Природные источники углеводородов - готовая презентация по химии

Природные источники углеводородов

Нефть, природный газ и каменный уголь содержат основную массу органического вещества, используемого человечеством как топливо и сырье для химической промышленности.

В этой презентации мы разберем, из чего состоят природные углеводороды, как их добывают и перерабатывают, а также какие проблемы это создает.

Что такое углеводороды

Углеводороды — органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода.

В природе они встречаются в газообразном, жидком и твёрдом состоянии, образуя залежи в осадочных породах земной коры.

Именно эти соединения служат исходным сырьём для получения бензина, пластмасс, каучуков и тысяч других материалов.

Нефть: происхождение и состав

Нефть формировалась миллионы лет из остатков морских организмов, которые накапливались на дне водоёмов и постепенно превращались в сложную смесь углеводородов под действием давления и температуры.

По составу это тёмная маслянистая жидкость, содержащая преимущественно алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды с примесями серо-, азот- и кислородсодержащих соединений.

Единой химической формулы у нефти нет: состав меняется от месторождения к месторождению.

Физические свойства нефти

Нефть легче воды, не растворяется в ней и обладает характерным запахом, а цвет варьируется от светло-жёлтого до чёрного в зависимости от содержания смол и асфальтенов.

Температура кипения у нефти отсутствует, потому что это смесь веществ с разными температурами кипения — от 30 до 500 °C и выше.

Плотность колеблется от 730 до 980 кг/м³, что позволяет делить нефть на лёгкую, среднюю и тяжёлую.

Перегонка нефти

Первичная переработка нефти — это фракционная перегонка в ректификационной колонне, где смесь разделяют на фракции по температурам кипения.

В результате получают бензиновую фракцию (40–180 °C), лигроиновую (150–250 °C), керосиновую (180–300 °C), газойлевую (250–350 °C) и мазут, который остаётся внизу колонны.

Перегонка — физический процесс, при котором молекулы углеводородов не разрушаются, а только сортируются по размеру.

Текст слайда

Крекинг и риформинг

Крекинг расщепляет длинные молекулы тяжёлых фракций на более короткие при нагревании до 450–550 °C, что увеличивает выход бензина из каждого барреля нефти.

Термический крекинг протекает за счёт высокой температуры, а каталитический — с участием алюмосиликатных катализаторов при более мягких условиях.

Риформинг перестраивает структуру молекул, превращая алканы в ароматические углеводороды и повышая октановое число бензина.

Продукты переработки нефти

Из нефти получают моторное топливо, смазочные масла, парафин, битум и нефтяной кокс, которые используют в транспорте, строительстве и энергетике.

Нефтехимическая переработка даёт этилен, пропилен, бутадиен и бензол — базовые мономеры для производства полимеров, синтетических волокон и растворителей.

Около 90 % всех органических веществ в промышленности так или иначе связаны с нефтяным сырьём.

Природный газ: состав и добыча

Природный газ на 80–97 % состоит из метана, а оставшуюся долю занимают этан, пропан, бутан и незначительные примеси азота, углекислого газа и сероводорода.

Его добывают из подземных залежей через скважины, после чего очищают от влаги, сернистых соединений и тяжёлых углеводородов перед подачей в магистральные трубопроводы.

Теплота сгорания метана составляет около 50 МДж/кг, что делает природный газ одним из самых калорийных видов топлива.

Попутный нефтяной газ

Попутный газ растворён в нефти и выделяется при её добыче на поверхность, где его отделяют в специальных сепараторах.

В отличие от природного, он содержит больше пропана, бутана и пентана, поэтому служит ценным сырьём для химической промышленности.

Раньше попутный газ просто сжигали на факелах, сейчас его всё чаще перерабатывают или закачивают обратно в пласт для поддержания давления.

Каменный уголь как источник углеводородов

Каменный уголь — твёрдое ископаемое, образовавшееся из древних растений за сотни миллионов лет, содержит до 80–95 % углерода и значительное количество ароматических структур.

Сам по себе уголь не является смесью углеводородов в чистом виде, но при его переработке получают жидкие и газообразные углеводородные продукты.

Мировые запасы угля значительно превышают запасы нефти, что делает его стратегическим ресурсом на ближайшие столетия.

Коксование каменного угля

Коксование — нагревание угля без доступа воздуха до 1000–1200 °C, в результате которого образуются кокс, каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ.

Каменноугольная смола содержит бензол, толуол, нафталин и фенол, которые выделяют ректификацией и используют в органическом синтезе.

Коксовый газ состоит из водорода, метана и оксида углерода и служит топливом на металлургических комбинатах.

Горючие сланцы и торф

Горючие сланцы — осадочные породы с высоким содержанием керогена, из которого при нагревании можно получить синтетическую нефть, однако процесс требует больших затрат энергии.

Торф представляет собой частично разложившиеся растительные остатки и содержит до 60% углерода, но его теплотворная способность невысока из-за большой влажности.

Оба ресурса пока играют второстепенную роль в мировом энергобалансе, хотя их запасы огромны.

Экологические проблемы добычи и переработки

Добыча и сжигание углеводородов выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды серы и азота, что усиливает парниковый эффект и вызывает кислотные дожди.

Разливы нефти в океане уничтожают морские экосистемы, а нефтеперерабатывающие заводы загрязняют почву и грунтовые воды тяжёлыми металлами и фенолами.

Сокращение этих последствий требует перехода на замкнутые технологические циклы и более жёсткого контроля выбросов.

Альтернативные источники углеводородов

Биотопливо из растительного сырья — биоэтанол и биодизель — уже частично заменяет бензин и солярку в ряде стран, снижая зависимость от ископаемых ресурсов.

Метан можно получать из биогазовых установок, перерабатывающих органические отходы, а синтетические углеводороды — из водорода и углекислого газа с помощью катализаторов.

Эти технологии пока дороже традиционной нефтепереработки, но их доля растёт по мере удешевления возобновляемой энергии.

Заключение

Природные углеводороды остаются основой мировой энергетики и химической промышленности, обеспечивая человечество топливом, материалами и сырьём для синтеза.

Понимание их состава, способов переработки и экологических последствий помогает осознанно подходить к использованию этих ограниченных ресурсов.

В ближайшие десятилетия баланс между ископаемыми и возобновляемыми источниками будет меняться, и химия углеводородов останется базой для понимания этих процессов.