Принципы обогащения сырья

Нефть — легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от — 35 до +121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях не растворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии . В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

Химический состав

Общий состав

Нефть представляет собой  смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (> 500 веществ или обычно 80—90 % по массе) и гетероатомные органические соединения (4—5 %), преимущественно сернистые (около 250 веществ), азотистые (> 30 веществ) и кислородные (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (в основном ванадиевые и никелевые); остальные компоненты — растворённые углеводородные газы (C₁-C₄, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и др., механические примеси.

Углеводородный  состав

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30—35, реже 40—50 % по объёму) и нафтеновые (25—75 %). В меньшей степени — соединения ароматического ряда (10—20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного, строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).

Элементный состав нефти и гетероатомные компоненты

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие —H2S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70—90 % концентрируется в остаточных продуктах —мазуте и гудроне); азотсодержащие — преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие —нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005—0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10⁻⁵ — 10⁻²%), Ni(10⁻⁴−10⁻³%), Cl(от следов до 2·10⁻²%) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

Классификация нефти  по углеводородному составу

Класс углеводородов, по которому нефти даётся наименование, должны присутствовать в количестве более 50 %. Если присутствуют углеводороды также и других классов и один из классов составляет не менее 25 %, выделяют смешанные типы нефти: метано-нафтеновые, нафтено-метановые, ароматическо-нафтеновые, нафтено-ароматические, ароматическо-метановые и метано-ароматические; в них первого компонента содержится более 25 %, второго — более 50 %.

Химические свойства  

По химическому составу  каменный уголь представляет собой  смесь высокомолекулярных ароматических  соединений с высокой массовой долей  углерода, а также воды и летучих  веществ с небольшими количествами минеральных примесей. Таковые примеси  при сжигании угля образуют золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного  угля, обладает канцерогенными свойствами.

Большинство залежей каменного  угля было образовано в палеозое, преимущественно  в каменноугольном периоде, примерно 300—350 миллионов лет тому назад. По химическому составу каменный уголь  представляет смесь высокомолекулярных полициклических ароматических  соединений с высокой массовой долей  углерода, а также воды и летучих  веществ с небольшими количествами минеральных примесей, при сжигании угля образующих золу. Ископаемые угли отличаются друг от друга соотношением слагающих их компонентов, что определяет их теплоту сгорания. Ряд органических соединений, входящих в состав каменного  угля, обладает канцерогенными свойствами. Содержание углерода в каменном угле, в зависимости от его сорта, составляет от 75 % до 95 %.

Каменный уголь, твёрдое  горючее полезное ископаемое растительного  происхождения; разновидность углей  ископаемых с более высоким содержанием  углерода и большей плотностью, чем у бурого угля. Представляет собой плотную породу чёрного, иногда серо-чёрного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью. Содержит 75—97% и более углерода; 1,5—5,7% водорода ; 1,5—15% кислорода; 0,5—4% серы; до 1,5% азота; 45—2% летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14%; золы — обычно от 2—4% до 45%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу Каменный уголь, не менее 23,8 Мдж/кг (5700 ккал/кг).

Уголь – это остатки  растений, погибших многие миллионы лет  назад, гниение которых было прервано в результате прекращения доступа  воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее  углерод. Доступ воздуха прекращался  особенно резко там, где болота и  заболоченные леса опускались в результате тектонических подвижек и изменения  климатических условий и покрывались  сверху другими веществами. При этом растительные останки превращались под воздействием бактерий и грибов ( углефицировались) в торф и дальше в бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит.

По составу основного  компонента – органического вещества угли подразделяются на три генетические группы: гумолиты, сапропелиты, сапрогумолиты. Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их произошло  преимущественно в болотах, занимавших низменное побережье морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов. Накапливающийся  растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался  в торф, при этом значительное влияние  оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Содержание углерода в каменном угле колеблется от 75 до 90 процентов. Точный состав обуславливается  месторасположением и условиями  преобразования угля. Минеральные примеси  находятся либо в тонкодисперсном  состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и  линз, а также кристаллов и конреций. Источником минеральных примесей в ископаемых углях могут быть неорганические части растений – углеобразователей, минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках и т.д.

В результате длительного  воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются  в каменные угли, а последние –  в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава, физических и технологических свойств органического вещества на стадии превращения от бурых углей до антрацитов носит название метаморфизма углей.  

Структурно-молекулярная перестройка  органического вещества при метаморфизме сопровождается последовательным повышением в угле относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость, оптичность, электричность  и др. физические свойства. Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства – способность гелифицированных и липоидных компонентов органического  вещества переходить при нагревании в определенных условиях в пластическое состояние и образовывать пористый монолит –кокс.В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли угли подвергаются окислению.

Глубина окисления ископаемых углей в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала  грунтовых вод, характера климатических  условий, вещественного состава  и метаморфизма колеблется от 0 до 100 метров по вертикали. 

Удельный вес каменного  угля 1,2 – 1,5 г/см3 ,теплота сгорания 35000 кДж/кг. Каменный уголь считается  пригодным для технологического использования если после сгорания зола составляет 30% или менее. Примитивная  добыча ископаемых углей известна с  древнейших времён (Китай,Греция). Существенную роль в качестве топлива уголь стал играть в Британии в 17 веке. Становление угольной промышленности связано с использованием углей, как кокса при выплавке чугуна. Начиная с 19 века крупный приобретатель угля – транспорт. Основные направления промышленного использования угля : производство электричества , металлургического кокса, сжигание в энергетических целях, получение при химической переработке разнообразных (до 300 наименований) продуктов. Возрастает потребление углей для получения высокоуглеродистых углеграфитовых конструкционных материалов, горного воска, пластических масс, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, ароматических продуктов путём гидрогенизации, высоко азотистых кислот для удобрений. Получаемый из каменного угля кокс, необходим в больших количествах металлургической промышленности. 

Получение кокса осуществляется на коксохимических заводах. Каменный уголь подвергается сухой перегонке (коксованию) путём нагревания в  специальных коксовых печах без  доступа воздуха до температуры  С. При этом получается кокс – твердое  пористое вещество. Кроме кокса при  сухой перегонке каменного угля образуются также летучие продукты, при охлаждении которых до 25-75 С  образуется каменноугольная смола, аммиачная вода и газообразные продукты. Каменноугольная смола подвергается фракционной перегонке, в результате чего получают несколько фракций:

легкое масло (температура  кипения до 170 С) в нем содержится ароматические углеводороды (бензол, толуол , кислоты и др. вещества;

среднее масло (температура  кипения 170-230 С). Это фенолы, нафталин;

тяжелое масло ( температура  кипения 230-270 С). Это нафталин и его  гомологи

антраценовое масло –  антрацен, фенатрен и др. 

В состав газообразных продуктов (коксового газа) входят бензол, толуол, ксиолы, фенол, аммиак и другие вещества. Из коксового газа после очистки от аммиака, сероводорода и цианистых соединений извлекают сырой бензол, из которого выделяют отдельные углеводороды и ряд других ценных веществ.

Аморфный углерод в  виде каменного угля, а также многие соединения углероды играют важнейшую  роль в современной жизни как  источники получения различных  видов энергии. При сгорании угля выделяется тепло, которое используется для отопления, изготовления пищи и для многих производственных процессов. Большая же часть получаемого тепла превращается в другие виды энергии и затрачивается на совершение механической работы. Каменный уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Он представляет собой плотную породу черного, иногда темно-серого цвета с блестящей матовой поверхностью. Содержит 75-97% углерода, 1,5-5,7% водорода, 1,5-15% кислорода, 0,5-4% серы, до 1,5% азота, 2-45% летучих веществ, количество влаги колеблется от 4 до 14%. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля не менее 238МДж/кг. Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических веществ высших растений, претерпевших изменения в условиях давления различных пород земной коры и под воздействием температуры. С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменный уголь увеличивает содержание углерода и одновременно уменьшает количество кислорода, водорода, летучих веществ. Изменяется также теплота сгорания угля. 

Физические свойства

содержание углерода (С,%) - 75-97;

плотность (г/см3) – 1,28-1,53;

механическая прочность (кг/см2) – 40-300;

удельная теплоемкость С (Ккал/г град) – 026-032;

коэффициент преломления  света – 1,82-2,04.

Наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного  угля в мире это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский бассейны – в России; Карагандинский – в Казахстане; Аппалачский и Пенсильванский бассейны – в США; Рурский – в Германии; Большой Хуанхэ – в Китайской Народной Республике (КНР); Южно-Уельский – в Англии; Валансьен – во Франции и др.

Применение каменного  угля многообразно. Он используется как  бытовое, энергетическое топливо, сырье  для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая промышленность, отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования. Коксование- промышленный метод переработки угля путем нагревания до 950-1050 С без доступа воздуха. Основынми коксохимическими продуктами являются: коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы, аммиака.

Из коксового газа углеводороды извлекают промывкой в скрубберах жидкими поглотительными маслами. После отгонки от масла, разгонки из фракции, очистки и повторной  ректификации получают чистые товарные продукты, как-то: бензол, толуол, ксилолы  и др. Из непредельных соединений, содержащихся в сыром бензоле, получают кумароновые  смолы, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой  промышленности. Перспективным сырьем является также циклопентадиен, который также получают из каменного угля. Каменный уголь – сырье для получения нафталина и других индивидуальных ароматических углеводородов. Важнейшими продуктами переработки являются пиридиновые основания и фенолы.

Путем переработки в общей сложности можно получить более 400 различных продуктов, цена которых, по сравнению ,со ценой самого угля, возрастает в 20-25 раз, а побочные продукты, получаемые на коксохимических заводах, превосходят цена самого кокса. Очень перспективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Для производства 1т черного золота расходуется 2-3т каменного угля. Из каменных углей получают искусственный графит. Используются они в качестве неорганического сырья. При переработке каменного угля из него в промышленных масштабах извлекают ванадий, германий, серу, галлий , молибден, цинк,свинец.Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей).Каменный уголь содержит до 97% углерода, можно сказать, лежит в основе всех углеводородов, т.е. в их основе лежат атомы углерода. Часто приходится встречаться с аморфным углеродом в виде угля. По строению аморфный углерод – это тот же графит, но в состоянии тончайшего измельчения. Практическое применение аморфных форм углерода разнообразно. Кокс и уголь – как восстановитель в металлургии при выплавке железа.

Образование угля

Образование каменного угля характерно для всех геологических систем начиная от силура и девона, очень широко Каменный уголь распространены в отложениях каменноугольной, пермской и юрской систем. Залегают Каменный уголь в виде пластов различной мощности (от долей м и до нескольких десятков и более м). Глубина залегания углей различна — от выхода на поверхность до 2000—2500 м и глубже. При современном уровне горной техники добыча rаменного угля может производиться открытым способом до глубины 350 м.

Для образования угля необходимо обильное накопление растительной массы. В древних торфяных болотах, начиная  с девонского периода, накапливалось  органическое вещество, из которого без  доступа кислорода формировались  ископаемые угли. Большинство промышленных месторождений ископаемого угля относится к этому периоду, хотя существуют и более молодые месторождения. Возраст самых древних углей  оценивается примерно в 350 миллионов  лет.