Пособие
Топливо.Методы переработки топлива
1. Топливо, его значение и классификация
Топливомназывают существующие в природе или искусственно полученные вещества,являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности.
Рольтоплива в народном хозяйстве страны велико и все время возрастает, так какбурное развитие промышленности органического синтеза — производствопластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, красителей,растворителей и т. д. — требует огромным количеств углеродного сырья, котороеполучается в результате химической переработки различных топлив.
Все топливаможно разделить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные, апо происхождению — на естественные в искусственные.
Естественныетоплива:
твердые —угли, древесина, сланцы, торф
жидкие —нефть;
газообразные— природные и попутные газы.
Искусственныетоплива получают главным образом при переработке естественных топлив. Твердыеискусственные топлива — кокс, полукокс, древесный уголь; жидкие — бензин,керосин, лигроин и др.; газообразные — генераторные газы, коксовый газ, газыпереработки нефти и др.
Нефть восновном состоит из углерода (80-85%) и. водорода (10-14%), входящих в составсложной смеси углеродов. Кроме углеродной в нефти имеется небольшаянеуглеводородная часть я минеральные примеси. Состав природных и попутных газовочень разнообразен.
Разнообразиетвердых топлив представлено в таблице 1.
В таблицепредставлен состав органической, или горючей, массы топлива — той частитоплива, которая при горении дает тепло. .
Газообразноетопливо обладает рядом преимуществ по сравнению с твердым и жидким топливом,которые обусловлены его свойствами. При сгорании газа можно довести до минимумапотерю теплоты с уходящими в дымовую трубу продуктами горения; при сгораниигаза не образуется золы, шлака,дыма. Газ можно транспортировать самым дешевым видом транспорта —трубопроводом. По этим причинам газообразное топливо находит все более широкоеприменение в промышленности, а также в качестве бытового топлива и топлива дляавтотранспорта.
Таблица 1Вид топлива Углерод Водород Кислород Азот Древесина 44 6 59 1 Торф 59 . б 33 2 Бурый уголь 70 5,5 24 1 Каменный уголь 2 5 12 1 Антрацит 95
2 3 следы
2. Технологические методы переработки твердого топлива
Методыпереработки твердого топлива основаны на гетерогенных, главным образомнекаталитических процессах в системах «твердое — газ», «твердое — жидкость —газ» и многофазных, осуществляемых при высоких температурах.
Принагревании уголь и другие виды топлива претерпевают сложные изменения, ведущиек образованию новых твердых, жидких и газообразных продуктов.
Основнымиметодами, переработки твердого топлива являются коксование, полукоксование,газификация и деструктивная гидрогенизация.
Коксование— метод переработки каменных углей нагреванием без доступа воздухадо 900-1060 0С в коксовых печах. Коксохимическое производствовключает три технологические стадии: подготовку сырья, коксование и переработкукоксового газа.
Сырьем длякоксования служит смесь каменных углей, способных при нагревании спекаться (т.е, размягчаться и слипаться в общую массу). К таким углям относятся коксующиеугли различных марок: коксующиеся, паровично-спекающиеся, паровично-жирные идр. Но запасы коксовых углей ограничены, поэтому наряду с ними применяютдругие марки каменных углей — неспекающиеся: жирные,газовые, длинно пламенные.
Поступающиена переработку угли подвергаются подготовке: дроблению, сортировке, обогащению,обезвоживанию. Эта работа по улучшению качества угля требует дополнительныхрасходов, но она экономически целесообразна.
Процесскоксования протекает в коксовых печах, представляющих собой щелевидные камеры2 шириной 0,4 м, высотой 4 м и длиной 14-15 м, сложенные из огнеупорного материала. В своде такой камеры имеются отверстия — люки для загрузки угля. Несколькодесятков вечей (до 75), расположенных параллельно друг другу и связанныхкирпичной кладкой, образуют коксовую батарею. В простенках между печамирасполагаются отопительные каналы 1. В них сжигается какое-либо газообразноетопливо. Полученное при этой тепло через стенки печей, передается загруженномув них углю.
/>
Рис. 28.Камера коксования
Коксованиедлится 13-14 часов. По окончании процесса открывают переднюю и заднюю дверипечи и специальным толкателем выталкивают кокс из камеры в стальной полувагон,в котором его тушат. После выгрузки кокс сортируют. Из одной тонны угольнойшихты получают 730-780 кг кокса, содержащего 85-95% чистого углерода, 5-11%золы и небольшое количество других веществ.
Образующийсяпри коксовании газ (до 350 м3 на 1 т угля) содержит много ценныхвеществ. Кроме водорода, метана, окиси и двуокиси углерода, в его состав входятпары каменноугольной смолы, бензола, аммиака, сероводорода и ряд другихсоединений. Парогазовую смесь, отходящую из коксовых камер, улавливают иотводят V цех конденсации на переработку, извлекая содержащиеся в газекомпоненты.
Полукоксование— низкотемпературный пиролиз низкосортного твердого топлива(каменные и бурые угли, сланцы) при нагревании до конечной температуры 500-550 0Сбез доступа воздуха.
Продуктыполукоксования — полукокс, смола и газ.
Полукокс —слабо спекшийся хрупкий продукт, содержащий до 10% летучих веществ, обладающийвысокой реакционной способностью 8 большой зольностью. Применяют как местноеэнергетическое топливо я как составляющую шихты для коксования.
Смола, вособенности сланцевая, служит источником получения моторных топлив,растворителей я самых разнообразных органических мономеров, выделяемых прямойперегонкой смолы.
Газификация.В последнее время газификация твердого топлива приобретает особоезначение как источник энергия и химического сырья.
Газификациимогут быть подвергнуты любые виды твердого топлива — торф, низкосортные угли,сланцы, полукокс, отходы лесоразработок и др. При газификации, проводимой вреакторах,называемых газогенераторами, органическая масса топлива превращается вгенераторные газы. Твердый остаток газификации (шлак) представляет собойминеральную часть топлива, т. е. золу. В зависимости от назначениягенераторного газа применяют различные виды дутья и получают газ заданногосостава.
Представляетинтерес возрождение идеи Д. И. Менделеева о подземной бесшахтной газификациикаменных углей, Когда газификация протекает в подземном газогенераторе безизвлечения топлива на поверхность, т. е. без трудоемких горных работ.
Методзаключается в том» что с поверхности земли к угольному пласту бурятся скважинына расстоянии 25-30 м друг от друга, после чего забои этих скважин соединяютсяканалом газификации по угольному пласту. Одна скважина предназначена дляподвода дутья, а другие — для отвода образующихся газов.
Деструктивнаягидрогенизация — это метод прямогополучения искусственного жидкого топлива — заменителя нефтепродуктов — из бурыхи каменных углей, сланцев и других видов твердого топлива.
Сырьемслужат каменные и бурые угли, содержащие в своей массе минимум серы, азота,кислорода, но максимум водорода. Угли подготавливают; дробят, измельчают,обогащают и сушат. Тонко измельченный угольный порошок смешивают с тяжелыммаслом. Полученную массу нагревают в автоклавах под давлением в присутствииводорода и катализатора. В этих условиях уголь насыщается водородом —гидрогенизуется. Одновременно с гидрогенизацией происходит расщепление(деструкция) больших молекул, составляющих уголь, в смесь жидких и газообразныхвеществ с меньшим молекулярным весом. В результате образуются углеводороды (Сn Нm), аналогичные молекулам веществ,составляющих нефть. В зависимости от степени гидрирования можно получитьбензин, керосин, дизельное топливо и другие вещества.
3. Переработка нефти
Нефть —основа энергетики и ряда отраслей промышленности. Добытую нефть направляют втрапы и сепараторы. Здесь от нее отделяют попутный газ (дегазация) и подают егона отбензинивание. Пары бензина и газа выделяют либо путем сжатия газа япоследующего охлаждения, при котором бензин переходит в жидкое состояние, либо,пропуская газ через специальные поглотители (соляровое масло), из которыхбензин затем отгоняют. Отбензяненный сухой газ направляют на компрессорнуюстанцию для последующего использования. После дегазации нефть подают в мерники,где ее освобождают от взвешенных частиц (песка, глины и др.), а затем замеряют.Помимо песка и глины нефть содержитводу и соли. Поэтому ее подвергают дальнейшей обработке, обезвоживанию иобессоливанию.
Переработкунефти, в зависимости от качества используемого сырья и характера производимыхпродуктов, осуществляют разными методами. Все методы нефтепереработки можноразделить на два вида: физические и химические. К первым относится перегонка,ко вторым — крекинг, пиролиз и др.
Перегонка представляет собой процесс разделения нефти как сложной жидкостина отдельные фракции (части). В основе такого процесса лежит метод раздельнойконденсации паров веществ, составляющих нефть. Обычно перегонка производится вдве стадии. Вначале из нефти под атмосферным давлением выделяют моторноетопливо, получая в остатке мазут, а затем под вакуумом мазут перерабатывают.
Перегонканефти производится на атмосферных или атмосферно-вакуумных установках,состоящих их трубчатой печи 1, ректификационной колонны 2, теплообменников 3,насосов и других аппаратов.
Трубчатаяпечь 1 — это устройство, внутри которого помещена система стальных труб,обогреваемых теплом сжигаемого горючего газа или мазута. Ректификационная'колонна 2 представляет собой вертикальный стальной цилиндр высотой до 40 м разделенный внутри горизонтальными перегородками (барботажными тарелками) на отделения.
Пройдя рядтеплообменников, нефть попадает в змеевики трубчатой печи, где нагревается до320 «С. При этом наиболее легкие углеводороды нефти закипают, переходя вгазообразное состояние. Смесь жидкости и паров попадает в нижнюю частьректификационной колонны и здесь разделяется. Пары устремляются вверх, проходя.Через отверстия в тарелках, а жидкая, неиспарившаяся часть нефти (мазут)стекает вниз.
Выделенныеиз нефти при перегонке вещества (дистилляты) являются полупродуктами. Чтобыполучить товарные нефтепродукты, дистилляты очищают и, если необходимо,вторично ректифицируют. Например, бензиновый дистиллят при разгонке даетразличные марки автомобильного и авиационного бензина, уайт-спирита (лаковыйбензин) и другие продукты.
/>
4. Крекинг и пиролиз нефти
В настоящеевремя в нефтеперерабатывающей промышленности вое большее значение приобретаютхимические процессы. Они позволяют резко увеличить выход целевых продуктов и улучшить их качество.
При перегонкенефти выход бензина составляет в среднем 10-25% веса взятого сырья. Такоеколичество бензина не может покрыть возрастающий спрос народного хозяйства наэтот вид топлива. Увеличение производства бензина (как и других видов моторноготоплива) достигается применением крекинга. Он представляет собойхимико-термический процесс расщепления молекул тяжелых углеводородов, врезультате которого образуется смесь веществ меньшего молекулярного веса.
Крекингуподвергают различные нефтепродукты, преследуя разные цели, но его главнаязадача — получение бензина, выход которого при этом может достигнуть 70% весавзятого сырья.
Существуетдва вида крекинга: термический и каталитический.
Термическийкрекинг осуществляют при высокой температуре изначительном давлении. В таких условиях молекулы тяжелых углеводородоврасщепляются легче.
Установкатермического крекинга включает трубчатую печь для нагрева сырья, испарители,ректификационную колонну, газосепараторы.
Особойразновидностью крекинга является пиролиз. Он проводится при температуре 700-720С и атмосферном давлении. Исходным материалом для этого процесса служат легкиефракции: нефтелигроин и керосин. Цель пиролиза — получение газа и ароматическихуглеводородов.
Каталитическийкрекинг — более совершенный процесс крекингования,осуществляемый с применением катализатора. Наличие последнего ускоряетразложение высокомолекулярных углеводородов, позволяет вести процесс при болеенизкой температуре и давлении близком к атмосферному. Таким способом обычнополучают авиационный бензин, выход которого достигает 70% веса взятого сырья.Исходным материалом для каталитического крекинга служит преимущественнокеросиновый и соляровый дистиллят.
Продуктыпереработки нефти. При переработке нефтиполучают большое количество разнообразных продуктов. Их можно разделить на триобширные группы: горючие, смазочные и прочие. К первой группе относитсямоторное, реактивное и котельное топливо, ко второй — смазочные масла иразнообразные консистентные смазки, а к третьей — битумы, нефтяные кислоты и их производные,ароматические углеводороды, парафины, вазелин, церезин и др.
5. Газообразное топливо и его переработка
Газообразноетопливо имеет значительные преимущества по сравнению с твердым топливом.
Газообразноетопливо находит широкое применение в промышленности» в быту, в автотранспорте,химической промышленности.
К газовомутопливу относят природные, нефтяные (попутные) газы, а также промышленные,получаемые при переработке топлива. Промышленными являются крекинг-газ,коксовый, полукоксовый, генераторный. При химической переработке газпредварительно разделяют на составляющие компоненты или узкие фракции. Составпри — родных и попутных газов весьма разнообразен. Они. содержат метан, этан,пропан, бутан и небольшое количество азота. В газах нефтепереработки содержитсяэтилен, пропилен, бутилен. В генераторных газах находится окись углерода иводорода. Вещества, содержащиеся в этих газах, являются сырьем для полученияудобрений, пластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, растворителей,моющих средств и т. д. Чтобы получить эти продукты, газы необходимопереработать.
Методыпереработки можно разделить на три группы.
Прямоеиспользование веществ, входящих в состав газа; присоединением 1$ ним кислорода(окисление), хлора (хлорирование), воды (гидрирования), присоединением к молекуламгрупп СН, СnНm, (алкирование), изменением структуры молекул (изомеризация),соединением многих простых молекул в сложные (полимеризация).
Крекингуглеводородов, входящих в состав газов для получения непредельныхуглеводородов.
Конверсия —взаимодействие с водяными парами для получения окиси углерода и водорода.
Врезультате этих процессов из газов можно получать самые разнообразные продукты.Следует отметить большой экономический эффект использования газов.
Сейчасболее половины потребляемого газа расходуется промышленностью» с егоприменением производятся все основные промышленные продукты — чугун, сталь,прокат, цветные металлы, штамповки для машиностроения, минеральные удобрения.Наиболее эффективно применение газа в качестве химического сырья.