Ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny jako naturalne źródła węglowodorów

Węglowodory są to związki węgla z wodorem. Najbardziej użytecznymi węglowodorami w przyrodzie są ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

Ropa naftowa jest skomplikowaną mieszaniną węglowodorów (lotnych ciekłych i stałych) zawierających także niewielkie ilości (do 1%) związków organicznych tlenu (kwasy karboksylowe, fenole) siarki (tioalkohole i pochodne tiofenu) oraz azotu (azotowe związki heterocykliczne).
W temperaturze pokojowej ropa naftowa jest cieczą oleistą łatwo palną, najczęściej lżejszą od wody, źle przewodzącą prąd elektryczny. Barwa, zapach, lepkość, ciężar właściwy itp. zależą od pochodzenia ropy (sklasyfikowano kilka tysięcy gatunków).
Wydzielenie czystych węglowodorów z ropy naftowej odbywa się najczęściej za pomocą destylacji frakcyjnej; stosuje się także ekstrakcję za pomocą selektywnych rozpuszczalników oraz krystalizację.
W skład ropy naftowej wchodzą trzy grupy węglowodorów:
- alkany
- cykloalkany
- areny
Ropa naftowa nie zawiera w zasadzie alkenów i alkinów. W zależności od jej pochodzenia procentowy udział poszczególnych składników jest zróżnicowany.
W wyniku destylacji ropy naftowej uzyskuje się szereg frakcji wrzących w różnych zakresach temperatury. W miarę podwyższania temperatury ropy destylują z niej coraz to trudniej lotne składniki. Produktami są :
v eter naftowy C5 - C6 o temperaturze wrzenia 20 - 90C stosowany jako rozpuszczalnik
v benzyna lekka C6 - C7 o temperaturze wrzenia 90 - 120C stosowana także jako rozpuszczalnik
v benzyna ciężka C7 - C12 o temperaturze wrzenia 100 - 200C stosowana jako paliwo w silnikach spalinowych
v nafta C12 - C18 o temperaturze wrzenia 170 - 270C stosowana jako paliwo
v olej gazowy lekki >C18 o temperaturze wrzenia 230 - 300C stosowany jako paliwo
v olej smarowy >C18 o temperaturze wrzenia powyżej 300C i stosowany jako smar
v mazut czyli pozostałość jest surowcem do produkcji smaru, parafiny i asfaltu oraz surowcem w procesach krakowania stosowanych do otrzymywania benzyny.
Benzyna jest substancją ciekłą, bardzo lotną i łatwopalną o charakterystycznym zapachu. Pary benzyny z powietrzem tworzą mieszanki wybuchowe. Nierozpuszczalna w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalna w bezwodnym alkoholu - eterze, chloroformie, itp. Stosuje się ją głównie jako paliwo do silników, jako środek piorący i odtłuszczający, jako rozpuszczalnik tłuszczów farb i lakierów. Ponieważ rozwój motoryzacji pociąga za sobą coraz większe zapotrzebowanie na benzynę, wyższe frakcje ropy naftowej takie jak oleje i mazut, przerabiane są na benzynę w procesie krakingu. Proces ten polega na termicznej lub katalitycznej degradacji węglowodorów, pozwalającej na uzyskanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej. Benzyny krakowe różnią się od benzyn otrzymywanych na drodze zwykłej destylacji ropy naftowej większą zawartością alkenów i węglowodorów aromatycznych.
Kraking
Jeśli produkty destylacji ropy naftowej zawierające kilkanaście atomów węgla w cząsteczce, a wiec frakcje olejową, zostaną podgrzane do temperatury około 500C to następuje rozerwanie wiązania pomiędzy atomami węgla. Długi łańcuch węglowodoru pęka, przy czym tworzą się niższe węglowodory. W praktyce możemy powiedzieć, że z oleju otrzymujemy benzynę. Z udziałem katalizatora kraking można przeprowadzić w temperaturach od 400 do 500C.
Jako katalizatory w metodzie krakingu stosowane są krzemiany glinu, magnezu lub cyrkonu. Gazy krakowe stanowiące produkt uboczny krakingu stosuje się do produkcji paliw lotniczych i jako surowce chemiczne.
Reforming
Zmiany składu frakcji benzynowych w celu uszlachetnienia benzyn uzyskiwanych metodą destylacji ropy naftowej można uzyskać metoda reformingu, która polega na izomeryzacji i dehydrocyklizacji n-alkanów oraz odwodornieniu cykloalkanów do węglowodorów aromatycznych pod wpływem katalizatora platynowego. W ten sposób podnosi się liczbę oktanową benzyny nawet o 40 jednostek, a także uzyskuje się alkeny i areny.
Liczba oktanowa jest to wielkość określająca jakość benzyny (im wyższa liczba oktanowa tym benzyna jest lepsza). Benzyny uzyskane bezpośrednio przez destylację ropy naftowej mają liczbę oktanową od 50 do 76, benzyny z krakowania - 90, powstałe z reformingu - około 100. Liczbę oktanową benzyn można podnieść o 15 - 16 jednostek przez dodanie czteroetyloołowiu (powstaje etylina używana tylko jako paliwo - bardzo trująca) Następną frakcją po benzynie jest nafta, czyli przezroczysta, żółta ciecz niebieskawym połyskiem i charakterystycznym zapachem. Stosowana dawniej głównie do oświetlania (lampa naftowa), obecnie używana jako paliwo do silników wysokoprężnych lub odrzutowych i jako surowiec do otrzymywania benzyny metodą krakingu lub reformingu. Kolejna frakcja po nafcie to olej gazowy lekki (solarowy). Jest używany jako paliwo do silników wysokoprężnych Diesla - tańsze od benzyny, ponieważ nie wymaga przeróbki chemicznej. Cięższe frakcje olejowe (olej smarowy) służą do smarowania mechanizmów.

Drugim węglowodorem w przyrodzie jest Gaz Ziemny inaczej gaz mineralny. Występuje obok ropy naftowej jako tak zwany gaz mokry lub osobno w złożach jako gaz suchy. Głównym składnikiem gazu ziemnego mokrego jest metan, poza tym etan i kilka wyższych węglowodorów dających łatwo się skroplić. Podczas przeróbki "mokrych" gazów poddaje się tzw. Odbenzynowaniu - oddziela się benzynę od zawartych w nich węglowodorów niższych. W wyniku tego procesu otrzymuje się gazolinę oraz gaz suchy składający się głównie z metanu a oprócz tego zawierający etan, propan, i niewielkie ilości butanu. Gazolinę poddaj się stabilizacji i destylacji pod ciśnieniem oddzielając węglowodory lekkie - powstaje gaz płynny (propan-butan) i gazolina stabilizowana (pentany, heksany, heptany).
Gaz płynny przechowywany jest w czerwonych butlach stalowych. Jest stosowany jako materiał opałowy w gospodarstwie domowym (tam gdzie nie ma jeszcze normalnej instalacji gazowej), w kuchenkach turystycznych i zapalniczkach, ponadto do cięcia, topnienie i spawania metali kolorowych oraz topienia szkła. Jest też nieocenionym oraz podstawowym surowcem w wielu zakładach chemicznych. Gaz suchy stosuje się jako paliwo, ale głównie jako surowiec w przemyśle chemicznym. Gazolina stabilizowana stosowana jest jako składnik podnoszący prężność par benzyny, a także jako rozpuszczalnik tłuszczów.

Wegiel kamienny jest najczęściej występującym surowcem energetycznym pochodzenia organicznego. W niektórych domach do dziś używa się go do ogrzewania. Obecnie jednak większość węgla zużywana jest w przemyśle lub elektrowniach. Zanim zaczęto wydobywać na szeroką skalę gaz ziemny uzyskiwano go z węgla. Węgiel Kamienny zawdzięcza swoją popularność temu, iż w przeciwieństwie do innych skał pali się wydzielając dużo ciepła i dużo energii. Przerabia się go w procesie koksowania (suchej destylacji węgla) czyli wysokotemperaturowego (około 1000C) odgazowywania w piecach koksowniczych bez dostępu powietrza. Proces ten prowadzi do powstania koksu, gazu koksowniczego, wody pogazowej i smoły pogazowej
KOKS
Substancja stała - tworzy szaroczarne, nieregularne bryły o budowie gąbczastej, składające się w 90% z węgla. Stosowany jako paliwo i reduktor w procesie wielkopiecowym (otrzymywanie stali z rud żelaza) oraz jako bezdymne paliwo do centralnego ogrzewania.
WODA POGAZOWA - Stanowi mieszaninę zawierającą amoniak, sole amonowe ((NH4)CO3, NH4Cl, (NH4)2S, (NH4)2SO4, (NH4)2S2O3, NH4SCN), pirydynę, fenole i inne związki. Jest surowcem do otrzymywania amoniaku i siarczanu amonu.
smoła węglowa, smoła pogazowa - gęsta ciecz barwy czarnej o mazistej konsystencji. W skład smoły węglowej wchodzą głównie węglowodory aromatyczne, fenole, zasady pirydynowe i chinolinowe. Jest surowcem do otrzymywania paku oraz wielu związków organicznych (np. benzenu, toluenu, fenolu, acenaftenu. Gaz koksowniczy - zawiera m.in. H2, O2, N2, CO2, NH3, H2S, węglowodory nasycone (głównie metan a także etan, propan i butan), nienasycone (etylen, acetylen), aromatyczne (benzen, toluen). Jest on cennym surowcem chemicznym. Stosowany jest także jako paliwo - po uprzednim usunięciu z niego amoniaku, smoły pogazowej i węglowodorów aromatycznych. Podczas wstępnego chłodzenia gazu wraz ze smołą wykrapla się woda pogazowa, w której rozpuszcza się ok. 75% amoniaku, dlatego nazywa się ją wodą amoniakalną. Amoniak odzyskiwany z wody amoniakalnej ze względu na zanieczyszczenia używa się tylko do produkcji siarczanu (VI) amonu stosowanego jako nawóz sztuczny.