化学与社会--7-1化学与能源-石油

化学与社会7-1.化学与能源--石油主讲：化学化工学院2010年12月化学提供人类合理使用能源的方法•石油（原油）•煤的综合利用•化学电源(电池)•原子核能•未来理想的能源--氢能•能源:能够提供能量的资源。物质形式，如：煤炭、石油、天然气等；非物质形式，太阳能、风能、地热。•能源形式：一次能源--可直接利用的能源，如：煤炭、石油、天然气、地热、水能、风能、太阳能等。二次能源--经过加工、转换得到的能源，如：电能、焦碳、汽油、柴油、氢能等。能源及其分类•能源的再生性：可再生能源--取之不尽、用之不竭的能源，如:太阳能、生物质能、水能、风能、潮汐能等。非再生能源--随人类使用逐步减少的能源，如：煤炭、石油、天然气等。能源及其分类•常规能源（传统能源）：长期广泛使用的能源。一次能源--煤炭、石油、天然气、植物秸秆、水能。二次能源--煤气、焦碳、汽油、煤油、柴油、液化气、甲醇、酒精、电能、蒸汽。•非常规能源（非传统能源）：目前尚未大规模利用的能源。一次能源--核能、风能、生物质能、太阳能、地热、潮汐能。二次能源--氢能、沼气、激光。能源及其分类•2004年世界一次能源消耗：9741兆吨标准油美国2298中国1178俄罗斯671日本505印度345德国332英国223韩国212能源消耗我国万元GDP能耗水平是发达国家的3至11倍“十一五”末，万元GDP能耗降低20％能源构成，％国家石油天然气煤炭水电核能美国40252528中国2336851俄罗斯19541755日本491422510印度3385441德国382326211英国34381819韩国501124114亚太地区36114544世界合计37242676•化石燃料（矿物燃料）占87％，仍然是主要能源；•可再生清洁能源的大规模利用有待时日。中国能源结构•石油和天然气，太少•煤炭，太多•核电，少世界能源结构1、能量守恒与转化定律：热力学第一定律能量不能自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式。在转化过程中，能量的总值不变。能量守恒定律2、能量转化定律：热力学第二定律克劳修斯：不可能把热从低温物体传到高温物体，而不引起其他变化。开尔文：从一个热源吸热，使之完全转化为功，而不产生其他变化是不可能的。通俗说法：能量转化不能“100%有效地”进行。例如：火力发电机、内燃机、电灯、电动机是否可以建成永动机？水能变成油吗？能量转化定律能量转化效率化学能燃烧器热能汽轮机机械能电能发电机煤炭蒸汽转动•燃烧过程：燃烧不完全、热量损失。•汽轮机：压力损失、摩擦损失。•发电机：热量损失、摩擦损失。火力发电能量转化我国运行的发电机组，平均发电效率在35%左右。能量转化效率化学能气缸热能活塞机械能汽柴油燃气转动•燃烧过程：燃烧不完全、热量损失。•活塞：压力损失、摩擦损失。内燃机能量转化目前的内燃机，平均热效率在20～30%。石油是一种碳氢化合物的混合物。所谓碳氢化合物就是由碳元素和氢元素组成的化合物。由几百万年以前的动植物沉积经过复杂的地质变化形成的液体混合物。元素组成：C，83~87％H，11~14%其他S，N，O，微量金属Ni、V、Fe等物质组成：烷烃、环烷烃、芳香烃、少量烯烃。有机硫化物、氮化物、氧化物。水份、矿物质。原油：未经处理的石油。石油（原油）体积换算主要交易品种•同分异构现象：分子式相同、结构不同、性质不同含四个和四个以上碳原子的烃会有同分异构现象。1、烃类化合物的同分异构现象丁烷C4H10CH3CH2CH2CH3CH3CHCH3CH3正丁烷异丁烷环己烷C6H10CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CHCH2CH3环己烷甲基环戊烷2.烃类化合物的命名①直链烃，碳原子少于等于10的以甲、乙、丙、丁等命名，11以上用汉字十一、十二等命名，如：C5H12戊烷，C18H38十八（碳）烷②支链烃，可从直链烃导出，把支链当作取代基称为某烷基，如：-CH3甲基，-CH2CH3乙基另外，还可选择最长的碳链为母链，从离取代基最近端编号，将取代基的位置和名称写在母体名前，中间加-。CH3CH2CH2CHCH3CH3CH3CH2CHCH2CH3CH32-甲基戊烷3-甲基戊烷3．石油的炼制及产品性能（1）分馏：利用原油不同组分的沸点不同，使原油在不同温度下蒸发出不同的组分，这种方法叫做分馏。石油气C1~C440℃,化工原料、燃料溶剂油C5~C640~95℃，溶剂汽油C5~C1040~200℃，汽油发动机燃料煤油C10~C16150~250、280、290℃，飞机燃料，溶剂柴油C14~C18200~350℃，柴油发动机燃料重润滑油C16~C20360~500℃油凡士林液、固态烃混合物，360℃石蜡C20~C30360℃渣油沥青C30~C40360℃分馏塔内部构造和作用各层温度不同，底层最高（400ºC,汽化为气体），顶部为30ºC,分子量小的分子向上运动，部分冷凝为液体。四冲程发动机汽缸的工作四冲程发动机汽缸的工作a：进气冲程：活塞从上止点运动到下止点的过程叫进气冲程（曲轴旋转角度0~180°），该冲程进气门打开，排气门关闭，气室与大气相通，通过大气压力使油气混合气进入，进气终了汽缸内压力约为0.075~0.09MPa。b：压缩冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫压缩冲程（曲轴旋转角度180°~360°），该冲程进排气门全关闭，气室内的油气混合气压力逐渐升高，压缩冲程终了气室内压力约为0.6~1.2MPa。c：作功冲程（点火燃烧）：活塞从上止点运动到下止点的过程叫作功冲程（曲轴旋转角度360°~540°），该冲程进排气门全关闭，活塞在上止点位置时火花塞跳火点燃油气混合气使气缸内的压力急剧升高（可达到3~4MPa），推动活塞作向曲轴的运动，压力逐渐下降，作功冲程终了气室内压力约为0.3~0.5MPa。最高燃烧温度达~2000℃d：排气冲程：活塞从下止点运动到上止点的过程叫排气冲程（曲轴旋转角度540°~720°），该冲程进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动推动燃烧后的废气排出气室，该冲程终了气室内的气压约为0.105~0.115MPa。该冲程的结束也标志这发动机一个工作循环的结束。废气的温度约为700~800℃每冲程时间：0.0.1~0.03s汽车发动机汽缸的点火平稳点火爆鸣点火--在焰峰到达之前已发生自燃，造成压力骤增而形成冲击波，使发动机发生震动。原因：不同组分燃点不同，同一组分直链与支链燃点不同汽油的性能与表征•汽油机对燃料的使用要求1、良好的蒸发性能；2、良好的燃烧性能，不产生爆震现象；3、储存安定性好，生成胶质的倾向性小；4、对发动机没有腐蚀作用。汽油的性能与表征•含有5-10个碳原子的烃•汽油性能的表征--辛烷值•提高汽油辛烷值的方法•重整汽油所谓重整，就是把馏分中的烃类分子重新排列而构成新的分子结构。汽油性能的表征--辛烷值异辛烷•辛烷值为100•抗震性好•燃点418ºC正庚烷•辛烷值为0•抗震性差•燃点223ºCCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3提高汽油辛烷值的方法•重整汽油•加入少量抗爆剂：0.1%的四乙基铅加入到正庚烷中，辛烷值由0提高到47。新的问题--铅污染已禁止使用重整：改变分子的形状，催化反应CH3CH3+3H2芳构化+4H2异构化提高汽油辛烷值的方法催化裂化--催化反应大分子变为小分子，增强商业用途350C的石油馏分裂化为：液化气:C3－C4丙烯丁烯异丁烷汽油:30－200C柴油:200－350C问答题1、中国能源结构特点2、能量转化必须遵循的2个定律3、原油的轻重划分指标与大小？4、辛烷值的定义？十六烷值的定义？