Органическое сырье

Основную массу природного органического сырья, интенсивно потребляемого для производства тепла, электроэнергии и разнообразной химической продукции, составляют горючие источники: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, смоляные пески, торф и биомасса. При их химическом превращении – сгорании– выделяется тепловая энергия, которая используется непосредственно для обогревания, например жилых домов и служебных помещений, и для производства электроэнергии. При этом существенную долю, например, нефтепродуктов составляет топливо для транспорта.

Нефть

В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивается. Потребность в нефтепродуктах продолжает возрастать (рис. 6.6). За десятилетний период с 1968 по 1978 гг. нефти было добыто столько же, сколько за предшествующие 110 лет. Значительная ее доля расходуется на производство топлива для различных энергоустановок, в том числе и для транспорта.

Превращение исходного природного продукта – сырой нефти – включает ее добычу, переработку и сжигание. В процессе добычи сырая нефть извлекается из разведанного месторождения.

Добыча нефти осуществляется в три этапа. На первом этапе извлекается 10–30% нефти при естественном давлении из природного резервуара, заполненного сложными образованиями из пористых пород. На втором этапе добычи при накачке воды, газа или пара нефть выталкивается на поверхность, что позволяет получить до 35% разведанных запасов. Извлечение остальной части сырой нефти на третьем этапе требует новых технологических приемов. Наиболее перспективные из них связаны с применением поверхностно-активных веществ и полимерных растворителей для извлечения нефтяных фракций из водной среды. Например, на третьем этапе добычи можно извлечь более 50 млрд. т нефти, содержащейся в разведанных месторождениях только одной страны – США.

Добытая сырая нефть чаще всего представляет собой маслянистую жидкость, состоящую преимущественно из сложной смеси углеводородов-алканов с линейной структурой и, в основном, с одинарными связями. Кроме алканов, нефть содержит разветвленные и циклические углеводороды, а также соединения с одной двойной связью, т. е. алкены, и соединения с бензольными кольцами, относящиеся к ароматическому ряду. Сырая нефть включает компоненты, молекулярная масса которых находится в пределах от значений для природных газов: 14 (метан СН₄), 30 (этан С₂H₆), 44 (пропан C₃H₈) и 58 (бутан С₄Н₁₀) – до значения для парафинового воска С₃₀Н₆₂, равного 422.

Процесс переработки нефти, называемый крекингом, начинается с перегонки, при которой различные компоненты нефти разделяются в соответствии с их температурой кипения. Вначале извлекаются наиболее летучие углеводороды, один из них октан C₈H₁₈. По октановому эквиваленту оценивается качество моторного топлива. В процессе переработки удаляются неорганические примеси, включая серу, и в результате каталитического крекинга производится расщепление больших молекул, при котором образуется соединение с более низкой температурой кипения. Для перестройки молекул и формирования их структур с оптимальными характеристиками, в том числе и для повышения октанового числа топлива, применяется каталитический реформинг. Каталитический процесс, таким образом, играет существенную роль при переработке нефти.

Лучшие катализаторы для переработки нефти – дорогостоящие и малораспространенные металлы: платина, палладий, родий и иридий. Например, с помощью катализатора – платины – алканы, приводящие к несинхронному воспламенению топлива в цилиндрах двигателя и вызывающие детонацию, превращаются в углеводороды с лучшими горючими характеристиками и с большим октановым числом. При наличии платинового катализатора и водорода низкооктановый алкан с неразветвленной цепью преобразуется в соединение бензола или циклического алкана с более высоким октановым числом.

Относительно недавно освоены новые каталитические процессы для переработки нефти, которые основаны на применении цеолитовых молекулярных сит (алюмосиликатов), платинорениевого/платино-иридиевого и платина/палладий/родиевого катализаторов. В настоящее время возрастает и особенно в будущем будет возрастать в переработке доля добываемой нефти низкого качества, т.е. нефти с относительно большой концентрацией серы, с более высокомолекулярными компонентами и с различного рода примесями, например, с примесями ванадия, никеля и других элементов, которые затрудняющих процесс катализа. В этой связи технологический цикл переработки нефти необходимо постоянно совершенствовать, чтобы производить высокооктановое топливо, продукты сгорания которого не загрязняли бы окружающую среду.

В последние десятилетия при детальном исследовании процесса горения топлива были выявлены азотнокислые и серосодержащие продукты сгорания, приводящие к кислотным осадкам, а также хлоросодержащие и другие соединения, загрязняющие атмосферу. Как выяснилось, горение – сложный химический процесс, зависящий от многих факторов. Повышение эффективности горения – это один из лучших способов сбережения природных энергоресурсов и сохранения окружающей Среды.

Переработка нефти включает операцию обессоливания и последующее разделение нефти на фракции при различных температурах кипения. Возрастающая потребность в топливе приводит к необходимости переработки нефтяных фракций. Для чего применяется термический крекинг, представляющий собой разложение нефтепродуктов при высокой температуре (выше С), при которой получается низкокипящий углеводород – бензин. Перспективен каталитический метод гидрокрекинга (под действием водорода происходит гидрофикация и тем самым отпадает необходимость в дополнительной операции очистки). На современных установках ежегодно вырабатывается более 700 тыс. т нефтепродуктов. Для повышения детонационной стойкости моторное топливо подвергается каталитической обработке при температуре 500° С и давлении 20–40 атм. Нефтехимический синтез базируется на пиролизе парафинов при температуре 800–870° С.

В результате переработке нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них – олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом (см. рис. 6.7). На основе данных соединений синтезируется тысячи промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90% всех органических соединений производится из нефти и природного газа.

О темпах развития нефтехимии можно судить по росту производства этилена - сырья для получения пластмасс, лаков и красок. За 20 лет (1960- 1980 гг.) объем этилена увеличился более чем в 10 раз (с 3, 4 до 50 млн. т). Только для производства различных продуктов без учета топлива в 1975 г. было израсходовано около 100 млн. т нефти.

Вплоть до середины XIX в. нефть использовалась преимущественно как колесная мазь и в лечебных целях. В 1860г. мировая потребность в ней составляла около 70 тыс. т. К концу XIX в. она возросла до 21 млн. т, и через 75 лет - до 2730 млн. т. Разведанные запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд. т. К началу 90-х годов XX в. они составили около 600 млрд. т. По некоторым оценкам, к 2000 г. разведанные запасы приблизятся к 800–1000 млрд. т. Предполагается, что запасов нефти хватит до 2050 г. при нынешних темпах потребления.

Уголь

Мировые запасы доступного для разработки угля в 20–40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США угля в 50–100 раз больше, чем нефти. Уголь – наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. В данной связи будет расти и практическая значимость фундаментальных и прикладных исследований, направленных на разработку эффективных и экологически чистых способов превращения весьма ценного угольного сырья. Экономическая широкомасштабная переработка угля в эффективное топливо позволила бы сохранить нефть для получения из нее многих ценнейших соединений, необходимых для химической промышленности. Нефть как источник многих химических продуктов слишком дорога, и ее использовать в качестве топлива нерационально. С развитием химической технологии уголь станет одним из важнейших источников сырьевых продуктов, в том числе и тех, которые уже в настоящее время получают из нефти (рис. 6.8).

Уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения – содержит, кроме углерода и водорода, серу и азот, а также некоторое количество минералов и влаги. Соотношение водород/углерод в угле примерно равно 1, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо уголь менее эффективен. При химическом превращении угля вначале удаляются из него сера и азот, затем отделяются неорганические примеси и, наконец, уголь превращается в жидкий: синтез-газ, представляющий собой смесь моноксида углерода и водорода.

Применение синтез-газа весьма перспективно, но его производство пока экономически не выгодно. Переработка угля может достигать крупных масштабов. Например, во время второй мировой войны в Германии, лишенной доступа к источникам нефти, в результате переработки угля было получено 585 тыс. т углеводородного топлива. Синтез-газ превращался в моторное топливо с помощью кобальтового катализатора. В недалеком прошлом ЮАР удовлетворяло около 40% своих потребностей в топливе, ежегодно получая 1750 тыс. т углеводорода из угля с применением железного катализатора. Перерабатывающие заводы располагались прямо на угольных залежах, откуда уголь конвейером загружался в химические реакторы.

Природный газ

Один из важнейших источников энергоресурсов – природный газ – представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа весьма разнообразен. Обычно он содержит 60–80% метана, остальное приходится на этан СH₄, пропан C₃H₈ и бутан С₄H₁₀, соотношение которых может быть различным. В природном газе есть и примеси, включающие серу, азот и другие элементы. Обычно этан и пропан каталитически превращают в этилен С₂Н₄, пропилен С₃Н₆ и ацетилен С₂Н₂ – ценное сырье для производства разнообразной полезной продукции.

Природный газ легко транспортируется по трубопроводу. В последние десятилетия его потребление резко возросло. Значительная доля мировых ресурсов природного газа принадлежит России. Запасы природного газа в США несколько превосходят запасы нефти. В целом источники природного газа и нефти ограничены и быстро истощаются.

Горючие сланцы, смоляные пески и торф

К одному из видов источников энергоресурсов относятся горючие сланцы – разновидность осадочных горных пород. Из них производят жидкие углеводороды. Например, согласно некоторым оценкам, только в сланцах трех штатов – Колорадо, Юта и Вайоминг содержится около 60 млрд. т углеводородов. Однако для широкомасштабной промышленной добычи горючих сланцев еще предстоит решить сложные химические, геохимические и технологические проблемы.

Горючие сланцы образовались из древних морских отложений ила и различной растительности. Кроме основной минеральной составляющей, они содержат кероген – смесь нерастворимых органических полимеров и небольшое количество битума – смеси органических соединений, растворимых в бензоле. При разработке сланцевых отложений возникает проблема сохранения чистоты водных ресурсов и почвы, так как из тонны сланцев можно извлечь всего лишь 40–160 литров сырой нефти. Соотношение водород/углерод в сланцевом масле составляет около 1, 5. Сланцевое масло содержит нежелательные примеси в виде органических соединений азота и серы, а также особо опасные для здоровья человека соединения мышьяка.

Смоляные пески состоят из остаточных асфальтовых фракций нефти. При освоении их залежей смоляных песков возникают те же проблемы, что и при добыче и переработке горючих сланцев. Поэтому смоляные пески, как и горючие сланцы, пока не нашли широкого применения.

К горючим полезным ископаемым относится торф, мировые запасы которого составляет около 500 млрд. т (1990 г.), в том числе свыше 186 млрд т в России. Торф образуется при скоплении остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот, и содержит 50–60% углерода. Используется торф комплексно как топливо, удобрение, теплоизоляционный материал и др. По коллорийности он уступает углю и нефтяному топливу.

Биомасса

Биомасса – один из потенциальных источников энергоресурсов. Из нее в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий, называемой анаэробным дыханием, ежегодно в атмосферу выделяется 500–800 млн. т метана, что эквивалентно 0, 6–1, 0 млн. т высококачественной нефти. Однако практическое применение анаэробных процессов для производства метана как источника энергии из биомассы, включающей различные растительные отходы (древесные отходы, побочные сельскохозяйственные продукты, пищевые отходы и т. п.), сдерживается относительно небольшой их скоростью и высокой чувствительностью к кислотности среды. Применение биомассы как источника углеводородного топлива или химического сырья особенно важно, если учесть, что в составе атмосферы наблюдается повышение концентрации углекислого газа, приводящего к парниковому эффекту. Сжигание биомассы не приводит к существенному нарушению баланса углекислого газа в атмосфере: весь углерод биомассы, превращающийся при ее сгорании в углекислый газ, извлекается из воздуха в процессе роста биомассы. Увеличение содержания углекислого газа в атмосфере за последние десятилетия обусловливается сжиганием чрезвычайно большого количества минерального топлива.

Возможно, в скором будущем в результате специальных операций генной инженерии удастся выращивать растения, пополняющие продовольственные ресурсы и биомассу. Такие растения будут интенсивно расти при повышенном потреблении углекислого газа из атмосферы, что естественно будет сдерживать увеличение углекислого газа в атмосфере.

Древесина

Лесные массивы – не только источник громадных природных энергоресурсов, но и один из основных поставщиков кислорода, необходимого для обеспечения жизнедеятельности чрезвычайно большого множества живых организмов. Лесная древесина – превосходный строительный материал и органическое сырье для производства многих ценных продуктов. Однако к сожалению часто лесные массивы истребляются пожарами и беспощадно вырубаются. Например, в Бразилии ежегодно вырубается около 15 тыс. м³ тропического леса. Во многих странах древесина – один из основных источников тепловой энергии.

Россия – единственная в мире лесопромышленная страна, где занятые под леса площади не уменьшаются, а растут. Причина в том, что за последние годы вырубка леса сократилась у нас почти в пять раз: отдавать древесину даром мы больше не хотим, а покупать ее по мировым ценам прежние потребители не хотят. Речь идет о санкционированной вырубке леса Несанкционированная вырубка леса особенно в последнее десятилетие из-за экономического кризиса в России существенно возросла. Россия теперь не отгружает бесплатно крепежный лес шахтам Донбасса, шпалы железным дорогам Средней Азии и ценные породы дерева мебельным фабрикам Польши и Венгрии. И если такая тенденция сохранится, то площадь российских лесов, составляющая пока чуть больше 1/5 лесного покрытия планеты, может вырасти к 2010г. на 1/3. Вполне возможно, что со временем это принесет России колоссальные доходы.

Леса сегодня, как это не удивительно, в огромных количествах переводятся на дрова, причем даже в наиболее цивилизованных странах. Это происходит в относительно холодной Финляндии, лидирующей в использовании древесины на топливо, и в теплой Франции, где сжигается почти четверть заготовляемой в стране древесины (французы очень любят сидеть у камина!). Но особенно много древесины идет на дрова в бедных странах Азии и Африки, где в сельских районах нередко нет ни газа, ни электричества и дерево – единственный источник тепла для отопления жилища и приготовления пищи. В Бангладеш, например, на топливо используется почти вся добываемая древесина, в результате в самом ближайшем будущем этой стране грозит настоящая катастрофа экологическая и энергетическая катастрофа. Весьма тяжелая ситуация складывается и в Индии, где на дрова переводят более 90% добываемой древесины. Ведь там дрова идут не только на приготовление пищи и на отопление, но и на огромные древесные костры (к тому же, как правило, из ценных пород дерева), в которых по традиции кремируют умерших.

В России, несмотря на суровый климат и отнюдь не повсеместный комфорт, на дрова переводится не более 21% всей древесины, поскольку цены на нее растут, особенно – на лесоматериалы, и еще больше – на те породы дерева, которые идут на производство мебели.

Но главная и постоянно увеличивающаяся ценность лесов – это их способность поглощать углекислоту и выделать кислород. Промышленные выбросы углекислоты от заводов, электростанций и автомобилей уже давно не полностью компенсируются фотосинтезом земной растительности. Накапливаясь в атмосфере, вредные газы не только становятся причинами кислотных осадков и ускоренной коррозии металлов, но и способны вызвать на нашей планете глобальное изменение климата. Грозящее ей потепление чревато заметным поднятием уже в следующем столетии уровня Мирового океана, а следовательно, затоплением миллионов квадратных километров земли и многих десятков городов.

Избежать этой опасности можно разными способами, к примеру, оснащать производства системами, поглощающими углекислоту и вредные газы. Это, однако, очень дорого, тогда как леса очищают воздух бесплатно. Пока бесплатно.

Уже подсчитано, что один га леса поглощает такое количество вредных газов, на техническую очистку от которого надо затратить около трех тысяч долларов. В Организации Объединенных Наций уже выдвигалась идея о необходимости введения налога на углекислоту с тем, чтобы тратить эти средства на сохранение лесов. Однако большинство стран предпочло использовать очистительные способности чужих лесов задаром.

Думается все же, что к системе экологических налогов человечество вынуждено будет придти. Платежи из этого источника позволили бы России быстро выплатить долги всем тем странам, которые на протяжении столетий безрассудно уничтожали свои лесные богатства.