Конспект урока: Каменный уголь и его переработка

Разновидности каменного угля

Из курса географии вы знаете, что уголь делится на антрацит, каменный и бурый (рис. 1).

Бурый уголь имеет чёрно-бурую окраску, рыхлую структуру, залегает сравнительно неглубоко, содержит до 70 % углерода.

Каменный уголь более плотный, окраска его чёрная, углерода от 70 до 90 % в составе. Каменный уголь идёт на коксохимическое производство.

Антрацит отличается от каменного угля блеском и большим содержанием углерода; месторождения его находятся глубже других углей.

Рисунок 1. Виды угля

Коксование каменного угля

Коксование каменного угля подразумевает его нагревание в специальных печах при температуре до 1000 ºC. 

В результате при охлаждении получается твёрдое вещество — кокс (практически чистый углерод), каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ. Из каменноугольной смолы при дальнейшей переработке получают ароматические углеводороды и фенол $({\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_5-\mathrm{OH}).$ Кокс применяется в металлургическом производстве.

Коксовый газ очищают от аммиака, пропуская его через раствор серной кислоты:

$2{\mathrm{NH}}_3 + {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4\to {\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{SO}}_4$.

Очищенный от аммиака газ содержит преимущественно метан, этилен, водород и оксид углерода (II).

Каменный уголь сочетает в себе различные как генетические, так и технологические характеристики, которые позволяют использовать его в качестве топлива, а также во многих других сферах (рис. 2).

Рисунок 2. Продукты переработки каменного угля

Газификация каменного угля

Полученный в результате коксования продукт обрабатывают водяным паром, получая так называемый водяной газ, состоящий из водорода и оксида углерода (II):

$\mathrm{C} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{CO} +{\mathrm{H}}_2.$

В дальнейшем его используют как топливо или синтезируют алканы и метанол, что мы уже рассматривали с вами, когда  изучали синтез-газ.

Так, из смеси угарного газа и водорода можно получить предельный углеводород. Например, гептан:

$7\mathrm{CO} +15{\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{C}}_7{\mathrm{H}}_{16} +7{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Или метанол:

$\mathrm{CO} +2{\mathrm{H}}_2 \stackrel{\mathrm{кат}}{\to } {\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH}$.

Гидрирование каменного угля

Гидрирование, то есть взаимодействие полученного кокса с водородом, идёт при воздействии высокой температуры, повышенного давления, а также в присутствии катализаторов — оксидов железа. В результате реакции получаются смеси из углеводородов, что показывает ценность угля как сырья в химическом производстве для синтеза различных веществ. А главным его плюсом является то, что запасы превышают количество нефти, следовательно, он ещё долго будет оставаться актуальным и перспективным сырьём химической промышленности.

Однако нефть, природный газ и каменный уголь являются исчерпаемыми источниками углеводородов. Их запасы истощаются. Это ставит перед человечеством задачу поиска новых источников энергии.

Решение

1. Составим уравнения химических  реакций :

$\mathrm{C} + {\mathrm{O}}_2 \to {\mathrm{CO}}_2$,

${\mathrm{CO}}_2 + \mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 \to {\mathrm{CaCO}}_3\downarrow +{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

2. Рассчитаем количество вещества осадка(карбоната кальция) по формуле:

$n\mathit{\left(}CaC{O}_{\mathit{3}}\mathit{\right)}\mathit{ }\mathit{=}\frac{\mathit{m}}{\mathit{M}}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\frac{\mathit{200}}{\mathit{100}}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\mathit{2}\mathit{ }моль$,

$n\mathit{\left(}CaC{O}_{\mathit{3}}\mathit{\right)}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }n\mathit{\left(}C{O}_{\mathit{2}}\mathit{\right)}\mathit{ }\mathit{=}n\mathit{\left(}C\mathit{\right)}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\mathit{2}\mathit{ }моль$.

3. Находим массу углерода в угле:

$m\mathit{\left(}C\mathit{\right)}\mathit{=}\mathit{ }n\mathit{ }\mathit{*}\mathit{ }M\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\mathit{2}\mathit{ }\mathit{*}\mathit{ }\mathit{12}\mathit{=}\mathit{ }\mathit{24}\mathit{ }г$.

4. Рассчитываем содержание примесей в каменном угле:

$m\mathit{\left(}примеси\mathit{\right)}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{28}\mathit{ }\mathit{-}\mathit{ }\mathit{24}\mathit{=}\mathit{4}\mathit{ }г\mathit{.}\mathit{ }\mathit{ }$

5. Находим процентное содержание примесей:

$\omega \mathit{\left(}примеси\mathit{\right)}\mathit{=}\mathit{ }\frac{m_{примеси}}{m_{угля}}\mathit{ }\mathit{*}\mathit{ }\mathit{100}\mathit{ }\mathit{\%}\mathit{ }\mathit{=}\frac{\mathit{4}}{\mathit{28}}\mathit{ }\mathit{ }\mathit{*}\mathit{ }\mathit{100}\mathit{ }\mathit{\%}\mathit{ }\mathit{=}\mathit{ }\mathit{14}\mathit{,}\mathit{28}\mathit{ }\mathit{\%}$

Ответ: 14,28 %.

Ответы

Упражнение 1

 Ответ: 15 г.

Упражнение 2

$\mathrm{C} \to \mathrm{CO} + {\mathrm{H}}_2 \to \mathrm{октан} \to \mathrm{этилбензол}$

$\mathrm{C} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to \mathrm{CO} + {\mathrm{H}}_2$

$8\mathrm{CO} + 17{\mathrm{H}}_2 \to {\mathrm{CH}}_3-{\left({\mathrm{CH}}_2\right)}_6-{\mathrm{CH}}_3 +8{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$