mozok.click

Przypomnijcie sobie: destylacja - sposób podziału mieszaniny płynów lotnych metodą stopniowego odparowywania z dalszą kondensacją.

Ropa naftowa. Destylacja ropy naftowej

Wiele substancji organicznych, z którymi masz do czynienia na co ddzień - tworzywa sztuczne, farby, środki myjące, lekarstwa, lakiery, rozpuszczalniki - syntetyzowane są z węglowodorów. W przyrodzie są trzy podstawowe źródła węglowodorów - ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

Ropa naftowa jest jedną z najważniejszych kopalin. Nie da się wyobrazić sobie współczesnego społeczeństwa bez ropy naftowej i produktów jej przetwarzania. Nic dziwnego, że kraje bogate w ropę naftową odgrywają ważną rolę w gospodarce światowej.

Ropa naftowa jest ciemną oleistą cieczą, która leży w skorupie ziemskiej na różnej głębokości (rys. 29.1). Ma ona również postać jednorodnej mieszaniny złożonej z kilkuset substancji - przeważnie nasyconych węglowodorów o liczbie atomów węgla w molekule od 1 do 40. Do przetwarzania tej mieszaniny stosuje się zarówno metody fizycznie, jak i chemicznie.

Najpierw ropę naftową dzieli się na prostsze mieszanki - frakcje -przez destylację (rektyfikację), która jest oparta na tym, że różne substancje w składzie ropy naftowej wrzą w różnych temperaturach (tab. 12). Destylacja występuje w kolumnie rektyfikacyjnej w warunkach znacznego nagrzewania (rys. 29.2). Frakcje o najwyższej temperaturze wrzenia, które w wysokich temperaturach się rozkładają, destylują w niskim ciśnieniu.

Tabela 12. Frakcje rafinacji ropy naftowej

Ukraina jest dość bogata w złoża ropy naftowej. Podstawowe pokłady znajdują się w trzech regionach roponośnych: wschodni (obwody sumski, połtawski, czernihowski oraz charkowski), zachodni (obwód lwowski oraz iwanofrankiwski) i południowy (Pryczornomoria, szelfy Morza Azowskiego

1 Czarnego). Zapasy ropy naftowej na Ukrainie oceniane są na około

2 mld ton, ale spora ich część znajduje się na dużych głębokościach (5— 7 km). Roczne wydobycie ropy naftowej na Ukrainie wynosi około 2 min ton, a zapotrzebowanie wynosi 16 min ton, dlatego, niestety, Ukraina póki co zmuszona jest importować duże ilości ropy naftowej.

Rafinowanie chemiczne produktów naftowych

Niektóre produkty destylacji ropy naftowej mogą być stosowane natychmiast, bez dalszego przetwarzania - to benzyna i nafta, ale w ropie naftowej jest ich tylko 20-30 %. Ponadto po destylacji benzyna jest niskiej jakości (o malej liczbie oktanowej, czyli podczas ściskania w silniku eksploduje, ale nie pali się). Silnik, który pracuje na tym paliwie, charakterystycznie stuka i szybko się psuje. Dla poprawy jakości benzyny i zwiększenia jej wydajności ropę naftową poddaje się obróbce chemicznej.

Jednym z najważniejszych sposobów obróbki chemicznej ropy naftowej jest krakowanie (od ang. to crack - dzielić, łamać, ponieważ podczas krakowania dochodzi do rozszczepiania łańcuchów węglowych) (rys. 29.3). Podczas nagrzewania do 500 °C bez dostępu powietrza, pod warnkiem obecności specjalnych katalizatorów, długie molekuły alkanów dzielą się na drobniejsze. Podczas krakowania z nasyconych węglowodorów powstaje mieszanina lżejszych nasyconych i nienasyconych węglowodorów, na przykład:

Jedną z cech określających jakość benzyny jest liczba oktanowa, która wskazuje możliwość detonacji (wybuchu) mieszaniny paliwa i powietrza w silniku. Im wyższa jest wartość liczby oktanowej, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo detonacji, a więc wyższa jest jakość benzyny.

Heptan nie nadaje się na paliwo silnikowe, wybucha z dużym prawdopodobieństwem, podczas gdy izook-tan (2,2,4-trimetylopentan) ma odwrotne właściwości -prawie nie wybucha w silniku. Te dwie substancje są podstawą skali do określania jakości benzyny - skala liczby oktanowej. W tej skali heptan otrzymał wartość 0, a izooktan - 100. Zgodnie z tą skalą benzyna o liczbie oktanowej 95 ma takie same cechy detonacyjne jak mieszanina 95 % izooktanu i 5 % heptanu.

W wyniku tego procesu zwiększa się wydajność benzyny i nafty. Taka benzyna czasami jest nazywana benzyną krakowania.

Przetwórstwo ropy naftowej odbywa się w specjalnych przedsiębiorstwach - rafineriach. Przeprowadza się tam zarówno rektyfikację surowej

ropy naftowej, jak i chemiczne przetwarzanie otrzymanych produktów naftowych. Na Ukrainie jest sześć rafinerii: w Odessie, Krzemieńczuku, Chersoniu, Łysyczańsku, Nadworniaósku oraz Drohobyczu. Łączna moc wszystkich ukraińskich rafinerii przekracza 52 min ton rocznie.

Gaz ziemny

Drugim najważniejszym źródłem surowców węglowodorowych jest gaz ziemny, którego głównym składnikiem jest metan (93—99 %). Gaz ziemny jest przede wszystkim używany jako efektywne paliwo. Podczas jego spalania nie powstaje ani popiół, ani trujący tlenek węgla, dlatego gaz ziemny jest uważany za paliwo przyjazne dla środowiska.

Duże ilości gazu ziemnego wykorzystuje przemysł chemiczny. Przetwórstwo gazu ziemnego sprowadza się głównie do wydobywania nienasyconych węglowodorów i gazu syntezowego. Etylen i acetylen powstają podczas odszczepiania się wodoru od niższych alkanów:

Gaz syntezowy - mieszanina tlenku węgla(II) i wodoru - wydobywany jest poprzez nagrzewanie metanu z parą wodną:

Z tej mieszaniny, stosując różne katalizatory, syntezuje się związki zawierające tlen - spirytus metylowy, kwas octowy itp.

Podczas przepuszczania nad katalizatorem kobaltowym gaz syntezowany przekształca się w mieszaninę alkanów, która jest syntetyczną benzyną:

Węgiel kamienny

Kolejnym źródłem węglowodorów jest węgieł kamienny. W przemyśle chemicznym przetwarza się go poprzez koksowanie - nagrzewanie do 1000°C bez dostępu powietrza (rys. 29.5, s. 170). Jako wynik tego procesu powstaje koks i żywica smołowa, masa której wynosi tylko kilka procent masy węgla. Koks jest stosowany jako środek redukujący w hutnictwie (na przykład, do pozyskiwania żelaza z jego tlenków).

Żywica węgla kamiennego zawiera kilkaset związków organicznych, przeważnie węglowodorów aromatycznych, które są pozyskiwane z niej poprzez destylację.

Węgiel kamienny jest również używany jako paliwo, ale powoduje to istotne problemy ekologiczne. Po pierwsze węgiel zawiera mieszań-

ki niepalne, które w trakcie spalania przekształcają się na żużel; po drugie do składu węgla wchodzą niewielkie ilości związków siarki i azotu, podczas spalania których powstają tlenki zanieczyszczające atmosferę.

Ukraina ze względu na zapasy węgla posiada jedno z pierwszych miejsc. Na terytorium, które wynosi 0,4 % światowego, na Ukrainie znajduje się około 5 % zapasów światowych surowca energetycznego, z czego 95 % przypada na węgiel kamienny (około 54 mld ton). W 2015 roku wydobycie węgla wynosiło 40 min ton, co stanowi prawie dwukrotnie mniej niż w 2011 roku. Obecnie na Ukrainie jest 300 kopalni węgła kamiennego, z czego 40 % - to wydobycie węgla koksowego (to, które można przetwarzać na koks). Wydobycie koncentruje się głównie w obwodach donieckim, ługańskim, dniepropietrowskim oraz na Wołyniu.

Zadanie lingwistyczne

W języku greckim pyr oznacza „ogień", a lysis - „rozkład". Co sądzisz, dlaczego terminy „krakowanie" i „piroliza" często używane są jako synonimy?

Myśl główna

Podstawowymi źródłami węglowodorów dla przemysłu jest ropa naftowa, węgiel kamienny i gaz ziemny. W celu bardziej efektywnego wykorzystania tych kopalin naturalnych należy je poddać przetwórstwu dla oddzielenia poszczególnych substancji lub niektórych mieszanin.

Pytania kontrolne

334. Wymień podstawowe naturalne źródła węglowodorów.

335. Na czym polega metoda fizyczna podziału ropy naftowej na frakcje?

336. Na jakie frakcje dzieli się ropę naftową podczas destylacji? Scharakteryzujcie ich zastosowanie. Który produkt przetwarzania ropy naftowej jest najbardziej wartościowy dla współczesnego społeczeństwa?

337. Czym różnią się najważniejsze produkty naftowe ze względu na skład chemiczny?

338. Wykorzystując informację tego paragrafu i lekcji wcześniejszych, opiszcie wykorzystanie gazu ziemnego w przemyśle chemicznym.

339. Jakie produkty podstawowe wydobywane są poprzez koksowanie z węgla kamiennego?

340. Dlaczego węgiel kamienny podczas obróbki nagrzewa się bez dostępu powietrza?

341. Dlaczego gaz ziemny jest lepszy niż węgiel jako paliwo?

342. Jakie substancje i materiały są pozyskiwane w procesie przetwarzania węgla i gazu ziemnego?

Zadania utrwalające wiedzę

343. Podczas krakowania węglowodorów C₂₀H₄₂ powstają dwa produkty o takiej samej liczbie atomów węgla w molekułach. Ułóżcie wzór reakcji.

344. Na czym polega zasadnicza różnica między krakowaniem ropy naftowej a rektyfikacją?

345. Jak uważacie, dlaczego podczas bezpośredniej destylacji ropy naftowej nie udaje się jej przetworzyć na benzynę bardziej niż w 20 %?

346. Przeanalizujcie rys. 29.2 i opiszcie sposób destylacji ropy naftowej.

347. Ułóżcie wzór reakcji pozyskiwania etylenu i acetylenu ze składników gazu ziemnego.

348. Jednym ze składników benzyny jest węglowodór mający skład C₈H₁₈. Ułóżcie wzór reakcji pozyskiwania jego z tlenku węgla(ll) i wodoru.

349. Podczas całkowitego spalenia benzyny w silnikach powstają dwutlenek węgla i woda. Ułóżcie wzór reakcji spalania benzyny, jeśli założymy, że składa się on z węglowodoru mającego skład C_gH_lg.

350. W gazach spalinowych samochodów znajdują się substancje trujące: tlenek węgla(ll) oraz tlenek azotu(IV). Wytłumaczcie, w wyniku jakich reakcji chemicznych one powstały.

351. Obliczcie, na ile zwiększy się objętość mieszaniny paliwowo-powietrznej, składającej się z 40 ml oparów oktanu i 3 litrów powietrza, w przypadku jej podpalenia. Przy obliczaniu należy wziąć pod uwagę, że w powietrzu znajduje się 20 % tlenu (objętościowo).

352. Benzyna sprzedawana w krajach o ciepłym klimacie składa się z węglowodorów o większej masie cząsteczkowej niż benzyna sprzedawana w krajach o zimnym klimacie. Zastanówcie się, dlaczego rafinerie różnicują w ten sposób benzynę.

353*. Ropa naftowa zawiera tak wiele cennych substancji organicznych, że D. I. Mendelejew, który przez jakiś czas badał ropę naftową, mówił o niej: „Palić ropą naftową w piecu - niemal to samo, co palić obligacjami". Jak rozumiecie to powiedzenie D. I. Mendelejewa? Zaproponujcie sposoby racjonalnego wykorzystania naturalnych źródeł węglowodorów.

354*. W dodatkowych źródłach znajdźcie informację o materiałach i substancjach, surowcem dla których jest ropa naftowa, gaz ziemny lub węgiel kamienny. Czy można je wytwarzać bez użycia naturalnych źródeł węglowodorów? Czy współczesna ludzkość może zrezygnować z wykorzystania tych materiałów? Odpowiedź uzasadnijcie.

355*. Korzystając z wiedzy uzyskanej na lekcjach geografii w klasach 8-9, opiszcie istniejące i perspektywiczne baseny oraz obszary wydobycia węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego na Ukrainie. Czy lokalizacje przedsiębiorstw z przetwarzania tych źródeł węglowodorów są tożsame z ich złożami?.

Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz