Ископа емое то пливо - это нефть, каменный уголь, горючий сланец, природный газ и его гидраты, торф и другие горючие минералы и вещества из группы каустобиолитов, применяемые в основном как топливо, добываемые под землёй или открытым способом. Ископаемые виды топлива формируются из окаменелых останков отмерших растений в процессе разложения в анаэробных условиях под воздействием тепла и давления в земной коре в течение миллионов лет. Уголь и торф - топливо, образующееся по мере накопления и разложения останков животных и растений. Ископаемые виды топлива являются невозобновимым природным ресурсом, так как накапливались миллионы лет. Согласно данным Управления по энергетической информации (), в 2007 году в качестве первичных источников энергии использовались: нефть - 36, 0 %, уголь - 27, 4 %, природный газ - 23, 0 %, в общей сложности доля ископаемого топлива составила 86, 4 % от всех источников (ископаемых и неископаемых) потребляемой первичной энергии в мире. Следует отметить, что в состав неископаемых источников энергии включены: гидроэлектростанции - 6, 3 %, ядерное - 8, 5 %, и другие (геотермальная, солнечная, приливная, энергия ветра, сжигания древесины и отходов) в размере 0, 9 %.

Нефть - природная маслянистая горючая жидкость, состоящая из сложной смеси углеводородов и некоторых других органических соединений. По цвету нефть бывает красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть; имеет специфический запах, распространена в осадочных породах Земли. Нефть известна человечеству с древнейших времён. Однако в наши дни нефть является одним из важнейших для человечества полезным ископаемым.

Общая схема переработки нефти В общем случае переработка нефти на нефтепродукты включает ее подготовку и процессы первичной и вторичной переработки. Подготовка извлеченной из недр нефти ставит целью удаление из нее механических примесей, растворенных солей и воды и стабилизацию по составу. Эти операции проводят как непосредственно на нефтяных промыслах, так и на нефтеперерабатывающих заводах. Первичная переработка нефти (первичные процессы) заключается в разделении ее на отдельные фракции (дистилляты), каждая из которых представляет смесь углеводородов. Первичная переработка является физическим процессом и не затрагивает химической природы и строения содержащихся в нефти соединений. Важнейшим из первичных процессов является прямая гонка нефти. Вторичная нефтепереработка (вторичные процессы) представляет собой разнообразные процессы переработки нефтепродуктов, полученных методом прямой гонки. Эти процессы сопровождаются деструктивными превращениями содержащихся в нефтепродуктах углеводородов и изменением их природы, то есть являются химическими процессами.

Химия углеводородов Многие полагают, что сырая нефть, выкачиваемая из земли, состоит из смеси различных видов топлив, что все они огнеопасны и, по сути, разницы между ними нет. Отчасти это правда, однако давайте разберемся, чем же с химической точки зрения бензин отличается от дизельного топлива, керосина и т. д. Сырая нефть, выкачиваемая из-под земли, это вовсе не топливная смесь, но смесь алифатических углеводородов – веществ, состоящих только из атомов углерода и водорода. Последние соединены друг с другом в цепочки различной длины. Так образуются молекулы углеводородов. Этот факт определяет их физические и химические свойства. Например, цепочка с одним атомом углерода (CH 4), является самой легкой и известна как метан – прозрачный газ, легче воздуха. Как только цепи становятся длиннее, молекулы углеводорода становятся тяжелее, их свойства начинают заметно меняться. Первые четыре углеводорода - CH 4 (метан), C 2 H 6 (этан), C 3 H 8 (пропан) и C 4 H 10 (бутан) – это всё газы. Они кипят (испаряются) при температуре -107, -67, -43 и -18 градусов С. Цепочки начиная от C 18 H 32 – это жидкости, имеющие температуру кипения начиная от комнатной. Так в чем же реальная разница между бензином, керосином и дизельным топливом?

Углеродные цепи в нефтепродуктах Более длинные углеводородные цепи имеют более высокие температуры кипения. Благодаря этому свойству, углеводороды могут быть отделены друг от друга. Этот процесс называется каталитический крекинг или просто перегонка - это то, что происходит на нефтеперерабатывающем заводе. Здесь нефть нагревают, а затем испарившиеся углеводороды конденсируют, каждый в отдельную емкость. Вещества, молекулы которых имеют цепи с C 5 , C 6 и C 7 – все очень легкие, легко испаряющиеся, прозрачные жидкости, называемые нафта. Она используется для изготовления различных растворителей. Углеводороды с цепочками от C 7 H 16 до C 11 H 24 обычно смешиваются и используются для изготовления бензина. Все они испаряются при температурах ниже точки кипения воды (100 o С). Вот почему, если вы пролили бензин, он испаряется очень быстро, буквально на глазах. Далее идет керосин. Для его изготовления используются молекулы с C 12 до C 15.

Дизельное и печное топливо делают из еще более тяжелых углеводородов C 16 до C 19. Температура их кипения от 150 до 380 o С. Далее следуют смазочные масла. Они не испаряются в любом случае при нормальной температуре. Например, моторное масло может работать весь день при температуре 120 o С. Углеродные молекулы с C 20 – это твердые вещества, начиная парафином и кончая битумом, который используется для изготовления асфальта и ремонта автомобильных дорог.

Углеводородное топливо – это горючее вещество, состоящее из соединений углерода и водорода. К ним относятся жидкие нефтяные топлива (автотракторные, авиационные, котельные и другие…) и углеводородные горючие газы (метан, этан, бутан, пропан, их природные смеси и другие…). Чем выше содержание в углеводородном топливе водорода, тем больше его массовая теплота сгорания.

Углеводородное топливо представляет собой жидкость сложного состава, состоящую из большого количества индивидуальных углеводородов. Такая жидкость не имеет определенной температуры кипения, процесс кипения происходит в некотором интервале температур. Характерными точками фракционного состава обычно считают температуру начала кипения, температуру выкипания 10, 50, 90 % объема топлива и температуру конца кипения.

Источниками углеводородного топлива являются сырая нефть и природный газ.

Теплота сгорания углеводородных топлив зависит от химического состава и строения индивидуальных углеводородов, входящих в состав топлива, и для углеводородов различных групп находится в пределах 9500 - 10 500 ккал/кг(кДж/кг).

Метан

Простейший углеводород, бесцветный газ без запаха, химическая формула – СН 4 . Малорастворим в воде, легче воздуха. Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %.Метан – наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Молярная масса =16,04г/моль. Температура плавления –182,49°С, кипения –161,58°С. Плотность =0,7168кг/м 3 .

Этан

С 2 Н 6 – органическое соединение, второй член гомологического ряда алканов. В природе содержится в составе природного газа, нефти и других углеводородах. По сравнению с метаном и пропаном более пожара - и взрывоопасен. Малотоксичен. Основное использование этана в промышленности – получение этилена. Этан при нормальных условиях – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Молярная масса =30,07г/моль. Температура плавления −182,81 °C, кипения −88,63 °C. Плотность =1,342 кг/м 3 .

Пропан

С 3 Н 8 – органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе. Чистый пропан не имеет запаха, однако в технический газ могут добавляться компоненты, обладающие запахом (Бытовой газ). Как представитель углеводородных газов пожара - и взрывоопасен. Малотоксичен. Очень малорастворим в воде. Образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров от 2,1% до 9,5 %. Температура кипения –42,1°С, плавления –187,6°С. Молярная масса =44,1г/моль. Плотность =2,019кг/м 3 . Пропан используется в промышленности для сварки, резки металла и в заготовительных работах; в быту для подогрева воды, приготовления пищи и обогрева помещений; в последнее время широко используется в качестве автомобильного топлива (дешевле и экологически безопаснее по сравнению с бензином).

Бутан

С 4 Н 10 – органическое соединение, углеводород класса алканов. Бутан – бесцветный горючий газ, со специфическим запахом. Легковоспламеним, пределы взрываемости 1,9 – 8,4 % в воздухе по объёму. Температура плавления –138,4°С, кипения –0,5°С. Молярная масса =58,12г/моль. Плотность =2,703кг/м 3 . Бутан, также как и пропан, используется в быту для обогрева помещений и приготовления пищи.

Пропан – бутан

Это смесь двух нефтяных углеводородных газов, пропана С 3 Н 8 и бутана С 4 Н 10 . Пропан – бутановая смесь в газообразном состоянии является бесцветной, не ядовитой, тяжелее воздуха, имеет резкий запах. Пропан – бутановые смеси широко используется в промышленности для сварки и резки. Также эта газовая смесь используется в качестве автомобильного топлива.

Авиационное топливо

Это горючее вещество, вводимое вместе с воздухом в камеру сгорания двигателя летательного аппарата для получения тепловой энергии в процессе сжигания. Делится на два типа – авиационные бензины и реактивное горючее. Авиационный бензин применяется, как правило, в поршневых двигателях, реактивное горючее в турбореактивных двигателях. Также известны разработки дизельных поршневых авиационных моторов, которые использовали дизельное топливо, а в настоящее время - керосин. Также необходимо отметить, что авиационные топлива применяются не только в авиационной технике. Основная область применения авиационных бензинов - топливо поршневых двигателей.

Котельное нефтяное топливо

Жидкое котельное топливо - топливо, применяемое в стационарных котельных установках, в промышленных печах различного назначения. В зависимости от вида сырья жидкие котельные топлива бывают: нефтяные, получаемые из нефтяных остатков, сланцевые и угольные. Большинство жидких котельных топлив составляют нефтяные фракции (углеводороды, содержащие от 5 до 10 атомов углерода в молекуле). Преимущество жидкого котельного топлива перед твердым определяется их высокой удельной теплотой сгорания, удобством транспортировки и хранения, простотой подачи в топку. Однако в экономически такое топливо уступает газообразному.

Таким образом, благодаря относительно низким затратам на производство и переработку этого топлива, оно получило широкое применение для производственных и хозяйственных нужд населения, поэтому область применения сжиженного углеводородного газа широка.

Многие полагают, что сырая нефть, выкачиваемая из земли, состоит из смеси различных видов топлив, что все они огнеопасны и, по сути, разницы между ними нет. Отчасти это правда, однако давайте разберемся, чем же с химической точки зрения бензин отличается от дизельного топлива, керосина и т. д.

Сырая нефть, выкачиваемая из-под земли, это вовсе не топливная смесь, но смесь алифатических углеводородов – веществ, состоящих только из атомов углерода и водорода. Последние соединены друг с другом в цепочки различной длины. Так образуются молекулы углеводородов. Этот факт определяет их физические и химические свойства. Например, цепочка с одним атомом углерода (CH 4), является самой легкой и известна как метан – прозрачный газ, легче воздуха. Как только цепи становятся длиннее, молекулы углеводорода становятся тяжелее, их свойства начинают заметно меняться.

Первые четыре углеводорода - CH 4 (метан), C 2 H 6 (этан), C 3 H 8 (пропан) и C 4 H 10 (бутан) – это всё газы. Они кипят (испаряются) при температуре -107, -67, -43 и -18 градусов С. Цепочки начиная от C 18 H 32 – это жидкости, имеющие температуру кипения начиная от комнатной. Так в чем же реальная разница между бензином, керосином и дизельным топливом?

Углеродные цепи в нефтепродуктах

Более длинные углеводородные цепи имеют более высокие температуры кипения. Благодаря этому свойству, углеводороды могут быть отделены друг от друга. Этот процесс называется каталитический крекинг или просто перегонка - это то, что происходит на нефтеперерабатывающем заводе. Здесь нефть нагревают, а затем испарившиеся углеводороды конденсируют, каждый в отдельную емкость.

Вещества, молекулы которых имеют цепи с C 5 , C 6 и C 7 – все очень легкие, легко испаряющиеся, прозрачные жидкости, называемые нафта . Она используется для изготовления различных растворителей.

Углеводороды с цепочками от C 7 H 16 до C 11 H 24 обычно смешиваются и используются для изготовления бензина . Все они испаряются при температурах ниже точки кипения воды (100 o С). Вот почему, если вы пролили бензин, он испаряется очень быстро, буквально на глазах.

Дизельное и печное топливо делают из еще более тяжелых углеводородов - C 16 до C 19 . Температура их кипения от 150 до 380 o С.

Углеродные молекулы с C 20 – это твердые вещества, начиная парафином и кончая битумом, который используется для изготовления асфальта и ремонта автомобильных дорог.

Все эти вещества получают из сырой нефти. Единственная разница заключается в длине углеродной цепи. Покупая дизельное топливо , вы получаете горючее, состоящее из смеси определенных углеводородов. Кроме того, в этой смеси присутствуют различные химические добавки, меняющие некоторые свойства. Например, температуру загустевания или температуру вспышки.

Таким образом, одна и та же смесь углеводородов может стать как летним, так и зимним дизтопливом. Всё зависит от добавок!

Как это работает?

В реальной жизни мало иметь топливо. Для того, чтобы произвести полезную работу: обогреть дом, переместить вас в автомобиле на какое-то расстояние, перевести груз, требуется сжечь топливо в двигателе внутреннего сгорания. Не важно, что это будет за двигатель – дизельный или бензиновый, дело в самом топливе. А именно, в его сжигании.

Сжигание – это процесс распада с выделением энергии. А что в топливе может распадаться? Химические связи. Получается, что чем больше связей и чем длиннее цепи – тем лучше. Так оно и есть! Именно этот факт объясняет более высокую эффективность дизельного топлива по сравнению с бензином.

Следует также помнить, что в момент сжигания углерод окисляется и образуется СО 2 – двуокись углерода. Это вредное вещество, которое вызывает на Земле тот самый парниковый эффект. В дизельном топливе, атомов углерода больше, еще больше их в пластике. Вот почему не стоит сжигать эти вещества без особой необходимости.

Топливо – горючие вещества, в основе состава которых лежит элемент углерод. Кроме углерода в топливе, как правило, присутствует водород, кислород, азот, сера и некоторые другие элементы. Топливо служит для получения тепловой энергии и как химическое сырье. В настоящее время за счет топлива получается около 90% энергии потребляемой человеком и более 80% различных химических продуктов, в том числе почти все синтетические материалы (пластмассы, каучук, волокна и т.д.).

Кроме углеродистых топлив в последнее время некоторое значение по объему потребления приобрело топливо термоядерное (тепло выделяется за счет синтеза ядер или распаде ядер тяжелых элементов).

Основным показателем достоинств любого топлива при его использовании является теплота сгорания (Q) (теплотворная способность), т.е. количество тепла, которое можно получить при сгорании единицы массы или объема топлива. Различают высшую теплоту сгорания (Qв), которая учитывает теплоту конденсации водяных и низшую теплоту сгорания (Qн), когда это тепло не учитывается.

Теплота сгорания измеряется в джоулях или калориях (1 Кал. = 4,19 Дж). Обычно теплота сгорания выражается в калориях или Джоулях на единицу топлива (удельная теплота сгорания). Для твердого или жидкого топлива единицей является килограмм (кДж/кг, ккал/кг), для газообразного – кубический метр: (кДж/м 3 , ккал/м 3).

Теплота сгорания определяется сжиганием навески топлива с кислородом в специальных приборах (калориметрическая бомба, проточный калориметр). Определенная таким образом теплота сгорания обозначается, как теплота сгорания в бомбе (Qб). Эта величина служит обычно для практической оценки топлива и с соответствующими поправками для всякого рода теплотехнических расчетов.

Все виды ископаемого топлива значительно разнятся друг от друга по теплоте сгорания, в то же время расчеты энергетических установок требуют применения единой системы оценки качества топлива с этой точки зрения.

Уже давно введена такая условная единица – так называемое условное топливо. Условное топливо (т.у.т.) определяет не теплоту сгорания 1 кг топлива, а количество топлива, способное дать при сгорании 7000 ккал. Введение такой единицы позволяет вести теплотехнические и технохимические расчеты и, прежде всего, составлять топливные балансы предприятий и районов на одной основе.

Общие запасы углеродного топлива на земле достаточны, чтобы обеспечить энергетику и химическое их использование в течение многих столетий развития человеческого общества.

Оценка запасов топлива может определяться в различных единицах, например, в тоннах, калориях, киловаттчасах. Определение в тоннах мало показательно из-за различия в качестве топлива, а в калориях из-за разных КПД топочных устройств.

Энергетическая ценность источников энергии определяется количеством энергии (в кВт-ч), которая может быть получена при сжигании 1 кг или 1 м 3 топлива. Энергетическая ценность некоторых видов топлива приведена ниже (для природного газа – в кВт-ч/м 3 , для остальных – в кВт-ч/кг):

Целесообразность применения некоторых источников энергии определяется не только их энергетической ценностью, но и запасами их в природе, географическим положением, доступностью и некоторыми другими факторами.

Следует иметь ввиду, что количественное выражение запасов топлива в виде возможной для получения энергии в кВт-ч или Джоулях не отражает полностью их истинную ценность, так как необходимо учитывать также ценность их как сырья для химических производств. В этом отношении нефть и газ в настоящее время значительно превосходят все другие виды топлива. Следует сказать также, что потенциально все топлива одинаково ценны.

Исключительно важным обстоятельством для оценки топлива является его агрегатное состояние. Топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные. Твердые топлива – угли, горючие сланцы, торф, древесина исторически первыми выступили в человеческой практике. Появление двигателей внутреннего сгорания вызвало необходимость производства жидких или газообразных топлив. Решающее значение среди топлив стала играть нефть, а также природный газ.

Эти оба топлива, наряду с самой высокой теплотой сгорания, обладают также и другими преимуществами. Для их добычи нет необходимости строить шахты, специальные машины для их извлечения, дробления и обогащения. Дальний транспорт нефти и газа осуществляется по трубопроводам, что также в очень большой степени увеличивает экономическую эффективность их применения. В то же время возможность добычи и транспорта нефти и газа стало возможно только при наличии высокой техники бурения, мощных компрессоров и насосов, больших количеств высококачественных сталей и других условий, которые характерны для современного уровня развития промышленности. Экономические показатели добычи и применения нефти и газа значительно превосходят все другие виды топлива.

В настоящее время нефть и газ занимают ведущее положение в мировом топливно-энергетическом балансе.

Мировые достоверные запасы нефти оцениваются в 159 млрд. м 3 (136 млрд. т). При существующих объемах добычи нефти равных 3,9 млрд. м 3 (3,3 млрд.т) они будут исчерпаны за 41 год. Мировые запасы ископаемых углей оцениваются величиной более 1,12×1013 тонн. При существующих объемах добычи они будут исчерпаны через более чем полтора тысячелетия.

Суммарные разведанные запасы природного газа не Земле оцениваются в 150×1012 м 3 . Россия является крупнейшей мировой державой по запасам природного газа, которые составляют до 30% мировых разведанных запасов.

В народном хозяйстве РФ расход топлива распределяется следующим образом:

По отдельным отраслям потребление топлива составляет:

В так называемых огнетехнических цехах предприятий доля топлива составляет:

Контрольные вопросы к теме V

«Топливо и энергия в химической промышленности»

1. Какие виды энергии и с какой целью используются в химической промышленности?

2. Что такое энергоемкость химического производства и на какие классы она делится? Приведите примеры.

3. Перечислите основные источники энергии и классифицируйте их.

4. Чем характеризуемся энергетическая ценность химического топ­лива?

5. На чем основано использование водорода в энергетике?

6. В чем особенности и преимущества использования новых видов энергии в химическом производстве?

7. Перечислите основные пути рационального использования энер­гии в химической промышленности.

8. Что такое вторичные энергетические ресурсы (ВЭР)? Приведите пример.

9. Для каких целей используются в химической промышленности плазмохимические процессы?

Раздел 2. Технология органических и неорганических веществ