Ropa naftowa

Z chemicznego punktu widzenia ropa naftowa to mieszanina różnych węglowodorów. W węglowodorach stałych rozpuszczone są węglowodory ciekłe i gazowe.
W skład ropy naftowej wchodzi wiele pierwiastków. Są to głównie niemetale, ale znaleźć tam można także związki chemiczne i niewielkie ilości metali. Z ropy naftowej
wyodrębniono około 600 związków, ale ich ilość szacuje się na kilka tysięcy.

Niemetale: węgiel(C), wodór(H), siarka(S), tlen(O), azot(N)
Związki chemiczne: chlorek sodu (NaCl), siarkowodór (H2S), amoniak (NH3), woda(H2O), fenole, tioalkohole, związki heterocykliczne
Metale: nikiel(Ni), mangan(Mn), żelazo(Fe), chrom(Cr), sód(Na), rtęć(Hg)


Związki węglowodorowe, stanowiące około 98% składu ropy naftowej są bardzo zróżnicowane i zawierają od 1 (metan - CH4) do ponad stu atomów węgla w cząsteczce. Można je podzielić na 3 grupy:
parafiny - związki węglowodorowe o różnej długości łańcuchów. Należące do nich alkany stanowią, w zależności od pochodzenia i czasu powstania ropy od 30 do 80% jej zawartości. Te, które mają powyżej 17 atomów węgla w cząsteczce są ciałami stałymi, pomiędzy 16 a 6 - cieczami, a 5 lub mniej - gazami. Liczba atomów węgla w cząsteczkach parafin dochodzi do 40.

kwasy naftenowe - od parafinów różnią się tym, że łańcuchy węglowe w przypadku tych cząsteczek nie są proste a pozamykane w pierścienie. Im więcej atomów węgla, tym większa gęstość substancji

związki nienasycone - stanowią grupę węglowodorów, w których nie wszystkie atomy węgla osiągnęły stan nasycenia łącząc się z poszczególnymi atomami swojego typu co najwyżej jednym wiązaniem. Ważny i ciekawy jest fakt, że ropa nie zawiera alkanenów ani alkinów

Nie wszystkie składniki ropy naftowej są pożądane. Związki zawierające siarkę i chlor powodują korozję urządzeń rafineryjnych. Z tego powodu pierwszą czynnością po wydobyciu ropy jest jej odsiarczenie oraz usunięcie wody.
Do surowców pokrewnych zaliczymy gaz ziemny i gęstą, lepką substancję zwaną asfaltem, lub inaczej - bitumenem.
Węglowodorom w ropie naftowej towarzyszą również inne związki organiczne, zawierające tlen, azot i siarkę.
W zależności od zawartości siarki, klasyfikuje się ropę naftową na:
- niskosiarkowe - zawierające do 0,5% S,
- wysokosiarkowe - zawierające powyżej 0,5% siarki.


WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE

Ropa naftowa jest to ciemną lepką cieczą. Barwa brązowa lub czarna, odznacza się silnym, specyficznym zapachem. Nie rozpuszcza się w wodzie. Gęstość 11-19 g/cm3.


ZASTOSOWANIE

Ropa naftowa znajduje szerokie zastosowanie. Jest czystsza i wydajniejsza niż węgiel, a w porównaniu z gazem - łatwiejsza do transportowania. Czasem, podobnie jak węgiel nazywana jest czarnym złotem. Wytwarza się z niej połowę energii wykorzystywanej na świecie. Jako surowca energetycznego wytwarza się ropę w transporcie, przemyśle i innych działach gospodarki.
Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu artykułów.

Bezpośrednio z ropy naftowej powstaje:
• asfalt,
• oleje napędowe,
• oleje i smary,
• nafta,
• różnego rodzaju benzyny.

Ropę naftową używa się do produkcji olejów silnikowych i smarów, gdyż bez nich niemożliwe by było funkcjonowanie maszyn. Służy również do produkcji całej gamy produktów, np. kosmetyków, leków, barwników, materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, włókien sztucznych (nylon), atramentu, środków owadobójczych, plastiku, syntetycznego kauczuku (opony) itp.


OTRZYMYWANIE I ZASTOSOWANIE

Benzynę i naftę, otrzymuje się z ropy naftowej w procesie destylacji frakcyjnej czyli rektyfikacji. Ropa naftowa jest ogrzewana, a ulatniające się pary są rozdzielane według temperatury wrzenia i skraplane w specjalnych zbiornikach. Powstałe produkty, zwane destylatami, są podstawą do dalszej obróbki w wyniku której otrzymujemy chemikalia, detergenty, woski, kleje oraz farby.
Ropą naftową ogrzewanych jest wiele domów prywatnych, a także budynków publicznych. Zarówno wielkość zasobów jak i ilość wydobytej ropy naftowej mierzy się w specjalnych jednostkach - baryłkach. Jedna baryłka stanowi równowartość 159 litrów.
Ropa naftowa była stosowana już dawno temu. Głownie stosowaną ją jako balsam do ciała, bądź nacierano nią główkę pochodni by paliła się dłużej. Również w technice wojennej ropę stosowano jako środek zapalający.

Kiedy tlenki azotu wymieszają się z drobinami wody w chmurach, spadają tzw. kwaśne deszcze. Zanieczyszczają one rzeki i jeziora oraz niszczą lasy. Wiele krajów świata podjęło już działania mające na celu ograniczenie emisji spalin samochodowych. Zachęca się do stosowania benzyny bezołowiowej, a w wielu krajach już niedługo nie będzie można zarejestrować samochodu, który nie będzie wyposażony w katalizator spalin, redukujący w znacznym stopniu emisję trujących gazów. Zabiegi te są jednak niewystarczające, jako że z roku na rok zwiększa się światowe zużycie ropy naftowej.

Stosowanie benzyny w silnikach samochodowych doprowadziło do ciężkiego skażenia powietrza w wielu miastach. Spaliny z samochodów i innych urządzeń napędzanych ropą zawierają trujące gazy, takie jak:

o tlenek węgla (CO),
o nie spalone węglowodory,
o tlenek azotu
o ołów

Niektóre z tych zanieczyszczeń wchodzą w reakcję ze światłem słonecznym, tworząc smog.


DESTYLACJA FRAKCYJNA

wykorzystuje fakt, że wrząca mieszanina ciekła wysyła parę o innym składzie niż skład mieszaniny ciekłej.
Skraplając pary wydzielające się z wrzącej cieczy otrzymuje się szereg frakcji destylatu o innym składzie niż skład cieczy destylowanej. W celu uzyskania większej czystości (lepszego oddzielenia) destylatu stosuje się proces wielokrotnej destylacji - rektyfikację.
Pozwala to na uzyskanie frakcji różniący się temperaturą wrzenia o 1 - 2oC. W przypadku ropy naftowej temperatury wydzielania odpowiednich frakcji wynoszą:

 <110 o c dla gazów opałowych,
 110oC dla benzyny i paliw silnikowych,
 180oC dla nafty,
 260oC dla olejów opałowych i
 >340oC dla bitumów (smoła, asfalt, masy bitumiczne).

Wydajność destylacji we współczesnych rafineriach wynosi 100 000 baryłek (16 000 000 litrów) destylatu w ciągu doby.


PRZERÓBKA

Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowo - olejowych, paliwowych oraz w rafineriach wytwarzających produkty specjalne. Technologia przeróbki ropy naftowej w rafineriach paliwowo - olejowych opiera się na zachowawczej metodzie przeróbki ropy polegającej na rozdziale ropy naftowej na frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników.
Rozdział ten uzyskuje się poddając ropę naftową destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym - dla frakcji wrzących do temperatury 300 - 350 oC i pod ciśnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naftowej) i dla frakcji wrzących powyżej tej temperatury.
W nowocześnie urządzony rafineriach ropy naftowej stosuje się destylację ciągłą w instalacjach tzw. rurowo-wieżowych (głównymi aparatami są piece rurowe i kolumny destylacyjne, zw. wieżami — stąd nazwa, oraz wymienniki ciepła, chłodnice, pompy).
Odwodnioną ropę naftową poddaje się stabilizacji (oddzielenie najlżejszych, gazowych węglowodorów), ogrzewa w piecu (do temp. 350C) i wprowadza do kolumny destylacyjnej atmosferycznej, w której następuje jej rozdzielenie
na : benzynę, naftę, olej napędowy (odprowadzane po ochłodzeniu do zbiorników magazynowych) oraz mazut; mazut — po ogrzaniu — wprowadza się do kolumny destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron.
W celu uzyskania produktów handlowych otrzymane frakcje poddaje się procesom uszlachetniającym, np. benzynę — odsiarczaniu, reformingowi, frakcje olejowe — rafinacji (np. odparafinowaniu, odasfaltowaniu).

Wydobytą ropę transportuje się różnymi drogami do zakładów przetwórczych - rafinerii. Współczesna rafineria produkuje wiele różnorodnych wyrobów o rozmaitym przeznaczeniu i dlatego lokalizuje się ją zazwyczaj w centrum zużycia produktów naftowych. Jej wielkość jest uzależniona od możliwości wykorzystania istniejących zasobów ropy
Zdolność przerobowa małych rafinerii mieści się w granicach 0,5 - 3 mln ton ropy rocznie, dużych - od 5 do 12 mln ton. W wypadku dużego zapotrzebowania na ropę i jej produkty buduje się jeszcze większe, lub kombinat składający się z kilku dużych zakładów przerobowych.

Rafinerie, zależnie od profilu produkcyjnego, możemy podzielić na trzy typy:

• paliwowe: otrzymuje się w nich przede wszystkim paliwa silnikowe i olej opałowy
• paliwowo - opałowe: produkty to głównie paliwa i oleje smarowe
• petrochemiczne: produkują węglowodorowe produkty do syntez chemicznych: eten, propen, butadien, areny oraz benzynę wysokooktanową i olej opałowy - w dużych kombinatach na miejscu prowadzi się syntezy z uzyskanych produktów

W niektórych kombinatach otrzymuje się (po odpowiedniej uszlachetniającej przeróbce frakcji naftowych) produkty specjalne, m. in. benzynę ekstrakcyjną, lakową, oleje cylindrowe, oleje do sprężarek i kondensatorów oraz lepiki.

W rafineriach rozpoczyna się proces przerobu ropy naftowej, zwany destylacją frakcyjną lub restryfikacją. Wynalazcą tej metody był Polski chemik, Ignacy Łukasiewicz. Pierwotnie przerób polegał jedynie na rozdzieleniu cieczy na poszczególne frakcje i ich oczyszczeniu - proces ten nazywamy przerobem płytkim (obejmuje destylację ropy, prowadzącą do otrzymania benzyny i oleju opałowego oraz rafinację - czyli ich odsiarczanie). Jednak w dzisiejszych czasach metody tej nie stosuje się już prawie nigdzie - nie prowadzi ona do pełnego wykorzystania ropy naftowej. Dzisiaj ropę przerabia się głównie metodą pogłębioną, powtórnie przetwarzając część oleju opałowego na wiele znacznie bardziej wartościowych produktów m.in. benzynę, oleje napędowe, asfalty, gazy płynne (których używamy potem w kuchni), oraz surowce chemiczne.
PRZERÓB PŁYTKI
Po wydobyciu ze złoża ropę odwadnia się, dzięki czemu zawartość wody w niej zawartej maleje do około 0,5 - 1,5 %. Jednocześnie obniżeniu ulega zawartość soli w ropie. Pozostałą po tych czynnościach substancję poddaje się stabilizacji, czyli oddzieleniu z niej najlżejszych, gazowych węglowodorów, a następnie ogrzewa się w piecu do około 350oC. Oczyszczona i podgrzana ropa naftowa przepływa do tzw. wież destylacyjnych wchodzących w skład instalacji rurowo - wieżowych rafinerii. Ogrzana do wysokiej temperatury i wpompowana do dolnej części wieży ropa zaczyna się rozdzielać na pary i ciecze. Duże, ciężkie cząsteczki pod wpływem gorąca zmieniają się w gęstą, lepką ciecz i pozostają na dole wieży destylacyjnej. Z innych cząsteczek, zbudowanych z mniejszej ilości atomów węgla, po ogrzaniu powstaje para, która w miarę wznoszenia się w wieży z powrotem ochładza się i zmienia w ciecz. W ten sposób, na kolejnych, umieszczonych coraz wyżej półkach następuje skraplanie i przechodzenie w ciecz mniejszych i lżejszych cząsteczek. Niektóre z nich docierają na szczyt jako gazy, gdzie pod dodatkowym oczyszczeniu są zbierane w butlach.
Oto schemat kolejności, w jakiej wyodrębniają się kolejne destylaty (pierwsza kropka symbolizuje wylot gazów a ostatnia najniższą półkę) wraz z krótką charakterystyką:

• Eter naftowy - Frakcja nie ma nic wspólnego ze strukturą eterów. Nazwa wzięła się faktu, iż pod względem lotności niezwykle przypomina eter etylowy. Frakcja stanowi mieszaninę różnych węglowodorów pięciowęglowych z niewielką domieszką sześciowęglowych.
• Benzyna - Wyróżniamy kilka jej gatunków, w zależności od przewagi konkretnego rodzaju związków węglowodorowych (benzyny ekstrakcyjne, zwykłe i ciężkie). Temperatura wrzenia tej frakcji wynosi 35-200oC.
• Nafta - Zawiera związki mające od 10 do 15 atomów węgla w cząsteczce. Temperatura wrzenia to 150-340oC.
• Oleje - Temperatura wrzenia wynosi ok. 280-350oC. Z tej frakcji wydzielamy oleje opałowe, napędowe i ciężkie. Oleje napędowe (wykorzystywane w silnikach Diesla) są tańsze od benzyny, gdyż nie musza być uszlachetniane.
• Mazut - Czarna, bardzo gęsta maź, stosowana jako paliwo oraz substrat do produkcji asfaltu. Osadza się na dnie wieży destylacyjnej.

Poprzestanie na powyższym stopniu wykorzystania byłoby wysoce nieekonomiczne. Dlatego też po przerobie płytkim przystępuje się do metody określanej słowem
KRAKING . Określenie to jest skrótową formą wyrażenia "katalityczny kraking destylatów próżniowych". Pozwala ona na "wyciśniecie" dodatkowych ilości benzyny, olejów i nafty z mniej użytecznych produktów destylacji. Polega na rozbiciu długich cząsteczek ciężkich węglowodorów na mniejsze, uzyskując wspomniane wyżej substancje. Zachodzi to w zbiorniku, w którym pod wysokim ciśnieniem ogrzewa się otrzymaną w pierwszej wieży destylacyjnej naftę i oleje ciężkie. Pod wpływem silnego ogrzewania następuje pękanie dużych cząsteczek na krótsze, które - jak poprzednio ropę - kieruje się do kolejnej wieży destylacyjnej. Następujący teraz proces jest powtórzeniem poprzedniej destylacji. I tym razem w jej wyniku powstają gazy (kierowane następnie do przeróbki chemicznej), benzyna (stosowana później w silnikach) i oleje. Dzięki krakingowi z tony ropy naftowej można otrzymać nie 100 a 400 kg benzyny.


Charakterystyka paliw ropo-pochodnych

Ropa naftowa nie nadaje się do bezpośredniego zastosowania technicznego jako paliwo . Po wydobyciu z otworu wiertniczego jest ona oczyszczana z zanieczyszczeń mechanicznych , a następnie oddziela się od niej wartościowe i łatwo wrzące składniki : propan , butan i benzyny . Pozostałość podlega w rafineriach stopniowej destylacji ( w maksymalnej temperaturze ok. 400 oC ) na szereg gazów i olejów . W drugim etapie procesu destylacji trudno wrzące pozostałości poprzez tzw. kranking rozkłada się na węglowodory lekkie . Końcowymi produktami rafinerii są takie paliwa ciekłe jak benzyny , oleje opałowe , oleje napędowe , nafta . Są to mieszaniny węglowodorów ciekłych o wartości opałowej ok. 42 MJ / kg paliwa . Paliwa ciekłe są więc ok. dwa razy “mocniejszymi paliwami” od węgla kamiennego , a poza tym są one łatwe do transportowania .
Ciekłe paliwa ropo – pochodne przewożone są przeważnie w cysternach samochodowych lub kolejowych .
Paliwa ciekłe dzięki swoim właściwościom fizyko – chemicznym doskonale nadają się do zasilania silników spalinowych . Znalazły dlatego powszechne zastosowanie w transporcie – samochodach , statkach , samolotach .
Paliwa ciekłe stosuje się też do opalania kotłów .
Paliwa ciekłe znalazły również szerokie zastosowanie w szeregu urządzeń technologicznych jak suszarnie, przemysłowe piece grzewcze , wytwornice pary , itp.


PODSUMOWANIE

Ropa naftowa, czyli olej skalny, jest najważniejszym surowcem węglowodorowym do otrzymywania cennych produktów przemysłowych, np. benzyny, nafty, olejów smarowych, parafiny.

Jest mieszaniną węglowodorów (alkanów, cykloalkanów, arenów: 80-90%), kwasów karboksylowych, fenoli, tioalkoholi, pochodnych tiofenu, azotowych związków heterocyklicznych, żywic, związków metaloorganicznych. Skład ropy naftowej jest zmienny i zależy od miejsca wydobycia. Głównymi zanieczyszczeniami są nieorganiczne sole i woda.

Ropa naftowa jest przerabiana metodami: destylacji frakcyjnej (destylacja), rafinacji, ekstrakcji selektywnymi rozpuszczalnikami (np. glikolem dietylowym), krystalizacji i in.

Z ropy naftowej otrzymuje się: eter naftowy, ligroinę, benzynę, naftę, oleje mineralne, mazut oraz surowce dla przemysłu chemicznego, np. benzen, toluen, ksyleny (hydrokraking, kraking, reforming katalityczny).


POJĘCIA

Rafinacja
Zestaw procesów, które przekształcają ropę naftową w bardziej użyteczne produkty. Rafinacja składa się z trzech głównych procesów - destylacji frakcyjnej, krakingu i reformingu

Destylacja frakcyjna ropy naftowej
Proces stosowany do rozdzielenia ropy naftowej na frakcje według ich temperatur wrzenia. Kolumna frakcjonująca jest bardzo gorąca na dole i staje się coraz zimniejsza im bliżej wierzchołka. Wrząca ropa naftowa przechodzi przez kolumnę jako para, tracąc ciepło w miarę wznoszenia. Gdy frakcja osiąga półkę o temperaturze poniżej jej temperatury wrzenia, kondensuje na półce. Jest potem zawracana rurami. Frakcje są destylowane ponownie, aby otrzymać lepsze rozdzielenie.

Frakcja
Mieszanina cieczy o podobnych temperaturach wrzenia, otrzymywana w wyniku destylacji frakcyjnej. Lekkie frakcje mają niskie temperatury wrzenia i krótkie łańcuchy węglowodorów Frakcje ciężkie mają wyższe temperatury wrzenia i dłuższe łańuchy.

Kraking
Reakcja rozpadu dłuższych łańcuchów alkanów na krótsze alkany i alkeny Mniejsze alkany są stosowane jako benzyna. Kraking następuje na skutek działania wysokiej temperatury lub ąąłkatalizatora (kraking katalityczny).
C9H20 → C7H16 + C2H4
Opis:
Nonan (alkan) rozkłada się na heptan (alkan) i eten (alken).

Reforming
Proces, w którym otrzymuje się benzynę z lżejszych frakcji przez rozbicie prostych łańcuchów alkanów" i przebudowanie ich w łańcuchy rozgałęzione.

Benzyna lub ropa
Ciekła frakcja uzyskana z destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów zawierających od 5 do 12 atomów węgla w cząsteczce i wrze w przedziale temperatur 40-150oC.

Nafta
Ciekła frakcja uzyskiwana z destylacji frakcyjnej. Nafta składa się z alkanów zawierających od 9 do 15 atomów węgla w cząsteczkach. Ma temperaturę wrzenia w przedziale 150-250oC.

Olej napędowy (olej gazowy)
Ciekła frakcja otrzymywana w destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów. zawierających 12-25 lub więcej atomów węgla w cząsteczkach. Ma temperaturę wrzenia 250oC i wyższą.

Mazut
Olej pozostały po destylacji frakcyjnej. Składa się z "węglowodorów o bardzo wysokich względnych masach cząsteczkowych; ich cząsteczki zawierają do 40 atomów węgla. Jego temperatura wrzenia jest wyższa niż 350oC. Część jest stosowana jako olej opałowy, reszta jest rozdestylowywana na następujące substancje:
• Olej smarowy. Mieszanina nielotnych cieczy uzyskanych w próżniowej destylacji mazutu.
• Parafina. Miękkie ciało stałe, które jest oddzielane od oleju smarowego po destylacji mazutu po próżnią.
• Bitumin lub asfalt. Ciecz pozostała po destylacji mazutu po próżnią. Jest smolista, czarna, półstała w temperaturze pokojowej.