Dodaj do listy

Ropa naftowa i sposoby jej przeróbki

Składniki ropy naftowej:

Ropą naftową nazywa się mieszaninę różnorodnych związków chemicznych, głównie węglowodorów, które wzajemnie się rozpuszczają. Obecnie udało się wyodrębnić z ropy ponad 3000 różnych związków. W jej skład mogą wchodzić rozmaite substancje, w zależności od gatunku ropy oraz miejsca jej wydobycia. Statystycznie można przedstawić strukturę ropy naftowej za pomocą zawartości procentowej pierwiastków chemicznych:

Pierwiastek chemiczny

Symbol pierwiastka

Zawartość procentowa w ropie naftowej

węgiel

C

od 80 do 88 %

wodór

H

od 10 - 14 %

tlen

O

od 0,1 do 7 %

siarka

S

od 0,1 do 5 %

azot

N

od 0,02 do 1,1 %

Pierwiastki te występują w ropie w postaci związanej. Oprócz nich obecne są również śladowe ilości innych pierwiastków chemicznych. Można spośród nich wymienić dodatki: krzemu (Si), glinu (Al), sodu (Na), magnezu (Mg), wapnia (Ca), chromu (Cr), niklu (Ni), żelaza (Fe), a także rtęci (Hg).

Charakterystyka związków chemicznych, wchodzących w skład ropy naftowej:

Ropa naftowa to mieszanina związków organicznych, głównie węglowodorów, ale także innych substancji, zawierająca pewne ilości składników nieorganicznych, stanowiących jej zanieczyszczenie. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę tych związków:

  • Węglowodory nasycone, czyli alkany. Potocznie nazywa się je również parafinami lub węglowodorami parafinowymi, gdyż są głównym składnikiem parafiny. Jest to grupa związków organicznych, których wzór chemiczny można przedstawić za pomocą wzoru ogólnego: CnH2n+2, gdzie n oznacza dowolną liczbę naturalną. Alkany tworzą różnorodne łańcuchy o strukturze prostej lub rozgałęzionej. W zależności od ilości atomów węgla , przypadających na jedną cząsteczkę, występują w różnych stanach skupienia. Związki o maksymalnie czterech atomach węgla są gazami. Jeżeli zawierają ich do kilkunastu, to są cieczami, a jeżeli więcej to tworzą ciała stałe.

Przykłady najczęściej spotykanych węglowodorów nasyconych:

- butan (C4H10)

- pentan (C5H12)

- heksan (C6H14)

- heptan (C7H16)

- oktan (C8H18)

- dodekan (C12H26)

- pentadekan (C15H32)

- oktadekan (C18H38)

- pentakozan (C25H52)

- tetrakontan (C40H82)

  • Węglowodory aromatyczne stanowią ważny składnik ropy naftowej. Frakcje zawierające te związki służą m.in. do uzyskiwania benzyn. Do najczęściej spotykanych w ropie związków aromatycznych należy zaliczyć: benzen, naftalen, antracen oraz pochodne alkilowe tych węglowodorów.
  • Cykliczne węglowodory nasycone, czyli cykloalkany, nazywane zwyczajowo węglowodorami naftenowi, to kolejna grupa związków chemicznych, licznie obecnych w ropie naftowej. Zbudowane są z pierścieni węglowych, zazwyczaj pięciowęglowych lub cześciowęglowych, w których węgle połączone są wyłącznie pojedynczymi wiązaniami. Mogę być do nich dołączone inne łańcuchy boczne. Cząsteczki cykloalkanów mogą być również zbudowane z kilku pierścieni węglowych.

Inne substancje, nie będące węglowodorami, ale wchodzące w skład mieszaniny związków chemicznych występujących w ropie naftowej.

  • Związki zawierające siarkę. Można do nich zaliczyć głównie siarkowodór (H2S) oraz siarczki, ale również substancje organiczne takie, jak: tioetery (o wzorze ogólnym: R-S-R), tiofenole (Ar-SH), tiole (R-SH). Ponadto w ropie naftowej może znajdować się siarka w stanie wolnym. Pod każdą postacią, nie jest pożądana, stanowi zanieczyszczenie ropy. Jednym z głównych celów destylacji ropy naftowej, jest jej oczyszczenie z siarki i jej związków. W produktach pierwszej przeróbki ropy najmniej dodatków siarkowych znajduje się w lekkich frakcjach, zaś najwięcej, nawet 70 % całej jej zawartości pozostaje we najcięższej frakcji podestylacyjnej.
  • Związki zawierające azot. Zazwyczaj występują w ropie naftowej w ilościach proporcjonalnych do ilości związków siarkowych. Do najczęściej spotykanych związków azotowych można zaliczyć: pochodne pirydynowe i pochodne chinolinowe.
  • Związki zawierające tlen. Najczęściej występującymi są kwasy karboksylowe, o krótkich łańcuchach węglowych. Obecne są także wyższe kwasy tłuszczowe, np. stearynowy, czy palmitynowy. Występują również związki cykliczne, zawierające w swoich cząsteczkach atomy tlenu oraz związki aromatyczne, np. fenole i naftole. Atomy tlenu mogą być również połączone ze związkami nieorganicznymi: wodą oraz solami. W postaci soli mogą również występować kwasy karboksylowe.

Związki tlenowe wykazują się na ogół wyższymi temperaturami przejść fazowych. Spowodowane jest występowaniem wiązań wodorowych między cząsteczkami. W efekcie związki te obecne są po destylacji we frakcjach cięższych m.in. nafcie i olejach.

  • Kolejną grupą związków obecnych w ropie są żywice i asfalteny. Wykazują one skomplikowaną budową cząsteczek. Należą do związków organicznych, zawierających tlen i siarkę. Żywice są cieczami, rozpuszczającymi się w ropie, natomiast asfalteny to zawiesiny. Stężenia tych substancji zawierają się w granicach od 4-5 % do 10-20 % i są zależne od gatunku ropy i miejsca jej wydobycia. W produktach podestylacyjnych związki te są obecne głównie w ciężkich frakcjach. Spotyka się je w olejach napędowych oraz pozostałościach podestylacyjnych.

Wstępne przygotowanie ropy naftowej do obróbki w rafineriach:

Ropa naftowa wydobywana spod ziemi, z tzw. odwiertów, zawiera wiele zanieczyszczeń. Wraz z nią często występuje gaz ziemny, przez co w ropie znajduje się sporo składników gazowych. Oprócz nich obecna są także roztwory soli (solanki), które pochodzą z wody morskiej. W przypadku odwiertów przeprowadzanych na dnie morza, trudno o nie zanieczyszczenie ropy wodą, zawierającą duże ilości rozpuszczonych w niej soli. Ropę, którą wydobywa się, zawierającą wiele zanieczyszczeń nazywa się ropą surową.

Wstępne przygotowanie ropy surowej ma na celu oczyszczenie jej z gazów oraz soli. Pierwszy etap stanowi usunięcie z niej nadmiaru lotnych składników. Gdyby je pozostawić, to zakłóciłyby one przebieg dalszych procesów technologicznych, przeprowadzanych w rafineriach oraz zwiększyłyby koszty uzyskiwanych z ropy produktów. Usuwanie gazu jest wykonywane w specjalnych zbiornikach, do których tłoczy się ropę za pomocą pomp wgłębnych. W nich ropa surowa zostaje podgrzana przeponowo parą. W efekcie uzyskuje się wstępnie odgazowaną ropę oraz tzw. gaz mokry, zawierający głównie lotne węglowodory nasycone. Gaz ten poddaje się następnie destylacji - otrzymuje się dwie frakcje:

- zawierającą metan i etan - zostaje ona dalej połączona z gazem ziemnym

- zawierającą propan i butan - jest ona wykorzystywana jako gaz płynny.

Drugim etapem przygotowania wstępnego ropy naftowej jest jej oczyszczenie z solanki. Proces ten jest trudniejszy od odgazowywania, ponieważ solanka Solanka woda mineralna, zawierająca powyżej 15 g/dm3 rozpuszczonej soli kamiennej, jodu, bromu i innych. Ma znaczenie lecznicze.
Czytaj dalej Słownik geograficzny
może tworzyć trwałe emulsje, dodatkowo stabilizowane przez takie substancje, jak np. żywice, czy nierozpuszczalne w wodzie sole. Istnieje kilka metod oczyszczania ropy z takich zanieczyszczeń. Pierwszy jest przeprowadzany w urządzeniach nazywanych odstojnikami. Dodatek piasku lub mułu sprawia, że solanka zostaje wydzielona z ropy. Sposób ten jest jednak nie zawsze skuteczny. W zależności od tego, jak trwała jest utworzona w ropie emulsja, stosuje się inne metody. Można się pozbyć solanki poprzez zastosowanie środków demulgujących, poprzez ogrzewanie ropy do ok. 60 ºC, jak również poprzez wykorzystanie właściwości pola elektrycznego. Ten ostatni sposób zalicza się do najskuteczniejszych metod. Przeprowadza się go w szybkoobrotowych wirówkach, w których mieszadło, tworzy elektroda. Zasada działania tego urządzenia opiera się na wytwarzaniu ładunków elektrycznych na powierzchni pojedynczych kropelek emulsji.

Wstępnie przygotowana ropę naftową poddaje się następnie obróbce w rafineriach.

Destylacja frakcyjna metodą rurowo - wieżową:

Ropa naftowa to mieszanina ogromnej ilości różnorodnych związków chemicznych. W celu lepszego ich wykorzystania należy je wyselekcjonować lub chociaż pogrupować. W tym celu przeprowadza się destylację frakcyjną, która pozwala na wydzielenie grup składników, charakteryzujących się podobnymi temperaturami wrzenia.

Do dokładnego określenia odpowiednich metod technologicznych, służących do przeróbki ropy naftowej, należy ocenić skład chemiczny danego gatunku ropy. Istnieje kilka sposobów jej klasyfikacji. Jednym z nich jest podział ropy naftowej na 12 klas, w zależności od zawartości siarki. Ponadto podstawą klasyfikacji może być zawartość innych składników m.in.: węglowodorów nasyconych, żywic, czy asfaltenów. Najbardziej rozpowszechnionym sposobem klasyfikacji ropy jest jej podział na 7 grup, który opiera się na składzie węglowodorowym ropy naftowej. Na podstawie zawartości różnych węglowodorów: parafinowych, naftenowych i aromatycznych zalicza się ropę, do którejś z tych grup. Podział taki pozwala na ocenienie możliwych do uzyskania produktów przeróbki ropy oraz składu chemicznego poszczególnych frakcji.

Destylacja frakcyjna jest przeprowadzana z wykorzystaniem instalacji rurowo - wieżowych, nazywanych czasami skrótowo DRW. Proces tan zalicza się do tzw. procesów zachowawczych, czyli przeprowadzanych bez zastosowania metod chemicznych. Produkty destylacji są teoretycznie nie zmienione chemicznie. Destylacja pozwala na wyselekcjonowanie grup składników, które wrą w podobnych temperaturach. Grupy te - tzw. destylaty poddaje się następnie odpowiedniej przeróbce, w zależności od celu ich wykorzystania. Proces destylacji frakcyjnej, przeprowadzanej metodą rurowo - wieżową składa się z kilku etapów:

- Na początku należy ogrzać ropę naftową, aż do temperatury, w której większość jej składników przejdzie w stan gazowy. Zazwyczaj stosuje się temperaturę ok. 350 ºC. Proces ten trzeba wykonać stosunkowo szybko, aby zapobiec zachodzeniu niepożądanych reakcji miedzy poszczególnymi związkami chemicznymi, będącymi składnikami ropy. Mimo to, często dochodzi do reakcji pomiędzy składnikami ropy. Z jednej strony ulegają rozkładowi ciężkie frakcje, z drugiej łączą się one, tworząc cząsteczki o skomplikowanej budowie.

- Następnie gazy te wprowadza się do komory Komory Federalna Islamska Republika Komorów. Stanowi wyspiarskie państwo na Oceanie Indyjskim pomiędzy wybrzeżem Tanzanii (Afryka) a Madagaskarem. Powierzchnia 1860 km2. Liczba ludności 727 tys. (2001 r.).... Czytaj dalej Słownik geograficzny ewaporacyjnej. Służy ona do usuwania lotnych, w określonej temperaturze substancji.

- Kolejnym etapem jest rozdział gazowych substancji w kolumnie rektyfikacyjnej. Umożliwia ona zbieranie na danych półkach kolumny produktów o podobnych temperaturach wrzenia.

- Ostatnim etapem destylacji frakcyjnej jest ochłodzenie uzyskanych frakcji do temperatury, w której przechowuje się je.

Produkty destylacji frakcyjnej:

W wyniku destylacji frakcyjnej ropy naftowej uzyskuje się kilka grup produktów. Frakcje te są następnie poddawane odpowiednio, w zależności od celu ich wykorzystania: oczyszczaniu, kolejnej destylacji, reformingowi, krakingowi i innym procesom technologicznym.

Poniżej przedstawiono najważniejsze produkty destylacyjne:

  • Gazy rafineryjne- stanowią najlżejszą frakcję ropy naftowej. Składają się z gazowych węglowodorów, o krótkich łańcuchach węglowych, głównie z niższych alkanów i niewielkich domieszek lekkich alkenów. Są używane do otrzymywania benzyn, gazoliny, a także gazu płynnego.

- gazolina stanowi mieszaninę lekkich i ciekłych węglowodorów, przede wszystkim izomerów pentanu i heksanu. Używa się ją jako rozpuszczalnik lub jako dodatek do benzyn silikonowych.

- gaz płynny to mieszanina lekkich węglowodorów, które zostały specjalnie skroplone. W jego skład wchodzą głównie izomery butanu, propan oraz propen i buten. Ze spalania gazu płynnego uzyskuje się duże porcje energii, z tego względu jest używa się go do napełniania butli gazowych, stosowanych kuchniach domowych i turystycznych.

  • Eter naftowy stanowi mieszaninę lekkich węglowodorów, o cząsteczkach nie przekraczają sześciu atomów węgla. Jest zbierany do temperatury ok. 70 ºC. Gęstość eteru wynosi maksymalnie ok. 0,7 g/cm3. Znajduje zastosowanie jako rozpuszczalnik używany do ekstrakcji, a także jako benzyna apteczna.
  • Benzyny lekkie, będące frakcjami zbieranymi w temperaturze ok. 60 do 100 ºC, jej gęstość wynosi ok. 0,7 - 0,75 g/cm3. Benzyna lekka służy głównie w lotnictwie jako paliwo dla samolotów, ze względu na jej stosunkowo niewielka wagę.
  • Benzyny ciężkie to frakcje o temperaturach wrzenia wahających się w granicach 100 - 150 ºC. Jej gęstość to ok. 0,75 g/cm5. Wykorzystuje się ją przede wszystkim jako paliwo w pojazdach o silnikach gaźnikowych, m.in. w samochodach, ciężarówkach itp.
  • Nafta Nafta North American Free Trade Agreement, Północnoamerykańskie Porozumienie o Wolnym Handlu utworzone w 1992 roku, obejmujące USA, Kanadę i Meksyk. Celem organizacji jest zapewnienie każdemu członkowskiemu... Czytaj dalej Słownik geograficzny to kolejna frakcja Frakcja wielkość materiału okruchowego, z którego zbudowana jest skała. Wyróżnia się cztery główne frakcje, będące jednocześnie podstawą podziału skał okruchowych na poszczególne typy. Są to:... Czytaj dalej Słownik geograficzny otrzymywana z destylacji frakcyjnej ropy. Jej temperatura wrzenia wynosi ok. 215 - 280 ºC. Jest mieszaniną węglowodorów, których łańcuchy węglowe zawierają ok. 9 - 16 atomów węgla. W temperaturze pokojowej to ciecz o żółtawym zabarwieniu i charakterystycznym zapachu. Obecnie wykorzystuje się ją jako dodatek do paliw używanych w silnikach odrzutowych. Poza tym znajduje zastosowanie jako rozpuszczalnik.

Niegdyś ropa służyła głownie jako paliwo do lamp naftowych. Lampy te zostały skonstruowane przez polskiego aptekarza Ignacego Łukasiewicza w roku 1852, któremu udało się również przeprowadzić pierwszą destylację ropy naftowej (stąd też nazwa tego surowca). Lampa Lampa Lampa symbolizuje światło, Słońce, czujność, obecność bóstwa, azyl, życie, rozum, szacunek, mądrość, przewodnika, inteligencję, miłość, piękność, miłosierdzie, ofiarność, pobożność,... Czytaj dalej Słownik symboli literackich naftowa dawała wyjątkowo jasne światło, przez co miła ogromne znaczenie dla rozwoju społeczeństwa.

W celu uzyskania nafty o znaczeniu użytkowym, należy oczyścić naftę otrzymaną z pierwszej destylacji, ponieważ zawiera stosunkowo dużą ilość zanieczyszczeń. Dobrze przygotowana nafta nie może zapalać się po zetknięciu z płomieniem zapałki, gdyż nie zawiera lotnych substancji; jej temperatura zapłonu powinna wynosić ok. 390 ºC.

  • Oleje napędowe to frakcje o temperaturach wrzenia, mierzonych pod ciśnieniem 1 atmosfery (1013 hPa), wyższych niż 280 ºC. Mogą również powstawać w wyniku przeróbki cięższych składników ropy. Stanowią mieszaniny ciekłych węglowodorów, o łańcuchach węglowych o długości ok. 14 - 20 atomów węgla, głównie alkanów i cykloalkanów . Olej napędowy jest wykorzystywany jako paliwo w silnikach Diesla (silnikach wysokoprężnych). Częściej jednak stanowi substrat Substrat substancja, która podlega reakcji chemicznej i przekształca się w produkt. W układach żywych substrat łączy się w nietrwały kompleks z enzymem i w tej postaci uczestniczy w reakcji. W połączeniu... Czytaj dalej Słownik biologiczny do uzyskiwania innych olei, o szerokim zastosowaniu przemysłowym. Spośród nich można wymienić:

- oleje smarowe. Wśród nich można wyróżnić kilka rodzajów, w zależności od ich zastosowania:

- oleje maszynowe - służą do nasmarowania ruchomych części maszyn, w celu zmniejszenia tarcia między nimi.

- oleje silnikowe - służą do zwiększenia żywotności silników.

- oleje cylindrowe

- oleje specjalne - służą do specjalistycznych celów.

- oleje niesmarujące

- oleje gazowe

- oleje parafinowe - służą do otrzymywania parafiny, wykorzystywanej do wyrobu świec. Parafina to mieszanina alkanów o długich i prostych łańcuchach węglowych dochodzących do 35 atomów węgla. Jest to ciało stałe, krystaliczne o białej barwie, pozbawione smaku i zapachu. Otrzymuje się ją w procesie wymrażania i krystalizacji olejów parafinowych. Oprócz produkcji świec znajduje zastosowanie w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, spożywczym oraz do impregnowania papieru i zapałek. Do produktów parafinowych zalicza się takie substancje, jak: stała parafina, cerezyna i petrolatum.

  • Mazut to pozostałość podestylacyjna ropy naftowej, przeprowadzonej pod ciśnieniem atmosferycznym (ok. 1013 hPa). Są to frakcje o temperaturach wrzenia powyżej 350 ºC. Odbiera się je na samym dole kolumny. Mazut jest poddawany następnie procesom destylacji próżniowej, w efekcie której uzyskuje się oleje opałowe, gudron oraz asfalt.

Dalsze procesy przeróbki ropy naftowej:

Otrzymane frakcje, w zależności od potrzeb są następnie poddawane dalszej obróbce, najczęściej procesom rozkładowym. Polegają one na przemianie pewnych w frakcji ropy naftowej, w celu zmiany ich składu chemicznego. Najczęściej wykorzystuje się procesy temperaturowe. Wśród wielu znanych procesów rozkładowych ropy naftowej, można wymienić dwa, które posiadają największe znaczenie przemysłowe: kraking i reforming:

- Krakingiem nazywa się proces kontrolowanego rozkładu ciężkich węglowodorów i ich pochodnych, zawartych w odpowiednich frakcjach ropy naftowej. Kraking służy głównie do otrzymywania benzyn i olejów opałowych, na które istnieje obecnie największe zapotrzebowanie. Paliwa uzyskiwane z destylacji nie wystarczają, z tego względu wykorzystuje się cięższe frakcje do uzyskiwania lżejszych, znajdujących szersze zastosowanie.

Wyróżnia się dwa rodzaje krakingu:

- kraking termiczny, czyli rozkład składników ropy naftowej pod wpływem wysokiej temperatury. Ten rodzaj Rodzaj jednostka systematyczna - jedna z kategorii w systemie klasyfikacji roślin i zwierząt, wyższa od gatunku, a niższa od rodziny, np. rodzaj szczur obejmuje gatunki: szczur śniady, szczur wędrowny; rodzaj... Czytaj dalej Słownik biologiczny krakingu ocenia się jako najwydajniejszy. Z rozkładu oleju napędowego przeprowadzonego w temperaturze ok. 5000ºC i przy ciśnieniu ok. 60 - 100 atmosfer (ok. 6 - 10 MPa) można otrzymać do 60% benzyny.

- kraking katalityczny, czyli rozkład związków chemicznych obecnych w ropie pod wpływem katalizatorów. Dziś znajduje coraz więcej zwolenników. Jego wydajność jest niższa, od krakingu termicznego (ok. 30 %), ale uzyskane produkty są lepszej jakości. Często stosowanym katalizatorem są glinokrzemiany.

Należy pamiętać, iż w procesie krakingu, oprócz reakcji rozkładu cięższych składników mogą zachodzić reakcje kondensacji lżejszych substancji. Na ogół wyższe temperatury i niskie ciśnienie zwiększają szybkość reakcji analizy. Znaczenia odgrywa również czas prowadzenia procesu - im dłużej, tym dochodzi do niepożądanych reakcji wtórnych.

- Reformingiem nazywa się proces polegający na przemianach związków chemicznych obecnych w odpowiednich frakcjach ropy naftowej pod wpływem temperatury i/lub katalizatora. Jej głównym celem jest podwyższenie liczby oktanowej benzyn ciężkich, czyli uzyskanie węglowodorów o rozgałęzionych łańcuchach węglowych.

Największe znaczenie przemysłowe ma reforming przeprowadzany w obecności katalizatora platynowego, w temperaturze ok. 450 -550 ºC i pod ciśnieniem ok. 50 atmosfer. Pozwala on na zachodzenie reakcji izomeryzacji, cyklizacji i aromatyzacji. W efekcie uzyskuje się cenne energetycznie paliwa, zawierające duże ilości takich składników jak: benzen, toluen, etylobenzen, ksylen.