§7. Вугілля і продукти його переробки

Вугілля – це тверда горюча копалина органічного походження, що утворилася з вимерлих рослин і планктону в результаті діяльності мікроорганізмів. В складі вугілля розрізняють органічну й неорганічну частини. Кам’яне вугілля містить вуглець (майже 10%), органічні сполуки складної будови (майже 80%), вологу, неорганічні домішки, які після спалювання вугілля залишаються у вигляді твердого залишку – шлаку. Ця тверда природна суміш речовин має чорний, іноді темно-сірий колір, блискучу або матову поверхню. Розрізняють три види викопного вугілля. Антрацит – найдавніше вугілля, містить в середньому 95% Карбону, має велику густину і блиск. Кам’яне вугілля містить 75-90% Карбону, має найширше використання. Буре вугілля – містить 65-70% Карбону. Як саме молоде із викопного вугілля, часто містить сліди структури дерева із якого воно утворилося. Буре вугілля має високу гігроскопічність і після його спалювання залишається багато попелу (від 7 до 30%), тому використовується як місцеве паливо і як сировина для хімічної переробки.

Кам’яне вугілля використовується безпосередньо як паливо, а також для переробки на кокс, конче необхідний у великих кількостях для металургійної промисловості. Основні споживачі кам’яного вугілля – енергетика (60%), коксохімія (25%), комунальне господарство та інші галузі промисловості (15%). Кам’яне вугілля посідає важливе місце в розвитку промислового органічного синтезу як постачальник хімічної сировини. Його запаси перевищують запаси нафти і природного газу. В Україні вугледобування зосереджено в трьох басейнах: Донецькому, Львівсько-Волинському та Дніпровському.

Існують три способи хімічної переробки вугілля – коксування, газифікація і гідрування.

Коксування кам’яного вугілля

Коксування – процес розкладу вугілля за високої температури й відсутності повітря. Кокс одержують на коксохімічних заводах. Кам’яне вугілля піддають сухій перегонці (коксування) шляхом нагрівання у спеціальних коксових печах без доступу повітря при температурі 1000ºС.

Кокс – тверда пориста речовина темно-сірого кольору, що містить 96-98% Карбону за масою, а також Гідроген, Оксиген та деякі інші елементи. Його використовують як відновник у металургії, зокрема у виробництві чавуну.

Процес коксування – це не лише добування необхідного для металургії коксу. Не менш цінними є продукти, які утворюються паралельно із коксом. Крім коксу, при сухій перегонці кам’яного вугілля виділяється суміш газів (коксовий газ) і парів летких продуктів, при охолодженні яких до 25-70ºС утворюється кам’яновугільна смола та надсмольна вода.

Коксовий газ після очищення у своєму складі містить: Н₂ (60%), СН₄ (25%), СО (5%), N₂ (4%), CO₂, C₂H₄, амоніак, пари бензену та деякі інші речовини. Амоніак вилучають, пропускаючи коксовий газ, що утворюється у розчин сульфатної кислоти, а амоній сульфат, що утворюється, використовують як азотне добриво. Бензен поглинають органічними розчинниками, а потім виділяють перегонкою. Звільнений від амоніаку і бензену коксовий газ використовується як паливо в промисловості (у скловарних, мартенівських печах), а також як хімічна сировина для добування водню.

Кам’яновугільна смола – густа чорна рідина зі специфічним запахом. Вона піддається дробній (фракційній) перегонці, в результаті чого одержують кілька фракцій, які є джерелом одержання цілого ряду органічних сполук:

легке масло (температура кипіння до 170ºС) у якому містяться ароматичні вуглеводні – бензен, толуол, ксилоли та інші речовини;
середнє масло (температура кипіння 170-230ºС) – феноли, нафталін та пірідинові основи;
важке масло (температура кипіння 230-270ºС) – нафталін та його гомологи;
антраценове масло (температура кипіння 270-350ºС) – антрацен, фенатрацен, кселол, крезол;
залишок – пек, який використовують у шляховому будівництві, для виготовлення електродів, кровельних матеріалів, лаку (пековий лак) – незамінний при фарбуванні залізних та дерев’яних конструкцій.

Надсмольна вода містить розчинені гази – вуглекислий газ, сірководень, хлороводень, амоніак та солі амонію. Амоніак вилучають із розчину і направляють на виробництво азотних добрив. Із сірководню добувають сірку і сульфатну кислоту.

Газифікація – перетворення низькосортного вугілля, бурого вугілля і торфу за допомогою хімічних реакцій на суміш газоподібних і рідких вуглеводнів. Процес газифікації здійснюють у газогенераторних установках окисненням вугілля недостатньою кількістю кисню, водяною парою, вуглекислим газом за температури 800-900ºС. Утворену газову суміш використовують у промисловості як паливо. Із рідкої суміші добувають суміш подібну за складом до бензину.

Гідрування – перетворення вугілля на рідкі та газуваті вуглеводні під дією водню за температури 400-600ºС, певного тиску і наявності каталізатора. Продукти гідрування – це переважно суміш легких вуглеводнів, за складом аналогічних легким нафтопродуктам, що утворюють фракцію бензину. Тому цей процес уважають одним із перспективних способів добування синтетичного бензину. Гідруванням вугілля добувають генераторний газ (суміш СО і N₂) та синтез-газ (суміш СО і Н₂).

Таким чином, з вугілля, завдяки значній різноманітності його складу, можна добути незрівнянно ширший асортимент продуктів, ніж з нафти і природного газу.

Лабораторна робота 3. Ознайомлення із зразками продуктів коксування вугілля та різних видів палива

Розгляньте видані вам зразки продуктів коксування кам’яного вугілля. Що ви можете сказати про застосування цих речовин? Який їх зовнішній вигляд? Заповніть таблицю.

Назва продукту	Зовнішній вигляд	Сфери використання
о

Завдання для самоконтролю

■ 116. Яка сіль утвориться при взаємодії вуглекислого газу, добутого спалюванням кам’яного вугілля масою 10 г, що містить 16% домішок і розчину натрій гідроксиду масою 50 г із масовою часткою 28%? Яка масова частка цієї солі в розчині?

117. З однієї тонни вугілля при коксуванні утворилося 50 м³ коксового газу, а 1 м³ цього газу містив 30 г парів бензену. Яку масу бензену можна добути із вугілля масою 10 тонн?

118. У достатній кількості повітря спалили 20 кг коксу з масовою часткою Карбону 96%. Продукти спалювання пропустили в надлишок вапняної води. Яка маса осаду утворилася?

▲● 119. Назвіть продукти коксування кам’яного вугілля та галузі їх застосування.

120. Чому переробку вугілля називають сухою перегонкою:
а) проводиться без доступу води;
б) без доступу повітря;
в) переганяють сухою парою;
г) висушує продукти?

121. Джерелом яких вуглеводнів є кам’яновугільна смола:
а) насичених;
б) ароматичних;
в) ненасичених етиленового ряду;
г) ненасичених ацетиленового ряду?

122. Доберіть слово, що робить завершеним речення. Процес термічного розкладу кам’яного вугілля без доступу повітря має назву…
а) коксування;
б) газифікація;
в) крекінг;
г) гідрування.

●● 123. Назвіть загальні наукові принципи коксохімічного виробництва.

124. Зазначте екологічно небезпечну речовину, що утворюється під час хімічної обробки кам’яновугільної смоли:
а) амоніак;
б) водень;
в) фенол;
г) бензин.

125. Назвіть роль коксохімічної промисловості у вирішенні сировинної, енергетичної, продовольчих питань.

●●● 126. На основі термохімічного рівняння горіння вугілля С + О₂ = СО₂ + 393 кДж, обчисліть скільки виділиться теплоти, якщо в реакцію горіння вступив кисень:
а) кількістю речовини 3 моль;
б) масою 16 г;
в) об’ємом 336 л.

127. На основі термохімічного рівняння горіння вугілля С + О₂ = СО₂ + 393 кДж, обчисліть скільки виділиться теплоти, якщо згорить вугілля:
а) кількістю речовини 5 моль;
б) масою 240 г.

128. Скориставших термохімічним рівнянням горіння вугілля визначте скільки теплоти виділиться, якщо згорить вугілля:
а) масою 48 г;
б) масою 120 г;
в) кількістю речовини 8 моль.

129. Скориставших термохімічним рівнянням горіння вугілля визначте скільки теплоти виділиться, якщо в реакцію горіння вступить кисень:
а) масою 6,4 г;
б) об’ємом 156,8 л;
в) кількістю речовини 4 моль.

●●●●130. Визначіть об’єм карбон(II) оксиду (н.у.), що утворюється у газогенераторі з вугілля масою 2 т, якщо масова частка Карбону у вугіллі становить 90%, а виробничі витрати – 10%.