Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

15.7: Природний газ і нафта

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    20396

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання
    • Опишіть природу та переробку природного газу, нафти та бензину.
    • Перерахуйте різні альтернативні види палива.

    Сира нафта часто зустрічається у водоймах разом з природним газом. У минулому природний газ або спалювався, або дозволяв піти в атмосферу. Зараз розроблена технологія уловлювання природного газу і або повторного введення його в свердловину, або стиснення його в рідкий природний газ (СПГ).

    Природний газ

    Природний газ переважно складається з метану (CH 4). Деякі гази, які утворюються разом з метаном, такі як бутан і пропан (побічні продукти), відокремлюються і очищаються на газопереробному заводі. Побічні продукти, після видалення, використовуються різними способами. Наприклад, пропан можна використовувати для приготування їжі на газових грилі. Природний газ, виведений зі свердловини, може містити рідкі вуглеводні і невуглеводневі гази. Це називається «мокрим» природним газом. Природний газ відокремлюють від цих компонентів поблизу ділянки свердловини або на переробному заводі. Газ потім вважається «сухим» і направляється по трубопроводах до місцевої дистриб'юторської компанії, і, в кінцевому рахунку, до споживача.

    Велика частина природного газу, споживаного в США, видобувається в США. Деякі імпортуються з Канади і відправляються в США трубопроводами. Невелика кількість природного газу відвантажується до США у вигляді СПГ.

    Фраккінг для газу

    Звичайний природний газ знаходиться в проникних резервуарах, як правило, складаються з пісковика або вапняку, де видобуток є відносно простим, оскільки газ, як правило, протікає вільно. Нетрадиційний газ міститься в гірських породах з вкрай низькою проникністю, що значно ускладнює його видобуток. Такий газ видобувається за допомогою так званих «нетрадиційних» методів, таких як гідравлічний розрив пласта (фрекінг), який використовується з кінця 1940-х років. В останні десятиліття технологія фрекінгу значно покращилася, і її використання було розширено. Процес фрекінгу для газу дуже схожий на процес фрекінгу для нафти, і вплив на навколишнє середовище також аналогічний.

    Нафта

    Нафта нафти в даний час є найбільш широко використовуваним викопним паливом і становить близько третини світового споживання енергії. На відміну від вугілля, який в основному використовується як паливо для виробництва електроенергії, нафта в основному використовується як паливо для транспортування. Нафта також використовується для виробництва пластмас та інших синтетичних сполук, всюдисущих у нашому повсякденному житті. Сира (необроблена) олія сильно відрізняється за зовнішнім виглядом в залежності від його складу. Зазвичай він чорний або темно-коричневий (хоча може бути жовтуватим, червонуватим або навіть зеленуватим). У резервуарі він зазвичай зустрічається у зв'язку з природним газом, який легше утворює газовий ковпачок над нафтою.

    Нафта складається з вуглеводнів, які є молекулами, що містять водень та вуглець різної довжини та структури, від прямих ланцюгів до розгалужених ланцюгів до кілець. Вуглеводні містять багато енергії, і багато речей, отриманих з сирої нафти, таких як бензин, дизельне паливо, парафін і так далі користуються цією енергією.

    Видобуток

    Нафта в основному отримують шляхом буріння або на суші (на суші), або в океані (на шельфі). Раннє морське буріння, як правило, обмежувалося районами, де вода була глибиною менше 300 футів. Бурові установки для нафти та природного газу тепер працюють у воді глибиною до двох миль. Морські виробники нафти зобов'язані вживати запобіжних заходів, щоб запобігти забрудненню, розливам та значним змінам океанічного середовища. Офшорні установки призначені для протистояння ураганам. Офшорне видобуток коштує набагато дорожче, ніж наземне видобуток. Коли морські нафтові свердловини вже недостатньо продуктивні, щоб бути економічними, вони герметизуються та покидаються відповідно до чинних норм.

    Переробка та переробка

    При видобутку сира нафта складається з багатьох видів вуглеводнів, а також деяких небажаних речовин, таких як сірка, азот, кисень, розчинені метали та вода, змішані разом. Таким чином, необроблена сира нафта, як правило, не корисна в промислових цілях і повинна бути спочатку розділена на різні корисні продукти на нафтопереробному заводі (рис.\(\PageIndex{1}\)). Всі НПЗ виконують три основні етапи: сепарацію, конверсію та обробку при переробці та переробці сирої нафти.

    Знімок екрана (44) .png
    \(\PageIndex{1}\)Малюнок Нафтопереробний завод корпорації Tesoro в Анакортесі, штат Вашингтон. Фото Вальтера Зігмунда. Вікімедіа.org/Вікіпедія nery_31904.JPG

    Під час сепарації різні продукти (вуглеводні) розділяються на різні компоненти (звані фракціями), використовуючи переваги різниці в температурі кипіння компонентів. Цей процес називається фракційної дистиляцією і включає в себе нагрівання сирої сировини, даючи йому випаровуватися, а потім конденсацію пари. Найлегші компоненти мають найнижчу температуру кипіння і піднімаються наверх, тоді як найважчі, які також мають найвищу температуру кипіння, залишаються внизу.

    Конверсія - це хімічна обробка, при якій частина фракцій перетворюється в інші продукти, наприклад, НПЗ може перетворювати дизельне паливо в бензин в залежності від попиту на бензин. Перетворення може включати розрив більших вуглеводневих ланцюгів на менші (розтріскування), об'єднання менших ланцюгів у більші (уніфікація) або перестановку молекул на створені бажані продукти (зміна).

    Обробка проводиться для фракцій для видалення домішок, таких як сірка, азот та вода серед інших. Нафтопереробні заводи також об'єднують різні фракції (оброблені та необроблені) в суміші для отримання бажаної продукції. Наприклад, різні суміші вуглеводневих ланцюгів можуть створювати бензини з різним октановим числом, з присадками і без них, мастила різної ваги і марок (наприклад, WD-40, 10W-40, 5W-30 і т.д.), мазут і багато інших. Продукти зберігаються на місці, поки вони не можуть бути доставлені на різні ринки, такі як АЗС, аеропорти та хімічні заводи.

    The 42 американський галон бареля сирої нафти дає близько 45 галонів нафтопродуктів через збільшення переробки НПЗ. Це збільшення обсягу схоже на те, що відбувається з попкорном, коли він вискакує. Бензин становить найбільшу частку всіх отриманих нафтопродуктів (рис.\(\PageIndex{2}\)). Інші продукти включають дизельне паливо та мазут, реактивне паливо, нафтохімічну сировину, воски, мастила та асфальт.

    Знімок екрана (45) .png
    Малюнок\(\PageIndex{2}\) Основні продукти (вимірюються в галонів), виготовлені з бареля сирої нафти, 2013. Джерело: Адміністрація енергетичної інформації США http://www.eia.gov/energyexplained/i...? сторінка=олія_головна

    Фраккінг для нафти

    Гідравлічний розрив пласта, неофіційно називають «фрекінгом», - це процес розробки нафтових свердловин, який зазвичай включає впорскування води, піску та хімічних речовин під високим тиском у пласт основи через свердловину. Цей процес призначений для створення нових тріщин у породі, а також збільшення розміру, протяжності та зв'язності існуючих тріщин. Гідравлічний розрив пласта - це метод стимуляції свердловин, який зазвичай використовується в гірських породах з низькою проникністю, таких як щільний піщаник, сланці та деякі вугільні пласти для збільшення потоку нафти в свердловину з нафтоносних гірських утворень.

    Існують побоювання щодо потенційного забруднення ресурсів свіжих підземних вод з видобувних свердловин нафти та газу, які використовують гідравлічний розрив; або від видобутого нафтового ресурсу, або від хімічних речовин, що вводяться в процес розриву пласта. Зворотний потік рідини - рідина, що відкачується зі свердловини і відокремлена від нафти і газу - не тільки містить хімічні добавки, використовувані в процесі буріння, але також містить важкі метали, радіоактивні матеріали, летючі органічні сполуки (ЛОС) та небезпечні забруднювачі повітря, такі як бензол, толуол, етилбензол і ксилол. У деяких випадках ця забруднена вода направляється на водоочисні споруди, які не обладнані для боротьби з деякими з цих класів забруднення.

    Бензин

    Нафта перетворюється на корисні продукти, такі як бензин, у три етапи: дистиляція, крекінг та риформінг. Частина (а) на малюнку\ (\ pageIndex {3}\ показує розрізний малюнок колони, що використовується в нафтовій промисловості для поділу компонентів сирої нафти. Нафта нагрівається приблизно до 400° C (750° F), при якій температурі вона перетворилася на суміш рідини та пари. Ця суміш, звана вихідною сировиною, вводиться в рафінаційну вежу. Найбільш летючі компоненти (ті, у яких найнижча температура кипіння) конденсуються у верхній частині колонки, де вона холодніша, тоді як менш летючі компоненти конденсуються ближче до нижньої частини. Деякі матеріали настільки енергонезалежні, що збираються на дні, зовсім не випаровуючись. При цьому склад рідини, що конденсується на кожному рівні, різний. Ці різні фракції, кожна з яких зазвичай складається з суміші сполук з подібними числами атомів вуглецю, відтягуються окремо. Частина (b) Рисунок\ (\ pageIndex {3}\ показує типові фракції, зібрані на нафтопереробних заводах, кількість атомів вуглецю, які вони містять, температури кипіння та їх кінцеве використання. Ці продукти варіюються від газів, що використовуються в природному і бутильованому газі, до рідин, що використовуються в паливно-мастильних матеріалах, до клейких твердих речовин, що використовуються в якості смоли на дорогах

    \(\PageIndex{3}\)Малюнок Дистиляція нафти. (а) Це схема ректифікаційної колони, яка використовується для поділу нафтових фракцій. (b) Фракції нафти конденсуються при різних температурах, залежно від кількості атомів вуглецю в молекулах, і витягуються з колони. Найбільш летючі компоненти (ті, у яких найнижча температура кипіння) конденсуються у верхній частині колони, а найменш летючі (ті, у яких найвища температура кипіння) конденсуються внизу.

    Октанові рейтинги бензинів

    Про якість палива вказує його октановий показник, який є мірою його здатності горіти в двигуні внутрішнього згоряння без стуку або стуку. Стук і стукіт сигналізують про передчасне згоряння (рис.\(\PageIndex{4}\)), яке може бути викликано або несправністю двигуна, або паливом, яке згорає занадто швидко. У будь-якому випадку бензиново-повітряна суміш детонує не в тій точці циклу двигуна, що знижує вихідну потужність і може пошкодити клапани, поршні, підшипники та інші компоненти двигуна. Різні склади бензину призначені для того, щоб забезпечити суміш вуглеводнів, найменш імовірно, викликати стук або пінг у заданому типі двигуна, що працює на певному рівні.

    \(\PageIndex{4}\)Малюнок Спалювання бензину в двигуні внутрішнього згоряння. (а) Зазвичай паливо запалюється свічкою запалювання, і горіння поширюється рівномірно назовні. (b) Бензин з занадто низьким для двигуна октановим числом може запалюватися передчасно, що призводить до нерівномірного горіння, що викликає стук і стук.

    Октанова шкала була встановлена в 1927 році за допомогою стандартного тестового двигуна і двох чистих з'єднань: n-гептанового і ізооктанового (2,2,4-триметилпентана). n-гептану, що викликає великий стук при горінні, був присвоєний октановий рейтинг 0, тоді як ізооктановому, дуже плавного горіння палива, був призначений октановий рейтинг 100. Хіміки присвоюють октанові показники різним сумішам бензину шляхом спалювання проби кожного в випробувальному двигуні і порівняння спостережуваного стуку з величиною стуку, викликаного специфічними сумішами н-гептану і ізооктану. Наприклад, октановий рейтинг суміші 89% ізооктану та 11% н-гептану - це просто середнє значення октанових оцінок компонентів, зважених відносними кількостями кожного в суміші. Перевівши відсотки в десяткові числа, отримаємо октановий рейтинг суміші:

    \[0.89(100) + 0.11(0) = 89 \tag{3.8.1} \]

    Як наведено в таблиці\ (\ pageIndex {1}\, багато сполук, які зараз доступні, мають октанові показники більше 100, а це означає, що вони є кращим паливом, ніж чистий ізооктан. Крім того, розроблені антидетонаційні засоби, також звані октановими підсилювачами. Одним з найбільш широко використовуваних протягом багатьох років був тетраетилсвинець [(C 2 H 5) 4 Pb], який при приблизно 3 г/гал дає 10-15-бальне збільшення октанового числа. Однак з 1975 року сполуки свинцю були припинені як добавки до бензину, оскільки вони є високотоксичними. Інші підсилювачі, такі як метил-т-бутиловий ефір (MTBE), були розроблені, щоб зайняти їх місце. Вони поєднують в собі високий октановий показник з мінімальною корозією деталей двигуна і паливної системи. На жаль, коли бензин, що містить MTBE, витікає з підземних резервуарів для зберігання, результатом стало забруднення підземних вод у деяких місцях, що призвело до обмежень або відвертих заборон на використання МТБЕ в певних районах. В результаті збільшується використання альтернативних підсилювачів октану, таких як етанол, який можна отримати з відновлюваних ресурсів, таких як кукурудза, цукрова тростина та, врешті-решт, кукурудзяні стебла та трави.

    \(\PageIndex{1}\)Таблиця Октанові рейтинги деяких вуглеводнів та загальних добавок.

    Альтернативні види палива

    Альтернативні засоби силових транспортних засобів є гарячою темою в хімії навколишнього середовища. Гібридні транспортні засоби, етанол, біодизель (рис.\(\PageIndex{5}\)), природний газ та водневі паливні елементи - це всі варіанти живлення транспортних засобів, які зменшують вплив парникових газів на навколишнє середовище на навколишнє середовище. Основною проблемою цих альтернативних видів палива є їх ефективність проти вартості порівняно з викопним паливом. У таблиці\(\PageIndex{2}\) наведено хімічну структуру для декількох видів палива, а також енергетичність кожного.

    Малюнок\(\PageIndex{5}\) Біопаливна станція (SECO)
    Таблиця\(\PageIndex{2}\) енергетичного вмісту палива*.
      Бензин № 2 Дизель Біодизель Етанол Водень Зріджений природний газ (СПГ) Скраплений вуглеводневий газ
    Хімічна структура Від С4 до С12 Від С8 до С25 Метилові ефіри жирних кислот від С12 до С22 СН 3 СН 2 ОН Н 2 СН 4 C 3 H 8 (більшість) і C4H10 (меншість)
    Вміст енергії (вища теплова цінність) 124 340 БТЕ/гал (г) 137,380 БТЕ/гал (г) 127 960 БТЕ/гал для В100 (г) 84 530 БТЕ/гал для Е100 (г) 61 013 БТЕ/фунт (г) 84 820 BTU/гал (г) 91,410 БТЕ/гал (г
    Енергія, що міститься в різних альтернативних видах палива порівняно з галоном бензину 100% 113% 103% 77% 100% 64% 73%

    *Таблиця створена за адресою: http://www.afdc.energy.gov/afdc/fuels/properties.html

    Етанол

    Етанол може використовуватися в різних відсотках класів транспортними засобами. Газохол - це 10% етанолу, виробляє менше викидів вуглецю, ніж типовий бензин, але трохи зменшує милі на галон (MPG) автомобіля. E85 - це до 85% етанолу, може бути менш дорогим залежно від того, де ви живете, але знижує MPG до 30% порівняно з типовим бензином. Давайте подивимося на зміну ентальпії зв'язку для спалювання викопного палива проти спалювання E85, щоб зрозуміти падіння MPG.

    Резюме

    • Обговорювалися питання видобутку та переробки природного газу (переважно метану) та нафти.
    • Нафта перетворюється на корисні продукти, такі як бензин шляхом дистиляції, крекінгу та риформінгу.
    • Альтернативні засоби для живлення транспортних засобів та зменшення впливу парникових газів у навколишньому середовищі включають гібридні транспортні засоби, етанол, біодизель, природний газ та водневі паливні елементи.

    Автори та атрибуція