Одним из источников углеводородов является природный газ. Это полезное ископаемое, которое является важнейшим видом топлива и сырьём для химической промышленности. Природный газ является самым дешёвым видом топлива, легко транспортируется по газопроводам, обладает высокой теплотворной способностью, а также является экологически чистым видом топлива, легко воспламеняется, при его нагревании отсутствует зола и шлак. Природный газ представляет собой смесь газообразных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонентом природного газа является метан (75-99 % по объёму). Кроме метана, в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ, гелий, сероводород.
Природный газ добывают из подземных месторождений, где он находится под большим давлением. При использовании природного газа в быту очень опасна его утечка, потому что при высоких концентрациях вызывает удушье. В смеси с воздухом он становится взрывоопасным.
Нефть также является природным источником углеводородов. Она представляет собой густую жидкость, похожую на масло. У нефти цвет от жёлтого до чёрного.
Основная часть нефти – это углеводороды, содержащие 5 и более атомов углерода, кроме этого здесь содержатся органические соединения, в состав которых входит кислород, сера и азот.
Первый этап переработки нефти, как вы помните, это перегонка. Вам уже известно, что существует определённая закономерность: чем больше относительная молекулярная масса углеводорода, тем выше его температура кипения. Поэтому нефть перегонкой разделяют на отдельные части, или фракции – смеси различных веществ, имеющих близкие температуры кипения. Фракции различаются составом и интервалом температур перегонки. Это такие фракции, как газы, петролейный эфир, бензин, керосин, дизельное топливо. Петролейный эфир применяется в качестве растворителя. Керосин используется как топливо для авиационных двигателей, газойль – топливо для дизельных двигателей (автомобили и тракторы).
Для более эффективного использования нефти производят переработку фракций нефти, которая заключается в расщеплении (крекинге) углеводородов с большей относительной молекулярной массой на углеводороды с низкой относительной молекулярной массой. Различают термический и каталитический крекинг.
При термическом крекинге (450-550 0C) образуется смесь углеводородов, имеющая небольшое октановое число.
Октановое число углеводорода с неразветвлённой цепью – гептана – принято за 0, а октановое число углеводорода с разветвлённой цепью – 2,2,4-триметилпентана (изооктана) – за 100. Чем выше октановое число (80, 92, 95 и 98), тем лучшими антидетонационными свойствами обладает бензин. Ранее для повышения октанового числа топлива применяли чрезвычайно ядовитый тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4.
При каталитическом крекинге получают углеводороды разветвлённого строения с высоким октановым числом.
Ещё одним источником углеводородов является попутный нефтяной газ, который находится над нефтью и растворён в ней. При добыче нефти этот газ легко отделяется от неё. В состав попутного газа входят: метан (30,8 %), этан (7,5 %), пропан (21,5 %), бутан (20,4 %), пентан (19,8 %) и другие.
При использовании попутный нефтяной газ разделяют на фракции: сухой газ, который в основном состоит из метана и этана, его используют для получения ацетилена, водорода и в качестве топлива; пропан-бутановая фракция, которая состоит в основном из пропана и бутана, используется как высококалорийное топливо, газовый бензин, в состав которого входят углеводороды с числом атомов углерода выше 5, используется как добавка к бензинам.
Другим источником углеводородов является каменный уголь – это вид твёрдого топлива. Запасов каменного угля гораздо больше, чем нефти. В Росии находится почти половина всех мировых запасов угля. В состав каменного угля входят атомы углерода (80-90 %), водорода, кислорода, серы и азота и другие элементы.
Одним из способов получения углеводородов из каменного угля является его коксование. При этом осуществляется сухая перегонка, или пиролиз каменного угля при температуре 900-1200 0C. Основными продуктами коксования являются кокс, каменноугольная смола, сырой бензол, сульфат аммония, коксовый газ.
При коксовании из каменного угля получают кокс в коксовой печи. Этот кокс является восстановителем, поэтому его используют при выплавке чугуна. Кокс содержит 96-98 % углерода.
Коксовая печь представляет собой реактор периодического действия. Она состоит из камеры коксования, регенераторов для нагрева газа и воздуха, газосборника для отвода летучих продуктов коксования, обогревательного простенка, где находятся отопительные каналы. После отделения полученного кокса образовавшиеся летучие продукты подвергаются охлаждению. Каменноугольная смола конденсируется.
Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, оксиды углерода и другие. Сначала отделяют аммиак, потом бензол. Оставшийся коксовый газ, или обратный коксовый газ используется в качестве топлива или как сырьё в химической промышленности.
Образовавшаяся каменноугольная смола содержит нафталин, антрацен, фенолы, крезолы, пиридин. Её подвергают переработке для получения индивидуальных веществ.
Ещё один способ переработки каменного угля – это его гидрирование. При этом органическая часть этого твёрдого топлива превращается в жидкие продукты (температура 400-560 0С, давление водорода 20-70 МПа). Таким образом, получается смесь углеводородов, которую используют в качестве моторного топлива.
Однако использование нефти и продуктов её переработки нередко приводит к загрязнению окружающей среды. Особенно опасно появление нефти и нефтепродуктов в реках, озёрах и морях, что может привести не только к гибели живых организмов, но и к попаданию нефтепродуктов в питьевую воду.
При сгорании бензина и других видов топлива образуются отработанные газы, которые содержат СО2, воду, СО, оксиды азота. Во многих странах для уменьшения их токсичности в автомобилях применяют катализаторы, содержащие платину, с помощью которых происходит каталитическое окисление несгоревших углеводородов, СО и оксидов азота до углекислого газа, азота и кислорода.
Другим побочным эффектом использования двигателей внутреннего сгорания является выделение большого количества СО2, чрезмерное употребление природного газа и нефтепродуктов для отопления и других нужд также приводит к выделению большого количества СО2. Этот оксид, вместе с метаном, галогеналканами, попадая в атмосферу, приводят к так называемому парниковому эффекту, то есть повышению температуры нашей планеты.