Тема 15. Органическое топливо и его переработка
"Нефть не топливо.
Топить можно и ассигнациями".
Д.И. Менделеев
Химия с самого своего основания была наукой практической. Основной задачей ее была и будет – получение веществ с заданными свойствами. На это в конечном итоге направлены и теоретические поиски, и практическая деятельность ученых и инженеров.
С развитием органической химии в жизни общества появляется потребность в создании промышленного производства органических материалов, причем производить эти соединения необходимо быстро, дешево, в достаточном количестве. Одним из основных требований в настоящее время является безопасность производства.
Для такого производства необходимы дешевые, доступные и широко распространенные в природе источники сырья. Наиболее подходящими для этих целей оказались известные вещества, которые издавна использовались и используются до сих пор в качестве горючего – нефть, уголь, природный газ.
В настоящее время более 90 % всех органических веществ получают именно из этих природных источников.
Мы не можем обойти вниманием эту отрасль промышленности по двум основным причинам. Во-первых, масштабы их добычи и переработки очень велики. А во-вторых, на всех этапах технологических процессов добычи, переработки, хранения, транспортировки мы имеем дело с горючими веществами. Горючи и сами исходные вещества, горючи и продукты их переработки.
В настоящее время основным источником энергии на Земле является химическая энергия топлива.
Топливо – существующие в природе или искусственно изготовленные горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии.
Классификация топлива
1. По агрегатному соотоянию топливо подразделяется на твердое (каменный и бурый угли, горючие сланцы, торф, древесина ), жидкое ( нефть и продукты переработки топлива: бензин, керосин, мазут и т.п.), газообразное или газовое (природный газ и продукты переработки жидкого и твердого топлива).
2. По способу получения различают топливо естественное (например, уголь, нефть) и искусственное (например, керосин, генераторный газ).
Основные характеристики топлива
Важнейшей характеристикой топлива является его энтальпия (теплота сгорания). Из курса химической термодинамики Вы помните, что стандартной энтальпией сгорания Н0сгор. вещества называют тепловой эффект реакции окисления 1 моля вещества кислородом с образованием высших оксидов. Энтальпию (теплоту) сгорания обычно относят к стандартным условиям (Т = 298 К, р = 101,3 кПа). Расчет этой величины проводят в соответствии с законом Гесса, используя табличные значения стандартных энтальпий образования Н0обр. веществ, участвующих в реакции горения.
Например, энтальпию сгорания метана
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О(г)
можно подсчитать по уравнению
Н0сгор. (СН4) = Н0 (СО2) + 2 Н0 (Н2О) Н0 (СН4), кДж/моль.
Подставляя значения энтальпий образования продуктов горения и самого метана и принимая Н0 (О2) = 0, получаем
Н0сгор. (СН4) = (393,5 2 241,8) ( 74,5) = 802,4 кДж/моль.
В энергетике свойства топлива обычно характеризуют его удельной теплотой сгорания, которая равна количеству теплоты, выделяющемуся при сгорании 1 кг жидкого или твердого топлива или 1 м3 газообразного топлива до образования высших оксидов. Чем выше теплота сгорания топлива, тем больше ценность этого топлива. Удельная теплота сгорания топлива Q т может быть рассчитана двумя способами.
1. По известному значению энтальпии сгорания
Q т = - Н0сгор 1000 / М, кДж/кг, где
М - молярная масса, г/моль.
Для нашего примера удельная теплота сгорания метана составит
Q
т =
= 50142 кДж/кг.
2. Значения низшей теплоты сгорания(удельной теплоты сгорания) материалов также могут быть рассчитаны по формуле Д.И.Менделеева
QН = 339,4 [C] + 1257 [H] 108,9 { ([O] + [N]) [S] } 25,1 (9 [H] + [W]), кДж/кг,
где
[C], [H], [O], [N], [S], [W] - содержание (в процентах) углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги в горючем веществе.
Следует отметить, что ввиду сложности состава природного топлива расчет удельной теплоты его сгорания затруднен, поэтому обычно ее определяют экспериментально.