Природный и попутный газ

Основная часть природного газа — метан, в виде примесей присутствуют этан, пропан, бутан, азот и углекислый газ. В попутном нефтяном газе, который добывают вместе с нефтью, метана меньше, а этана, пропана, бутана и пентана больше. Попутный газ разделяют на три части:

газовый бензин (пентан, гексан и др.) добавляют к бензину;
пропан-бутановую смесь используют как сжиженное топливо в баллонах;
сухой газ (в основном метан и этан) служит топливом и химическим сырьём.

Природный газ — дешёвое и высококалорийное топливо, при сгорании даёт мало загрязнений. В химической промышленности из него получают сажу, водород, ацетилен, метанол и хлорпроизводные метана: $\mathrm{CH_4 \xrightarrow{t} C + 2H_2}$ , $\mathrm{2CH_4 \xrightarrow{1500\,^\circ C} C_2H_2 + 3H_2}$ .

Нефть и её состав

Нефть — маслянистая жидкость от бурого до чёрного цвета с характерным запахом, легче воды и в воде не растворяется. Это смесь веществ, поэтому определённой температуры кипения у неё нет. Нефть состоит в основном из трёх групп углеводородов: алканов, циклоалканов (нафтенов) и ароматических углеводородов. В небольших количествах есть соединения серы, азота и кислорода. Состав зависит от месторождения: например, бакинские (апшеронские) нефти богаты циклоалканами.

Первичная переработка: ректификация

Ректификация (фракционная перегонка) — физический процесс: пары нагретой нефти разделяются в ректификационной колонне на фракции по температурам кипения, молекулы при этом не меняются. Основные фракции:

бензин: $\mathrm{C_5}$ – $\mathrm{C_{11}}$ , $40$ – $200\,^\circ\mathrm{C}$ ;
лигроин: $\mathrm{C_8}$ – $\mathrm{C_{14}}$ , $150$ – $250\,^\circ\mathrm{C}$ ;
керосин: $\mathrm{C_{12}}$ – $\mathrm{C_{18}}$ , $180$ – $300\,^\circ\mathrm{C}$ ;
газойль (дизельное топливо) кипит при более высокой температуре, чем керосин;
мазут — остаток.

Чтобы мазут не разлагался, его перегоняют повторно при пониженном давлении: получают соляровое масло, смазочные масла, вазелин и парафин. Остаток, гудрон, используют в дорожном строительстве.

Вторичная переработка: крекинг, риформинг, пиролиз

Это химические процессы: строение молекул меняется.

Крекинг — расщепление длинных углеводородных цепей на более короткие с образованием алкана и алкена: $\mathrm{C_{16}H_{34} \xrightarrow{t} C_8H_{18} + C_8H_{16}}$ . Цель — увеличить выход бензина.
- Термический крекинг ( $470$ – $550\,^\circ\mathrm{C}$ ; впервые В. Г. Шухов, 1891): в бензине много алкенов, он обесцвечивает бромную воду и неустойчив при хранении.
- Каталитический крекинг ( $450$ – $500\,^\circ\mathrm{C}$ , алюмосиликатный катализатор): наряду с расщеплением идёт изомеризация, образуются разветвлённые алканы, бензин получается качественнее и устойчивее.
Риформинг (ароматизация) — превращение алканов и циклоалканов в арены с выделением водорода: $\mathrm{C_6H_{14} \xrightarrow{t,\ \text{кат.}} C_6H_6 + 4H_2}$ , $\mathrm{C_7H_{16} \xrightarrow{t,\ \text{кат.}} C_6H_5CH_3 + 4H_2}$ .
Пиролиз (при $700\,^\circ\mathrm{C}$ и выше) — глубокое разложение нефтепродуктов, получают в основном этилен, пропилен и ароматические углеводороды.

Стойкость бензина к детонации оценивают октановым числом: для изооктана (2,2,4-триметилпентана) оно принято за $100$ , для нормального гептана за $0$ . У разветвлённых алканов и аренов октановое число высокое.

Коксование каменного угля

Каменный уголь нагревают без доступа воздуха примерно до $1000\,^\circ\mathrm{C}$ . Получают четыре продукта:

кокс: почти чистый углерод; восстановитель и топливо в металлургии;
каменноугольную смолу: источник бензола, толуола, нафталина, фенола и других ароматических соединений;
аммиачную воду: аммиак и соли аммония (для удобрений);
коксовый газ: в основном водород и метан, а также угарный газ и азот; топливо и химическое сырьё.

Запомните

Природный газ — в основном метан; из попутного газа получают газовый бензин, пропан-бутановую смесь и сухой газ.
Нефть — смесь алканов, циклоалканов и аренов, определённой температуры кипения у неё нет.
Ректификация — физический процесс; крекинг, риформинг, пиролиз и коксование — химические.
Крекинг: длинный алкан $\rightarrow$ короткий алкан + алкен; риформинг: алкан $\rightarrow$ арен + $\mathrm{H_2}$ .
Продукты коксования: кокс, каменноугольная смола, аммиачная вода, коксовый газ.

Разобранные примеры

Пример 1
$45{,}2$ г гексадекана $\mathrm{C_{16}H_{34}}$ при крекинге полностью разложились на октан и октен. Найдите массу образовавшегося октена. ( $A_r$ : C $12$ , H $1$ )
Решение
1. Уравнение: $\mathrm{C_{16}H_{34} \xrightarrow{t} C_8H_{18} + C_8H_{16}}$ .
2. $M(\mathrm{C_{16}H_{34}}) = 16 \cdot 12 + 34 = 226$ г/моль, $n = \frac{45{,}2}{226} = 0{,}2$ моль.
3. Коэффициенты равны $1$ : $n(\mathrm{C_8H_{16}}) = 0{,}2$ моль.
4. $M(\mathrm{C_8H_{16}}) = 96 + 16 = 112$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 112 = 22{,}4$ г.
5. Проверка: октана $0{,}2 \cdot 114 = 22{,}8$ г; $22{,}4 + 22{,}8 = 45{,}2$ г.
Ответ: $22{,}4$ г.
Пример 2
В двух пробирках бензин: в одной прямогонный (полученный прямой перегонкой нефти), в другой бензин термического крекинга. Как их различить?
Решение
1. Прямогонный бензин состоит в основном из насыщенных углеводородов (алканов, циклоалканов) и аренов: с бромной водой при обычных условиях он не реагирует.
2. В бензине термического крекинга много алкенов. Алкены присоединяют бром, например: $\mathrm{C_5H_{10} + Br_2 \rightarrow C_5H_{10}Br_2}$ .
3. Добавляем в обе пробирки бромную воду и встряхиваем: там, где жёлто-оранжевая окраска исчезла, бензин крекинга; где окраска осталась, прямогонный бензин.
Ответ: бромной водой; бензин крекинга её обесцвечивает.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какой из перечисленных процессов является физическим?
1. термический крекинг
2. риформинг
3. ректификация нефти
4. пиролиз
5. коксование каменного угля
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C ректификация нефти
При ректификации нефть только разделяется на фракции по температурам кипения, новые вещества не образуются. При крекинге, риформинге, пиролизе и коксовании молекулы расщепляются или перестраиваются, то есть это химические процессы.
Какая фракция при ректификации нефти кипит в интервале $40$ – $200\,^\circ\mathrm{C}$ и состоит из углеводородов $\mathrm{C_5}$ – $\mathrm{C_{11}}$ ?
1. керосин
2. лигроин
3. газойль
4. бензин
5. мазут
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D бензин
Бензиновая фракция — самая лёгкая жидкая фракция: $\mathrm{C_5}$ – $\mathrm{C_{11}}$ , $40$ – $200\,^\circ\mathrm{C}$ . Лигроин ( $150$ – $250\,^\circ\mathrm{C}$ ) и керосин ( $180$ – $300\,^\circ\mathrm{C}$ ) кипят выше, газойль ещё выше, а мазут — остаток.
$20$ г гептана $\mathrm{C_7H_{16}}$ при риформинге полностью превратились в толуол. Какой объём водорода (н. у.) выделился? ( $A_r$ : C $12$ , H $1$ )
1. $4{,}48$ л
2. $17{,}92$ л
3. $8{,}96$ л
4. $22{,}4$ л
5. $13{,}44$ л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B $17{,}92$ л
$\mathrm{C_7H_{16} \rightarrow C_6H_5CH_3 + 4H_2}$ . $M(\mathrm{C_7H_{16}}) = 84 + 16 = 100$ г/моль, $n = \frac{20}{100} = 0{,}2$ моль. $n(\mathrm{H_2}) = 4 \cdot 0{,}2 = 0{,}8$ моль, $V = 0{,}8 \cdot 22{,}4 = 17{,}92$ л.

Типичные ошибки

Считать ректификацию химическим процессом: это только разделение по температурам кипения, молекулы не меняются.
Путать крекинг и риформинг: при крекинге цепь укорачивается и получаются алкан и алкен, при риформинге образуются арены и водород.
Думать, что коксование идёт с доступом воздуха, или отождествлять коксовый газ с природным: коксование проводят без воздуха, а основная часть коксового газа — водород.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото