Budowa chemiczna ropy naftowej

W skład ropy naftowej wchodzą różnorodne substancje chemiczne. Średnio 85% masy ropy naftowej stanowią węglowodory ciekłe, tj.: cykloalkany (cykloparafiny), alkany (parafiny), węglowodory aromatyczne (areny). Obok tych związków w ropie naftowej występują inne związki organiczne zawierające:

- tlen (8%)- w asfaltach, żywicach oraz kwasach naftenowych;

- azot (1%);

- siarka (5%)- siarkowodór oraz siarczki.

Wydobywanie ropy naftowej

Ropa naftowa może być wydobywana z różnych złóż różniących się własnościami oraz składem chemicznym. Mamy do czynienia z ropą naftową o barwie żółtej, brunatnej oraz czarnej. Gęstość ropy naftowej może wynosić 0,75÷1 kg/dm3. Z ropy naftowej udało się wyodrębnić 300 substancji chemicznych, lecz szacuje się, że ich liczba może wynosić wiele tysięcy.

Rodzaje ropy naftowej

Kilku rumuńskich naukowców podzieliło ropę naftową, biorąc pod uwagę kilka kryteriów, na siedem klas oraz dwanaście grup. Ropa naftowa może należeć do określonej klasy, jeżeli spełnia odpowiednie wskaźniki strukturalne (zawartość procentowa węgla: naftenowego, parafinowego oraz aromatycznego). Jeżeli chcemy zaszeregować ropę do określonej grupy, to surowiec ten musi spełniać określone wskaźniki technologiczne, takie jak: zawartość procentowa żywic, parafin, siarki oraz asfaltu.

Procesy warunkujące powstawanie ropy naftowej

Ropa naftowa często może występować na dnie mórz, ewentualnie w szelfach kontynentalnych niedaleko brzegu. Pewna część powierzchni zawierających ropę naftową jest wykorzystywana, jednakże wiele złóż wciąż czeka na odkrycie oraz eksploatację. Są głoszone dwie teorie odnośnie początków ropy naftowej. Część badaczy uważa, że ropa powstała ze związków nieorganicznych w czasie reakcji zachodzących w jądrze Ziemi. 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. Liczniejsza grupa badaczy głosi jednak inna hipotezę odnośnie pochodzenia ropy naftowej. W myśl teorii organicznej reakcje, które miały miejsce kilka milionów lat temu, spowodowały powstanie ropy naftowej z organizmów występujących 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.

Miejsce występowania ropy naftowej

W czasie mijających 40 lat zasoby ropy naftowej zmniejszyły się znacznie. Na świecie mamy do czynienia z coraz mniejszą ilością złóż tego surowca. W 1859 roku miało miejsce wywiercenie pierwszego szybu naftowego w Pensylwanii. Główne ośrodki wydobycia ropy są ulokowane w krajach: byłego Związku Radzieckiego (największe złoża występują w południowej części Rosji oraz w Azerbejdżanie), w okolicach Bliskiego Wschodu (Kuwejt- dzięki temu surowcowi miał miejsce znaczny wzrost gospodarczy), Indie (duże zasoby ropy naftowej występują w północnej oraz wschodniej części kraju i na dnie oceanu), Kanada (największe złoże występuje wstanie Alberta oraz w okolicach Gór Skalistych i na dnie oceanu koło wybrzeża Nowej Finlandii), Brunei (aż 98% procent dochodu narodowego w wyniku wydobycia ropy naftowej).

Sposoby wydobycia ropy naftowej

Ropa naftowa wydobywana jest z głębi ziemi w wyniku wykonywania wierceń. Powstają odwierty (otwory) sięgające 1km głębokości. Prawdopodobne miejsca, gdzie mogą występować złoża ropy naftowej są wyszukiwane przez wyspecjalizowanych do tego celu ludzi (geolodzy). Szybki rozwój technologii poszukiwania złóż ropy naftowej daje wiele możliwości. Dzięki niemu jesteśmy w stanie coraz dokładniej określić miejsce prawdopodobnego występowania ropy naftowej oraz wielkość jej zasobów. Wiele zmian zaszło w technice wiercenia. Poszukiwania ropy naftowej oraz próbne wiercenia były głównie przeprowadzane na lądzie, ale okazało się, że część globalnych zasobów tego surowca występuje na obszarach szelfów oceanów oraz mórz. Surowa ropa naftowa wydobyta bezpośrednio ze złoża zawiera w swoim składzie wiele zanieczyszczeń mechanicznych, ale także duża ilość gazu ziemnego i wody wraz z rozpuszczonymi w niej gazami. Ropa naftowa musi ulec procesowi odsalania. Solanka w ropie naftowej występuje pod postacią emulsji. Tam stanowi fazę rozproszoną. Ilość wody, która jest obecna w ropie naftowej jest przeszkodą do zapoczątkowania procesu destylacji, dlatego tez surowiec ten musi ulec odwodnieniu. Po tym procesie ropa naftowa nie powinna w swoim składzie zawierać więcej niż 20 mg/dm3 soli oraz 0,5% wody. Proces odsalania wody to rozbicie emulsji i oddzielenie solanki. Wykorzystywane są do tego celu różne metody:

- metoda chemiczna, która odporna jest na działanie naturalnych emulfatorów (związków powierzchniowo czynnych, które występują w ropie);

- metoda termiczna, która może spowodować zmniejszenie lepkości ropy naftowej i zwiększenie rozpuszczalności związków asfaltowo-żwirowych;

- metoda elektryczna, która jest w stanie spowodować deformacje kształtu kropel wody, dzięki temu powstają większe krople oraz emulsja jest rozbijana.

Ropa naftowa w Polsce- wydobycie i występowanie

Surowiec ten w Polsce obecny jest w okolicach Podkarpacia (Jasło, Krosno), występuje także w szelfie Bałtyku. Zasoby tego surowca w Polsce nie są duże. Krajowe wydobycie ropy naftowej wynosi 300 tysięcy ton rocznie, co zaspakaja tylko 2% ogólnych potrzeb krajowych. Jesteśmy skazani na import z innych krajów. Występująca w Polsce ropa naftowa pochodzi w przeważającej ilości z Rosji. Polska posiada dwie duże oraz pięć mniejszych rafinerii ropy naftowej, które są w stanie przetwarzać ogółem 15 milionów ton tego surowca.

Zastosowanie 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). Aktualnie ropa naftowa jest wykorzystywana przez różne gałęzie przemysłu (motoryzacja- produkcji olejów oraz smarów). Otrzymywane w wyniku destylacji frakcjonowanej produkty są wykorzystywane w procesach produkcyjnych: tworzyw sztucznych, kosmetyków, środków dezynfekujących, leków, gumy, barwników, leków, farb, syntetycznych tkanin.

Zanieczyszczenia spowodowane ropą naftową

Ropa naftowa może spowodować skażenie dużych składników wodnych podczas: katastrof morskich, czyszczenia tankowców, awarii na platformach wiertniczych. Największe szkody wyrządzają zatopione tankowce, które uległy uszkodzenia. Wyciekająca ropa naftowa może spowodować śmierć wielu gatunków ptaków oraz ryb i innych zwierząt morskich. Woda nie miesza się z woda naftową, gdyż jest cięższa od niej.

Benzyna stosowana do napędzania silników samochodowych powoduje skażenie powietrza. Spaliny pochodzące z samochodów składają się z tlenku azotu, tlenku węgla, ołowiu, węglowodorów. Zanieczyszczenia te są wynikiem powstałego smogu w dużych aglomeracjach miejskich (Meksyk, Los Angeles, Nowy York). Przyczyną kwaśnych deszczy jest wydzielany ze spalin samochodowych tlenek azotu. Kwaśne deszcze powodują skażenie jezior, rzek, niszczą obszary zalesione. Obecnie panuje tendencja do ograniczenia emisji spalin. Stosowana jest benzyna bezołowiowa. W wielu samochodach stosowane są specjalne katalizatory spalin, których zadaniem jest zredukowanie szkodliwych gazów emitowanych do atmosfery.

Sposoby otrzymywania benzyny

Surowa ropa naftowa, która jest wydobywana z ziemi w swoim składzie zawiera bardzo dużo różnych węglowodorów, które charakteryzują się określonymi właściwościami chemicznymi oraz zastosowaniem. Mniejsze cząsteczki ulęgają przetworzeniu w benzynę, zaś większe w olej opałowy. W skład benzyny wchodzą węglowodory, które zawierają 5-10% atomów węgla w całej cząsteczce. Parametr, który określa jakość benzyny to liczba oktanowa (symbol LO). Oczywiście wpierw musimy rozdzielić określone składniki ropy naftowej na frakcje. W rafineriach ropy naftowej stosowane są techniki rozdziału takie jak np. destylacja frakcjonowana. W metodzie tej wykorzystywane są różnice w temperaturach skraplania poszczególnych frakcji. Metoda ta rozpoczyna się od momentu ogrzania ropy do temperatury 400°C. Surowiec w takiej temperaturze w przeważającej ilości zamienia się w stan gazowy. Pary ropy naftowej są unoszone w wielo poziomowej wysokiej konstrukcji (wieża frakcjonująca) i stygną wraz z przesuwanie się coraz wyżej, W momencie, gdy określona frakcja osiąga swoja graniczna temperaturę skraplania powolutku spływa na poszczególne półki zbiorcze, zaś pozostała część pary unosi się coraz wyżej. W taki sposób skraplają się poszczególne frakcje ropy naftowej. Reszta składników, która nie przejdzie w stan gazowy w czasie pierwszego ogrzania (nie ulega destylacji) tworzy mazut. Z mazutu jesteśmy w stanie otrzymać ciężki olej opałowy oraz asfalt. Frakcje otrzymane w wyniku destylacji możemy dalej oczyszczać. Stosowany jest kraking, który polega na zastosowaniu odpowiedniego ciśnienia oraz temperatury, po to, żeby rozbić ciężkie, duże cząsteczki na coraz mniejsze i zawierające niewielką ilość atomów węgla w łańcuchach węglowodorowych. W ten sposób otrzymujemy większe ilości benzyny. Proces „reformowania” polega na zmianie struktury cząstek, pomijając ich rozbijanie. W ten sposób jesteśmy w stanie wytworzyć benzynę o bardzo wysokiej jakości.

Literatura:

1. Świat Wiedzy

2. Time Life - Ilustrowany Świat Nauki.

3. „Chemia organiczna",  Witold Danikiewicz.