СИНТЕТИЧЕСКИЙ БЕНЗИН | Наука и жизнь
Без нефтяного моторного топлива — бензина, керосина, дизельного топлива — современную цивилизацию представить себе просто невозможно. На нем работают двигатели автомобилей, самолетов, ракет. Однако запасы нефти в недрах земли ограничены, и совсем скоро человечество столкнется со всеобщей нехваткой бензина. Но впадать в отчаяние рано: закат нефтяной эры вовсе не означает гибель современной цивилизации. Альтернатива нефтяным моторным топливам есть: ученые разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья. Об этом шла речь в докладе вице-президента РАН, директора Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН академика Николая Альфредовича Платэ «Некоторые аспекты создания экологически чистых топлив XXI века», с которым он выступил в июле текущего года на Первом московском международном химическом саммите. Саммит организован Российским союзом химиков, компанией «RCC Group» и Российским союзом промышленников и предпринимателей и был посвящен проблемам и перспективам развития химической и нефтехимической промышленности.
Генератор получения синтез-газа из природного газа, построенный в Институте высоких температур РАН совместно с Институтом нефтехимического синтеза РАН.
Генератор синтез-газа.
Вице-президент РАН, директор Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН академик Николай Альфредович Платэ в дни работы Первого московского международного химического саммита.
Смесь окиси углерода и водорода (синтез-газ), из которого в промышленности синтезируют топливные углеводороды, можно получить пропусканием водяного пара через раскаленный кокс (газификация угля) и конверсией природного газа — метана.
Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья.
Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ).
Схема химического реактора для получения синтез-газа при горении смеси метана и воздуха при высоких температурах. Подобные реакторы конструируются по принципу ракетного двигателя.
‹
›
Открыть в полном размере
Промышленная добыча нефти началась более 150 лет назад.
За прошедшие с тех пор полтора века человечество уже израсходовало более половины нефтяных запасов. Вначале нефть использовалась в качестве источника тепловой энергии, теперь это стало экономически невыгодно. С наступлением автомобильной эры продукты фракционирования нефти в основном применяются в качестве моторного топлива. К 2010 году запасы нефтяных месторождений в значительной степени истощатся, соответственно возрастет стоимость добычи нефти и мир вплотную столкнется с проблемой использования альтернативных (ненефтяных) источников получения бензина и других видов топлива.
По своему химическому составу нефть — смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин — легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5-9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10-16 атомами углерода.
Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов, так называемого биогаза.Интересно, что во время Второй мировой войны синтетическое топливо, полученное из угля, практически полностью покрывало потребности немецкой авиации. Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области химии переживают свое «второе рождение».
Качественного природного угля на планете осталось не так уж много. Внимание ученых привлек природный и попутный газ, огромное количество которого при нефтедобыче просто уходит в атмосферу.
Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снизит объем капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.
Существующие технологии позволяют перерабатывать природный газ в высококачественные бензин и дизельное топливо через стадию образования метанола. Производство по такой схеме довольно удобно, поскольку все реакции протекают в одном реакторе. Но эта цепочка химических превращений требует больших затрат энергии. В результате полученный синтетический бензин в 1,8-2,0 раза дороже «нефтяного».
Российские ученые из московского Института нефтехимического синтеза РАН разработали более рентабельную схему. Они предлагают получать синтетический бензин не через стадию образования метанола, а из другого промежуточного вещества — диметилового эфира (ДМЭ).
В присутствии специально разработанных катализаторов ДМЭ превращается в очень неплохой бензин с октановым числом 92. Вредных примесей в нем меньше, чем в нефтяном топливе. Такой синтетический бензин вполне конкурентоспособен даже на европейском рынке. Новый способ получения синтетического топлива намного экономичнее и эффективнее классического «метанольного».
Чем выше температура реакции превращения метана в синтез-газ, тем выше производительность реактора. Обычные технологии не могут справиться с задачей проведения реакции при высоких температурах. Тут на помощь приходят ракетные технологии. Наиболее перспективной разработкой последних лет можно назвать новый высокотемпературный генератор синтез-газа, созданный при участии Института нефтехимического синтеза РАН в Приморске на опытном полигоне ракетно-космической корпорации «Энергия».
Моторные топлива, полученные из природного газа, не дороже продуктов переработки нефти, а по качеству даже их превосходят. Так что после окончательного истощения нефтяных месторождений «пробки» на дорогах не уменьшатся.
Иллюстрация «Генератор синтез-газа».
Генератор синтез-газа для окисления природного газа при высоких температурах, построенный на опытном полигоне ракетно-космической корпорации «Энергия» в Приморске при участии Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН по технологии, используемой при строительстве ракетных двигателей.
Иллюстрация «Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья».
Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья: угля, биомассы, биогаза и природного газа.
Схемы переработки сырья близки: на первой стадии происходит превращение в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода), затем синтез-газ перерабатывают в метанол (традиционная схема) или в диметиловый эфир (ДМЭ) (схема, разработанная в Институте нефтехимического синтеза РАН), которые превращаются в моторное топливо (бензин, дизельное топливо).
Иллюстрация «Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ)».
Синтетический бензин, полученный по традиционной схеме промышленной переработки природного газа в топливные углеводороды через стадию образования метанола, в два раза дороже «нефтяного». Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ), разработанный в Институте нефтехимического синтеза РАН, намного эффективнее и экономичнее традиционной «метанольной» схемы производства синтетических моторных топлив.
Удельная теплота сгорания — формула и обозначения
Погреться у батареи зимой и заварить чаёк не получилось бы, если бы человечество не научилось использовать энергию.
А рождается эта энергия благодаря сгоранию топлива.
Виды топлива
Человеку очень нужно тепло для всех процессов жизнедеятельности: например, для обогрева жилища, готовки, плавления металлов и получения других видов энергии. Чтобы получать тепло и свет, человек использует топливо. Когда люди впервые добыли огонь, без топлива тоже не обошлось — им послужила древесина.
Топливо — это любое вещество, выделяющее энергию в ходе сгорания.
Существует четыре группы видов топлива:
- твердое топливо,
- жидкое топливо,
- газообразное топливо.
На самом деле есть еще четвертая группа — ядерное топливо, но в этом случае механизм получения энергии другой. О нем мы рассказали в статье про ядерный реактор.
К твердому топливу относятся:
- древесина,
- горючие сланцы,
- уголь,
- торф.
Ископаемые твердые виды топлива, кроме сланцев, являются продуктом разложения органической массы растений. Торф — самый молодой из них, он представляет собой плотную массу, которая образовалась из перегнивших болотных растений. Уже не такие молодые (скажем, средних лет 🤣) бурые угли — это темная однородная масса, которая окисляется и рассыпается на свежем воздухе. Горючие сланцы — полезные ископаемые, дающие смолу. Каменные угли — ребята с повышенной прочностью и небольшой пористостью.
Жидкое топливо — это, например, бензин или нефть. Газообразное — это смесь, содержащая в себе водород и окись углерода.
В горючей части топлива всегда есть углерод, кислород, водород, сера и азот. Кислород в соединении с углеродом или водородом уменьшает тепло, которое выделяется в процессе горения. Азот переходит в продукты сгорания, не окисляясь. Сера — вредная примесь, при сгорании которой выделяется в 4 раза меньше теплоты, чем при сгорании углерода.
Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Удельная теплота сгорания топлива
Удельная теплота сгорания определяет энергетическую ценность топлива. Эта величина фигурирует в формуле количества теплоты, выделяемого при сгорании топлива.
Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива Q = qm Q — количество теплоты [Дж] q — удельная теплота сгорания [Дж/м3] m — масса [кг] |
Удельная теплота сгорания — это табличная величина, которая показывает, какое количество энергии выделится при сгорании 1 кг топлива.
Ниже представлены таблицы с некоторыми значениями удельной теплоты сгорания.
Твердое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
Бурый уголь | 9,3 |
Древесный уголь | 29,7 |
Сухие дрова | 8,3 |
Древесные чурки | 15,0 |
Каменный уголь марки А-I | 20,5 |
Каменный уголь марки А-II | 30,3 |
Кокс | 30,3 |
Порох | 3,0 |
Торф | 15,0 |
Жидкое топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/кг |
|---|---|
Бензин, нефть | 46,0 |
Дизельное топливо | 42,0 |
Керосин | 43,0 |
Мазут | 40,0 |
Этиловый спирт | 27,0 |
Газообразное топливо
Вещество | Удельная теплота сгорания, МДж/м³ |
|---|---|
Водород | 120,8 |
Генераторный газ | 5,5 |
Коксовый газ | 16,4 |
Природный газ | 35,5 |
Светильный газ | 21,0 |
Решение задач
Задачка простая
В топке паровой машины сгорело 50 кг каменного угля, удельная теплота сгорания которого равна 30 МДж/кг.
Какое количество теплоты выделилось в этом процессе?
Решение
В условии задачи есть все необходимые данные, поэтому переводим их в СИ и подставляем в формулу.
СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевести все величины в метры, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение — килограмм с приставкой «кило».
Переводим удельную теплоту сгорания в СИ:
30 МДж/кг = 30 000 000 Дж/кг
Подставляем значения в формулу:
Q = qm = 30 000 000 50 = 1 500 000 000 = 1500 МДж
Ответ: в процессе сгорания выделилось 1500 МДж.
Задачка сложная
Сколько килограммов воды можно нагреть на спиртовке при температуре 30°С, если сжечь в ней 21 грамм спирта? КПД спиртовки равен 30%.
Удельная теплота сгорания спирта — 2,9·107 Дж/кг.
Удельная теплоемкость воды — 4200 Дж/(кг·°С).
Решение
кг
Ответ: можно нагреть 1,45 кг воды.
Попробуйте подготовку к ЕГЭ по физике онлайн с опытным преподавателем в Skysmart!
3.8: Бензин — более глубокий взгляд
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 67074
Цели
После завершения этого раздела вы сможете
- описывают общую природу нефтяных месторождений и объясняют, почему нефть является таким важным источником органических соединений.
- в общих чертах объясняет процессы, связанные с переработкой нефти.
- определяют октановое число топлива и связывают октановое число с химической структурой.
Ключевые термины
Убедитесь, что вы можете определить и использовать в контексте приведенные ниже ключевые термины.
- каталитический крекинг
- каталитический риформинг
- фракционная перегонка
- октановое число (октановое число)
Study Notes
Переработка нефти в пригодные для использования фракции является очень важным промышленным процессом. В лабораторной части этого курса у вас будет возможность сравнить этот промышленный процесс с процедурой, выполняемой в лаборатории.
Нефть
Нефть, выкачиваемая из-под земли в разных местах по всему миру, представляет собой сложную смесь нескольких тысяч органических соединений, включая алканы с прямой цепью, циклоалканы, алкены и ароматические углеводороды, содержащие от четырех до нескольких сотен атомов углерода.
Идентичность и относительное содержание компонентов варьируются в зависимости от источника. Таким образом, сырая нефть Техаса несколько отличается от сырой нефти Саудовской Аравии. Фактически, анализ нефти из разных месторождений может дать «отпечатки пальцев» каждого из них, что полезно при отслеживании источников разлитой сырой нефти. Например, сырая нефть из Техаса является «сладкой», что означает, что она содержит небольшое количество серосодержащих молекул, тогда как сырая нефть из Саудовской Аравии является «кислой», что означает, что она содержит относительно большое количество серосодержащих молекул.
Бензин
Нефть преобразуется в полезные продукты, такие как бензин, в три этапа: дистилляция, крекинг и риформинг. Напомним из главы 1, что дистилляция разделяет соединения на основе их относительной летучести, которая обычно обратно пропорциональна их температурам кипения. В части (а) на рис. 3.8.1 показан разрез колонны, используемой в нефтяной промышленности для разделения компонентов сырой нефти.
Нефть нагревается приблизительно до 400°C (750°F), при которой она становится смесью жидкости и пара. Эта смесь, называемая исходным сырьем, вводится в рафинировочную башню. Наиболее летучие компоненты (с самой низкой температурой кипения) конденсируются в верхней части колонны, где она холоднее, а менее летучие компоненты конденсируются ближе к низу. Некоторые вещества настолько нелетучи, что собираются на дне, не испаряясь вообще. Таким образом, состав жидкости, конденсирующейся на каждом уровне, различен. Эти различные фракции, каждая из которых обычно состоит из смеси соединений с одинаковым числом атомов углерода, отбираются отдельно. Часть (b) на рис. 3.8.1 показывает типичные фракции, собираемые на нефтеперерабатывающих заводах, количество содержащихся в них атомов углерода, их температуры кипения и их конечное использование. Эти продукты варьируются от газов, используемых в природном и баллонном газе, до жидкостей, используемых в горюче-смазочных материалах, до смолистых твердых веществ, используемых в качестве смолы на дорогах и крышах.
Рисунок 3.8.1: Перегонка нефти. (а) Это схема дистилляционной колонны, используемой для разделения нефтяных фракций. (b) Нефтяные фракции конденсируются при различных температурах, в зависимости от числа атомов углерода в молекулах, и удаляются из колонны. Наиболее летучие компоненты (с самой низкой температурой кипения) конденсируются в верхней части колонны, а наименее летучие (с самой высокой температурой кипения) конденсируются в нижней части.
Экономика нефтепереработки сложна. Например, потребность рынка в керосине и смазочных материалах намного ниже потребности в бензине, при этом все три фракции получают из ректификационной колонны в сопоставимых количествах. Кроме того, большинство бензинов и реактивного топлива представляют собой смеси с очень тщательно контролируемым составом, который не может изменяться, как исходное сырье. Чтобы сделать переработку нефти более прибыльной, менее летучие и низкоценные фракции должны быть преобразованы в более летучие и более ценные смеси, состав которых тщательно контролируется.
Первым процессом, используемым для осуществления этого превращения, является крекинг, при котором более крупные и тяжелые углеводороды в керосиновой и высококипящей фракциях нагреваются до температуры до 9°С.00°С. Высокотемпературные реакции вызывают разрыв углерод-углеродных связей, что превращает соединения в более легкие молекулы, подобные молекулам бензиновой фракции. Так, при крекинге алкан с прямой цепью с числом атомов углерода, соответствующим керосиновой фракции, превращается в смесь углеводородов с числом атомов углерода, соответствующим более легкой бензиновой фракции. Второй процесс, используемый для увеличения количества ценных продуктов, называется риформингом; это химическое превращение алканов с прямой цепью либо в алканы с разветвленной цепью, либо в смеси ароматических углеводородов. Использование таких металлов, как платина, вызывает необходимые химические реакции. Смеси продуктов крекинга и риформинга разделяют фракционной перегонкой.
Октановое число
Качество топлива определяется его октановым числом, которое является мерой его способности сгорать в двигателе внутреннего сгорания без детонации или стука.
Стук и стук сигнализируют о преждевременном сгорании (рис. 3.8.2), что может быть вызвано либо неисправностью двигателя, либо слишком быстрым сгоранием топлива. В любом случае бензино-воздушная смесь детонирует не в тот момент цикла двигателя, что снижает выходную мощность и может повредить клапаны, поршни, подшипники и другие компоненты двигателя. Различные составы бензина предназначены для получения смеси углеводородов, которая с наименьшей вероятностью вызовет детонацию или детонацию в двигателе данного типа, работающем на определенном уровне.
Рисунок 3.8.2 : Сжигание бензина в двигателе внутреннего сгорания. (a) Обычно топливо воспламеняется от свечи зажигания, и горение распространяется равномерно наружу. (b) Бензин со слишком низким октановым числом для двигателя может воспламениться преждевременно, что приведет к неравномерному сгоранию, вызывающему детонацию и стук.
Шкала октанового числа была установлена в 1927 году с использованием стандартного испытательного двигателя и двух чистых соединений: н-гептана и изооктана (2,2,4-триметилпентана).
Октановое число н-гептану, вызывающему сильную детонацию при сгорании, было присвоено 0, тогда как изооктану, очень легко сгорающему топливу, было присвоено октановое число 100. Химики присваивают октановое число различным смесям бензина путем сжигание образца каждого из них в испытательном двигателе и сравнение наблюдаемой детонации с интенсивностью детонации, вызванной конкретными смесями н-гептана и изооктана. Например, октановое число смеси 89.% изооктана и 11% н-гептана — это просто среднее значение октановых чисел компонентов, взвешенных по относительным количествам каждого из них в смеси. Преобразовывая проценты в десятичные дроби, получаем октановое число смеси:
\[0,89(100) + 0,11(0) = 89 \tag{3.8.1}\]
Как показано на рис. 3.8.3, многие соединения которые сейчас доступны, имеют октановое число выше 100, что означает, что они являются лучшим топливом, чем чистый изооктан. Кроме того, были разработаны антидетонаторы, также называемые октановыми добавками. Одним из наиболее широко используемых в течение многих лет был тетраэтилсвинец [(C 2 H 5 ) 4 Pb], что примерно при 3 г/галлон дает увеличение октанового числа на 10–15 пунктов.
Однако с 1975 года соединения свинца перестали использоваться в качестве присадок к бензину из-за их высокой токсичности. Вместо них были разработаны другие усилители, такие как метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Они сочетают в себе высокое октановое число и минимальную коррозию деталей двигателя и топливной системы. К сожалению, когда бензин, содержащий МТБЭ, вытекает из подземных резервуаров для хранения, это приводит к загрязнению грунтовых вод в некоторых местах, что приводит к ограничению или прямому запрету на использование МТБЭ в определенных районах. В результате увеличивается использование альтернативных усилителей октанового числа, таких как этанол, который можно получить из возобновляемых ресурсов, таких как кукуруза, сахарный тростник и, в конечном счете, кукурузные стебли и травы.
Рисунок 3.8.3 : Октановые числа некоторых углеводородов и обычных присадок
Авторы и авторство
3.8: Gasoline — A Deeper Look распространяется по незадекларированной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Печать CSS
- Плотный
- Показать страницу TOC
- № на стр.
- Теги
Какова химическая формула бензина и дизельного топлива?
Ответить
Verified
171k+ views
Подсказка: Мы знаем, что бензин и дизельное топливо используются в качестве топлива в различных транспортных средствах, таких как автомобили, грузовики, мотоциклы и т.
д. Они используются в различных машинах. Мы получаем бензин и дизельное топливо из источника, называемого нефтью.
Полный ответ:
Все мы видели бензин и дизель, они присутствуют в жидком виде. В основном они используются в качестве топлива в автомобилях и различных машинах. Теперь давайте сначала изучим бензин и дизельное топливо, прежде чем изучать его химическую формулу.
Бензин
Бензин представляет собой жидкую смесь, полученную из источника, называемого нефтью. В этой жидкой смеси присутствуют в основном алифатические углеводороды, и она улучшается за счет присутствия ароматических углеводородов, таких как толуол, изооктан или бензол. Ароматические углеводороды повышают свое октановое число, которое можно определить как меру топлива, позволяющую избежать детонации, возникающей при преждевременном воспламенении в цилиндре двигателя, что еще больше разрушает двигатель.
Теперь поговорим о его химическом составе. Как мы узнали выше, бензин состоит из углеводородов.
Теперь углеводороды имеют атомы углерода от \[5\] до \[12\] на молекулу. Но это не фиксировано, так как бензин смешивается по мере необходимости. Типичный бензин представляет собой смесь различных химических веществ, таких как парафин, олефины и нафталин. Бензин имеет базовую химическую формулу, поскольку он представляет собой смесь различных химических веществ, а также смешивается в соответствии с потребностями. Итак, его общая химическая формула ${C_n}{H_{2n + 2}}$.
Дизельное топливо
Дизельное топливо также получают из источника, называемого нефтью. Он также используется в качестве топлива для дизельных двигателей. Дизельные двигатели были изобретены инженером по имени Рудольф Дизель. Как мы видели, он также используется в жидкой форме. При фракционной перегонке нефтяного мазута мы получаем из него дизельное топливо, и этот тип дизельного топлива наиболее распространен.
Теперь поговорим о его химическом составе. Дизель также представляет собой смесь различных углеводородов (алифатических или ароматических).