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.
Задачи урока:
- 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.
| Вопросы семинара | Форма отчета по вопросу (использование наглядных пособий) | Литература |
| 1. Месторождения природного газа. 2. Состав и переработка природного газа 3. Месторождения нефти. 4. Состав и переработка попутных нефтяных газов 5. Состав и свойства нефти 6. Фракционная перегонка нефти
7. Крекинг нефтепродуктов А) каталитический Б) термический 8. Месторождения каменного угля 9. Переработка каменного угля 10. Перспективы использования углеводородного сырья |
1. Физическая карта мира и России 2. Таблица состава природного газа, химические уравнения использования природного газа. Стенд “Транспортировка и хранение природного газа” 3. Физическая карта мира и России. Портреты ученых 4. Таблица состава попутных нефтяных газов. Уравнения химических реакций переработки газов. 5. Коллекции “Нефть и продукты ее переработки”. Опыт по растворению нефти в воде. 6.Кинофрагменты,стенд “Фракционная перегонка нефти”, таблица фракций нефти. Портреты ученых. Коллекции нефти и продуктов ее переработки. 7. Кинофрагменты. Портреты ученых. Коллекции нефти и продуктов ее переработки. Уравнения крекинга нефтепродуктов
8. Физическая карта мира и России
9. Стенд “Пиролиз каменного угля”, коллекции “Каменный уголь и продукты его переработки” |
1. А.И. Артеменко Органическая химия. М.,
Высшая школа, 2003 2. В.М.Потапов Органическая химия. М., Химия, 1989 3. К.Я.Парменов, Л.М. Сморгонский, Л.А.Цветков Книга для чтения по химии. М., Наука , 1985 4. Экономическая география России: уч. Пособие для вузов под. Ред. Т.Г.Морозовой, М ЮНИТИ. 2001 |
Девиз урока: “Нефть не топливо, топить можно и ассигнациями”. (Д.И.Менделеев)
Ход занятия
1. Вступительное слово учителя.
(Объяснение темы, постановка задач урока и ознакомление с планом семинара.)
2. Семинар.
- 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. м3 .
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. м3. 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–С5, 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:
СН4 (93-98), С2Н6 (0,5-4), С3Н8 (0,2-2), С4Н10 и выше (0,2-1), N2 (1,2-2,0), С02 (0,1-0,3).
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 м3 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), С5НП 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/м3. 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.
Переработка нефти
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.
Крекинг нефтепродуктов
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 м3 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:
а) этан
б) бутан
в) метан
2. Сопровождающим природный газ являются:
а) конденсат
б) попутный газ
в) вода
3. Основной тип переработки природного газа:
а) получение синтез-газа
б) как топливо
в)получение ацетилена
4. Экономически и экологически выгодное топливо:
а) каменный уголь
б) природный газ
в) торф
5. Перегонка нефти основана:
а) на разных температурах кипения составляющих компонентов
б) на разности плотности составляющих компонентов
в) на различной растворимости составляющих компонентов
6. Попутные нефтяные газы в основном ценны своей частью:
а) этан
б) метан
в) газовый бензин
7. Что вызывает коррозию труб при перегонки и переработки нефти
а) наличие в составе нефти песка
б) глины
в) серы
8. Переработка нефтепродуктов с целью получения углеводородов с меньшей молекулярной массой называется:
а) пиролиза
б) крекинг
в) разложение
9. Каталитический крекинг позволяет получить углеводороды:
а) непредельные
б) разветвленные
в) ароматические
10. В качестве антидетонатора топлива используется:
а) хлорид алюминия
б) тетраэтилсвинец
в) хлорид свинца
Литература
1. А.И. Артеменко Органическая химия М, Высшая школа, 2003.
2. В.М.Потапов Органическая химия М,Химия, 1989.
3. К.Я.Парменов, Л.М. Сморгонский, Л.А.Цветков Книга для чтения по химии М., Наука, 1985.
4. Экономическая география России: уч. Пособие для вузов под. Ред. Т.Г.Морозовой, М ЮНИТИ 2001.