Книга: Удивительный мир органической химии

14.3. Уголь глазами химиков

14.3. Уголь глазами химиков

Поговорим об угле — веществе, которое согревает и освещает, а также служит сырьем для промышленного производства огромного числа органических веществ.

Было время, когда человек знал только один уголь — древесный. Он был необходим человеку, когда тот научился работать с металлом. Это было около 5-6 тыс. лет назад. Человек сам изготавливал древесный уголь. Но однажды он нашел готовый уголь, который создала сама природа. Он отличался от древесного угля, потому что был похож на камень. Это был каменный уголь. Чтобы создать такой уголь, природе потребовались миллионы лет. Уголь — вещество растительного происхождения, образовавшееся из древесины, т. е. в конечном счете — из целлюлозы. В течение миллионов лет при отсутствии воздуха при повышенном давлении и температуре, часто в присутствии влаги происходили процессы обугливания. Так возник каменный уголь.

Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Из 3,5 трлн т органического топлива, которые можно извлечь из земных недр, 80% составляет уголь.

Уголь — сложная смесь веществ, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. В состав угля входят также минеральные вещества, содержащие соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния и других элементов.

Полезной частью каменного угля является органическая масса, которая придает ему горючие свойства. Это смесь высокомолекулярных соединений с небольшим количеством битумов.

Уголь в жизни людей играет огромную роль. Прежде всего уголь — источник энергии. Подумайте только: одним килограммом угля можно нагреть 7 т воды на 1 °С или 70 кг воды — до 100 °С. Но уголь — не только источник энергии, но и богатый источник разнообразных органических веществ.

Существуют три основных направления переработки каменного угля: коксование, гидрирование и неполное сгорание.

Коксование каменного угля. Основная цель этого процесса — получение кокса для металлургических заводов. Более 80% вырабатываемого кокса используют для выплавки чугуна (доменный кокс). При этом кокс служит не только топливом, но и восстановителем руды. Кокс содержит 96-98% углерода.

Коксование угля проводится в коксовых печах, состоящих из камер, в верхней части которых находятся отверстия для загрузки угля (рис. 31). Камеры отделены друг от друга отопительными простенками. В них сжигается газ, предварительно подогретый в регенераторах, которые расположены под камерами. Температура в камерах 1000-1200 °С. При этой температуре без доступа воздуха каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуются кокс и летучие продукты. Коксование каменного угля — периодический процесс: после выгрузки кокса в камеру загружается новая порция угля. Полученный кокс гасят водой. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.

При охлаждении летучих продуктов (коксовый, или светильный, газ) образуется каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), азот, этилен и другие вещества. Пропуская эти газы через раствор серной кислоты, выделяют аммиак в виде сульфата аммония, который используют как азотистое удобрение. Бензол поглощают растворителем, а затем отгоняют его из раствора. После отделения от аммиака и бензола коксовый газ используют в качестве топлива или химического сырья. Такой очищенный газ содержит метан и водород.

Каменноугольная смола образуется в незначительных количествах (до 3%). Но учитывая масштабы производства кокса, каменноугольная смола применяется в качестве сырья для получения большого количества органических веществ. Из каменноугольной смолы получают бензол и его производные, нафталин, фенол и другие ароматические соединения. Если из смолы отогнать продукты, кипящие до 350 °С, то остается твердая масса — пек. Он может служить для изготовления лаков (пековый лак), незаменимых при окрашивании железных и деревянных конструкций. Это предохраняет их от гниения и коррозии.

Гидрирование угля. При температуре 450-500 °С под давлением водорода в присутствии катализатора из угля образуется смесь жидких углеводородов, которая может служить в качестве моторного топлива. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного дешевого бурого угля.

Неполное сгорание (газификация твердого топлива). Этот процесс является источником оксида углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и оксида углерода (II), смесь которых называется синтез-газом (СО + Н₂), можно получать бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:

К сожалению, такой бензин имеет низкое октановое число и нуждается в дополнительной переработке.