МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.И. Левашова, Е.Н. Ивашкина, Е.В. Бешагина ХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета 2-е издание Издательство Томского политехнического университета 2013 УДК 665.61+662.74(075.8) ББК 35.51я73 Л34 Левашова А.И. <...> Издательство Томского политехнического университета, 2013 ВВЕДЕНИЕ Дисциплина «Химия природных энергоносителей и углеродных материалов» рассматривает сырьевые материалы – природные энергоносители, традиционно называемые горючими ископаемыми (ГИ), а именно, природный газ, нефть, твердые горючие ископаемые (ТГИ: торф, уголь, горючие сланцы и др.) <...> Природные энергоносители находятся в различных агрегатных состояниях. <...> В первом приближении фазовое состояние горючего ископаемого может быть сопоставлено с соотношением водорода и углерода в его составе (Н/С). <...> Изменяя соотношение Н/С, можно изменять агрегатные состояния углеродсодержащих веществ. <...> Углеводородные газы можно превращать в твердый углерод: сажу, пироуглерод, алмаз; жидкие нефтепродукты перерабатывать в газообразные (например, легкие углеводороды) и твердые вещества (кокс и сажа); уголь переводить в газы, жидкие нефтеподобные продукты и твердый углеродистый остаток. <...> Взаимные переходы углеродсодержащих веществ подчиняются общим закономерностям как в природных, 3 так и в технологических условиях. <...> Иногда невозможно однозначно разграничить процессы, относящиеся к различным областям получения и переработки углеродсодержащих веществ. <...> Во втором и третьем разделах дано описание физико-химических свойств более сложных природных углеродсодержащих веществ (ТГИ, нефть и др.) <...> Объясняется <...>
Химия_природных_энергоносителей_и_углеродных_материалов.pdf
УДК 665.61+662.74(075.8)
ББК 35.51я73
Л34
Левашова А.И.
Л34
Химия природных энергоносителей и углеродных материалов:
учебное пособие / А.И. Левашова, Е.Н. Ивашкина, Е.В. Бешагина;
Томский политехнический университет. – 2-е изд. – Томск:
Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 132 с.
В пособии рассмотрены вопросы происхождения, классификации, состава,
физико-химических свойств и молекулярной структуры природных и
синтетических форм свободного углерода и природных энергоносителей –
сложных природных углеродсодержащих веществ (углей, торфа, нефти, углеводородных
газов). Приведены механизмы основных химических процессов
технологии природных энергоносителей и углеродных материалов.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 240100
«Химическая технология».
УДК 665.61+662.74(075.8)
ББК 35.51я73
Рецензенты
Доктор химических наук
заведующий лабораторией углеводородов нефти ИХН СО РАН
А.К. Головко
Кандидат технических наук
главный специалист отдела концептуального
проектирования и технико-экономического
анализа проектов ОАО «ТомскНИПИнефть»
Д.С. Полубоярцев
Пособие подготовлено при поддержке Министерства образования и науки
Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0825 «Прогнозирование
экологических свойств нефтехимических продуктов, полученных при
переработке фракции углеводородов С12–С27 в промышленных реакторах,
с использованием экспериментальных и квантово-химических методов»
© Томский политехнический университет, 2003
© Левашова А.И., Ивашкина Е.Н.,
Бешагина Е.В., 2003
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................. 3
1.УГЛЕРОД И УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ................................... 5
1.1. Аллотропные модификации углерода .............................................. 5
1.1.1. Алмаз ............................................................................................. 5
1.1.2. Графит ............................................................................................ 5
1.1.3. Фуллерены ..................................................................................... 7
1.1.4. Карбин ........................................................................................... 8
1.2. Физические свойства углерода .......................................................... 8
1.2.1. Механические свойства ................................................................ 8
1.2.2. Электропроводность ................................................................... 10
1.2.3. Тепловые свойства ...................................................................... 11
1.3. Химические свойства углерода ....................................................... 12
1.3.1. Слоистые соединения ................................................................. 12
1.3.2. Карбиды ....................................................................................... 14
1.3.3. Реакция с газами ......................................................................... 14
1.4. Термодинамика процессов термической деструкции ................... 15
1.5. Энергия разрыва связей в органическом веществе ....................... 17
1.6. Синтез углерода из газовой фазы .................................................... 18
1.7. Синтез углерода из конденсированной фазы ................................. 18
1.8. Синтез углерода из пеков ................................................................ 19
2. ТВЕРДЫЕ ПРИРОДНЫЕ ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ ......................... 23
2.1. Исходный растительный материал ................................................. 24
2.1.1. Белковые (или протеиновые) вещества .................................... 24
2.1.2. Углеводы ..................................................................................... 26
2.1.3. Липоиды (битумообразователи) ................................................ 27
2.1.4. Лигнин ......................................................................................... 28
2.2. Превращение исходного растительного материала
в процессе углеобразования ............................................................ 30
2.2.1. Элементный состав ТГИ ............................................................ 34
2.2.2. Определение теплоты сгорания................................................. 37
2.2.3. Групповой состав ........................................................................ 38
2.2.4. Гетероатомы в органической массе углей ................................ 41
2.2.5. Схема превращения гумитов ..................................................... 42
2.3. Структура углей ................................................................................ 43
2.4. Технический анализ углей ............................................................... 46
2.4.1. Определение влажности ............................................................. 47
2.4.2. Определение зольности .............................................................. 48
2.4.3. Определение выхода летучих веществ ..................................... 48
130
Стр.130
2.4.4. Определение спекаемости .......................................................... 49
2.5. Классификация углей ....................................................................... 51
3. ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТИ И ПРИРОДНОГО ГАЗА ............. 54
3.1. Характеристика природных газов ................................................... 54
3.2. Характеристика нефти ..................................................................... 58
3.3. Фракционный состав ........................................................................ 59
3.4. Групповой состав .............................................................................. 60
3.5. Гетероатомные соединения нефти и природного газа .................. 66
3.6. Технологическая характеристика нефти ........................................ 68
3.7. Классификация нефти ...................................................................... 70
4. ХИМИЗМ И МЕХАНИЗМЫ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ
ТЕХНОЛОГИИ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ
И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................................. 73
4.1.Термические процессы ...................................................................... 73
4.1.1. Термический крекинг и пиролиз углеводородов ..................... 73
4.1.2. Сажеобразование ........................................................................ 76
4.1.3. Полукоксование и коксование ТГИ .......................................... 78
4.2. Каталитический крекинг и алкилирование углеводородов .......... 88
4.2.1. Каталитический крекинг ............................................................ 88
4.2.2. Алкилирование парафинов олефинами .................................... 90
4.2.3. Алкилирование по ароматическому атому углерода .............. 94
4.3. Процессы, связанные с переносом водорода ............................... 104
4.3.1. Гидрирование ............................................................................ 104
4.3.2. Риформинг ................................................................................. 107
4.3.3. Гидрокрекинг нефтяных остатков........................................... 109
4.3.4. Деструктивно-гидрогенизационная переработка ТГИ .......... 109
4.4. Окисление углеродсодержащих веществ ..................................... 114
4.4.1. Выветривание и самовозгорание углей .................................. 117
4.4.2. Окисление и стабилизация топлив и масел ............................ 119
4.5. Газификация горючих ископаемых .............................................. 119
4.6. Синтезы на основе оксида углерода и водорода ......................... 123
4.6.1. Синтез Фишера-Тропша ........................................................... 123
4.6.2. Оксосинтез (гидроформирование) .......................................... 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .................................................................... 128
131
Стр.131