Природный газ, нефть и уголь

Природный газ, нефть и уголь служат топливом и сырьём для химической промышленности. Их часто объединяют названием «ископаемое органическое сырьё», но по составу и способам переработки они различаются. Ни нефть, ни уголь нельзя описать одной молекулярной формулой. Даже природный газ, в котором обычно преобладает метан, не является автоматически чистым CH₄.

Чем различаются три вида сырья

Природное топливо — смесь веществ с переменным составом. Для расчёта по формуле чистого вещества необходимо знать, какая его доля присутствует в образце и какие другие компоненты участвуют в реакции.

Их формирование связано с длительными геологическими превращениями органического материала. Состав зависит от исходного материала, температуры, давления и истории месторождения. Поэтому нельзя переносить состав одного образца на всё природное сырьё данного вида.

Природный и попутный нефтяной газ

Кроме CH₄, природный газ может содержать этан, пропан, бутаны, азот, углекислый газ, водяной пар и другие компоненты. Перед использованием состав учитывают, а мешающие примеси удаляют. Попутный нефтяной газ находится вместе с нефтью — в растворённом состоянии или газовой части залежи; его состав тоже меняется.

Сжиженный природный газ и сжиженные углеводородные газы — разные продукты. В первом обычно преобладает метан, переведённый в жидкость при очень низкой температуре. Во втором важную роль играют пропан и бутаны, которые легче сжижаются под давлением. Слово «сжиженный» описывает состояние, а не единственную химическую формулу.

Метан используют для получения водорода и других веществ. Например, паровая конверсия метана при высокой температуре и катализе описывается равновесием:

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂.

Дальнейшее взаимодействие CO с водяным паром меняет состав газовой смеси:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂.

Здесь вода расходуется химически. Эти процессы отличаются от испарения или отделения компонента смеси: появляются вещества с другим составом.

Перегонка нефти: разделение смеси

Нефтяная фракция — часть смеси, выделенная в определённом интервале кипения. Перегонка разделяет компоненты по различию летучести и сама по себе не превращает все молекулы в новые вещества.

В ректификационной колонне пары многократно испаряются и конденсируются. Более летучие компоненты концентрируются выше, менее летучие — ниже. Выделяют газовые, бензиновые, керосиновые, дизельные и более тяжёлые потоки. Названия и границы фракций зависят от схемы переработки; одна фракция содержит множество веществ, а не «молекулы бензина» с одной формулой.

Для алканов рост длины цепи в целом связан с повышением температуры кипения, но состав нефти включает также циклические и ароматические углеводороды. Поэтому фракционное разделение не сводится к точной сортировке по одному числу атомов C.

Тяжёлые остатки могут дополнительно перерабатываться, в том числе при пониженном давлении: это позволяет уменьшить температуру кипения и ограничить нежелательное термическое разложение. Товарное топливо обычно получают смешением подготовленных потоков и контролем свойств, а не одним отбором жидкости из колонны.

Крекинг, риформинг и очистка

Крекинг расщепляет более крупные молекулы углеводородов на меньшие при высокой температуре; в каталитических процессах важен также катализатор. Условный пример одного возможного баланса:

C₁₀H₂₂ → C₅H₁₂ + C₅H₁₀.

Здесь могут образоваться алкан и алкен. Настоящий процесс даёт смесь продуктов: указанное уравнение не обещает единственную пару веществ и не определяет положение двойной связи в C₅H₁₀.

Риформинг изменяет строение углеводородов, в частности способствует образованию разветвлённых и ароматических соединений из подходящего сырья. Это химическая переработка. Очистка, например удаление серосодержащих примесей, также может включать реакции. Следовательно, слово «нефтепереработка» объединяет и физические операции, и химические процессы.

Уголь и его превращения

Уголь не является чистым графитом или набором одинаковых молекул C. Его органическая часть содержит углерод, водород, кислород и другие элементы; минеральная часть при сжигании связана с образованием золы. Содержание углерода, влаги и летучих компонентов различается у разных углей.

При коксовании уголь нагревают без доступа воздуха. Получают твёрдый кокс, газ и конденсируемые продукты, включая каменноугольную смолу. Кокс применяют, в частности, в металлургии; из смолы выделяют различные органические вещества. Коксование нельзя описать единственным точным уравнением для «молекулы угля».

Нагревание без воздуха и горение различаются. При пиролизе сырьё разлагается и перестраивается без подачи кислорода воздуха; при полном горении углерод и водород окисляются преимущественно до CO₂ и H₂O.

Состав выбросов зависит от топлива и условий процесса. Неполное горение может давать CO и сажу; соединения серы способны образовывать оксиды серы. Сжигание углеродсодержащего топлива связано с образованием CO₂. Это разные химические вопросы: полнота горения, содержание примесей и суммарное количество углерода не заменяют друг друга.

Три разобранных примера

1. Кислород для модельной газовой смеси

В 100 л смеси при одинаковых условиях содержатся 90 л CH₄, 6 л C₂H₆ и 4 л N₂. В задаче учитываем только полное сгорание углеводородов; азот не расходуется. Уравнения:

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.

2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O.

В идеальной газовой модели отношения объёмов при тех же температуре и давлении равны отношениям молей:

V(O₂) = 90 · 2 + 6 · 3,5 = 201 л.

Считать все 100 л чистым метаном было бы ошибкой. Это расход чистого кислорода, а не воздуха.

2. Масса выделенной фракции

В модельном расчёте из 500 г нефти получили 35% бензиновой фракции по массе:

m(фракции) = 500 · 0,35 = 175 г.

Полученные 175 г остаются смесью. По одной массе нельзя определить число молей без дополнительной информации о составе или средней молярной массе.

3. Проверка схемы крекинга

В приведённой схеме из одного моля C₁₀H₂₂ получается по молю C₅H₁₂ и C₅H₁₀. При школьных атомных массах:

142 г = 72 г + 70 г.

Масса сохраняется, хотя число молекул возрастает. Уравнение выражает возможный баланс, а выход конкретного процесса требует дополнительных данных.

Частые ошибки

• Приписывать нефти, бензину или углю одну молекулярную формулу.
• Называть перегонку разновидностью крекинга.
• Отождествлять сжиженный метансодержащий газ с пропан-бутановой смесью.
• Вычислять молярное количество смеси только по её массе без знания состава.

Пять заданий

1. Почему природный газ нельзя всегда считать чистым метаном?
2. Какой процесс непосредственно даёт более мелкие молекулы: перегонка или крекинг?
3. Сколько фракции получается из 2,0 кг сырья при массовом выходе 25%?
4. Сколько CO₂ образуется при полном сгорании 0,30 моль чистого CH₄?
5. Почему коксование не является полным сгоранием угля?

Ответы с объяснениями

1. В нём могут присутствовать другие углеводороды и неуглеводородные компоненты; их доли зависят от источника и подготовки газа.
2. Крекинг: он разрывает и перестраивает химические связи. Перегонка разделяет уже существующие компоненты по летучести.
3. Выход задан долей массы:

   m = 2,0 · 0,25 = 0,50 кг.

4. В уравнении CH₄ : CO₂ = 1 : 1, поэтому получается 0,30 моль CO₂.
5. Уголь нагревают без доступа воздуха; получаются кокс, газ и конденсируемые продукты, а не только продукты полного окисления.

Связанные темы и источники

Повторите алканы, алкены и арены; расчёт смеси связан с массовой долей.

Для проверки фактов: U.S. Energy Information Administration — природный газ и процессы нефтепереработки.