Węglowodory

Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru.
Węglowodory dzielą się na węglowodory nasycone, zwane inaczej alkanami w kórych nie występują podwójne i potrójne wiązania chemiczne między atomami węgla oraz nienasycone, w których te wiązania występują.
Węglowodory nienasycone dzielą się z kolei na:
-alkeny
-alleny
-dieny
-alkiny
-węglowodory aromatyczne
Węglowodory są podstawowym składnikiem ropy naftowej, która stanowi ich podstawowe źródło w przemyśle.

Naturalne Źródła Węglowodorów to procesy biologiczne, aktywność
geotermiczna i procesy zachodzące w pokładach węgla , ropy naftowej i
gazu ziemnego.

Gaz ziemny
Gaz ziemny zawiera przede wszystkim metan. Są jednak różne odmiany gazu, zawierają one czasami bardzo dużo azotu (np. gaz ziemny występujący w Polsce).
Gaz jest również surowcem energetycznym. Mniejsza część gazu jest także przetwarzana na inne związki chemiczny - metanol, aldehyd octowy. Z nich produkuje się tworzywa sztuczne, żywice, farby, itd.
Występowanie:
W Polsce złoża gazu ziemnego występują przede wszystkim na Niżu Polskim: w regionie wielkopolskim i na Pomorzu Zachodnim oraz na przedgórzu Karpat, a ponadto niewielkie zasoby gazu występują również w małych złożach obszaru Karpat oraz w polskiej strefie ekonomicznej Bałtyku (Mapa złóż ropy naftowej i gazu ziemnego). Około trzy czwarte zasobów gazu znajduje się w utworach miocenu i czerwonego spągowca, pozostałe zaś m.in. w osadach kambru, dewonu, karbonu, cechsztynu, jury i kredy.
Na Niżu Polskim złoża gazu ziemnego występują w regionie przedsudeckim i wielkopolskim w utworach permu, a na Pomorzu Zachodnim w utworach karbonu i permu. Gaz występuje w złożach typu masywowego i blokowego o wodno- lub gazowo-naporowych warunkach eksploatacji. W tym obszarze jedynie 4 złoża zawierają gaz wysokomentanowy, w pozostałych złożach dominuje gaz ziemny zaazotowany zawierający od 30 do ponad 80 % metanu. Jest to zatem często mieszanina metanowo-azotowa albo azotowo-metanowa. W 15 złożach dotychczas niezagospodarowanych, najczęściej rozpoznanych wstępnie, stwierdzono występowanie mieszaniny azotowo metanowej o zawartości poniżej 30 % metanu. Do ważniejszych złóż tego regionu zaliczyć trzeba: BMB, Bogdaj-Uciechów, Brońsko, Kościan S, Paproć, Radlin, Załęcze i Żuchlów.
Węgiel kamienny
Węgiel kamienny to jeden z węgli kopalnych zawierający 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma. Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.
Węgiel kamienny jest na świecie szeroko rozpowszechniony. Występuje głównie w utworach paleozoicznych (karbon, perm) i mezozoicznych.
Największe złoża: Rosja (Zagłębia: Peczorskie, Kuźnieckie, Tunguskie, Leńskie), Ukraina (Zagłębie Donieckie), Wielka Brytania (Zagłębia: Yorkshire, Durham, Derbyshire), Niemcy (Zagłębia Ruhry i Saary), USA, Kanada, Chiny, Australia, Indie i RPA. Wydobywany jest obecnie w 58 krajach.
W Polsce najbardziej zasobne złoża występują w utworach karbonu na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe) i Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe), a także na Dolnym Śląsku (okolice Wałbrzycha i Nowej Rudy).
Stosowany przede wszystkim jako opał. Stanowi także surowiec wykorzystywany w procesach chemicznych: wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju paliwa oraz produkty dla innych dziedzin przemysłu chemicznego (m.in. koks, gazy opałowe, paliwa silnikowe, benzol, smołę węglową i inne).

Ropa naftowa
Skład chemiczny
Ropa naftowa jest mieszaniną węglowodorów, w skład której głównie wchodzą parafiny (alkany), cykloparafiny (cykloalkany), olefiny (alkeny) i węglowodory aromatyczne. Pozostałość, do około 20% stanowią związki organiczne zawierające tlen, azot lub siarkę, a także sole nieorganiczne i woda. Przeróbka zasiarczonej ropy jest bardzo uciążliwa z powodu korozji aparatury. Ropa naftowa ma zmienny skład chemiczny. Zależy on od miejsca jej występowania. Ze względu na rodzaj ropy naftowej (tak zwane wskaźniki strukturalne i technologiczne, zależne od jej składu chemicznego) upowszechnił się jej podział na siedem klas i dwanaście grup, zaproponowany w Rumunii [1]
Występowanie i wydobycie ropy naftowej w Polsce
W Polsce złoża tego cennego surowca wystepują w pobliżu Krosna, Jasła, Gorlic i Nowego Sącza, w Borysławiu.
Ropa naftowa występuje też na północy Polski, w okolicy Kamienia Pomorskiego. Duże znaczenie ma złoże na szelfie Morza Bałtyckiego.
Po II Wojnie Światowej w Karpatach odkryto jego źródła w takich miejscowościach jak: Mokre, Wielopol, Łodyna i Osobnica. Zwiększono też powierzchnię wydobywczą w miejscowościach: Grabownica, Strachocin, Weglówka, Magdalena i Kryg-Lipinki [10].
W późniejszym okresie powojennym wydobycie polskiej ropy podupadło z braku odpowiednich inwestycji. Podejście władz było w tym okresie kunktatorskie i pełne wahań - aby tylko odwlec.
Znaczenie jej wydobycia dla przemysłu i całej gospodarki powoduje, że w całym świecie i w Polsce trwają intensywne poszukiwania nowych złóż roponośnych. W okolicach złoża Międzychód, na głębokości około 3,2 km znaleziono w latach 2002 i 2003 złoża bogate w ropę i gaz ziemny. Powierzchnia ich jast znaczna, wynosi bowiem 6,2 km2, a ich zasoby szacuje się na 10 milionów ton. Na wstępie uzyskano z próbnego odwiertu około 150 ton w ciągu doby [9].
Do zintensyfikowania prac nad poszukiwaniem i wydobyciem ropy w Polsce znakomicie przyczynia się fakt o wielkim znaczeniu. Ropa drożeje i drożeć nadal będzie, a wraz z nią inne powiązane ceny. W tej sytuacji każde zwiększenie własnego wydobycia ma wartość nieocenioną, powiększa bowiem niezależność gospodarczą.
W Polsce poszukiwania ropy prowadzi Polskie Górnictwo Naftowe i Gazownictwo, które współpracuje tez z firmami zachodnimi [13].
W połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku w Polsce uzyskały koncesje przedsiębiorstwa zachodnie, których celem jest poszukiwanie i eksploatacja złóż ropy naftowej i gazu ziemnego. Przykładem mogą być firmy: Frontier Poland Exploration and Producing Company, Medusa Oil & Gas, Eurogas Polska i niemiecka spółka RWE-DEA . Najwięcej koncesji uzyskały spółki, w których udziały mają Apache Corporation i FX Energy.
Amerykańska spółka Apache Corporation z Houston w Teksasie inwestuje w poszukiwania i wiercenia nie tylko w Polsce (gdzie działa od roku 1997), ale (poza USA) w Kanadzie, Egipcie, Chinach i w Australii. Amerykanie znaleźli ropę i gaz w Wildze i w Tucholi, a więc tam, gdzie nikt ich wcześniej nie podejrzewał i nie szukał [14].
Sukcesy te w nowym zupełnie świetle stawiają perspektywy przemysłowe Polski i przybliżają moment zwrotu poniesionych nakładów i zwiększenie niezależności surowcowej.
Na potwierdzenie tego można przytoczyć anegdotyczny, ale znamienny fakt dokonania pirackiego odwiertu ropy w Nieporęcie koło Józefowa, a więc blisko Warszawy. Nieznany sprawca przez dłuższy czas czerpał nielegalnie ropę z wywierconego przez siebie otworu.
Polscy geolodzy szacują złoża krajowej ropy na 350 milionów ton. Są to teoretyczne wyliczenia. Margines błędu tego oszacowania nie jest dokładnie znany.
Wynika z tego, że złoża ropy i gazu są w Polsce pospolitsze, niż to się wydawało w drugiej połowie XX wieku.
Na początku wieku XXI odkryto w okolicach Kaliningradu pod Bałtykiem bogate złoża roponośne. Rosja zainteresowana jest szansą, jaką stwarza eksploatacja tych złóż, mimo, że znajdują się one na znacznej głębokości. Przygotowuje się ona do wierceń, które planuje na rok 2004. Ale działania rosyjskiej firmy LUKoil wzbudziły protesty rosyjskich ekologów.
Z pewnością i w polskiej strefie Bałtyku będą kontynuowane wiercenia. Przykład Rosji pokazuje, że zagrożeń dla środowiska, a zwłaszcza dla ekosystemu Bałtyku, już i tak naruszonego nie można zlekceważyć [12] i trzeba od razu uwzględnić w rachunku ekonomicznym, aby wykorzystać nauki, które płyną z rosyjskich doświadczeń.
Pochodzenie
Dwie główne teorie, tłumaczące pochodzenie złóż ropy naftowej powstały już w XIX wieku, wkrótce po jej odkryciu przez Łukasiewicza.
Zdaniem zdecydowanej większości geologów ropa naftowa powstała jako produkt rozkładu mikroorganizmów, glonów i wymarłych zwierząt wodnych, które żyły na Ziemi w dawnych okresach geologicznych, miliony lat temu. Teorię tę sformułowali uczeni niemieccy: Engler i Hoefer i w roku 1877 polski uczony Bronisław Radziszewski.
Zupełnie inne przypuszczenie wysunął w wieku XIX rosyjski chemik Mendelejew, twórca układu okresowego pierwiastków. Mendelejew uważał, że powstała ona w reakcjach chemicznych węglików metali, wchodzących w skład jądra Ziemi z wodą. Reakcje te prowadziły rzekomo do powstania węglowodorów.
Współcześnie powszechnie przyjęta jest teoria Englera, Hoefera i Radziszewskiego, wywodząca pochodzenie ropy naftowej z dawnych morskich organizmów żywych.
Własności ropy naftowej
Surowa ropa naftowa wydobywana ze złoża jest cieczą barwy zwykle ciemnobrunatnej o ostrym zapachu, nierozpuszczalną w wodzie. Ropa naftowa ma gęstość większą od 0,79 g/cm3, zwykle mniejszą od gęstości wody. Jest ona cieczą palną.
W zależności od pochodzenia jej barwa i inne własności mogą się zmieniać. Rozróżnia się cztery klasy ropy - A, B, C i D o różnych własnościach [15].
Przeróbka ropy naftowej
Surowa ropa naftowa nie ma obecnie praktycznego zastosowania. Aby otrzymać z niej wartościowe produkty, które mają przemysłowe zastosowanie, rozdziela się ją na poszczególne frakcje przy zastosowaniu metod fizycznych. Po usunięciu zanieczyszczeń mechanicznych procesy rozdziału pozwalają usunąć wodę i rozpuszczone w niej sole, a także organiczne związki siarki, pewne związki azotu i metale ciężkie.
Sole zanieczyszczające ropę, to głównie chlorek sodu, NaCl i chlorek potasu, KCl a także chlorek magnezu, MgCl2. Rodzaj soli obecnych w ropie zależy od jej pochodzenia.
Aby przeprowadzić odsalanie dodaje się do ropy deemulgator i podgrzewa wstępnie, co powoduje częściowe rozdzielenie emulsji ropnej na część organiczną i roztwór soli. Całkowite rozdzielenie obu faz następuje w elektrodehydratorze w podwyższonej temperaturze i pod ciśnieniem.
Elektrodehydrator zaopatrzony jest w elektrody. Pod wpływem wysokiego napięcia elektrycznego emulsja ropna rozdzielona zostaje na roztwór soli i odsoloną ropę, odprowadzaną w górnej części zbiornika.
Najważniejszą za stosowanych metod oczyszczania jest destylacja frakcyjna (frakcjonowana), w której wykorzystuje się różnice temperatur wrzenia poszczególnych składników. Pozwala ona rozdzielić ropę na frakcje, czyli grupy związków organicznych mających zbliżone własności [16].
W procesie tym wykorzystuje się różnice w temperaturach wrzenia poszczególnych węglowodorów i innych związków organicznych.
Po wstępnym oczyszczeniu, odwodnieniu i odsoleniu ropa ogrzewana jest w wymiennikach ciepła i następnie ulega rozdziałowi na frakcje w kolumnie destylacyjnej (wieży) pod ciśnieniem atmosferycznym.
Destylacja pod ciśnieniem atmosferycznym umożliwia rozdział ropy na frakcje. Są to:
• benzyna (ciekła frakcja wrząca do 150C)
• nafta (150-260C)
• olej napędowy (260-370C)
• olej opałowy (powyżej 370C)
W nawiasach podano zakres temperatur wrzenia. Trzeba tu dodać, że istnieją różnice w zakresach temperatur wrzenia poszczególnych frakcji, przyjmowanych przez różne źródła.
Oleje wrzące powyżej 350-370C określane są jako mazut. Pozostalość po destylacji służy do produkcji asfaltu.

Węgiel kamienny
Węgiel kamienny to jeden z węgli kopalnych zawierający 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień. Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma. Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.
Węgiel kamienny jest na świecie szeroko rozpowszechniony. Występuje głównie w utworach paleozoicznych (karbon, perm) i mezozoicznych.
Największe złoża: Rosja (Zagłębia: Peczorskie, Kuźnieckie, Tunguskie, Leńskie), Ukraina (Zagłębie Donieckie), Wielka Brytania (Zagłębia: Yorkshire, Durham, Derbyshire), Niemcy (Zagłębia Ruhry i Saary), USA, Kanada, Chiny, Australia, Indie i RPA. Wydobywany jest obecnie w 58 krajach.
W Polsce najbardziej zasobne złoża występują w utworach karbonu na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe) i Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe), a także na Dolnym Śląsku (okolice Wałbrzycha i Nowej Rudy).
Stosowany przede wszystkim jako opał. Stanowi także surowiec wykorzystywany w procesach chemicznych: wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju paliwa oraz produkty dla innych dziedzin przemysłu chemicznego (m.in. koks, gazy opałowe, paliwa silnikowe, benzol, smołę węglową i inne).

Podstawowy proces przerobu węgla polega na jego prażeniu w temperaturze 1000-1200C bez dostępu powietrza nazywamy koksowaniem. Proces ten przeprowadza się w specjalnych piecach koksowniczych uzyskując koks, smołę pogazową, wodę pogazową (amoniakalną) i gaz koksowniczy.

Gaz koksowniczy zawiera 50-60% wodoru, 25-35% metanu, niewielkie ilości etanu i etylenu, tlenek węgla i inne gazy. Gaz ten zużywa się częściowo jako paliwo, a częściowo poddaje się dalszej obróbce chemicznej. Ma on wysoką wartość opałową. Część produkowanego gazu zużywa sama koksownia do ogrzewania baterii koksowniczych, a nadwyżki przekazuje się do celów opałowych lub jako surowiec dla przemysłu chemicznego.

Wodę pogazową, zawierającą dużo amoniaku, wykorzystuje się do produkcji siarczanu amonowego, jednego z nawozów azotowych.

Smoła węglowa ma największe znaczenie z punktu widzenia przemysłu chemicznego. Znajduje się w niej wiele różnorodnych związków organicznych - głównie tak zwanych węglowodorów aromatycznych, odgrywających ogromną rolę jako surowce chemiczne. Dlatego też smołę węglową poddaje się destylacji frakcyjnej; poszczególne frakcje poddaje się dalszej obróbce i wykorzystuje do produkcji leków, barwników, tworzyw sztucznych, rozpuszczalników itd. Pozostałość po destylacji smoły węglowej, nazywana pakiem, używa się do budowy nawierzchni dróg lub poddaje przeróbce na koks pakowy, wykorzystywany do produkcji elektrod.

Koks jest praktycznie czystym węglem z niewielką domieszką związków nieorganicznych (popiołu). Charakteryzuje się specyficzną, porowatą strukturą i wysoką wytrzymałością mechaniczną. Głównym odbiorcą koksu jest hutnictwo żelaza, ponieważ stanowi on składnik wsadu wielkopiecowego.

Przemysł chemiczny wyrósł na podłożu surowców otrzymywanych z węgla. Jednak później rola węgla malała, ponieważ podstawowymi surowcami tego przemysłu stały się gaz ziemny i ropa naftowa. Zadecydowały o tym czynniki ekonomiczne i technologiczne. Obecnie zapotrzebowanie na energię i surowce jest duże. Pokrywa się je wykorzystaniem wszystkich trzech podstawowych surowców energochemicznych, czyli gazu ziemnego, ropy naftowej i węgla kamiennego.