高中化学 《石油和煤 重要的烃》素材1 鲁科版必修2

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，人类使用的燃料主要是矿物燃料(也叫化石燃料)，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燃料，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，作为燃料，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

2、看，煤的氢一碳比(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，国际石油市场动荡不定，给各国经济发展带来不利影响。同时，由于石油是规模巨大的石油化工的基础，除用于塑料、纤维、油漆、医药等工业外，还用于生产食用油脂、蛋白质、糖类及合成甘油等基本食品，石油资源的枯竭，必将影响到石化工业。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地下而形成的，储集在地下的多孔性岩石里。石油中碳氢化合物(包括烷烃、环烷烃和芳香烃)占98以上。w.w.w.

3、g.k.x.x.c.o.m 煤是一种碳质岩石，是古代森林由于地壳的变动被埋人地下，经过漫长的地质年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

4、液化可分为直接液化和间接液化两个体系 4.煤变油在我国w.w.w.g.k.x.x.c.o.m 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年两次从日本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费托合成的研究也一直在进行。目前我国在煤制取合成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、溶剂和燃料。甲醇用作汽车燃料，可在汽油中掺人5、

5、15、25 (M-5、M-15、M口25)或用纯甲醇(M- 100)。甲醇和异丁烯合成甲基叔丁基醚 (MTBE)，用作无铅汽油辛烷值添加剂；或直接合成低碳混合醇(甲醇70，低碳醇 30)，用作汽油辛烷值添加剂。甲醇还可 制取合成汽油。目前，我国甲醇年产能力超 过60万吨，其中约20用作燃料。煤用间接液化制成燃料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（三大合成材料）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、丁烯和丁二烯外，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、丁

6、二烯、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的丁二烯、30的芳烃均来自乙烯的副产。以三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）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余台，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

7、标志。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m乙烯由两个碳原子和4个氢原子构成，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，乙烯主要由粮食酒精脱水以及电石乙炔加氢得到。美国于第一次世界大战期间开始由石油烃裂解制取乙炔-乙烯混合气，用于生产军用芥子气（毒瓦斯）。1930年，美国利用裂解天然气制乙烯，合成出合成酒精。1937年，美孚油公司利用管式炉裂解石脑油，制取高辛烷值汽油同时，从副产的烯烃气体中回收乙烯，成功地生产出汽油抗爆剂-四乙基铅。从20世纪50年代开始，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

8、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（酒精），这就可以节省大批用于生产酒精的粮食，用乙烯生产的酒精成本只有以粮食生产酒精成本的1/4。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m乙烯的自身聚合，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、聚氯乙烯等塑料树脂，使乙烯在塑料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，也是高档合成润滑油的优质原料。石油

9、烃热裂解有多种方法，如蓄热炉裂解、流动床裂解、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。我们通常说的乙烯装置，主要包括管式炉裂解和深冷分离。裂解混合碳四须经丁二烯抽提才能得到丁二烯；裂解汽油须经汽油加氢和芳烃抽提才能得到苯、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含有大量的烯烃，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

10、产中的地位不亚于烃类裂解法。两梦定乾坤的凯库勤 以碳、氢、氧三种元素为主组成的有机化合物是一个庞大的集团，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。凯库勒(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”，为有机化学 的发展作出了杰山的贡献。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m上个世纪60年代中叶，凯库勒旅居伦敦，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，终日在简陋的实验室里专心致志地实验、思考，夜以继日，废寝忘食。他

11、晚上常去访问好友缪拉，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，这可以说是他最感兴趣的“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家族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，这也是凯库勒的-个发现周期表里每个“注册”的化学元 素都具有一定的化合价，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

12、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，目前已经成为常识了，但是当初确定它们的化合价却是化学界、其至是科学界的重大事件。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。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m-个晴朗的夏夜，整个城市已沉静下来。凯库勒乘最后一班公共马车回家。那时候的公共马车还是双层的，凯库勒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“庐山真面目”，总是若隐若现。这个晚上却不同了，也许就像

13、文学家常说的“灵感”来了吧，凯库勒今晚似乎见到那些小原子总是时而结合成队，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华尔滋舞来。他还看到大原子排着队，牵着长链另-端的小原子走。 凯库勒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。凯库勒回到寓所，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，记述成文-于是碳的链状结构诞生了。w.w.w.g.k.x.x.c.o.m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

14、个氢原子怎样相连仍然无法解释。所以，凯库勒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教程，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库勒，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，凯库勒下意识地猛醒过来，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，整理出了他的碳化合物的环状结构理论。要知道，碳的化合物

15、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家族，而为打开这个广阔天地大门金钥匙的正是凯库勒。凯环勒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”的结果匆匆发表。1890中，在德国化学会25周年庆祝会上，他生动地回忆了两次“梦中悟道”的情况。他语重心长地说：“你们也学会作梦吧!它会帮助发现真理。但是在我们的梦没有以清 醒的理智进行研究之前，千万不要轻易发表。”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，只是回到海得尔堡才写成关于碳链学说的正式论文。但马上发表可能不太慎重，就又放了一年多才发表出来。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合成实验之后，他才把苯的环状结构理论拿出来发表。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。凯库勒关于苯的环状结构理论一发表就获得成功，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，但是凯库勒当年所达到的认识在总的轮廓上仍然惊人地正确，在我们