния шелф с помощта на петролни платформи.
Мините отдавна се използват от човечеството за извличане на въглища от големи дълбочини. Най-дълбоките мини на територията Руска федерациявъглищата се добиват от дълбочина малко над 1200 метра. Наред с въглищата, въглищните находища съдържат много видове георесурси, които имат потребителско значение. Те включват вместими скали като суровини за строителната индустрия, подземни води, метан от въглищни пластове, редки и микроелементи, включително ценни метали и техните съединения. Особен интерес представлява използването на струи като средство за унищожаване в изпълнителните органи на комбайни и комбайни. В същото време се наблюдава постоянен растеж в развитието на оборудването и технологиите за унищожаване на въглища, скали чрез високоскоростни струи с непрекъснато, пулсиращо и импулсно действие.
Газификация на въглища - съвременните газови генератори имат капацитет за преобразуване на твърдо гориво от 60 000 m³/h до 80 000 m³/h. Технологията за газификация се развива в посока на увеличаване на производителността (до 200 000 m³ / h) и повишаване на ефективността (до 90%) чрез повишаване на температурата и налягането на този технологичен процес (съответно до +2000 °C и 10 MPa) . Проведени са експерименти за подземна газификация на въглища, чийто добив по различни причини е икономически неизгоден.
Произход на природните енергийни източници
Световното производство на енергия расте бързо. През 1962 г. тя вече е достигнала около 33x1015 kcal. По-голямата част от това количество човечеството използва за механична работа и отопление. Количеството електрическа енергия, включена в този процес като посредник, непрекъснато нараства.
Както вече споменахме, работата не може да се натрупва, следователно в природата не може да има „запас от работа“. Освен това на Земята няма електрическа енергия във форма, достъпна за незабавна макроскопична употреба. Ето защо, за да покрием енергийните нужди на обществото, ние сме принудени да се обърнем към други източници.
Тъй като енергията не може да бъде „създадена“ от нищото, ние сме принудени да произвеждаме видовете енергия, от които се нуждаем, като трансформираме други форми и тази трансформация трябва да бъде икономична и възможна в голям индустриален мащаб. Носителите на такива видове енергия включват преди всичко въглища (черни и кафяви), както и нефт и природен газ, които в момента се използват в промишлеността като гориво за двигатели, които извършват механична работа или електрическа енергия. В допълнение към горните енергийни носители, в страни с подходящ терен, водната енергия се използва доста широко (" бели въглища") и в по-малка степен вятър. В развитите страни използването на животинска мускулна енергия все повече и повече отстъпва на заден план. В момента делът на атомните електроцентрали в общото производство на електрическа енергия непрекъснато нараства. Поради бързото нарастване на търсенето на енергия по света, опитите за използване на нови източници на енергия за промишлени цели, като слънчевата радиация. Предлага се по-специално да се концентрира слънчевата енергия с помощта на огледала и да се използва топлината по този начин получени за производство на пара, която може да задвижва турбини. Изследванията в областта на проводниците все още не са дали големи резултати, но в момента те вече дават възможност за производство на термо- и фотоклетки, с помощта на които енергията на топлината или светлината радиацията на Слънцето може да се преобразува в електрическа енергия с ефективност 10-13%.Учените работят и върху проблема с използването на топлината на Земята.с дълбочина. Ако топлината се донесе от големи дълбочини на повърхността на земята, тогава чрез понижаване на тази температура е възможно частично да се превърне топлината в работа. На този принцип вече са построени геотермални централи. Все още непреодолими технически трудности обаче пречат на по-широкото им разпространение.
Правят се и опити да се използва енергия, съответстваща на разликата в нивата на водната повърхност при прилив и отлив.
Всички тези нови източници на енергия в момента покриват много малка част от световното потребление на енергия. Днес нуждата от енергия се задоволява главно от въглища, нефт и природен газ; тази ситуация очевидно ще продължи и в близко бъдеще. В тази връзка несъмнен интерес представлява въпросът за произхода на енергията, акумулирана в тези природни източници.
Произход на каменните въглища
Въглищата (каменни и кафяви), използвани като гориво или гориво, в повечето случаи лежат в земята (отчасти на дълбочина от много стотици метри). Само някои находища на кафяви въглища се намират на повърхността на земята или непосредствено близо до повърхностните слоеве. Добитите въглища, освен въглерод, съдържат различно количество съединения (главно съединения на въглерода с кислород и водород и в по-малко количество с азот, сяра и други елементи). Основните химични елементи, които изграждат въглищата, са въглерод, кислород и водород.
Кафявите и битуминозните въглища са предимно от растителен произход и съдържат малко количество минерали. Те са се образували в топъл и влажен климат в древни времена от силно обрасли растения, когато след смъртта са потънали на дъното на резервоари и следователно не са били подложени на тлеене и изгаряне, при което съдържащият се в растенията въглерод се превръща предимно във въглероден диоксид и други летливи вещества. В процесите на разлагане на тези растения (главно tj||| под въздействието на микроорганизми), HII от тях се отделят съединения, богати на водород и кислород, и съдържанието на въглерод се увеличава - образува се торф. След това торфът се покрива с други отлагания (пясък, глина) и в резултат на геоложки движения потъва в дълбините на земята, където под налягане и при висока температурапроцесът на образуване на торф преминава в процес на образуване на въглища (увеличаване на съдържанието на въглерод). По време на миграцията на елементите, свързани с този процес, съдържанието на водород и кислород продължава да намалява, докато съдържанието на въглерод продължава да расте; в резултат на това от торф се получават кафяви въглища, твърди въглища и накрая антрацит. Кафявите въглища се образуват в рамките на 40-60 милиона години
Произход на нефта и природния газ
Нефтът и природният газ се състоят главно от въглеводороди (съединения на въглерод и водород), а също и малко количество други елементи (сяра, азот, кислород и др.). Маслото съдържа 82-87% въглерод и 11-14% водород. Има различни гледни точки за произхода на нефта. Най-приетата теория е, че газът и нефтът са съставени от органични вещества, предимно от животински произход (някои учени смятат, че нефтът и газът в много случаи са се образували в дълбините на земята в резултат на действието на водата върху металните карбиди). Живите организми, които умират и потъват на морското дъно, попадат в условия, при които нито могат да се разложат в резултат на окисление, нито да бъдат унищожени от микроорганизми и поради липса на контакт с въздуха образуват тинести утайки. В резултат на геоложки движения тези седименти проникват на голяма дълбочина. Там, под въздействието на налягане и висока температура, а вероятно и под въздействието на микроорганизми, протича процес на суха сублимация в продължение на милиони години, при който въглеродът, съдържащ се в утайките, в по-голямата си част преминава във въглеводородни съединения, докато по-голямата част от кислорода и другите елементи мигрират. Течно вещество, състоящо се главно от смес от въглеводороди с различно молекулно тегло, също може да мигрира независимо, прониквайки през порите и пукнатините на земната недра. Основните компоненти на природния газ са въглеводороди с ниско молекулно тегло (предимно метан и етан), докато петролът е въглеводород с високо молекулно тегло.
Имената въглища, нефт, показващи техния произход от нежив материал (геоложки, а не биологичен), са само отчасти оправдани. Всъщност тези продукти са образувани от вещества, възникнали в резултат на жизнената дейност на животни и растения и следователно имат биологичен произход. Въпреки това, тези трансформации, довели до образуването на въглища, нефт и газ от животински и растителни организми, в по-голямата си част не са биологична природа, но са резултат от геоложки и геохимични условия (налягане, температура и т.н.), създадени в заобикалящата нежива среда. Известни са и други минерали, които са продукти на трансформации биологични вещества(например тебешир).
Енергиен произход на въглища, нефт и природен газ
По този начин основните природни източници на енергия са от биологичен произход и съдържат главно въглерод. В тази връзка естествено възникват различни въпроси. Откъде идва енергията на живите същества? Каква роля играе въглеродът в енергийните носители? Как става натрупването на енергия в тях и последващото й превръщане в топлина или работа? Без да навлизаме дълбоко в подробностите на биологичните процеси, можем да кажем, че растенията играят решаваща роля в развитието на живия свят. Известно е, че растенията могат да съществуват без животни, но животните не могат да съществуват без растения. Значителна част от животните се хранят с растения, останалите (месоядни) се хранят с месото на тревопасните животни (това важи и за хората). Така косвено те получават храната си и от растителния свят; последният служи не само като материал за изграждане на телесните тъкани, но и им осигурява необходимата енергия. Така че, за да разберете произхода на енергията в живите организми, достатъчно е да проучите въпроса за произхода на енергията, натрупана в растенията.
Въпросът за произхода на веществата, от които са изградени растителните организми, е предмет на научен спор от векове, тъй като процесът на хранене на растенията (за разлика от животните) не може да бъде пряко наблюдаван. Едва през 19-ти век окончателно е установено, че растенията изграждат своите организми от атмосферния въглероден диоксид, вода, абсорбирана от почвата, както и азот, фосфор, сяра, калий и други елементи, които съставляват неорганичните вещества, с които се хранят растенията. Въглеродният диоксид и водата, които служат като основно хранене на растенията, са много прости, бедни на енергия съединения, характеризиращи се с ниска химическа активност, докато основните съединения от растителен (а също и животински) произход, като правило, имат много сложен състав , високо енергийно съдържание и, при определени условия, относително висока химична активност. Следователно естествено е да се предположи, че изграждането на растителни организми от естествени "суровини" трябва да се случи под въздействието на някакъв мощен източник на енергия, който може да се превърне в химическа енергия на сложни съединения. Едва през втората половина на 19 век се установява с точност, че източникът на тази енергия е Слънцето (светлинната му енергия).
Енергията на слънчевата радиация, която годишно достига Земята, е равна на 1021 kcal. По-голямата част от него се превръща в топлина или отново се отразява в световното пространство.
Една незначителна част (стотни от процента) обаче се консумира от растенията и с помощта на съдържащия се в зелените им части хлорофил в процеса на фотосинтеза изграждат захар, нишесте, глюкоза, протеини, нуклеинови киселини, алкалоиди и др. енергийно бедни вещества от въглероден диоксид, вода и други енергийно бедни вещества други енергийно богати и сложни съединения. Най-общо това се прави по следния начин: с помощта на светлинна енергия, погълната от хлорофила, химичните връзки във въглеродния диоксид, водата и други хранителни вещества се отслабват или разрушават, временно се образуват богати на енергия атоми и радикали, от които в протичането на различни химични процеси, вещества с все по-сложни молекули. В тях множество атоми са свързани помежду си чрез голям брой различни химични връзки. Така слънчевата енергия се съхранява под формата на химическа енергия. Схематично реакцията на фотосинтезата може да бъде ясно показана в процеса на образуване на 1 мол глюкоза:
6CO2 + BSO + 674 kcal -> CeffizOs + 6O2.
По време на фотосинтезата се отделя кислород. Реакциите с образуването на кислород се наричат редуциращи.
Следователно живите организми черпят своята химическа енергия от радиационната енергия на Слънцето. Концентрация слънчева енергиясреща се главно във въглехидрати: (съединения, състоящи се от въглерод, водород и кислород) глюкоза (СсШгОс), захар от цвекло (CuHjzO11)i нишесте и целулоза (CeHioOsJn, където n е променлива стойност. Впоследствие част от въглехидратите се окисляват, докато, например, 1 мол глюкоза произвежда въглероден диоксид и вода съгласно следното химическа реакция:
SbHpOv + 6O2 -> bCOg + bVbO + 674 kcal.
Енергията, освободена от въглехидратите в този случай се използва за изграждане на още по-сложни и богати на енергия съединения, необходими за функционирането на тялото (мазнини, протеини, нуклеинови киселини, алкалоиди и др.) Някои от тези вещества (предимно мазнини) са окислена, освободена по време на това енергия се концентрира в тялото и отива за покриване на енергийните му нужди;
В резултат на окисляването сложните органични съединения, получени в процеса на фотосинтеза, отново се превръщат в първоначалните енергийно бедни вещества - въглероден диоксид и вода. В крайна сметка целият растителен организъм или умира, или става храна за животни (или хора). Съединенията в мъртвия организъм започват да се разлагат и окисляват под въздействието на микроорганизми.
Цикълът на въглерод, водород и кислород
Въглеродът, водородът и кислородът по този начин се въртят в природата: от енергийно бедни въглеродни съединения в живите организми под въздействието на слънчевата енергия се образуват енергийно по-богати органични съединения, докато кислородът се освобождава; след това, в хода на дълга поредица от сложни трансформации, когато кислородът се абсорбира, отново се образуват въглероден диоксид и вода и т.н.
Цикличността на химията на живия свят, т.е. фактът, че първоначалните продукти („суровини“) се образуват отново по време на гниене, е изключително важен, тъй като в резултат на това суровинният баланс на живите организми никога не може да бъде нарушен. Ако например? микробите не разграждат мъртвите организми, тогава животът на Земята не би могъл да продължи дълго време, тъй като в този случай въглеродният резерв на наше разположение "за краткосрочен"(от геоложка гледна точка) биха се утаили в мъртви организми. Не трябва да се забравя, че изследваната част от Земята (земната кора и въздух) съдържа само 0,09% въглерод.
По време на своя „нормален“ цикъл въглеродът се улавя живи организмиотносително кратко време(най-големият е няколкостотин години). Вече може да се използва тук: дървото и други части от растения също са енергийни носители, използвани от хората от древни времена. Тъй като нуждата на обществото от енергия се увеличи, дървесината вече не можеше да задоволи тази нужда и бързото намаляване на горските площи доведе до спешна необходимост от използване на други източници на енергия вместо дървесина. През 19 век значението на въглищата като източник на енергия бързо нараства. Въглищата започват да се добиват още през 13 век, но до 19 век се използват предимно само за отопление.
Нарушаване на цикъла
Въглищата всъщност са се образували в резултат на нарушение на естествения въглероден цикъл, когато разпадането на сложните въглеродни съединения на живите организми не е достигнало най-ниското енергийно състояние (до въглероден диоксид), а е спряло на междинен етап. За безпрепятствен въглероден цикъл, т.е. за завършване на процеса на разлагане е необходим толкова кислород, колкото може да се извлече от въздуха. Ако по време на процеса на гниене органичните вещества са били лишени от достъп на въздух по някаква причина от геоложко естество, тогава неговият поток се е променил - той се е забавил значително. При тези условия, поради липса на кислород, окислителните процеси отстъпиха място на редукционни процеси, чиито продукти до голяма степен зависят от физичните и химичните условия на трансформацията (налягане, температура, микроорганизми и др.). Когато нефтът и газът се образуват от съединения с органичен произход, състоящи се главно от въглерод, се образуват предимно въглеводороди, докато при образуването на въглища от повечето вещества на мъртвите организми се освобождава въглерод. Както въглеводородите, така и елементарният въглерод съдържат повече химическа енергия от въглеродния диоксид, така че те се изгарят (комбинирани с кислород), за да освободят топлина, за да образуват бедния на енергия въглероден диоксид:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 210,8 kcal,
CzH8 + 5O2 -> ZSOg + 4ShO + 526,3 kcal,
C + O2 - "COg + 94,3 kcal.
Въглеродният диоксид е негорим, той не може да освободи енергия, когато се комбинира с въздух (кислород).
Кое състояние на материята е най-стабилно?
На пръв поглед може да изглежда неочаквано, че елементарната форма на въглерода не е енергийно най-бедната, нито най-стабилната. Трябва да се отбележи, че най-стабилни са такива състояния на веществата, при които при дадени условия тяхната енергия има най-ниска стойност,
Помислете за пример от механиката. Оставете топката да е в стабилна позиция в стая на четвъртия етаж, когато лежи на пода. На маса или на шкаф състоянието на топката е по-малко стабилно: оттук тя може „сама“ (без захранване с енергия) да падне на пода и нейната потенциална енергия се преобразува в кинетична енергия и тогава, когато удря пода, в топлина и звук. В обратната посока този процес "сам по себе си" не може да върви. Прехвърлянето на топката на маса или шкаф е възможно само с изразходване на определено количество енергия. На пода (при условие, че е равен и строго хоризонтален), топката няма да се движи сама, нейното състояние е стабилно. Тази стабилност обаче е относителна и не означава, че топката вече няма потенциална енергия - в крайна сметка тя: е на значителна височина "над земята. В този случайима само относителен минимум енергия. Когато условията се променят, може да настъпи допълнително освобождаване на потенциална енергия. Например, ако има дупка на пода, тогава топката ще падне на пода по-долу, ако има дупка тук, тогава тя ще падне още по-ниско и т.н. Така той може да стигне до първия етаж, докато потенциалната енергия на топката преминава в други форми. Стабилността на топката, дори и на партера, не е абсолютна. При подходящи условия може да падне в изба или да достигне дъното на дълбока мина и др.
Подобна картина се наблюдава при преобразуването на естествени енергийни носители, съдържащи въглерод. Много химическа енергия се натрупва във въглеродни съединения от органичен произход. В хода на химичните трансформации тази енергия може да бъде частично освободена и, преобразувана в други форми, използвана. Сами по себе си възникват само такива химически трансформации, които са свързани с намаляване на свободната енергия и само те могат да се използват за получаване на енергия. Съдържанието на енергия във веществата, образувани в процеса на трансформация, е по-малко, отколкото в изходното вещество, само с количеството освободена енергия. Химичните трансформации, в зависимост от условията, протичат бързо или бавно (понякога дори милиони години) и продължават, докато се образуват продукти, чиято енергия при дадени условия вече не може да намалява (такива продукти ще бъдат стабилни).
Ако окисляването на въглеродните съединения се извършва в присъствието на достатъчно количество въздух, тогава се образуват съединения, които са все по-богати на кислород, докато накрая въглеродът се появи под формата на въглероден диоксид и водородът под формата на вода. Тези съединения не могат да бъдат допълнително окислени и при нормални условия от тях не се отделя химическа енергия. CO2 и H2O в vivoпредставляват стабилно състояние на въглерод и водород. По този начин газът и водата са най-стабилни крайни продукти, които могат да бъдат превърнати в други вещества само с помощта на допълнителна енергия от различен произход (например слънчева или електрическа).
Съхранение на слънчева енергия
Отделните периоди на въглеродния цикъл в природата (образуването на енергийно богати въглеродни съединения от въглероден диоксид и вода и последващото им разпадане на същите съединения) продължават от няколко месеца до няколко века. Ако обичайните условия се променят (както се случи например по време на образуването на нефт, газ и въглища), процесите на трансформация могат да протичат изключително бавно, в продължение на милиони години.
В земната кора без достъп до въздух въглеводородите и въглищата са относително стабилни и част от химическата енергия в тях все още се запазва непроменена: те изглежда са запазили слънчевата енергия. Има очевидна аналогия с горния пример с топка. Когато условията се променят (извличане на нефт, въглища или газ на повърхността на земята и тяхното използване), стабилността на състоянието на тези вещества се нарушава: при изгаряне те се свързват с кислород, образувайки въглероден диоксид и вода. В този момент цикълът на въглерода и водорода, чийто нормален ход по геоложки причини е забавен с милиони години, бързо завършва. При изгаряне се отделя енергията на слънчевата радиация, която растенията за дълго времепазени в себе си. Така петролът, природният газ и въглищата са складирана енергия, която е част от веднъж усвоената слънчева енергия.
Произход на водата и вятърната енергия
Известно е, че водноелектрическите централи консумират потенциалната енергия на водата в реките и водопадите, която се отделя поради естествената денивелация. Но водата в своята вечна циркулация попада върху издигнатите райони на земята в резултат на изпаряването на мерки, реки и езера, което се случва предимно под въздействието на слънчевата радиация. Парата, превръщайки се в капки вода, се събира в облаци или облаци, откъдето водата под формата на дъжд и сняг пада обратно на земята, включително на хълм. Водата, която се натрупва тук, има голям запас от потенциална енергия, която след това може да се преобразува в електрическа енергия или механична работа с помощта на турбини, задвижвани от естествени или изкуствено създадени водопади. По този начин по-голямата част от енергията, генерирана от водноелектрическите централи, също дължи своя произход на слънчевата радиация. Само незначителна част от енергията, консумирана по време на изпарението на различни водни тела, е топлината на Земята, която от своя страна се освобождава в резултат на процеси, протичащи вътре в Земята, радиоактивен разпад.
Вятърната енергия също до голяма степен дължи своя произход на Слънцето: разликата в нагряването на отделни зони от земната повърхност причинява атмосферни течения (т.е. вятър).
Добре ли се използва слънчевата енергия?
Както вече видяхме, повечето от нашите енергийни нужди се покриват от слънчевата енергия. но за съжаление, Жива природаизползва тази слънчева енергия неефективно.
Слънцето годишно излъчва огромно количество енергия, равно на ~ 3x1030 kcal, от които Земята достига около 1021 kcal. Приблизително 60% от енергията се абсорбира от въздуха (2,5% от нея се превръща в енергия на вятъра); 25,5% достигат водната повърхност, но от това количество само 0,04% се прехвърлят във водата; консумират много малка част водни растения; 14,5% от енергията на слънчевата радиация достига до сушата, а само 0,12% от нея, благодарение на растенията, се превръща в химическа енергия. „Неизползваната“ енергия от слънчевата радиация на Земята се връща обратно в световното пространство. Земята отделя повече енергия, отколкото получава от Слънцето, тъй като излъчва и енергия, освободена в резултат на радиоактивни процеси, протичащи в нейните дълбини.
По този начин растителният и животински свят, включително човекът, използва абсолютно нищожна част от слънчевата енергия, която пада на Земята. Задачата на бъдещето е да се намерят и разработят средства и методи, които ще помогнат на човек да използва тази енергия по-пълно.
Дълбокото проникване в мистериите на природата, очевидно, ще помогне да се открият фундаментално нови възможности в тази област.
Един от методите е повече ефективно използванеслънчевата енергия, изискваща по-нататъшно теоретично развитие, е интензификацията селско стопанствочрез по-добра обработка на почвата и изкуствено торене и чрез култивиране на растения, които използват тази енергия по-ефективно. Друг метод е създаването на термо- и фотоклетки, където се осъществява директното преобразуване на слънчевата енергия в електрическа.
Запаси от природни енергийни източници
Въглеродът (като енергиен носител) се разпределя на Земята, както следва: съдържа 640 милиарда тона в атмосферата под формата на въглероден диоксид, докато около 150 милиарда тона се консумират годишно от растенията в процеса на фотосинтеза; 500 милиарда тона въглерод се съхраняват в растителните организми и 5 милиарда тона въглерод в животните. По-голямата част от въглерода, съдържащ се в живите организми, след окисление навлиза отново в атмосферата под формата на въглероден диоксид. Въглеродът не участва в окислителни процеси, натрупани в недрата на земята под формата на торф (~ 1000 милиарда тона), въглища (~ 10 000 милиарда тона), нефт (~ 20 милиарда тона).
Образуването на нефт, газ и въглища е процес, продължил много милиони години при специфични условия, които в момента не съществуват, следователно не може да се очаква появата на нови находища в близко бъдеще.
От запасите от въглища от около 10 000 милиарда тона, човечеството е използвало приблизително 60-70 милиарда тона до момента. В момента годишното търсене е повече от 2 милиарда тона. Това е незначителен разход в сравнение със съществуващите запаси. Същото е и с маслото. Освен това, благодарение на използването на най-новите методи за геоложко проучване, се откриват нови находища, но всички те не са неизчерпаеми и трябва да се разпореждат разумно. Трябва също така да се има предвид, че нефтът, природният газ и въглищата са не само източници на енергия, но и най-важната суровина за химическа индустрия. Те се използват за производство на суровини за предприятия за органична химия, те служат като суровини за производството на изкуствени торове и експлозиви, тъй като водородът, необходим за производството на амоняк Nffi, основният суров продукт на тези индустрии, се получава най-икономично от петрол или газ. Ето защо най-важната задача на научните и приложни изследвания е разработването на нови методи за производство на енергия, които ще направят възможно прехвърлянето на нефт и газ в химическата промишленост.
И така, в почти всички природни източници на енергия се съхранява главно енергията на Слънцето. Може да се каже, че в наши дни всяка електроцентрала - или двигател - всъщност се задвижва от него. Атомните централи са изключение, но те все още играят незначителна роля в общото производство на електроенергия. Но атомната енергия също е косвено свързана със слънчевата радиация, тъй като образуването на уран, подобно на други химични елементи, е свързано със Слънцето, с появата на Слънчевата система.
Най-важните източници на въглеводороди са природните и свързаните с тях нефтени газове, нефт и въглища.
По резерви природен газпървото място в света принадлежи на нашата страна. Природният газ съдържа въглеводороди с ниско молекулно тегло. Има следния приблизителен състав (по обем): 80-98% метан, 2-3% от най-близките му хомолози - етан, пропан, бутан и малко количество примеси - сероводород H 2 S, азот N 2, благородни газове , въглероден оксид (IV) CO 2 и водна пара H 2 O . Съставът на газа е специфичен за всяко находище. Има следната закономерност: колкото по-висок е отн молекулна масавъглеводород, толкова по-малко се съдържа в природния газ.
Природният газ се използва широко като евтино гориво с висока калоричност (при изгаряне на 1m 3 се отделят до 54 400 kJ). Това е един от най-добрите видове гориво за битови и промишлени нужди. В допълнение, природният газ е ценна суровина за химическата промишленост: производството на ацетилен, етилен, водород, сажди, различни пластмаси, оцетна киселина, багрила, лекарства и други продукти.
Свързани петролни газовеса в отлагания заедно с нефта: те са разтворени в него и се намират над нефта, образувайки газова „шапка“. При извличане на нефт на повърхността газовете се отделят от него поради рязък спад на налягането. Преди това свързаните газове не са били използвани и са били изгаряни по време на производството на нефт. В момента те са уловени и използвани като гориво и ценни химически суровини. Свързаните газове съдържат по-малко метан от природния газ, но повече етан, пропан, бутан и висши въглеводороди. В допълнение, те съдържат основно същите примеси като в природния газ: H 2 S, N 2, благородни газове, H 2 O пари, CO 2 . Индивидуалните въглеводороди (етан, пропан, бутан и др.) Се извличат от свързани газове, тяхната обработка позволява да се получат ненаситени въглеводороди чрез дехидрогениране - пропилей, бутилен, бутадиен, от които след това се синтезират каучуци и пластмаси. Като битово гориво се използва смес от пропан и бутан (втечнен газ). Природният бензин (смес от пентан и хексан) се използва като добавка към бензина за по-добро запалване на горивото при стартиране на двигателя. При окисляването на въглеводородите се получават органични киселини, алкохоли и други продукти.
Масло- мазна запалима течност с тъмнокафяв или почти черен цвят с характерна миризма. Той е по-лек от водата (= 0,73–0,97 g / cm 3), практически неразтворим във вода. По състав маслото е сложна смес от въглеводороди с различно молекулно тегло, така че няма определена точка на кипене.
Нефтът се състои основно от течни въглеводороди (в тях са разтворени твърди и газообразни въглеводороди). Обикновено това са алкани (главно нормална структура), циклоалкани и арени, чието съотношение в масла от различни находища варира в широки граници. Уралското масло съдържа повече арени. В допълнение към въглеводородите маслото съдържа кислород, сяра и азотни органични съединения.
Обикновено не се използва суров петрол. Да се получи от масло технически ценни продуктиобработва се.
Първична обработкамасло се състои в неговата дестилация. Дестилацията се извършва в рафинерии след отделяне на свързаните газове. При дестилацията на нефт се получават леки нефтопродукти:
бензин ( T kip \u003d 40–200 ° С) съдържа въглеводороди С 5 -С 11,
нафта ( T kip \u003d 150–250 ° С) съдържа въглеводороди С 8 -С 14,
керосин ( T kip \u003d 180–300 ° С) съдържа въглеводороди С 12 -С 18,
газьол ( T kip > 275 °C),
а в останалата част - вискозна черна течност - мазут.
Маслото се подлага на допълнителна обработка. Дестилира се при понижено налягане (за да се предотврати разлагането) и се изолират смазочни масла: шпиндел, двигател, цилиндър и др. Вазелинът и парафинът се изолират от мазута на някои видове масло. Остатъкът от мазут след дестилация - катран - след частично окисляване се използва за производството на асфалт. Основният недостатък на нефтопреработката е ниският добив на бензин (не повече от 20%).
Продуктите от дестилация на масло имат различни приложения.
Бензинизползвани в големи количества като авиационно и автомобилно гориво. Обикновено се състои от въглеводороди, съдържащи средно от 5 до 9 С атома в молекули. НафтаИзползва се като гориво за трактори, както и като разтворител в бояджийската и лаковата промишленост. Големи количества се преработват в бензин. КеросинИзползва се като гориво за трактори, реактивни самолети и ракети, както и за битови нужди. соларно масло - газьол- използвани като моторно гориво, и смазочни масла- за смазване на механизми. Вазелинизползвани в медицината. Състои се от смес от течни и твърди въглеводороди. Парафинизползва се за получаване на висши карбоксилни киселини, за импрегниране на дървесина при производството на кибрит и моливи, за производство на свещи, боя за обувки и др. Състои се от смес от твърди въглеводороди. мазутосвен за преработка в смазочни масла и бензин, се използва като котелно течно гориво.
При вторични методи за обработкамасло е промяна в структурата на въглеводородите, които съставляват неговия състав. Сред тези методи голямо значениеима крекинг на нефтени въглеводороди, извършен с цел увеличаване на добива на бензин (до 65-70%).
Напукване- процес на разделяне на въглеводороди, съдържащи се в маслото, в резултат на което се образуват въглеводороди с по-малък брой С атоми в молекулата. Има два основни вида крекинг: термичен и каталитичен.
Термичен крекингсе извършва чрез нагряване на суровината (мазут и др.) при температура 470–550 °C и налягане 2–6 MPa. В този случай въглеводородните молекули с голям брой С атоми се разделят на молекули с по-малък брой атоми както на наситени, така и на ненаситени въглеводороди. Например:
(радикален механизъм),
По този начин се получава предимно автомобилен бензин. Добивът му от масло достига 70%. Термичният крекинг е открит от руския инженер В. Г. Шухов през 1891 г.
каталитичен крекингизвършва се в присъствието на катализатори (обикновено алумосиликати) при 450–500 °C и атмосферно налягане. По този начин се получава авиационен бензин с рандеман до 80%. Този тип крекинг се подлага главно на керосин и газьолни фракции от петрол. При каталитичния крекинг наред с реакциите на разцепване протичат реакции на изомеризация. В резултат на последното се образуват наситени въглеводороди с разклонен въглероден скелет от молекули, което подобрява качеството на бензина:
Бензинът за каталитичен крекинг има повече високо качество. Процесът на получаването му протича много по-бързо, с по-малко потребление на топлинна енергия. Освен това по време на каталитичен крекинг се образуват сравнително много въглеводороди с разклонена верига (изосъединения), които са от голяма стойност за органичния синтез.
При T= 700 °C и повече, настъпва пиролиза.
Пиролиза- разлагане на органични вещества без достъп на въздух при висока температура. По време на пиролиза на масло основните продукти на реакцията са ненаситени газообразни въглеводороди (етилен, ацетилен) и ароматни въглеводороди - бензен, толуен и др. Тъй като пиролизата на маслото е един от най-важните начини за получаване на ароматни въглеводороди, този процес често се нарича ароматизиране на масло.
Ароматизиране– превръщане на алкани и циклоалкани в арени. Когато тежки фракции от петролни продукти се нагряват в присъствието на катализатор (Pt или Mo), въглеводородите, съдържащи 6–8 С атома на молекула, се превръщат в ароматни въглеводороди. Тези процеси се случват по време на реформинг (обновяване на бензина).
Реформиране- това е ароматизацията на бензините, извършена в резултат на нагряването им в присъствието на катализатор, например Pt. При тези условия алканите и циклоалканите се превръщат в ароматни въглеводороди, в резултат на което октановото число на бензина също се увеличава значително. Ароматизацията се използва за получаване на отделни ароматни въглеводороди (бензен, толуен) от бензинови фракции на масло.
През последните години петролните въглеводороди се използват широко като източник на химически суровини. От тях по различни начини се получават вещества, необходими за производството на пластмаси, синтетични текстилни влакна, синтетичен каучук, алкохоли, киселини, синтетични детергенти, експлозиви, пестициди, синтетични мазнини и др.
Въглищаподобно на природния газ и петрола, той е източник на енергия и ценна химическа суровина.
Основният метод за преработка на въглища е коксуване(суха дестилация). При коксуване (нагряване до 1000 °С - 1200 °С без достъп на въздух) се получават различни продукти: кокс, каменовъглен катран, катранена вода и коксов газ (схема).
Схема
Коксът се използва като редуциращ агент при производството на желязо в металургичните заводи.
Въглищният катран служи като източник на ароматни въглеводороди. Подлага се на ректификационна дестилация и се получават бензен, толуен, ксилен, нафталин, както и феноли, азотсъдържащи съединения и др.
От катранената вода се получават амоняк, амониев сулфат, фенол и др.
Коксовият газ се използва за отопление на коксови пещи (при изгаряне на 1 m 3 се отделят около 18 000 kJ), но се подлага основно на химическа обработка. Така от него се извлича водород за синтеза на амоняк, който след това се използва за производство на азотни торове, както и метан, бензен, толуен, амониев сулфат и етилен.
Японците се заеха с газовото гориво на бъдещето? 13 януари 2013 г
Япония днес започна пробно производство на метан хидрат - разновидност на природния газ, чиито запаси, според редица експерти, могат до голяма степен да решат енергийните проблеми на страната. Специален изследователски кораб "Тикю" /"Земя"/ започна сондажи Тихи океан 70 км южно от полуостров Ацуми близо до град Нагоя на източното крайбрежие на главния японски остров Хоншу.
През изминалата година японски експерти проведоха серия от експерименти за пробиване на тихоокеанското дъно в търсене на метанови хидрати. Този път те възнамеряват да тестват пълномащабния добив на енергийния ресурс и извличането на газ метан от него. При успех търговското разработване на находището близо до град Нагоя ще започне през 2018 г.
Метан хидрат или метан хидрат е комбинация от газ метан с вода, наподобяваща на външен вид сняг или рохкав разтопен лед. Този ресурс е широко разпространен в природата - например в зоната на вечната замръзналост. Под океанското дъно има големи запаси от метанови хидрати, които досега се смятаха за нерентабилни за разработване. Японски експерти обаче твърдят, че са открили относително рентабилни технологии.
Запасите от метанови хидрати само в района южно от град Нагоя се оценяват на 1 трилион кубически метра. Теоретично те могат напълно да задоволят нуждите на Япония от природен газ за 10 години. Като цяло, според експертите, находищата на метанови хидрати под океанското дъно в прилежащите райони на страната ще продължат около 100 години. Въпреки това цената на това гориво, като се вземат предвид разходите за обработка, транспорт и други, все още надвишава пазарната цена на конвенционалния природен газ.
В момента Япония е лишена от енергийни ресурси и ги внася напълно. По-специално Токио е най-големият купувач на втечнен природен газ в света. Напоследък, след аварията в атомната електроцентрала Фукушима-1 и постепенното спиране на всички атомни електроцентрали, търсенето на енергийни ресурси в Япония се увеличи.
Въпреки развитието алтернативни източнициенергия, изкопаемите горива все още държат и в обозримо бъдеще ще държат водеща роляв горивния микс на планетата. Според експертите на ExxonMobil потреблението на енергия през следващите 30 години на планетата ще се увеличи наполовина. Тъй като производителността на известните въглеводородни залежи намалява, нови големи находища се откриват все по-рядко и използването на въглища е вредно за околната среда. Въпреки това, намаляващите запаси от конвенционални въглеводороди могат да бъдат компенсирани.
Същите експерти на ExxonMobil не са склонни да драматизират ситуацията. Първо, технологиите за производство на нефт и газ се развиват. Днес в Мексиканския залив например петролът се добива от дълбочина 2,5-3 км под повърхността на водата, такива дълбочини бяха немислими преди 15 години. Второ, разработват се технологии за преработка на сложни видове въглеводороди (тежки и кисели масла) и нефтени сурогати (битум, нефтени пясъци). Това дава възможност за връщане към традиционните райони за добив и възобновяване на работата там, както и започване на добив в нови райони. Например в Татарстан с подкрепата на Shell започва добивът на т. нар. "тежък петрол". В Кузбас се разработват проекти за добив на метан от въглищни пластове.
Третата посока за поддържане на нивото на производство на въглеводороди е свързана с търсенето на начини за използване на техните нетрадиционни видове. Сред обещаващите нови видове въглеводородни суровини учените идентифицират метановия хидрат, чиито запаси на планетата, според предварителните оценки, са най-малко 250 трилиона кубични метра (според енергийна стойносттова е 2 пъти стойността на всички запаси от нефт, въглища и газ на планетата взети заедно).
Метан хидратът е надмолекулно съединение на метан с вода. По-долу е даден модел на метанов хидрат на молекулярно ниво. Около молекулата на метана се образува решетка от водни (ледени) молекули. Връзката е стабилна при ниски температури и високо кръвно налягане. Например, метановият хидрат е стабилен при 0 °C и налягане от порядъка на 25 бара или повече. Такова налягане възниква в океана на дълбочина около 250 м. При атмосферно налягане метановият хидрат остава стабилен при температура от −80 °C.
Модел на метанов хидрат
Ако метановият хидрат се нагрее или налягането се намали, съединението се разлага на вода и природен газ (метан). От един кубичен метър метанхидрат при нормално атмосферно налягане могат да се получат 164 кубически метра природен газ.
Според Министерството на енергетиката на САЩ запасите от метан хидрат на планетата са огромни. Въпреки това, досега това съединение практически не се използва като енергиен ресурс. Отделът е разработил и изпълнява цяла програма (R&D програма) за търсене, оценка и комерсиализиране на добива на метан хидрат.
Хълм от метанов хидрат на морското дъно
Неслучайно САЩ са готови да отделят значителни средства за разработването на технологии за производство на метанхидрат. Природният газ представлява почти 23% от горивния баланс на страната. Повечето от природния газ в САЩ се доставя чрез тръбопроводи от Канада. През 2007 г. потреблението на природен газ в страната възлиза на 623 милиарда кубически метра. м. До 2030 г. той може да нарасне с 18-20%. Използвайки находища на конвенционален природен газ в САЩ, Канада и офшорни зони, не е възможно да се осигури такова ниво на производство.
Но тук, както се казва, има друг проблем: заедно с газа ще се издигне огромна маса вода, от която газът ще трябва да бъде пречистен с цялото възможно старание. Няма такива двигатели, които биха били безразлични дори към 1% от масата на горивото под формата на хлориди и други океански соли. Дизелите ще умрат първи, турбините ще издържат малко повече. Това ВЪНШЕН двигател с горене на Стърлинг ли е?
Така че подаването на газ директно от долния слой към тръбопровода няма да работи по никакъв начин. Когато почистват Головников, японците ще хвърчат през покрива. И тогава зелените ще ги вземат за замърсяване в дебелината на океана с неговите дънни слоеве. Най-вероятно струя от пясък и други примеси ще тръгне по течението и ще бъде видима от космоса. Приблизително като в Мраморно море струя от Босфора.
Този проект и неговите перспективи много ми напомнят за двусмислен и до голяма степен противоречив проект за шистов газ.
източници
естествени изворивъглеводороди.
Въглеводородите са от голямо икономическо значение, тъй като те служат като най-важният вид суровина за получаване на почти всички продукти на съвременната промишленост на органичния синтез и се използват широко за енергийни цели. Те сякаш акумулират слънчева топлина и енергия, които се отделят при горенето. Торфът, въглищата, нефтените шисти, нефтът, природните и свързаните с тях нефтени газове съдържат въглерод, чиято комбинация с кислород по време на горене е придружена от отделяне на топлина.
въглища | торф | масло | природен газ |
твърдо | твърдо | течност | газ |
без мирис | без мирис | Силна миризма | без мирис |
еднороден състав | еднороден състав | смес от вещества | смес от вещества |
тъмно оцветена скала страхотно съдържаниегоримо вещество, възникнало в резултат на погребване в седиментните слоеве на натрупвания различни растения | натрупване на полуразложена растителна маса, натрупана на дъното на блата и обрасли езера | естествена горима маслена течност, състои се от смес от течни и газообразни въглеводороди | смес от газове, образувани в недрата на Земята при анаеробно разлагане на органични вещества, газът принадлежи към групата на седиментните скали |
Калоричност - броят на калориите, отделени при изгарянето на 1 кг гориво | |||
7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Въглища.
Въглищата винаги са били обещаваща суровина за енергия и много химически продукти.
От 19 век първият голям потребител на въглища е транспортът, след това въглищата започват да се използват за производство на електроенергия, металургичен кокс, производство на различни продукти по време на химическа обработка, въглеродно-графитни конструкционни материали, пластмаси, планински восък, синтетични, течни и газообразни висококалорични горива, високоазотни киселини за производство на торове.
Въглищата са сложна смес от високомолекулни съединения, които включват следните елементи: C, H, N, O, S. Въглищата, подобно на нефта, съдържат голямо количество различни органични вещества, както и неорганични вещества, като напр. , вода, амоняк, сероводород и разбира се самият въглерод - въглища.
Преработката на каменните въглища протича в три основни направления: коксуване, хидрогениране и непълно изгаряне. Един от основните начини за преработка на въглища е коксуване– калциниране без достъп на въздух в коксови пещи при температура 1000–1200°C. При тази температура, без достъп до кислород, въглищата претърпяват най-сложните химични трансформации, в резултат на което се образуват кокс и летливи продукти:
1. коксов газ (водород, метан, въглероден окис и въглероден двуокис, примеси от амоняк, азот и други газове);
2. въглищен катран (няколкостотин различни органични вещества, включително бензен и неговите хомолози, фенол и ароматни алкохоли, нафталин и различни хетероциклични съединения);
3. супракатран или амонячна вода (разтворен амоняк, както и фенол, сероводород и други вещества);
4. кокс (твърд остатък от коксуване, практически чист въглерод).
Охладеният кокс се изпраща в металургичните заводи.
Когато летливите продукти (коксов газ) се охладят, въглищният катран и амонячната вода кондензират.
При преминаване на некондензирани продукти (амоняк, бензен, водород, метан, CO 2 , азот, етилен и др.) през разтвор на сярна киселина се изолира амониев сулфат, който се използва като минерален тор. Бензолът се поема в разтворителя и се дестилира от разтвора. След това коксовият газ се използва като гориво или като химическа суровина. Въглищен катран се получава в малки количества (3%). Но предвид мащаба на производството каменовъгленият катран се счита за суровина за получаване на редица органични вещества. Ако продуктите, кипящи до 350 ° C, се изгонят от смолата, тогава остава твърда маса - смола. Използва се за производство на лакове.
Хидрогенирането на въглищата се извършва при температура 400-600 ° C под налягане на водорода до 25 MPa в присъствието на катализатор. В този случай се образува смес от течни въглеводороди, която може да се използва като моторно гориво. Получаване на течно гориво от въглища. Течните синтетични горива са високооктанов бензин, дизел и котелно гориво. За да се получи течно гориво от въглища, е необходимо да се увеличи съдържанието на водород в тях чрез хидрогениране. Хидрогенирането се извършва с помощта на многократна циркулация, която ви позволява да превърнете в течност и газове цялата органична маса на въглищата. Предимството на този метод е възможността за хидрогениране на нискокачествени кафяви въглища.
Газификацията на въглища ще позволи използването на нискокачествени кафяви и черни въглища в топлоелектрическите централи, без да замърсява околната среда със серни съединения. Това е единственият метод за получаване на концентриран въглероден оксид (въглероден оксид) CO. При непълно изгаряне на въглищата се отделя въглероден окис (II). На катализатор (никел, кобалт) при нормално или повишено налягане водородът и CO могат да се използват за производство на бензин, съдържащ наситени и ненаситени въглеводороди:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Ако сухата дестилация на въглища се извършва при 500–550 ° C, тогава се получава катран, който заедно с битума се използва в строителната индустрия като свързващо вещество при производството на покриви, хидроизолационни покрития (покривен материал, покривен филц, и т.н.).
В природата въглищата се срещат в следните региони: Московска област, Южен Якутски басейн, Кузбас, Донбас, Печорски басейн, Тунгуски басейн, басейн на Лена.
Природен газ.
Природният газ е смес от газове, чийто основен компонент е метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимост от находището), останалото е етан, пропан, бутан и малко количество примеси - азот, въглероден оксид (IV ), сероводород и водни пари, и почти винаги сероводороди органични съединения на нефта - меркаптани. Именно те придават на газа специфична неприятна миризма и при изгаряне водят до образуването на токсичен серен диоксид SO 2.
Като цяло, колкото по-високо е молекулното тегло на въглеводорода, толкова по-малко от него се съдържа в природния газ. Съставът на природния газ от различни находища не е еднакъв. Средният му състав като обемни проценти е както следва:
CH 4 | C 2 H 6 | C 3 H 8 | C 4 H 10 | N 2 и други газове |
75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Метанът се образува при анаеробна (без достъп на въздух) ферментация на растителни и животински остатъци, поради което се образува в дънни утайки и се нарича "блатен" газ.
Отлагания на метан в хидратирана кристална форма, т.нар метан хидрат,открити под слой от вечна замръзналост и на големи дълбочини на океаните. При ниски температури (−800ºC) и високи наляганиямолекулите на метана се намират в кухините на кристалната решетка на водния лед. В ледените кухини на един кубичен метър метанов хидрат са "затворени" 164 кубични метра газ.
Парчетата метан хидрат изглеждат като мръсен лед, но във въздуха горят с жълто-син пламък. Изчислено е, че планетата съхранява между 10 000 и 15 000 гигатона въглерод под формата на метан хидрат (гига се равнява на 1 милиард). Такива обеми са многократно по-големи от всички известни в момента запаси от природен газ.
Природният газ е възобновяем природен ресурс, тъй като непрекъснато се синтезира в природата. Нарича се още „биогаз“. Ето защо днес много учени по околната среда свързват перспективите за проспериращо съществуване на човечеството именно с използването на газ като алтернативно гориво.
Като гориво природният газ има големи предимства пред твърдите и течните горива. Калоричността му е много по-висока, при горене не оставя пепел, продуктите от горенето са много по-чисти в екологично отношение. Следователно около 90% от общия обем произведен природен газ се изгаря като гориво в топлоелектрически централи и котелни, в топлинни процеси при индустриални предприятияи в ежедневието. Около 10% от природния газ се използва като ценна суровина за химическата промишленост: за производство на водород, ацетилен, сажди, различни пластмаси и лекарства. От природния газ се изолират метан, етан, пропан и бутан. Продуктите, които могат да бъдат получени от метан, са от голямо промишлено значение. Метанът се използва за синтеза на много органични вещества - синтезен газ и по-нататъшен синтез на алкохоли на негова основа; разтворители (тетрахлорметан, метиленхлорид и др.); формалдехид; ацетилен и сажди.
Природният газ образува самостоятелни находища. Основните находища на природни горими газове се намират в Северен и Западен Сибир, Волго-Уралския басейн, Северен Кавказ (Ставропол), Република Коми, Астраханска област, Баренцово море.