что такое традиционные углеводородные ресурсы
Природа создает и аккумулирует их в недрах Земли. Всем известные полезные ископаемые — нефть, природный газ, торф и каменный уголь — являются главными природными источниками углеводородов.
Разнообразие природных веществ
Естественные углеводороды очень распространены в природе. При этом они встречаются в твердом, жидком и газообразном состоянии. На это влияют условия, при которых образуется органическое соединение углерода и водорода.
Человечество активно использует основное качество, которым обладают углеводородные ископаемые — при сгорании выделять свет и тепло.
Производимая при этом энергия называется теплотворной способностью. У каждого ископаемого свое значение удельной теплоты сгорания.
Свойства углеводородов различаются в зависимости от их строения.
Поэтому их классифицируют по структуре:
Кратность углерод—углеродных связей влияет на дальнейшую классификацию. Алифатические углеводороды делятся на предельные и непредельные. Первые — алканы — также называют насыщенными, в них кратные связи отсутствуют, есть только простые. Во вторую подгруппу входят ненасыщенные углеводороды — алкены, алкадиены, алкины, в которых имеются одинарные, двойные или тройные связи.
Аналогично карбоциклические углеводороды также делятся на 2 подгруппы: алициклические (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены).
Практическое применение
Наличие углеводородов в группе полезных ископаемых, относимых к горючим, предполагает использование последних в первую очередь в качестве топлива. Каждый из природных ресурсов имеет свои особенности залегания, добычи и переработки.
Нефть
Является главным источником углеводородов. Нефть представляет собой многокомпонентную жидкость маслянистого характера, состоящую преимущественно из жидких и газообразных углеводородов. В зависимости от преобладания в ее составе алканов, циклоалканов или аренов различают нефть парафиновую, нафтеновую и ароматическую. В чистом виде тот или иной вид встречается редко. В состав нефти входит много прочих соединений, механических примесей и вода.
Месторождения нефти располагаются глубоко в недрах земли, как правило, между слоями породы. Добыча осуществляется с помощью нефтяной вышки, которая выкачивает горючее ископаемое через пробуренную скважину.
Для получения топливных продуктов нефть доставляют на перерабатывающие заводы. Перед транспортировкой горючее ископаемое проходит сепарацию — первичную очистку, в процессе которой удаляются сопутствующие газы, вода и неорганические примеси.
Крекинг, коксование — основной этап переработки. Под воздействием атмосферного давления нефть делится на тяжелые и легкие фракции для выделения компонентов разных видов топлива.
Качество получаемых на этой стадии продуктов требует доработки, поэтому необходим и завершающий этап производства.
Риформинг, изомеризация, гидроочистка заключаются в смешении продуктов вторичной переработки, обогащении их различными компонентами или дополнительной очистке для повышения качественного состава.
Примером может служить повышение октанового числа бензина.
Из нефти производится множество разной продукции для различных сфер применения, к которым относятся: бензин, дизельное топливо, мазут, реактивное топливо, смазочные масла, асфальт, удобрения, спирты, ацетон.
Природный газ
Газ имеет превосходство перед нефтью по эффективности использования, простоте добычи и экономичности. Добыча заключается в бурении скважин на всей площади месторождения. Поскольку газ в чистом виде в природе встречается крайне редко, для отделения его от примесей породы или других химических соединений рядом с местом добычи разворачиваются перерабатывающие комплексы. Например, сопутствующий месторождениям нефти газ имеет большую взрывоопасность при добыче черного золота, поэтому его откачка является обязательным первичным условием.
Значительно экономить на транспортировке позволяет то, что сырье не требует такой очистки, как нефть, для перегонки по газопроводу. На химических заводах газ подвергается вторичной переработке, которая по принципу воздействия на природное сырье подразделяется на следующие виды:
Первый метод предполагает сильное нагревание или охлаждение газа, за счет чего происходит его сжатие и разделение на компоненты. Обычно именно этот способ используется на местах газодобычи.
Суть второй технологии заключается в образовании непредельных углеводородов под воздействием высоких температур и давления.
Третий способ заключается в трансформации метана в синтезированный газ и последующая его переработка. Для этого применяют паровую конверсию. Этот вариант — самый быстрый и экономичный, так как высокая скорость протекания химической реакции избавляет от использования дополнительных катализаторов.
В основном продукты переработки природного газа используют как топливо.
Из прочих составляющих также получают смолы, формальдегиды, аммиак, различные кислоты, которые находят дальнейшее применение в химической, оборонной, пищевой промышленности, в текстильном производстве и многих других отраслях.
Каменный уголь
Нашедший наиболее широкое применение вид ископаемого угля.
Твердое горючее вещество органического (растительного) происхождения, представляющее собой смесь соединений углерода, кислорода, водорода, серы и азота.
Неорганические примеси также присутствуют.
Промышленная добыча угля возможна тремя способами в зависимости от глубины залегания породы, ее твердости и доступности:
Наиболее качественный уголь получают из шахт, но вместе с тем это самый трудоемкий, дорогой и небезопасный способ добычи.
Способы переработки угля
Пиролиз (коксование) — основан на воздействии высоких температур в безвоздушном пространстве, в результате чего происходит разрушение и трансформация полимерных молекул. Полученный таким образом, кокс является сырьем для металлургической промышленности.
Газификация. Этот метод также применяет высокие температуры, но уже при наличии воздушной среды. Воздействие смеси газов и пара преобразует уголь из твердого состояния в газообразное. Конечным результатом переработки являются железо, никель, кобальт и другие металлы.
Полукоксование — за счет окисления с помощью катализатора при низкотемпературном режиме в 500 °C получают промежуточный продукт в виде смолы. В дальнейшем из нее изготавливают топливо или растворители.
Деструктивная гидрогенизация основана на химической реакции присоединения атомов водорода от молекул катализатора, коим является железосодержащая руда, к молекулам угля. Этот способ превращает твердое топливо в жидкое, так называемую синтетическую нефть.
Множество полезных веществ выполняют важную миссию, обеспечивая процесс жизнедеятельности людей.
В целом если нет технологии получения углеводородов, то и прогресс в развитии человечества как таковой невозможен. Ибо для любого действия нужна энергия, а если ее нет, то не будет и действия.
ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
I. типы источников энергии
Потребление нефти во всем мире прогрессивно растет, что, в свою очередь, определяется развитием техники и промышленности, ростом населения.
В начале 20-го столетия потребление энергии удваивалось за 50 лет, а теперь – каждые 15 лет.
Существующие источники энергии делят на возобновляемые и невозобновляемые:
| НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ | ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ |
| Ископаемое топливо | — солнечная энергия |
| — каменный уголь | — гидроэнергия |
| — бурый уголь | — энергия ветра |
| — торф | — энергия морских приливов |
| — горючие сланцы | — геотермальная энергия |
| — битумы | |
| Жидкое | |
| — нефть | |
| Газообразное | |
| — природный газ | |
| — попутный газ | |
| Атомная энергия | |
| — залежи радиоактивных веществ |
Человечество использует в основном невозобновляемые источники энергии. Вторая половина 20-го века характеризуется использованием в основном нефти, газа – на 70%, а твердого топлива на 30%.
Запасы нефти и газа в мире не столь велики, и при интенсивном использовании могут скоро оскудеть. К тому же нефть и нефтяные газы являются основным сырьем для химической промышленности, которая развивается опережающими темпами. Поэтому для будущего необходимо сохранить нефть и газ прежде всего как сырье для химической промышленности, заменив нефть как топливо другими источниками энергии.
Пример. Уже в настоящее время в Дании и Голландии 10% всей потребляемой энергии составляет энергия ветра.
Предполагается к 2100 году довести долю ядерной энергетики до 70% энергопотребления.
ЧЕМ МОЖНО ЗАМЕНИТЬ НЕФТЬ
Одним из наиболее эффективных заменителей являются горючие газы – природный газ, попутный нефтяной газ, коксовый газ, генераторный газ. К тому же природный газ – это прекрасное топливо:
1. Дает полное сгорание без дыма
2. Прекрасно хранится в сжатом и сжиженном состоянии
3. Сравнительно низкая себестоимость добычи
4. Бурение газовых скважин не отличается от проходки нефтяных скважин.
Природный газ также используется как:
2. Применяется для серийных двигателей внутреннего сгорания. При этом токсичность выхлопных газов меньше.
Чем еще можно заменить нефть?
Наиболее перспективно развитие угольной промышленности. Запасы каменного угля в 5 раз превышают запасы нефти и газа.
Пример. Если считать уголь как единственный источник энергии, то его запасов хватит на 300 – 400 лет.
ПИРОЛИЗ
Чтобы уголь стал нефтеподобным, его надо гидрировать (произвести процесс обработки твердого топлива водородом при 500 0 и давлении 70 мПа в присутствии катализатора). При гидрировании угля происходит разрушение непрочных молекулярных и внутирмолекулярных связей и гидрирование ненасыщенных молекул.
Переработка твердого топлива возможна через пиролиз – нагревание твердого топлива в закрытых реакторах без доступа воздуха. При этом крупные молекулы расщепляются, а осколки полимеризуются, конденсируются, ароматизируются, алкинируются и т.д.
П И Р О Л И З
Коксование осуществляется в коксовой печи, которая имеет 1 камеру коксования, 2 обогревательные простенки для сжигания и циркуляции отопительного газа, 3 регенераторы для утилизации теплоты отходящих дымовых газов.
Кокс – один из главных продуктов коксования. Он используется в черной и цветной металлургии, в химической промышленности. Кокс – источник тепла (содержит 97,5% углерода).
Смола – черная, вязкая жидкость, содержащая до 10 тыс. индивидуальных химических веществ.
Существует еще один способ переработки твердого топлива – газификация – превращение органической части твердого топлива в смесь газов путем его неполного окисления воздухом, кислородом, водяным паром при 1000 0 в реакторах-газогенераторах.
ГАЗИФИКАЦИЯ
Газификация – процесс с получением искусственного газообразного топлива и сырья для химической промышленности.
Для газификации используют торф, полукокс, низкосортные угли.
В результате газификации получают генераторные газы
 |  |  |
Водород 16% угарный газ 10% метан
Известно, что метанол является основой для получения высокооктановых добавок к моторному топливу, так же как и водород, он является экологически перспективным видом топлива взамен бензина (что дает возможность применения водорода в двигателях – авто, авиа, дизельных), также в быту – отопление помещений, освещение).
Водород – ценное сырье для нефтепереработки и переработки твердого топлива. Водород применяют для замены нефтепродуктов в виде добавок к автотопливу, которая уменьшает вредность выхлопных газов, повышает экономичность двигателей.
ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ
Наш мир начал отсчет 3-го тысячелетия, и подошли мы к нему с оскудевшими природными сырьевыми ресурсами, особенно в отношении нефти, так как объемы добычи нефти растут, рано или поздно ее запасы оскудеют. Поэтому приходится экономить – в области энергоресурсов – но это лишь частичная мера, т.к. моря и океаны хранят огромные запасы углеводородных газов (в твердом состоянии).
Пример. Бермудский треугольник (на поверхности моря образовался кипящий газом водяной купол, из которого вырывались газовые гейзеры).
Так как Мексиканский залив с Бермудами находится в зоне активной тектонической деятельности, то это приводит к нарушению структуры пород, падению в них давления, образованию многочисленных трещин, по которым мог вырваться наружу колоссальный объем газа, заключенного в твердые, похожие на лед частицы газовых гидратов – кластраты – соединения-ловушки, когда одна молекула попадает в объем другой, более крупной.
Между молекулой-хозяйкой и молекулой-гостьей есть связь, для разрыва которой нужны усилия.
1 м 3 кластрата содержит 200 м 3 газа. Залежи кластратов – газовых гидратов – встречаются в осадках глубоководных акваторий и в недрах суши с мощной зоной вечной мерзлоты. Запасы газа в форме гидратов в десятки раз превосходят все разведанные запасы нефти.
Существует еще так называемая «тяжелая» нефть – вязкая масса с плотностью 1. Она пропитывает песчаники и известняки. Разработки такой нефти очень малы. «Тяжелая» нефть является частным случаем битумов. Природные битумы – породы, напитанные высоковязкой нефтью, которую можно выделить при нагревании. Природные битумы могут давать до 40% от необходимого количества нефти (но переработка требует больших затрат).
Источники углеводородного сырья
Горючие сланцы – разновидность битумов – похожи на бурый уголь по внешнему виду, занимают промежуточное положение между нефтью и углем (С – Н меньше, чем в нефти, но больше, чем в угле).
Сланцы разрабатывают подземной газификацией – под землей на значительной глубине поджигают пласт сланцев. Выделяется углекислый газ, водород. Они используются в нефтехимической промышленности.
Ежегодная переработка 1 млн. тонн сланцев заменяет 1,5 млн. тонн нефти.
Международные геологические конгрессы проводятся под девизом «С умом соединенными усилиями» эксплуатировать недра Земли.
С умом эксплуатировать недра Земли нужно, познавая ее глубинное строение.
Для этого создаются сети сверхглубоких скважин. Были обнаружены гелий, водород, титан.
Природные источники углеводородов, их переработка
Содержание:
Углеводороды – это органические соединения, состоящие из атомов водорода и углерода. Основными источниками данных веществ являются горючие полезные ископаемые – нефть, природный и попутный газ, уголь.
Природные источники углеводородов
Нефть
Нефть – это природная маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим запахом, темно-коричневого (черного, красного, синего, белого) цвета или бесцветная, состоящая из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы (алканов, циклоалканов, аренов) и ряда других химических соединений.
Различают два вида нефти, в зависимости от плотности и содержания серы:
К преимуществам применения топлива можно отнести – простоту, дешевизну добычи и беспроблемность транспортировки.
К недостаткам – низкую ресурсообеспеченность, то есть соотношение между количеством ресурсов и размерами их использования.
Природные источники углеводородов
Характеристики
Нефть
Смесь состоящая из большого количества компонентов, основными из которых являются алканы, циклоалканы и арены.
Попутный нефтяной газ
Смесь состоящая в основном из алканов. Большая часть состоит из пропана.
Природный газ
Каменный уголь
Смесь, состоящая из разного соотношения соединений углерода, водорода, серы. Неорганические вещества состоят наибольшую часть каменного угля.
Природный газ
Преимущества данного вида топлива – простота добычи и транспортировки, экономичность.
Недостатки – сложность межконтинентальной транспортировки с помощью дорогостоящих танкеров.
Природный газ не имеет запаха, но для обнаружения протечек вещества в быту, в него добавляют специальные компоненты – меркаптаны. Это связано с тем, что смесь метана с воздухом взрывоопасна, небольшая искра способна спровоцировать происшествие.
Попутный нефтяной газ
Попутный нефтяной газ – это смесь газообразных углеводородов, содержащихся в нефти и выделяющихся при ее добыче и подготовке. Чем ниже молекулярная масса алкана, тем выше его концентрация в природном ресурсе.
Смесь бутана и пропана образует сжиженный газ, который применяется в качестве бытового топлива.
В зависимости от содержания углеводорода попутный газ делится на следующие группы:
Каменный уголь
Образование данного вида горючего ископаемого проходит в два этапа:
Данный вид топлива является достаточно перспективным для получения ряда химических продуктов и энергии.
Их переработка
Полезные ископаемые требуют переработки для дальнейшего использования и получения необходимых продуктов.
Переработка нефти
В сыром виде данный ресурс не применяется. Переработка может быть первичной и вторичной.
1. Первичная переработка – заключается в ректификации нефти, путем ее нагревания, не приводящая к химическим изменениям вещества. В процессе повышения температуры улетучиваются сначала легкокипящие элементы, затем требующие более высокой температуры.
Схема ректификационной колонны
На подготовительном этапе требуется очитка нефти от воды, солей и твердых механических частиц. Далее вещество поступает в трубчатую печь, где подвергается нагреванию до 350 °С. Горячий состав перемещается в нижнюю часть ректификационной колонны, в которой осуществляется испарение отдельных фракций на разные уровни, в зависимости отих температуры кипения:
2. Вторичная: крекинг и риформинг – необходимы для повышения выхода после переработки более дорогих и качественных фракций.
Крекинг – способ обработки мазута путем нагревания с совместным воздействием катализатора, для увеличения выхода бензиновой фракции.
Риформинг – направлен на улучшение качественных характеристик бензиновой фракции путем реакций дегидроциклизации.
Переработка природного газа
Содержание примесей в природном газе затрудняет его дальнейшую транспортировку и использование. В связи с этим он подвергается переработке:
В результате процессов образуются вещества: источники энергии и химические продукты (аммиак, уксусная кислота, метонол и др.).
Обработка попутного нефтяного газа
Концентрация продуктов нефтепереработки негативно влияет на экологию и здоровье населения. В связи с этим возникла необходимость в переработке ПНГ и практическом применении.
Существуют несколько способов утилизации и переработки:
Переработка каменного угля
Переработка данного вида ресурса называется коксованием, которое осуществляется путем накаливания угля до 900-1100°С без доступа воздуха.
В результате получаются следующие продукты:
Более 90% всей энергии, потребляемой человечеством в настоящее время, добывается из ископаемых природных органических соединений. ПО своим свойствам газ превосходит нефть.
I.1.7. Углеводородные ресурсы
Рис. I.10. Количественные оценки мировых запасов нефти
 |
Опубликованные журналом Science результаты исследований показывают, что подо льдами только Арктики залегает около 83 млрд баррелей нефти, что составляет 13 % от мировых неразведанных запасов. Этого количества достаточно для того, чтобы обеспечить весь мир на протяжении почти трех лет при среднем ежегодном потреблении 30 млрд. баррелей. Природного газа в Арктике, по данным ученых, около 1550 трлн. м 3 (достаточного для удовлетворения мировых потребителей в течение 14 лет). Результаты исследования показывают, что в будущем стратегический контроль России над запасами газа может расшириться.
Ученые отмечают, что большая часть углеводородных ресурсов находится глубине менее 500 м, а это означает, что они вполне доступны для бурения и добычи, хотя для этого потребуется определенное усовершенствование технологий.
Привлекательность северных богатств растет с каждым годом по мере истощения существующих месторождений и истончения ледяного покрова Арктики, толщина которого прежде препятствовала глубоководному бурению.
У России серьезные планы на шельф Арктики. К 2020 г. предполагается увеличить запасы нефти в российском секторе Арктики до 3 млрд. тонн (22 млрд. баррелей), отмечается в Концепции долгосрочного социально-экономического развития России на период до 2020 г., утвержденной правительством в ноябре 2008 г. Освоение шельфа России в его сегодняшних границах потребует инвестиций свыше 2,5 трлн долларов США до 2050 г.
Освоение углеводородных ресурсов шельфа осуществляется стационарными, плавучими (ПБУ) и полупогружными (ППБУ), а также самоходными (судами) буровыми установками.
 |
Рис. I.11. Профиль земной коры около берега океана
Имеется и юридическое определение шельфа – морское дно и недра подводных районов прибрежного государства, а также его островов, простирающихся за пределы территориальных вод до внешней границы подводной окраины материка, но не далее 350 миль от исходных линий, от которых отмеряется ширина территориальных вод, и не далее 200 миль в тех случаях, когда внешняя граница подводной окраины материка простирается на расстояние менее, чем 200 миль.
Минеральные богатства Мирового океана слагаются из ресурсов сырья, расположенных на дне и под дном океана, а также из веществ, растворенных в морской воде. Из 106 известных химических элементов в морской воде найдено 70. В каждом км 3 морской воды содержится более 35 млн. т твердых веществ, в том числе: 19,8 млн. т поваренной соли; 9,5 млн. т магния; 6,33 млн. т серы; 31 тыс. т брома; 3900 т алюминия; 79,3 т марганца; 79,3 т меди; 11,1 т урана; 3,8 т молибдена; 2,5 т серебра; 0,05 т золота.
Подводные залежи полезных ископаемых можно разделить на:
— поверхностные в виде неуплотненных отложений на поверхности дна (металлоносные россыпи, конкреции, илы и т. п.);
— скрытые затвердевшие породы, залегающие под поверхностью дна в виде жил в трещинах, рассеянных масс и т. п. Характер залегания таких твердых погребенных пород аналогичен характеру их залегания в условиях суши;
— скрытые жидкие, газообразные и растворимые вещества, расположенные под поверхностью дна в виде линзообразных месторождений.
Извлекаемые ресурсы углеводородов на континентальном шельфе РФ составляет около 100 млрд. т, в том числе более 13,5 млрд. т нефти и около 73 трлн. м 3 газа. Основной объем ресурсов (около 66,5 %) приходится на шельфы северных морей (Баренцево и Карское моря). В настоящее время на шельфе России выявлено более 20 крупных перспективных нефтегазоносных бассейнов, открыто 36 месторождений, в том числе уникальные газовые месторождения (Штокмановское, Русановское, Ленинградское) в Западной Арктике и несколько крупных месторождений нефти на северо-восточном шельфе Сахалина. Установлены подводные продолжения более чем 10 ранее открытых на суше месторождений нефти и газа. Распределение ресурсов нефти и газа по различным морским районам приведено в табл. I.13.