Wstęp

Olej skalny, szerzej znany jako ropa naftowa, to surowiec węglowodorowy, który możemy wykorzystać do otrzymania następujących produktów: oleje smarowe, benzyna, nafta, parafina. Ropa była stosowana już w czasach starożytnych, ale jej gwałtowny rozwój miał miejsce w latach 60 XIX wieku.

Pochodzenie ropy naftowej

Występują rożne teorie odnośnie powstania ropy naftowej. Jeden ze słynnych chemików- Mendelejew głosił teorię, że ropa naftowa powstała ze związków nieorganicznych. Substancją ta mógł być węglik jakiegoś metalu, który wchodzi w skład jądra Ziemi. W wyniku działania wody węgliki metali ulegają rozłożeniu na węglowodory i w konsekwencji powstaje ropa naftowa. Teoria ta nie miała licznym zwolenników. Nie tłumaczy skąd w ropie naftowej są obecne substancje optycznie czynne (związki chiralne) oraz związki azotowe. Zupełnie inna teorie głosili naukowcu z naszej zachodniej granicy Engler oraz Hoefer twierdzili, że surowiec ten mógł powstać ze zwierzęcego tłuszczu, które żyły w bardzo dawnych czasach. W 1877 roku polski naukowiec Bronisław Radziszewski stwierdził, że ropa naftowa mogła powstawać również z organizmów roślinnych. Zgodnie z teorią Englera w wyniku destylacji rybiego tranu pod podwyższonym ciśnieniem jesteśmy w stanie otrzymać produkty ropopochodne. Zgodnie z hipotezą Bronisława Radziszewskiego w wyniku fermentacji celulozy w obecności pewnego typu bakterii, które egzystują w mule jezior, powstaje metan oraz dwutlenek węgla. Innym uzasadnieniem teorii polskiego naukowca jest fakt, że w ropie są obecne śladowe ilości chlorofilu (zielony barwnik wszystkich roślin odpowiedzialny za fotosyntezę).

Budowa chemiczna ropy naftowej

Ropa naftowa nie ulega rozpuszczeniu w wodzie. To ciemnobrunatna ciecz o charakterystycznym zapachu. Jej gęstość wynosi 0,79-0,96 g/cm3. Może także przyjmować barwę jasną i lekko opalizującą.

Węglowodory wchodzące w skład ropy naftowej:

- węglowodory oleinowe, będące homologami etylenu;

- węglowodory nasycone parafinowe, będące homologami metanu;

- węglowodory aromatyczne, będące pochodnymi benzenu;

- węglowodory nasycone cykliczne (naftanowe);

- cykloheskan, cyklopentan oraz ich pochodne.

W zależności od pochodzenia udział poszczególnych składników jest różny. W ropie pensylwańskiej głównym składnikiem są węglowodory parafinowe. W ropie kaukaskiej głównym składnikiem są węglowodory naftenowe (90%). Ropy podkarpacka zajmują miejsce pomiędzy obydwoma wcześniej wymienionymi typami ropy naftowej.

Obok węglowodorów w skład ropy naftowej mogą wchodzić związki organiczne, które zawierają siarkę, tlen oraz azot. Ropę naftowa ze względu na ilość siarki możemy podzielić na: wysokosiarkową (ilość siarki przekraczająca 0,1%) oraz niskosiarkową (ilość siarki większa niż 0,5%). Ilość siarki może wynieść więcej niż 6%.

Ropę naftowa możemy podzielić także ze względu na rodzaj związku będącego w przewadze nad innymi (ropa parafinowa, aromatyczna, bezparafinowa, naftanowa).

Występowanie ropy naftowej

Ropa naftowa nie występuje często w skałach powiązanych z nią genetycznie (ilaste skały). Surowiec ten w wyniku ciśnienia warstw nadległych, ewentualnie górotwórczego ciśnienia jest wyciskana z macierzystych skał oraz może ulec emigracji (przemieszczeniu) i nagromadzeniu w porowatych skałach lub bardzo spękanych (nazywanych często kolektorami- piaski, żwiry, dolomity oraz piaskowce wapienne). Warunkiem koniecznym dom powstania ropy naftowej jest określona struktura geologiczna (antyklina oraz warstwa obcięta licznymi uskokami), które umożliwiają zatrzymanie tego surowca w kolektorach przez nieprzepuszczalne warstwy (łupki ilaste). Ropa naftowa może czasami wypływać samoistnie z wnętrz skalnych pokładów, które leżą bardzo głęboko. Wraz z ropą naftowa często występuje gaz ziemny. Ciśnienie panujące w takim złożu jest bardzo wysokie, i dlatego tez następuje samoczynny wytrysk przez szyb wiertniczy. Wraz ze spadkiem ciśnienia gazu wypływ ropy natychmiast ustaje. W takim przypadku zmuszeni jesteśmy do okresowego wypompowywania. Każdy szyb, w którymś momencie ulega wyczerpaniu.

Występowanie ropy naftowej

Ropa naftowa występuje na wszystkich kontynentach, najczęściej w utworach trzeciorzędowych oraz kredowych. Największe ilości ropy naftowej występują w krajach Bliskiego Wschodu (Irak, Arabia Saudyjska, Kuwejt, Iran, Zjednoczone Emiraty Arabskie), Stanach Zjednoczonych (stan Luizjana, Teksas), Wenezuela, Meksyk, Rosja, Kanada, północna Afryka.

Destylacja frakcjonowana ropy naftowej

Ropa naftowa bezpośrednio wydobyta ze złoża to tzw. surowa ropa naftowa. Ropa w takim stanie może być używana jako materiał opałowy. Użycie ropy do takich celów okazuje się nieekonomiczne, gdyż wówczas tracimy bardzo cenne składniki, które jesteśmy w stanie wyodrębnić przy zastosowaniu odpowiednich metod. Jednym z rodzajów przeróbki ropy naftowej jest destylacja. Proces ten jest dosyć skomplikowany. Jest przeprowadzany na szeroka skalę w specjalnych do tego stworzonych rafineriach. Tam zachodzi oczyszczanie otrzymywanych produktów oraz inne procesy polepszające skład ropy.

Po raz pierwszy ropę naftową przedestylował polski aptekarz Ignacy Łukasiewicz. Dokonał tego w Krośnie w 11852 roku. To dzięki jego wytężonej pracy stosowana była, jako doskonały przyrząd do oświetlania w tamtych czasach, lampa naftowa, której był wynalazcą. W tym samym mieście w 1854 roku, jako pierwszy na świecie zbudował kopalnie ropy naftowej.

Są stosowane różne techniki w czasie przerabiania ropy naftowej. Wszystko jest uzależnione od typu ropy naftowej i produktów, które chcemy otrzymać.

Rafinerię możemy podzielić na: paliwowo-olejowe, petrochemiczne, paliwowe.

W rafinerii paliwowo-olejowej stosowana jest metoda zachowawcza przeróbki ropy, która polega na rozkładzie ropy na poszczególne frakcje. Nie zachodzi chemiczna zmiana składników. Destylacja ropy naftowej zachodzi pod normalnym ciśnieniem. Jesteśmy w stanie otrzymać frakcje z temperatura wrzenia równą 300-3500C, zaś pod zmniejszonym ciśnieniem występują frakcję wyższą temperaturą wrzenia. Zmniejszone ciśnienie jest stosowane, aby nie doszło do rozkładu składników ropy.

Aktualnie przy zastosowaniu najnowocześniejszych technik w rafineriach jest stosowana destylacja ciągła wieżowo- rurowa. W wyniku czego odbierane są natychmiast różne produkty destylacji ropy naftowej.

W wyniku procesu destylacji frakcyjnej otrzymujemy:

- eter naftowy, którego gęstość wynosi 0,7g/cm3. W jego skład wchodzą lekkie węglowodory, o krótkich łańcuchach węglowych. Eter jest wykorzystywany jako rozpuszczalnik w czasie ekstrakcji oraz jako benzyna apteczna. Temperatura wrzenia 100-1800C

- benzyna lekka, której gęstość wynosi 0,7-0,75 g/cm3 znalazła zastosowanie jako lecznicza benzyna. Temperatura wrzenia 700C.

- benzyna ciężka, której gęstość wynosi 0,75 g/cm3 znalazła zastosowanie jako samochodowa benzyna. Temperatura wrzenia 100-1500C

- ligroina (benzyna lakowa). Temperatura wrzenia 100-1800C.

W zależności od typu ropy oraz sposobu wykorzystania destylatu, wartości temperatur wrzenia oraz ich gęstości mogą ulec zmianie.

Jednym z produktów destylacji ropy naftowej jest nafta. Temperatura wrzenia 215- 3250C. Nafta z pierwszego procesu destylacyjnego zawiera dużo zanieczyszczeń i dlatego musi być poddana rafinacji chemicznej. W wyniku oczyszczenia nafta nie zawiera żadnych lotnych składników i jest substancją trudnopalną. Nafta nie zapala się pod wpływem płomienia zapałki.

Oleje naftowe charakteryzują się temperaturą wrzenia powyżej 3250C. Są to pozostałości po destylacji ropy naftowej pod ciśnieniem atmosferycznym. Gdy oleje naftowe poddamy destylacji próżniowej, to jesteśmy w stanie otrzymać różne oleje naftowe, takie jak: oleje smarowe, silnikowe (stosowane w silnikach Diesla), parafinowe (z nich wyrabiana jest parafina, stosowana w procesie produkcyjnym świec), gazowe (pod wpływem pirolizy są przerabiane na mieszankę gazów, używanych w oświetleniach).

Z ropy naftowej o niskim standardzie, z której nie możemy uzyskać olejów naftowych, uzyskiwany jest mazut (oleje opałowe). Który może być stosowany w przemyśle lub na statkach.

Temperatura topnienia parafiny wynosi 15-600C. To transparentne, bezbarwne ciało krystaliczne. W skład parafiny wchodzą węglowodory o łańcuchach węglowych zawierających 19-39 atomów węgla. Parafina może być stosowana jako izolator w elektrotechnice. Jest także wykorzystywana w procesie produkcyjnym świec.

Wazelina jest pozostałością po destylacji lżejszych składników. Surowa wazelina ma barwę żółto-czerwoną, ewentualnie ciemnozieloną. Jest wykorzystywana jako smar. Na powietrzu nie ulega żadnym zmianom. Stosowana w branży kosmetycznej w procesach produkcyjnych maści, powstaje w wyniku rafinacji chemicznej z udziałem kwasu siarkowego, który jest później usuwany wodą.

Końcową pozostałością przeróbki ropy naftowej jest smoła ropna (asfalt naftowy), który jest wykorzystywany do pokrywania nawierzchni.

Kraking to destylacja rozkładowa, (crack- pękanie) polega na zrywaniu długich łańcuchów węglowych na krótsze i prostsze. Proces ten zachodzi na zasadzie reakcji rozkładu katalitycznego lub termicznego. Zastosowanie krakingu jest bardzo duże, zwłaszcza w branży petrochemicznej oraz rafineryjnej. Benzyna, która jest otrzymywana w czasie krakingu charakteryzuje się wysoką liczbą oktanową. W skład gazów wchodzą węglowodory nienasycone, które są wykorzystywane w reakcjach syntezy chemicznej.