Лекция № 1

Лекция № 1
1. Вводная лекция по дисциплине Химия и технология ПЭН
Преподаватель: Левашова Альбина Ивановна, доцент каф. ХТТ и ХК, канд. техн. наук
Введение
Химия природных энергоносителей и углеродных материалов рассматривает сырьевые
материалы – природные энергоносители (горючие ископаемые, ГИ):
•
•
•
•
1.
2.
3.
4.
природный газ
нефть
твердые ГИ (торф, уголь, горючие сланцы и др.)
материалы с высоким содержание углерода (графиты, алмазы, коксы, нефтяные и
каменноугольные пеки)
В первом приближении фазовое состояние ГИ может быть сопоставлено с соотношением Н/С:
максимум водорода содержат газ; минимум – твердые веществ; нефти занимают
промежуточное положение между ними. Чтобы перевести вещество из твердого состояния в
жидкое необходимо его обогатить водородом.
Основные разделы дисциплины:
Углерод и углеродные материалы
Твердые природные энергоносители
Характеристика нефти и природного газа
Химизм и механизм основных процессов технологии природных энергоносителей и
углеродных материалов
Список литературы:
 Бухаркина Т.В., Дигуров Н.Г. Химия природных энергоносителей и углеродных материалов. –
М.: РХТУ, 1999
 Потехин В.М.,Потехин В.В. Основы теории химических процессов технологии органических
веществ и нефтепереработки. Учебник для вузов-С.-П.:Химиздат, 2007.-994 с. (гриф УМО).
 Ахметов А.С., Ишмияров М.Х., Кауфман А.А. Технология переработки нефти, газа и твердых
горючих ископаемых. Учебное пособие. СПб Недра, 2009.–832 с (гриф УМО).
 Химия нефти и газа под ред. В.А. Проскурякова и А.Е. Драпкина.Учебное пособие для вузов.Л.:Химия, 1995.-495с. (гриф УМО).
 Мановян А.К. Технология переработки природных энергоносителей, 2004. – 455 с.
 Вержичинская С.В., Дигуров Н.Г. Химия и технология нефти и газа, 2007. – 400 с.
 А.И.Левашова, А.В. Кравцов Химия природных энергоносителей и углеродных материалов. –
Томск: ТПУ, 2008.-119 с.
 А.И.Левашова, Н.В. Ушева Химия природных энергоносителей и углеродных материалов.
Примеры и задачи. – Томск: ТПУ, 2008-92 с.
 Кравцов А.В., Ивашкина Е.Н., Юрьев Е.М., Францина Е.В., Теоретические основы
каталитических процессов переработки нефти и газа. Электронное учебное пособие для
студентов специальности 240403, ТПУ, 2010. – 144 с.
 Левашова А.И., Ивашкина Е.Н., Бешагина Е.В. Химия природных энергоносителей. Уч.
пособие. ТПУ, 2013. – 144 с. (в печати).
1
1. Углерод и углеродные материалы
1.1 Аллотропные модификации углерода. Аллотропия – способность атомов одного и
того же элемента существовать в виде нескольких простых веществ. Аллотропные
модификации углерода: Алмаз – sp3-гибридизация, графит, фуллерены – sp2 –
гибридизация,
карбин – sp – гибридизация. Различие физических и химических свойств этих
свойств обусловлено различием связей между атомами углерода в этих соединениях
1.2
Физические свойства углерода
1.3
Химические свойства углерода. Углеродные материалы (при низких
температурах) инертны ко многим реагентам, однако при высоких температурах они способны
к взаимодействию со многими веществами. Наиболее изучены реакции углерода: с газами
(хемосорбция, катализатор, стравливание дефектов); карбидообразование (Al4C3, Ca2C, SiC,
B4C3, с жидким металлом, модификация углеграфитовых материалов); реакции с
образованием слоистых соединений.
1.4
Синтез углерода.Материалы, состоящие из атомов углерода могут быть
получены высокотемпературной обработкой углеродсодержащих веществ как в газовой фазе,
так и в конденсированной.
1.4.1 Синтез углерода из газовой фазы.Происходит из полностью
неструктурированной системы при высоких температурах практически мгновенно, поэтому
невозможно проследить формирование кристаллитов. Так получают сажу фуллерены,
пироуглерод, алмаз.
1.4.2 Синтез углерода из конденсированной фазы (тяжелые остатки угле- и
нефтепереработки). Протекает при более низких температурах и за более длительное время.
Процесс проводят в области термодинамической стабильности высококонденсированных
углеводородов. Их можно рассматривать как зародыши графитоподобных структур. Механизм радикально-цепной.
1.5 Твердые природные энергоносители (торф, уголь, сапропели, горючие сланцы и т. д.)
2
1.5.1 Исходный растительный материал. Все ТГИ образовались из остатков отмерших
живых организмов, в первую очередь растительных. Продукты превращения этих веществ
обнаруживаются в ТГИ и служат свидетельством их растительного происхождения. Основные
группы веществ, составляющие растительный материал: белки, углеводы, липоиды, лигнин.
1.5.2 Процесс углеобразования
Схема углеобразовательного процесса:
По мере увеличения степени метаморфизма углей, растет доля углерода и
конденсированных структур в их составе и снижается содержание различных гетероэлементов.
1.5.2 Структура углей. Состав и структура углей изучается методом петрографии. Но
для технологической характеристики углей проводится технический анализ углей – это
определение: влажности (W), зольности (A), выхода летучих веществ (Vdaf), спекаемости.
1.5.3 Классификация углей. Гинетическая, торгово-промышленная.международная,
для этих целей определяется набор показателей, характеризующих угли.
Характеристика нефти и природного газа
Различают газовые, газоконденсатные и нефтяные месторождения.
1.5.4 Характеристика природных газов. Химический состав и свойства природного
газа и газоконденсатов, области их использования. Газы бывают: сухие (на 9398% состоит из CH4) и жирные (кроме CH4 содержат еще C2H6, C3H8, C4H10 и т.
п.).
1.5.5 Характеристика нефти. Нефть – смесь углеводородов различного состава, или с
физической точки зрения – это раствор газообразных и твердых углеводородов в жидкости.
1.5.5.1 Фракционный и групповой состав нефти. Нефть легко разделяется на фракции
по температурам кипения, при этом не происходит разрушения углеводородного состава :
бензиновая (tкип < 2000C ), легроиновая (tкип = 150-2000C ), керосиновая (tкип = 180-3000C ),
газойлевая (tкип = 250-3500C ). Остаток после перегонки нефти – мазут. Остаток после
перегонки мазута - гудрон (tкип > 5000C )
3
Знание фракционного состава нефти не достаточно для характеристики ее углеводородного
состава. Для этого определяют групповой состав – содержание аренов, нафтенов, алканов и т.
п.).
1.5.5.2 Классификация нефти. Генетическая, ехнологическая, промышленногенетическая
1.5.6 Химизм и механизм основных процессов технологии природных
энергоносителей и углеродных материалов
1.5.6.1 Термические процессы
1.5.6.2 Каталитический крекинг и алкилирование углеводородов
1.5.6.3 Процессы, связанные с переносом водорода
1.5.6.4 Окисление углеродсодержащих веществ
1.5.6.5 Газификация горючих ископаемых
1.5.6.6 Синтезы на основе оксида углерода и водорода
4