Тема: Природні джерела вуглеводнів. Природний та супутний
нафтові гази, їх склад, використання. Нафта: склад, властивості, переробка
нафти. Детонаційна стійкість бензину. Кам’яне вугілля. Основні види палива та
їх значення в енергетиці України.
(лекція в супроводі презентації)
Мета: ознайомити учнів з природними джерелами
вуглеводнів, показати склад нафти, природного газу, кам'яного вугілля,
розібрати процеси їх переробки; ознайомитися з основними видами палива та їх
значенням в енергетиці України.
Обладнання: проектор, ноутбук,
зразки нафти
Література: Л. П. Величко, Хімія 11 кл., підручник для
загальноосвітніх навчальних закладів, Київ, Освіта, 2011 р.
План лекції:
І. Актуалізація
опорних знань.
IІ. Природні
джерела вуглеводнів.
IIІ. Природний
і супутний нафтовий гази, їх склад, використання.
ІV. Нафта:
склад, властивості, переробка.
V. Детонаційна
стійкість бензину.
VI. Кам’яне
вугілля та його переробка.
VII. Основні
види палива та їх значення в енергетиці України.
VIII. Тестування
IX. Розв’язування задач
X. Домашнє
завдання.
I.
Дайте назву вуглеводням
(слайди № 3, 4).
IІ. Людство
споживає близько 7,5 млрд. т. вуглеводнів щороку. Їх джерелом служать приблизно
в рівних кількостях нафта і вугілля, вдвічі менше (за масою) використовується
природний газ.
Таблиця дає уявлення про загальні запаси УВ
на Землі та про їх відносну кількість (млрд. т.) (слайд № 5)
|
Паливо
|
Геологічні
ресурси
|
Розвідані запаси
|
|
Кам'яне вугілля
Буре вугілля
Нафта
Природний газ
|
7729
2399
380
345
|
493
144
144
80
|
З цих джерел тільки природний газ складається
практично з УВ. В залежності від родовища склад природного газу може
змінюватися (в% за обсягом) (слайд № 6):
Метан СН4 80- 97 Бутан С4Н10
0,1-1,0
Етан С2Н6 0,5-4,0 Пентан С5Н12
0-1,0
Пропан С3Н8 0,2-1,5 Азот та ін. гази 2-13
ІII. Природний
газ використовується в основному як паливо, а також як сировина у виробництві
водню:
СН4 + 2Н2О → СО2
+ 4Н2
Властивості природного газу практично такі ж,
як і його головного складового - метану. Він не має запаху, горючий, а його
суміші з повітрям вибухонебезпечні. Особливу небезпеку становлять систематичні
вибухи у вугільних шахтах. Природний газ шкідливо діє на організм, тому для його виявлення в газові магістралі
додають речовини із специфічним запахом-меркаптани. Попутний нафтовий газ - це
суміш газоподібних вуглеводнів, що містяться в нафтових родовищах. За якісним
складом він нагадує природний, але метану в ньому менше (30 - 40%), а інших УВ
більше. Частина цього газу розчинена в нафті, при її вилученні з земних надр
тиск падає, розчинність газів зменшується і вони виділяються з неї. Раніше ці
гази просто спалювали, але зараз на газопереробних заводах з них виділяють
метан, етан, пропан, бутан і газовий бензин (рідкі УВ С5- С11).
Суміш С3Н8 и С4Н10 (зріджений або
балонний газ) використовують як побутове паливо і паливо для автотранспорту.
Розглянемо застосування природного і
супутного нафт. газів. (слайд № 7)
ІV. В
даний час з надр землі і даних відкладень в морях щорічно видобувається близько
3 млрд. т. нафти. Велика частина видобутої нафти (80 - 90%) переробляється на
різні види палива і мастильних матеріалів; близько, 8% витрачається на потреби
органічного синтезу. Якщо врахувати, що практично весь транспорт, значна
частина теплових електростанцій використовують нафтопродукти як джерело
енергії, а ще виробництво полімерних матеріалів, каучуку, синтетичних волокон,
миючих засобів, добрив, лікарських препаратів і багатьох інших речовин
базується на нафтовій сировині, то не буде перебільшенням сказати, що сучасна
цивілізація заснована на нафті. Економіка держави залежить від нафти більше,
ніж від будь-якого іншого продукту. Тому і ми приділимо їй особливу увагу.
Нафта - темна масляниста рідина зі специфічним запахом. Вона легше води (р=
0,82- 0,95г/СМ3) і не розчинна у ній. У
природних умовах утворює з водою стійку неоднорідну суміш - емульсію.
Демонструються зразки нафти.
Ці зразки взяті з різних родовищ колишнього
СРСР. Цієї держави вже немає, але ми досі маємо можливість користуватися
зразками, які в свій час були привезені сюди, в технікум.
Нафта розчиняється в органічних розчинниках.
До складу нафти входять понад 150 різних УВ. З них приблизно половину складають
алкани і половину арени.
Отже, нафта - природна суміш вуглеводнів.
Перший етап переробки нафти полягає в поділі її на фракції - групи речовин з
близькими t° кипіння. Згадайте залежність t° кипіння від молекулярної маси. Чим більше
молекулярна маса, тим вище t° кипіння. Технічний процес переробки нафти
здійснюється в спеціальних перегінних апаратах - ректифікаційних колонах
тарілчастої конструкції.
Схема будови ректифікаційної колони. (слайд №
8)
Ректифікація - перегонка.
Нафту попередньо нагрівають до кипіння в
трубчастій печі і разом з водяною парою вводять в колону. Там газова суміш
поступово охолоджується і розділяється на фракції:
Бензин С5-
С11 (40 - 220°С) - паливо для автомобільних і авіаційних
двигунів.
Лігроїн С8- С14 (150 -
250°С) - паливо для тракторів.
Гас С12- С18 (180 - 300°С) - паливо для
тракторів, реактивних літаків і ракет.
Газойль С15- С22
(>275°С) - дизельне паливо.
Мазут С23-... (>350°С) - паливо
для котлів, промислових печей, органічна сировина.
Щоб виділити окремі фракції з мазуту, його
теж переганяють, але при зниженому тиску для зниження температури кипіння. При
звичайному тиску їх t° кипіння вище t°
розкладання.
Шляхом перегонки витягується не більше 10-15%
бензинової фракції, тобто витягуємо з неї ту кількість, яка в ній вже є.
Для збільшення виходу легких УВ потрібно
розкласти УВ з великими молекулярними масами. При підвищенні t°>350°С довгі вуглеводневі ланцюги рвуться на більш короткі. Наприклад:
С20 Н4з --t→ С10 Н22 + С10 Н20
ейкозан декан децен
Такий процес називається крекінгом. Крекінг -
розщеплення. (слайд № 9)
Існує 2 види крекінгу: термічний і
каталітичний.
(схема на екрані)
Особливості термічного крекінгу: t = 470 - 550 °С, тиск у кілька атмосфер.
(Рівняння реакцій на екрані)
Недоліки: октанове число не більше 60 - 70, в
бензині містяться ненасичені УВ, при окисленні яких погіршується якість
бензину. Для уповільнення процесів окислення додають інгібітори - сповільнювачі
швидкості реакцій.
Каталітичний крекінг здійснюється при більш
низьких температурах і тиску в присутності каталізаторів-алюмосилікатів. При
цьому поряд з розривом ланцюгів відбувається ізомеризація, циклізація і
утворення ароматичних УВ. Такий бензин має більш високе октанове число (>
70) і стійкий при зберіганні.
Для поліпшення якості бензину так само
використовують риформінг (перетворення) вуглеводнів. За допомогою цього процесу
з бензиновою і легроіновой фракцій, отримують високоякісний бензин з октановим
числом> 90. (слайд № 10)
V. Якість бензину
визначається октановим числом. Октанове число показує детонаційну стійкість
бензину. Детонація - явище дуже швидкого (вибухового) згоряння парів речовини в
суміші з повітрям при стисненні. Розгалужені УВ і арени більш стійкі до
детонації, ніж УВ нерозгалуженої будови. Для визначення активного числа
кількісно обрані два вуглеводні:
СН3
|
Н3С — С — СH2 — СН — СН3 и СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3
| |
СН3 СН3
2,2,4 - триметилпентан н-гептан
октанове число 100 октанове число 0.
(схема на екрані) (слайд № 11, 12)
Підвищити о.ч. можна за допомогою спеціальних
добавок - антидетонаторів.
Крім різних видів палива з нафти також
отримують розчинники, полімери, лікарські засоби, гербіциди та інсектициди.
VІ. Важливим джерелом промислового отримання
вуглеводнів поряд з переробкою нафти є переробка вугілля. Існує 3 способи
хімічної переробки вугілля коксування, газифікація та гідрування повітря.
(Схема коксування кам'яного вугілля в лабораторії на екрані). У промисловості
кам'яне вугілля нагрівають в коксових печах при t=
900-1100 °С. В результаті утворюється кокс і леткі продукти. (слайд № 13, 14)
Кокс - пориста речовина темно-сірого кольору, що містить 96-98%
вуглецю. Його використовують у металургії.
(Схема продуктів коксування кам'яного вугілля
на екрані) (слайд № 15, 16)
Газифікація - перетворення вугілля в горючі
гази. Процес відбувається в газогенераторних установках при t = 800 - 900 °С. В результаті утворюється
газова суміш:
2С + О2 --t→ 2СО; С + Н2О --t→ СО+ Н2; С + 2Н2
--t→ СН4
С + О2 --t→ СО2; СО + Н2О --t→СО2 + Н2; СО + ЗН2 --t→ СН4+ Н2О
С + СО2 --t→ 2СО.
Таку суміш
використовують у промисловості як паливо. Крім того, отримують суміш УВ за
складом схожих з бензином.
(схема на екрані)
(слайд № 17)
nСО + (2n+1) Н2
t; Р; kt СnН2n+2 + nН2О
n СО + 2nН2 t; Р; kt СnН2n + nН2О
Гідрування - перетворення вугілля в рідкі та
газоподібні УВ під дією водню. Таким чином отримують синтетичне рідке паливо.
VIІ. Забезпеченість
енергією є найважливішою умовою соціально-економічного розвитку будь-якої
країни, її промисловості, транспорту, сільського господарства. Джерелами
енергії найчастіше служать традиційні непоновлювані ресурси - вугілля, нафта,
природний газ, торф, сланці. Згадайте, які вугільні басейни України ви знаєте,
покажіть їх на карті (карта на екрані) (слайд № 18). Чи має Україна свої родовища
нафти і природного газу? В Україні невеликі родовища нафти. Щорічно її
видобувають в середньому 4 млн. тонн, що складає приблизно 10% від загальної
необхідної для країни кількості. Родовища природного газу в Україні більше, ніж
нафти. Щорічно його добувають в середньому 18 млрд. м3, що становить
1/5 від необхідної для енергетики та промисловості кількості. Як видно, для
нашої країни особливе значення має саме переробка кам'яного вугілля, як цінного
джерела вуглеводнів. В економіці України чільну роль грає видобуток кам'яного
вугілля і переробка його в інші види палива. Так, наприклад, за 8 місяців 2012
року завдяки газифікації кам'яного вугілля зекономлено 1 млрд. 800 млн.
гривень. Також необхідно розвивати впровадження інших видів відновлюваної
енергії: сонця, вітру, земних глибин.
VIІI. Тестування
(слайд № 19, 20)
IX. Розв’язування
задач (слайд № 21-24)
X. Домашнє завдання: с. 70, § 13,14, 15, 16
Немає коментарів:
Дописати коментар