Нефть - это топливо или химическое сырье

Содержание. 

1. Введение.
2. Что значит для нас нефть.
3. Насколько наше будущее связано с нефтью.
4. Нефть. Что это такое? Откуда она берется? Как мы ее используем?
5. Нефтепродукты.
6. Переработка «черного золота».
7. Переработка «черного золота».
8. Фракционирование нефти.
9. Молекулы, из которых состоит нефть.
10. Нефть как источник энергии.
11. Энергия: прошлое, настоящее и будущее.
12. Энергия и ископаемые топлива.
13. Изменение молекулярных структуры топлив.
14. Получение из нефти полезных материалов и веществ.
15. Типы молекул, которые служат «кирпичиками» для построения многих полезных материалов.
16. Новые горизонты. Химия нефти и природного газа.
17. Чем можно заменить нефть?
18. Альтернативные источники энергии.
19. Альтернативные источники сырья для химической промышленности.
20. Подведем итоги. Что ожидает нефть в будущем?
21. «Томскнефть» страницы истории(1966-2006).
22. Во имя будущих свершений(1966-1970).
23. Время активных дней(1997-2006).
24. Немного про нашу Западно-Сибирскую провинцию.

Введение. 

           Без нефти нельзя представить  себе современную жизнь человечества. Продукт переработки нефти –  бензин – обеспечивает энергией  почти каждый из имеющихся  в мире автомобилей, которые  используются как горючее для  обеспечения теплом и электричеством  почти каждого дома и большинства  промышленных процессов.                                                                           

Нефть служит сырьем для получения почти всего  того, что мы ежедневно используем. Спор о том, что лучше: сжигать нефть или ее перерабатывать – отражает два важнейших пути ее использования – в качестве горючего и в качестве исходного сырья для получения множества материалов.                       

 Крайне важно решить, как использовать нефть в будущем. Поскольку ее запасы не пополняются, а потребление нефти все время возрастает, то возникает вопрос: насколько нам ее хватит?                                                      

 В более широком плане вопрос, можно сформулировать так: какие особенности состава и химического строения нефти делают ее настолько не незаменимой? Иначе говоря, должны ли мы как-то по-иному использовать нефть, учитывая то, что это неминуемо повлечет за собой изменение всего нашего образа жизни 
 
 
 
 
 
 
 

Что значит нефть для нас?

Изложить все, что производится из нефти, практически  невозможно. И это несмотря на то, что большая ее часть тратится в виде топлива. Остановимся поэтому  только на некоторых материалах, которые  прямо или косвенно получают из нефти. 
 

Насколько наше будущее связано с нефтью?

Из 18 миллионов  баррелей нефти. Большую часть всего  этого потребляют промышленность и  грузовые перевозки. А не частные  лица.                       Большая часть ее попросту как топливо сгорает, превращаясь в тепло и электричество, и используется как топливо в двигателях транспортных средств. Из остальной нефти получают из пластмассы, волокна, синтаксические витамины и многие другие жизненно необходимые вещи. Одним словом, нефть – важнейшая, в настоящее время незаменимое компонента нашего образа жизни. 87% нефти сжигается и 13% - в 6 с лишним раз меньше – идет на другие цели.                                                                                                                         Дмитрий Иванович Менделеев, русский ученый, приложивший периодическую систему элементов, отмечая исключительную ценность нефти именно как исходного сырья для промышленности, говорил,  что сжигать нефть это все равно, что топить ассигнациями. Однако доступность нефти, легкость ее хранения и использования в качестве горючего привели к тому, что на практике победила другая точка зрения.                                                                       И все же, несомненно, наступит такое время, когда все мы столкнемся с необходимостью пересмотра существующего положения. Когда это понадобится – зависит от величины запасов, путей использования этого сырья и от того, появятся другие варианты. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нефть. Что это такое? Откуда берется нефть?

Как мы ее используем?

Нефть часто  называют «черным золотом». Она представляет собой маслянистую жидкость, окрашенной от светло желтого до черного цвета в зависимости от месторождения, где ее добывают. Название нефть получила от персидского слова «нафта» - «вытекающая», «просачивающаяся». Это связано с тем, что иногда в нефтяных районах достаточно было вырыть яму, чтобы в нее просочилась нефть. Источником происхождения нефти являются остатки растений и животных, скопившиеся на дне мелководных морей и из заливов в прошлые геологические эпохи и перекрытые в дальнейшем слоями осадочных пород. В большинстве случаев нефтяные залежи располагаются на глубине 900-2300 метров.

Мировые разведанные  запасы нефти составляют 90-95 млрд. тонн. По прогнозам специалистов ресурсы Земли составляют 250 млрд. тонн нефти.

Плотность нефти 0,82-0,90 г/см³.

В составе  нефти различают углеводородную часть, неуглеводородную часть, минеральные  примеси.

Углеводородная часть нефти представляет собой раствор газообразных и твердых углеводородов в смеси жидких углеводородов. Углеводороды могут иметь линейное и разветвленное строение.

Кроме того, встречаются  предельные циклические углеводороды – так называемые нафтены и ароматические углеводороды.

Температура кипения входящих состав нефти углеводородов  может быть довольно высокой.

В неуглеводородную часть нефти входят органические соединения, содержащие атомы кислорода, азота и серы.

Минеральными  примесями являются различные соли, перешедшие в нефть из грунтовых вод, механические примеси песка и глины, эмульсия воды.

Нефть часто  называют «черным золотом». Основное различие между алюминиевой, медной, железной руд – в строении молекул. Нефть – это смесь сотен веществ обладающих двумя важными общими свойствами. Во-первых, они богаты энергией, которая высвобождается в результате сжигания. Во-вторых, эти молекулы  можно химически связывать друг с другом или трансформировать самым различным образом и получать при этом громадное множество полезных веществ. Химики получают из небольших молекул нефти большие молекулы цепочного строения, которые используются для производства пленок, тканей, синтетического каучука, всех видов пластмасс.  

Также превращает нефть в душистые и взрывчатые вещества, лекарства. Для химиков  нефть всегда была более интересным веществом, чем можно было бы предположить исходя из ее невзрачного вида.  

Переработка «черного золота». 

Нефть, выкачиваемая из Земли, называется «сырой». Это –  зеленовато – коричневая или черная жидкость, которая в одних случаях легко текуча, льется как вода, а в других – весьма вязкая жидкость.

Переработка нефти включает три этапа: подготовку, первичную и вторичную переработку.

На подготовительном этапе извлеченную из недр нефть  очищают от механических примесей и от растворенных солей и воды. Перед транспортировкой  из нефти выделяют растворенные в ней попутные газы. Этот процесс называется стабилизацией. Если не выделить из нефти растворенные в ней газообразные углеводороды, то они будут выделяться при транспортировке. А это может привести к пожару.

Первичная переработка  нефти заключается в разделении ее путем перегонки на фракции, имеющие различные интервалы температур кипения. Первичная переработка осуществляется в две ступени. Первая ступень прямой перегонки нефти проводится при атмосферном давлении, вторая – под вакуумом. Перед перегонкой нефть нагревается в специальных трубчатых печах, затем она поступает в ректификационную колонну, продуваемую перегретым паром. В этой колонне и происходит разделение нефти  на отдельные фракции. Более легкокипящие фракции собираются в верхней части колонны, а фракции имеющие высокие температуры кипения, – в нижней части колонны.(вставить колонну)

После прямой перегонки нефти, проводимой под  атмосферным давлением, остается тяжелая  фракция – мазут. Для разделения мазута проводят перегонку под вакуумом.

Первичная переработка  нефти осуществляется физическим методом, основанном на различии в температурах кипения веществ. Никаких химических процессов при этом не происходит. 
 

Состав продуктов прямой перегонки нефти на нефтеперерабатывающем заводе г.Стрежевого

Как видно, на этапе первичной переработки нефти выход бензина до 40%применяют каталитический крекинг нефти. Это вторичная переработка нефти, в основе которой лежат химические реакции.

Крекинг –  процесс высокотемпературной переработки нефтяного сырья, приводящий к получению углеводородов с меньшей молекулярной массой. Крекинг нефти проводят при температуре 480-490^оС и давлении 0,1-0,2 МПа с использованием алюмосиликатного катализатора. В ходе крекинга происходит разрыв С-С связей в молекулах предельных углеводородов, при этом из каждой молекулы получается две молекулы, одна из которых относится к алканам, а другая – к алкенам.

Кроме того, на поверхности катализатора осуществляются дегидрирование углеводородов и  их полимеризация. В результате этих процессов образуется кокс. Отложение  кокса на катализаторе приводит к  потере активности катализатора.

Для восстановления активности катализатора его пропускают через регенератор, где он обжигается. Обожженный катализатор, восстановивший свои каталитические свойства, снова поступает в реактор. За счет циркуляции катализатора и его обжига процесс крекинга осуществляется непрерывно.

  Циркуляция катализатора в процессе крекинга. 

Риформинг –  каталитический процесс переработки бензиновых фракций прямой перегонки, приводящий к увеличению в составе бензина доли ароматических углеводородов. Процесс ведется при температуре 470-520^оС и давлением в 2-8 МПа. В качестве катализатора часто используется платина.

Путем смешивания в отделенном соотношении бензина  прямой перегонки, крекинг-бензина и реформинг-бензина получают товарный бензин: марки     Б-70 (авиационный бензин) и А-72, А-76, А-80, А-92 и А-98 (автомобильный бензин).

Гудрон, остающийся после вакуумной перегонки мазута, используется для получения битума. Битум – продукт неполного  окисления гудрона кислородом воздуха. Он широко применяется в строительстве как электро- и гидроизоляционный материал, а также в производстве дорожного асфальта. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нефтепродукты.

Бензин.

Сложная смесь  легких углеводородов нефти, применяемая  главным образом как топливо  для карбюраторных двигателей. Температура  конца кипения не выше 205^оС, но 10% массы должно перегоняться при температуре 68-79^оС. Это так называемая пусковая фракция, от ее характеристик зависит   легкость запуска двигателя. Бензины получают как при прямом перегоне нефти, так и в процессах ее вторичной переработки. Часть производимого бензина используются химической промышленности как растворитель.

Керосин.

Смесь углеводородов, выкипающих при температуре 180-320^оС, но некоторые керосины например из суруханской и грозненской нефти, начинают кипеть при более низкой температуре. Сто лет назад керосин называли иначе – фотогеном, что в переводе с древнегреческого означает «рождающий свет». В то время керосин был лишь топливом осветительных (керосиновых) ламп. Однако позже он стал и моторным топливом: сначала для тракторов, а затем для реактивных самолетов.                                                                                      Классические авиационные топлива – Т-1 и Т-5  - делаются на основе фракции нефти. Используются как керосин и как горючее в жидком ракетном топливе.

Дизельное топливо.                                                                                       На этом топливе работает дизель – двигатель внутреннего сгорания. Это средние, отчасти тяжелой фракции нефти. Пределы выкипания – 270-400^оС.

Минеральные масла.                                                                                               Виды масел:

1. Моторные.
2. Индустриальные (для смазки станков).
3. Приборные.
4. Трансмиссионные.
5. Цилиндровые.
6. Турбинные.
7. Компрессорные и др.

Это все смазочные  масла, а есть еще и не смазочные: 
 

1. Трансформаторные.
2. Кабельные.
3. Поглотительные и др.

Среди нефтепродуктов есть и медицинские препараты, например вазелиновое масло и просто вазелин. Все это достаточно тяжелые фракции  нефти, подвергнутые специальной очистки.

Парафин, церезины.

Твердые углеводороды и их смеси с маслами. В состав парафина входит главным образом насыщенный углеводороды от С₁₉H₄₀ до С₃₅H₇₂ c  температурами плавления 50-70^оС. Смесь высших твердых насыщенных углеводородов мелкокристаллического строения состава C₃₇H₇₆ – C₅₃H₁₀₈ называется церезином. Больше всего парафина потребляет спичечная промышленность – им пропитывают древесину, чтобы она горела равнее. В химической промышленности парафин используют для получения карбоновых кислот и спиртов, моющих средств, поверхностно-активных веществ.                                                                                                               Кроме того, процессов переработки получают битумы и нефтяной кокс, ссажу, важнейшие растворители - бензол и толуол.                                                 Нефтяные технические битумы имеют широкое применение в народном хозяйстве: дорожные, строительные битумы и другие. В качестве химического сырья используются газы нефтепереработки и многие другие продукты  термической и каталитической переработки нефти.  

Итак, в процессе многоэтапной переработке нефти  получается большой ряд нефтепродуктов, используемых в качестве топлива, смазочных  материалов, а также в качестве сырья для других химических производств. 
 
 
 
 
 
 

Разделение  смесей путем перегонки.

Перегонка (дистилляция) – это метод разделения смеси, основанный на различии в температурах кипения различных ее составляющих. Пары, выделяющиеся из кипящей смеси, имеют различный состав в зависимости от температуры кипения. Их охлаждают и конденсируют по отдельности. В результате получают жидкости, называемые дистиллятами. 
 

Свойства  веществ, которые  могут присутствовать в изучаемой смеси.

Фракционирование  нефти.

При фракционировании нефть разделяют  на фракции, которые сами представляют собой смеси углеводородов с близкими температурами кипения и др. общими свойствами. Сырая нефть нагревается в печи примерно до 400 ⁰C. Затем она перекачивается в колонну для перегонки. Высота колонны более 30 м.  Внутри ее на различной высоте расположены наборы керамических пластин, называемых тарелками.                                                                                     По мере того как горячая сырая нефть поступает в колонну, молекулы веществ, имеющих более низкую температуру кипения, первыми поднимаются наверх. При этом они остывают. Самые легкокипящие вещества остаются газообразными и попадают на самый верх установки. Остальные попадают на тарелки, расположенные на различной высоте в зависимости от температуры кипения. Здесь они конденсируются и образуют фракции с различными интервалами температуры кипения. Наиболее низкокипящие вещества остаются жидкостями, в течение, всего процесса им собирается в самом низу колонны. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Молекулы, из которых состоит нефть.

           Газообразные фракции сырой нефти  состоят из веществ с наименьшими                                  температурами кипения. Эти углеводороды легко испаряются и попадают в виде газов на самый верх колонны для перегонки. Отсюда следует, что их молекулы относительно слабо притягиваются друг к другу и к другим молекулам нефти. Эти газообразные углеводороды содержат от одного до четырех атомов углерода.                                                                                                                  Те фракции, которые при комнатной температуре представляют собой жидкости, включая бензин, керосин и некоторые масла, состоят из молекул, у которых от 5 до 20 углеродных атомов. Молекулы тяжелых фракции, которая не испаряются даже при самых высоких температурах используемых при перегонки, содержат еще больше атомов углерода в составе своих молекул. Изучение свойств показывает, что с ростом числа углеродных атомов возрастает притяжение молекул друг к другу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Нефть  как источник энергии.

Никто в точности не знает, как образовалась нефть. Наиболее вероятно, что она получалась из останков животных и растительных организмов, обитавших в древних морях около 500 млн. лет назад. Эти организмы погибали и покрывались осадками. Давление, тепло и микроорганизмы превратили их в нефть, которая оказалась спрятанной в земной коре. По-видимому, образование нефти идет непрерывно; должно оно идти и в наши дни. Но скорость ее образования несоизмеримо мала по сравнению со скоростью добычи и расходования.                                                                                                                       Нефть начали использовать около 5000 лет назад. В те времена на Ближнем Востоке собирали нефть, просачивающуюся из земли, и использовали для пропитки кораблей и стен каналов, чтобы сделать их водонепроницаемыми. К концу первого тысячелетия н.э. Арабы начали получать из нефти керосин и использовать его для освещения. В 11 веке в Китае добывали нефть с глубины более чем 600 м. Марко Поло (13в.), путешествуя через Персию, описывал добычу нефти в этих местах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Энергия: прошлое, настоящее и будущее.

Вся используемая нами энергия – солнечного происхождения. Путем фотосинтеза энергия излучения солнца запасается в виде химической энергией веществ в растениях. Животные питаются этими растениями и сохраняют энергию в виде биологических молекул – молекул живых систем. Солнечная энергия и энергия, запасаемая в виде биомолекул, - это основные энергетические источники жизни на нашей планете. Использование различных видов «запасенной» солнечной энергии, ставшая возможным после открытия явления горения, сыграла основополагающую роль в развитии человеческой цивилизации.                                                                                                                     В прошлом у людей были неограниченные запасы дешевой энергии. До 1850г. вода, дерево, ветер и животные целиком удовлетворяли медленно растущие энергетические запросы человека. Древесина – основной источник энергии – всегда была в изобилии: леса вырубались, чтобы постоянно расширять посевные площади. Энергия горящего дерева использовалась для отопления, приготовления пищи и освещения. Вода, ветер и энергия животных приводили в движения общественный транспорт, обеспечивали энергией промышленные процессы и машины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Энергия и ископаемые топлива.

Энергия горения  нефти, природного газа, угля – это, по сути, запасенная энергия солнечных  лучей. Ископаемые топлива, судя по всему, образованы из биомолекул доисторических растений и животных. Сохраненная  в результате этого энергия, освобождаемая  при их сгорании, - это энергия, получившаяся из солнечных лучей при фотосинтезе. В чем-то этот процесс напоминает работу мышеловки.                                                                                                         В химических соединения запасается химическая энергия. Если происходит перегруппировка атомов, приводящая к более устойчивой структуре, как в случае горения топлив, то некоторое количество заключенной энергии переходит в тепло и свет.                                                                                                                             При реакциях горения топлива освобождается тепловая энергия, или тепло. Ученые и инженеры сделали этот вид энергии много полезной, создав устройство, способные превращать тепло в другие виды энергии. Большая часть используемой нами энергии претерпевает несколько таких превращений.                                                                                                         Хотя устройства, превращающие один вид энергии в другой, несомненно, повысили потребительские свойства нефти и других видов топлива, некоторое из них породили и свои проблемы. Очень часто превращение энергии сопровождается загрязнением окружающей среды. В более общем виде это значит, что определенное кол-во энергии «теряется» на стадии превращения. Иначе говоря, эффективность превращения энергии никогда не бывает абсолютной, некоторое ее кол-во всегда пропадает, не совершая полезной работы.                                                                                           Поскольку запасы нефти не бесконечны, повышение эффективности использования заключенной в топливе энергии очень важно. Один из способов повышения общей эффективности – уменьшить число стадий, на которых происходит превращение энергии. Другой способ – повысить эффективность превращения на каждой стадии.                                                                                    К сожалению, устройства, превращающее химическую энергию в теплоту, а затем в механическую энергию, обычно имеют коэффициент полезного действия менее 50%. Солнечные батареи (осуществляющие прямое превращение солнечного света в электричество) или топливные элементы     (непосредственно превращающие электричество химическую энергию)