SGK Hóa Học 11 - Bài 37: Nguồn hiđrocacbon thiên nhiên
NGUỒN HIĐROCACBON THIÊN NHIÊN £7 Biết các nguồn hiđrocacbon trong tự nhiên, thành phần và các phương pháp chế biến chúng. ££ Các ứng dụng quan trọng cúa hiđrocacbon trong công nghiệp và đời sống. I - DẦU MỎ Dầu mỏ nằm trong các túi dầu trong lòng đất. Túi dầu là các lớp nham thạch có nhiều lỗ xốp chứa dầu được bao quanh bởi một lớp khoáng sét không thấm nước và khí. Túi dầu gồm ba lớp : Trên cùng là lớp khí được gọi là khí mỏ dầu. Lớp khí này có áp suất khá lớn. Giữa là lớp dầu. Dưới cùng là lớp nước và cặn. Hình 7.4. Sơ đồ cấu tạo mỏ dâu Lớp khí Lớp dầu Lớp nước mặn Thành phần Dầu mỏ là chất lỏng sánh, màu nâu đen, có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước, không tan trong nước. Nó là hỗn hợp của rất nhiều hiđrocacbon khác nhau. Mỏ dầụ ở mỗi nơi có hàm lượng các chất khác nhau nhưng về cơ bản đều gồm các nhóm chất sau : Nhóm ankan từ Cj đến C50. Nhóm xicloankan gồm chủ yếu xiclopentan, xiclohexan và các đồng đẳng của chúng. Nhóm hiđrocacbon thơm gồm benzen, toluen, xílen, naphtalen và các đồng đẳng của chúng. Ngoài thành phần chính là hiđrocacbon, trong dầu mỏ còn có một lượng nhỏ các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, oxi, lưu huỳnh và lượng rất nhỏ các chất vô cơ ở.dạng hoà tan. Các hợp chất chứa lưu huỳnh có trong dầu mỏ làm cho dầu mỏ có mùi khó chịu và gây hại cho động cơ. Dầu mỏ khai thác ở thềm lục địa phía Nam Việt Nam có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (< 0,5% khối lượng) nên rất thuận lợi cho việc chế biến và sử dụng. Khai thác Muốn khai thác dầu, người ta khoan nhũng lỗ khoan gọi là giếng dầu. Khi khoan trúng lớp dầu lỏng, dầu sẽ tự phun lên do áp suất cao của khí dầu mỏ. Khi lượng dầu giảm thì áp suất khí cũng giảm, người ta phải dùng bơm hút dầu lên hoặc bơm nước xuống để đẩy dầu lên. Chế biến Dầu thô mới lấy từ mỏ lên được đem xử lí sơ bộ để loại bỏ nước, muối và phá nhũ tương, sau đó đem chưng cất phân đoạn (phương pháp vật lí). Một số phần sau khi chưng cất phân đoạn được chế biến tiếp bằng phương pháp hoá học như crăckinh, rifominh để nâng cao giá tiị sử dụng của dầu mỏ. Chưng cất Trong công nghiệp, dầu mỏ được chưng cất ở áp suất thường trong những tháp cất liên tục (chung cất phân đoạn). Quá trình này tách được những phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ sôi khác nhau. Các phân đoạn đó được đưa đi sử dụng hoặc chế biến tiếp. Hình 7.5. Sơ đồ chưng cất, chếhoá và ứng dụng của dầu mỏ b) Chế biến hoá học Để làm tăng giá trị sử dụng của dầu mỏ, người ta phải chế biến hoá học các phân đoạn dầu mỏ. Để thu được nhiều xăng có chất lượng cao và nhiều nguyên liệu cho tổng hợp hoá học, người ta áp dụng các phương pháp crăckinh và rifominh. Crăckinh là quá trình “bẻ gãy” phân tử hiđrocacbon mạch dài để tạo thành các phân tử hiđrocacbon mạch ngắn hơn nhờ tác dụng của nhiệt hoặc của xúc tác và nhiệt. Thí dụ : ^8H18 crăckinh C4Hjo + C4H8 Hiđrocacbon sinh ra có thể bị crăckinh tiếp thành các chất có phân tử khối nhỏ hơn. Thí dụ : C4H10 crăckinh C2Hg ^"2^4 ch4 + c3h6 Sản phẩm của quá trình crăckinh các phân đoạn nặng của dầu mỏ là xăng và khí crăckinh (gồm chủ yếu là metan, etan, etilen, butilen,...). Rifominh là quá trình dùng xúc tác và nhiệt làm biến đổi cấu trúc của phân tử hiđrocacbon từ mạch cacbon không nhánh thành phân nhánh (đồng phân hoá),. từ không thơm thành thơm. Thí dụ : CH3-CH-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 t°, xt ch3-ch2-ch-ch2-ch3 ch3 Tách hiđro - đóng vòng ankan thành xicloankan. + H2 Thí dụ-. CH3-[CH2]4-CH3 t Tách hiđro của xicloankan thành hiđrocacbon thơm. Thí dụ : ứng dụng Các sản phẩm chế biến dầu mỏ có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp và đời sống. Từ dầu mỏ, sản xuất ra các loại nhiên liệu cho các động cơ, các nhà máy. Làm nguyên liệu cho các quá trình sản xuất hoá học. II - KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ KHÍ MỎ DẦU Thành phần Khí thiên nhiên có nhiều trong các mỏ khí, tại đó khí tích tụ trong các lớp đất đá xốp ở những độ sâu khác nhau và được bao bọc bởi các lớp đất đá không thấm nước và khí, chẳng hạn như đất sét. Thành phần chủ yếu của khí thiên nhiên là metan, có thể chiếm tới 95% thể tích. Phần còn lại là một số đồng đẳng thấp của metan như etan, propan, butan và một số chất khí vô cơ như nitơ, cacbon đioxit, hiđro sunfua, hiđro, ... Khí thiên nhiên ở các mỏ phía Tây Nam nước ta có thành phần phần trăm về thể tích các chất như sau : Chất ch4 C2Hg ’-'3^8 ^4H10 C5H12 • n2 co2 Thành phẩn (%) vể thể tích 77,91 6,86 4,09 1,98 0,49 0,80 7,86 Khí mỏ dầu (còn được gọi là khí đồng hành vì nó thoát ra cùng với dầu mỏ) có trong các mỏ dầu. Một phần khí này tan trong dầu mỏ, phần lớn được tích tụ lại thành lớp khí phía trên lóp dầu. Khai thác khí mỏ dầu được tiến hành đồng thời với khai thác dầu mỏ. Thành phần của khí mỏ dầu gần giống như khí thiên nhiên, nhưng hàm lượng metan thấp hơn (chỉ chiếm khoảng 50 - 70% thể tích), còn các thành phần ankan khác lại cao hơn. Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu của Việt Nam có chất lượng tốt do có chứa rất ít hợp chất của lưu huỳnh. ứng dụng Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện. Hiện nay, khí thiên nhiên ở Tiền Hải (Thái Bình) được dùng làm nhiên liệu chủ yếu cho công nghiệp gốm sứ. Khí mỏ dầu trong mỏ Bạch Hổ, Lan Tây, Lan Đỏ, ... được dẫn vào bờ cung cấp cho nhà máy điện đạm Phú Mỹ, Bà Rịa - Vũng Tàu nhờ hệ thống đường ống Nam Côn Sơn. Đây là đường ống dẫn hai pha thuộc loại dài nhất thế giới (hình 7.6). Hình 7.6, Sơ đồ đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn Khí thiên nhiên và khí mỏ dầu là nguồn nguyên liệu và nhiên liệu quan trọng. Sau khi được xử lí loại bỏ hợp chất của lưu huỳnh, qua các công đoạn nén và làm lạnh thu được các thành phần chính là metan, etan, propan, butan và các chất vô cơ như nitơ, hiđro,... Ill - THAN MỎ Than mỏ là một trong các loại nhiên liệu và nguyên liệu quan trọng. Than mỏ là phần còn lại của cây cỏ cổ đại đã bị biến hoá. Có ba loại than chính : than gầy, than mỡ và than nâu, trong đó than mỡ được dùng để chế than cốc và cung cấp một lượng nhỏ hiđrocacbon. Khi nung than mỡ lên nhiệt độ cao khoảng 1000 °C trong điều kiện không có không khí, các chất hữu cơ phức tạp trong than bị phân huỷ, các sản phẩm dễ bay hơi thoát ra, một phần hoá lỏng gọi là nhựa than đá, phần khí được gọi là khí lò cốc. Chất rắn còn lại gọi là than cốc. Quá trình chưng cất than đá được thực hiện trong lò cốc. Khí lò cốc là hỗn hợp của các chất dễ cháy. Thành phần của khí lò cốc phụ thuộc vào nguyên liệu ban đầu, nhưng hàm lượng trung bình các chất theo thành phần phần'trăm về thể tích như sau : h2 ch4 Hiđrocacbon khác CO co2, n2, o2 59 % 25% 3 % 6 % 7 % Nhựa than đa là chất lỏng, có chứa nhiều hiđrocacbon thơm và phenol. Từ nhựa than đá người ta đã tách được nhiều chất có giá trị như benzen, toluen, phenol, naphtalen,... còn lại là hắc ín. Các hợp chất thơm thu được từ chưng cất than đá là nguồn bổ sung nguyên liệu đáng kể cho công nghiệp. Việt Nam có cơ sở luyện cốc ở Thái Nguyên chủ yếu để cung cấp than cốc cho các lò luyện kim. BÀI TẬP Hãy cho biết thành phần của dầu mỏ. Tại sao dầu mỏ lại không có nhiệt độ sôi nhất định ? Có thể biểu thị thành phần của dầu mỏ bằng một công thức phân tử nhất định được không ? Tại sao ? Khí thiên nhiên, khí mỏ dầu, khí lò cốc là gì ? Nêu thành phần chính của mỗi loại khí này và ứng dụng của chúng. Trình bày tóm tắt quy trình chưng cất dầu mỏ, các phân đoạn và ứng dụng của chúng. Có mấy loại than chính ? Thành phần và cách chế biến chúng. Một loại khí thiên nhiên có thành phẩn phần trăm về thể tích các khí như sau : 85,0% metan ; 10,0% etan ; 2,0% nitơ và 3,0% cacbon đioxit. Tính thể tích khí (đo ở điều kiện tiêu chuẩn) cần để đun nóng 100,0 lít nước từ 20,0 °C lên 100,0 °C, biết nhiệt lượng toả ra khi đốt 1 mol metan, 1 mol etan lần lượt bằng : 880,0 kJ ; 1560,0 kJ và để nâng 1 ml nước lên 1° cần 4,18 J. Nếu chuyển được toàn bộ hiđrocacbon trong 1,000.103 m3 khí trên (đktc) thành axetilen, sau đó thành vinyl clorua với hiệu suất toàn bộ quá trình bằng 65,0% thì sẽ thu được bao nhiêu kilogam vinyl clorua ? ■T ư liệu ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG XĂNG NHƯ THẾ NÀO Xăng dùng cho các loại động cơ thông dụng như ôtô, xe máy là hỗn họp các hiđrocacbon no ớ thể lỏng (từ C5H12 đến C12H26). Chất lượng xăng được đánh giá qua chí số octan - là thước đo khá năng chống kích nố cứa xăng. Chỉ số octan càng cao thì chất lượng xăng càng tốt do khả năng chịu áp lực nén tốt nên khả năng sinh nhiệt cao. Heptan được coi là có chỉ số octan bằng 0 còn 2,2,4-trimetylpentan (còn được gọi là isooctan) được quy ước có chí số octan bằng 100. Các hiđrocacbon mạch vòng và mạch phân nhánh có chí số octan cao hơn các hiđrocacbon mạch không phân nhánh. Chí số octan được xác định bằng máy đo chí số octan. Chất chuấn là isooctan và các hỗn hợp có thành phần thay đối cúa isooctan và heptan. Xăng có chí số octan thấp thường phái pha thêm tetraetyl chì Pb(C2H5)4 để làm tăng khá năng chịu nén cúa nhiên liệu nhưng khi thải ra không khí lại gây ô nhiễm môi trường, rất hại cho sức khoé con người. Hiện nay, đế tăng chí số octan cúa xăng, người ta dùng các phụ gia ít độc hại nhưTBME ... Ở Việt Nam hiện nay chú yếu dùng xăng A90 hoặc A92 là các loại xăng có chí số octan cao. Những loại xăng này không cần phái thêm tetraetyl chì nên đỡ độc hại và ít gây ô nhiễm môi trường.