当代已有:石油煤炭分馏火箭--戴森球计划概念科普(1)


3楼猫 发布时间:2024-01-20 16:08:34 作者:CScgy Language

相信各位目前已到红、黄糖的阶段了这个时候就会发现原油变成最有用的物质了——既可以产氢,又可以产精炼油,制作塑料、硫酸最后至有机晶体等等。煤可以制作石墨、金刚石和燃烧单元、增产剂等,用途非常广泛。事实上,在现代社会中,石油和煤炭目前仍是非常重要的原料。下面就来说说:

石油化工和塑料

撒在农田里的化肥,穿在身上的涤纶衣物,汽车赖以活动的燃油,还有你抓着的手机或者鼠标的塑料壳……石油化工的产物遍布在我们生活中的方方面面,因此石油被称为现代工业的血液。

当代已有:石油煤炭分馏火箭--戴森球计划概念科普(1)-第0张

从油井获取的原油通过分馏和裂化、裂解,可以得到各类烷烃,烯烃,芳香烃,然后制作塑料、洗涤剂,润滑油等石化产品。还记得高中化学重点说过,石油的分馏是物理变化而石油的裂化、裂解是化学变化。具体过程是,把石油加热到沸腾,通过分馏塔,(Cx表示分子的碳原子数为x)C5以下的为气体,C5-C8的为溶剂油,C5-C11的为汽油,C10-C15、C11-C16、C15-C18分别为航空煤油、煤油、柴油,其余的为重油。石油的裂化是将重油隔绝空气加强热(400℃-600℃)分解为相对分子质量较小、沸点较低的燃料油,包括热裂化和催化裂化。石油的裂解是用重油以比裂化更高的温度(700~800℃,有时甚至高达1000℃以上)使具有长链分子的烃断裂成各种短链的气态烃和少量液态烃,工业以此制乙烯。

然后再将乙烯等单体小分子经过聚合反应(加聚或缩聚反应)形成大分子,大分子之间通过等一系列过程形成塑料。加聚反应,即加成聚合反应,是一些含有不饱和键(双键、三键、共轭双键)的化合物或环状低分子化合物,在催化剂、引发剂或辐射等外加条件作用下,同种单体间相互发生加成反应(简单来说就是打开不饱和键分别与周围的分子形成新的单键,要不然说不完了)形成新的共价键相连大分子的反应就是加聚反应。,例子有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。缩聚反应,即缩合聚合反应,是指由一种或多种单体相互发生缩合反应(一般为酸与醇形成酯或者酸与胺形成酰胺的缩合反应)生成高分子的反应,单体为带有2个(或以上)反应官能团的化合物聚合时脱去小分子形成聚合物。如果单体只有一种称均缩聚,如聚己内酰胺;如果单体为两种及以上,称共缩聚,如聚己二酰己二胺。

塑料为什么有的像聚乙烯一样稍微有力就会变形扯碎,而有的像酚醛树脂一样是坚固的固体呢?因为聚合反应包括线型聚合反应和体型聚合反应反应。前者是只有两个官能团的单体向两个方向发展而成线型高分子的聚合反应,形成的是二维的结构,而第三维之间仅通过偶尔的交联或者静电吸引连接;而后者是是有两个以上的官能团的单体向三个方向发展而成体型高分子的聚合反应,形成的是三维的结构,因此更有力。

戴森球计划中的原油在无论什么资源丰度设定下都是无限的,只有产出速度的区别,这与现实世界大相径庭。不过有一点设定倒是贴切现实——只有宜居或者曾经宜居的星球才能产生原油。因为根据目前的主流理论——生物成油论而言,石油是古代生物质在地层中经过了漫长的转化——反复压缩和加热而形成的,海洋中的藻类等浮游生物是形成石油的主力。这一理论也解释了石油只存在于浅层地表,并且储量相当有限,因此认为石油一种化石资源。

煤炭与煤工业

煤炭是另一重要的工业原料,首先煤炭是主要的燃料,无论是冬天的家庭取暖,还是用于发电等,煤炭都在其中发挥主要作用。目前我国发电量的超过60%是烧煤的火电,且我国广大农村地区冬天取暖还依赖于烧煤。

其次,煤炭也经历分馏和干馏等化学过程,可以得到焦炉煤气、粗氨水、粗苯、煤焦油、焦炭等一系列产物,进而可以制作化肥、农药、石墨、碳素、电石灯煤工业产品。还记得高中化学重点说过,煤的分馏是物理变化而煤的干馏是化学变化。具体过程是,当煤料的温度高于100℃时,煤中的水分蒸发出;温度升高到200℃以上时,煤中结晶水释出;高达350℃以上时,粘结性煤开始软化,并进一步形成粘稠的胶质体(泥煤、褐煤等不发生此现象);至400~500℃大部分煤气和焦油析出,称一次热分解产物;在450~550℃,热分解继续进行,残留物逐渐变稠并固化形成半焦;高于550℃,半焦继续分解,析出余下的挥发物(主要成分是氢气),半焦失重同时进行收缩,形成裂纹;温度高于800℃,半焦体积缩小变硬形成多孔焦炭。当干馏在室式干馏炉内进行时,一次热分解产物与赤热焦炭及高温炉壁相接触,发生二次热分解,形成焦炉煤气和其他化学产物。

相较而言煤炭在游戏中的作用没那么多——可能因为煤在星区总储量也没那么多的原因吧不过有一点设定倒是贴切现实——只有宜居或者曾经宜居的星球才能产生煤炭。因为根据目前的主流理论——生物成煤论而言,煤炭是古代生物质在地层中经过了漫长的转化——反复压缩和加热而形成的,陆地中被掩埋的古植物是形成煤炭的主力。这一理论也解释了煤炭只存在于浅层地表,并且储量相当有限,因此认为煤炭一种化石资源。

分馏

上面提到在石油与煤多次提到了分馏,那么这里好好说一下分馏的原理:分馏是对某一混合物进行加热,针对混合物中各成分的不同沸点进行冷却分离成相对纯净的单一物质过程,过程中没有新物质生成,只是将原来的物质分离,属于物理变化。

用分馏柱进行分馏,被分馏的溶剂在蒸馏瓶中沸腾后,蒸气从圆底烧瓶蒸发进入分馏柱,在分馏柱中部分冷凝成液体。此液体中由于低沸点成分的含量较多,因此其沸点也就比蒸馏瓶中的液体温度低。当蒸馏瓶中的另一部分蒸气上升至分馏柱中时,便和这些已经冷凝的液体进行热交换,使它重新沸腾,而上升的蒸气本身则部分地被冷凝,因此,又产生了一次新的液体-蒸气平衡,结果在蒸气中的低沸点成分又有所增加。这一新的蒸气在分馏柱内上升时,又被冷凝成液体,然后再与另一部分上升的蒸气进行热交换而沸腾。由于上升的蒸气不断地在分馏柱内冷凝和蒸发,而每一次的冷凝和蒸发都使蒸气中低沸点的成分不断提高。因此,蒸气在分馏柱内的上升过程中,类似于经过反复多次的简单蒸馏,使蒸气中低沸点的成分逐步提高。

在工业中有许多实际应用,比如制造高浓度烈酒,酒精会在78.4℃沸腾为酒精蒸气,水在100℃沸腾为水蒸气,将低度数的酒加热到酒精的沸点以上,又不达到水的沸点,随后收集酒精蒸气,冷凝以后就是更高浓度的酒了。

而戴森球计划中的分馏塔用于在氢中获取重氢(氘),在现实中也是一个重要的制取氘的途径。液氢的沸点是-252.87 °C,而液氘的沸点是-249.5℃,利用这一细微的沸点差异,就可以在自然界的氢中提取大约七千分之一浓度的氘。当然,现实中是不可能实现像游戏里那样液氢转转转效果的。

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火箭

目前,人类用于航天探索的器具全都是火箭。它可以通过向后抛射高速物质来获得给航天器的向前进速度。

尽管有着许多早期探索,不过用火箭技术探索宇宙空间的且符合科学方法的研究,始于俄国教师康斯坦丁·埃杜阿尔多维奇·齐奥尔科夫斯基在1903的一篇理论论文《利用反作用力设施探索宇宙空间》。不过,他的工作很大程度上在当时被埋没了。而另一个先驱者,美国发明家罗伯特·哈金斯·戈达德,不仅实际制造了一些火箭,还进一步论述了用火箭探索宇宙的可能性。然而在当时,大众媒体几乎是以嘲笑的态度看待他的努力,他们认为在真空的太空当中,因为无法依靠“作用力与反作用力”获得向前进的速度,太空探索其实是无稽之谈。当然,在今天的我们,已经见识过飞往月球,飞往火星的壮举,也知道近地轨道有无数卫星在环绕,并不会对太空探索的可能性有什么怀疑。不过,在那个年代,“太空探索是不可能的”,几乎是大众广泛认知的常识,只有真正了解物理学的人才能理解用火箭在宇宙中航行的可能性。人在地面上行走,脚踩着地面,给大地施加向后的推力,被大地施加向前的反作用力而前进;轮船在海里航行,螺旋桨将水流往身后推动,从而让轮船向前行进;飞机在空中飞行,将空气从前边的进气口吸入,从后方喷出,于是能在天空中四下翻飞。但太空是真空,既不能脚踏实地,也没有可以划动的水,又没有能够吸入的空气,要怎么在这样的环境中航行呢?答案就是,向后抛射高速物质。对于宏观物体来说,应用动量守恒的原理可以很容易理解这一点。你往一个方向喷射出的物质的动量,就等于你的剩余部分往相反方向获得的动量。这就是有工质的火箭的原理。化学能火箭会将燃料与氧化剂放一起燃烧,然后让急剧膨胀的气体往身后喷射,从而能够向前进发。离子发动机则是用电场,将电离后的气体往身后高速喷出,因为可以获得更高的喷射速度,且电场控制的矢量范围更大,离子发动机可以取得比化学能火箭发动机高得多的比冲,已经应用在深空卫星的变轨动力当中。

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