Ropa naftowa i produkty naftowe
Ropa naftowa, czyli olej skalny, jest najważniejszym surowcem węglowodorowym do otrzymywania cennych produktów przemysłowych, np. benzyny, nafty, olejów smarowych, parafiny.
Mimo że źródła jej znane były już w starożytności, to jednak rozwój przemysłu naftowego datuje się dopiero od drugiej połowy XIX stulecia..
Pochodzenie złóż ropy naftowej tłumaczono rozmaicie. Mendelejew wysunął teorię nieograniczonego pochodzenia ropy z węglików metali ciężkich, z których składa się jądro Ziemi. Węgliki te pod wpływem wody rozłożyły się na węglowodory, tworzące ropę. Mimo że teoria ta znalazła wielu zwolenników, nie tłumaczy ona jednak obecności w ropie związków azotowych ani związków optycznie czynnych. Później badacze niemieccy Engler i Hoefer wyrazili pogląd, że ropa powstała z tłuszczu zwierząt żyjących w odległych epokach geologicznych. Wreszcie w roku 1877 polski uczony Bronisław Radziszewski wysunął przypuszczenie, że ropa naftowa mogła powstać także z roślin. Za hipotezą Englera przemawia fakt, że przez destylację tranu rybiego pod wysokim ciśnieniem otrzymuje się produkt zbliżony do nafty, za hipotezą zaś Radziszewskiego - doświadczalnie stwierdzona fermentacja celulozy pod wpływem pewnych bakterii żyjących w mule jezior. Produktami tej fermentacji są metan i dwutlenek węgla. Drugim dowodem słuszności teorii Radziszewskiego jest stwierdzenie w ropie naftowej obecności śladów chlorofilu, barwnika roślin zielonych.
Ropa naftowa jest ciemnobrunatną cieczą o gęstości 0,79 - 0,96 g/ml i o swoistym zapachu. Barwa jej bywa również jasna i słabo opalizująca. W wodzie ropa się nie rozpuszcza.
Głównymi składnikami ropy naftowej są rozmaite węglowodory:
- nasycone węglowodory parafinowe, a więc homologi metanu,
- małe ilości węglowodorów oleinowych (homologi etylenu),
- nasycone węglowodory cykliczne, tzw. węglowodory naftenowe, pochodne cyklopentanu i cykloheksanu o wzorze CnH2n,
- węglowodory aromatyczne, pochodne benzenu C6H6
4. Przeróbka ropy naftowej i jej produkty
Ropę naftową obrabia się w dwojaki sposób: poprzez destylację frakcyjną lub kraking. Kraking polega na rozrywaniu długich łańcuchów węglowodorowych na łańcuchy krótsze, mniej skomplikowane w drodze rozkładu termicznego lub katalitycznego. Kraking ma bardzo duże znaczenie w przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym. Otrzymane w pro-cesie krakingu benzyny odznaczają się wysoką liczbą oktanową, a otrzymane gazy zawie-rają dużo węglowodorów nienasyconych, które są ważnym surowcem w syntezie che-micznej. Kraking termiczny przeprowadzany jest w temperaturze 400 – 700C pod ciśnie-niem do 50 at. (5 MPa).
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 destylowa-nej. W celu uzyskania większej czystości (lepszego oddzielenia) destylatu stosuje się pro-ces wielokrotnej destylacji - rektyfikację. Pozwala to na uzyskanie frakcji różniący się temperaturą wrzenia o 1 – 2C. W przypadku ropy naftowej temperatury wydzielania od-powiednich frakcji wynoszą: <110C dla gazów opałowych, 110C dla benzyny i paliw silnikowych, 180C dla nafty, 260C dla olejów opałowych i >340C dla bitumów (smoła, asfalt, masy bitumiczne). Wydajność destylacji we współczesnych rafineriach wynosi 100 000 baryłek (16 000 000 litrów) destylatu w ciągu doby.
Produkty obróbki ropy naftowej wykorzystuje się jako surowce energetyczne (gazy opa-łowe, benzyna, olej napędowy), w przemyśle chemicznym, jako smary, do budowy dróg, nawierzchni bitumicznych itp.
Do najważniejszych produktów przeróbki ropy naftowej należą:
1) Paliwa - gaz płynny, benzyna samochodowa i lotnicza, nafta, olej napędowy, oleje opa-łowe;
2) Oleje smarowe;
3) Gaz parafinowy, z którego otrzymuje się parafinę;
4) Asfalty i koks naftowy;
5) Smary stałe.
W zależności od rodzaju ropy naftowej oraz produktów, jakie mają być z niej otrzy-mywane, stosuje się odpowiednie technologie przeróbki ropy naftowej. Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowych, paliwowo-olejowych oraz w rafineriach petrochemicznych (rafineria ropy naftowej). W rafineriach paliwowo-olejowych stosuje się tzw. zachowawczą metodę przeróbki ropy, polegającą na rozdziale ropy naftowej na frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników; z ropy naftowej, poddanej destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym, otrzymuje się frakcje wrzące do temp. 300–350C, a pod ci-śnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naftowej) - frakcje wrzące powyżej tej temperatury. Destylację prowadzi się 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 pod-daje się stabilizacji (oddzielenie najlżejszych, gazowych węglowodorów), ogrzewa w pie-cu (do temperatury 350C) i wprowadza do kolumny destylacyjnej atmosf., w której na-stępuje jej rozdzielenie na: benzynę, naftę, olej napędowy (odprowadzane po ochłodzeniu do zbiorników magazynowych) oraz mazut; mazut - po ogrzaniu - wprowadza się do ko-lumny destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron. W celu uzyskania produktów handlowych otrzymane frakcje poddaje się procesom uszlachetnia-jącym, np. benzynę — odsiarczaniu, reformingowi; frakcje olejowe — rafinacji (np. odpa-rafinowaniu, odasfaltowaniu). W rafineriach paliwowych i petrochemicznych niektóre frakcje otrzymane w wyniku destylacji ropy poddaje się tzw. procesom destruktywnym. W rafineriach paliwowych prowadzi się głównie katalityczny kraking destylatów próżnio-wych (średnich i ciężkich) oraz koksowanie mazutu; uzyskuje się w ten sposób duże ilości wysokooktanowych benzyn silnikowych i oleju napędowego. W rafineriach nastawionych na uzyskiwanie surowców do syntez org. (etenu, propenu, butadienu, benzenu, toluenu) podstawowym procesem destruktywnym jest piroliza lekkich frakcji naftowych, prowadzi się też kraking katalityczny cięższych frakcji uzyskanych w wyniku destylacji atmosfe-rycznej.
Podczas destylacji frakcyjnej z surowej ropy naftowej otrzymuje się następujące produkty:
1) Eter naftowy, zbierany do temperatury 70ºC, o gęstości poniżej 0,7 g/ml, składa się głównie z najlżejszych węglowodorów zawierających nie więcej niż sześć atomów węgla w cząsteczce. Zastosowanie: jako benzyna apteczna albo rozpuszczalnik do ekstrakcji.
2) Benzyna lekka, zbierana od 60 do 100ºC i o gęstości 0,7 - 0,75 g/ml, stosowana głównie jako benzyna lotnicza.
3) Benzyna ciężka, wrząca w granicach 100 - 150ºC o gęstości 0,75 g/ml, używana jako benzyna samochodowa.
4) Ligroina, zwana inaczej benzyną lakową, wrze w granicach 100 - 180ºC.
Podane powyżej granice temperatur wrzenia poszczególnych frakcji oraz ich gęstość nie charakteryzują dokładnie danego rodzaju benzyny. Zależnie od pochodzenia ropy i od przeznaczenia destylatu granice te mogą się wahać.
Nafta jest produktem destylacji ropy odbieranym w granicach temperatur wrzenia 215 - 325ºC. Surową naftę otrzymaną z pierwszej destylacji i zawierającą sporo smolistych zanieczyszczeń poddaje się następnie rafinacji chemicznej. Oczyszczona nafta powinna być trudno zapalna, a więc nie może zawierać lotnych składników, charakterystycznych dla benzyny. Temperatura zapłonu nafty, zgodnie z przepisami, wynosi 39ºC. A zatem nafta nie powinna zapalać się w zetknięciu ze stosunkowo zimnym płomieniem zapałki.
Oleje naftowe - pozostałość po destylacji ropy naftowej pod zwykłym ciśnieniem, wrzącą powyżej 325ºC, poddaje się następnie destylacji próżniowej (pod zmniejszonym ciśnieniem), otrzymując rozmaite produkty przemysłowe, a przede wszystkim różne oleje naftowe. Należą do nich oleje smarowe, oleje silnikowe (używane do silników Diesla), oleje gazowe (przerabiane za pomocą pirolizy na mieszaninę gazów, używaną do oświe-tlania) oraz olej parafinowy, z którego przez wymrażanie wykrystalizowuje się parafinę służącą do wyrobu świec. Z niskogatunkowych rop, nie nadających się do wytwarzania wyżej wymienionych olejów naftowych, otrzymuje się oleje opałowe (mazut) stosowane na statkach lub w przemyśle.
Parafina stała topi się w temperaturze 15 - 60ºC. Jest prawie bezbarwnym przezroczy-stym lub półprzezroczystym ciałem krystalicznym. Składnikami parafiny są węglowodory o zawartości węgla C19 - C39. Parafina służy do wyrobu świec oraz jako materiał izola-cyjny w elektrotechnice.
Wazelina jest również produktem destylacji niektórych gatunków ropy naftowej i sta-nowi pozostałość po oddestylowaniu lżejszych składników. Wazelin surowa jest żółto-czerwoną lub ciemnozieloną półstała masą, używaną jako smar, nie ulegający zmianom na powietrzu ( w odróżnieniu od tłuszczów). Przez rafinację chemiczną za pomocą stężonego kwasu siarkowego, który następnie usuwa się za pomocą wody, otrzymuje się bezbarwną wazelinę farmaceutyczną, służącą do wyrobu maści.
Smoła ropna (inaczej asfalt naftowy) jest ostateczną pozostałością po przeróbce ropy naftowej, stosuje się ją np. po pokrywania nawierzchni dróg.
Destylacja ropy naftowej. Obróbka rozpoczyna się od tak zwanej destylacji frakcyjnej, którą przeprowadza się w wielkiej wieży. Surową ropę podgrzewa się tak długo , aż większość jej płynnych składników przejdzie w stan lotny. Pary te unosząc się ku górze wieży, coraz bardziej się oziębiają, wreszcie ponownie stają się płynami . Różne substancje przechodzą w stan ciekły przy różnych temperaturach, toteż wypływają one z wieży na różnych poziomach . Tak oddzielone substancje ropy nazywa się frakcjami .Otrzymuje się z nich benzynę , naftę , oleje smarowe i opałowe oraz pozostałość – asfalt naftowy. Podczas obróbki ropy naftowej wytwarza się również gaz . Niektóre z płynów uzyskiwanych w wyniku destylacji są zbyt gęste i ciężkie , aby można je było stosować w takiej postaci . W procesie zwanym krakowaniem rozkłada się je więc na substancje prostsze , uzyskując więcej benzyny , a także olei lekkich .
Podczas destylacji frakcyjnej z surowej ropy naftowej otrzymuje się następujące produkty:
· Gaz, składa się głównie z najlżejszych węglowodorów zawierających nie więcej niż cztery atomy węgla w cząsteczce
· Eter naftowy, zbierany do temperatury 70 ºC, o gęstości poniżej 0,7 g/ml, składa się głównie z najlżejszych węglowodorów zawierających nie więcej niż sześć atomów węgla w cząsteczce. Zastosowanie: jako benzyna apteczna albo rozpuszczalnik do ekstrakcji.
· Benzyna lekka, zbierana od 60 do 100 ºC i o gęstości 0,7 - 0,75 g/ml, stosowana głównie jako benzyna lotnicza.
· Benzyna ciężka, wrząca w granicach 100 - 150 ºC o gęstości 0,75 g/ml, używana jako benzyna samochodowa.
· Ligroina, zwana inaczej benzyną lakową, wrze w granicach 100 - 180 ºC.
· Nafta jest produktem destylacji ropy odbieranym w granicach temperatur wrzenia 215 - 325 ºC.
· Oleje naftowe. Pozostałość po destylacji ropy naftowej pod zwykłym ciśnieniem, wrzącą powyżej 325 ºC, poddaje się następnie destylacji próżniowej (pod zmniejszonym ciśnieniem), otrzymując rozmaite produkty przemysłowe, a przede wszystkim różne oleje naftowe. Należą do nich oleje smarowe, oleje silnikowe, oleje gazowe oraz olej parafinowy, z którego przez wymrażanie wykrystalizowuje się parafinę służącą do wyrobu świec.
· Parafina stała topi się w temperaturze 15 - 60 ºC. Jest prawie bezbarwnym przezroczystym lub półprzezroczystym ciałem krystalicznym. Składnikami parafiny są węglowodory o zawartości węgla C19 - C39. Parafina służy do wyrobu świec oraz jako materiał izolacyjny w elektrotechnice.
· Wazelina jest również produktem destylacji niektórych gatunków ropy naftowej i stanowi pozostałość po oddestylowaniu lżejszych składników.
· Smoła ropna (inaczej asfalt naftowy) jest ostateczną pozostałością po przeróbce ropy naftowej, stosuje się ją np. po pokrywania nawierzchni dróg.
Ubocznym produktem przeróbki ropy są kwasy naftenowe, kwasy mahoniowe i kwasy zielone. Sole miedziowe i cynkowe tych kwasów mają własności grzybobójcze i używa się ich do konserwacji drewna. Sole kwasów mahoniowych i zielonych wykorzystuje się w przemyśle włókienniczy i do chłodzenia obróbki metali.
Jako surowca energetycznego używa się ropy w transporcie , przemyśle i innych działach gospodarki. Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu paliw , smarów i olejów silnikowych. Służy również do produkcji nawierzchni asfaltowych i całej gamy innych produktów, np. kosmetyków , leków , barwników , materiałów wybuchowych , nawozów sztucznych, włókien sztucznych , atramentu , środków owadobójczych , plastiku , syntetycznego kauczuku