课题3　石油、煤和天然气的综合利用教学设计模板

课题3

石油、煤和天然气的综合利用

[目标导航]

1.了解石油的炼制和石油化工中裂化、裂解的概念及石油产品。2.了解煤的干馏和综合利用。3.了解煤化工和天然气化工的发展。

一、石油和天然气

1．石油的组成

(1)地下开采出来的石油是黑褐色的黏稠状物质，加工前称为原油，不能直接利用。

(2)石油主要是由分子中含有不同数目碳原子的烃组成的复杂混合物，平均来说，碳元素和氢元素在石油中的质量分数之和可达97%～98%。

2．石油炼制和石油化工

(1)石油炼制目的

①将石油中的混合物进行一定程度的分离，使它们物尽其用。

②将含碳原子数较多的烃转变为含碳原子数较少的烃作为基本有机化工原料，以提高石油的利用价值。

(2)石油分馏

①原理：对石油进行不断的加热和冷凝，把石油分离成不同沸点范围的蒸馏产物，这种方法就是石油的分馏。石油分馏的变化类型属于物理变化。

②方法：石油分馏又可分为常压分馏和减压分馏。

(3)石油裂化和裂解

①概念：

a．裂化：是在一定条件下，将相对分子质量较大、沸点较高的烃分解为相对分子质量较小、沸点较低的烃的过程。

b．裂解：是以比裂化更高的温度(700～1_000_℃)将长链烃断裂成乙烯、丙烯、丁烯等短链烃的过程，又叫做深度裂化。

②目的：

a．裂化的目的：获得更多的轻质油，特别是提高汽油的产量。

b．裂解的目的：获得乙烯、丙烯、丁烯等基本有机化工原料。

3．天然气的利用

天然气除了直接用作燃料外，还是化工生产中生产氢气、乙烯、甲醇、合成液体燃料的重要原料。

[议一议]

1．石油分馏的原理是什么？石油分馏时为何还需减压分馏？

答案

石油是多种烃的混合物，没有固定的沸点。含碳原子数越少的烃、沸点越低。在给石油加热时，低沸点的烃先汽化，经冷凝后分离出来。随着温度的升高，较高沸点的烃再汽化，经冷凝后又分离出来，这样就可以把石油分成不同沸点范围的蒸馏产物，这就是石油分馏。减压分馏的原因：随着烃分子中碳原子数的增多，沸点会逐渐升高，要把它们从混合物中分离出来，就必须再升高温度。但在高温下，高沸点的烃会分解，甚至会出现炭化结焦现象，损坏设备、破坏生产。为了解决这一矛盾，常通过减小压强，使重油在较低的温度沸腾汽化，这种过程叫减压分馏。

2．直馏汽油和裂化汽油有何差别，如何鉴别？

答案

直馏汽油是石油通过分馏的方法获得的汽油，因而其主要成分是烷烃、环烷烃等；裂化汽油主要是长链烷烃裂化后得到的饱和烷烃和不饱和烯烃的液态混合物。可见直馏汽油与裂化汽油的成分主要的差异在于有无烯烃存在，因此，可用溴水鉴别直馏汽油和裂化汽油。

二、煤的综合利用

1．煤的干馏

将煤隔绝空气加强热使其分解的过程叫做煤的干馏，也叫焦化。得到的固态物质焦炭，液态物质煤焦油、粗氨水，气态物质焦炉气的成分为H2、CH4、CO、C2H4等。

2．煤的气化和液化

(1)煤的气化

煤的气化是把煤中的有机物转化为可燃性气体的过程，煤气化的主要化学反应是碳和水蒸气的反应；C(s)＋H2O(g)=====CO(g)＋H2(g)。

(2)煤的液化

煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。煤的液化分直接液化和间接液化。

①直接液化是把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压和有催化剂的条件下，使煤与氢气作用生成液体燃料。主要产品是优质汽油、柴油、芳香烃和其他化工原料，并同时副产燃料气、液化石油气、硫黄和氨气等。

②间接液化则是先把煤转化成一氧化碳和氢气(合成气)，然后再经过催化合成得到烃类燃料、醇类燃料及其他化学品等。

[议一议]

1．煤的组成成分及分类是怎样的？

答案

主要含碳元素，是多种有机物和无机矿物组成的复杂混合物，主要有无烟煤、烟煤、褐煤、泥煤等。

2．天然气、石油气、裂解气、焦炉气、水煤气、高炉煤气的来源及主要成分有何区别？

答案

高温

天然气

石油气

石油的

分馏

短链

烷烃

裂解气

石油的

裂解

乙烯、丙

烯、丁二烯

焦炉气

煤的

干馏

H2、CH4、

C2H4、CO等

水煤气

碳与高温

水蒸气反应

CO、H2等

高炉煤气

炼铁

高炉

CO2、

CO等

来源

地下矿藏

主要

成分

甲烷

3.日常生活中人们习惯将“煤”称为“炭”，从化学的角度讲，这种说法正确吗？

答案

不正确。煤是由有机物和无机物所组成的复杂的混合物，炭是由碳元素组成的单质，二者本质上不相同。

三、煤化工和天然气化工的发展——一碳化学

1．一碳化学是以分子中只含一个碳原子的化合物(如CO、CH4、CH3OH等)为原料来合成一系列化工原料和燃料的化学。也可以说，一碳化工就是新一代的煤化工和天然气化工。

2．使用不同的催化剂，可以从合成气制出不同的产物，这就是合成气化学，由CH4、CH3OH等含一个碳原子，通过催化反应直接生成新的化合物，叫甲烷化学和甲醇化学。

[议一议]

写出煤气化的主要反应方程式，高温条件下，天然气重整的化学方程式。

答案

2C＋O2=====2CO C＋H2O(g)=====CO＋H2

CO＋H2O(g)=====CO2＋H2

CH4＋H2O(g)=====CO＋3H2 高温高温高温点燃

一、石油加工方法的比较

炼制

和加

工方法

常压

分馏

分馏

减压

分馏

裂化

热裂化

催化

裂化

裂解

(深度裂化) 在高于裂化的温度(700～1 000 ℃)下，将长链分子断裂成短链的气态和少量用蒸发和冷凝的方法把石原理

油分成不同沸点范围的蒸馏产物

在一定条件下，将相对分子质量大、沸点高的烃断裂成小分子的过程

液态烃的过程

原料

脱水、脱

盐的原油

常压

加热

将原油

目的

分离成

轻质油

溶剂油

(C5～C8)、

汽油

主要

产品

(C5～C11)、

煤油

(C11～C16)、

柴油

(C15～C18)、

重油

例1

石油是现代工业的血液，是现代农业的命脉。

(1)工业上用来分馏石油的主要设备是________；常采用减压分馏对重油进行加工，减压分馏的原理是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)石油裂化分为热裂化、________和加氢裂化，裂化的目的是提高________的产量。

(3)直馏汽油的主要成分一般是________，裂化汽油里还含有________。如何用化学方法检验一瓶裂化汽油里是否含有甲苯或二甲苯等芳香烃？写出实验步骤。

________________________________________________________________________ 答案

(1)分馏塔

降低压强，烃的沸点随压强减小而降低，使重油能在较低温度下分馏

(2)催化裂化

轻质燃料油(或汽油) (3)含C5～C11的烷烃

烯烃

取少量汽油于试管中，先逐滴加入溴水直到溴水不再褪色为止，然后加入酸化的KMnO4溶液，振荡，若溶液的紫色褪去或紫色变浅，则证明汽油里含有甲苯或二甲苯。

解析

(3)由于裂化汽油中含有烯烃，苯的同系物及烯烃都能使酸化的KMnO4溶液褪色，必润滑油、

凡士

林等

汽油等

轻质油

乙烯、丙烯、

丁二烯等

重油

减压

加热

将重油充分分离，并防炭化结焦

提高轻质汽油的产量和质量

获取短链气态不饱和烃

重油

催化剂、

加热

石油分馏

产品中的烃

高温

条件

加热

须先破坏烯烃里的，避免它的干扰。

变式训练1

下列关于石油及石油炼制的叙述中错误的是(

) A．石油主要是由烷烃、环烷烃、芳香烃组成的混合物

B．石油分馏所得的馏分是纯净物

C．为了防止重油进一步分馏时炭化结焦，常采用减压分馏

D．石油裂化的原料是重油、石蜡等

答案

B 解析

石油分馏所得到的是由沸点相近的多种烃的混合物而非纯净物；减压分馏防止了重油的炭化结焦；重油、石蜡等含碳原子数较多的高沸点的烃，通过裂化可以得到含碳原子数较少的沸点低的烃。

二、煤的综合利用

1．煤的综合利用

干馏

原理

将煤隔绝空气加强热使其分解

把煤中的有机物转化为可燃性气体

高温、高压和有催化剂条件下，与溶剂混合，使煤与H2作用生成液体燃料

把煤气化成CO和H2，经催化合成液体燃料、醇类燃料(如CH3OH)等

合成汽油、甲醇等

产品

焦炭、煤焦油、焦炉气、粗氨水

低热值气CO、H2、相当量的N2 中热值气CO、H2、少量CH4 高热值气CH4

优质汽油、柴油、芳香烃和副产物燃料气、液化石油气等

气化

直接

液化

液

化

间接

液化

2.煤的干馏

(1)原理

煤的干馏实验，当看到电炉丝发出红光，此时的温度接近1 000 ℃。

现象：片刻后烟煤分解，出现棕黄色浓烟并在具支试管内冷凝成粗氨水和煤焦油；点燃从具

支试管排出的煤气，火焰长度可达10 cm左右；用玻璃棒蘸取粗氨水，滴在红色石蕊试纸上，试纸立即变蓝。

(2)产品

例2

下列说法中正确的是(

) A．煤油是石油加工所得的主要产品之一，对煤的加工不能得到煤油

B．利用“氢化法”可将煤加工成燃油，其过程中发生了化学变化

C．利用“气化—液化法”可将煤加工成燃油，其过程中只发生物理变化

D．用煤生成的燃油的化学式可表示为(CH2)n，它是一种高分子化合物

答案

B 解析

将煤进行低温(约500～600 ℃)干馏所得到的煤焦油，再进行分馏，分馏产品中有煤油。利用“气化—液化法”可将煤加工成燃油，其过程可大概表示为首先把煤转化为氢气、一氧化碳等气体，然后在催化剂的作用下，其中的一氧化碳和氢气转化为燃油。在该过程中发生了许多化学反应。(CH2)n是燃油的组成成分，属于烃，通常呈液态，液态烃是小分子化合物而不是高分子化合物。

变式训练2

下列说法中正确的是(

) A．煤是各种芳香烃组成的混合物

B．煤燃烧时，会产生大量二氧化硫、氮氧化合物、碳氧化合物和烟尘等污染物

C．煤是以单质碳为主的复杂混合物

D．以煤为主要原料，可以合成甲醇，但不能加工成高级汽油

答案

B 解析

煤是由复杂的无机物和有机物组成，除主要含有C元素外，还含有H、O、S、N等元素，但不含碳单质和简单的有机物，因此A、C是错误的；煤燃烧会产生大量的二氧化硫等污染物，所以B正确。

1．下列叙述不正确的是(

) A．含有十八个以上碳原子的烷烃，经催化裂化可得到汽油

B．裂化汽油不能用来萃取溴水中的溴

C．分馏和干馏都是物理变化

D．煤焦油是混合物，可通过分馏使其主要成分进一步分离开来

答案

C 2．下列说法中错误的是(

) A．煤主要含碳元素外还有少量的氢、氮、硫、氧、硅、铝、钙、铁等元素

B．煤是由有机物组成的复杂的混合物

C．从煤中获得苯和甲苯，可用先干馏后分馏方法将它们分离出来

D．石油含有C5～C11的烃，可以通过石油的分馏得到汽油

答案

B 解析

煤是由多种有机物和无机物组成的复杂混合物。

3．关于天然气的下列叙述中不正确的是(

) A．天然气和沼气的主要成分都是甲烷

B．改液化石油气为天然气作燃料，燃烧时应减小进空气量或增大进天然气量

C．天然气燃烧后的废气中，SO2等污染物的含量少

D．天然气与空气混合点燃，不会发生爆炸

答案

D 解析

天然气的主要成分为甲烷；液化石油气是一系列烯烃和烷烃的混合物，将液化石油气改为天然气后，相同体积燃料耗氧量肯定减小，所以燃烧时应减小进空气量或增大进天然气量；天然气是动植物残骸分解产物，其中必有蛋白质降解产生的硫化物，但其含量与煤及液化石油气相比，还是要少得多；可燃气体达到爆炸极限后都会爆炸。

4．石油和煤炭加工过程涉及多种技术和设备。

(1)石油分馏时，在不断向________(填工业设备名称)内投放原料的同时获得产品，该过程为________操作过程。

(2)石油裂化分为热裂化、________和加氢裂化，裂化的目的是提高____________的产量。

(3)煤的洗选是为了降低原煤中灰分和________的含量。煤的流化床燃烧是指空气从底部吹向煤炭颗粒，并使全部煤炭颗粒________进行燃烧的过程。

(4)煤的直接液化是煤与适当溶剂混合后在高温、高压和________存在下与__________作用生成液体燃料的过程。

答案

(1)分馏塔

连续

(2)催化裂化

轻质燃料油(或汽油)

(3)硫(或S)

浮动

(4)催化剂

氢气(或H2) 解析

(1)石油的分馏是在分馏塔中进行的，该过程为连续操作过程。

(2)石油裂化分为热裂化、催化裂化和加氢裂化，裂化的目的是提高轻质燃料油(或汽油)的产量。

(3)煤的洗选是为了降低原煤中灰分和硫的含量。煤的流化床燃烧是指空气从底部吹向煤炭颗粒，并使全部煤炭颗粒浮动进行燃烧的过程。

(4)煤的直接液化是煤与适当溶剂混合后在高温、高压和催化剂存在下，使煤与氢气作用生成液体燃料的过程。