Почему природные источники углеводородов представляют большой интерес для различных профессий

Обновлено: 30.06.2024

Углерод — один из самых распространенных в природе химических элементов. Легче всего он образует разные вариации, соединяясь с атомами водорода. На базе этих двух составляющих и получаются углеводороды.

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:

Ациклические (алифатические) — соединения, в которых молекулы формируют незамкнутые прямые или разветвленные цепи.
Циклические (карбоциклические) — класс, отличающийся кольцевым строением атомов углерода.

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

Основным компонентом этого природного ресурса является метан. В незначительном количестве содержит этан, пропан, бутан, а также азот, углекислый газ и сероводород. Без углеводородов не было бы и природного газа. Его залежи образовываются в донных отложениях при анаэробном разложении останков животного и растительного происхождения. Соединение накапливающейся органики с молекулами водорода в глубоких слоях пород под воздействием повышенного давления приводило к аккумулированию углеводородов.

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:

физико-энергетическая переработка;
термохимическая;
химико-каталитическая.

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:

Карьерный (разрезной) — открытая добыча.
Шахтный — подземная добыча.
Гидравлический способ — с помощью гидравлического комбайна.

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.

Благодаря кроссвордам или докладам школьников легко можно назвать, какие главные природные источники углеводородов вам известны. Добываемые вещества являются сложными органическими соединениями, состоящими из атомов углерода, водорода и примесей. Благодаря своей химической структуре, они содержат в себе большое количество энергии, используемой человечеством.

Основные источники недр земли

Природный источник	Краткое описание
Природный газ	Смесь, основным компонентом которой является метан.
Попутный нефтяной газ	Углеводородная цепь, состоящая из атомов углерода.
Нефть	Многокомпонентная смесь углеводородов.
Каменный уголь	Смесь, состоящая из углерода, водорода и примесей.
Горючие сланцы	Твердая осадочная порода.
Торф	Рыхлая осадочная порода.

Некоторые природные углеводороды используются сразу после их нахождения. Другие подвергаются предварительной переработке.

Природный газ и его преимущества

Присутствующие в природном газе углеводороды имеют низкую молекулярную массу. Количество метана в общем объеме газообразного вещества содержится в пределах 80−97%. Если перечислить все остальные компоненты, список будет следующий:

К преимуществу такого вида топлива относится его высокая калорийность. По этому показателю он превосходит даже нефть. Среди других преимуществ газа следует отметить его легкую транспортировку и высокую экономичность.

Сферы использования вещества:

Топливо для промышленности и частного использования.
Сырье для химической отрасли.
Производство уксусной кислоты, пластмассы, красителей.
Изготовления медикаментов.

Если в веществе присутствует большое количество метана, такой газ называется бедным или тощим. При наличии увеличенного процента тяжелых углеводородов — носит название жирного.

Попутное нефтяное топливо

Попутный нефтяной газ содержится в нефти. Здесь углеводороды находятся в растворенном виде. При этом содержание метана в нем небольшое. Больше наблюдается присутствие бутана и пропана. Основная масса добычи такого газа приходится на Россию и США. Наибольший его источник находится в Новом Уренгое.

При вскрытии нефтяных месторождений растворенный газ содержится в верхней части. Он формирует на поверхности пласта нефти шапку, которая начинает фонтанировать при вскрытии земляного покрова. Нефтяной газ является ценным продуктом. Использоваться он может только в переработанном виде, поскольку содержит в себе много пыли и грунта.

Очищенное сырье нашло применение в химической и фармацевтической промышленности. Кроме того, оно является ценным топливом.

Важное полезное ископаемое нефть

На вид она представляет собой маслянистую жидкость, имеющую своеобразный запах. Углеводородная смесь легко возгорается, имеет цвета разных оттенков. Среди них есть светлые, черные и тёмно-коричневые. В состав нефти входят различные примеси:

азотосодержащие;
серосодержащие;
кислородосодержащие.

Кроме того, присутствуют ароматические углеводороды. Разнообразие примесей влияет на цвет и запах нефти.

Каменный уголь

Этот топливно-энергетический ресурс занимает второе место по значимости после нефти. Добыча его ведется в каменноугольных бассейнах. Такой углеводородный состав образовался под землей за многие миллионы лет. Формирование его происходило за счет сдавливания остатков древесных пород при высокой температуре и без присутствия кислорода.

Каменный уголь является доступным сырьем для многих отраслей промышленности. В первую очередь это касается производства электрической энергии. На основании проведенных расчетов имеется информация, что ресурсы недр земли содержат большое количество таких углеводородов. Их при современной добыче должно хватить на 270 лет.

Горючие сланцы

По своей структуре горючие сланцы — это осадочная порода, сформированная из органических и минеральных составляющих. В разрезе углеводородное топливо имеет многослойное строение. Вещество под внешним воздействием распадается на тонкие пластины. Горючие сланцы бывают черного, оливкового, серого, желтого и коричневого цвета.

Месторождения с горючими сланцами разрабатываются на небольшую глубину до 80- 200 метров. При этом углеводородов, содержащихся в форме сланцев, значительно больше чем нефти. Однако стоимость их переработки высокая. По этой причине горючие сланцы пока еще являются альтернативным источником энергии.

Рыхлая порода торф

Углеводороды в виде рыхлой породы встречаются на болотах. Образуются они в результате гниения растительности. Мягкая масса под названием торф имеет разные цвета. В ней часто встречаются неперегнившие составляющие в виде остатков древесины. Присутствуют корни деревьев, кустарников или мхов.

Добыча торфа не сопровождается особыми сложностями. Располагается он на поверхности земли или в глубине нескольких десятков метров. Под воздействием давления при глубоком залегании торф превращается в бурый уголь.

Торф по своей природе состоит из минеральных и органических составляющих. В процентном содержании они распределяются поровну. Присутствие минеральных компонентов формируют такое понятие, как зольность топлива. Органика представлена перегноем или гумусом. Отличительной особенностью торфа является высокая степень его влажности. Она составляет до 95%.

Поскольку нефть представляет собой многокомпонентную смесь, ее подвергают процессу переработки. Осуществляется это путем ее нагревания. Более летучие составляющие выпариваются первыми. Затем подходит очередь для компонентов с увеличенной температурой кипения. При этом происходит разделение нефти на фракции:

ректификационные газы;
бензиновую;
лигроиновую;
керосиновую;
дизельную;
мазут.

Эта стадия называется первичной. Получаемое топливо еще не отвечает нужным стандартам качества. Для этой цели проводится вторичная переработка нефтепродуктов. Называется она крекингом. После ее окончания качество выходящих фракций значительно повышается. В первую очередь это касается бензина и дизельного топлива.

Процесс коксования

Переработке подвергается и каменный уголь. Этот процесс называется коксованием. Сопровождается он выделением 4 фракций:

Кокса. Представляет собой чистый углерод. Имеет твердую структуру.
Каменноугольная смола. Фракция содержит множество ароматических компонентов. В нее входит бензол, нафталин, фенол.
Аммиачная вода. Аммиак с водой являются основными составляющими фракции. Кроме них, присутствуют сероводород, фенол и ряд других компонентов.
Коксовый газ. Сюда входят метан, водород, углекислый газ.

Из всех добываемых углеводородов только торф является возобновляемым источником. Все остальные ресурсы постепенно исчерпываются. Связано это с тем, что на их образование требуются многие миллионы лет, поэтому использование природных залежей должно быть рациональным.

Переработка углеводородного сырья - важный элемент хозяйственной деятельности развитого государства. В настоящее время вопросы, касающиеся минерально-сырьевого потенциала, являются особенно актуальными. От успехов в данной области напрямую зависит положение государства на мировой политической арене, стабильность его экономики, уровень жизни населения.

Прогнозы, разведка

Углеводородное сырье — это природный газ, нефть, включая попутный (нефтяной) газ. Доходы, получаемые от реализации сырья, идут на развитие социальных отраслей. По оценкам экспертов, объемы природных углеводородов постепенно исчерпываются. Для нефти сроки полного расходования составляют 50-100 лет, а для газа - 120 лет.

Некоторые ученые считают, что есть еще неизвестные месторождения газа и нефти, а также нетрадиционные месторождения углеводородов, объемы которых настолько велики, что их будет достаточно для удовлетворения потребностей следующих поколений. Бережное использование разведанных запасов, разумное восполнение добычи новых месторождений, освоение эффективных новых технологий разведки, извлечения углеводородов из пластов, эффективное применение энергетических ресурсов - все это способствует сохранению ценных энергетических ресурсов планеты.

Современные тенденции

Анализируя углеводородное сырье, необходимо уделить внимание полезному ископаемому - нефти. Это горючее вещество представляет собой маслянистую жидкость, которая может быть прозрачной, желтой, зеленой, вишневой, коричневой.

Состав нефти

Химия углеводородного сырья представляет особый интерес. Нефть является смесью разных органических соединений с небольшим количеством азота, серы, фосфора в составе. Простейшим и самым легким углеводородом, который входит в ее состав, является метан (СН4). В зависимости от того, в каком количестве углеводороды входят в состав нефти, свойства ее могут меняться. С точки зрения химии, данное углеводородное сырье состоит из:

около 1 % кислорода;

около 1 % металлов (ванадия, никеля, железа кобальта, хрома, молибдена);

около 1 % солей (хлоридов магния, кальция, натрия).

Месторождения углеводородного сырья отличаются по глубине залегания и способам добычи. К примеру, на глубинах до 5-6 километров находится нефть и углеводородный газ, на больших глубинах можно обнаружить только газ, у поверхности — только нефть. Бо́льшая часть продуктивных пластов располагается между 1 и 6 километром, здесь газ и нефть могут встречаться в разных сочетаниях.

В горных породах нефть залегает коллекторами. Пласт-коллектором называют горную породу, которая способна в себя вмещать флюиды - особые подвижные вещества.

Происхождение нефти

Это углеводородное сырье образуется в результате длительного многостадийного процесса (от 50 до 350 млн лет). Сторонники биогенной теории убеждены в том, что нефть формируется из останков микроорганизмов, которые жили в водных бассейнах миллионы лет назад. После отмирания они образовывали слои с высокой процентной концентрацией органического вещества. В результате биохимических процессов, которые происходят без доступа кислорода, образуются углеводороды. Часть их перешла в газообразное состояние, часть стала жидкостями, а часть - твердыми соединениями.

Интересные факты

Использование углеводородного сырья уходит корнями в глубокую древность. Есть сведения о том, что больше 6500 лет назад жители территории, на которой сегодня находится Ирак, добывали цементирующий и строительный материал при возведении домов, защищая свои жилища от попадания влаги. В Древнем Египте собирали нефть с поверхности воды, применяли ее для освещения и в качестве строительного материала. Уникальное углеводородное сырье применялось для герметизации лодок и в качестве мумифицирующего вещества.

Переработка углеводородного сырья в России началась только в XV веке. Ее собирали на реке Ухта с поверхности воды и применяли не только для хозяйственных нужд, но и в качестве лекарственного средства.

Лишь в 1864 году в Кубанской области перешли к механическому бурению скважин с помощью паровой машины. Мировая нефтедобыча началась с августа 1859 года на территории США. Благодаря бурению скважин появился дешевый доступ к требуемому сырью, стала активно развиваться нефтяная отрасль.

Востребованным углеводородным сырьем являются попутный и природный газы. Они могут находиться в трех типах залежей: газонефтяных, газовых, газоконденсатных. Для газовых залежей характерно естественное подземное скопление алканов, которое не имеет прямой связи с нефтяными месторождениями. Газонефтяные залежи характеризуются одновременным присутствием нефти и газа.

Газоконденсатные виды характеризуются высоким давлением и повышенными температурами в пласте. В таких условиях углеводороды переходят в газ, при понижении давления идет обратная конденсация.

Природные газы в большей части состоят из метана. Также в их составе есть пропан, этан, бутан, несущественное количество пентана и иных компонентов: азота, углекислого газа, инертных газов, сероводорода. На долю природного газа приходится 99,3 % метана, а гомологи составляют не больше 5 %.

Попутный газ — это газ, который растворен в нефти либо выделяется из нее в процессе добычи. По выходу из скважины нефть и попутный газ проходят через газогенераторы, здесь и начинается их разделение. Именно попутный газ является ценнейшим сырьем для нефтехимического промышленного синтеза.

Области применения

Среди основных областей использования углеводородного сырья необходимо упомянуть применение в виде топлива. Высокая температура сгорания, экономичность применения, все это сделало газ самым востребованным видом энергетических ресурсов. Кроме природного и попутного газа, прекрасным углеводородным сырьем является нефть. От рациональности добычи, комплексности переработки природных ресурсов, соблюдения мер безопасности, напрямую зависит экономическая и политическая мощь государства.

Свойства углеводородов различаются в зависимости от их строения.

Поэтому их классифицируют по структуре:

Аналогично карбоциклические углеводороды также делятся на 2 подгруппы: алициклические (циклоалканы, циклоалкены, циклоалкины) и ароматические (арены).

Практическое применение

Нефть

Качество получаемых на этой стадии продуктов требует доработки, поэтому необходим и завершающий этап производства.

Примером может служить повышение октанового числа бензина.

Природный газ

физико-энергетическая переработка;
термохимическая;
химико-каталитическая.

В основном продукты переработки природного газа используют как топливо.

Каменный уголь

Нашедший наиболее широкое применение вид ископаемого угля.

Неорганические примеси также присутствуют.

Наиболее качественный уголь получают из шахт, но вместе с тем это самый трудоемкий, дорогой и небезопасный способ добычи.

Способы переработки угля

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.

Читайте также: