Природные источники углеводородов - основные виды, способы добычи и переработки

Природа создает и аккумулирует их в недрах Земли. Всем известные полезные ископаемые — нефть, природный газ, торф и каменный уголь — являются главными природными источниками углеводородов.

Разнообразие природных веществ

Естественные углеводороды очень распространены в природе. При этом они встречаются в твердом, жидком и газообразном состоянии. На это влияют условия, при которых образуется органическое соединение углерода и водорода.

Человечество активно использует основное качество, которым обладают углеводородные ископаемые — при сгорании выделять свет и тепло.

Производимая при этом энергия называется теплотворной способностью. У каждого ископаемого свое значение удельной теплоты сгорания.

Свойства углеводородов различаются в зависимости от их строения.

Поэтому их классифицируют по структуре:

1. Ациклические (алифатические) — соединения, в которых молекулы формируют незамкнутые прямые или разветвленные цепи.
2. Циклические (карбоциклические) — класс, отличающийся кольцевым строением атомов углерода.

Кратность углерод—углеродных связей влияет на дальнейшую классификацию. Алифатические углеводороды делятся на предельные и непредельные. Первые — алканы — также называют насыщенными, в них кратные связи отсутствуют, есть только простые. Во вторую подгруппу входят ненасыщенные углеводороды — алкены, алкадиены, алкины, в которых имеются одинарные, двойные или тройные связи.

Аналогично карбоциклические углеводороды также делятся на 2 подгруппы: алициклические (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены).

Практическое применение

Наличие углеводородов в группе полезных ископаемых, относимых к горючим, предполагает использование последних в первую очередь в качестве топлива. Каждый из природных ресурсов имеет свои особенности залегания, добычи и переработки.

Нефть

Является главным источником углеводородов. Нефть представляет собой многокомпонентную жидкость маслянистого характера, состоящую преимущественно из жидких и газообразных углеводородов. В зависимости от преобладания в ее составе алканов, циклоалканов или аренов различают нефть парафиновую, нафтеновую и ароматическую. В чистом виде тот или иной вид встречается редко. В состав нефти входит много прочих соединений, механических примесей и вода.

Месторождения нефти располагаются глубоко в недрах земли, как правило, между слоями породы. Добыча осуществляется с помощью нефтяной вышки, которая выкачивает горючее ископаемое через пробуренную скважину.

Для получения топливных продуктов нефть доставляют на перерабатывающие заводы. Перед транспортировкой горючее ископаемое проходит сепарацию — первичную очистку, в процессе которой удаляются сопутствующие газы, вода и неорганические примеси.

Крекинг, коксование — основной этап переработки. Под воздействием атмосферного давления нефть делится на тяжелые и легкие фракции для выделения компонентов разных видов топлива.

Качество получаемых на этой стадии продуктов требует доработки, поэтому необходим и завершающий этап производства.

Риформинг, изомеризация, гидроочистка заключаются в смешении продуктов вторичной переработки, обогащении их различными компонентами или дополнительной очистке для повышения качественного состава.

Примером может служить повышение октанового числа бензина.

Из нефти производится множество разной продукции для различных сфер применения, к которым относятся: бензин, дизельное топливо, мазут, реактивное топливо, смазочные масла, асфальт, удобрения, спирты, ацетон.

Природный газ

Основным компонентом этого природного ресурса является метан. В незначительном количестве содержит этан, пропан, бутан, а также азот, углекислый газ и сероводород. Без углеводородов не было бы и природного газа. Его залежи образовываются в донных отложениях при анаэробном разложении останков животного и растительного происхождения. Соединение накапливающейся органики с молекулами водорода в глубоких слоях пород под воздействием повышенного давления приводило к аккумулированию углеводородов.

Газ имеет превосходство перед нефтью по эффективности использования, простоте добычи и экономичности. Добыча заключается в бурении скважин на всей площади месторождения. Поскольку газ в чистом виде в природе встречается крайне редко, для отделения его от примесей породы или других химических соединений рядом с местом добычи разворачиваются перерабатывающие комплексы. Например, сопутствующий месторождениям нефти газ имеет большую взрывоопасность при добыче черного золота, поэтому его откачка является обязательным первичным условием.

Значительно экономить на транспортировке позволяет то, что сырье не требует такой очистки, как нефть, для перегонки по газопроводу. На химических заводах газ подвергается вторичной переработке, которая по принципу воздействия на природное сырье подразделяется на следующие виды:

• физико-энергетическая переработка;
• термохимическая;
• химико-каталитическая.

Первый метод предполагает сильное нагревание или охлаждение газа, за счет чего происходит его сжатие и разделение на компоненты. Обычно именно этот способ используется на местах газодобычи.

Суть второй технологии заключается в образовании непредельных углеводородов под воздействием высоких температур и давления.

Третий способ заключается в трансформации метана в синтезированный газ и последующая его переработка. Для этого применяют паровую конверсию. Этот вариант — самый быстрый и экономичный, так как высокая скорость протекания химической реакции избавляет от использования дополнительных катализаторов.

В основном продукты переработки природного газа используют как топливо.

Из прочих составляющих также получают смолы, формальдегиды, аммиак, различные кислоты, которые находят дальнейшее применение в химической, оборонной, пищевой промышленности, в текстильном производстве и многих других отраслях.

Каменный уголь

Нашедший наиболее широкое применение вид ископаемого угля.

Твердое горючее вещество органического (растительного) происхождения, представляющее собой смесь соединений углерода, кислорода, водорода, серы и азота.

Неорганические примеси также присутствуют.

Промышленная добыча угля возможна тремя способами в зависимости от глубины залегания породы, ее твердости и доступности:

1. Карьерный (разрезной) — открытая добыча.
2. Шахтный — подземная добыча.
3. Гидравлический способ — с помощью гидравлического комбайна.

Наиболее качественный уголь получают из шахт, но вместе с тем это самый трудоемкий, дорогой и небезопасный способ добычи.

Способы переработки угля

Пиролиз (коксование) — основан на воздействии высоких температур в безвоздушном пространстве, в результате чего происходит разрушение и трансформация полимерных молекул. Полученный таким образом, кокс является сырьем для металлургической промышленности.

Газификация. Этот метод также применяет высокие температуры, но уже при наличии воздушной среды. Воздействие смеси газов и пара преобразует уголь из твердого состояния в газообразное. Конечным результатом переработки являются железо, никель, кобальт и другие металлы.

Полукоксование — за счет окисления с помощью катализатора при низкотемпературном режиме в 500 °C получают промежуточный продукт в виде смолы. В дальнейшем из нее изготавливают топливо или растворители.

Деструктивная гидрогенизация основана на химической реакции присоединения атомов водорода от молекул катализатора, коим является железосодержащая руда, к молекулам угля. Этот способ превращает твердое топливо в жидкое, так называемую синтетическую нефть.

Множество полезных веществ выполняют важную миссию, обеспечивая процесс жизнедеятельности людей.

В целом если нет технологии получения углеводородов, то и прогресс в развитии человечества как таковой невозможен. Ибо для любого действия нужна энергия, а если ее нет, то не будет и действия.