Технология переработки углеводородного сырья

Введение

Каменный уголь - это твердое, исчерпывающееся, невосстанавливаемое полезное ископаемое, которое человек использует для получения тепла путем ее сжигания.
При сгорании угля тепло выделяется в гораздо большем количестве, чем его можно получить от дров или других твердых видов топлива. Ожесточенные сорта угля используют в металлургии, где нужны сверхвысокие температуры.
Кроме того, уголь - ценное сырье для химической промышленности. Из угля добывают множество нужных и полезных веществ.
В результате нагрева до 1000°С без доступа воздуха угля превращается в кокс. Этот продукт на 96-98% состоит из углерода. Основная область его применения - металлургия.
Вместе с коксом образуются коксовый газ и каменноугольная смола, является богатым источником различных веществ, - с нее их выделено около 500 перегонки и химической обработкой каменноугольной смолы добывают ароматические углеводороды: толуол, нафталин, фенолы, другие ценные вещества. [1]
Каменноугольная смола и коксовый газ перерабатываются на коксохимических заводах.
В развитии синтетической органической химии каменноугольная смола сыграла особую роль. Как источник химических соединений каменный уголь начало использоваться раньше, чем нефть и газ. На основе продуктов, выделенных из каменноугольной смолы, возникли целые отрасли химической промышленности - производство синтетических красителей, лекарственных препаратов, средств защиты растений, взрывчатых веществ.

1. Теоретические основы процесса

В процессе развития химических знаний данные о составе и строении угля менялись. Сейчас в составе угля различают органическую и неорганическую части. Органической части свойственна высокомолекулярная структура, которая включает ациклические и циклические фрагменты и функциональные группы. Эта твердая естественная смесь веществ имеет черный, иногда темно-серый цвет, блестящую или матовую поверхность и плотность 12 г/см3 Сегодня добывают различные виды каменного угля.
Существуют три способа химической переработки угля - коксование, газификация и гидрирование, рис. 1

Рисунок 1 - Способы химической переработки угля
Коксования - процесс разложения угля при высокой температуре и отсутствии воздуха. Кокс получают на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергают сухой перегонке (коксования) путем нагревания в специальных коксовых печах без доступа воздуха при температуре 1000ºС.
Кокс - твердая пористое вещество темно-серого цвета, содержит 96-98% углерода по массе, а также водород, кислород и некоторые другие элементы, рис. 2. Его используют как восстановитель в металлургии, в частности в производстве чугуна.

Рисунок 2 - Формула кокса

Процесс коксования - это не только добычи необходимого для металлургии кокса. Не менее ценными являются продукты, которые образуются параллельно с коксом

. Кроме кокса, при сухой перегонке каменного угля выделяется смесь газов (коксовый газ) и паров летучих продуктов, при охлаждении которых до 25-70ºС образуется каменноугольная смола и надсмольной вода. [2]
Коксование - термическая переработка угля заключается в его нагрева без доступа воздуха к 900-1100 С и выдерживании при этой температуре до 20 ч, в результате чего угля разлагается с образованием твердого кокса и летучих органических соединений и неорганических веществ.
Это сложный прерывный процесс, требующий специальных аппаратов - коксовых печей и больших затрат тепловой энергии.
Коксование происходит согласно следующих формул:
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O
nCO + 2nH2  → CnH2n + nH2O

Коксовый газ после очистки в своем составе содержит Н2 (60%), СН4 (25%), СО (5%), N2 (4%), CO2, C2H4, аммиак, пары бензола и некоторые другие вещества. Аммиак изымают, пропуская коксовый газ, образующийся в раствор серной кислоты, а аммоний сульфат, образующийся используют в качестве азотного удобрения.

Рисунок 3 - Фракции каменноугольной смолы
Бензол поглощают органическими растворителями, а затем выделяют перегонкой. Освобожден от аммиака и бензола коксовый газ используется как топливо в промышленности (в стекловаренных, мартеновских печах), а также в качестве химического сырья для получения водорода.
Каменноугольная смола - густая черная жидкость со специфическим запахом. Она подвергается дробно (фракционной) перегонке, в результате чего получают несколько фракций, которые являются источником получения целого ряда органических соединений, рис. 3.
Надсмольная вода содержит растворенные газы - углекислый газ, сероводород, хлороводород, аммиак и соли аммония. Аммиак извлекается из раствора и направляют на производство азотных удобрений. С сероводорода добывают серу и серную кислоту.
Газификация - преобразования низкосортного угля, бурого угля и торфа с помощью химических реакций на смесь газообразных и жидких углеводородов, высокотемпературный процесс взаимодействия углерода угольного топлива с окислителями, который осуществляется с целью получения смеси горючих газов (Н2, СО, СН4).
. Процесс газификации осуществляют в газогенераторных установках окислением угля недостаточным количеством кислорода, водяным паром, углекислым газом при температуре 800-900ºС. Образовавшуюся газовую смесь используют в промышленности в качестве топлива. С жидкой смеси получают смесь подобную по составу к бензину.
Гидрирования - превращение угля в жидкие и газообразные углеводороды под действием водорода при температуре 400-600ºС, определенного давления и наличия катализатора. Продукты гидрирования - это преимущественно смесь легких углеводородов, по составу аналогичных легким нефтепродуктам, образующих фракцию бензина