Паливо в технологічних процесах

ЗМІСТ

Вступ

1. Загальні відомості про паливо

2. Класифікація і властивості палива

3. Переробка твердого палива

4. Переробка нафти

5. Переробка газоподібного палива

Висновок

Література

Вступ

Тема реферату «Паливо в технологічних процесах».

Паливо - горючі речовини, головною складовою котрих є вуглець і котрі при спалюванні виділяють значну кількість тепла. Паливо використовують як джерело енергії і як сировину в хімічній промисловості. Нафта, вугілля, торф, газ, нафтопродукти тощо - це паливо. Паливо - це також речовини, що використовують на атомних електростанціях (ядерне паливо), в ракетних двигунах (ракетне паливо).

1. Загальні відомості про паливо

Торф - горюча органічна речовина, що утворилася з не повністю розкладених дерев, кущів, тростини, трави, моху, продуктів їх повного розкладу або гумусу, глини, болота. Ця рослинна маса, що не повністю перепріла, нагромаджується на дні боліт і зарослих озер. У природному стані торф містить багато води (80-90%), тому належить до палива низької якості. Його застосовують для опалювання у сільській місцевості, як добриво, він може бути використаний для одержання парафіну, масел, фенолів, кріоліну.

Вугілля утворилося в результаті тривалого розкладу та хімічного перетворення величезних мас відмерлих дерев і трав, що відбувалося сотні мільйонів років тому. Вугілля залягає в землі пластами товщиною від декількох сантиметрів до десятків метрів. Пласти можуть бути горизонтальними або ж утворювати складки. Поклади вугілля зустрічаються як на обмеженій площі, так і на великій території, утворюючи вугільні басейни. До складу вугілля входять: горюча речовина, мінеральні домішки (але не більше 50%) і волога. Колір вугілля від бурокоричневого до чорного.

Спочатку утворилося буре вугілля, далі в результаті тривалої дії високих температур і тиску буре вугілля перетворювалося на кам'яне, а кам'яне згодом перетворилося на антрацит. При цьому змінювався хімічний склад, фізичні і технологічні властивості органічних речовин. Цей процес називається вуглефікацією. Хімічний склад бурого, кам'яного вугілля й антрациту різний. Найбільше вуглецю міститься в антрациті.

Нафта - горюча масляниста рідина від жовтого до чорного кольорів з характерним запахом. У ній міститься 83-87% вуглецю, 11-14% водню, 0,1-0,5% сірки, до 0,1% азоту і кисню. Утворюється нафта разом з газоподібними вуглеводнями. До складу нафти входять парафінові, нафтенові, ароматичні та інші вуглеводні, сполуки, що містять кисень, азот, сірку, розчинені гази, вода і мінеральні солі. Хімічний склад нафти визначає її фізичні властивості. Залежно від складу розрізняють нафту метанову, нафтенову, ароматичну, парафіно-нафтенову, нафтено-парафінову, нафтено-ароматичну, парафіно-нафтено-ароматичну.

Нафта накопичується в пористих породах на глибині 1-1,5 км і більше. Групи нафтових родовищ утворюють нафтові басейни. Добувають нафту свердловинним способом.

Природний газ - це суміш різних летких вуглеводнів (метан, етан, пропан, бутан). Крім цього природний газ містить азот, вуглекислий газ, сірководень, інертні гази. Як і нафта, він накопичується в пористих породах на глибині 1-1,5 км і більше. Газові залежі за особливістю їх будови поділяють на пластові та масивні. Видобувають природний газ подібно до нафти за допомогою свердловин.

До природних газів належать також супутні нафтові гази. Вони відділяються від нафти при її сепарації.

2. Класифікація і властивості палива

Паливо класифікують за наступними ознаками.

1.3а агрегатним станом паливо поділяють на тверде, газоподібне і рідке. До твердого належить вугілля, деревина, торф, кокс тощо, до газоподібного - природний, генераторний, коксовий, доменний гази, водень тощо, до рідкого - нафта і продукти її переробки.

2.3а походженням розрізняють природне і штучне паливо. Природне видобувають із надр Землі (вугілля, нафта, природний газ, сланці, торф), або з навколишнього середовища (тваринного і рослинного походження), а штучне отримують при переробці природного (кокс, бензин, деревне вугілля, генераторний газ тощо).

3.3а питомою теплотою спалювання паливо буває таке: висококалорійне (питома теплота спалювання більше 4200 кДж/кг), середньокалорійне (2500-4200 кДж/кг), низькокалорійне (менше 2500 кДж/кг).

4. За характером використання розрізняють енергетичне паливо (для отримання теплової енергії), технологічне (для використання у плавильних, випалювальних та інших печах і апаратах) і комплексне.

5.3а вихідною сировиною паливо поділяють на нафтове, газове та ін.

6.3а відновлюваністю в природі паливо є відновлюване і невідновлюване.

Для кращого використання і правильного вибору способів переробки проводять дослідження й аналіз палива, встановлюють його властивості. Ці властивості залежать від виду палива та його хімічного складу.

1.Склад палива.

Різні елементи, що входять до складу палива, позначаються їх хімічними знаками. Найбільше в паливі вуглецю. Але в різних видах палива вміст вуглецю різний. Найбільше вуглецю в антрациті (95%). Вуглець - це горюча (органічна) частина палива. Крім цього паливо містить мінеральну частину (золу) і вологу (баласт).

2. Теплота спалювання - кількість теплоти в кДж, яку дістають при спалюванні 1 кг (м³) палива. Розрізняють питому й об'ємну теплоту спалювання. Порівняльну оцінку різних видів палива здійснюють в одиницях умовного палива. За одиницю умовного палива приймають паливо з теплотворною здатністю 7000 ккал/кг. На 1 т умовного палива потрібно: кам'яного вугілля 1,1т, бурого вугілля 2,1 т, торфу 2,4 т, дров 2,4 т, нафти 0,67 т, природного газу 810 м³.

3. Енергомісткість - кількість потенційної енергії, що містить одиниця об'єму палива. Вимірюють енергомісткість як об'єм палива, що відповідає 1т умовного палива.

Для кожного виду палива відповідно до стандартів встановлено також інші властивості. Наприклад, для кам'яного вугілля важливими є такі властивості, як коксівність, вихід летких речовин, механічна і термічна міцність.

3. Переробка твердого палива

Тверде паливо переробляють трьома способами, до яких належать наступні.

1. Суха перегонка - нагрівання палива без доступу повітря. При цьому відбувається розклад твердого палива з утворенням штучного твердого палива і летких продуктів (парогазових сумішей). Сухій перегонці піддають кам'яне вугілля (коксування), буре вугілля (напівкоксування), деревину та ін.

Рис. 1. Схема камерної коксової печі

Коксування - процес нагріву кам'яного вугілля без доступу повітря при температурі 1100-1200°С. Для коксування використовують суміш різних сортів вугілля (коксівне і близькі до нього за властивостями) - шихту. Перед використанням вугілля облагороджують: видаляють з нього значну частину мінеральних домішок, подрібнюють, відсіюють дрібняк, сортують, брикетують.

Для коксування вугілля застосовують печі періодичної (камери) і безперервної (шахтні) дії. Коксова піч періодичної дії - це камера (рис. 1), довжина якої 14 м, ширина 0,4 м і висота 4—5 м. Така камера вміщує до 15-28 т шихти. Камери групують в коксові батареї. Шихту завантажують у камери 1 через люки 2. Стінки камери нагріваються ззовні теплом гарячого повітря або повітря і малокалорійного газу. Процес коксування починається біля стінок камери і переміщується до середини.

Процес коксування має декілька стадій і триває 14-17 год. На кожній стадії відбувається розкладання вугілля і виділення летких продуктів. При температурі 1100—1200°С утворюється кокс у вигляді пирога (коксовий пиріг). Його виштовхують із камери спеціальним коксовиштовхувачем 3 і гасять водою або інертними газами. Далі кокс подрібнюють і сортують за розмірами. Леткі продукти (прямий коксовий газ) із печі виводять через газовиводи 4 у газозбірник, а далі - на переробку. Ця суміш містить неконденсовані гази, пару кам'яновугільної смоли, бензольні вуглеводні та воду.

Коксовий газ, що пройшов через конденсаційну і вловлюючу апаратуру хімічного цеху, називають зворотним. Його теплотвірна здатність - до 20000 кДж/м³, він є цінним паливом. Його також використовують як хімічну сировину. Переробляють і продукти прямого коксового газу (сирий бензол, кам'яновугільну смолу та ін.). Наприклад, кам'яновугільна смола містить більше 300 речовин.

Техніко-економічні показники. Із 1т шихти одержують до 730 кг коксу, 80 кг надсмольної води, 30 кг кам'яновугільної смоли, 10 кг бензольних вуглеводнів, 3 кг аміаку, 140 кг сухого коксового газу.

Кокс - сіра, ледь срібляста, пориста і дуже тверда речовина. Пористість коксу - близько 50%. Теплота спалювання біля 7000 ккал/кг, а його горючої маси до 8000 ккал/кг. Вміст вуглецю в горючій масі коксу понад 90%, вміст сірки близько 1,5-1,9%. Основна галузь використання, коксу - чорна металургія. Крім того, кокс використовують на теплових електростанціях, у ливарному виробництві, для агломерації руд, у хімічній промисловості, кольоровій металургії.

2. Газифікація - процес штучного перетворення твердого палива на горючі гази при його частковому (неповному) спалюванні. При цьому утворюється CO. Окисниками можуть бути повітря, водяна пара або їх суміші. Газифікують вугілля, торф, сланці. Метою газифікації є одержання з малоцінного твердого палива генераторних газів, котрі далі використовують як паливо і сировину для хімічної промисловості.

Ефективність процесу газифікації полягає в тому, що можна переробляти низькоякісне тверде паливо, використання газоподібного палива є вигіднішим і простішим, при його згорянні не утворюється зола.

3. Гідрогенізація - обробка палива воднем при високій температурі (до 500°С) і тиску (70 МПа) із застосуванням каталізаторів. При таких умовах проходить перетворення твердого палива на тверді, газоподібні та рідкі продукти збагачені воднем. Отримують кокс, генераторні гази і бензин.

4. Переробка нафти

Нафту переробляють фізичним (пряма перегонка або дистиляція) і хімічними (крекінг, риформінг) способами.

Пряма перегонка нафти ґрунтується на різниці температур кипіння окремих фракцій вуглеводнів, близьких за фізичними властивостями. Цьому способу переробки піддається практично вся нафта. Перегонку проводять в умовах, при яких не відбувається розкладання вуглеводнів і вихід легких дистилятів невеликий (вихід бензину лише 5-15%). Є перегонка одностадійна і двоступенева.

При перегонці нафта подається через теплообмінник 3 до трубчастої печі 1 (рис. 2), де нагрівається до 300-350°С. Нагріта нафта надходить до випарної частини ректифікаційної колони 2, де відбувається її випаровування. Колона працює під атмосферним тиском. Низькокиплячі фракції перетворюються в пару і піднімаються вгору а висококиплячий мазут стікає до низу колони. Усередині колони встановлено тарілки (перфоровані листи з отворами) для проходження пари і рідини. Пароподібні продукти в ректифікаційній колоні розпадаються на фракції на відповідних тарілках (бензин, лігроїн, гас, соляровий дистилят), мазут стікає вниз. Колона обладнана конденсаторами 4, де зріджується відхідна пара. Частина конденсату йде на зрошення колони, решта спрямовується у збірник 5. Висота колони до 50 м, вона містить до 80 тарілок.

Техніко - економічні показники.

Після переробки отримують 14-15% бензину, 7-8% лігроїну, 18% гасу, 5-6% солярового дистиляту, решта - мазут. Продуктивність сучасних установок становить до 12 млн. т нафти на рік. Отриманий при перегонці бензин містить певну частину ненасичених вуглеводнів і потребує очищення.

Рис. 5. Схема перегонки нафти

Бензин - рідке пальне для карбюраторних двигунів внутрішнього згоряння. Важливою експлуатаційною характеристикою бензину є його детонаційна стійкість, тобто здатність нормального спалювання у двигуні при різних умовах. Детонація - згоряння пального із швидкістю вибуху. Антидетонаційні властивості бензину оцінюють октановим числом, а для авіаційних бензинів іще сортністю. Чим вище октанове число, тим кращі його антидетонаційні властивості.

Октанове число визначають порівнянням детонаційних властивостей бензину і стандартної суміші з ізооктану (його октанове число 100) і н-гептану (октанове число - 0). Процентний вміст ізооктану в суміші, котра детонує при тому самому ступені стискання, що й досліджуваний бензин, є мірою його антидетонаційних властивостей і називається його октановим числом.

Октанове число можна підвищувати, додаючи спеціальні речовини - антидетонатори (тетраетилсвинець в суміші з бромистим етилом і монохлорнафталіном - етилована рідина). Можна додавати високооктанові світлі нафтопродукти - ізооктан, триптан, кумол. Добавки етилованої рідини є шкідливими для навколишнього середовища.

При двоступеневій перегонці переробляють мазут. Процес проходить при вищих температурах (400-450°С) і під вакуумом (тиск понижений до 0,06-0,09 МПа). При цьому з мазуту отримують мастильні фракції і гудрон (27-30%), із гудрону -бітуми або кокс.

Для збільшення виходу бензину та інших світлих продуктів застосовують хімічні способи переробки отриманих при перегонці нафтопродуктів, котрі передбачають часткове розкладання молекул важких вуглеводнів. Це крекінг і риформінг. Процеси крекінгу або риформінгу, що здійснюються при високих температурах без каталізатора, називаються термічним крекінгом або термічним риформінгом. При використанні каталізаторів їх відповідно називають каталітичним крекінгом або каталітичним риформінгом. Є декілька різновидів крекінгу і риформінгу.

Крекінг нафтопродуктів дає змогу збільшити вихід бензину на 60-70%о від кількості перероблюваної сировини. Слово крекінг означає розщеплення, руйнування. Для руйнування молекул головним фактором є температура, і чим вона вища, тим краще і повніше відбувається процес, тим вищий вихід продуктів крекінгу. Впливає на хід і напрям процесу каталізатор. Підбираючи його, можна здійснювати реакції при нижчих температурах.

Термічний крекінг найчастіше проводять під високим тиском (2-7 МПа) і при температурі 450-540°С. Сировиною для крекінгу є мазут, гудрон, напівгудрон. Спочатку сировина в ректифікаційній колоні змішується з важкими фракціями крекінг-продуктів, а далі подається у трубчасту піч. У печі при температурі 470-480°С проходить крекінг. При цьому крекінгу піддається 2/3 сировини. Суміш продуктів крекінгу і непрореагованої сировини поступає у реакційну камеру, де при температурі 500°С крекінг-процес завершується. Речовини, що не піддаються крекінгу (крекінг-залишок), відділяються у випарнику. Парофазні продукти для розділення проходять через дві ректифікаційні колони.

Техніко-економічні показники.

При термічному крекінгу отримують крекінг-бензин (35-45%), крекінг-газ (10-15%), крекінг-залишок (50-55%). Бензин, отриманий при термічному крекінгу, містить до 30^10% ненасичених вуглеводнів, що робить їх хімічно і фізично нестабільними і знижує їх цінність. Використовують їх як компоненти автомобільних бензинів.

Крекінг-гази використовують як паливо і сировину для синтезу органічних сполук. Крекінг-залишок є сумішшю смолистих та асфальтенових речовин та непрореагованої сировини. Його використовують як котельне паливо і сировину для одержання бітумів.

Каталітичний крекінг нафтопродуктів (солярові та гасові фракції) проводять з використанням каталізаторів. Каталізаторами є глини деяких видів, алюмосилікати, можна використовувати хром, оксид молібдену, платину. При каталітичному крекінгу розщеплення вуглеводнів відбувається за тими ж схемами, що і при термічному.

Техніко-економічні показники.

Такий крекінг потребує менших енергетичних витрат, протікає швидше, умови крекінгу більш м'які, вища якість бензину. Бензин каталітичного крекінгу має малий вміст (3-5%) нестабільних вуглеводнів, низький вміст сірки, високе октанове число. Вихід бензину 35-40% і більше.

При каталітичному крекінгу утворюється 15-20% газів, що є цінною сировиною для органічного синтезу.

Риформінг є різновидом крекінгу і відрізняється від нього вихідною сировиною, котрою є низькооктанові бензини або лігроїн, з яких отримують високооктанові бензини або сировину для хімічного синтезу. Мета риформінгу - поліпшення якості бензину, підвищення його октанового числа. Існує ряд промислових процесів риформінгу, що відрізняються між собою каталізаторами, тиском, температурою, методами регенерації каталізатора. Технологічні схеми риформінгу аналогічні схемам каталітичного крекінгу. Під час риформінгу відбувається зміна структури компонентів бензину і лігроїну.

Техніко-економічні показники.

Бензин, одержаний при риформінгу відзначається високою якістю. Він має високі антидетонаційні властивості, низький вміст сірки, високий вміст ароматичних вуглеводнів. Вихід бензину складає 90%. Крім бензину при риформінгу отримують 5-15% газів, що є цінною сировиною хімічної промисловості.

Продукти, отримані при переробці нафти, очищують, оскільки вони містять домішки, що погіршують їх властивості. Найчастіше застосовують фізико-хімічпі та хімічні способи очищення.

5. Переробка газоподібного палива

До газоподібних видів палива належать природні та супутні гази, гази від переробки нафти, генераторні гази, коксовий та доменний гази та ін. їх використовують як паливо та як сировину для хімічної промисловості. Методи їх переробки залежать від призначення, складу, властивостей. При використанні газу як палива його лише очищують від шкідливих домішок та вилучають газовий бензин. Для потреб хімічної промисловості гази очищують і розділяють на індивідуальні компоненти. Для хімічної переробки найбільш придатні гази природні, супутні та гази нафтопереробки.

Основними методами переробки газів є: очищення від шкідливих домішок, вилучення легкокиплячих вуглеводнів (газового бензину), поділ газів на окремі компоненти, хімічна переробка газової сировини, одержання з газу сажі.

Розділення газів - один з найпоширеніших способів переробки газоподібного палива. Найчастіше використовують адсорбцію, абсорбцію, охолодження стисненої газової суміші. Перед розділенням гази звільняють від оксидів азоту та шкідливих домішок (газів, вуглеводнів).

Абсорбція - поглинання газоподібних і пароподібних речовин розчинником. Процес протікає в абсорбційних колонах під тиском і при охолодженні. Розчин виходить із колони, поступає в десорбер, де з нього вилучаються гази. Розчинник після охолодження повертають знову на абсорбцію, вилучені вуглеводні розділяють за допомогою ректифікації.

Адсорбція - поглинання газів і рідин твердим поглиначем (активоване вугілля). Далі вуглеводні відганяють і ректифікують.

Найповніше газові суміші розділяють конденсаційно-ректифікаційнім методом. Суміш стискають і охолоджують до 100°С. При цьому вуглеводні С₂ - С₅ зріджуються, а метан і водень залишаються в газовій фазі. Рідкі вуглеводні під тиском при низьких температурах піддають ректифікації. Отримують метан, етан, пропан, бутан, етилен, пропілен, бутилен, дивініли, амілени, пентани і вищі вуглеводні.

Подальша хімічна переробка вуглеводнів відбувається методами конверсії, піролізу, каталітичного дегідрування, ізомеризації, гідрування, гідратації, нітрування, окислення, полімеризації. З продуктів переробки газів отримують полімери, лаки, фарби, лікарські препарати тощо.

Висновок

Різні технологічні процеси потребують сировину, паливо та енергію.

Нами було розглянуто паливо, а саме його якість та раціональне і комплексне використання остатнього.

Література

1. Колотило Д.М. Системи технологій і екологія промисловості – К., НМКВО, 1992 – 143 с.

2. Основы технологии важнейших отраслей промышленности. Ч.I, II/ Под ред. И.В. Ченцова – Минск, Вышейшая шк., 1989

3. Технологічні процеси галузей промисловості: Навч. посіб. / За ред.. Д.М. Колотила, А.Т. Соколовського – К, КНЕУ, 2008 – 372 с.