Otázka: Přírodní zdroje uhlovodíků a jejich zpracování
Předmět: Chemie
Přidal(a): barbel2323
Přírodní zdroje uhlovodíků a jejich zpracování
Seminární práce z organické chemie pro DS3
Vypracovala:Kateřina Kubšová
Úvod
Předmětem této práce je stručně nastínit význam přírodních zdrojů uhlovodíku
a jejich zpracování. Budou zkoumány vlivy produktů, jejich těžby na životní
prostředí a také význam těchto fosilních surovin pro lidstvo.
Ropa
Definice:
Ropa, dříve nazývaná nafta, je hnědá až černá olejovitá kapalina s menší hustotou než voda.
Je směsí alkanů, cykloalkanů a arenů, jejichž vzájemný poměr se různí podle místa výskytu.
Některé ropy obsahují i větší množství dusíkatých a sirných látek, které ztěžují jejich chemické zpracování.
Vznik a výskyt:
Anorganický původ ropy
Anorganický původ ropy předpovídal Mendělejev. Podle něj vznikla působením přehřáté páry na karbidy těžkých kovů v dobách, kdy se vyskytovaly blízko zemského povrchu. Ve prospěch této teorie svědčí jednak laboratorní příprava pevných, kapalných i plynných uhlovodíků z karbidů uranu, lanthanu i ceru a také neustálý únik metanu ze zemského nitra v některých oblastech.
Organický původ ropy
Organická teorie je uznávána většinou vědců, předpokládá, že ropa vznikla z prehistorických živočišných a rostlinných zbytků, podrobených rozkladu. Ty se vlivem tepla a tlaku přeměnily nejprve na kerogen, pak na živice a nakonec na ropu a zemní plyn. Ty poté migrovaly podél nerostných vrstev, až byly zachyceny v porézních horninách, čímž vznikla jejich současná naleziště. Ve prospěch této teorie svědčí zjištění, že mladší ropa se velkou relativní molární hmotností, zvýšeným obsahem kyslíku, síry a dusíku a velkým obsahem asfaltu přibližuje původnímu organickému materiálu. Čím je ropa starší, tím je lehčí, obsahuje méně asfaltu a víc uhlovodíků.
Největší naleziště ropy se nacházejí v okolí Perského a Guinejského zálivu, Kaspického moře,
na Sahaře, v Indonésii a v Severní a Střední Americe. Doprava ropy se uskutečňuje po moři
v tankerech a po souši ropovody.
Zpracování:
Ropa i výrobky z ní jsou základním palivem pro dopravu a surovinou pro výrobu plastů. Vyrábějí se z ní i některé léky, hnojiva a pesticidy. Především chudší země používají ropné produkty také k výrobě elektřiny (asi 7 % celkové světové produkce).
Základem zpracování ropy je její frakční destilace, při níž jsou odděleny při atmosférickém tlaku jednotlivé skupiny uhlovodíků podle jejich bodů varu. Po ostranění vody a hrubých příměsí se ropa zpracovává kontinuálně v destilačních kolonách. Přitom se získávají tyto frakce:
- uhlovodíkové plyny
- benzínová frakce (do t.v. 180°C)
- petrolejová frakce (do t.v. 260°C)
- plynový olej (do t.v. 400°C)
- destilační zbytek
Uhlovodíkové plyny obsahují především propan a butan a užívají se jako paliva a chemické suroviny. Benzínová frakce má hlavní použití jako palivo do zážehových motorů, ale slouží též jako chemická surovina a jako rozpouštědlo. Petrolejová frakce je určena k vytápění, jako palivo pro plynové turbíny a ke krakování. Plynový olej (motorový olej) se též krakuje a používá se jako palivo pro vznětové (dieselové) motory. Destilační zbytek se nazývá mazut a buď se používá k topení,nebo se vakuově destiluje. Přitom se získávají vysokovroucí uhlovodíkové frakce, sloužící jako oleje, a zbývá asfalt,který má stejné použití jako asfalt přírodní (k úpravě vozovek, k izolaci proti vlhkosti)
Význam pro chemický průmysl:
- 95 procent veškerých potravin je pěstováno za přispění ropy
- 95 procent dopravy zprostředkovávají ropné deriváty
- 95 procent veškerého vyráběného zboží potřebuje pro svou výrobu ropu
- na výrobu jednoho typického počítače se spotřebuje ropa o množství desetinásobku jeho hmotnosti
Ropa je surovina, která je prakticky neodmyslitelná u každé masové výroby, přepravy a pěstování zemědělské produkce. Bez herbicidů, pesticidů a hnojiv vyráběných z ropy si dnes není možno představit moderní zemědělství a produkci potravin, jak ji dnes známe.
Ropa, coby zdroj velmi levné energie, měla zejména od prvních desetiletí 20. století vliv na architekturu měst a dopravní infrastrukturu zemí Prvního světa. Urbanistické návrhy měst s typickými rozsáhlými obytnými předměstími (nejvýrazněji viděnými v USA) braly dostupnost levné transportní energie v podobě ropy do úvahy.
Dopad na životní prostředí:
Ropa se v průběhu let stala nezbytnou surovinou pro chod celé civilizace. Její zásoby a obchod s ní však rovněž přispívaly k různým mezinárodním konfliktům. Používání ropy způsobovalo a stále způsobuje velmi nebezpečné a nezodpovědné znečišťování a poškozování životního prostředí na celé planetě.
Moře bývá znečištěno ropou v případě čištění ropných tankerů nebo při nehodách na vrtných plošinách. Nejhorší katastrofy se staly, když byl poškozen nějaký obrovský tanker, nebo když se dokonce potopil. Ropné skvrny, které se v důsledku těchto katastrof vytvořily, vedly k velkému úhynu mořského ptactva a mořských živočichů.
Používání benzínu a nafty vyráběné z ropy rovněž způsobuje značné znečištění ovzduší. Výfukové plyny z aut a ostatních motorů spalujících benzín či naftu, obsahují jedovaté plyny, jako je kysličník uhelnatý, nespálené uhlovodíky, kysličníky dusíku a olova. Některé z těchto škodlivých látek reagují se slunečním světlem a vytvářejí nepříjemný fotochemický smog, který visí nad mnoha městy. Když se kysličníky dusíku smísí v mracích s kapkami vody, vzniká kyselý déšť, který znečišťuje řeky a jezera a ničí lesy.V mnoha zemích bylo nutno podniknout kroky ke snížení škodlivých emisí z výfukových plynů aut.V současné době se vyrábí bezolovnatý benzín a auta jsou vybavována katalyzátory, které mění škodlivé plyny na minimálně škodné až neškodné.Tato zlepšení jsou však méně účinná, protože spotřeba ropy stále vzrůstá.
Zemní plyn
Definice:
Zemní plyn většinou provází ropu, ale existují i jeho samostatná naleziště. Je směsí plynných uhlovodíků, v níž převažuje metan (75 a více %), provázaný oxidem uhličitým, dusíkem, vodní parou, popř. dalšími plynnými příměsemi. Poměr složek v zemním plynu kolísá podle jeho naleziště. Zemní plyn se užívá jako palivo (nahrazuje v domácnosti jedovatý svítiplyn) a k výrobě různých sloučenin (chlorovaných derivátů, vodíku, kyanovodíku, sirouhlíku, acetylenu, sazí). Zemní plyn se přepravuje plynovody.
Vznik a výskyt:
Na vznik zemního plynu existuje více teorií. Jelikož se zemní plyn vyskytuje velice často spolu s ropou (naftový zemní plyn) nebo s uhlím (karbonský zemní plyn), přiklánějí se teorie jeho vzniku nejčastěji k tomu, že se postupně uvolňoval při vzniku uhlí nebo ropy jako důsledek postupného rozkladu organického materiálu. Podle teorií preferujících organický původ zemního plynu byly tedy na začátku vzniku zemních plynů rostlinné a živočišné zbytky.
Podle anorganické teorie vznikal zemní plyn řadou chemických reakcí z anorganických látek. V poslední době američtí vědci přišli s další tzv. abiogenetickou hypotézou, podle které zemní plyn vznikl štěpením uhlovodíků, které se na naší planetu dostaly v době jejího vzniku z vesmírné hmoty. Tyto vyšší uhlovodíky se postupně štěpily až na metan, který pak pronikal k povrchu Země.
Zemní plyn naftový je zpravidla uložen v pórovitých horninách ohraničených nepropustnými vrstvami a vodou, kde se jako specificky lehčí látka nahromadil v průběhu tisíců let nad vrstvami ropy nebo vody. Zemní plyn se těží vrty vedenými přímo do pórovitých vrstev ložisek, která se nacházejí většinou v hloubce do 3 km pod povrchem země. Plyn se však těží i z daleko větších hloubek až kolem 8 km. Zemní plyn se těží jak z ložisek na pevnině (Rusko, Alžírsko, Nizozemsko), tak z ložisek, které se nacházejí pod mořským dnem (např. v Severním moři).
Zpracování:
Konečné využití většiny zemního plynu není v chemické výrobě, ale spaluje se pro získání energie. Proto není zpracováván v rafineriích jako ropa, pouze se kvůli přepravě zbavuje už v oblasti těžby nežádoucích příměsí.
Schematický diagram zpracování surového zemního plynu.
Těžený (přírodní) zemní plyn se podle složení dělí do čtyř základních skupin:
- zemní plyn suchý (chudý) – obsahuje vysoké procento metanu (95 – 98%) a nepatrné množství vyšších uhlovodíků
- zemní plyn vlhký (bohatý) – vedle metanu obsahuje vyšší podíl vyšších uhlovodíků
- zemní plyn kyselý – je plyn s vysokým obsahem sulfanu (H2S), který se v úpravárenských závodech před dodávkou zemního plynu do distribučního systému odstraňuje
- zemní plyn s vyšším obsahem inertů – jedná se hlavně o oxid uhličitý a dusík
Z vyšších uhlovodíků zemní plyny obsahují hlavně nasycené uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek plynné – etan, propan a butan. V některých ložiscích obsahují zemní plyny i uhlovodíky, které jsou za normálních podmínek kapalné (od pentanu výše), které se při úpravě oddělují jako plynový kondenzát. Jejich směs se nazývá gazolín nebo přírodní benzín.
Význam pro chemický průmysl:
Zemní plyn je z největší části využíván jako „čisté“ palivo. Jeho dokonalým spalováním vzniká jen vodní pára a oxid uhličitý. Z hlediska emisí skleníkových plynů při spalování jde o nejvýhodnější ze všech fosilních paliv. Použití zemního plynu v této oblasti je široké – od elektráren a tepláren až po vaření, vytápění a ohřev užitkové vody v domácnostech a svícení. Díky své vysoké energetické účinnosti a malým emisím při spalování je zemní plyn vhodný i jako motorové palivo v dopravě. Lze ho využívat v klasických spalovacích motorech (nutná úprava vstřikovacího systému a montáž zásobníku plynu) i ve speciálních plynových motorech.
Dopad na životní prostředí:
Z hlediska ochrany životního prostředí má zemní plyn ve srovnání s ostatními fosilními palivy a energiemi řadu výhod:
- výstavba plynovodů a ostatních zařízení je spojena s minimálním záborem půdy, která se ve většině případů vrací původnímu účelu
- plynovody jsou uloženy v zemi, takže nikterak nenarušují tvář krajiny
Hlavní ekologické výhody zemního plynu se ale projevují až při jeho spalování, při kterém vzniká ve srovnání s uhlím nebo s kapalnými palivy daleko méně škodlivin – prach a oxid siřičitý jsou ve spalinách obsaženy v zanedbatelném množství a také emise oxidu uhelnatého a uhlovodíků jsou ve srovnání s ostatními palivy výrazně nižší.
Jediným problémem spalování zemního plynu je vznik oxidů dusíku. Směs oxidu dusnatého a oxidu dusičitého vzniká spalováním dusíkatých látek obsažených v palivu a ze vzdušného dusíku při vysokých teplotách.
Zemní plyn má ve srovnání s pevnými a kapalnými palivy jednu výhodu – neobsahuje žádné dusíkaté látky, takže oxidy dusíku mohou vznikat právě jen ze vzdušného dusíku. Jejich tvorba je závislá na teplotě spalování – čím je teplota vyšší, tím je vyšší i tvorba oxidů dusíku.
Uhlí
Definice:
Uhlí je hořlavá hornina, vzniklá geochemickými přeměnami rostlinných zbytků.Tyto procesy započaly již před desítkami či stovkami milionů let.Uhlí je směs vysokomolekulárních látek o nejednotné a ne zcela objasněné struktuře. Z prvků v uhlí převládá uhlík, dalšími prvky jsou vodík, kyslík, dusík a síra.Přítomnost minerálních látek v uhlí je zřejmá z popela, který zůstává po spálení.
Rozlišuje se uhlí hnědé, černé a antracit.Geologicky nejmladší jsou hnědá uhlí, nejstarší a energeticky nejhodnotnější je antracit.Uhlí se používá jednak jako palivo, jednak se zpracovává jako chemická surovina.(Vysoký obsah síry v uhlí je při jeho spalování zdrojem znečišťování prostředí oxidem siřičitým a hlavní příčinou tzv. kyselých dešťů).
Vznik a výskyt:
Většina světových zásob uhlí se začala tvořit v období karbonu, geologické epoše, která začala před 360 milióny let a skončila před 286 milióny let. To znamená, že uhlí vzniklo z tropických slatin starších geologických dob, rostoucích v bažinách. Ve slojích černého uhlí se zachovaly otisky stromových přesliček, plavuní a kapradin, v ložiskách hnědého uhlí otisky jehličnatých i listnatých stromů. Trouchnivěním, rašeliněním (za vzniku metanu – tzv. bahenního plynu) a pozvolným uhelnatěním rostlinných látek v močálech za nedokonalého přístupu vzduchu při vlhkém a teplém podnebí pozbývaly tyto látky vodík a kyslík, vytvářely uhlík, ztrácely rostlinnou strukturu a stávaly se tmavší. Jsou to tedy fosilní ložiska humusových hornin. Z rostlinných látek vznikala nejdříve rašelina, potom při pokračujících poklesech a překrytí pískem a jílem hnědé uhlí a z něho černé uhlí a antracit. Aby se rašelina přeměnila v uhlí, musí být stlačena.
Ačkoli se uhlí vyskytuje i v jiných formacích, např. v křídě, nejvíce uhlí poskytuje karbon a třetihory. V útvarech starších než křída se vyskytuje pouze uhlí černé, v křídě uhlí černé i hnědé a v útvarech pokřídových pouze uhlí hnědé. Zvláštním druhem hnědého uhlí je lignit(xylit), na němž je vlivem slabého prouhelnění dosud patrna struktura dřeva. Kvalita uhlí jako paliva závisí především na obsahu uhlíku. Černé uhlí obsahuje 75% až 95% uhlíku, hnědé uhlí 60% až 75% uhlíku a lignit 40-60% uhlíku, 50%vody a zbytky dřeva (ostatní vlastnosti jsou shodné s vlastnostmi hnědého uhlí). Největší procento uhlíku (94%) a nejméně prchavých látek má antracit.
Ze všech fosilních paliv se v přírodě nejvíce vyskytuje uhlí.Dvě třetiny ze známého množství uhlí nacházejícího se ve světě jsou ve třech zemích. Spojené státy mají přibližně 30%, Rusko a jeho spojenecké země mají kolem 25% a Čína zhruba 10%. Většina zbývajících zásob uhlí se nachází v Austrálii, Kanadě, Německu, Indii, Jižní Africe a v Británii. V Jižní Americe mají zásoby uhlí pouze čtyři země – Argentina, Brazílie, Chile a Kolumbie. Většina těchto zásob je ukryta pod tropickými deštnými lesy, kde by byla jejich těžba velice obtížná. V Africe se doluje uhlí pouze v osmi z 52 afrických zemí. Největší zásoby jsou v Jižní Africe a Zimbabwe, dále se uhlí dobývá v Alžírsku, Maroku, Mosambiku, Nigérii, Tanzanii a v Zairu.
Zpracování:
Hnědé uhlí:
Hnědé uhlí bývá uloženo nehluboko pod povrchem, dá se těžit skrývkou a těžba je proto levná. Podle stupně prouhelnění rozeznáváme několik druhů hnědého uhlí s různým obsahem uhlíku, různou výhřevností a množstvím vody. Nejkvalitnější je tzv. hnědý antracit – smolné uhlí s výhřevností 3 900 kcal a obsahem vody jen 40%. Hnědé uhlí se vyskytuje v různých světadílech, ale nejvíce se ho těží v Evropě. Nejvíce lignitu a hnědého uhlí je na území Německa. Užívá se jako topivo v elektrárnách i v domácnostech a může se tepelně zpracovávat podobně jako černé uhlí. Značné množství se koksuje (je to polokoks, použitelný v metalurgii) a současně při koksování se získává hnědouhelný dehet a z něho umělý benzín. Lignit hodně kouří a vydává relativně málo tepla.
Černé uhlí:
Od hnědého uhlí se liší větší výhřevností a menším množstvím popela, který zbyde po jeho shoření, barvou a tvrdostí. Obvykle mívá střídající se horizontální matné a lesklé pruhy. Matné vznikly ze zbytků menších rostlin, zatímco lesklé ze dřeva. V černém uhlí je přítomna rovněž měkká látka připomínající dřevěné uhlí. Tato látka způsobuje, že uhlí při manipulaci s ním špiní. Nejjakostnějším druhem uhlí je antracit. Hoří velice horkým plamenem a vydává málo kouře, avšak obtížně se zapaluje.
Zvlášť významná je vysokoteplotní karbonizace černého uhlí, kdy při teplotách kolem 900°C
vznikají za nepřístupu vzduchu jako nejvýznamnější produkty karbonizační plyn, dehet a koks.
Karbonizační plyn je směs především vodíku (asi 60%), methanu (asi 25%) a oxidu uhelnatého (asi 5%).Používá se v domácnostech (svítiplyn), kde je ale postupně nahrazován nejedovatým zemním plynem.
Dehet je kapalný produkt karbonizace uhlí, obsahující několik set organických sloučenin, z nichž některé se z něho získávají (např. naftalen a vyšší areny).
Koks, pevný zbytek po karbonizaci uhlí, je kvalitní palivo a redukční prostředek. Průmyslové závody zaměřené především na výrobu karbonizačního plynu se nazývají plynárny, závody specializované na výrobu koksu koksovny (koksárny).
Velký význam má zplyňování uhlí v generátorech. Přitom dochází k jeho přeměně v mnohem výhodnější plynné palivo. Proces se uskutečňuje při teplotách kolem 1000°C vháněním směsi vzduchu a vodní páry do generátoru naplněného uhlím.Vzniklý generátorový plyn obsahuje vodík, oxidy uhlíku a dusík a slouží k energetickým účelům.Reakcí rozžhaveného koksu s vodní párou se získává vodní plyn.Má podobné složení i použití jako plyn generátorový.
Význam pro chemický průmysl:
Uhlí se využívá hlavně jako palivo, ale daleko výhodnější je jeho zpracování jako suroviny v chemickém průmyslu. Při karbonizaci (zpracovávání) se získává:
- plyn (koksárenský nebo svítiplyn), obsahující hlavně vodík a jedovatý oxid uhelnatý. Používá se především jako plynné palivo.
- černouhelný dehet, který obsahuje několik set látek. Získává se z něj např. benzen, naftalen, barviva, léčiva, desinfekční prostředky, čistící a mycí prostředky, voňavky, umělá hnojiva, prostředky proti plevelu a hmyzu, lak na nehty. Dokonce i sladidlo sacharin lze vyrábět z uhlí.
- koks, který obsahuje téměř čistý uhlík. Používá se jako palivo při výrobě železa ve vysoké peci
K vedlejším produktům patří amoniaková voda, která se používá při výrobě dusíkatých hnojiv. Uhelné plyny tvoří směsi různých plynů. Obsažen je zvláště metan a oxid uhličitý. Uhlí se dá též zkapalňovat.
Dopad na životní prostředí:
Rizika dolování jsou zřejmá a dokonce i při přísných bezpečnostních opatřeních zahynou ročně stovky horníků. Ale i používání uhlí v sobě skrývá různá nebezpečí. Kontakt s uhlovodíky obsaženými v uhlí může způsobit rakovinu kůže. Kouř a plyny vydávané při hoření uhlí mohou způsobit řadu vážných nemocí dýchacího ústrojí, včetně rakoviny a rozedmy plic. Kouřové plyny vydávané při hoření uhlí obsahují rovněž sloučeniny síry. Ty způsobují kyselé deště, které mají zhoubný vliv na stromy a na ostatní vegetaci, způsobují úhyn ryb a ostatních vodních živočichů a erozi cihel a kamenů na budovách. Jedním z vedlejších produktů při hoření uhlí je oxid uhličitý. Je to jeden z plynů, o kterých se domníváme, že způsobuje tzv. skleníkový efekt – zachycuje teplo, a tak přispívá k zahřívání zemského povrchu a ke změně zemského klimatu.
Seznam použitých zdrojů
(1)
J.VACÍK,J.BARTHOVÁ,J.PACÁK,B.STRAUCH,M.SVOBODOVÁ,F.ZEMÁNEK-Přehled středoškolské chemie
(2)
A.VIKKELS-Energie-Kde ji vzít?
(3)
A.JANECZKOVÁ,P.KLOUDA-Organická chemie
(4)
Ropa a uhlí (online)
Dostupné z : <http://fospaliva.wz.cz>
(5)
Zemní plyn (online)
Dostupné z :<http://geologie.vsb.cz>
Závěr
Nejpřínosnější z hlediska využití a zároveň vlivu na životní prostředí je podle mne zemní plyn. V našem zájmu je preferovat takové zdroje, jejichž využívání v co nejmenší míře
negativně ovlivňuje životní prostředí. Zdůvodnění pro toto stanovisko je již zmíněno na straně
6-7, viz Dopad na životní prostředí.
Další podobné materiály na webu:
