Альтернативное топливо будущего. Новое синтетическое и природное топливо

1. 
   Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
2. 
   Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
3. 
   Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.

1. 
   Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
2. 
   Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
3. 
   Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
4. 
   Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
5. 
   Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.

1. 
   Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
2. 
   Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
3. 
   Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Углеводороды все такие разные -
Жидкие и твёрдые, и газообразные.
Почему так много их в природе?
Дело в ненасытном углероде.

Действительно, этот элемент, как никакой другой, “ненасытен”: он так и стремится образовывать то цепи, прямые и разветвлённые, то кольца, то сетки из множества своих атомов. Отсюда множество соединений из атомов углерода и водорода.

Углеводороды – это и природный газ – метан, и другой бытовой горючий газ, которым наполняют баллоны – пропан С 3 Н 8 . Углеводороды – это и нефть, и бензин, и керосин. А ещё – органический растворитель С 6 Н 6 , парафин, из которого сделаны новогодние свечи, вазелин из аптеки и даже полиэтиленовый пакет для упаковки продуктов…

Важнейшими природными источниками углеводородов являются полезные ископаемые – каменный уголь, нефть, газ.

КАМЕННЫЙ УГОЛЬ

На земном шаре известно больше 36 тысяч угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15% территории земного шара. Угольные бассейны могут тянуться на тысячи километров. Всего общегеологические запасы угля на земном шаре составляют 5 трлн. 500 млрд. тонн , в том числе разведанные месторождения -1 трлн. 750 млрд. тонн .

Различают три главных вида ископаемых углей. При горении бурого угля, антрацита – пламя невидимое, сгорание бездымное, а каменный уголь при горении издаёт громкий треск.

Антрацит – самый древний из ископаемых углей. Отличается большой плотностью и блеском. Содержит до 95% углерода.

Каменный уголь – содержит до 99% углерода. Из всех ископаемых углей находит самое широкое применение.

Бурый уголь – содержит до 72% углерода. Имеет бурый цвет. Как самый молодой из ископаемых углей, часто сохраняет следы структуры дерева, из которого он образовался. Отличается большой гигроскопичностью и высокой зольностью (от 7% до 38 %), поэтому используется только как местное топливо и как сырьё для химической переработки. В частности, путём его гидрогенизации получают ценные виды жидкого топлива: бензин и керосин.

Углерод основная составная часть каменного угля(99% ), бурого угля (до 72% ). Происхождение названия углерод, то есть, “рождающий уголь”. Аналогично и латинское название “карбонеум” в основе содержит корень карбо-уголь.

Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество органических веществ. Кроме органических веществ, в его состав входят и неорганические вещества, такие, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод – уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое проводят при температуре 1000 0 С, образуется:

Коксовый газ – в его состав входят водород, метан, угарный и углекислый газ, примеси аммиака, азота и других газов.

Каменноугольная смола – содержит несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и разные гетероциклические соединения.

Надсмольная или аммиачная вода – содержащая, как ясно из названия, растворённый аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества.

Кокс – твёрдый остаток коксования, практический чистый углерод.

Кокс используется в производстве чугуна и стали, аммиак - в производстве азотных и комбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования трудно переоценить. Какова же география распространения этого полезного ископаемого?

Основная часть угольных ресурсов приходится на северное полушарие – Азию, Северную Америку, Евразию. Какие же страны выделяются по запасам и добыче угля?

Китай, США, Индия, Австралия, Россия.

Главными экспортёрами угля являются страны.

США, Австралия, Россия, ЮАР.

Главные центры импорта.

Япония, Зарубежная Европа.

Это очень экологически грязное топливо. При добыче угля происходят взрывы и возгорания метана, возникают определенные проблемы, связанные с окружающей средой.

Загрязнение окружающей среды – это любое нежелательное изменение состояния этой среды в результате хозяйственной деятельности человека. Это происходит и при добыче полезных ископаемых. Представим ситуацию в районе добычи угля. Вместе с углём на поверхность поднимается огромное количество пустой породы, которое за ненадобностью просто отправляют в отвалы. Постепенно образуются терриконы – огромные, в десятки метров высотой, конусообразные горы пустой породы, которые искажают облик природного ландшафта. А весь ли уголь, поднятый на поверхность, обязательно будет вывезен потребителю? Конечно, нет. Ведь процесс негерметичен. Огромное количество угольной пыли оседает на поверхность земли. В результате изменяется состав почв, грунтовых вод, что неминуемо повлияет на животный и растительный мир района.

Уголь содержит радиоактивный углерод - С, но после сжигания топлива опасное вещество вместе с дымом попадает в воздух, воду, почву, спекается в шлак или золу, которая используется для производства строительных материалов. В результате, в жилых домах стены и перекрытия “фонят” и представляют угрозу для здоровья человека.

НЕФТЬ

Нефть известна человечеству с древних времён. На берегу Евфрата она добывалась

6-7 тыс. лет до н. э. Использовалась она для освещения жилищ, для приготовления строительных растворов, в качестве лекарств и мазей, при бальзамировании. Нефть в древнем мире была грозным оружием: огненные реки лились на головы штурмующих крепостные стены, горящие стрелы, смоченные в нефти, летели в осаждённые города. Нефть являлась составной частью зажигательного средства, вошедшего в историю под названием “греческого огня”. В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц.

Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч.

Различают легкую и тяжелую нефть. Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из нее битум, мазут, различные масла.

Нефть наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет) . Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 140 млрд. тонн.

В 2007 году российские учёные доказали мировому сообществу, что подводные хребты Ломоносова и Менделеева, которые находятся в Северном Ледовитом океане являются шельфовой зоной материка, а следовательно принадлежат Российской Федерации. О составе нефти, её свойствах расскажет учитель химии.

Нефть – это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл её можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.

Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.

Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями” . В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти используется в качестве топлива. Несмотря на “ свои 10%”, нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”, “кровью Земли”.

Нефть – маслянистая темно-коричневая жидкость с красноватым или зеленоватым оттенком, иногда чёрная, красная, синяя или светлая и даже прозрачная с характерным резким запахом. Бывает нефть белая или бесцветная, как вода (например, в Суруханском месторождении в Азербайджане, в некоторых месторождениях в Алжире).

Состав нефти неодинаков. Но все они обычно содержат углеводороды трёх видов – алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и ароматические углеводороды. Соотношение этих углеводородов в нефти различных месторождений бывает разное: например, нефть Мангышлака богата алканами, а нефть в районе Баку – циклоалканами.

Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Около ? мировых запасов нефти приходится на развивающиеся страны. (Учитель называет и показывает на карте).

Главные страны производители:

Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика.

В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:

Япония, Зарубежная Европа, США.

Нефть в сыром виде нигде не используется, а находят применение продукты нефтепереработки.

Переработка нефти

Современная установка состоит из печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции – отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения: бензин, лигроин, керосин. В печи имеется свернутая в змеевик длинная труба. Печь обогревается продуктами сгорания мазута или газа. В змеевик непрерывно подается нефть: там она нагревается до 320 - 350 0 Си в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну. Ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой около 40м. Она имеет внутри несколько десятков горизонтальных перегородок с отверстиями – так называемые тарелками. Пары нефти, поступая в колонну, поднимаются вверх и проходят через отверстия в тарелках. Постепенно охлаждаясь при своем движении вверх, они частично сжижаются. Углеводороды менее летучие сжижаются уже на первых тарелках, образуя газойлевуюфракцию; более летучие углеводороды собираются выше и образуют керосиновую фракцию; ещё выше – лигроиновую фракцию. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и после конденсации, образуют бензин. Часть бензина подаётся обратно в колону для “орошения”, что способствуют лучшему режиму работы. (Запись в тетради). Бензин – содержит углеводороды С5 – С11, кипящие в интервале от40 0 С до 200 0 С; лигроин – содержит углеводороды С8 - С14 с температурой кипения от 120 0 С до 240 0 С;керосин- содержит углеводороды С12 – С18, кипящие при температуре от180 0 С до 300 0 С; газойль - содержит углеводороды С13 – С15, отгоняют при температуре от 230 0 С до 360 0 С; смазочные масла- С16 – С28, кипят при температуре 350 0 С и выше.

После отгонки из нефти светлых продуктов остаётся вязкая чёрная жидкость – мазут. Он представляет собой ценную смесь углеводородов. Из мазута путём дополнительной перегонки получают смазочные масла. Неперегоняющуюся часть мазута называют гудроном, который используется в строительстве и при асфальтировании дорог.(Демонстрация фрагмента видеофильма). Наиболее ценной фракцией прямой перегонки нефти является бензин. Однако выход этой фракции не превышает 17-20% от массы сырой нефти. Возникает проблема: как удовлетворить все возрастающие потребности общества в автомобильном и авиационном топливе? Решение было найдено в конце 19 века русским инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым . В 1891 году он впервые осуществил промышленный крекинг керосиновой фракции нефти, что позволило увеличить выход бензина до 65-70% (в расчёте на сырую нефть). Только за разработку процесса термического крекинга нефтепродуктов благодарное человечество золотыми буквами вписало имя этого уникального человека в историю цивилизации.

Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке, включающей ряд сложных процессов, Один из них – крекинг нефтепродуктов (от английского “Сracking”-расщепление). Различают несколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокого давления, восстановительный. Термический крекинг заключается в расщеплении молекул углеводородов с длинной цепью на более короткие под действием высокой температуры (470-550 0 C). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:

В настоящее время наиболее распространён каталитический крекинг. Он проводится при температуре 450-500 0 С, но с большей скоростью и позволяет получать бензин более высокого качества. В условиях каталитического крекинга наряду с реакциями расщепления идут реакции изомеризации, то есть превращения углеводородов нормального строения в углеводороды разветвлённые.

Изомеризация влияет на качество бензина, так как наличие разветвленных углеводородов сильно повышает его октановое число. Крекинг относят к так называемым вторичным процессам нефтепереработки. К вторичным относят и ряд других каталитических процессов, например риформинг. Риформинг – это ароматизация бензинов, путём нагревания их в присутствии катализатора, например, платины. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, в следствии чего октановое число бензинов также существенно повышается.

Экология и нефтепромысел

Для нефтехимического производства особенно актуальна проблема окружающей среды. Добыча нефти связана с затратами энергии и загрязнением окружающей среды. Опасным источником загрязнения Мирового океана является морская нефтедобыча, также Мировой океан загрязняется при транспортировке нефти. Каждый из нас видел по телевизору последствия аварий нефтеналивного танкера. Чёрные, покрытые слоем мазута берега, чёрный прибой, задыхающиеся дельфины, Птицы, крылья которых в вязком мазуте, люди в защитных костюмах, собирающие нефть лопатами и вёдрами. Хочу привести данные серьёзной экологической катастрофы, которая произошла в Керченском проливе в ноябре 2007 года. В воду попали 2 тысячи тонн нефтепродуктов и около 7 тысяч тонн серы. Больше всего из-за катастрофы пострадали коса Тузла, которая находится на стыке Чёрного и Азовского морей, и коса Чушка. После аварии мазут осел на дно из - за чего погибла мелкая ракушка-сердцевидка-основная еда обитателей моря. На восстановление экосистемы уйдет 10 лет. Погибло более 15 тысяч птиц. Литр нефти, попав в воду, растекается по её поверхности пятнами площадью 100 кв.м. Нефтяная пленка, хотя и очень тонкая, образует непреодолимую преграду на пути кислорода из атмосферы в водную толщу. В результате нарушается кислородный режим и океан “задыхается”. Гибнет планктон, являющийся основой пищевой цепи океана. В настоящее время нефтяными пятнами покрыто уже около 20% площади Мирового океана, и площадь, пораженная нефтяным загрязнением растет. Кроме того, что нефтяной пленкой покрыт Мировой океан, мы можем её наблюдать и на суше. Например, на нефтяных месторождениях Западной Сибири в год проливается нефти больше, чем вмещает танкер - до 20 млн. тонн. Около половины этой нефти попадает на землю в результате аварий, остальное – “плановые” фонтаны и утечки при запуске скважин, разведочном бурении, ремонте трубопроводов. Наибольшая площадь нефтезагрязнённых земель, по данным Комитета по окружающей среде Ямало-Ненецкого автономного округа, приходится на Пуровский район.

ПРИРОДНЫЙ И ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗЫ

В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой, основными компонентами является метан . Его содержание в газе различных месторождений колеблется от 80% до 97%. Кроме метана – этан, пропан, бутан. Неорганические: азот– 2%; СО2; Н2О; Н2S, благородные газы. При сгорании природного газа выделяется много тепла.

По своим свойствам природный газ как топливо превосходит даже нефть, он более каллориней. Это самая молодая отрасль топливной промышленности. Газ ещё проще добывают и транспортируют. Это самое экономичное из всех видов топлива. Есть, правда, и недостатки: сложная межконтинентальная транспортировка газа. Танкеры – метанавозы, перевозящие газ в сжиженном состоянии представляют собой исключительно сложные дорогие конструкции.

Применяется в качестве: эффективного топлива, сырья в химической промышленности, в производстве ацетилена, этилена, водорода, сажи, пластмассы, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и др. Попутные (нефтяные газы) – природные газы, которые растворяются в нефти и выделяются при её добыче. В нефтяном газе содержится меньше метана, но больше пропана, бутана и других высших углеводородов. А где газ добывается?

Более 70 стран мира обладают промышленными запасами газа. Причём, как и в случае с нефтью, очень крупными запасами располагают развивающиеся страны. Но добычу газа ведут в основном развитые страны. Они имеют возможности для его использования или способ продавать газ другим странам, находящимися с ними на одном материке. Международная торговля газом менее активна, чем торговля нефтью. На международном рынок поступает около 15% добываемого в мире газа. Почти 2/3 мировой добычи газа дают Россия и США. Бесспорно ведущим регионом газодобычи не только нашей страны, но и в мире является Ямало-Ненецкий автономный округ, где эта отрасль развивается уже 30 лет. Наш город Новый Уренгой по праву признан газовой столицей. К крупнейшим месторождениям относятся Уренгойское, Ямбургское, Медвежье, Заполярное. Уренгойское месторождение включено в “Книгу рекордов Гиннеса”. Запасы и добыча месторождения уникальны. Разведанные запасы превышают 10 трлн. м 3 , с момента эксплуатации уже добыто 6 трлн. м 3 . В 2008 году ОАО “Газпром” планирует добыть на Уренгойском месторождении 598 млрд. м 3 “голубого золота”.

Газ и экология

Несовершенство технологии добычи нефти и газа, их транспортировки обуславливает постоянное сжигание объёма газа на тепло-агрегатах компрессорных станций и в факелах. На долю компрессорных станций приходится около 30% этих выбросов. На факельных установках ежегодно сжигается около 450 тыс. тонн природного и попутного газа, при этом в атмосферу поступает более 60 тыс. тонн загрязняющих веществ.

Нефть, газ, каменный уголь – это ценное сырьё для химической промышленности. В недалёком будущем им будет найдена замена в топливно-энергетическом комплексе нашей страны. В настоящее время учёные ведут поиск путей использования энергии солнца и ветра, ядерного горючего с целью полной замены нефти. Наиболее перспективным видом топлива будущего является водород. Сокращение использования нефти в теплоэнергетике – путь не только к более рациональному её применению, но и к сохранению этого сырья для будущих поколений. Углеводородное сырьё должно использоваться только в перерабатывающей промышленности для получения разнообразной продукции. К сожалению, ситуация пока не меняется, и до 94% добываемой нефти служит топливом. Д. И. Менделеев мудро говорил: “Сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”.

Уголь, нефть и газ - это результат теплового, механического, биологического и радиационного воздействия на останки расти­тельного и животного мира в течение многих столетий. В составе органического топлива превалируют углерод и водород, поэтому часто его именуют углеводородным топливом. Различают две раз­новидности земной органики: залегающее пластами гумусовое ве­щество (останки высших земных организмов) и рассеянное в гли­нистой породе сапропелевое (останки фито- и зоопланктона) . С течением времени в этих веществах без доступа кислорода про­исходит увеличение доли атомов углерода. Этот процесс называют карбонизацией или «углефикацией». Сконцентрированное в пласты гумусовое органическое вещество формирует угли, а нефть и газ суть побочные продукты карбонизации тонко диспергированного в глинистых слоях сапропелевого органического вещества.

Количественной мерой карбонизации служит весовая концен­трация углерода в органике. Для торфа - продукта начального пре­вращения растительного материала - весовое содержание углерода не превышает 60 %. На следующей - буроугольной стадии - оно поднимается до 73 %.

Сегодня углеводородное топливо - главный источник энергии и будет продолжать служить таковым в ближайшие десятилетия. Сжигание угля, нефти и природного газа обеспечивает около 80 % мирового энергопотребления. Мировое производство электроэнер­гии в настоящее время также обеспечивается в основном за счет ископаемого органического топлива (на 60 - 65 %) - .

Уголь. Три тысячелетия назад китайцы обнаружили уголь и на­чали применять его в качестве топлива. Вернувшись после путеше­ствия в Китай, Марко Поло в XIII веке представил уголь западному миру .

Уголь имеет углеродную основу, и энергия при его сгорании в кислороде высвобождается главным образом в процессе образова­ния двуокиси углерода (углекислого газа) по реакции

С + О2 = СО2 + q , (2.2)

где q - теплотворная способность углерода, равная 393 кДж/моль = = 33 МДж/кг углерода. Если относить теплотворную способность не к 1 кг углерода, а к одной реакции (сгоранию одного атома угле­рода), то величина теплотворной способности составит

q = 33-10 6 -12-1,66-10 -27 = 6,57-10 -19 Дж = 4,1 эВ.

Электрон-вольт (эВ или eV) - внесистемная единица измерения энергии, удобная в атомной и ядерной физике. Электрон-вольт - это энергия, приобретаемая частицей с зарядом, численно равным заряду электрона, в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В: 1эВ = 1е1В = 1,6.10 -19 Кл1В = 1,6.10 -19 Дж.

Разведанные запасы угля в России оцениваются в 150 - 170 млрд т, что при сохранении его добычи на уровне 2000 г. (0,25 млрд т в год) приведет к их истощению лишь через 650 лет. Основное количество запасов энергетических углей приходится на районы Западной и Восточной Сибири. Наиболее благоприятные для извлечения высококачественные каменные угли сосредоточены в Кузнецком бассейне, а бурые - в Канско-Ачинском бассейне.

На Земле запасы каменных углей значительны и их залежи рас­пределены достаточно равномерно. По оценке геологов, разведан­ные рентабельно извлекаемые запасы угля превышают 1 трлн т (10 12 т), так что при современных темпах потребления разведанных запасов хватит на 250 лет. Самые крупные производители угля, КНР и США, добывают по 1 млрд т/год.

Природный газ. Природный газ состоит преимущественно из метана СН4. При полном сгорании метана по реакции

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + q (2.3)

на 1 кг метана расходуется 16-4/(12 + 4) = 4 кг кислорода, т.е. больше, чем на сжигание 1 кг угля. Теплотворная способность ме­тана q = 37 МДж/кг или 6,1 эВ.

Подтверждённые запасы природного газа находятся в интервале (1,3^1,6) 10 14 м 3 . При современных темпах потребления этого ко­личества могло бы хватить на 70 лет Разведанные извлекаемые запасы газа в России оцениваются в 40 - 50 трлн м 3 , что составляет около 30 % мировых - , . При стабилизации добычи газа на уровне около 0,7 трлн м 3 в год истощение запасов наступит через 60 - 70 лет. Три месторож­дения в Западной Сибири (Ямбургское, Уренгойское, Медвежье) обеспечили около 75 % добычи газа в 2000 г. Из-за выработки этих месторождений к 2020 г. добыча газа здесь не превысит 11 % до­бычи в России. Ввод в эксплуатацию крупнейших в мире месторо­ждений газа на полуострове Ямал и в российской части арктиче­ского шельфа позволит России укрепить позиции на мировом рын­ке газа. В то же время удаленность месторождений от потребите­лей газа приводит к тому, что на прокачку газа по российским га­зопроводам расходуется около 30 % всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эти расходы равны энергии, вырабатываемой все­ми ГЭС и АЭС России, вместе взятыми.

Важная задача для России - освоить промышленное производ­ство сжиженного природного газа (СПГ, в английской аббревиату­ре LNG) и построить терминалы по отправке специализированных судов СПГ-танкеров в другие страны . В последние годы объ­ем реализации СПГ быстро растет: утроение за 10 лет. Ожидается, что к 2010 г. доля СПГ в мировой торговле газом достигнет 30 %.

Нефть. Нефть представляет собой сложную смесь углеводо­родных соединений. Из нее получают бензин (СН 2)^ керосин, ди­зельное топливо, мазут и ряд других видов топлива. Нефть являет­ся исходным и труднозаменимым сырьем для химической про­мышленности (при производстве масел, пластмасс, резины, битума, растворителей и т.д.). Только на эти цели требуется ежегодно око­ло 1 млрд т нефти. Цена некоторых продуктов нефтехимии в 100 раз превышает цену сырой нефти.

Разведанные и пригодные для добычи запасы нефти на Земле оцениваются в 1000 - 1500 млрд баррелей (около 143 - 215 млрд т), т.е. менее 35 тонн на ныне живущего человека - , . При современных темпах потребления (на уровне 3,5 млрд т в год) этого количества хватит на 50 лет. По оценкам геологов, общие запасы нефти на Земле могут составлять 2300 млрд баррелей (из них к настоящему времени израсходовано 700 млрд баррелей).

Более 40 % мировой добычи обеспечивают страны ОПЕК, около 30 % - экономически развитые страны (в том числе 10 % - США, 9 % - страны Европы), 9 % - Россия, 10 % Южная и Центральная Америка, 5 % - Китай. ОПЕК - это организация стран-экспортеров нефти. В состав ОПЕК входят 11 стран: Алжир, Венесуэла, Индо­незия, Иран, Ирак, Катар, Кувейт, Ливия, Нигерия, Объединенные арабские эмираты, Саудовская Аравия.

Разведанные запасы нефти в России составляют 12 - 13 % миро­вых. Этих запасов при стабилизации добычи нефти на уровне 0,3 млрд т в год хватит примерно на 50 - 60 лет.

В последние годы начата разработка технологий освоения шельфовых месторождений. В этой области Россия существенно отстает от других стран. Ресурсы российского континентального шельфа оцениваются в 140 млрд ТУТ, из которых около 15 - 20 % приходится на нефть, остальное - на газ - . Россия пре­тендует на площадь континентального шельфа в 6,2 млн.кв.км, что составляет 21 % всего шельфа мирового океана. Наибольшая часть шельфа относится к Западной Арктике (Баренцево и Карское мо­ря), Восточной Арктике (моря Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское), дальневосточным морям (Берингово, Охотское, Япон­ское) и южным (Каспийское, Черное, Азовское). Более 85 % общих запасов нефти и газа приходится на арктические моря.

Большая доля добываемой нефти идет на нужды вооруженных сил. Авторы «взрывной дейтериевой энергетики» называют нефть одним из самых «милитаризованных продуктов» и «самым массовым оружием поражения». Действительно, боеприпасы со­временных армий не могут быть применены, если не будет нефти.

Во время локальной войны в Югославии весной 1999 г. было со­жжено в двигателях и уничтожено в нефтехранилищах столько же нефти, сколько за всю вторую мировую войну .

Уменьшает энергетический век нефти и то, что она является не­заменимым сырьем для химической промышленности. Однако, переработка углеводородного сырья пока является не самым силь­ным козырем российского нефтегазового комплекса. Так, при еже­годной добыче около 300 млн т нефти производство автобензина в 2005 г. составило 32 млн т, дизельного топлива - 59 млн т, мазута - 56 млн т, авиакеросина - 8 млн т , .

Для промышленности важны три источника сырья: нефть, газ и каменный уголь .

Нефть.

Нефть - это темная, маслянистая жидкость, нерастворимая в воде , которая содержит разветвленные и неразветвленные алканы , циклоалканы. Состав зависит от месторождения.

Нефть является основным материалом для получения органических соединений методом сухой перегонки (пиролизом, карбонизацией). Основные продукты - ароматические углеводороды и их производные. Получают в основном красители, синтетические жиры и масла .

С ростом значения нефти совершенствовались способы химической переработки. В настоящее время около 90% синтетических органических соединений получены из нефти и ее производных.

Лабораторные и промышленные методы получения нефти.

Между лабораторным и промышленным способами получения нефти имеется ряд существенных различий, а именно:

• цена (в лаборатории используются малые количества реактивов, когда как в промышленности необходимы большие объемы. Поэтому в лаборатории могут использоваться дорогие и редкие соединения, а в промышленности нужно обходиться наименьшими затратами. Или использование вредных ядовитых веществ в лаборатории вполне допустимо из-за наличия вытяжных шкафов, то в промышленных масштабах это крайне опасно.);
• тепло. В промышленности подвод тепла весьма дорог для реакций, проводимых при умеренно повышенных и нармальных температурах, когда как для лаборатории такие синтезы легко осуществимы;
• чистота смеси. В лаборатории обычно работают с чистыми веществами, когда в промышленности, в основном, со смесями;
• круговорот веществ. Если в промышленности можно смеси разделять различными химическими процессами (перегонкой, фильтрованием, непрерывными процессами), то для лаборатории это нерентабельно. В промышленности имеет место цикличность процессов, когда непрореагировавшее вещество можно снова ввести в цикл процесса переработки, а в лаборатории такое осуществляется с большим трудом.

Переработка нефти.

В промышленности используют дробную перегонку «сырой нефти», в результате чего последняя разделяется на несколько фракций, которые имеют различные температуры кипения:

Бензиновая фракция состоит из петролейного эфира и экстракционного бензина. Состав фракции варьируется от С 6 - С 9 . Вся фракция является весомым нефтепродуктом, т.к. служит топливом для двигателей внутреннего сгорания.

Керосин (С 9 -С 16) используется в отопительных приборах, а также является топливом для самолетов и турбинных двигателей.

Газойль (дизельное топливо) служит топливом для дизельных двигателей.

Смазочные масла (С 20 - С 50) используются в качестве смозочных материлов.

Мазут (остаток) - используют как топливо, его перегоняют в результате чего получают высококипящую углеводородную фракцию.

Химические превращения углеводородов, содержащихся в нефти.

Значимость топлива в современном мире значительно возрастает. Именно по этой причине нашли самый оптимальный способ получения бензина из высококипящих фракций - крекинг - нагрев высших алканов без доступа воздуха, вследствие чего происходит распад на низшие и высшие углеводороды:

Если крекинг протекает без использования катализатора, то он называется термическим. Если же в качестве катализатора используют SiO 2 или Al 2 O 3 , то это каталитический крекинг. Продуктом таких процессов является этан и пропен, которые стали важным сырьем для промышлености.

Для совершенствования качеств бензина проводят реформинг и алкилирование.

Риформинг (изомеризация) - процесс, в котором неразветвленные алканы при нагревании с катализатором превращаются в более разветвленные с большим октановым числом. Например,

Алкилирование - процесс, при котором смесь алканов и алкенов превращается в разветвлённые соединения с большим октановым числом, при использовании в качестве катализатора - кислоты :

Природный газ.

Природный газ - совокупнсть газов, состав которых зависит от месторождения. В основном, это смесь метана, этана и пропана, но еще могут встретиться небольшие количества азота, высших алканов, углерода , гелия (редко).

Природный газ является промышленным топливом, важнейшим соединением служит синтез-газ (смесь оксида углерода и водорода):

Его можно получить воздействием раскаленного кокса с водяным паром, соединение, которое получается в данном процессе, носит название водяной газ :

Именно из оксида углерода и водорода получают метанол:

Реакция протекает под давлением в присутствие катализаторов.

Каменный уголь.

Каменный уголь служит сырьем для получения ароматических углеводородов. Схематически процесс можно представить так:

Аналогично можно получить толуол.

При сухой перегонке при высоких температурах получают смесь твердых, жидких и газообразных продуктов.

Газофазным продуктом является коксовый газ , основным компонентом которого является водород и метан.

Жидкий продукт представляет собой деготь , из которого выделяют большое количество фенола, крезола, нафталина, тиофена, антрацена.

Твердым продуктом является кокс .

Ископа́емое то́пливо - 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 (Energy Information Administration), 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 (греч. ναφθα, или через тур. neft, от персидск. нефт; восходит к аккад. напатум - вспыхивать, воспламеняться) - 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.

Уголь - вид ископаемого топлива, образовавшийся из частей древних растений под землей без доступа кислорода. Международное название углерода происходит от лат. carbō («уголь»). Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая, в свою очередь, способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля - растительные остатки. В зависимости от степени преобразования и удельного количества углерода в угле различают четыре его типа:

бурые угли (лигниты); каменные угли; антрациты; графиты.

В западных странах имеет место несколько иная классификация - лигниты, суббитуминозные угли, битуминозные угли, антрациты и графиты, соответственно.

Горючий сланец - полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков. Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальциты, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и других) и органических частей (кероген), последняя составляет 10-30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50-70 %. Органическая часть является био- и геохимически преобразованным веществом простейших водорослей, сохранившим клеточное строение (талломоальгинит) или потерявшим его (коллоальгинит); в виде примеси в органической части присутствуют измененные остатки высших растений (витринит, фюзенит, липоидинит).

Приро́дный газ - смесь газов, образовавшаяся в недрах земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии - в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Га́зовые гидра́ты (также гидраты природных газов или клатраты) - кристаллические соединения, образующиеся при определённых термобарических условиях из воды и газа. Название «клатраты» (от лат. clathratus - «сажать в клетку»), было дано Пауэллом в 1948 году. Гидраты газа относятся к нестехиометрическим соединениям, то есть соединениям переменного состава.

Сла́нцевый приро́дный газ (англ. shale gas) - природный газ, добываемый из горючих сланцев и состоящий преимущественно из метана.

Торф (нем. Torf) - горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Содержит 50-60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) - 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и так далее. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества, превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см (если меньше, то это заболоченные земли).

Ископаемые виды топлива содержат высокий процент углерода и включают ископаемый уголь, нефть и природный газ. В свою очередь, нефть, газ, а также ископаемый уголь образовались из отложений когда-то живших организмов под воздействием высокой температуры, давления и анаэробного разложения погребённых под слоем осадочных пород мёртвых организмов. Возраст организмов в зависимости от вида ископаемого топлива составляет, как правило, миллионы лет, а иногда превышает 650 миллионов лет. Более 80 % нефти и газа, которые используются в настоящее время, сформировались в наслоениях, которые образовались в мезозое и в третичный период между 180 и 30 млн лет назад из морских микроорганизмов, накопившихся в виде осадочных пород на морском дне.

Основные составляющие нефти, а также газа сформировались в то время, когда органические остатки ещё не полностью окислились, а углерод, углеводород и подобные им компоненты присутствовали в небольших количествах. Осадочные породы покрыли остатки этих веществ. Температура и давление увеличились, и жидкий углеводород скопился в пустотах скал.

В отношении происхождения нефти и природного газа существует альтернативная гипотеза, которая пытается объяснить образование некоторых аномальных месторождений нефти.

Нефтедобы́ча - подотрасль нефтяной промышленности, отрасль экономики, занимающаяся добычей природного полезного ископаемого - нефти. Раскопками на берегу Евфрата установлено существование нефтяного промысла за 6 000-4 000 лет до нашей эры. Её применяли в качестве топлива, а нефтяные битумы - в строительном и дорожном деле. Известна нефть была и в Древнем Египте, где она использовалась для бальзамирования покойников. Несмотря на то, что начиная с XVIII века предпринимались отдельные попытки очищать нефть, тем не менее, она до второй половины XIX века использовалась в основном в натуральном виде. Однако пристальное внимание нефть привлекла к себе только после того, как было доказано в России заводской практикой братьев Дубининых (с 1823), а в Америке - химиком Б. Силлиманом (1855), что из неё можно выделить керосин - осветительное масло, подобное фотогену, получившему на тот момент широкое распространение и вырабатывавшемуся из некоторых видов каменных углей и сланцев. Этому способствовал разработанный в середине XIX века новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев (шахт). Промышленным способом первая (разведочная) нефтяная скважина была пробурена на Апшеронском полуострове в 1847 году, первая эксплуатационная скважина пробурена на р. Кудако на Кубани в 1864 году. В США первая скважина пробурена в 1859 году. При разработке нефтяных месторождений в пласт закачивают пресную воду (для поддержания давления в пласте), в том числе в смеси с попутным нефтяным газом (Водогазовое воздействие) или различными химическими веществами для увеличения нефтеотдачи и борьбы с обводненностью добывающих скважин. В связи с тем, что запасы нефти на суше истощаются, дальнейшее совершенствование технологии добывающей подотрасли нефтяной промышленности позволило начать разработку нефтяных месторождений континентального шельфа с помощью нефтяных платформ.

Для извлечения угля с больших глубин издавна человечеством используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с глубины чуть более 1 200 метров. В угленосных отложениях наряду с углём содержатся многие виды георесурсов, обладающих потребительской значимостью. К ним относятся вмещающие породы как сырьё для стройиндустрии, подземные воды, метан угольных пластов, редкие и рассеянные элементы, в том числе ценные металлы и их соединения. Применение струй в качестве инструмента разрушения в исполнительных органах очистных и проходческих комбайнов представляет особый интерес. При этом наблюдается постоянный рост в разработке техники и технологии разрушения угля, горных пород высокоскоростными струями непрерывного, пульсирующего и импульсного действия.

Газифика́ция угля - современные газогенераторы обладают мощностью для трансформации твёрдого топлива от 60 000 м³/ч до 80 000 м³/ч. Техника газификации развивается в направлении повышения производительности (до 200 000 м³/ч) и повышения КПД (до 90 %) путём повышения температуры и давления данного технологического процесса (до +2 000 °C и 10 МПа соответственно). Проводились опыты по подземной газификации углей, добыча которых по различным причинам экономически невыгодна.