Химическая переработка природного газа уравнения

Химическая переработка природного газа уравнения

Назовите основные продукты химической переработки природного газа и укажите процессы, с помощью которых их получают. Запишите уравнения соответствующих реакций.

Основные продукты химической переработки природного газа

Синтез газ. Получают его с помощью процесса конверсии:
CH₄ + H₂O t ⟶ CO + 3H₂
Из синтез газа получают синтетический бензин и метиловый спирт:
nCO + (2n + 1)H₂ кат. ⟶ C_nH_2n+2 + nH₂O
CO + 2H₂ кат. ⟶ CH₃OH

Углерод (сажу), водород и ацетилен. Получают их с помощью пиролиза:
CH₄ t ⟶ C + 2H₂
2CH₄ t ⟶ C₂H₂ + 3H₂

Занятие-семинар по теме: «Природные источники углеводородов»

Разделы: Химия

Семинар рекомендуется проводить в курсе Органическая химия по теме “Углеводороды” для учащихся и студентов средних общеобразовательных школ, средних специальных учебных заведений.

Занятие-семинар рассчитан на 90 минут.

— познакомить учащихся с основными способами переработки нефти, природного газа, каменного угля.

— расширить знания о применении углеводородов, содержащихся в природных источниках, об использовании в промышленности и народном хозяйстве производных углеводородов.

— закрепить знания об основных месторождениях нефти, газа и каменного угля в России и мире, полученные в курсе “Физическая и экономическая география”.

— развить умения и навыки исследования и прогнозирования новых химических синтезов и их технологических особенностей.

Оборудование и материалы:

1. Портреты ученых и видных деятелей: Д.И.Менделеев, Н.И.Зелинский, И.М. Губкин, В.Г.Шухов и др.

2. Физические карты мира и России.

3. Образцы пород каменного угля, нефти и продуктов их переработки.

4. Коллекции пластмасс и синтетических материалов.

5. Стенды “Фракционная перегонка нефти”, “Пиролиз каменного угля”, “Добыча природного газа”, “Транспортировка и хранение природного газа” и др.

6. Кинофрагменты из фильмов “Переработка газа на газоперерабатывающих комбинатах”, “Переработка нефти”.

На предыдущих занятиях педагог определяет задания для подготовки к семинару.

Девиз урока: “Нефть не топливо, топить можно и ассигнациями”. (Д.И.Менделеев)

1. Вступительное слово учителя.

(Объяснение темы, постановка задач урока и ознакомление с планом семинара.)

— К доске выходят учащиеся и, используя демонстрационный материал, сообщают изученный ими материал.

В конце выступлений слушатели задают вопросы к докладчикам по теме вопроса.

Учитель (педагог) корректирует вопросы и ответы учащихся, следит за полнотой и правильностью их содержания.

3. Тест по закреплению материала.

4. Выставление оценок, подведение итога семинара, обращение к девизу урока.

Теоретический материал к занятию-семинару

Основные месторождения природного газа

На долю России приходится одна треть мировых запасов газа, что составляет 50 трлн. м 3 .

Основные месторождения природного газа России расположены в Западной Сибири, в Волго-Вятском бассейне. Ресурсы имеются в Оренбургской, Саратовской, Астраханской областях, в Республиках Татарстан и Башкортостан, Вуктыльское месторождение в республике Коми. На северном Кавказе ресурсами газа располагают Республика Дагестан, Ставропольский и Краснодарский край. Открыты месторождения в Республике Саха (Якутия), в бассейне реки Вилюй, на континентальном шельфе Карского и Баренцева морей. На Ямале должна начаться разработка Крузенштернского, Бованенковского, Харасавейского газоконденсатных месторождений. Запасы Ямала оцениваются в 16,6 трлн. м 3 . Основные центры переработки природного газа расположены на Урале (Оренбург. Шкапово. Альметьевск), в Западной Сибири (Нижневартовск, Сургут), Поволжье (Саратов), на Северном Кавказе (Грозный). Протяженность трубопроводов в России составляет 140 тыс. км. Открыт газопровод “Голубой поток” в Турцию, в перспективе открытие в Скандинавские страны и страны Восточной Азии.

Состав и переработка природного газа

Природный горючий газ добывают из газовых месторождений. Основной его компонент — метан (от 93 до 98 %). В нем также содержатся алкановые углеводороды состава С₂–С_5, азот, оксид углерода (IV) и часто сероводород. Состав природного горючего газа непостоянен и зависит от его месторождения. Средний состав (по объему) природного газа важнейших месторождений можно представить следующим образом:

В настоящее время до 90 % горючего газа используется в качестве:

1) топлива на ТЭС, промышленных предприятиях и в быту;

2) природный газ может непосредственно применяться как топливо для автомобильного транспорта. По сравнению с обычным бензином он характеризуется высоким октановым числом (100—105), что позволяет улучшить работу двигателей внутреннего сгорания.

Другое важное преимущество природного газа — его экологическая чистота.

3) С каждым годом все больше расширяется химическая переработка природного газа, и из ценного энергетического средства газ становится не менее важным химическим сырьем. Поэтому метан является незаменимым продуктом для химической промышленности. Он служит для получения ацетилена, метилового спирта, сажи, хлорированных углеводородов и различных растворителей.

Сажа — не только сырье для автомобильных шин. Она является основой для типографской краски, копировальной бумаги, лент пишущих машин и т.д.

Основные месторождения нефти

Россия располагает значительными ресурсами запасов нефти – 13% всех мировых запасов, их оценочная себестоимость составляет 4,5 трл. долл. США. В настоящее время Россия занимает 3-е место по добычи нефти после Саудовской Аравии и США. В России 5 нефтяных провинций: Западно- Сибирская. Волго-Уральская, Тимано-Печерская, Северо-Кавказская и Дальневосточная. Перспективные районы добычи нефти – шельфы Баренцева и Охотского морей. Начата добыча нефти в Арктике на шельфе около острова Колгуев (Песчаноозерское месторождение). Нефтеперерабатывающие предприятия сооружены в центральных регионах: в Поволжье, на Урале, в Сибири, на Дальнем Востоке, на Северном Кавказе.

Состав и переработка попутных нефтяных газов

Попутные нефтяные газы. Они выделяются с нефтью при ее добыче из нефтяных скважин. С каждой тонной добываемой нефти получают в среднем около 50 м 3 газов. Некоторая часть из них уходит сразу же при извлечении нефти на поверхность земли Другая часть газов остается растворенной в нефти и их затем отгоняют на специальных установках. Попутные газы содержат метан, этан, пропан и другие алканы, а также негорючие газы — азот, аргон и оксид углерода (IV). В нашей стране встречаются месторождения, попутные газы которых очень богаты метаном — до 90 %. Однако средний состав попутных газов нефтяных месторождений (по объему) выглядит так: СН₄ (32,0—58), С₂Н₆ (7-20), С₃Н₈ (12-18), С ₄Н₁₀ (7,5-11,5), С₅Н_П и выше, N₂ и другие инертные газы (2—27,5), С0₂ (0,1—0,5). Из этих данных видно, что содержание алкановых углеводородов С₂

С₅ попутных нефтяных газах выше, чем в природных.

Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и «газовый бензин», содержащий углеводороды с С₅ и выше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана («сжиженный газ») применяют в качестве бытового топлива. Продукт, содержащий легколетучие углеводороды («газовый бензин»), добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске двигателей внутреннего сгорания. Мировой расход нефти на химическую переработку в настоящее время пока составляет около 10 %. Однако около 80 % всех органических веществ, используемых человеком, получают на основе нефти и нефтяных газов.

Физические свойства и состав нефти.

Нефть — маслянистая жидкость темно-коричневого или черного цвета (встречается и другая окраска) с плотностью 730—1040 кг/м 3 . По химическому составу нефть представляет собой сложную смесь жидких и небольшого количества твердых углеводородов. Углеводороды, входящие в состав нефти, можно разделить на три группы:

1) предельные углеводороды (алканы) с прямой или разветвленной цепью (в нефти встречаются почти все члены гомологического ряда метана);

2) нафтены — циклические насыщенные углеводороды (циклопентан, циклогексан и их гомологи);

3) ароматические углеводороды (бензол и его гомологи).

Поэтому в настоящее время все нефти по составу классифицируют на метановые, нафтеновые и ароматические. Непредельные углеводороды (например, алкены) в свободном состоянии в нефти встречаются довольно редко. Они образуются только при ее вторичной переработке. Нефть содержит также значительное количество высокомолекулярных соединений — нефтяных смол и продуктов их конденсации. Кроме углеводородов в состав нефти входят примеси — органические кислородные и сернистые соединения, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Встречаются в нефти и механические примеси — песок и глина. Нежелательной примесью в нефти является сера и ее соединения. Они вызывают коррозию металлических труб и аппаратуры, применяемой для переработки нефти. Несмотря на довольно сложный состав, нефть содержит в среднем 82—87 % углерода, 11—14% водорода, 2—6 % других элементов (кислород, сера, азот). Средняя молекулярная масса нефти (исключая высокомолекулярные соединения) составляет 250—300.

После очистки нефти от воды и растворенных в ней солей, от песка и других примесей нефть подвергают переработке. Методы переработки могут быть физическими и химическими. Физический метод переработки (прямая перегонка) заключается в разделении нефти на ее составные части — фракции. Этот процесс основан на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. При прямой перегонке (при атмосферном давлении) нефть разделяют на отдельные фракции, которые кипят в довольно широком интервале температур.

1. Бензиновая фракция — смесь углеводородов с С₅-С₁₀. При более тщательной перегонке этой фракции можно выделить: легкий бензин (петролейный эфир> (т.кип. 40—70 °С), тяжелый бензин (т.кип. 50—195 °С) и лигроин (т.кип. 120—235 °С). Следует отметить, что первая фракция составляет до 20 % от перегоняемой нефти.

2. Керосиновая фракция — смесь углеводородов с С₁₀— С₁₆. В пределах 165-200 °С отгоняют уайт-спирит, в пределах 200—300 °С — керосин, а в интервале180—360°С дизельное топливо.

3. Третья фракция — остаток (мазут), представляющий собой смесь углеводородов с большим числом углеродных атомов. При перегонке мазута под вакуумом (во избежание осмоления при высокой температуре) или с водяным паром можно получить некоторые смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток после отгонки из мазута этих продуктов называется гудроном (нефтяным пеком), из которого вырабатывают битум. Он широко используется в строитель-
стве. Разделение нефти происходит на непрерывно действующих ректификационных колоннах. Ректификационная колонна представляет собой сооружение высотой 50—60 м и диаметром около 3—4 м. Внутри этой колонны на некотором расстоянии друг от друга расположены горизонтальные перегородки — «тарелки», которые имеют большое число отверстий — патрубков. Патрубки закрывают сверху колпачками с зубчатыми краями.

Однако растущая с каждым годом авиационная, автомобильная и тракторная промышленность требует все большего количества бензина и керосина. Для увеличения их выхода некоторые фракции прямой перегонки и мазут подвергают вторичной (химической) переработке. Этот процесс связан с частичным разложением углеводородов, в результате которого происходит разрыв, расщепление больших молекул наиболее мелкие, кипящие при сравнительно низкой температуре. Химические превращения нефти протекают под влиянием нескольких факторов: температуры, давления и катализаторов, это так называемый крекинг нефтяных продуктов. Этот метод переработки нефтяных продуктов был открыт в 1891 г. русским инженером (впоследствии — академиком) В.Г.Шуховым.

Различают два основных типа крекинга — термический и каталитический.

Термический крекинг проводят при температуре 470—650 °С и давлении до 7 МПа. Углеводороды с большой молекулярной массой при крекинге превращаются в более ценные продукты — предельные и непредельные углеводороды с более низкой молекулярной массой. Например, при крекинге бутана можно получить:

Продукты крекинга разделяют на ректификационной колонне. Наиболее ценная жидкая фракция — бензиновая. Бензин, полученный при крекинге, имеет более высокое октановое число, чем бензин прямой перегонки нефти. Однако химическая стойкость такого бензина невысокая, так как в его состав входят алкены, которые со временем окисляются и образуют смолообразные продукты.

Каталитический крекинг протекает в присутствии катализаторов (AlCl₃ , Сг₂Оз, алюмосиликаты) при температуре 470—500 °С и давлении 0,01—0,1 МПа. Каталитическому крекингу подвергают в основном дизельную фракцию. При этом происходит не только разрыв углеводородных цепей в молекуле (как при термическом крекинге), но и процессы изомеризации — превращение неразветвленных углеводородов в разветвленные. Это способствует образованию высокооктанового горючего. Каталитический крекинг — более прогрессивный метод переработки нефтяного сырья, чем термический. В результате каталитического крекинга образуется смесь жидких и газообразных углеводородов, которые разделяют на ректификационных колоннах. Газы каталитического крекинга содержат предельные (пропан и бутан) и непредельные (пропен и бутен) углеводороды. После разделения их используют для синтеза разнообразных органических соединений.

Месторождения каменного угля

В стране осуществляется добыча как каменного, так и бурого угля. Крупнейшим буроугольным бассейном является Канско-Ачинский. По добыче угля, в том числе коксующегося, выделяется кузнецкий бассейн, на долю которого приходится 1/3 всего добываемого в России угля. В России открытым способом добываются более 60% всего угля. Запасы угля, которые могут добываться открытым способом, в основном сосредоточены на востоке страны. Добыча угля открытым способом преобладает в Канско-Ачинском бассейне (100%), в Кузбассе она составляет 46%, а в Подмосковном бассейне – всего 17%. К угольным бассейнам межрайонного значения относится Кузнецкий, Печорский, Канско-Ачинский. Южно-Якутский.

Переработка каменного угля

Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Из 3,5 трлн. т органического топлива, которое можно извлечь из земных недр, 80 % составляет уголь. Уголь — сложная смесь веществ, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В состав угля входят также минеральные вещества, содержащие соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния и других элементов. Полезной частью угля является органическая масса, которая придает ему горючие свойства. Она представляет собой смесь высокомолекулярных соединений с небольшим количеством битумов. Органическая масса сформировалась в результате разложения древесных и растительных остатков в течение многих миллионов лет. Процесс разложения происходил без доступа воздуха, при повышенном давлении и температуре, часто в присутствии влаги я протекал через стадии: торф — бурый уголь — мягкий каменный уголь — твердый каменный уголь (антрацит). Переработка угля связана с тремя основными направлениями: коксование, деструктивное гидрирование и неполное сгорание (газификация твердого топлива). Процесс коксования сопровождается глубокими химическими превращениями его органической массы. В результате образуются твердые, и газообразные продукты: кокс, коксовый газ и каменноугольная смола. Количество этих продуктов определяется сортом угля. Однако в среднем из 1 т угля получают 650—750 кг кокса, 340—350 м 3 коксового газа, 30—40 кг каменноугольной смолы, 10—12 кг сырого бензола, 25—34 кг аммиака. Полученный кокс гасят водой, дают ему остыть и отправляют на металлургические заводы. Кокс содержит 96—98 % углерода. По прочности он превосходит исходные угли, а его теплота сгорания составляет 29—33 МДж/кг. Коксовый газ содержит (%, по объему): 58—62 Н₂, 24,5—26,5 СН₄, 5-6,7 СО, 1,6-3 С0₂, 2-3,5 N₂, 2-2,5 углеводородов, 0,4-0,8 0₂. При охлаждении этого газа конденсируется каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, оксиды углерода и другие газы. Пропуская их через раствор серной кислоты, выделяют аммиак в виде сульфата аммония, который используют как азотное удобрение. Бензол поглощают растворителем, а затем отгоняют из раствора. После отделения аммиака и бензола коксовый газ используют в качестве топлива или как химическое сырье.

Каменноугольная смола образуется в незначительных количествах (до 3 %), однако, учитывая масштабы производства кокса (мировое производство достигает около 400 млн. т в год), ее можно рассматривать как сырье для промышленного производства целого ряда органических веществ. Тем более что в этой смоле содержится около 500 различных органических соединений.

Перспективы использования углеводородного сырья для развития энергетики

Как уже говорилось, лишь незначительная доля природного углеводородного сырья сегодня идет на нужды химической и нефтехимической промышленности. Большая же часть его используется в качестве топлива. При этом огромное количество нефти, газа и угля расходуется для выработки электроэнергии. В настоящее время основой энергетики являются тепловые электростанции, работающие на органическом топливе (мазут, уголь, газ). Их доля в общем производстве электроэнергии составляет почти 75 %. Однако энергетическая политика страны ориентирована на преимущественное развитие газовой промышленности. Природный газ займет видное место в нашей энергетике. Его широкое использование радикально изменит все экологические характеристики. Будут полностью устранены выбросы в атмосферу оксидов серы и азота. При этом в 2 раза уменьшится загрязненность атмосферы оксидом углерода (II), который порождает «парниковый» эффект на планете. Применение газа на 20—30 % уменьшит по сравнению с углем и даже ядерной энергией затраты на добычу, транспортировку и использование топлива. При этом газ должен заменить нефть, используемую как моторное топливо. Из газа будут получать и жидкое моторное топливо — бензин и керосин. Все это позволит в перспективе повысить удельный вес нефти для синтеза органических веществ. Энергетическая программа предусматривает создание «щадящей» энергетики, т.е. такой, которая наносит минимальный вред среде обитания человека. В качестве моторного топлива будут широко. использоваться водород, метиловый и этиловый спирты. Будут построены электростанции, использующие нетрадиционные виды энергии — солнечную, гидротермальную (энергия горячей воды природных источников) и энергию морских приливов. Что же касается атомных электростанций, то предстоит постоянное наращивание их мощностей на базе безопасных атомных реакторов. Большое значение придается производству синтетического топлива из каменного угля. Роль его особенно возрастет в XXI столетии, когда иссякнут запасы природного газа. Уголь станет важнейшим видом сырья для химической промышленности и основным видом топлива на тепловых электростанциях.

Тест на закрепление материала

1. Основной компонент природного газа:

2. Сопровождающим природный газ являются:

3. Основной тип переработки природного газа:

Переработка природного газа: способы и технология

Перспективное развитие крупнейших отраслей промышленности невозможно без ценнейшего сырья и энергоносителя высокого качества – природного газа. Его использование не только автоматизирует многие технологические процессы, но и значительно улучшает бытовые условия населения.

Что такое природный газ?

Не существует единой химической формулы природного газа – в каждом месторождении он имеет состав с различным соотношением входящих в него компонентов.

Природный газ – это смесь углеводородов, большую часть которых составляет метан. Остальными компонентами являются: бутан, пропан, этан, водород, сероводород, гелий, азот, диоксид углерода.

Природный газ не имеет цвета и запаха, его наличие в воздухе невозможно определить без помощи специальных приборов. Знакомый каждому человеку запах придаётся газу искусственным путём (одоризацией). Благодаря этому процессу имеется возможность ощущать присутствие газа в воздухе и предотвращать опасные для жизни ситуации.

Происхождение

Относительно происхождения газа не существует единой теории, учёные придерживаются двух версий:

• Когда-то на месте материков был океан. Погибая, живые организмы скапливались в пространстве, в котором не было воздуха и бактерий, запускающих процесс разложения. Благодаря геологическим движениям накопленные массы погружались всё глубже в недра Земли, где под воздействием высокого давления и температуры вступали в химические реакции с водородом, образовывая углеводороды.
• Динамика Земли способствует поднятию углеводородов, находящихся на огромной глубине, там, где меньший уровень давления. В результате этого образуются газовые или нефтяные месторождения.

Добыча

Вопреки распространённому мнению, природный газ может находиться под землёй не только в пустотах, извлечение из которых не требует значительных материальных и энергозатрат. Зачастую он концентрируется внутри горных пород с настолько мелкой пористой структурой, что человеческим глазом её не увидеть. Глубина залежей может быть небольшой, но иногда достигает нескольких километров.

Процесс добычи газа включает в себя несколько стадий:

• Геологические работы, в результате проведения которых точно определяются места залежей.
• Бурение добывающих скважин. Осуществляется на всей территории месторождения, что важно для равномерного уменьшения давления газа в пласте. Максимальная глубина скважин составляет 12 км.
• Добыча. Процесс осуществляется благодаря разному уровню давления в газоносном пласте и земной поверхности. По скважинам газ стремится наружу – туда, где давление меньше, сразу попадая в систему сбора. Кроме того, осуществляется добыча попутного газа, являющегося сопутствующим продуктом при добыче нефти. Он также представляет ценность для многих отраслей промышленности.
• Подготовка к транспортировке. Добытый газ содержит многочисленные примеси. Если их количество несущественно, газ транспортируется с помощью танкеров или трубопровода на завод для последующей переработки. От значительного количества примесей природный газ очищается на установках комплексной подготовки, которые строятся рядом с месторождением.

Зачем нужна переработка природного газа

Образование природного газа приходится на период формирования слоёв пористых пород, содержащих нефть, и угольных пластов. Помимо компонентов, важных для нужд промышленности, он содержит примеси, затрудняющие процесс транспортировки и использования конечными потребителями.

Сразу после добычи газ на установках комплексной подготовки осушается, в ходе чего из него извлекаются пары воды и серы. Дальнейшая переработка природного и попутного газа осуществляется на химических и газоперерабатывающих заводах.

Основной принцип работы заводов по переработке

Главная задача предприятия, занимающегося переработкой природного газа, – максимально возможное извлечение всех компонентов ископаемого и доведение их до товарного состояния. При этом не должен наноситься вред окружающей среде и земным недрам, а финансовые затраты необходимо сводить к минимуму.

Благодаря выполнению всех аспектов этого правила, продукты переработки природного газа считаются высококачественными и экономичными.

Способы переработки

Существуют следующие способы переработки газа:

• физико-энергетические;
• химико-каталитические;
• термохимические.

Физико-энергетические методы применяются для сжатия газа и разделения его на составляющие с помощью охлаждающих или нагревательных установок. Данная технология переработки природного газа чаще всего используется непосредственно на месторождениях.

Изначально процесс сжатия и разделения осуществлялся при помощи компрессоров. На сегодняшний день успешно применяется менее затратное в финансовом плане оборудование – эжекторы и нефтяные насосы.

Химико-каталитический способ переработки природного газа подразумевает превращение метана в синтез-газ для его последующей переработки. Это возможно сделать тремя способами: паровой или углекислотной конверсией, парциальным окислением.

Зачастую используется метод парциального окисления метана. Это обусловлено удобством проведения процесса в автотермическом режиме (когда при неполном окислении углеводородов сырьё нагревается благодаря тепловыделению), скоростью реакции и отсутствием необходимости использования катализатора (как при паровой и углекислотной конверсии).

Полученный синтез-газ в дальнейшем не подвергается процессу разделения на составляющие.

Термохимические способы подразумевают термическое воздействие на природный газ, в результате чего образуются непредельные углеводороды (например, этилен, пропилен). Осуществление процесса возможно только при очень высоких температурах (около 11 тыс. градусов Цельсия) и давлении в несколько атмосфер.

Продукты переработки

У многих людей слово «газ» ассоциируется с топливом и газовой плитой. На самом же деле применение его составляющих более обширно:

• гелий – ценное сырьё, используемое в высоких технологиях, например при изготовлении медицинского оборудования и магнитных подушек для длительных поездок в общественном транспорте, при конструировании ядерных реакторов и космических спутников;
• формальдегид, один из производных метана, – сырьё, играющее большую роль в производстве фенопластов (тормозные накладки, бильярдные шары) и смол, являющихся важным компонентом строительных конструкционных материалов (фанера, ДВП), лакокрасочных и теплоизоляционных изделий;
• аммиак – используется в фармацевтической (водный раствор), сельскохозяйственной (удобрения) и пищевой (усилитель вкусовых свойств) отраслях промышленности;
• этан – сырьё, из которого производят полиэтилен;
• уксусная кислота – широко применяется в текстильной промышленности;
• метанол – топливо для автотранспорта.

Добыча и переработка природного газа – процессы, благодаря которым эффективно развиваются важнейшие отрасли промышленности. Конечному потребителю газ поступает после тщательной обработки, его применение значительно улучшает условия быта.