石油和煤重要的烃素材1版必修

1、第二节 石油和煤重要的烃【阅读材料】煤的液化及转化简谈“煤变油”技术1.煤变油的必要性迄今为止，人类使用的主要是矿物(也叫化石)，包括石油、油页岩、煤和天然气，而用得最多的是石油和煤。自从 19 世纪中叶和 20 世纪初在美洲和中东发现大规模的石油矿藏以来，人们广泛使用石油为能源。随着工业化程度的提高，石油的用量猛增，科学家估计，地球上石油和天然气资源将在 100 年内枯竭。煤是地壳中储量最丰富的矿物，全世界煤的可开采量估计要比石油多 2040 倍，供应年代远大于石油。但是，作为，煤有两大缺点：一是不干净，煤中所含的硫燃烧生成二氧化硫，造成对大气和周围环境的严重污染；二是从原子结构上看，煤的氢

2、一碳比(HC)还不到石油的一半，限制了它的综合利用。近年来，随着石油资源日益减少，国际石油市场不定，给各国经济来不利影响。同时，由于石油是规模巨大的石油化工的基础，除用于、油漆、等工业外，还用于生产食用油脂、蛋白质、糖类及甘油等基本食品，石油资源的枯竭，必将影响到工业。因此，从经济和社会效益来看，煤经过转化(煤变油)再利用是值得提倡的发展方向。2.煤变油的可能性石油是一种气态、液态和固态碳氢化合物的混合物，也可能是由古代的动植物长期被埋藏在而形成的，储集在的多孔性岩石里。石油中碳氢化合物(包括烷烃、环烷烃和芳香烃)占 98以上。煤是一种碳质岩石，是古代森林由于地壳的变动被埋人，经过漫长的地质年

3、代的生物化学作用和地质作用而形成的。按煤化作用程度的不同，可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。它是多种高分子有机化合物和矿物质的混合物，其中有机化合物以碳为主，氢、氧、氮、硫等次之。由此可见，煤和石油都是主要由碳和氢元素组成的。此外，煤是化学结构十分复杂的复合体，而油比煤的结构简单得多。因此，人类产生了由煤液化转化为油的想法。3.煤变油的关键是煤液化技术要将煤变成油，首先要将煤液化，然后进行分解，因而煤变油的关键是煤的液化技术。所谓煤的液化，就是将煤通过化学加工转化为液体产品的过程，煤的液化可分为直接液化和间接液化两系4.煤变油在我国利用丰富的煤资源，采用直接和间接煤液化技术，人类已经实现了

4、煤转化为油的梦想。我国对煤的液化及转化也非常重视，1980 年重新开展煤直接液化研究，1983 年和 1990 年两次从和德国引进的煤直接液化技术和设备，至今还在继续使用和运行，中国煤种液化特性评价和液化工艺的研究及对的研究也一直在进行。目前我国在煤气方面已取得较好的成果，并正向世界一流技术水平进军。我国对煤制甲醇也做了大量工作。甲醇是用含有 H2 和 CO 的原料气制作的，可用作化工原料、溶剂和。甲醇用作汽车，可在中掺人 5、15、25 (M-5、M-15、M 口 25)或用纯甲醇(M- 100)。甲醇和异丁烯甲基叔醚 (MTBE)，用作无铅辛烷值添加剂；或直接低碳混合醇(甲醇 70，低碳醇

5、 30)，用作辛烷值添加剂。甲醇还可。目前，我国甲醇年产能力超 过 60 万吨，其中约 20用作。煤用间接液化制成甲醇已有了成熟技术。乙烯-石油化学工业水平的标志石油化学工业中大多数中间产品（有机化工原料）和最终产品（三大材料）均以烯烃和芳烃为原料，除由重整生产芳烃以及由催化裂化副产物中回收丙烯、丁烯和外，主要由乙烯装置生产各种烯烃和芳烃。乙烯装置在生产乙烯的同时，副产大量的丙烯、丁烯、苯、甲苯和二甲苯，成为石油化工基础原料的主要来源。除生产乙烯外，世界上约70的丙烯、90的、30的芳烃均来自乙烯的副产。以三烯（乙烯、丙烯、）和三苯（苯、甲苯、二甲苯）总量计，约 65来自乙烯生产装置。乙烯装置

6、代表着一个国家的设备和技术状况。因为在乙烯装置中有 1100高温压和-175低温压，有大型离心压缩机组，有各种苛刻条件下使用的塔釜设备。据统计，一套 30 万吨乙烯装置，要用 2.2 万吨钢材，大小塔 40 余座，设备近 800 台，机泵 300 台，仪器仪表 7000，乙烯装置的建设和管理，足可以反映出现代工业的综合技术水平。正因如此，常常以乙烯生产作为衡量一个国家和地区石油化工生产水平的标志。乙烯由两个碳原子和 4 个氢原子，碳碳之间由双键连接，具有很强的反应能力。在石油乙烯出现之前，乙烯主要由粮食脱水以及电石乙炔加氢得到。于第一次世界大战期间开始由石油烃裂解乙炔-乙烯混合气，用于生产芥子

7、气（毒瓦斯）。1930 年，利用裂解天然气制乙烯，出。1937 年，美孚油公司利用管式炉裂解石脑油，高辛烷值同时，从副产的烯烃气体中回收乙烯，成功地生产出抗爆剂-四乙基铅。从 20 世纪 50 年始，研究提高反应温度(7001000)、加入水蒸气、缩短反应时间的裂解方法，装置生产能力由 20 世纪 50 年代的 2 万-3 万吨年提高到 80 年代的 75万吨年。目前，全世界的乙烯年产量已经超过了 8000 万吨。乙烯之所以成为石油化工产品的基础原料，是由于它易于加工利用。例如乙烯和水反应就可生成乙醇（），这就可以节省大批用于生产的粮食，用乙烯生产的成本只有以粮食生产成本的 1/4。乙烯的自身

8、聚合，是乙烯的最大用量。例如高密度聚乙烯和低密度聚乙烯总量占乙烯总产量的 60%以上，再加上聚苯乙烯、聚氯乙烯等树脂，使乙烯在树脂生产中占有绝对优势。乙烯的选择性聚合可生成丁烯-1、己烯-1、辛烯-1 等 烯烃，这些烯烃是聚乙烯的共聚单体和表面活性剂原料，也是高档润滑油的优质原料。石油烃热裂解有多种方法，如蓄热炉裂解、床裂解、管式炉裂解等。前两种都因投资高、物耗能耗高、污染严重等被淘汰。管式炉具有技术成熟、结构比较简单、运转稳定性好和烯烃收率高等优点，现在世界上约 99的乙烯是由管式炉裂解法生产的。通常说的乙烯装置，主要包括管式炉裂解和深冷分离。裂解混合碳四须经抽提才能得到；裂解须经加氢和芳烃

9、抽提才能得到苯、甲苯和二甲苯。除了烃类裂解生产乙烯外，由炼厂气回收乙烯、丙烯，也是工业上生产烯烃的主要来源之一。炼厂中的热裂化装置、催化裂化装置、延迟焦化装置副产的轻烃的烯烃，由这些炼厂气回收的烯烃在烯烃生产中占有相当重要的地位，尤其在丙烯和碳四烯烃生产中的地位不亚于烃类裂解法。两梦定乾坤的以碳、氢、氧三种元素为主组成的有机化合物是一个庞大的，尤其是道出在这些 复杂化合物中，碳原子之间是以哪种方式相连接，长期困扰了许多化学家。不了解分子的结构就难于测定它的性质，更难判定它有哪些用途。凯(1829-1996)为了碳、碳间的结构，花费了大量的时间和心血，终于心有灵犀一点通，得益于“梦中悟道”，为有

10、机化学 的发展作出了杰山的贡献。上个世纪 60 年代中叶，凯旅居伦敦，在英国议院下院的克拉帕姆路住过一段时间。那时候，他工作非常勤奋，终日在简陋的里专心致志地实验、思考，夜以继日，废寝忘食。他晚上常去好友，海阔天空地谈论各种问题，话题大部分还是他们共同关心的化学，这可以说是他最感的“业余”活动了。那个时候，化学界，特别是有机化学家都被碳原子的奇特性质和难以捉摸的结构所吸引。他们像着了迷一样，热衷于解开碳化合物的结构之谜，以求合理解释碳化合物的成员为什么如此繁衍众多，碳的 4 个化合价是怎样妥善安排互相连接起来的。说起碳的化合价是 4，这也是凯的-个发现周期表里每个“”的化学元 素都具有一定的化

11、合价，说明它们能和几个别的元素原子“携手并肩”结合起来，所以过去也常叫做“化学亲合力”比如氢是 1 价的，只能伸出一只手去和原子(或“基”) 结合；氧是 2价的，只能“伸出双手”欢迎其他“客人”；而碳是 4 价的，它就能和四个“朋友”去“拥抱”了。这些，目前已经成为了，但是当初确定它们的化合价却是化学界、其至是科学界的事件。弄不清这个问题，就确定不了原子量，当然就更不能排列绘制出化学家的地图-化学元素周期表来了。-个晴朗的夏夜，整个城市已沉静下来。凯乘最后一班公共马车回家。那时候的公共马车还是双层的，凯在马车上层陷入了沉思，后来似乎进入了梦乡。俗话说，日有所思，夜有所梦。他眼前又浮现出旋转飘游

12、的众多原子。这些活动的原子虽然时常浮现 在他的脑际，但平时“看不清”它们的“庐山”，总是若隐若现。这个晚上却不同了，也像文学家常说的“灵感”来了吧，凯今晚似乎见到那些小原子总是时而结队，时而被大原子拥抱：大原子一会儿捉住三个或四个小原子，一会儿这些原子又好像全部形成旋涡状而跳起舞来。他还看到大原子排着队，牵着长链另-端的小原子走。 凯正如梦非梦脑海里出现这些思维的闪光的当儿，“克拉帕姆路到了”的喊声把他惊醒过来。凯回到寓所，回忆车上的梦境，用了半夜的时间奋笔疾书，把这个闪现的幻影捕捉下来，记述-于是碳的链状结构诞生了。解决了 4 价的碳在长链化合物中是怎样结合的，还只是解决了问题的一半。有些碳

13、的化合物用这个结构图式仍然无法说明，比如苯分子中碳的 4 价和六个氢原子怎样相连仍然无法解释。所以，凯为此还是日夜苦思冥想。后来，有一天晚上他正执笔撰写化学，不知为什么思路总不能集中，写起来也不顺利。他拉把椅子坐到壁炉前打起盹来，他脑海里又出现了一群旋转着的原子群，在这群原子后面还跟随-群更小的原于。对这种“灵感”的来袭已经有过体验的凯，立即从中分辨出种种不同形状、似乎是缠绕狂舞的“群蛇”，边旋转边运动。蓦然，他仿佛看到其中一条“蛇”衔着自己的尾巴，摇来摇去在他面前打起转转，似有嘲弄戏耍之意，像被电击一样，凯下意识地猛醒过来，他想到碳链为什么不可以自身首尾相接?于是，这夜晚他又振笔疾书，整理出

14、了他的碳化合物的环状结构理论。要知道，碳的化合物中这类环状结构的化合物-芳香族化合物是一类非常重要的，而为打开这个广阔天地大门金的正是凯。是一位严谨治学的科学家，他没有轻率地将他两次“梦中悟道”的结果匆匆。1890 中，在德国化学会 25庆祝会上，他生动地回忆了两次“梦中悟道”的情况。他语重心长地说：“也学会作梦吧!它会帮助发现真理。但是在的梦没有以清 醒的理智进行研究之前，千万不要轻易。”他是这样说的，也是这样做的。他在伦敦第一次“梦中悟道”以后，只是回到堡才写成关于碳链学说的正式。但马上可能不太慎重，就又放了一年多才出来。他在比利时第二次“梦中悟道”以后，也搁置了大约一年时间，在别的学者完成了有关的实验之后，他才把苯的环状结构理论拿出来。科学史上，一些重要学说的建立往往是由点滴偶然的联想为渊源的。但是成为立得起、站得住的学说，还必须以丰富的事实作依据，进行多方面的探讨和检验。没有经过多方面 的推敲，即便名噪-时，也未必经得起历史的考验。凯关于苯的环状结构理论一就获得成功，是和他的这种审慎的、严格的科学态度密切不可分的。一百多年来，尽管结构理论有了极大的发展和极大的深化，但是凯当年所达到的认识在总的轮廓上仍然惊人地正确，在表述