Природные источники углеводородов.

Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.

каменный уголь	торф	нефть	природный газ
твердый	твердый	жидкость	газ
без запаха	без запаха	резкий запах	без запаха
однородный состав	однородный состав	смесь веществ	смесь веществ
горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений	скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер	природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов	смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород
Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива
7 000 - 9 000	500 - 2 000	10000 - 15000	?

Каменный уголь.

Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.

Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.

Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.

Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:

1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);

2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);

3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);

4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).

Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.

При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.

Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.

Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.

Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;

nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.

Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).

В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.

Природный газ.

Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .

Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:

СН 4	С 2 Н 6	С 3 Н 8	С 4 Н 10	N 2 и другие газы
75-98	0,5 - 4	0,2 – 1,5	0,1 – 1	1-12

Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.

Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.

Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.

Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.

В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.

Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.

Происхождение природных источников энергии

Мировое производство энергии стремительно растет. В 1962 г. оно уже достигло примерно 33x1015 ккал. Большую часть этого количества человечество использует для механической работы и отопления. Непрерывно возрастает количество электрической энергии, включаемой в этот процесс в качестве посредника.

Как уже говорилось, работу нельзя накапливать, таким образом, в природе не может быть "запаса работы". Нет на Земле также электрической энергии в форме, доступной для непосредственного макроскопического использования. Поэтому для покрытия энергетических потребностей общества мы вынуждены обратиться к другим источникам.

Поскольку энергию нельзя "создать" из ничего, мы вынуждены производить необходимые для нас виды энергии путем преобразования других форм, причем это превращение должно быть экономичным и возможным в широких производственных масштабах. К носителям таких видов энергии следует отнести в первую очередь уголь (каменный и бурый), а также нефть и природный газ, применяющийся в настоящее время в промышленности в качестве топлива для двигателей, производящих механическую работу или электрическую энергию. Помимо указанных выше носителей энергии, в странах с подходящим рельефом местности довольно широко используется энергия воды ("белый уголь") и в меньшей мере ветра. В развитых странах применение мускульной энергии животных все больше и больше отходит на задний план. В настоящее время постоянно растет доля атомных электростанций в общем производстве электрической энергии. В связи со стремительным ростом потребности в энергии во всем мире предпринимаются попытки использовать в производственных целях новые источники энергии, например солнечное излучение. Предлагается, в частности, концентрировать солнечную энергию с помощью зеркал, а добытое таким образом тепло использовать для получения пара, который сможет приводить в движение турбины. Исследования в области проводников еще не дали больших результатов, но в настоящее время они уже обеспечивают возможность изготовления термо- и фотоэлементов, при помощи которых энергия теплового или светового излучения Солнца может быть превращена в электрическую энергию с КПД 10-13 %. Ученые занимаются также проблемой использования тепла Земли. Температура внутри Земли растет с глубиной. Если подвести тепло с больших глубин к поверхности земли, то можно понижая эту температуру частично превратить тепло в работу. На этом принципе уже построены геотермические электростанции. Однако на пути их более широкого распространения стоят еще не преодоленные технические трудности.

Предпринимаются также попытки использовать энергию, соответствующую разности уровней поверхности воды во время прилива и отлива.

Все эти новые источники энергии, в настоящее время покрывают весьма малую часть мирового потребления энергии. Ныне потребность в энергии удовлетворяется в основном за счет угля, нефти и прородного газа; такое положение, очевидно, сохранится и в ближайшем будущем. В связи с этим несомненный интерес представляет вопрос о происхождении энергии, накопленной в этих природных источниках.

Происхождение каменного угля

Уголь (каменный и бурый), употребляемый как горючее или топливо, в большинстве случаев залегает в земле (частично на глубине многих сотен метров). Только некоторые залежи бурого угля встречается на поверхности земли или непосредственно вблизи поверхностных слоев. Добытый уголь, кроме углерода, содержит различное количество соединений (главным образом соединений углерода с кислородом и водородом, и в меньшем количестве - с азотом, серой и другими элементами). Основными химическими элементами, входящими в состав угля, являются углерод, кислород и водород.

Бурые и каменные угли в большинстве своем имеют растительное происхождение и содержат в небольшом количестве минеральные вещества. Они образовались в теплом и сыром климате в глубокой древности из сильно разросшихся растений, когда они после гибели погружались на дно водоемов и поэтому не подвергались тлению и горению, при которых содержащийся в растениях углерод большей частью превращается в углекислый газ и другие летучие вещества. В процессах разложения этих растений (главным образом tj||| под воздействием микроорганизмов) вИЙ из них высвобождаются соединения, богатые водородом и кислородом, а содержание углерода растет - образуется торф. Торф затем покрывается другими отложениями (песком, глиной) и в результате геологических, движений опускается в глубь земли, где под давлением и при высокой температуре процесс торфооб-разования переходит в процесс угле-образования (повышение содержания углерода). В ходе связанной с этим процессом миграции элементов содержание водорода и кислорода продолжает уменьшаться, а содержание углерода - расти; в результате из торфа получаются бурый уголь, каменный уголь и, наконец, антрацит. Бурые угли образуются в течение 40-60 миллионов лет

Происхождение нефти и природного газа

Нефть и природный газ состоят главным образом из углеводородов (соединений углерода и водорода), а также в небольшом количестве из других элементов (серы, азота, кислорода и т.д.). Нефть содержит 82-87 % углерода и 11-14 % водорода. По вопросу происхождения нефти существуют различные точки зрения. Наиболее признанной является теория, согласно которой газ и нефть состоят из органических веществ, главным образом животного происхождения (некоторые ученые полагают, что нефть и газ во многих случаях образовались в глубинах земли в результате действия воды на карбиды металлов). Живые организмы, погибшие и опустившиеся на морское дно, попадают в такие условия, где они не могут ни распадаться в результате окисления, ни уничтожаться микроорганизмами, а вследствие отсутствия контакта с воздухом образуют илистые осадки. В результате геологических движений эти осадки проникают на большие глубины. Там под влиянием давления и высокой температуры, а возможно, и под воздействием микроорганизмов в течение миллионов лет проходит процесс сухой возгонки, при котором содержащийся в осадках углерод в большей своей части переходит в углеводородные соединения, в то время как большая часть кислорода и других элементов мигрирует. Жидкая субстанция, состоящая главным образом из смеси различных по молекулярному весу углеводородов, может и самостоятельно мигрировать, проникая через поры и трещины земных недр. Основными составными частями природного газа являются низкомолекулярные углеводороды (прежде всего метан и этан), нефть же представляет собой высокомолекулярные углеводороды.

Названия каменный уголь, нефть, указывающие на их происхождение из неживого материала (геологическое, а не биологическое), оправданы только отчасти. В действительности эти продукты образовались из веществ, возникших в результате жизнедеятельности животных и растений, и поэтому имеют биологическое происхождение. Однако те превращения, которые привели к образованию из животных и растительных организмов каменного угля, нефти и газа, в большинстве своем не носят биологического характера, а являются следствием геологических и геохимических условий (давление, температура и т.д.), создавшихся в окружающей неживой среде. Известны и другие минералы, которые представляют собой продукты превращений биологических веществ (например мел).

Происхождение энергии угля, нефти и природного газа

Таким образом, основные природные источники энергии имеют биологическое происхождение и содержат главным образом углерод. В связи с этим естественно возникают различные вопросы. Откуда берется энергия у живых существ? Какую роль играет углерод в энергоносителях? Как происходит накопление энергии в них и ее последующее превращение в тепло или работу? Глубоко не вдаваясь в подробности биологических процессов, можно сказать, что в развитии живого мира решающую роль играют растения. Известно, что растения могут существовать без животных, а животные без растений нет. Значительная часть животных поедает растения, остальные (плотоядные) питаются мясом травоядных (это относится также к человеку). Таким образом, косвенно, они добывают свою пищу также из растительного мира; последний служит не только материалом для строительства тканей тела, но и дает необходимую им энергию. Итак, чтобы узнать происхождение энергии у живых организмов, достаточно исследовать вопрос о происхождении энергии, аккумулированной в растениях.

Вопрос о происхождении вещества, из которых строятся растительные организмы, составляет предмет научного спора уже в течение столетий, поскольку процесс питания растений (в отличие от животных) не поддается непосредственному наблюдению. Только в XIX столетии было окончательно установлено, что растения строят свои организмы-из атмосферного углекислого газа, всасываемой из почвы воды, а также азота, фосфора, серы, калия и других элементов, входящих-в состав неорганических веществ, которыми питаются растения. Углекислый газ и вода, служащие основным питанием растений,- очень простые, энергетически бедные соединения, характеризующиеся низкой химической активностью, тогда как основные соединения растительного (а также животного) происхождения имеют, как правило, очень сложный состав, высокое энергетическое содержание и, при определенных условиях, относительно большую химическую активность. Таким образом, естественно предположить, что построение растительных организмов из природного "сырья" должно происходить под воздействием некоего мощного источника энергии, которая может быть превращена в химическую энергию сложных соединений. Только во второй половине XIX столетия было точно установлено, что источником этой энергии является Солнце (его световая энергия).

Энергия солнечного излучения., ежегодно достигающая Земли, равна 1021 ккал. Большая ее часть превращается в тепло или снова отражается в мировое пространство.

Незначительную часть (сотые доли процента), однако, потребляют растения и с помощью хлорофилла, содержащегося в их зеленых частях, в процессе фотосинтеза строят из углекислого газа, воды и других энергетически бедных веществ сахар, крахмал, глюкозу, протеин, нуклеиновые кислоты, алкалоиды и другие энергетически богатые и сложные по составу соединения. В общих чертах это совершается следующим образом: с помощью поглощаемой хлорофиллом световой энергии химические связи в углекислом газе, воде и других питательных веществах ослабляются или разрываются, временно образуются богатые энергией атомы и радикалы, из которых в ходе различных химических процессов возникают вещества со все более сложными молекулами. Многочисленные атомы связаны в них друг с другом большим числом различных химических связей. Солнечная энергия аккумулируется, таким образом, в виде химической энергии. Схематически реакцию фотосинтеза можно наглядно показать на процессе образования 1 моля глюкозы:

6СО2 + бШО + 674 ккал -> CeffizOs + 6O2.

При фотосинтезе освобождается кислород. Реакции с образованием кислорода называются восстановительными.

Следовательно, живые организмы черпают свою химическую энергию из энергии излучения Солнца. Концентрация солнечной энергии происходит главным образом в углеводах: (соединения состоящие из углерода, водорода и кислорода) глюкоза (СсШгОс), свекловичный сахар (CuHjzO11)i крахмал и целюлоза (CeHioOsJn, где n-переменная величина. В дальнейшем часть углеводов окисляется, при этом, например, из 1моля глюкозы образуются углекислый газ и вода в соответствии со следующей химической реакцией:

СбНпОв + 6О2 -> бСОг + бВЬО + 674 ккал.

Энергия, освобождающаяся при этом из углеводов, идет на построение необходимых для функционирования организма еще более сложных и энергетически богатых соединений (жиров, протеинов, нуклеиновых кислот, алкалоидов и т.д.).Часть этих веществ (прежде всего жиры) окисляется, выделяющаяся при этом энергия концентрируется в организме и идет на покрытие его энергетических потребностей;

В результате окисления сложные органические соединения, полученные в процессе фотосинтеза, снова превращаются в исходные энергетически бедные вещества - углекислый газ и воду. В конечном счете весь растительный организм либо отмирает, либо становится кормом для животных (или людей). Соединения в отмершем организме начинают распадаться и под воздействием микроорганизмов окисляться.

Круговорот углерода, водорода и кислорода

Углерод, водород и кислород совершают, таким образом, круговорот в природе: из энергетически бедных углеродных соединений в живых организмах под воздействием солнечной энергии образуется энергетически более богатые органические соединения, при этом освобождается кислород; затем в ходе длинного ряда сложных превращений при поглощении кислорода вновь образуется углекислый газ и вода и т.д.

Циклический характер химии живого мира, т.е. то обстоятельство, что при распаде снова образуются исходные продукты ("сырье"), чрезвычайно важен, так как в результате этого сырьевой баланс живых организмов никогда не может быть нарушен. Если бы, например? микробы не разлагали отмершие организмы, то жизнь на Земле не могла бы долго продолжаться, так как в этом случае имеющийся в нашем распоряжении запас углерода "за короткий срок" (с геологической точки зрения) осел бы в отмерших организмах. Не следует забывать, что изученная часть Земли (земная кора и воздух) содержит лишь 0,09% углерода.

В течение своего "нормального" круговорота углерод задерживается в живых организмах относительно короткое время (самое большое - несколько сотен лет). Уже здесь он может быть использован: древесина и остальные части растений также являются энергоносителями, используемыми людьми с древнейших времен. С ростом потребности общества в энергии дерево уже не могло больше удовлетворить этой потребности, а стремительное уменьшение лесных массивов привело к настоятельной необходимости использовать вместо дерева другие источники энергии. В XIX столетии быстро возрасло значение каменного угля как источника энергии. Уголь начали добывать уже с ХШ века, но до XIX века его в основном использовали лишь для отопления.

Нарушение круговорота

Каменный уголь фактически образовался вследствие нарушения естественного круговорота углерода, когда распад сложных углеродных соединений живых организмов не дошел до самого низкого энергетического состояния (до углекислого газа), а остановился на промежуточной ступени. Для беспрепятственного круговорота углерода, т.е. полного завершения процесса распада, необходимо столькд кислорода, сколько можно выделить из воздуха. Если же в ходе процесса распада органические вещества были по каким-либо причинам геологического характера лишены доступа воздуха, то течение его изменялось - он значительно замедлялся. В этих условиях вследствие недостатка кислорода окислительные процессы уступали место восстановительным, продукты которых во многом зависят- от физических и химических условий превращения (давление, температура, микроорганизмы и т.д.). При образовании нефти и газа из соединений органического происхождения, состоящих главным образом из углерода, в первую очередь возникают углеводороды, в то время как в ходе образования угля из большей части веществ погибших организмов углерод высвобождается. Как углеводороды, так и элементарный углерод содержат больше химической энергии, чем углекислый газ, поэтому они сжигаются (соединяются с кислородом) с выделением тепла и при этом образуется более бедный энергией углекислый газ:

СН4 + 2О2 -> СО2 + 2Н2О + 210,8 ккал,

СзН8 + 5О2 -> ЗСОг + 4ШО + 526,3 ккал,

С + О2 -» СОг + 94,3 ккал.

Углекислый газ несгораем, он не может при соединении с воздухом (кислородом) высвобождать энергию.

Какое состояние вещества наиболее стабильно?

На первый взгляд может показаться неожиданным, что элементарная форма углерода энергетически не самая бедная, не самая стабильная. Следует отметить, что наиболее стабильными являются такие состояния веществ, при которых в данных условиях их энергия имеет наименьшее значение,

Рассмотрим пример из механики. Пусть в комнате на четвертом этаже шар находится в- устойчивом положении тогда, когда он лежит на полу. На столе или на шкафу состояние шара менее устойчиво: отсюда он может "сам по себе" (без подвода энергии) упасть на пол, причем его потенциальная энергия превращается в кинетическую, а затем при ударе об пол - в тепловую и звуковую. В обратном направлении это процесс "сам по себе" идти не может. Перенести шар на стол или шкаф возможно лишь при затрате определенной энергии. На полу (при условии, что он ровный и строго горизонтальный) шар сам по себе не будет перемещаться, его состояние стабильно. Однако эта стабильность относительна и не означает, что шар больше не обладает потенциальной энергией - ведь он: находится на значительной высотё"над землей. В данном случае имеет место только относительный минимум энергии. При изменении условий может произойти дальнейшее высвобождение потенциальной энергии. Например, если на полу окажется дыра, то шар упадет на этаж ниже, если и здесь будет дыра, то он упадет еще ниже и т.д. Он может достичь таким образом первого этажа, при этом потенциальная энергия шара переходит в другие виды. Стабильность шара даже на первом этаже не абсолютна. При соответствующих условиях он может упасть в подвал или достичь дна глубокой шахты и т.д.

Аналогичная картина наблюдается при превращениях природных энергоносителей, содержащих углерод. В углеродных соединениях органического происхождения накоплено много химической энергии. В ходе химических превращений эта энергия может частично высвобождаться и, будучи преобразованной в другие виды, использоваться. Сами по себе происходят только такие химические превращения, которые связаны с уменьшением свободной энергии, и только они могут быть использованы для получения энергии. Содержание энергии в веществах, образовавшихся в процессе превращения, меньше, чем в исходном веществе, как раз на количество освободившейся энергии. Химические превращения в зависимости от условий происходят быстро или медленно (иногда даже миллионы лет) и идут до тех пор, пока не образуются продукты, энергия которых при данных условиях уже не может уменьшаться (такие продукты будут стабильны).

Если окисление углеродных соединений происходит при наличии достаточного количества воздуха, то возникают соединения, все более богатые кислородом, пока, наконец, углерод не предстанет в форме углекислого газа, а водород - в форме воды. Эти соединения не могут далее окисляться, и из них при обычных условиях не высвобождается химическая энергия. СОг и НгО в естественных условиях предстайляют собой стабильное состояние углерода и водорода. Таким образом, газ и вода -это самые стабильные конечные продукты, которые могут быть превращены в другие вещества только с помощью дополнительной энергии иного происхождения (например солнечной или электрической).

Аккумуляция солнечной энергии

Отдельные.периоды круговорота углерода в природе (образование энергетически богатых углеродных соединений из углекислого газа и воды и их последующий распад на те же соединения) имеют продолжительность от нескольких месяцев до нескольких столетий. Если же обычные условия меняются (как это произошло, например, при образовании нефти, газа и угля), процессы превращения могут протекать исключительно медленно, в течение миллионов лет.

В земной коре без доступа воздуха углеводороды и уголь относительно стабильны, и часть химической энергии в них еще сохранилась в неизменном виде: они как бы законсервировали солнечную энергию. Здесь очевидна аналогия с рассмотренным выше примером с шаром. При изменении условий (извлечении нефти, угля или газа на поверхность земли и их использовании) стабильность состояния этих веществ нарушается: при сгорании они соединяются с кислородом, образуя углекислый газ и воду. На этом круговорот углерода и водорода, нормальный ход которого по геологическим причинам задержался на миллионы лет, быстро заканчивается. При сжиганий освобождается энергия солнечного излучения, которую растения долгое время хранили в себе. Таким образом, нефть, природный газ и каменный уголь - это законсервированная энергия, являющаяся частью когда-то поглащенной солнечной энергии.

Происхождение энергии воды и ветра

Известно, что гидростанции потребляют ту потенциальную энергию воды в реках и водопадах, которая освобождается благодаря естественному перепаду высот. Но вода в своем вечном круговороте попадает на возвышенные участки земли в результате испарения мерей, рек и озер, которое происходит в первую очередь под действием солнечного излучения. Пар, превращаясь в капли воды, собирается в облака или тучи, откуда вода в виде дождя вдш снега попадает обратно на землю, » том числе и на возвышенности. Скапливающаяся здесь вода обладает большим запасом потенциальной энергии, которая затем при помощи турбин,приведенных в действие естественными или искусственно созданными водопадами, может быть превращена в электрическую энергию или механическую работу. Таким образом, большая часть энергии, полученной на гидростанциях, также обязана своим происхождением солнечному излучению. Только незначительная часть энергии, потребляемой при испарении различных, водоемов,- это тепло Земли, которое в свою очередь, освобождается в результате происходящих внутри Земли процессов, радиоактивного распада.

Энергия ветра также в значительной степени обязана своим происхождением Солнцу: разница в нагреве отдельных областей земной поверхности вызывает атмосферные течения (т.е. ветер).

Хорошо ли используется солнечная энергия?

Как мы уже убедились, большая часть нашей потребности в энергии покрывается за счет солнечной энергии. Но к сожалению, живая природа использует эту солнечную энергию недостаточно эффективно.

Солнце излучает ежегодно огромное количество энергии, равное ~ Зх1030ккал, из нее Земли достигает около 1021 ккал. Примерно 60% энергии поглощается воздухом (2,5% ее превращается в энергию ветра); 25,5% достигает водной поверхности, но из этого количества только 0,04% передается воде; очень незначительную часть потребляют водные растения; 14,5% энергии солнечного излучения достигает суши и только 0,12 % ее благодаря растениям превращается в химическую энергию. "Неиспользованная" энергия солнечного излучения Земли переходит обратно в мировое пространство. Земля отдает больше энергии, чем получает от Солнца, так как она излучает еще и энергию, освобождающуюся в результате радиоактивных процессов, происходящих в ее недрах.

Таким образом, растительный и животный мир, включая человека, использует совершенно ничтожную долю солнечной энергии, прпадаю-щей на Землю. Задача будущего - найти и разработать средства и методы, которые помогут человеку более полно использовать эту энергию.

Глубокое проникновение в тайны природы, по-видимому, поможет открыть принципиально новые возможности в этой области.

Один из методов более эффективного использования солнечной энергии, требующий дальнейшей теоретической разработки,-это интенсификация сельского хозяйства за счет лучшей обработки почвы и внесения искусственных удобрений, а также культивирования таких растений, которые более рационально используют эту энергию. Другой метод -создание термо- и фотоэлементов, где происходит непосредственное превращение солнечной энергии в электрическую.

Запасы природных источников энергии

Углерод (как энергоноситель) распределяется на Земле следующим образом: в атмосфере его содержится 640 млрд.т в виде углекислого газа, при этом около 150 млрд.т ежегодно потребляются растениями в процессе фотосинтеза; в растительных организмахзапасено 500 млрд.т, а в животных - 5 млрд.т углерода. Большая часть углерода, содержащегося в живых организмах, после окисления снова поступает в атмосферу в виде углекислого газа. Углерод, не участвующий в окислительных процессах, накоплен в недрах земли в виде торфа (~1000 млрд.т), угля (~ 10000 млрд.т), нефга(~ 20 млрд.т).

Образование нефти, газа и угля - процесс, длившийся много миллионов лет в специфических условиях, которых нет в настоящее время, поэтому в ближайшем будущем нельзя рассчитывать на появление новых месторождений.

Из запасов угля, составляющих около 10000 млрд.т, человечество на сегодняшний день использовало приблизительно 60-70 млрд.т. В настоящее время ежегодная потребность составляет больше 2 млрд.т. Это незначительный расход по сравнению с имеющимися запасами. Такое же положение и с нефтью. Кроме того, благодаря применению новейших методов геологоразведки открываются новые месторождения, однако все они не неисчерпаемы и распоряжаться ими следует разумно. Нужно также учесть, что нефть, природный газ и уголь являются не только источниками энергии, но и важнейшим сырьем для химической промышленности. Из них получают исходные продукты для предприятия органической химии, они служат сырьем для производства искусственных удобрений и взрывчатых веществ, поскольку водород, необходимый для получения аммиака Nffi, основного исходного продукта этих отраслей промышленности, экономичнее всего получать из нефти или газа. Поэтому важнейшей задачей научных и прикладных исследований является разработка новых методов получения энергии, что позволит передать нефть и газ химической промышленности.

Итак, почти во всех природных источниках энергии в основном запасена энергия Солнца. Можно сказать, что в настоящее время каждая электростанция-или двигатель питаются фактически ею. Исключением являются атомные электростанции, однако в общем производстве электроэнергии они пока играют ничтожную роль. Но и атомная энергия косвенным образом связана с солнечным излучением, так как образование урана, как и других химических элементов, связано с Солнцем, с возникновением Солнечной системы.

Размышления о том, что ждет нас в будущем и раньше не давало покоя ученым. Сегодня на эту тему говорят все: от государственных руководителей до школьников. Глобальное потепление, таяние вековых льдов, демографические проблемы, клонирование человека, современные и будущие средства связи и передвижения, зависимость людей от энергоносителей… И все-таки одной из наиболее популярных сегодня тем является вопрос альтернативного топлива.

Топливо будущего - альтернатива природным ископаемым

Природные виды топлива в настоящее время являются нашим основным источником энергии. Углеводороды сжигают, чтобы разрушить молекулярные связи и освободить их энергию. Высокий уровень потребления ископаемых видов топлива приводит к значительному загрязнению природной среды, когда они сжигаются.
Мы живем в 21 веке, это время новых технологий, и многие ученые считают, что пришло время для создания альтернативного топлива будущего, которое способно заменить традиционное топливо и ликвидировать нашу зависимость от него. За последние 150 лет, использование углеводородов увеличило количество углекислого газа в атмосфере на 25%. Сжигание углеводородов приводит и к другим видам загрязнения, таким как смог, кислотные дожди и загрязнение воздуха. Этот тип загрязнения не только наносит вред окружающей среде, здоровью животных и людей, но, кроме того, приводит к войнам, так как ископаемые виды топлива являются не возобновляемыми ресурсами и, в конечном счете, закончатся. На данный момент важно найти новые решения и установить альтернативные источники топлива для будущего.

Пока одни ученые решают вопрос увеличения коэффициента нефтеотдачи продуктивных пластов, а другие ищут пути получения газообразного топлива из горючих сланцев, третьи пришли к выводу, что потребность в топливе можно удовлетворить обычным дедовским методом. Речь идет о "твердых нефтепродуктах", природном топливе - дровах. Идею "старую как мир" подхватили специалисты Стэнфордского университета в США, к ним присоединились и ученые университета штата Джорджия. Конечно, здесь нужны особые быстрорастущие сорта деревьев типа ольхи или платанов, которые дают до 40 т древесины с 1 га в год.

Платан - Platanus - могучее дерево с густой раскидистой кроной и толстым стволом - родоначальник обширного семейства платановых. Всео насчитывается в роду платанов около 10 видов. Высота платана достигает 60м, а длина окружности ствола - до 18м! Ствол платана ровной цилиндрической формы, кора зеленовато - серого цвета, отслаивающаяся. Листья платана пальчато-лопастные, с удлиненными черешками.

После вырубки деревьев платанов на земле остается листва, которую можно использовать для природного удобрения. Древесина платана измельчается в дробилках и подается в топку электростанций. Участок насаждения платанов в 125 км2 может обеспечить энергией город с населением 80 тыс. человек. На вырубленных площадях уже через 2-4 года из побегов вновь вырастут новые деревья платаны, пригодные для топлива. Ученые посчитали, что если 3 % территории России и Украины отвести под „энергетические плантации платанов" для выращивания природного топлива, то страны могли бы полностью удовлетворить свои потребности в топливе за счет дров.

Главным преимуществом использования "выращенного природного топлива", в противоположность "ископаемому топливу" (каменный уголь, природный газ и нефть) является то, что в процессе роста энергетический лес платанов адсорбирует углекислый газ, который позже высвобождается при его горении. Это значит, что при сжигании платанов в атмосферу выбрасывается такое количество СО2, которое поглощалось платаном во время его роста. При сжигании же ископаемого топлива, мы увеличиваем содержание СО2 в атмосфере, а это главная причина глобального потепления.

Новое топливо перспективно как ценный возобновляемый источник энергии и это будет более важным в будущем. Уже сегодня, например, крупнейшая в Европе электростанция на платане, находится в Зиммеринге (Австрия). Ее мощность 66 МВт,при ежегодном потреблении 190 тысяч тонн платана, выращиваемом здесь же в радиусе 100 км. А в Германии мощность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.

Новые виды топлива

Американским сторонникам „дровенизации" бытовой теплоэнергетики вторят их коллеги из Европы. В Бельгии, например, в 1988г газета „Саар" напечатала статью, где назвала дрова природным топливом будущего, как альтернативу применения нефтепродуктов. Для этих же целей предлагается использовать и макулатуру. Там в магазинах уже продается ручной пресс для изготовления брикетов из макулатуры, не уступающие по своей калорийности буроугольным.

Также можно купить специальные экономичные печи, работающие по принципу газогенератора, конструкция которых препятствует уходу тепла через дымовую трубу. Дрова и брикеты макулатуры сгорают в этой печи очень медленно: вязанка - за 8 ч. При этом дрова сгорают полностью, отсутствует выделение в атмосферу золы и сажи. Отапливание помещений такими печами очень выгодно, ведь килограмм дров при сравнимой калорийности стоит в 10 раз меньше литра жидкого топлива, для хранения которого еще и требуются специальные емкости топлива .

В нимание другой группы американских ученых привлекли быстрорастущие бурые водоросли. Морские насаждения предлагается перерабатывать в газообразный метан с помощью бактерий. Также возможно получение нефтеподобные веществ путем нагревания. По расчетам, природная ферма в океане площадью насаждений 40 тыс. га сможет в будущем снабжать энергией город с населением 50 тыс. человек. Ученые из Франции предлагают использовать в качестве альтернативного топлива одноклеточные водоросли. Оказывается, эти микроскопические организмы выделяют углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. Выращивая водоросли в специальных емкостях и снабжая их углекислым газом и минеральными солями, можно регулярно „собирать урожай углеводородов" и получать природное топливо.

Естественные природные „бензоколонки АЗС" обнаружены и в тропиках Южной Америки, на Филиппинах. Некоторые виды лиан и тропических деревьев содержат природное топливо - "солярку", которую даже не надо подвергать перегонке. Альтернативное топливо из лиан прекрасно горит в автомобильных моторах, давая менее токсичный выхлоп, чем бензин. Подходит для производства топ-лива и пальмовое масло, из которого сравнительно легко можно получать „солярку".

Но пока это все в области научной фантастики. Более реален проект получения синтетического топлива из древесного угля. Довольно простой метод разработан учеными США. Уголь измельчается, обрабатывается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород. Из тонны угля получается почти 650 л синтетического топлива, из которой можно вырабатывать синтетический бензин.

Ученые США всерьез занялись подземной газификацией угольных пластов. Методом пиролиза из него получают 40 % метанового газа, 45 % кокса и 3 % жидкого топлива. Специалистами разработан совсем неожиданный способ получения топлива будущего... из мусора. Из отходов жизнедеятельности человека предварительно извлекают магнитные и немагнитные металлы, которые вдальнейшем отправляют в переплавку. Новая технология переработки отходов стекла позволяет получить из осколков стекло более дешевое и более высокого качества, чем исходное сырье. Остатки мусора перерабатываются в кокс, метановый газ и жидкое топливо. „Мусорные" нефтепродукты испытывали на опытных установках - горят прекрасно. Из тонны мусора таким способом „добывают" от 6 до 20 долларов. В 1976 - 1977 гг. в Сан-Диего вступил в строй специальный завод для переработки мусора.

Однако, над подобной проблемой успешно работают и в Великобритании. Здесь разработана и в натоящее время работает установка переработки мусора, в которой под действием высоких температур при сгорании вдуваемого кислорода из мусора (пластмассовые упаковки и бутылки, пищевые отбросы, обрывки газет, тряпки и т.д.) получают синтетические нефтепродукты и метановый газ с водородом. Жидкое синтетическое топливо и газ предполагают хранение в резервуарах и использовать частично для работы дизеля, а частично для переплавки битого стекла, из которого можно получать строительные блоки. В будущем планируется переработка мусора в старых доменных печах. Это даст высокую производительность, экономию времени и средств на постройку новых мусоросжигающих заводов. Как показали эксперименты, в дело пойдет и остающийся шлак - он пригоден для замены гравия при выполнении бетонных работ .

А вот еще два способа получения синтетического бензина. Французский инженер А. Ротлисберже получил альтернативный бензин из сухих стеблей кукурузы. Автор утверждает, что новое топливо будущего с октановым числом 98 вполне можно добывать из соломы, опилок, ботвы овощей и других отходов, содержащих целлюлозные волокна. Под нажимом правительственных структур изобретатель засекретил технологию синтеза нового топлива, но известно, что качество нового бензина во многом зависит от сложных стабилизирующих добавок, вводимых в спирты и изопропиниловые эфиры, получаемые из целлюлозы. Новое альтернативное топливо не детонирует, сгорает без дыма и запахов. Его можно смешивать в любых пропорциях с обычным бензином. При этом в будущем, конструктивных изменений в двигателях не требуется. Франция намерена со временем довести производство нового бензина до 20 млн.т в год.

Еще один изобретатель искусственного бензина живет в Швейцарии. Исходным материалом служит щепа, кукурузная шелуха, полиэтиленовые пакеты. Да вот беда, „бензин будущего" пахнет самогоном. Изобретателю приходится платить 8 % налога как за изготовление алкогольных напитков. Тем не менее 1 л искусственного „бензина будущего" стоит в 2 раза дешевле настоящего, а автомобиль работает исправно, как новый.

Разработки изобретателей не ограничиваются только искусственным бензином, предлагаются оригинальные методы получения углеводородного газа для бытовых целей. Один из которых разработан в Германии. В качестве нового источника альтернативной энергии будущего выступает свалка мусора в пригородном местечке Шверборн. При заполнении свалки под ней заложили сеть газовых колодцев и трубопроводов. Оказывается, 1 кг мусора дает до 200 л газа, из которого 100 литров - метан. Пока на свалке "добывают" в час 40 м3 газа.
Новое топливо отапливает производственные помещения. Планируется сооружение теплоцентрали на альтернативном топливе для отопления поселка. По расчетам, затраты на получение альтернативного топлива окупятся за 3,5 года.

Второй способ еще более неожиданный. С предложением выступили власти г. Оттапалам в штате Керала (Индия). Рецепт нового топлива следующий: Колодец заполняется коровьим навозом и герметично закрывается. Образующийся при брожении газ по подсоединенным трубам отводится к газовым плитам в домах. Такая биогазовая установка полностью удовлетворяет потребность семьи в биоэнергии для домашнего пользования. Сегодня в Индии разработаны и применяются 53 модели биогазовых систем. Ими эффективно пользуются около 3,5 млн. семей. Правительство страны активно поддерживает распространение биогазовых установок. Уже сейчас за счет этого экономится около 1,2 млрд. рупий в год.

Солнечная энергия - технология будущего

В начале статьи мы упоминали различные новые технологии получения энергии. Фотоэлектрические системы (или солнечные батареи) – это еще одна «технология будущего», применяющаяся уже сегодня.

Сейчас многие используют солнечные батареи в качестве основного или резервного источника электроэнергии для жилых домов и офисных зданий. Если вы недавно были на море, то могли заметить, что в навигационных буях также применяют энергию солнечных батарей. Уже давно они «взяты на вооружение» военными: во время операции «Буря в пустыне» полевые радиостанции были оснащены облегченными солнечными батареями ECD.

В будущем масштабы использования солнечных батарей будут только расти. Недавно компания ECD, в сотрудничестве с Texaco, предложила технологию использования энергии солнца для электроснабжения нефтедобывающего оборудования на нефтяном месторождении площадью двести гектаров в Бейкерсфилде (штат Калифорния). Ранее для добычи трех баррелей нефти один сжигали в парогенераторе. Использование солнечной энергии не только приведет к снижению расхода невосполнимых ресурсов, но и уменьшит вредные выбросы и шум.

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 , .

Переработка нефти

Нефть представляет собой многокомпонентную смесь различных веществ преимущественно углеводородов. Данные компоненты отличаются друг от друга по температурам кипения. В связи с этим, если нагревать нефть, то сначала из нее будут улетучиваться наиболее легкокипящие компоненты, затем соединения с более высокой температурой кипения и т.д. На данном явлении основана первичная переработка нефти , заключающаяся в перегонке (ректификации) нефти. Данный процесс называют первичным, поскольку предполагается, что при его протекании не происходят химические превращения веществ, а нефть лишь разделяется на фракции с различными температурами кипения. Ниже представлена принципиальная схема ректификационной колонны с кратким описанием самого процесса перегонки:

Перед процессом ректификации нефть специальным образом подготавливают, а именно, избавляют от примесной воды с растворенными в ней солями и от твердых механических примесей. Подготовленная таким образом нефть поступает в трубчатую печь, где нагревается до высокой температуры (320-350 о С). После нагревания в трубчатой печи нефть, обладающая высокой температурой, поступает в нижнюю часть ректификационной колонны, где происходит испарение отдельных фракций и подъем их паров вверх по ректификационной колонне. Чем выше находится участок ректификационной колонны, тем его температура ниже. Таким образом, на разной высоте отбирают следующие фракции:

1) ректификационные газы (отбирают в самой верхней части колонны, в связи с чем их температура кипения не превышает 40 о С);

2) бензиновая фракция (температуры кипения от 35 до 200 о С);

3) лигроиновая фракция (температуры кипения от 150 до 250 о С);

4) керосиновая фракция (температуры кипения от 190 до 300 о С);

5) дизельную фракцию (температуры кипения от 200 до 300 о С);

6) мазут (температуры кипения более 350 о С).

Следует отметить, что средние фракции, выделяемые при ректификации нефти, не удовлетворяют стандартам, предъявляемым к качествам топлив. Кроме того, в результате перегонки нефти образуется немалое количество мазута — далеко не самого востребованного продукта. В связи с этим после первичной переработки нефти стоит задача повышения выхода более дорогих, в частности, бензиновых фракций, а также повышения качества этих фракций. Эти задачи решаются с применением различных процессов вторичной переработки нефти , например, таких как крекинг и риформинг .

Следует отметить, что количество процессов, используемых при вторичной переработке нефти, значительно больше, и мы затрагиваем лишь одни из основных. Давайте теперь разберемся, в чем же заключается смысл этих процессов.

Крекинг (термический или каталитический)

Данный процесс предназначен для повышения выхода бензиновой фракции. Для этой цели тяжелые фракции, например, мазут подвергают сильному нагреванию чаще всего в присутствии катализатора. В результате такого воздействия длинноцепочечные молекулы, входящие в состав тяжелых фракций, рвутся и образуются углеводороды с меньшей молекулярной массой. Фактически это приводит к дополнительному выходу более ценной, чем исходный мазут, бензиновой фракции. Химическую суть данного процесса отражает уравнение:

Риформинг

Данный процесс выполняет задачу улучшения качества бензиновой фракции, в частности повышения ее детонационной устойчивости (октанового числа). Именно эта характеристика бензинов указывается на бензозаправках (92-й, 95-й, 98-й бензин и т.д.).

В результате процесса риформинга повышается доля ароматических углеводородов в бензиновой фракции, имеющих среди прочих углеводородов одни из самых высоких октановых чисел. Достигается такое увеличение доли ароматических углеводородов в основном в результате протекания при процессе риформинга реакций дегидроциклизации. Например, при достаточно сильном нагревании н -гексана в присутствии платинового катализатора он превращается в бензол, а н-гептан аналогичным образом — в толуол:

Переработка каменного угля

Основным способом переработки каменного угля является коксование . Коксованием угля называют процесс, при котором уголь нагревают без доступа воздуха. При этом в результате такого нагревания из угля выделяют четыре основных продукта:

1) Кокс

Твердая субстанция, представляющая собой практически чистый углерод.

2) Каменноугольная смола

Содержит большое количество разнообразных преимущественно ароматических соединений, таких как бензол его гомологи, фенолы, ароматические спирты, нафталин, гомологи нафталина и т.д.;

3) Аммиачная вода

Несмотря на свое название данная фракция, помимо аммиака и воды, содержит также фенол, сероводород и некоторые другие соединения.

4) Коксовый газ

Основными компонентами коксового газа являются водород, метан, углекислый газ, азот, этилен и т.д.