Wstęp

W skład ropy naftowej wchodzą: węglowodory (areny, alkany oraz cykloalkany), fenole, kwasy karboksylowe, pochodne tiofenu, tioalkohole, żywice, związki azotowe heterocykliczne oraz związki metaloorganiczne. Gęstość ropy naftowej waha się w się w granicach od 11-16 g/cm3. Skład ropy naftowej jest w dużej mierze uzależniony od obszaru, z którego jest wydobywana. Ropa naftowa ma barwę ciemnobrązową przechodzącą w czarną. Ropa naftowa składa się w głównie z węglowodorów ciekłych, w których mogą być rozpuszczony węglowodory stałe oraz gazowe. Zanieczyszczenia, które wchodzą w skład ropy naftowej to sole nieorganiczne oraz woda.

W ropie naftowej możemy wyróżnić trzy typy związków:

A) Związki nienasycone;

B) Kwasy naftalenowe (łańcuchy węglowe łączą się w pierścienie);

C) Parafiny (różna długość łańcuchów węglowych).

W ropie występują także śladowe ilości: żelaza, niklu, chromu, manganu, sodu, wodoru, rtęci, chlorku sodu, amoniaku oraz siarkowodoru. Obecnie jest znanych 600 związków wchodzących w skład ropy naftowej, jednakże ich ilość jest znacznie większa (około kilka tysięcy).

Pochodzenie ropy naftowej

Istnieją rożne teorie odnośnie pochodzenia ropy naftowej. Część badaczy uważa, że ropa powstała ze związków nieorganicznych w czasie reakcji zachodzących w jądrze Ziemi. Liczniejsza grupa badaczy głosi jednak inna hipotezę odnośnie pochodzenia ropy naftowej. W myśl tej teorii reakcje, które miały miejsce kilka milionów lat temu, złoża środkowej oraz północnej części Morza Północnego powstały z bakterii oraz glonów. Organizmy te w jurze (około 200 milionów lat temu) występowały na dnie morza pod iłem oraz mułem. W taki sposób przykryta materia organiczna, w skład której wchodziły tłuszcze, białka, bakterie odpowiedzialne za przemianę materii organicznej, ulegała rozkładowi i przechodziła w ropę naftową, na skutek bardzo wysokiego ciśnienia oraz temperatury.

W takich warunkach muł oraz ił został zamieniony w skalę litą. Gaz ziemny oraz ropa naftowa jest obecna tylko w osadowych skałach (piaskowce). Ich szczeliny oraz pory są nasycone gazem i ropa naftową. Do powstania złoża gazu ziemnego oraz ropy naftowej niezbędna jest warstwa skały nieprzepuszczalnej, która przykrywa skałę przepuszczalną. Tylko wówczas ropa naftowa jest gromadzona w tzw. pułapkach.

Miejsce występowania ropy naftowej

Najwięcej złóż ropy naftowej występuje na terenie Zatoki Perskiej (65% globalnych zasobów ropy naftowej). Złoża występują: na platformach arabskich, szelfie zatoki, osadach w okolicach gór Zagros. 25% globalnych zasobów ropy naftowej (35,4 miliardy ton) występuje na terenach Arabii Saudyjskiej. Są to pola naftowe Abu Hadrija, Abu Hadrija oraz podmorskie As-S. Inne tereny zasobne w ropę naftową to Irak (13,6 miliardów ton- są to pola naftowe Kirkutu i Ar-Rumajla), Zjednoczone Emiraty Arabskie (13 miliardy ton- są to tereny Mubarraz, Umm asz-Szaif oraz Az-Zakkum), Kuwejt (13 miliardów ton- są to tereny Al-Burkan), Iran (12,7 miliardów ton- są to tereny: Gacz Saran, Aga Dżari oraz rejony koło wyspy Chark). Liczne złoża naftowe są obecne ponadto w Bahrajnie, Katarze oraz Omanie.

Na kontynencie afrykańskim obszary zasobne ropę naftową to: północna część Sahary, Zatoka Gwinejska. Do krajów z Afryki z największą ilością ropy naftowej zaliczamy: Libia (3,1 miliardy ton- są to tereny Sari oraz Altan), Nigeria (2,4 miliardy ton- są to tereny delty Nigru oraz Okanu) oraz Algieria (1,8 miliardów ton- są to tereny Hasi Masud).

Na kontynencie amerykańskim do terenów najbardziej zasobnych w ropę naftową należy Morze Karaibskie oraz Zatoka Meksykańska, które obejmują tereny w Texasie, Midland, Luizjanie, Meksyku (stan Tabasco oraz Veracruz), Kolumbii oraz Wenezueli (delta Orinoko oraz okolice jeziora Maracaibo). Ropa jest także obecna w: stanie Kansas, Alaska, Oklahoma (wszystkie leżą w Stanach Zjednoczonych) oraz w prowincji Alberta (Kanada).

W Eurazji duże ilości ropy naftowej są w posiadaniu (7 miliardów ton są to tereny Mamontowskie, Samotłorskie Fiodorowskie, Sa-marska Łuka oraz Tujmazy).

Na terenie Azji duże ilości ropy naftowej posiadają Chiny (3,2 miliardy ton- są to tereny w okolicach Mandżurii, delty Huang He, Morze Żółte oraz Wschodniochińskie), Indonezja oraz Indie.

W Europie Norwegia posiada miliard ton tego surowca. Innym państwem zasobnym w ropę naftowa jest Wielka Brytania (Morze Północne- pola naftowe Forties, Rent, Piper oraz Ekofisk.

Polska posiada tylko około 2 miliony ton tego surowca. Taka sama sytuacja występuje w większości krajów europejskich. Zasoby ropy naftowej w Zagłębiu Naftowym w Krośnieńsko-Jasielskim są już całkowicie wyczerpane. W okolicach Bochni występują bardzo niewielkie złoża tego surowca. Troszkę większe złoża występują w Kamieniu Pomorskim oraz w szelfie Bałtyku (przylądek Rozewie).

Produkty przerabiania ropy naftowej

Ropa naftowa jest przerabiana w wyniku destylacji frakcyjnej i w procesie krakingu.

Kraking

Procesy zachodzące podczas krakingu polegają 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. Proces krakingu termicznego zachodzi pod ciśnieniem 5MPa oraz w temperaturze równej 400-7000C.

Destylacja frakcyjna

Procesy destylacji frakcyjnej opierają się na tym, że skład pary wrzącej mieszaniny ciekłej jest inny niż skład ciekłej mieszaniny. W wyniku skraplania wydzielającej się pary z wrzącej cieczy, jesteśmy w stanie otrzymać kilka frakcji destylatu charakteryzujących się odmiennym składem niż ciecz destylowana. Proces rektyfikacji kilkukrotnym destylowaniu destylatu w celu uzyskaniu lepszej czystości. Jesteśmy w stanie otrzymać frakcję różniące się między sobą tylko o jeden stopień, jeżeli weźmiemy pod uwagę ich temperatury wrzenia.

Temperatury wrzenia w reakcji destylacji ropy naftowej:

- < 110C- gaz opałowy;

- 110C- benzyna oraz paliwa silnikowe;

- 180C- nafta;

- 260C- oleje opalowe;

- < 340C- smoła, masy bitumiczne oraz asfalt.

Dobrze prosperujące rafinerie w procesie destylacji są w stanie uzyskać około 1000 baryłek w ciągu 24 godzin.

Produkty powstałe w wyniku obróbki ropy naftowej są wykorzystywane w celach energetycznych (oleje opałowe, gazy opałowe oraz benzyna) oraz w branży chemicznej (smary), do budowy nawierzchni bitumicznych.

Produkty przeróbki ropy naftowej o największym znaczeniu to:

- gaz parafinowy (z niego otrzymujemy parafinę);

- paliwa (benzyna samochodowa, nafta, oleje opałowe oraz napędowe, gaz płynny, benzyna lotnicza);

- koks naftowy oraz asfalt;

- oleje smarowe;

- smary stale.

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. Procesy destylacyjne zachodzą w rurowo-wieżowych instalacjach (kolumny destylacyjne, piece, pompy, chłodnice, wymienniki ciepła). Po odwodnieniu ropa poddawana jest stabilizacji, w wyniku której oddzielane są najlżejsze gazowe węglowodory. Następnie ropa jest podgrzewana w piecu do temperatury równej 3500C i wprowadzana do kolumny destylacyjnej. Tam ulega rozdzieleniu na: naftę, benzynę, olej napędowy. Składniki te są następnie chłodzone i gromadzone w odpowiednich zbiornikach, Powstały także w wyniku rozdzielenia mazut po ogrzaniu jest wprowadzany do próżniowej kolumny destylacyjnej. Tam odbierane są destylaty oleju.

Produkty destylacyjne ropy naftowej, aby mogły być wykorzystywane w celach handlowych musza zostać uszlachetnione (odsiarczanie, odparafinowanie, odsfaltowanie).

W rafinerii petrochemicznej lub paliwowej frakcje, które są otrzymywane w czasie destylacji poddawane są procesom destruktywnym. Katalityczny kraking próżniowych destylatów jest prowadzony w rafinerii paliwowej. W tego typu rafineriach może zajść proces koksowania mazutu. Uzyskujemy dzięki temu procesowi wysokooktanową benzynę stosowana w silnikach oraz olej napędowy. W rafinerii petrochemicznej, w której są uzyskiwane surowce wykorzystywane w syntezach organicznych (butadien, eten, propan, toluen, benzen) procesem destruktywnym może być piroliza lżejszych frakcji naftowych oraz katalityczny kraking frakcji cięższych powstałych w czasie destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym.

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.

Niebezpieczeństwa związane z ropą naftową

Pomimo tego, że życie bez ropy byłoby znacznie utrudnione, surowiec ten niesie ze sobą wiele niebezpieczeństw. W wyniku katastrof morskich zatonięciu ulegają tankowce. Wyciekająca z nich ropa, tworzy duże plamy na wodzie. Opadająca ropa wyrządza wiele krzywd organizmom wodnym. W wyniku konfliktu zbrojnego w Zatoce Perskiej miał miejsce wyciek ropy obejmujący obszar jednego m3. Szkodliwe działanie ropy jest także widoczne w dużych aglomeracjach miejskich. Coraz więcej osób posiada swój własny samochód. Silniki samochodowe napędzane na benzynę emitują do atmosfery szkodliwe węglowodoru, tlenki azotu, tlenek węgla oraz związki ołowiu. W wyniku tych zanieczyszczeń może tworzyć się smog- zanieczyszczona mgła unosząca się w powietrzu.

Sposoby wykorzystania ropy naftowej

Już w starożytności ropa była wykorzystywana do różnych celów (balsamowanie ciał, lecznictwo, oświetlenie, płonące dzidy oraz strzały, ogień grecki- mieszanina siarki, ropy naftowej oraz wapna, która zapala się w kontakcie z wodą). Ropa naftowa w tamtych czasach była wydobywana z płytkich otworów lub zbierana na obszarach, gdzie w naturalny sposób wypływa z roponośnej warstwy.

Pod koniec Xix wieku miał miejsce rozwój przemysłu naftowego. Ignacy Łukasiewicz w roku 1854 w okolicach krosna buduje kopalnie ropy naftowej. Była to pierwsza kopalnia tego typu, gdzie ropa naftowa była wydobywana w sztolni. Pierwszy szyba naftowy został wywiercony w roku 1859 w Pensylwanii w Stanach Zjednoczonych. Od tego momentu możemy mówić o początku współczesnego przemysłu naftowego. Ropa naftowa w późniejszym okresie była wydobywana w Kanadzie, Rosji, Rumuni, Iranie, Indonezji.

Na początku XX wydobycie ropy naftowej sięgało 20 milionów ton na rok. Liczba ta wraz z czasem uległa zwiększeniu i w roku 1913 wynosiła 54 miliony ton. Tuz przed II wojną światową wynosiła 300 milionów ton. Taki gwałtowny wzrost wynikał z dużego zapotrzebowania na ten surowiec. Coraz częściej stosowane były silniki spalinowe, które wymagały tego surowca do funkcjonowania. Zostały odkryte nowe złoża ropy naftowej w Kalifornii, Texasie, ale także na terenie Meksyku, Związku Radzieckiego i Wenezueli. Po zakończeniu II wojny światowej głównym producentem ropy naftowej były Stany Zjednoczone (60%), ale także Związek Radziecki, Rumunia, Wenezuela, Meksyk. W tamtym okresie ma miejsce intensywny proces szukania nowych złóż. Miało to nierozerwalny związek ze wzrastającym zastosowaniem tego surowca w coraz liczniejszych gałęziach przemysłu (energetyka, chemia, lotnictwo, motoryzacja). Dzięki wzmożonej pracy badaczy brytyjskich oraz amerykańskich, i wyniku ich badań geofizycznych i geochemicznych, zostały odkryte złoża ropy na Bliskim Wschodzie oraz Afryce, ale także w Zatoce Meksykańskiej, Morzu Północnym. Wykorzystana także złoża ulokowane w Związku Radzieckim oraz Chinach.

Globalne zasoby ropy naftowej w roku 1990 wynosiły 135,5 miliardy ton. 70% z tych zasobów przypadało na Bliski Wschód oraz Afrykę Północną, 15% na Amerykę Południową oraz Północną, 12% na Eurazje.