Курсовая работа: Методические особенности изучения темы "Природные источники углеводородов"
Кроме углеводородов нефть содержит различные сернистые и азотистые соединения. Чем меньше этих примесей, тем выше качество нефти. В нефти обычно бывает растворен метан, значительные количества которого теряются при несовершенной технике нефтедобычи.
Д.И.Менделеев – один из первых, кто выдвинул теорию происхождения нефти (1876). Он считал, что нефть образовалась при действии воды на карбид железа Fe3 С, который может входить в состав ядра земного шара.
В настоящее время эта теория оставлена и принято биохимическое происхождение нефти из останков простейших организмов, осевших на дно бывших морей. Эта теория подтверждается тем, что в нефти обнаружены продукты разложения хлорофилла.
Нефть – очень ценное химическое сырье, ее также можно использовать как топливо: 1 кг нефти при сжигании выделяет около 45 000 кДж теплоты. В настоящее время нефть в качестве топлива почти не используется, т. к. экономически более выгодно получать из нефти бензин и другие вещества после ее переработки.
При переработке нефти фракционированием (после предварительного удаления газов) выделяют следующие продукты:
а) Бензины, температура кипения которых – вплоть до 180 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 5–9 атомами углерода. Повторным фракционированием из нее выделяют бензины для авиационных и автомобильных двигателей.
б) Керосины, температура кипения которых находится в пределах 180–300 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 10–16 атомами углерода. Керосины подразделяются на осветительные, тракторные, реактивные.
в) Нефтяные остатки – мазут. Это смесь углеводородов с 17 углеродными атомами и выше. Из мазута при температуре 300 °С и выше отгоняют так называемые соляровое и трансформаторное масла, из него получают вазелин и чистый твердый парафин.
После перегонки нефти получается всего 10–20% бензина. Для увеличения количества получаемого бензина более высококипящие фракции подвергают нагреванию для разрушения больших молекул до молекул, входящих в состав бензина. Эту технологическую операцию называют крекингом. В частности, крекингом мазута при температуре 450–550 °С дополнительно получают бензин. Остаток после переработки мазута – гудрон – используют для покрытия дорог. В настоящее время крекинг проводят на катализаторах – платине или алюмосиликатах. (Напишите формулу простейшего алюмосиликата.)
Крекинг при еще более высоких температурах (700–800 °С) называют пиролизом.
Крекинг и пиролиз позволяют довести суммарный выход бензина из нефти до 85%.
Первый проект промышленной установки для крекинга был разработан в 1891 г. известным русским инженером В.Г.Шуховым.
При крекинге и пиролизе образуются не только более простые молекулы из-за разрыва тяжелых молекул; одновременно протекают многочисленные, часто еще неизвестные, реакции изомеризации и циклизации.
После крекинга бензин получается более высокого качества по сравнению с бензином после перегонки нефти.
Наверное, в вашей семье есть автомобиль, и скоро вы сядете за руль. Читайте внимательнее про бензин!
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании работы расширения реакции горения компонентов бензина с кислородом воздуха. Теплота реакции в этом процессе является побочным продуктом и удаляется из мотора системой охлаждения двигателя (радиатор).
В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания цепная реакция горения углеводородов (после предварительного сжатия газовой смеси) инициируется электрической искрой. Чем сильнее сжата смесь перед вспышкой, тем больше развиваемая мотором мощность и тем относительно меньше расход бензина. Однако увеличение степени сжатия возможно только до некоторого предела, зависящего от прочности деталей двигателя и качества бензина.
При слишком высоком сжатии цепная реакция горения смеси может еще более ускориться и превратиться во взрывоподобную. Более того, реакция может начаться до достижения максимального сжатия в цилиндре и даже до появления электрической искры. Из-за этого слышится стук в двигателе и его мощность резко падает.
В камере сгорания происходит детонация, при которой бензин сгорает не полностью, образуется не углекислый газ, а монооксид углерода СО, угарный газ. В выхлопных газах увеличивается содержание оксидов азота и сажи. Автомобиль выбрасывает клубы дыма. Мотор дрожит и даже продолжает работать после выключения зажигания.
Допустимая степень сжатия до появления детонации характеризуется октановым числом топлива. Чем выше октановое число, тем на большую степень сжатия может быть рассчитан мотор и тем большую мощность он будет развивать.
Октановое число – условный показатель антидетонационных свойств моторного топлива (бензин, керосин). Моторное топливо сравнивается со смесью изооктана, октановое число которого условно принято за 100, и нормального гептана с октановым числом, равным 0. Процент изооктана в смеси, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому топливу, называется октановым числом топлива. Если октановое число равно 90, то это означает, что бензин детонирует, как и смесь, состоящая из 90% изооктана и 10% нормального гептана.
По этой шкале оценки качества бензина можно получить и смесь с октановым числом, большим 100. Например, смесь бензина (с октановым числом 100) с 10% изооктана будет иметь октановое число, равное 110.
Октановое число бензина повышается с возрастанием содержания в бензине углеводородов с молекулами разветвленного (изосоединения) и циклического строения. Например, октановое число нормального гексана равно 40, его изомеров: 1,1,1-триметилпропана – 80 и 2,3-диметилбутана – 120; циклогексана – 80 (октановое число бензола, который мы будем изучать в следующем году, равно 100).
Октановое число бензина после перегонки нефти не превышает 70. Для повышения качества низкосортных бензинов в них вводят различные добавки – антидетонаторы (до 0,3%). Наиболее распространенной добавкой является тетраэтилсвинец Рb(C2 H5 )4 , добавление которого повышает октановое число бензина. При высокой температуре вспышки бензиновоздушной смеси тетраэтилсвинец распадается и образуется металлический свинец. Чтобы свинец не конденсировался на внутренних деталях мотора, в бензин добавляют раствор тетраэтилсвинца в бромистом этиле C2 H5 Вr. Образуется летучий бромид свинца, выбрасываемый в атмосферу.
Бензин с тетраэтилсвинцом называют этилированным, он крайне опасен для здоровья. При его попадании на кожу человека тетраэтилсвинец прекрасно впитывается, проникает внутрь организма и оседает в почках и мозговых тканях. Через несколько лет (даже десятков лет) у человека проявляются симптомы отравления – трясутся руки, затрудняется ходьба, ухудшается зрение и наступает слабоумие.
От тетраэтилсвинца страдают не только водители, но и все, кто дышит выхлопными газами, содержащими свинец.
Бромид свинца, попадающий в атмосферу, неустойчив и под действием света и кислорода воздуха осаждается в виде нелетучих соединений (оксиды свинца) вблизи автомобильных дорог. Овощи и фрукты, выращенные даже в 100 м от дороги, оказываются с повышенным содержанием свинца.
В цивилизованных странах введение в бензин каких-либо добавок, содержащих тяжелые элементы металлического характера, запрещено. В нашей стране пока такое запрещение распространяется только на крупные города.
Для того чтобы не вводить в бензин тетраэтилсвинец, необходимо так проводить крекинг нефти, чтобы получались смеси с возможно большим содержанием углеводородов типа изооктана. Для этого необходимо создание еще более специфически действующих катализаторов. Пока эта задача далека от желаемого решения.