Orgaaniliste ühendite tööstuslik tootmine - nafta, maagaas, kivisüsi. Orgaaniline kütus (kivisüsi, nafta, gaas)
Fossiilkütused on nafta, kivisüsi, põlevkivi, maagaas ja selle hüdraadid, turvas ja muud põlevad mineraalid ja kaustobioliitide rühma kuuluvad ained, mida kasutatakse peamiselt kütusena, kaevandatakse maa all või avatud meetod. Fossiilsed kütused tekivad surnud taimede kivistunud jäänustest, kuna need lagunevad anaeroobselt kuuma ja rõhu all miljonite aastate jooksul maakoores. Kivisüsi ja turvas on kütused, mis tekivad loomade ja taimede jäänuste kogunemisel ja lagunemisel. Fossiilkütused on taastumatud loodusvara, kuna need kogunesid miljonite aastate jooksul. Energiateabe administratsiooni andmetel kasutati 2007. aastal primaarenergiaallikaid: nafta - 36,0%, kivisüsi - 27,4%, maagaas - 23,0%, fossiilkütused kokku moodustasid 86,4% kõigist allikatest (fossiilsed ja mittefossiilsed). ) maailmas tarbitud primaarenergiast. Tuleb märkida, et mittefossiilsete energiaallikate hulka kuuluvad: hüdroelektrijaamad - 6,3%, tuumaenergia - 8,5% ja muud (geotermiline, päikeseenergia, loodete, tuule, puidu ja jäätmete põletamine) 0,9% ulatuses.
Nafta (kreeka keeles ναφθα ehk türgi nefti kaudu pärsia õlist; läheb tagasi akadi napatumi – süttima, süttima) on looduslik õline tuleohtlik vedelik, mis koosneb süsivesinike ja mõne muu orgaanilise ühendi keerulisest segust. Õli värvus on punakaspruun, mõnikord peaaegu must, kuigi mõnikord leidub kergelt kollakasrohelist ja isegi värvitut õli; on spetsiifilise lõhnaga ja on levinud Maa settekivimites. Õli on inimkonnale teada olnud iidsetest aegadest. Tänapäeval on nafta aga inimkonna jaoks üks olulisemaid mineraale.
Kivisüsi on teatud tüüpi fossiilkütus, mis moodustub iidsete taimede osadest maa all ilma hapnikuta. Süsiniku rahvusvaheline nimi pärineb latist. carbō ("kivisüsi"). Kivisüsi oli esimene fossiilkütus, mida inimesed kasutasid. See võimaldas tööstusrevolutsiooni, mis omakorda aitas kaasa söetööstuse arengule, pakkudes sellele rohkem moodne tehnoloogia. Süsi, nagu nafta ja gaas, on orgaaniline aine, mis on aeglaselt lagunenud bioloogiliste ja geoloogilised protsessid. Söe tekke aluseks on taimejäänused. Sõltuvalt muundamise astmest ja süsiniku konkreetsest kogusest kivisöes eristatakse nelja tüüpi:
pruunsüsi (ligniit); söed; antratsiit; grafiidid.
Lääneriikides on veidi erinev klassifikatsioon – vastavalt pruunsöed, subbituminoossed söed, bituumensöed, antratsiidid ja grafiidid.
Põlevkivi on tahkete kaustobioliitide rühma kuuluv mineraal, millest kuivdestilleerimisel tekib märkimisväärne kogus vaiku (koostiselt õlilähedast). Kildad tekkisid peamiselt 450 miljonit aastat tagasi merepõhjas taimede ja loomade jäänustest. Põlevkivi koosneb valdavalt mineraalidest (kaltsiit, dolomiit, hüdromikad, montmorilloniit, kaoliniit, päevakivid, kvarts, püriit jt) ja orgaanilistest osadest (kerogeen), viimane moodustab 10-30% kivimi massist ja jõuab alles kõrgeima kvaliteediga põlevkivi 50-70%. Orgaaniline osa on algloomvetikate bio- ja geokeemiliselt muundunud aine, mis on säilitanud oma rakulise struktuuri (tallomoalginiit) või kaotanud selle (kolloalginiit); orgaanilises osas esinevad lisandina modifitseeritud jäägid kõrgemad taimed(vitriniit, fusainiit, lipoidiniit).
Maagaas on gaaside segu, mis moodustub maa sooltes anaeroobse lagunemise käigus orgaaniline aine. Viitab mineraalidele. Maagaas reservuaari tingimustes (maa sooltes esinemise tingimused) on gaasilises olekus - eraldi kogunemiste (gaasimaardlate) või nafta- ja gaasiväljade gaasikorgi kujul või lahustunud kujul. olek õlis või vees. Standardtingimustes (101,325 kPa ja 20 °C) on maagaas ainult gaasilises olekus. Maagaas võib olla ka kristalses olekus maagaasi hüdraatide kujul.
Gaashüdraadid (ka maagaasi hüdraadid või klatraadid) on kristalsed ühendid, mis moodustuvad teatud termobaarilistes tingimustes veest ja gaasist. Nime “klatraatid” (ladina keelest clathratus – “puuri panema”) andis Powell 1948. aastal. Gaashüdraadid on mittestöhhiomeetrilised ühendid, see tähendab muutuva koostisega ühendid.
Põlevkivigaas (ingl. shale gas) on põlevkivist ammutatud maagaas, mis koosneb peamiselt metaanist.
Turvas (saksa keeles Torf) on põlev mineraal; tekkinud sootingimustes mittetäieliku lagunemise läbinud taimejäänuste kuhjumisel. Sisaldab 50-60% süsinikku. Põlemissoojus (maksimaalne) - 24 MJ/kg. Seda kasutatakse laialdaselt kütusena, väetisena, soojusisolatsioonimaterjalina ja nii edasi. Soo iseloomustab mittetäielikult lagunenud orgaanilise aine ladestumine mullapinnale, mis hiljem muutub turbaks. Turbakiht soodes on vähemalt 30 cm (kui vähem, siis on tegemist märgaladega).
Fossiilsed kütused sisaldavad suures koguses süsinikku ja hõlmavad fossiilset kivisütt, naftat ja maagaasi. Nafta, gaas ja fossiilne kivisüsi tekkisid omakorda kunagiste organismide ladestustest kõrge temperatuuri, rõhu ja settekihi alla mattunud surnud organismide anaeroobse lagunemise mõjul. Organismide vanus on sõltuvalt fossiilkütuse tüübist tavaliselt miljoneid aastaid ja mõnikord ületab 650 miljonit aastat. Rohkem kui 80% tänapäeval kasutatavast naftast ja gaasist tekkis kihtides, mis tekkisid mesosoikumi ja tertsiaari perioodidel 180–30 miljonit aastat tagasi. mere mikroorganismid, kogunenud setetena merepõhja.
Nafta põhikomponendid ja ka gaas tekkisid ajal, mil orgaanilised jäägid ei olnud veel täielikult oksüdeerunud ning süsinikku, süsivesinikke ja sarnaseid komponente esines vähesel määral. Settekivimid katsid nende ainete jäänuseid. Temperatuur ja rõhk tõusid ning kivimite tühikutesse kogunes vedel süsivesinik.
Nafta ja maagaasi päritolu kohta on olemas alternatiivne hüpotees, mis püüab selgitada mõningate anomaalsete naftamaardlate teket.
Nafta tootmine on naftatööstuse allsektor, majandusharu, mis tegeleb looduslike mineraalide – nafta – kaevandamisega. Eufrati kaldal tehtud väljakaevamised on kindlaks teinud naftavälja olemasolu 6000-4000 aastat eKr. Seda kasutati kütusena, naftabituumenit kasutati ehituses ja teedeehituses. aastal tunti ka õli Iidne Egiptus, kus seda kasutati surnute palsameerimiseks. Hoolimata asjaolust, et alates 18. sajandist tehti üksikuid katseid õli puhastamiseks, siiski kuni II. 19. sajandi pool sajandeid kasutati seda peamiselt looduslikul kujul. Tähelepanu pälvis õli aga alles pärast seda, kui Venemaal tõestati vendade Dubininide tehasepraktika (alates 1823. aastast) ja Ameerikas keemik B. Sillimani poolt (1855), et sellest saab eraldada petrooleumi - süüteõli. sarnane sel ajal laialt levinud fotogeeniga, mida toodeti teatud tüüpi kivisöest ja põlevkivist. Sellele aitas kaasa areng 19. sajandi keskpaigas uus viis naftatootmine kaevude (kaevanduste) asemel puurkaevude abil. Tööstuslikult puuriti esimene (uuringu)naftapuurauk Absheroni poolsaarel 1847. aastal, esimene tootmiskaev puuriti jõele. Kudako Kubanis 1864. aastal. Esimene kaev puuriti USA-s 1859. aastal. Naftaväljade arendamisel pumbatakse reservuaari (rõhu hoidmiseks reservuaaris) magedat vett, sealhulgas segus sellega seotud naftagaasiga (Water-gas stimulation) või mitmesuguste kemikaalid suurendada naftavarustamist ja võidelda tootmiskaevude veekatkestuse vastu. Seoses maismaa naftavarude ammendumisega on naftatööstuse kaevandamissektori tehnoloogia edasine täiustamine võimaldanud alustada naftaplatvormide abil mandrilava naftaväljade arendamist.
Inimkond on ammu kasutanud kaevandusi kivisöe kaevandamiseks suurest sügavusest. Territooriumi sügavaimad kaevandused Venemaa Föderatsioon kivisütt kaevandatakse veidi üle 1200 meetri sügavuselt. Söesisaldusega maardlad koos kivisöega sisaldavad mitut tüüpi georessursse, millel on tarbija jaoks oluline tähtsus. Nende hulka kuuluvad põhikivimid ehitustööstuse toorainena, põhjavesi, söekihi metaan, haruldased ja mikroelemendid, sealhulgas väärtuslikud metallid ja nende ühendid. Erilist huvi pakub reaktiivlennukite kasutamine hävitamisvahendina pügajate ja teepealsete juhtorganites. Samal ajal areneb pidevalt seadmete ja tehnoloogia areng söe ja kivimite hävitamiseks pideva, pulseeriva ja pulseeriva toimega kiirete jugadega.
Söe gaasistamine - kaasaegsed gaasigeneraatorid suudavad muundada tahkekütust kiiruselt 60 000 m³/h kuni 80 000 m³/h. Gaasistamistehnoloogia areneb tootlikkuse tõstmise (kuni 200 000 m³/h) ja efektiivsuse tõstmise (kuni 90%) suunas, tõstes selle tehnoloogilise protsessi temperatuuri ja rõhku (vastavalt kuni +2000 °C ja 10 MPa) . Tehti katseid kivisöe maa-alusel gaasistamisel, mille kaevandamine erinevatel põhjustel ei ole majanduslikult tasuv.
Looduslike energiaallikate päritolu
Maailma energiatootmine kasvab kiiresti. 1962. aastal oli see jõudnud juba ligikaudu 33x1015 kcal-ni. Suurema osa sellest kogusest kasutab inimkond mehaanilisteks töödeks ja kütteks. Sellesse protsessi vahendajana kaasatud elektrienergia hulk kasvab pidevalt.
Nagu juba öeldud, tööd ei saa koguda, seega ei saa looduses olla ka “töövaru”. Maal ei ole ka elektrienergiat kujul, mis oleks saadaval otseseks makroskoopiliseks kasutamiseks. Seetõttu oleme ühiskonna energiavajaduse katmiseks sunnitud pöörduma muude allikate poole.
Kuna energiat ei saa mitte millestki "luua", oleme sunnitud tootma meile vajalikke energialiike muul viisil muundades ning see muundamine peab olema ökonoomne ja võimalik suures tootmismahus. Selliste energialiikide kandjateks on ennekõike kivisüsi (kõva ja pruun), aga ka nafta ja maagaas, mida kasutatakse praegu tööstuses kütusena mehaanilisi töid või töid tegevatele mootoritele. elektrienergia. Lisaks ülaltoodud energiakandjatele on sobiva maastikuga riikides üsna laialdaselt kasutusel veeenergia (" valge kivisüsi") ja vähesel määral tuul. Arenenud riikides tõmbub loomse lihasenergia kasutamine üha enam tagaplaanile. Praegu kasvab tuumajaamade osatähtsus elektrienergia kogutoodangus pidevalt. energianõudluse kiire kasv üle maailma, püütakse tööstuslikul otstarbel kasutada uusi energiaallikaid, näiteks päikesekiirgust, eelkõige on tehtud ettepanek koondada päikeseenergiat peeglite abil ja kasutada nii saadud soojust. toota auru, millega saab turbiine juhtida.Uuringud juhtmete vallas pole veel kuigi palju tulemusi andnud, kuid praegu annavad need juba võimaluse valmistada termo- ja fotoelemente, mille abil saab soojus- või valguskiirguse energiat Päikest on võimalik muuta elektrienergiaks kasuteguriga 10-13%.Teadlased tegelevad ka Maa soojuse kasutamise probleemiga.Temperatuur Maa sisemuses tõuseb koos sügavusega. Kui tuua soojust suurtest sügavustest maapinnale, siis seda temperatuuri langetades saad soojuse osaliselt tööks muuta. Sellel põhimõttel on maasoojuselektrijaamu juba ehitatud. Nende laiemat levikut takistavad aga veel ületamata tehnilised raskused.
Samuti püütakse kasutada veepinna tasemete erinevusele vastavat energiat tõusude ja mõõnade ajal.
Kõik need uued energiaallikad katavad praegu väga väikese osa ülemaailmsest energiatarbimisest. Tänapäeval rahuldatakse energiavajadus peamiselt kivisöe, nafta ja maagaasiga; Ilmselgelt selline olukord lähiajal jätkub. Sellega seoses pakub kahtlemata huvi nendesse looduslikesse allikatesse kogunenud energia päritolu küsimus.
Söe päritolu
Kütuse või kütusena kasutatav kivisüsi (kõva ja pruun) asub enamikul juhtudel maapinnas (osaliselt sadade meetrite sügavusel). Maa pinnal või vahetult pinnakihtide läheduses leidub vaid mõningaid pruunsöe maardlaid. Kaevandatud kivisüsi sisaldab lisaks süsinikule erinevas koguses ühendeid (peamiselt süsiniku ühendeid hapniku ja vesinikuga ning väiksemates kogustes lämmastiku, väävli ja muude elementidega). Peamised kivisöe keemilised elemendid on süsinik, hapnik ja vesinik.
Pruunid ja kivisöed on enamasti taimset päritolu ja sisaldavad vähesel määral mineraalaineid. Need tekkisid iidsetel aegadel soojas ja niiskes kliimas tugevasti kinnikasvanud taimedest, kui nad pärast surma veehoidlate põhja vajusid ega allunud seetõttu lagunemisele ja põlemisele, mille käigus taimedes sisalduv süsinik enamasti muundub süsinikdioksiid ja teised lenduvad. Nende taimede lagunemisprotsesside käigus (peamiselt tj||| mikroorganismide mõjul) eralduvad neist vesiniku- ja hapnikurikkad ühendid ning süsinikusisaldus suureneb - tekib turvas. Turvas kattub seejärel muude setetega (liiv, savi) ja vajub geoloogiliste liikumiste tulemusena sügavale maa sisse, kus surve ja kõrge temperatuur turba moodustumise protsess läheb söe tekke protsessi (süsinikusisalduse suurenemine). Selle protsessiga seotud elementide migratsiooni ajal väheneb vesiniku ja hapniku sisaldus jätkuvalt ning süsiniku sisaldus suureneb; Selle tulemusena saadakse turbast pruunsütt, kivisütt ja lõpuks antratsiiti. Pruunisüsi moodustub 40-60 miljoni aasta jooksul
Nafta ja maagaasi päritolu
Nafta ja maagaas koosnevad peamiselt süsivesinikest (süsiniku ja vesiniku ühendid), vähesel määral ka muid elemente (väävel, lämmastik, hapnik jne). Õli sisaldab 82-87% süsinikku ja 11-14% vesinikku. Nafta päritolu küsimuses on erinevaid seisukohti. Kõige aktsepteeritavam teooria on see, et gaas ja nafta koosnevad peamiselt loomse päritoluga orgaanilistest ainetest (mõned teadlased usuvad, et nafta ja gaas tekkisid paljudel juhtudel maa sügavustes vee mõjul metallikarbiididele). . Surevad ja merepõhja vajuvad elusorganismid satuvad tingimustesse, kus nad ei saa oksüdatsiooni tagajärjel laguneda ega mikroorganismide poolt hävitada ning õhuga kokkupuute puudumise tõttu moodustavad mudaseid setteid. Geoloogiliste liikumiste tulemusena tungivad need setted suurde sügavusse. Seal toimub rõhu ja kõrge temperatuuri ning võib-olla ka mikroorganismide mõjul miljonite aastate jooksul kuivsublimatsiooni protsess, mille käigus setetes sisalduv süsinik muundub enamasti süsivesinikühenditeks, samas kui suurem osa hapnikust. ja muud elemendid rändavad. Vedel aine, mis koosneb peamiselt erineva molekulmassiga süsivesinike segust, võib iseseisvalt rännata, tungides läbi maa sisemuse pooride ja pragude. Maagaasi põhikomponendid on madala molekulmassiga süsivesinikud (peamiselt metaan ja etaan), nafta aga suure molekulmassiga süsivesinikud.
Nimetused kivisüsi ja nafta, mis näitavad nende päritolu elutust materjalist (geoloogiline, mitte bioloogiline), on vaid osaliselt õigustatud. Tegelikult tekkisid need tooted loomade ja taimede elutegevuse tulemusena tekkinud ainetest ning seetõttu on neil bioloogiline päritolu. Need muutused, mis viisid loomsetest ja taimsetest organismidest kivisöe, nafta ja gaasi tekkeni, ei ole aga enamasti oma olemuselt bioloogiline, vaid on ümbritsevas elutus keskkonnas tekkinud geoloogiliste ja geokeemiliste tingimuste (rõhk, temperatuur jne) tagajärg. Teada on ka teisi mineraale, mis on muundumiste saadused bioloogilised ained(näiteks kriit).
Energia päritolu kivisöest, naftast ja maagaasist
Seega on peamised looduslikud energiaallikad bioloogilist päritolu ja sisaldavad peamiselt süsinikku. Sellega seoses tekivad loomulikult erinevad küsimused. Kust tuleb elusolendites energia? Millist rolli mängib süsinik energiavarustuses? Kuidas neisse koguneb energia ja selle järgnev muundamine soojuseks või tööks? Süvenemata bioloogiliste protsesside detailidesse, võib öelda, et taimedel on elusmaailma arengus määrav roll. On teada, et taimed võivad eksisteerida ilma loomadeta, kuid loomad ei saa eksisteerida ilma taimedeta. Märkimisväärne osa loomadest sööb taimi, ülejäänud (kiskjad) söövad taimtoiduliste liha (see kehtib ka inimeste kohta). Seega saavad nad kaudselt ka oma toidu taimemaailmast; viimane ei ole mitte ainult materjal kehakudede ehitamiseks, vaid annab ka neile vajaliku energia. Nii et elusorganismide energia päritolu väljaselgitamiseks piisab, kui uurida taimedes kogunenud energia päritolu küsimust.
Küsimus ainete päritolu kohta, millest taimeorganismid on ehitatud, on olnud sajandeid teaduslike poleemika objektiks, kuna taimede toitumisprotsessi (erinevalt loomadest) ei saa otseselt jälgida. Alles 19. sajandil tehti lõplikult kindlaks, et taimed ehitavad oma organisme üles atmosfääri süsihappegaasist, pinnasest imendunud veest, aga ka lämmastikust, fosforist, väävlist, kaaliumist ja muudest elementidest, mis on osa anorgaanilistest ainetest, millest taimed toituvad. Süsinikdioksiid ja vesi, mis on taimede peamine toitaine, on väga lihtsad, energiavaesed ühendid, mida iseloomustab madal keemiline aktiivsus, samas kui peamised taimset (nagu ka loomset) päritolu ühendid on reeglina väga keerulised. koostis, kõrge energiasisaldus ja teatud tingimustel suhteliselt kõrge keemiline aktiivsus. Seega on loomulik eeldada, et taimeorganismide ehitamine looduslikest “toorainetest” peab toimuma mõne võimsa energiaallika mõjul, mida saab muundada kompleksühendite keemiliseks energiaks. Alles 19. sajandi teisel poolel tehti täpselt kindlaks, et selle energia allikaks on Päike (selle valgusenergia).
Aastas Maale jõudva päikesekiirguse energia on 1021 kcal. Suurem osa sellest muutub soojuseks või peegeldub uuesti kosmosesse.
Väikese osa (saja protsendi) aga tarbivad taimed ning nende rohelistes osades sisalduva klorofülli abil toodavad nad fotosünteesi käigus suhkrut, tärklist, glükoosi, valku, nukleiinhappeid, alkaloide jm. energeetiliselt rikkad ja komplekssed ühendid. Üldjoontes toimub see järgmiselt: klorofülli neeldunud valgusenergia abil nõrgenevad või katkevad keemilised sidemed süsinikdioksiidis, vees ja teistes toitainetes, ajutiselt moodustuvad energiarikkad aatomid ja radikaalid, millest erinevate keemiliste protsesside käigus tekivad järjest keerukamate omadustega ained.molekulid. Paljud aatomid on üksteisega ühendatud suure hulga erinevate keemiliste sidemetega. Päikeseenergia akumuleerub seega keemilise energia kujul. Skemaatiliselt saab fotosünteesi reaktsiooni selgelt näidata 1 mooli glükoosi moodustumise protsessis:
6CO2 + bShO + 674 kcal -> CeffizOs + 6O2.
Fotosünteesi käigus eraldub hapnik. Reaktsioone, mis toodavad hapnikku, nimetatakse redutseerimisreaktsioonideks.
Järelikult saavad elusorganismid oma keemilise energia Päikese kiirgusenergiast. Keskendumine päikeseenergia esineb peamiselt süsivesikutes: (süsinikust, vesinikust ja hapnikust koosnevad ühendid) glükoos (CsIIIgOc), peedisuhkur (CuHjzO11)i tärklis ja tselluloos (CeHioOsJn, kus n on muutuv väärtus. Seejärel osa süsivesikutest oksüdeerub, samas, näiteks 1 moolist glükoosist moodustub süsinikdioksiid ja vesi vastavalt järgmisele keemiline reaktsioon:
SbNpOv + 6O2 -> bCOg + bBIO + 674 kcal.
Süsivesikutest vabanevat energiat kasutatakse organismi toimimiseks vajalike veelgi keerukamate ja energiarikkamate ühendite (rasvad, valgud, nukleiinhapped, alkaloidid jne) ehitamiseks Osa neist ainetest (eelkõige rasvad) oksüdeerub, vabaneb. kui sel juhul koondub energia kehasse ja läheb selle energiavajaduse katmiseks;
Oksüdatsiooni tulemusena muutuvad fotosünteesi käigus saadud komplekssed orgaanilised ühendid taas algseteks energiavaesteks aineteks - süsihappegaasiks ja veeks. Lõppkokkuvõttes kogu taimeorganism kas sureb või muutub loomade (või inimeste) toiduks. Surnud kehas olevad ühendid hakkavad mikroorganismide mõjul lagunema ja oksüdeeruma.
Süsiniku, vesiniku ja hapniku tsükkel
Süsinik, vesinik ja hapnik teevad seega looduses tsükli: elusorganismide energeetiliselt vaestest süsinikuühenditest tekivad päikeseenergia mõjul energeetiliselt rikkamad orgaanilised ühendid, eraldub hapnik; siis pika keeruliste muundumiste jada käigus hapniku neeldumisel tekib jälle süsihappegaas ja vesi jne.
Elusmaailma keemia tsüklilisus, s.o. Äärmiselt oluline on asjaolu, et lagunemise käigus tekivad taas algproduktid ("toorained"), kuna selle tulemusena ei saa elusorganismide toorainebilanss kunagi häirida. Mis siis, kui näiteks? mikroobid surnud organisme ei lagundanud, siis ei saanud elu Maal kaua kesta, kuna sel juhul oleks meie käsutuses olev süsinikuvaru lühiajaline"(geoloogilisest vaatenurgast) settiks surnud organismidesse. Ei maksa unustada, et uuritud osa Maast (maakoor ja õhk) sisaldab ainult 0,09% süsinikku.
Selle "tavalise" tsükli jooksul hoitakse süsinikku kinni elavad organismid suhteliselt lühikest aega(kõige rohkem - mitusada aastat). Juba siin saab seda kasutada: puit ja muud taimeosad on samuti energiakandjad, mida inimesed on iidsetest aegadest kasutanud. Ühiskonna kasvava energiavajaduse tõttu ei suutnud puit seda vajadust enam rahuldada ning metsaalade kiire vähenemine tõi kaasa tungiva vajaduse kasutada puidu asemel muid energiaallikaid. 19. sajandil kasvas kivisöe tähtsus energiaallikana kiiresti. Kivisütt hakati kaevandama juba 13. sajandil, kuid kuni 19. sajandini kasutati seda peamiselt vaid kütteks.
Tsükli rikkumine
Kivisüsi tekkis tegelikult loodusliku süsinikuringe katkemise tagajärjel, mil elusorganismide süsiniku kompleksühendite lagunemine ei jõudnud madalaima energiatasemeni (süsinikdioksiid), vaid peatus vahepealsel etapil. Takistusteta süsinikuringe, s.o. Lagunemisprotsessi lõpuleviimiseks on vaja nii palju hapnikku, kui seda saab õhust eraldada. Kui lagunemisprotsessi käigus jäeti orgaanilised ained mingil geoloogilisel põhjusel ilma juurdepääsust õhule, siis selle vool muutus - aeglustus oluliselt. Nendes tingimustes andsid oksüdatiivsed protsessid hapnikupuuduse tõttu teed redutseerimisprotsessidele, mille produktid sõltuvad suuresti transformatsiooni füüsikalistest ja keemilistest tingimustest (rõhk, temperatuur, mikroorganismid jne). Nafta ja gaasi moodustumisel peamiselt süsinikust koosnevatest orgaanilise päritoluga ühenditest tekivad esmalt süsivesinikud, kivisöe tekkel aga eraldub süsinik enamikust surnud organismide ainetest. Nii süsivesinikud kui ka elementaarne süsinik sisaldavad rohkem keemilist energiat kui süsinikdioksiid, nii et need põletatakse (ühendatakse hapnikuga), eraldades soojust, tekitades energiavaest süsinikdioksiidi:
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + 210,8 kcal,
СзН8 + 5О2 -> ЗСОг + 4ШО + 526,3 kcal,
C + O2 -» COg + 94,3 kcal.
Süsinikdioksiid ei põle, see ei saa õhuga (hapnikuga) kombineerituna energiat vabastada.
Milline aine olek on kõige stabiilsem?
Esmapilgul võib tunduda üllatav, et süsiniku elementaarvorm ei ole energiavaesem ega ka kõige stabiilsem. Tuleb märkida, et ainete kõige stabiilsemad olekud on need, milles nende energia väärtus on antud tingimustes madalaim,
Vaatleme mehaanika näidet. Laske pallil neljandal korrusel asuvas ruumis olla põrandal olles stabiilses asendis. Laual või kapis on palli olek vähem stabiilne: siit võib see "iseenesest" (ilma energiavarustuseta) põrandale kukkuda ja selle potentsiaalne energia muutub kineetiliseks energiaks ja siis, kui see tabab. põrandale soojus- ja helienergiasse. See protsess "iseenesest" ei saa minna vastupidises suunas. Palli lauale või kappi viimine on võimalik ainult teatud energiakuluga. Põrandal (eeldusel, et see on tasane ja rangelt horisontaalne) pall ise ei liigu, selle seisukord on stabiilne. See stabiilsus on aga suhteline ega tähenda, et pallil pole enam potentsiaalset energiat – see ju: asub maapinnast olulisel kõrgusel. sel juhul energiat on vaid suhteline miinimum. Tingimuste muutudes võib tekkida edasine potentsiaalse energia vabanemine. Näiteks kui põrandal on auk, siis pall kukub alla põrandale, kui siin on auk, siis veel madalamale jne. Seega võib see jõuda esimesele korrusele ja palli potentsiaalne energia muundatakse muudeks vormideks. Palli stabiilsus isegi esimesel korrusel pole absoluutne. Õigete tingimuste korral võib see kukkuda keldrisse või ulatuda sügava šahti põhja vms.
Sarnast pilti täheldatakse ka süsinikku sisaldavate looduslike energiakandjate muundumisel. Orgaanilise päritoluga süsinikuühenditesse on kogunenud palju keemilist energiat. Keemiliste muundumiste käigus saab seda energiat osaliselt vabastada ja muudeks liikideks muundatuna kasutada. Iseenesest toimuvad ainult sellised keemilised muundumised, mis on seotud vaba energia vähenemisega ja ainult neid saab kasutada energia tootmiseks. Transformatsiooniprotsessis tekkivate ainete energiasisaldus on väiksem kui algses aines, just vabaneva energia hulga võrra. Keemilised muundumised toimuvad olenevalt tingimustest kiiresti või aeglaselt (vahel isegi miljoneid aastaid) ja jätkuvad seni, kuni tekivad tooted, mille energia antud tingimustes enam väheneda ei saa (sellised tooted on stabiilsed).
Kui süsinikuühendite oksüdeerumine toimub piisava õhuhulga juuresolekul, siis tekivad järjest hapnikurikkamad ühendid, kuni lõpuks tekib süsinik süsihappegaasina ja vesinik veena. Neid ühendeid ei saa edasi oksüdeerida ja tavatingimustes ei eraldu neist keemilist energiat. CO2 ja H2O sisse looduslikud tingimused esindavad süsiniku ja vesiniku stabiilset olekut. Seega on gaas ja vesi kõige stabiilsemad lõpptooted, mida saab muudeks aineteks muuta ainult erineva päritoluga lisaenergia (näiteks päikese- või elektrienergia) abil.
Päikeseenergia salvestamine
Süsinikuringe üksikud perioodid looduses (süsinikdioksiidist ja veest energiarikaste süsinikuühendite teke ning järgnev lagunemine samadeks ühenditeks) kestavad mitmest kuust mitme sajandini. Kui normaalsed tingimused muutuvad (nagu juhtus näiteks nafta, gaasi ja kivisöe tekke ajal), võivad transformatsiooniprotsessid kulgeda äärmiselt aeglaselt, miljonite aastate jooksul.
Õhule ligipääsetavas maakoores on süsivesinikud ja kivisüsi suhteliselt stabiilsed ning osa neis sisalduvast keemilisest energiast säilib endiselt muutumatuna: päikeseenergia näib olevat säilinud. Siin on ilmne analoogia eespool käsitletud palli näitega. Tingimuste muutumisel (nafta, kivisöe või gaasi ammutamine maapinnale ja nende kasutamine) on nende ainete oleku stabiilsus häiritud: põlemisel ühinevad nad hapnikuga, moodustades süsinikdioksiidi ja vee. Siinkohal lõpeb kiiresti süsiniku ja vesiniku ringkäik, mille normaalne kulg viibis geoloogilistel põhjustel miljoneid aastaid. Põlemisel vabaneb päikesekiirguse energia, mis taimed pikka aega hoidsid seda enda teada. Seega on nafta, maagaas ja kivisüsi säästev energia, osa kunagi neeldunud päikeseenergiast.
Vee- ja tuuleenergia päritolu
Teatavasti tarbivad hüdroelektrijaamad jõgedes ja koskedes vee potentsiaalset energiat, mis vabaneb looduslike kõrguserinevuste tõttu. Kuid vesi jõuab oma igaveses ringluses maa kõrgematele aladele järvede, jõgede ja järvede aurustumise tagajärjel, mis toimub peamiselt päikesekiirguse mõjul. Aur, muutudes veepiiskadeks, koguneb pilvedesse või pilvedesse, kust vesi vihma ja lume kujul langeb tagasi maapinnale, sealhulgas kõrgematel kõrgustel. Siia kogunev vesi omab suures koguses potentsiaalset energiat, mida saab seejärel muuta elektrienergiaks või mehaaniliseks tööks looduslike või kunstlikult loodud koskede poolt juhitavate turbiinide abil. Seega võlgneb suurem osa hüdroelektrijaamadest saadavast energiast oma päritolu ka päikesekiirgusele. Vaid väike osa erinevate veekogude aurustumisel kuluvast energiast moodustab Maa soojus, mis omakorda eraldub Maa sees toimuvate protsesside, radioaktiivse lagunemise tulemusena.
Ka tuuleenergia võlgneb oma päritolu suurel määral Päikesele: maapinna üksikute alade kuumenemise erinevused põhjustavad atmosfäärivoolusid (s.o tuult).
Kas päikeseenergiat kasutatakse hästi?
Nagu me juba nägime, katab suurema osa meie energiavajadustest päikeseenergia. Aga kahjuks, Elav loodus kasutab seda päikeseenergiat ebaefektiivselt.
Päike kiirgab aastas tohutul hulgal energiat, mis võrdub ~ 3x1030 kcal, millest umbes 1021 kcal jõuab Maale. Ligikaudu 60% energiast neelab õhk (sellest 2,5% muundub tuuleenergiaks); 25,5% jõuab veepinnale, kuid sellest kogusest vaid 0,04% kandub vette; kulub väga väike osa veetaimed; 14,5% päikesekiirguse energiast jõuab maale ja ainult 0,12% sellest muudetakse taimede poolt keemiliseks energiaks. Maa päikesekiirguse "kasutamata" energia läheb tagasi kosmosesse. Maa eraldab rohkem energiat, kui Päikeselt vastu saab, kuna kiirgab ka tema sügavustes toimuvate radioaktiivsete protsesside tulemusena vabanevat energiat.
Seega kasutab taimestik ja loomastik, sealhulgas inimene, täiesti tähtsusetu osa Maale langevast päikeseenergiast. Tuleviku ülesanne on leida ja välja töötada vahendid ja meetodid, mis aitavad inimesel seda energiat täisväärtuslikumalt kasutada.
Sügav tungimine looduse saladustesse aitab ilmselt avada selles valdkonnas põhimõtteliselt uusi võimalusi.
Üks meetoditest on rohkem tõhus kasutamine päikeseenergia, mis nõuab edasist teoreetilist arendamist, on intensiivistamine Põllumajandus läbi parema mullaharimise ja kunstväetiste kasutuselevõtu, aga ka seda energiat efektiivsemalt kasutavate taimede kasvatamise. Teine meetod on termo- ja fotoelementide loomine, kus päikeseenergia muudetakse otse elektrienergiaks.
Looduslike energiaallikate varud
Süsinik (energiakandjana) jaotub Maal järgmiselt: atmosfäär sisaldab 640 miljardit tonni süsihappegaasi, samas kui taimed tarbivad fotosünteesi käigus umbes 150 miljardit tonni aastas; Taimeorganismides on talletatud 500 miljardit tonni süsinikku ja loomades 5 miljardit tonni süsinikku. Enamik elusorganismides sisalduvast süsinikust naaseb pärast oksüdatsiooni süsinikdioksiidi kujul atmosfääri. Süsinik ei osale oksüdatiivsed protsessid, koguneb maa soolestikku turba (~ 1000 miljardit tonni), kivisöe (~ 10 000 miljardit tonni), nafta (~ 20 miljardit tonni) kujul.
Nafta, gaasi ja kivisöe teke on protsess, mis kestis palju miljoneid aastaid spetsiifilistes tingimustes, mida praegu ei eksisteeri, mistõttu ei saa loota uute maardlate tekkele lähitulevikus.
Umbes 10 000 miljardi tonnisest söevarust on inimkond tänaseks kasutanud ligikaudu 60-70 miljardit tonni. Praegu on aastane nõudlus üle 2 miljardi tonni. See on olemasolevate reservidega võrreldes tühine kulu. Sama olukord on naftaga. Lisaks avastatakse tänu uusimate geoloogiliste uurimismeetodite kasutamisele uusi maardlaid, kuid need kõik pole ammendamatud ja neid tuleks targalt majandada. Samuti tuleb arvestada, et nafta, maagaas ja kivisüsi pole mitte ainult energiaallikad, vaid ka kõige olulisemad toorained. keemiatööstus. Neid kasutatakse orgaanilise keemia tehaste lähteainete saamiseks ning neid kasutatakse kunstväetiste ja lõhkeainete tootmise toorainena, kuna nende tööstusharude peamise lähteaine ammoniaagi Nffi tootmiseks vajalik vesinik saadakse kõige ökonoomsemalt naftast või gaasist. Seetõttu on teadus- ja rakendusuuringute tähtsaimaks ülesandeks uute energia saamise meetodite väljatöötamine, mis võimaldavad nafta ja gaasi üleandmist keemiatööstusele.
Seega sisaldavad peaaegu kõik looduslikud energiaallikad peamiselt päikeseenergiat. Võime öelda, et praegu töötab see tegelikult iga elektrijaam või mootor. Erandiks on tuumaelektrijaamad, kuid nende roll üldises elektritootmises on siiski tühine. Kuid aatomienergia on kaudselt seotud ka päikesekiirgusega, kuna uraani teke, nagu ka teised keemilised elemendid, on seotud Päikesega, Päikesesüsteemi tekkega.
Kõige olulisemad süsivesinike allikad on looduslikud ja nendega seotud naftagaasid, nafta ja kivisüsi.
Reservide järgi maagaas Esikoht maailmas kuulub meie riigile. Maagaas sisaldab madala molekulmassiga süsivesinikke. Sellel on järgmine ligikaudne koostis (mahu järgi): 80–98% metaani, 2–3% selle lähimatest homoloogidest - etaan, propaan, butaan ja väike kogus lisandeid - vesiniksulfiid H 2 S, lämmastik N 2, väärisgaasid , süsinikmonooksiid (IV ) CO 2 ja veeaur H 2 O . Gaasi koostis on iga välja jaoks spetsiifiline. Seal on järgmine muster: mida kõrgem on suhteline molekulmass süsivesinik, seda vähem seda maagaas sisaldab.
Maagaasi kasutatakse laialdaselt odava ja kõrge kütteväärtusega kütusena (1 m 3 põletamisel eraldub kuni 54 400 kJ). See on üks parimaid kütuseliike kodumaiste ja tööstuslike vajaduste jaoks. Lisaks on maagaas väärtuslik tooraine keemiatööstusele: atsetüleeni, etüleeni, vesiniku, tahma, erinevate plastide, äädikhappe, värvainete, ravimite ja muude toodete tootmiseks.
Seotud naftagaasid on maardlates koos õliga: need on selles lahustunud ja asuvad õli kohal, moodustades gaasikorgi. Kui õli kaevandatakse pinnale, eralduvad sellest gaasid rõhu järsu languse tõttu. Varem seotud gaase ei kasutatud ja neid põletati naftatootmise ajal. Praegu püütakse neid kinni ja kasutatakse kütusena ja väärtusliku keemilise toorainena. Seotud gaasid sisaldavad vähem metaani kui maagaas, kuid rohkem etaani, propaani, butaani ja kõrgemaid süsivesinikke. Lisaks sisaldavad need põhimõtteliselt samu lisandeid, mis maagaasis: H 2 S, N 2, väärisgaasid, H 2 O aurud, CO 2 . Seotud gaasidest ekstraheeritakse üksikud süsivesinikud (etaan, propaan, butaan jne), nende töötlemine võimaldab dehüdrogeenimise teel saada küllastumata süsivesinikke - propüleen, butüleen, butadieen, millest seejärel sünteesitakse kummid ja plastid. Majapidamiskütusena kasutatakse propaani ja butaani segu (vedelgaas). Gaasibensiini (pentaani ja heksaani segu) kasutatakse bensiini lisandina, et kütus mootori käivitamisel paremini süttiks. Süsivesinike oksüdeerimisel tekivad orgaanilised happed, alkoholid ja muud tooted.
Õli– tumepruuni või peaaegu musta värvi õline tuleohtlik iseloomuliku lõhnaga vedelik. See on veest kergem (= 0,73–0,97 g/cm3) ja vees praktiliselt lahustumatu. Oma koostiselt on õli keeruline erineva molekulmassiga süsivesinike segu, mistõttu sellel ei ole kindlat keemistemperatuuri.
Nafta koosneb peamiselt vedelatest süsivesinikest (neis on lahustunud tahked ja gaasilised süsivesinikud). Need on tavaliselt alkaanid (enamasti normaalne struktuur), tsükloalkaanid ja areenid, mille suhe eri põldude õlides on väga erinev. Uurali õli sisaldab rohkem areene. Lisaks süsivesinikele sisaldab õli hapnikku, väävlit ja lämmastikku sisaldavaid orgaanilisi ühendeid.
Toornafta tavaliselt ei kasutata. Tehniliselt õlist saada väärtuslikud tooted seda töödeldakse.
Esmane töötlemineõli koosneb selle destilleerimisest. Destilleerimine toimub nafta rafineerimistehastes pärast seotud gaaside eraldamist. Õli destilleerimisel saadakse kerged naftasaadused:
bensiin ( t keemistemperatuur = 40–200 °C) sisaldab süsivesinikke C5–C11,
tööstusbensiin ( t keemistemperatuur = 150–250 °C) sisaldab süsivesinikke C8–C14,
petrooleum ( t keemistemperatuur = 180–300 °C) sisaldab süsivesinikke C12–C18,
gaasiõli ( t kip > 275 °C),
ja ülejäänu on viskoosne must vedelik – kütteõli.
Kütteõli töödeldakse edasi. See destilleeritakse alandatud rõhul (lagunemise vältimiseks) ja eraldatakse määrdeõlid: spindel, masin, silinder jne. Vaseliin ja parafiin eraldatakse teatud tüüpi õlide kütteõlist. Ülejäänud kütteõli pärast destilleerimist – tõrva – pärast osalist oksüdatsiooni kasutatakse asfaldi tootmiseks. Õli destilleerimise peamiseks puuduseks on bensiini madal saagis (mitte rohkem kui 20%).
Nafta destilleerimise saadused on mitmesugused kasutusalad.
Bensiin Seda kasutatakse suurtes kogustes lennuki- ja autokütusena. Tavaliselt koosneb see süsivesinikest, mille molekulides on keskmiselt 5–9 süsinikuaatomit. Tööstusbensiin Seda kasutatakse kütusena traktorites, samuti lahustina värvi- ja lakitööstuses. Suures koguses seda töödeldakse bensiiniks. Petrooleum Seda kasutatakse traktorite, reaktiivlennukite ja rakettide kütusena, samuti kodumajapidamistes. päikeseõli - gaasiõli– kasutatakse mootorikütusena ja määrdeõlid– mehhanismide määrimiseks. Vaseliin kasutatakse meditsiinis. See koosneb vedelate ja tahkete süsivesinike segust. Parafiin kasutatakse kõrgemate karboksüülhapete tootmiseks, puidu immutamiseks tikkude ja pliiatsite valmistamisel, küünalde, kingakreemi jms valmistamiseks. See koosneb tahkete süsivesinike segust. Kütteõli Lisaks töötlemisele määrdeõlideks ja bensiiniks kasutatakse seda katla vedelkütusena.
Kell sekundaarsed töötlemismeetodidõli, muutub selle koostises sisalduvate süsivesinike struktuur. Nende meetodite hulgas suur tähtsus on nafta süsivesinike krakkimine, mida tehakse bensiini saagise suurendamiseks (kuni 65–70%).
Pragunemine– õlis sisalduvate süsivesinike lõhustamise protsess, mille tulemusena moodustuvad molekulis väiksema arvu C-aatomitega süsivesinikud. Krakkimist on kahte peamist tüüpi: termiline ja katalüütiline.
Termiline pragunemine viiakse läbi lähteaine (kütteõli jms) kuumutamisel temperatuuril 470–550 °C ja rõhul 2–6 MPa. Sel juhul jagatakse suure hulga C-aatomitega süsivesinike molekulid molekulideks, milles on nii küllastunud kui ka küllastumata süsivesinike aatomeid. Näiteks:
(radikaalne mehhanism),
Seda meetodit kasutatakse peamiselt mootoribensiini tootmiseks. Selle saagis naftast ulatub 70% -ni. Termilise pragunemise avastas vene insener V. G. Shukhov 1891. aastal.
Katalüütiline krakkimine viiakse läbi katalüsaatorite (tavaliselt alumiiniumsilikaatide) juuresolekul temperatuuril 450–500 °C ja atmosfääri rõhk. Selle meetodiga toodetakse kuni 80% saagisega lennukibensiini. Seda tüüpi krakkimine mõjutab peamiselt nafta petrooleumi ja gaasiõli fraktsioone. Katalüütilise krakkimise ajal toimuvad koos lõhustamisreaktsioonidega isomerisatsioonireaktsioonid. Viimase tulemusena moodustuvad molekulide hargnenud süsiniku karkassiga küllastunud süsivesinikud, mis parandavad bensiini kvaliteeti:
Katalüütilise krakkimise bensiinil on rohkem kõrge kvaliteet. Selle hankimise protsess kulgeb palju kiiremini ja väiksema soojusenergia tarbimisega. Lisaks tekib katalüütilise krakkimise käigus suhteliselt palju hargnenud ahelaga süsivesinikke (isoühendeid), millel on orgaanilise sünteesi jaoks suur väärtus.
Kell t= 700 °C ja üle selle toimub pürolüüs.
Pürolüüs– orgaaniliste ainete lagunemine ilma õhu juurdepääsuta kõrgetel temperatuuridel. Nafta pürolüüsil on peamisteks reaktsiooniproduktideks küllastumata gaasilised süsivesinikud (etüleen, atsetüleen) ja aromaatsed süsivesinikud - benseen, tolueen jne. Kuna õlipürolüüs on üks olulisemaid viise aromaatsete süsivesinike saamiseks, nimetatakse seda protsessi sageli õliks. aromatiseerimine.
Aromatiseerimine– alkaanide ja tsükloalkaanide muundumine areeenideks. Naftasaaduste raskete fraktsioonide kuumutamisel katalüsaatori (Pt või Mo) juuresolekul muundatakse süsivesinikud, mis sisaldavad 6–8 C-aatomit molekuli kohta, aromaatseteks süsivesinikeks. Need protsessid toimuvad reformimise (bensiini uuendamise) käigus.
Reformimine- See on bensiini aromatiseerimine, mis viiakse läbi nende kuumutamisel katalüsaatori, näiteks Pt, juuresolekul. Nendes tingimustes muunduvad alkaanid ja tsükloalkaanid aromaatseteks süsivesinikeks, mille tulemusena suureneb oluliselt ka bensiini oktaanarv. Aromatiseerimist kasutatakse üksikute aromaatsete süsivesinike (benseen, tolueen) saamiseks õli bensiinifraktsioonidest.
Viimastel aastatel on naftasüsivesinikke laialdaselt kasutatud keemiliste toorainete allikana. Neist saadakse mitmel viisil plasti, sünteetiliste tekstiilkiudude, sünteetilist kummi, alkoholide, hapete, sünteetiliste pesuainete, lõhkeainete, pestitsiidide, sünteetiliste rasvade jms tootmiseks vajalikke aineid.
Kivisüsi Nii nagu maagaas ja nafta, on see energiaallikas ja väärtuslik keemiatooraine.
Peamine kivisöe töötlemise meetod on koksistamine(kuivdestilleerimine). Kokseerimisel (kuumutamine kuni 1000 °C - 1200 °C ilma õhu juurdepääsuta) saadakse mitmesuguseid tooteid: koks, kivisöetõrv, tõrvavesi ja koksiahjugaas (skeem).
Skeem
Koksi kasutatakse metallurgiatehastes malmi tootmisel redutseerijana.
Kivisöetõrv on aromaatsete süsivesinike allikas. See allutatakse rektifikatsiooni destilleerimisele ja saadakse benseen, tolueen, ksüleen, naftaleen, aga ka fenoole, lämmastikku sisaldavaid ühendeid jne. Pigi on vaigu destilleerimisel järelejäänud paks must mass, mida kasutatakse elektroodide ja elektroodide valmistamiseks. katusepapp.
Tõrvaveest saadakse ammoniaaki, ammooniumsulfaati, fenooli jne.
Koksiahjude kütmiseks kasutatakse koksiahju gaasi (1 m 3 põletamisel eraldub umbes 18 000 kJ), kuid peamiselt töödeldakse seda keemiliselt. Seega eraldatakse sellest vesinik ammoniaagi sünteesiks, mida kasutatakse seejärel lämmastikväetiste, aga ka metaani, benseeni, tolueeni, ammooniumsulfaadi ja etüleeni tootmiseks.
Kas jaapanlased on kasutusele võtnud tuleviku gaasikütuse? 13. jaanuar 2013
Jaapan alustas täna metaanhüdraadi – teatud tüüpi maagaasi – proovitootmist, mille varud võivad mõnede ekspertide hinnangul suuresti lahendada riigi energiaprobleeme. Spetsiaalne uurimislaev "Tikyu" /"Maa"/ alustas puurimist vaikne ookean 70 km lõuna pool Atsumi poolsaarest Nagoya linna lähedal Jaapani peamise saare Honshu idarannikul.
Viimase aasta jooksul on Jaapani spetsialistid viinud läbi rea eksperimente, mille käigus puurisid Vaikse ookeani põhja metaanhüdraate. Seekord kavatsevad nad katsetada energiaressursi täismahus ammutamist ja sellest metaani vabanemist. Edu korral algab Nagoya linna lähedal asuva maardla äriline arendamine 2018. aastal.
Metaanhüdraat ehk metaanhüdraat on metaangaasi ühend veega, mis meenutab välimuselt lund või lahtist sulajääd. See ressurss on looduses laialt levinud – näiteks igikeltsa tsoonis. Ookeani põhja all on suured metaanhüdraatide varud, mille arendamist on seni peetud kahjumlikuks. Jaapani eksperdid väidavad aga, et on leidnud suhteliselt kuluefektiivseid tehnoloogiaid.
Ainuüksi Nagoyast lõuna pool asuva piirkonna metaanhüdraadi varud on hinnanguliselt 1 triljon kuupmeetrit. Teoreetiliselt suudavad nad täielikult rahuldada Jaapani maagaasivajaduse 10 aasta jooksul. Kokku kestavad ekspertide hinnangul ookeanipõhja all olevad metaanhüdraadi lademed riigi ümbritsevatel aladel umbes 100 aastat. Kuid selle kütuse maksumus, võttes arvesse töötlemis-, transpordi- ja muid kulutusi, ületab siiski tavapärase maagaasi turuhinda.
Praegu on Jaapan energiaressurssidest ilma jäetud ja impordib need täielikult. Eelkõige Tokyo on maailma suurim veeldatud maagaasi ostja. Viimasel ajal, pärast Fukushima-1 tuumaelektrijaama õnnetust ja kõigi tuumaelektrijaamade järkjärgulist sulgemist, on Jaapani vajadus energiaressursside järele suurenenud.
Vaatamata arengule alternatiivsed allikad energia, fossiilkütused säilivad ja ka lähitulevikus säilivad peaosa planeedi kütusebilansis. ExxonMobili ekspertide sõnul suureneb energiatarbimine planeedil järgmise 30 aasta jooksul poole võrra. Teadaolevate süsivesinikumaardlate tootlikkuse vähenemisega avastatakse üha harvemini uusi suuri maardlaid ning kivisöe kasutamine on keskkonnale kahjulik. Tavapäraste süsivesinike varude kahanemist saab aga kompenseerida.
Needsamad ExxonMobili eksperdid ei kipu olukorda dramatiseerima. Esiteks arenevad nafta ja gaasi tootmise tehnoloogiad. Tänapäeval ammutatakse näiteks Mehhiko lahes naftat 2,5-3 km sügavuselt veepinnast, 15 aastat tagasi ei osatud selliseid sügavusi ette kujutada. Teiseks arendatakse tehnoloogiaid keeruliste süsivesinike (rasked ja kõrge väävlisisaldusega õlid) ja õliasendusainete (bituumen, õliliivad) töötlemiseks. See võimaldab naasta traditsioonilistele kaevanduspiirkondadele ja jätkata tööd seal, samuti alustada kaevandamist uutes piirkondades. Näiteks Tatarstanis algab Shelli toel nn raske õli tootmine. Kuzbassis töötatakse välja projekte söekihtidest metaani eraldamiseks.
Kolmas süsivesinike tootmise taseme hoidmise suund on seotud ebatraditsiooniliste tüüpide kasutusvõimaluste otsimisega. Paljutõotavatest uut tüüpi süsivesinike toorainetest tõstavad teadlased esile metaanhüdraadi, mille varud planeedil ulatuvad umbkaudsete hinnangute kohaselt vähemalt 250 triljoni kuupmeetrini (vastavalt energiaväärtus See on kaks korda suurem kui planeedi nafta-, söe- ja gaasivarud kokku).
Metaanhüdraat on metaani ja vee supramolekulaarne ühend. Allpool on metaanhüdraadi molekulaarse taseme mudel. Metaanimolekuli ümber moodustub vee (jää) molekulide võre. Ühendus on stabiilne madalatel temperatuuridel ja kõrge vererõhk. Näiteks metaanhüdraat on stabiilne temperatuuril 0 °C ja rõhul umbes 25 baari ja rohkem. See rõhk tekib ookeani sügavusel umbes 250 m. Atmosfäärirõhul püsib metaanhüdraat stabiilsena temperatuuril –80 °C.
Metaanhüdraadi mudel
Kui metaanhüdraati kuumutada või rõhku vähendada, laguneb ühend veeks ja maagaasiks (metaan). Üks kuupmeeter metaanhüdraati võib normaalsel atmosfäärirõhul toota 164 kuupmeetrit maagaasi.
USA energeetikaministeeriumi hinnangul on metaanhüdraadi varud planeedil tohutud. Kuid siiani pole seda ühendit energiaallikana praktiliselt kasutatud. Osakond on välja töötanud ja rakendab tervet programmi (R&D programm) metaanhüdraadi tootmise otsimiseks, hindamiseks ja turustamiseks.
Metaanhüdraadi mägi merepõhjas
Pole juhus, et USA on valmis eraldama märkimisväärseid vahendeid metaanhüdraadi tootmistehnoloogiate arendamiseks. Maagaas moodustab ligi 23% riigi kütusebilansist. Suurem osa USA maagaasist saadakse torujuhtmete kaudu Kanadast. 2007. aastal tarbiti riigis maagaasi 623 miljardi kuupmeetrini. m. Aastaks 2030 võib see kasvada 18-20%. Kasutades tavalisi maagaasimaardlaid USA-s, Kanadas ja riiulil ei ole võimalik sellist tootmistaset tagada.
Kuid siin, nagu öeldakse, on veel üks probleem: koos gaasiga tõuseb üles tohutu veemass, millest gaas tuleb kogu võimaliku hoolsusega puhastada. Pole selliseid mootoreid, mis oleks ükskõiksed isegi 1% kütuse massist kloriidide ja muude ookeanisoolade kujul. Diislid surevad kõigepealt välja, turbiinid peavad vastu veidi kauem. Kas see on VÄLISpõlemismootoriga Stirlingi mootor?
Nii et gaasi suunamine torujuhtmesse otse alumisest kihist ei toimi kuidagi. Golovnikuid puhastades lörtsivad jaapanlased läbi katuse. Ja siis võtavad rohelised nende eest vastutust ookeani paksuses oleva reostuse eest selle põhjakihtide poolt. Tõenäoliselt tõmmatakse allavoolu liiva ja muude lisandite voog, mis on kosmosest nähtav. Sarnaselt Bosporuse vooluga Marmara meres.
See projekt ja selle väljavaated meenutavad mulle väga vastuolulist ja suures osas vastuolulist kildagaasiprojekti.
allikatest
Looduslikud allikad süsivesinikud.
Süsivesinikel on suur majanduslik tähtsus, kuna need on kõige olulisem tooraine peaaegu kõigi kaasaegse orgaanilise sünteesi tööstuse toodete tootmiseks ja neid kasutatakse laialdaselt energeetikas. Need näivad koguvat päikesesoojust ja energiat, mis põlemisel vabanevad. Turvas, kivisüsi, põlevkivi, õli, looduslikud ja nendega seotud naftagaasid sisaldavad süsinikku, mille põlemisel hapnikuga ühinemisega kaasneb soojuse eraldumine.
kivisüsi | turvas | õli | maagaas |
tahke | tahke | vedel | gaas |
ilma lõhnata | ilma lõhnata | Tugev lõhn | ilma lõhnata |
homogeenne koostis | homogeenne koostis | ainete segu | ainete segu |
tumedat värvi kivi koos kõrge sisaldus tuleohtlik aine, mis tekib matmisel akumuleeruvatesse settekihtidesse erinevaid taimi | soode ja kinnikasvanud järvede põhja kogunenud poolmädanenud taimse aine kuhjumine | looduslik tuleohtlik õline vedelik, mis koosneb vedelate ja gaasiliste süsivesinike segust | orgaaniliste ainete anaeroobsel lagunemisel Maa soolestikus tekkinud gaaside segu, gaas kuulub settekivimite rühma |
Kütteväärtus – 1 kg kütuse põletamisel vabanevate kalorite arv | |||
7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Kivisüsi.
Kivisüsi on alati olnud paljulubav tooraine energia ja paljude keemiatoodete tootmiseks.
Esimene suurem kivisöe tarbija alates 19. sajandist oli transport, seejärel hakati kivisütt kasutama elektri tootmiseks, metallurgiliseks koksiks, erinevate toodete tootmiseks keemilise töötlemise teel, süsinik-grafiit konstruktsioonimaterjalid, plastid, kivivaha, sünteetiline, vedelad ja gaasilised kõrge kalorsusega kütused, kõrge lämmastikhapped väetiste tootmiseks
Kivisüsi on keerukas segu kõrgmolekulaarsetest ühenditest, mis sisaldavad järgmisi elemente: C, H, N, O, S. Kivisüsi sisaldab sarnaselt naftaga suurel hulgal erinevaid orgaanilisi aineid, aga ka anorgaanilisi aineid, näiteks vett. , ammoniaak, vesiniksulfiid ja loomulikult süsinik ise - kivisüsi.
Söe töötlemine toimub kolmes põhisuunas: koksimine, hüdrogeenimine ja mittetäielik põlemine. Üks peamisi kivisöe töötlemise meetodeid on koksistamine– kaltsineerimine ilma õhu juurdepääsuta koksiahjudes temperatuuril 1000–1200°C. Sellel temperatuuril, ilma hapniku juurdepääsuta, toimub kivisüsi keerulised keemilised muutused, mille tulemuseks on koksi ja lenduvate saaduste moodustumine:
1. koksiahjugaas (vesinik, metaan, süsinikoksiid ja süsinikdioksiid, ammoniaagi, lämmastiku ja muude gaaside lisandid);
2. kivisöetõrv (mitusada erinevat orgaanilist ainet, sealhulgas benseen ja selle homoloogid, fenool ja aromaatsed alkoholid, naftaleen ja mitmesugused heterotsüklilised ühendid);
3. tõrv ehk ammoniaak, vesi (lahustunud ammoniaak, samuti fenool, vesiniksulfiid ja muud ained);
4. koks (tahke koksijääk, peaaegu puhas süsinik).
Jahutatud koks saadetakse metallurgiatehastesse.
Lenduvate saaduste (koksiahjugaas) jahutamisel kondenseeruvad kivisöetõrv ja ammoniaagivesi.
Kondenseerimata saaduste (ammoniaak, benseen, vesinik, metaan, CO 2, lämmastik, etüleen jne) läbi väävelhappe lahuse juhtimisel eraldub ammooniumsulfaat, mida kasutatakse mineraalväetisena. Benseen imendub lahustisse ja destilleeritakse lahusest. Pärast seda kasutatakse koksiahju gaasi kütusena või keemilise toorainena. Kivisöetõrva saadakse väikestes kogustes (3%). Kuid tootmismahtu arvestades peetakse kivisöetõrva tooraineks mitmete orgaaniliste ainete tootmiseks. Kui eemaldada vaigust 350°C juures keevad tooted, jääb alles tahke mass – pigi. Seda kasutatakse lakkide valmistamiseks.
Söe hüdrogeenimine toimub temperatuuril 400–600°C vesiniku rõhul kuni 25 MPa katalüsaatori juuresolekul. See tekitab vedelate süsivesinike segu, mida saab kasutada mootorikütusena. Vedelkütuse tootmine kivisöest. Vedel sünteetiline kütus on kõrge oktaanarvuga bensiin, diislikütus ja katlakütus. Kivisöest vedelkütuse saamiseks on vaja suurendada selle vesinikusisaldust hüdrogeenimise teel. Hüdrogeenimine toimub mitme tsirkulatsiooni abil, mis võimaldab muuta kogu söe orgaanilise massi vedelikuks ja gaasideks. Selle meetodi eeliseks on madala kvaliteediga pruunsöe hüdrogeenimise võimalus.
Söe gaasistamine võimaldab kasutada soojuselektrijaamades madala kvaliteediga pruun- ja kivisütt keskkonda väävliühenditega reostamata. See on ainus meetod kontsentreeritud süsinikmonooksiidi (süsinikmonooksiidi) CO tootmiseks. Söe mittetäielikul põlemisel tekib süsinik(II)monooksiid. Kasutades katalüsaatorit (nikkel, koobalt) normaal- või kõrgendatud rõhul, saab küllastunud ja küllastumata süsivesinikke sisaldavat bensiini saada vesinikust ja CO-st:
nCO+ (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH20;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Kui kivisöe kuivdestilleerimine toimub temperatuuril 500–550°C, siis saadakse tõrv, mida kasutatakse koos bituumeniga ehitustööstuses sidematerjalina katuse- ja hüdroisolatsioonikatete (katusepapp, katusepapp) valmistamisel. , jne.).
Looduses leidub kivisütt järgmistes piirkondades: Moskva piirkond, Lõuna-Jakutski jõgikond, Kuzbass, Donbass, Petšora jõgikond, Tunguska vesikond, Lena jõgikond.
Maagaas.
Maagaas on gaaside segu, mille põhikomponendiks on metaan CH 4 (olenevalt valdkonnast 75-98%), ülejäänu on etaan, propaan, butaan ja vähesel määral lisandeid - lämmastik, süsinikoksiid (IV ), vesiniksulfiid ja veeaurud, ja peaaegu alati vesiniksulfiid ja orgaanilised naftaühendid – merkaptaanid. Just need annavad gaasile spetsiifilise ebameeldiva lõhna ja põhjustavad põletamisel mürgise vääveldioksiidi SO 2 moodustumist.
Tavaliselt, mida suurem on süsivesiniku molekulmass, seda vähem leidub seda maagaasis. Erinevatest väljadest pärit maagaasi koostis ei ole sama. Selle keskmine koostis mahuprotsentides on järgmine:
CH 4 | C2H6 | C3H8 | C4H10 | N 2 ja muud gaasid |
75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Metaan tekib taimsete ja loomsete jääkide anaeroobsel (ilma juurdepääsuta õhule) kääritamisel, seetõttu tekib see põhjasetetes ja seda nimetatakse "soogaasiks".
Metaani ladestused hüdraatunud kristalsel kujul, nn metaanhüdraat avastati igikeltsa kihi alt ja suurtest sügavustest ookeanidest. Madalatel temperatuuridel (−800ºC) ja kõrged rõhud Metaani molekulid asuvad vesijää kristallvõre tühikutes. Ühe kuupmeetri metaanhüdraadi jäätühjustes "konserveeritakse" 164 kuupmeetrit gaasi.
Metaanhüdraadi tükid näevad välja nagu määrdunud jää, kuid õhus põlevad nad kollakassinise leegiga. Hinnanguliselt salvestab planeet 10 000–15 000 gigatonni süsinikku metaanhüdraadi kujul ("giga" võrdub 1 miljardiga). Sellised mahud on kordades suuremad kui kõik praegu teadaolevad maagaasivarud.
Maagaas on taastuv loodusvara, kuna seda sünteesitakse looduses pidevalt. Seda nimetatakse ka "biogaasiks". Seetõttu seostavad paljud keskkonnateadlased tänapäeval inimkonna õitsengu väljavaateid gaasi kasutamisega alternatiivse kütusena.
Maagaasil on kütusena suured eelised tahkete ja vedelate kütuste ees. Selle põlemissoojus on palju kõrgem, põlemisel ei jää tuhka ning põlemissaadused on keskkonnas palju puhtamad. Seetõttu põletatakse soojuselektrijaamades ja katlamajades kütusena umbes 90% kogu kaevandatud maagaasi mahust soojusprotsessides. tööstusettevõtted ja igapäevaelus. Umbes 10% maagaasist kasutatakse väärtusliku toorainena keemiatööstuses: vesiniku, atsetüleeni, tahma, erinevate plastide, ravimite tootmiseks. Maagaasist eraldatakse metaan, etaan, propaan ja butaan. Metaanist saadavad tooted on suure tööstusliku tähtsusega. Metaani kasutatakse paljude orgaaniliste ainete sünteesiks – sünteesgaasiks ja sellel põhinevaks alkoholide edasiseks sünteesiks; lahustid (süsiniktetrakloriid, metüleenkloriid jne); formaldehüüd; atsetüleen ja tahm.
Maagaas moodustab iseseisvaid maardlaid. Põlevgaaside peamised leiukohad asuvad Põhja- ja Lääne-Siberis, Volga-Uurali vesikonnas, Põhja-Kaukaasias (Stavropol), Komi Vabariigis, Astrahani piirkonnas ja Barentsi meres.