Предисловие
Раздел «Химия природных энергоносителей и углеродных материалов» составляет часть курса теоретических основ технологии природных энергоносителей и углеродных материалов. Этот курс является первой дисциплиной, с которой знакомятся студенты при изучении специальности 25.04. Это связующее звено между предыдущими курсами, особенно органической и физической химии и курсами специальности: общей химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов, проектирования и расчета аппаратов этой технологии. При этом необходимо ознакомить студента в первую очередь с сырьевыми материалами, химической стороной процессов их переработки и получаемыми продуктами.
Основные сырьевые материалы рассматриваемой технологии ‑ это природные энергоносители, традиционно называемые горючими ископаемыми: уголь, нефть, природный газ и др. Кроме них широко используются различные материалы с высоким содержанием углерода, как природные, так и искусственные (графит, алмаз, коксы, нефтяные и каменноугольные пеки). Особенностями этих веществ являются их полидисперсность и сложный, часто неустановленный химический состав. Это не позволяет непосредственно использовать для характеристики поведения веществ в реакциях такие понятия, как молекулярная масса, мольная концентрация реагентов, мольный тепловой эффект превращения веществ и др. В этом случае оказывается также затруднительным построение кинетических моделей химических процессов на принципах, давно применяемых в технологиях более простых систем.
Исторически сложилось разделение ряда природных и искусственных углеродсодержащих веществ, которые можно отнести к органическим соединениям, на энергоносители и углеродные материалы. Такое положение связано с тем, что технология горючих ископаемых была, пожалуй, ориентирована преимущественно на получение энергетического сырья, а технология углеродных материалов — на производство, главным образом, конструкционных материалов. В то же время химический состав и свойства сырьевых веществ и продуктов их переработки аналогичны в обеих технологиях. Также близким оказывается химизм протекающих при переработке горючих ископаемых и углеродных материалов реакций. В связи с этим практически невозможно четко разграничить процессы, относящиеся к той или иной области получения и переработки углеродистых веществ. Зато совместное рассмотрение основ обеих технологий позволяет избежать дублирования и обеспечивает переход к описанию аналогичных превращений веществ с единых позиций. Такой подход использован при написании настоящего пособия.
Введение
Природные энергоносители встречаются в различных агрегатных состояниях: твердом (угли, сланцы), жидком (нефть) и газообразном (природные и попутные газы). В первом приближении фазовое состояние горючего ископаемого может быть сопоставлено с соотношением водорода и углерода в его составе (Н/С). Максимум водорода содержат газы, минимум ‑ твердые горючие ископаемые, нефти занимают промежуточное положение.
Углеродные материалы ‑ почти исключительно твердые тела, содержащие сравнительно мало водорода, но физико-химические свойства материала или сырья тоже закономерно меняются с изменением его доли в составе вещества.
Примерная схема, позволяющая сгруппировать углеродсодержащие вещества по отношению Н/С (мас. %), следующая:
0
графит природный и искусствен-ный
углеродные материалы, коксы
нефть, син-тетическое жидкое
природные и попутные газы
Изменяя соотношение Н/С, можно изменять агрегатные состояния углеродсодержащих веществ. Эта возможность осуществляется процессами технологии природных энергоносителей и углеродных материалов. В частности, углеводородные газы можно превращать в твердый углерод: сажу, пироуглерод, алмаз; жидкие нефтепродукты перерабатываются в газообразные (легкие углеводороды) и твердые (кокс, сажа) вещества; уголь превращается в газы, жидкие нефтеподобные продукты и твердый углеродистый остаток. Взаимные переходы углеродсодержащих веществ подчиняются общим закономерностям как в природных условиях, так и в промышленности. Например, в производстве углеродных материалов и в природных процессах углеобразования вещества теряют гетероатомы, водород и часть углерода в виде газообразных продуктов. При этом твердая фаза обогащается углеродом, который образует графитоподобные области конденсированных ароматических ядер. Такое сходство не случайно. Оно обусловлено энергетической выгодностью создания высокоупорядоченных структур, каким бы путем оно ни происходило.
Превращения летучих веществ так же важны. Их направление и состав продуктов определяются термодинамической устойчивостью последних при различных температурах. Кроме термодинамических факторов состав продуктов может определяться скоростями их образования.
Подавляющее большинство процессов рассматриваемой технологии включает воздействие достаточно высоких температур на реагирующее вещество. Увеличение температуры делает термодинамически устойчивыми все более и более обуглероженные материалы. После практически полного дегидрирования возможно преобразование их внутренней структуры до почти идеальной кристаллической решетки графита. Разнообразие форм твердого углерода дает возможность в широких пределах варьировать физико-механические свойства углеродных материалов. Эти свойства часто оказываются уникальными по сравнению со свойствами других материалов, включая и композиционные.
Теоретической основой осуществления любого химического процесса является знание его химизма, термодинамики и кинетики. Для любых процессов количественный учет термодинамических и кинетических факторов позволяет создать их описание на микроуровне. В химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов часто приходится иметь дело с переработкой исходных веществ неопределенного состава. В этом случае изучение механизмов реакций возможно на модельных соединениях.
Современный уровень развития физической и органической химии, а также методов исследования строения вещества позволяет получить необходимые знания для проектирования того или иного производства в области технологии горючих ископаемых и углеродных материалов. Однако в настоящее время не выработан единый систематический подход к проблеме создания соответствующих технологий. По этой причине авторы предложили свой нетрадиционный план построения учебного пособия, посвящая его первые главы описанию природных и синтетических форм свободного углерода, как с физической, так и с химической точек зрения. После этого рассматриваются физико-химические свойства более сложных природных углеродсодержащих веществ. Следующие главы посвящены механизмам основных химических процессов технологии природных энергоносителей и углеродных материалов.
Источник
Химия природных энергоносителей и углеродных материалов
Предисловие
Раздел «Химия природных энергоносителей и углеродных материалов»
составляет часть курса теоретических основ технологии природных
энергоносителей и углеродных материалов. Этот курс является первой дисциплиной, с которой знакомятся студенты при изучении специальности 25.04.
Это связующее звено между предыдущими курсами, особенно органической и
физической химии и курсами специальности: общей химической технологии
природных энергоносителей и углеродных материалов, проектирования и
расчета аппаратов этой технологии. При этом необходимо ознакомить
студента в первую очередь с сырьевыми материалами, химической стороной
процессов их переработки и получаемыми продуктами.
Основные сырьевые материалы рассматриваемой технологии — это
природные энергоносители, традиционно называемые горючими
ископаемыми: уголь, нефть, природный газ и др. Кроме них широко
используются различные материалы с высоким содержанием углерода, как
природные, так и искусственные (графит, алмаз, коксы, нефтяные и
каменноугольные пеки). Особенностями этих веществ являются их
полидисперсность и сложный, часто неустановленный химический состав. Это
не позволяет непосредственно использовать для характеристики поведения
веществ в реакциях такие понятия, как молекулярная масса, мольная
концентрация реагентов, мольный тепловой эффект превращения веществ и
др. В этом случае оказывается также затруднительным построение
кинетических моделей химических процессов на принципах, давно
применяемых в технологиях более простых систем.
Исторически сложилось разделение ряда природных и искусственных
углеродсодержащих веществ, которые можно отнести к органическим
соединениям, на энергоносители и углеродные материалы. Такое положение
связано с тем, что технология горючих ископаемых была, пожалуй,
ориентирована преимущественно на получение энергетического сырья, а
технология углеродных материалов — на производство, главным образом,
конструкционных материалов. В то же время химический состав и свойства
сырьевых веществ и продуктов их переработки аналогичны в обеих технологиях. Также близким оказывается химизм протекающих при переработке
горючих ископаемых и углеродных материалов реакций.
В связи с этим практически невозможно четко разграничить процессы,
относящиеся к той или иной области получения и переработки углеродистых
веществ. Зато совместное рассмотрение основ обеих технологий позволяет
избежать дублирования и обеспечивает переход к описанию аналогичных
превращений веществ с единых позиций. Такой подход использован при
написании настоящего пособия.
Источник