По курсу Химия природных энергоносителей и углеродных материалов (Химия ПЭН) Преподаватель

По курсу
Химия природных энергоносителей и
углеродных материалов (Химия ПЭН)
Преподаватель
Левашова Альбина Ивановна, к.т.н.
Францина Евгения Владимировна,
ассистент кафедры ХТТ
Дата разработки 2008
Химия природных энергоносителей и
углеродных материалов рассматривает
сырьевые материалы – природные
энергоносители (горючие ископаемые ГИ):
•
•
•
•
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 газы,
минимум твердые вещества,
нефти занимают промежуточное
положение.
Чтобы перевести вещество из твердого
состояния в жидкое необходимо его
обогатить водородом.
1.
Углерод и углеродные материалы
2.
Твердые природные энергоносители
3.
Характеристика нефти и природного газа
4.
Химизм и механизм основных процессов
технологии природных энергоносителей и
углеродных материалов







А.И. Левашова, А.В. Кравцов Химия природных
энергоносителей и углеродных материалов. – Томск: ТПУ,
2005
А.И. Левашова, Н.В. Ушева Химия природных энергоносителей
и углеродных материалов. Примеры и задачи. – Томск: ТПУ,
2005
Т.В. Бухаркина, Н.Г. Дигуров Химия природных
энергоносителей и углеродных материалов. – М.: РХТУ, 1999
С.Г. Аронов, Л.Л. Нестеренко Химия твердых горючих
ископаемых. – Харьков: Харьковский ун-т, 1960
Л.Л. Нестеренко Основы физики и химии горючих
ископаемых. – Киев: Вища школа, 1987
А.К. Мановян Технология переработки природных
энергоносителей, 2004
С.В. Вержичинская, Н.Г. Дигуров Химия и технология нефти и
газа, 2007
 Аллотропные
модификации углерода
 Физические свойства и химические
свойства углерода
 Термодинамика процессов термической
деструкции
 Синтез углерода
 Из
газовой фазы
 Из конденсированной фазы
 Из пеков
Аллотропия – способность атомов одного и того
же элемента существовать в виде нескольких
простых веществ.
Аллотропные модификации углерода:
1. Алмаз
sp3 – гибридизация
2. Графит
3. Фуллерены
sp2 – гибридизация
4. Карбин
sp1 – гибридизация
Различие физичесикх и химических свойств этих
свойств обусловлено различием связей между
атомами углерода в этих соединениях
Векторные
Механические
(упругость,
хрупкость,
пластичность)
Тепловые
(теплопроводность,
теплоемкость,
тепловое
расширение)
Скалярные
Плотность, удельная
теплоемкость,
температура фазовых
переходов
Электрические
(электропровод
ность)
При низких t углеродные материалы
достаточно инертны ко многим реагентам,
однако при высоких t 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
Термодинамическая вероятность протекания
хим. реакции определяется величиной
изменения свободной энергии Гиббса ∆G
(изобарно-изотермического потенциала):
G
lg Kp  
RT
Kp 
К пр
К обр
Реакци протекает в прямом направлении, если
∆G<0
 Реация протекает в обратном направлении,
если ∆G>0
 Процесс в состоянии равновесия, если ∆G=0

Материалы, состоящие из атомов углерода могут быть
получены высокотемпературной обработкой
углеродсодержащих веществ как в газовой фазе, так и в
конденсированной.
Синтез углерода из газовой
фазы
Происходит из полностью
неструктурированной
системы при высоких
температурах практически
мгновенно, поэтому
невозможно проследить
формирование кристаллитов.
Таким образом получают
сажу фуллерены,
пироуглерод, алмаз.
Синтез углерода из
конденсированной фазы (тяжелые
остатки угле- и нефтепереработки)
Протекает при более низких t и за
более длительное время. Процесс
проводят в области
термодинамической стабильности
высококонденсированных у/в. Их
можно рассматривать как зародыши
графитоподобных структур.
Механизм - радикально-цепной.
 Исходный
растительный материал
 Процесс углеобразования
 Структура углей
 Технический анализ углей
 Определение
влажности
 Определение зольности
 Определение выхода летучих веществ
 Определение спекаемости
 Классификация
углей
Все ТГИ образовались из остатков отмерших
живых организмов, в первую очередь
растительных.
Основные группы веществ, составляющие
растительный материал:
1. Белки
2. Углеводы
3. Липоиды
4. Лигнин
Продукты превращения этих веществ
обнаруживаются в ТГИ и служат свидетельством
их растительного происхождения
Исходный
растительный
материал
Гумификация
(превращение
под действием
микроорганизмов)
Торф
Бурый
уголь
Диагенез
Каменный
уголь
Антрацит
Метаморфизм
(превращение
под влиянием t и р)
Углефикация
По мере увеличения степени метаморфизма углей, растет
доля углерода и конденсированных структур в их составе
и снижается содержание различных гетероэлементов. Состав и
структура углей изучается методом петрографии.
 Характеристика
природных газов
 Характеристика нефти
 Фракционный и групповой состав нефти
 Классификация нефтей
 Генетическая
 Технологическая
 Промышленно-генетическая
Различают газовые, газоконденсатные и
нефтяные месторождения.
Газы бывают: сухой (на 93-98% состоит из
CH4) и жирный (кроме CH4 содержат еще
C2H6, C3H8, C4H10 и т.п.)
Газоконденсат - жидкость, растворенная в
газе, легкие углеводороды.
Нефть – смесь у/в различного состава, или
это раствор газообразных и твердых у/в в
жидкости.
Нефть легко разделяется на фракции по
температурам кипения, при этом не происходит
разрушения у/в (при ратм):




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 )
Знание фракционного состава нефти не достаточно
для характеристики у/в, входящих в ее состав. Для
этого применяют групповой анализ(содержание
аренов, нафтенов, алканов и т.п.)
 Термические
процессы
 Каталитический крекинг и алкилирование
у/в
 Процессы, связанные с переносом
водорода
 Окисление углеродсодержащих веществ
 Газификация горючих ископаемых
 Синтезы на основе оксида углерода и
водорода