Iškastinis kuras ir jo perdirbimas

Iškastinis kuras ir jo perdirbimas

Mokymosi tikslai

• Apibūdinti naftos, gamtinių dujų ir anglių kilmę bei sudėtį.
• Paaiškinti frakcinį distiliavimą pagal virimo temperatūrų skirtumus.
• Susieti angliavandenilio grandinės ilgį su frakcijos lakumu.
• Paaiškinti krekingo paskirtį ir užrašyti paprastą krekingo lygtį.
• Vertinti iškastinio kuro naudą ir poveikį pagal visą gyvavimo ciklą.

Sąvokos

• Frakcija – panašiame temperatūrų intervale verdančių naftos komponentų mišinys.
• Frakcinis distiliavimas – skysčių atskyrimas pagal skirtingą lakumą daugkartinio garavimo ir kondensacijos būdu.
• Krekingas – ilgų angliavandenilių grandinių skaidymas į trumpesnes molekules.
• Iškastinis kuras – per geologinį laiką susidarę anglies turintys energijos ištekliai.

Prisimink

Mišinį sudaro kelios medžiagos, kurių dalelės nėra chemiškai sujungtos į vieną junginį. Mišinio komponentus galima atskirti fizikiniais metodais, jei skiriasi jų savybės, pavyzdžiui, virimo temperatūra.

Pagrindiniai gamtiniai šaltiniai

Gamtinės dujos daugiausia sudarytos iš metano $\ce{CH4}$, bet gali turėti etano, propano, vandens garų, $\ce{CO2}$ ir sieros junginių.

Nafta – šimtų skirtingų angliavandenilių mišinys. Joje yra tiesių, šakotų, ciklinių ir aromatinių junginių.

Anglys – kietos, anglimi turtingos geologinės medžiagos. Jų sudėtis nėra viena tiksli molekulinė formulė.

Šie ištekliai susidarė per geologinius laikotarpius, todėl žmogaus laiko masteliu laikomi neatsinaujinančiais.

Naftos frakcinis distiliavimas

Paveiksle parodytas laboratorinis pakartotinio garavimo ir kondensacijos modelis. Pramoninėje naftos kolonoje vietoje vieno imtuvo yra daug lėkščių ir skirtingame aukštyje įrengtų frakcijų išvadų.

1. Žalia nafta įkaitinama, kad didelė jos dalis išgaruotų.
2. Garai patenka į koloną, kurios apačia karšta, o viršus vėsesnis.
3. Aukštai verdantys dideli angliavandeniliai kondensuojasi žemiau.
4. Žemai verdantys maži angliavandeniliai kyla aukščiau.

Frakcija yra ne viena gryna medžiaga, o panašiame temperatūrų intervale verdančių junginių mišinys.

Ilgėjant grandinei paprastai didėja virimo temperatūra ir klampa, mažėja lakumas.

Krekingas

Rinka dažnai reikalauja daugiau trumpagrandžių degalų ir alkenų negu jų gaunama tiesiogiai distiliuojant. Krekingo metu ilga molekulė aukštoje temperatūroje, kartais su katalizatoriumi, suskaidoma.

Vienas iš daugelio galimų atomų balansą išsaugančių pavyzdžių:

$\ce{C10H22 -> C8H18 + C2H4}.$

Gaunamas alkanas ir alkenas. Krekingas yra cheminis procesas, nes nutrūksta ir susidaro kovalentiniai ryšiai; frakcinis distiliavimas yra fizikinis procesas.

Išspręstas pavyzdys

Užduotis. Kodėl $\ce{C5H12}$ turinti frakcija kolonoje renkama aukščiau negu daug $\ce{C16H34}$ turinti frakcija?

1. $\ce{C16H34}$ molekulė didesnė, jos elektronų debesis lengviau poliarizuojamas.
2. Dėl stipresnių Londono sąveikų jos virimo temperatūra aukštesnė.
3. Todėl ji kondensuojasi karštesnėje apatinėje kolonos dalyje, o lakesnis $\ce{C5H12}$ kyla aukščiau.

Atsakymas: frakcijų aukštį lemia virimo temperatūrų ir kolonos temperatūros gradiento derinys.

Tvarumo vertinimas

Degalų vertinimas neapsiriboja išmetimu iš automobilio. Reikia įtraukti:

• žvalgybą ir gavybą;
• metano nuotėkius ir naftos išsiliejimus;
• perdirbimui sunaudotą energiją;
• transportą ir saugojimą;
• degimo emisijas;
• produkto atliekas.

Efektyvesnis energijos naudojimas, elektrifikacija, atsinaujinanti energija ir žaliavų pakartotinis panaudojimas mažina iškastinio anglies šaltinio poreikį.

Dažnos klaidos

• Frakciją vadinti vienu angliavandeniliu.
• Manyti, kad kolonos viršus karščiausias.
• Distiliavimą laikyti reakcija.
• Krekingo lygtyje neišsaugoti C arba H atomų.
• „Natūralų“ šaltinį automatiškai laikyti tvariu.

Sauga

Naftos produktai yra degūs, o jų garai gali būti kenksmingi. Mokyklinėje veikloje pramoninis naftos distiliavimas neatliekamas. Modeliuojant mažais saugesnių skysčių kiekiais būtini akiniai, ventiliacija, elektrinis šildymas ir mokytojo priežiūra; atvira liepsna nenaudojama.

Santrauka

• Nafta yra mišinys, todėl atskiriama pagal virimo temperatūrų intervalus.
• Mažos molekulės lakesnės ir kolonoje kyla aukščiau.
• Krekingas ilgas grandines paverčia trumpesniais alkanais ir alkenais.
• Iškastinio kuro poveikis vertinamas per visą gyvavimo ciklą.

Oficialūs šaltiniai

• SRC-BP-V1269 – „Gamtiniai angliavandenilių šaltiniai. Iškastinis kuras ir jo perdirbimas“.
• SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus BP atvaizdavimas.
• SRC-IR-2025 – metodinės rekomendacijos.