Z chemicznego punktu widzenia, ropa naftowa jest mieszaniną przede wszystkim węglowodorów, w której skład wchodzą głównie parafiny, nafteny, olefiny, a także węglowodory aromatyczne. Oprócz węglowodorów występują również w ropie naftowej różnego rodzaju inne związki organiczne, zawierające między innymi takie pierwiastki jak tlen, siarka lub azot, a także związki nieorganiczne takie jak chlorek sodu, amoniak, siarkowodór, woda. W skład ropy naftowej wchodzą również śladowe ilości związków takich pierwiastków jak nikiel, mangan, chrom, żelazo czy rtęć. Parafiny wchodzące w skład ropy naftowej to węglowodory nasycone o różnych długościach łańcucha. W zależności od ilość atomów węgla w cząsteczce mogą być one gazami (od 1 do 5 atomów węgla), cieczami (od 6 do 16 atomów węgla) oraz ciałami stałymi (powyżej 17 atomów węgla w cząsteczce). Przykładowe parafiny występujące w ropie naftowej to między innymi n-pentan, izopentan, n-dekan, tetradekan, heksadekan. W skład ropy wchodzą również nafteny, które są cyklicznymi węglowodorami nasyconymi (np. 1,1-dimetylocyklopentan, etylocykloheksan, 1,2,4-trimetylocyklokeksan) , oraz kwasy naftenowe, będące kwasami karboksylowymi, zawierającymi w cząsteczce pierścień cyklalkanu. Przykładami węglowodorów aromatycznych występujących w ropie naftowej mogą być benzen, toluen a także izopropylobenzen, zwany również kumenem. W skład ropy wchodzą również węglowodory nienasycone (między innymi olefiny). Najbardziej niepożądanym składnikiem są związki zawierające siarkę. Przeróbka zasiarczonego paliwa prowadzi bowiem do szybkiej korozji i zniszczenia urządzeń rafineryjnych. Zależnie od zawartości siarki, ropę naftową klasyfikuje się na:

  1. Niskosiarkową – zawierającą do 0,5% siarki,
  2. Wysokosiarkową - zawierającą więcej niż 0,5% siarki.

Pochodzenie

Niemieccy naukowcy Engler i Hoefer, a także Polak, Bronisław Radziszewski sformułowali jeszcze w XIX wieku teorię mającą wyjaśniać pochodzenie ropy naftowej. Zdaniem tych uczonych, ropa naftowa powstała w wyniku rozkładu rozmaitych mikroorganizmów, glonów i zwierząt wodnych, żyjących na Ziemi w odległych okresach geologicznych (wiele milionów lat temu). Również w XIX stuleciu, rosyjski badacz, twórca układu okresowego pierwiastków – Dmitrij Mendelejew, wysunął hipotezę, że ropa naftowa powstała w wyniku skomplikowanych reakcji chemicznych węglików metali, występujących powszechnie w jądrze Ziemi z wodą, które miały prowadzić do powstania różnego rodzaju węglowodorów. Dzisiaj zdecydowana większość naukowców skłania się ku teorii wywodzącej pochodzenie ropy naftowej od dawnych morskich organizmów żywych.

Występowanie

Ropa naftowa wydobywana jest prawdopodobnie już od średniowiecza. Największe jej zasoby występują między innymi w Afryce ( Nigeria, Libia, Tunezja, Egipt), w Meksyku, w Stanach Zjednoczonych (nad Zatoką Meksykańską, w Kalifornii, na Alasce), w Rosji, na terenach Kazachstanu, Turkmenistanu i Azerbejdżanu, a także w Indonezji i Chinach. Pokłady ropy znajdują się również w dnach mórz (np. z dna Morza Północnego ropę wydobywa między innymi Wielka Brytania i Norwegia). Jednym z najbogatszych w ropę naftową regionów jest bez wątpienia rejon Zatoki Perskiej, a takie kraje jak Arabia Saudyjska, Iran, Irak, Kuwejt, czy Zjednoczone Emiraty Arabskie zajmują czołowe miejsca pod względem ilości jej wydobycia.

Właściwości fizyczne

Surowa ropa naftowa (wydobywana bezpośrednio ze złoża) jest zwykle ciemną (brązową lub czarną) cieczą o ostrym, charakterystycznym zapachu. Jest nierozpuszczalna w wodzie a jej gęstość jest zwykle mniejsza od gęstości wody.

Zastosowanie

Ropa naftowa znajduje bardzo szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach życia. Jest podstawowym surowcem energetycznym, wydajniejszym niż węgiel. Wykorzystuje się ją również do produkcji ogromnej ilości produktów, jak kosmetyki, leki, materiały wybuchowe, kauczuki, plastiki itp. W procesie przeróbki ropy otrzymuje się szereg produktów o bardzo szerokim zastosowaniu. Należą do nich między innymi: oleje napędowe, asfalt, oleje i smary, benzyny, nafta. Ropa naftowa wykorzystywana była już bardzo dawno temu. Głownie stosowaną ją wówczas jako balsam do ciała, a także środek zapalający (np. nacierano nią główkę pochodni by paliła się dłużej).

Przeróbka ropy naftowej

Surowa, wydobyta ze złoża, ropa naftowa w obecnej chwili nie znajduje praktycznie żadnego praktycznego zastosowania. W celu otrzymania produktów mających zastosowanie, należy przeprowadzić rozdział surowej ropy na poszczególne frakcje. Wydobyta ropa transportowana jest różnymi sposobami do zakładów przetwórczych zwanych rafineriami. Współczesne rafinerie produkują dużą ilość różnorodnych wyrobów o najrozmaitszych przeznaczeniu. Lokalizuje się je zwykle w pobliżu miejsc o dużym zużyciu produktów uzyskiwanych z przeróbki ropy. Wielkość rafinerii uzależniona jest zwykle od możliwości wykorzystania zasobów ropy. W zależności od głównego produktu otrzymywanego z przeróbki ropy, rafinerie można podzielić na trzy grupy:

  1. Rafinerie paliwowe, w których otrzymuje się przede wszystkim paliwa silnikowe oraz olej opałowy
  2. Rafinerie paliwowo – opałowe, w których produkowane są głownie paliwa oraz oleje smarowe
  3. Rafinerie petrochemiczne, w których produkowane są produkty węglowodorowe wykorzystywane następnie do syntez

W niektórych rafineriach otrzymuje się również różnego rodzaju produkty specjalne, m. in. benzynę ekstrakcyjną, oleje cylindrowe, lepiki itp., wymagające zastosowania dodatkowych technologii.

Głównym procesem odbywającym się w rafineriach, który powoduje wydzielenie różnych składników z ropy naftowej jest tzw. destylacja frakcyjna lub rektyfikacja. Dawniej przerób wydobytej ropy polegał wyłącznie na rozdzieleniu surowej ropy na poszczególne frakcje oraz ich oczyszczeniu. Taki proces nazywany jest przerobem płytkim. Obejmuje on przeprowadzenie destylacji ropy w celu otrzymania benzyny i oleju opałowego a także ich oczyszczenie (głównie odsiarczenie) w procesie zwanym rafinacją. Obecnie sama metoda płytka nie jest już wykorzystywana, gdyż nie prowadzi ona do najlepszego i najwydajniejszego wykorzystania surowego substratu. Dzisiaj ropę przerabia się głównie stosując tzw. metodą pogłębioną, polegającą na powtórnym przetwarzaniu części uzyskanych podczas destylacji produktów (głównie oleju opałowego) na wiele wartościowych substancji.

Po wydobyciu ze złoża, ropa musi zostać odwodniona, gdyż woda jest składnikiem zdecydowanie niepożądanym. W rezultacie tego procesu zawartość wody obniża się do około 0,5 - 1,5 %. Równocześnie zmniejsza się zawartość soli w ropie. Pozostała substancja poddawana jest stabilizacji, polegającej na wydzieleniu z niej najlżejszych węglowodorów (głównie gazowych) i ogrzewa się do około 3500C. Tak przygotowana ropa transportowana jest do odpowiednich instalacji, w których poddawana jest procesowi destylacji frakcyjnej. Proces ten pozwala na rozdzielenie poszczególnych składników ropy bez zmiany ich charakteru chemicznego. Wykorzystuje się fakt, iż pary wrzącej mieszaniny mają inny skład niż sama mieszanina ciekła – są bogatsze w składniki bardziej lotne (o niższych temperaturach wrzenia). Skraplanie par wydzielających się z wrzącej mieszaniny cieczy pozwala na otrzymanie szeregu frakcji destylatu o składzie innym niż skład cieczy wyjściowej. W celu uzyskania produktów o większej czystości (zwiększenia jakości rozdzielenia poszczególnych składników) stosuje się proces wielokrotnej destylacji nazywany powszechnie rektyfikacją. Procedura ta pozwala na uzyskanie frakcji różniących się temperaturą wrzenia nawet o około 1 – 20C. W nowoczesnych rafineriach stosuje się do tego celu tzw. instalacje rurowo wieżowe, w których głównymi aparatami są piece rurowe, a także kolumny destylacyjne a także wymienniki ciepła, pompy i chłodnice. Ogrzana do wystarczająco wysokiej temperatury ropa jest wpompowywana do dolnej części wieży. Wówczas zaczyna się ona rozdzielać na pary i ciecze. Cząsteczki duże i ciężkie zmieniają się pod wpływem wysokiej temperatury w gęstą i lepką ciecz. Pozostają więc na dole wieży destylacyjnej. Z innych cząsteczek, złożonych w większości z mniejszej ilości atomów węgla, pod wpływem temperatury powstaje para, która następnie unosi się w górę wieży, ochładza się zmieniając się z powrotem w ciecz. W ten właśnie sposób, na kolejnych półkach, znajdujących się coraz wyżej, następuje skraplanie coraz mniejszych i lżejszych cząsteczek. Część z nich dociera nawet do szczytu kolumny (gazy) i są tam zbierana i dodatkowo oczyszczane. Poniżej przedstawiono poszczególne frakcje w kolejności ich wyodrębniania.

  1. Eter naftowy (nazywany także benzyną lekką) – frakcja najbardziej lotna, stanowiąca mieszaninę różnych węglowodorów przede wszystkim o pięciu lub sześciu atomach węgla w cząsteczce. Średnia temperatura wrzenia wynosi od 35 do 600C. Frakcja ta nie jest wykorzystywana jako paliwo. Po uprzedniej ekstrakcji wodą, stosuje się ją między innymi jako środek czyszczący, paliwo do zapalniczek, rozpuszczalnik do farb i lakierów. Wykorzystywana jest również w wielu procesach technologicznych.
  2. Benzyna – frakcja o temperaturze wrzenia od ok. 60 do 2000C. Głównymi składnikami benzyn są węglowodory alifatyczne o 6-12 atomach węgla w cząsteczkach. Występują w nich także śladowe ilości węglowodorów nienasyconych oraz aromatycznych. Wyróżnia się kilka gatunków benzyn w zależności od przewagi danego rodzaju węglowodorów.
  3. Nafta – jest frakcją ropy naftowej wrzącą w temperaturach pomiędzy 150-3400C. Jest palną cieczą o zabarwieniu żółtawym, wykazującą charakterystyczny zapach. W jej skład wchodzą węglowodory, których cząsteczki zawierają pomiędzy 9 a 16 atomów węgla. Naftę przerabia się czasem na inne produkty (między innymi benzynę) w procesach krakingu i reformingu, które zostaną omówione nieco później. Wykorzystywana jest również jako paliwo (przede wszystkim do silników odrzutowych), a także jako rozpuszczalnik. Dawniej wykorzystywana była w lampach naftowych do oświetlania pomieszczeń (wynalazcą lampy naftowej był Polak, Ignacy Łukasiewicz).
  4. Oleje – frakcja o temperaturze wrzenia około 280-3500C. Z tej frakcji wydziela się między innymi oleje opałowe, oleje napędowe a także tzw. oleje ciężkie. Oleje napędowe (wykorzystywane głównie jako paliwo w silnikach Diesla) są mieszaniną węglowodorów parafinowych, naftenowych i aromatycznych. Z uwagi na dużą zawartość siarki, konieczne jest jej usuwanie z olejów napędowych w procesach katalitycznych (tzw. hydrorafinacja).
  5. Mazut – jest czarna, bardzo gęsta substancją, stosowana jako paliwo oraz przede wszystkim jako substrat do produkcji asfaltu.

W celu uzyskania czystych produktów handlowych, otrzymane frakcje muszą zwykle zostać poddane procesom uszlachetniającym (między innymi odsiarczaniu, reformingowi, rafinacji). Niektóre z wyżej wymienionych frakcji mogą zostać przetworzone w dalszych procesach (między innymi w wyniku destylacji próżniowej) dając kolejne, niekiedy bardzo użytecznie produkty.

Poprzestanie na tym etapie wykorzystania „surowej” ropy jest zdecydowanie nieekonomiczne. Z otrzymanych produktów, zwłaszcza tych mniej przydatnych, można bowiem uzyskać produkty bardzo pożądane. W tym celu przeprowadza się w rafineriach procesy zwane krakingiem i reformingiem. Kraking jest procesem polegającym na rozrywaniu wiązań pomiędzy atomami węgla w wyższych parafinach, węglowodorach cykloalifatycznych oraz aromatycznych. W wyniku tego procesu następuje rozrywanie długich łańcuchów węglowodorowych i utworzenie produktów o mniejszych ilościach atomów węgla w cząsteczkach. Procesowi krakingu poddaje się więc przede wszystkim produkty o wyższych temperaturach wrzenia np. mazut, w wyniku czego można uzyskać dodatkowe ilości przydatnych składników jak np. benzyny. Kraking można podzielić na:

  1. Kraking termiczny – prowadzony w wysokiej temperaturze (ok. 5000C) i pod wysokim ciśnieniem
  2. Kraking katalityczny – prowadzony z wykorzystaniem różnego rodzaju katalizatorów.

Powstała w wyniku rozbijania łańcuchów mieszanina, kierowana jest z powrotem do kolumny rektyfikacyjnej, gdzie jej składniki są ponownie rozdzielane. Otrzymuje się dodatkowe ilości przydatnych produktów (np. benzyn, olejów itp.). To właśnie zastosowanie krakingu pozwoliło na zwiększenie ilości benzyny możliwej do otrzymania z jednej tony ropy naftowej ze 100 do 400kg. Lekkie frakcje poddaje się również procesowi tzw. reformingu katalitycznego. Polega on na ogrzewaniu do wysokich temperatur lekkich produktów destylacji frakcyjnej lub lekkich produktów krakingu, w wyniku czego otrzymuje się paliwa o wysokiej jakości, a także węglowodory aromatyczne. Wśród zachodzących podczas reformingu procesów należy wymienić przede wszystkim izomeryzację, odwodornienie, a także cyklizacje.

Bardzo ważnym parametrem, stosowanym powszechnie do oceny jakości benzyny jest tzw. liczba oktanowa (LO). Umownie przyjęto, że liczba oktanowa n-heptanu o prostym, nierozgałęzionym łańcuchu wynosi 0, a ta sama liczba dla rozgałęzionego izooktanu jest równa 100. W ten sposób zdefiniowano umowną skalę. Liczba oktanowa danej benzyny, określana jest poprzez zawartość procentową izooktanu w mieszaninie porównawczej izooktanu i n-heptanu, która wykazuje identyczne właściwości jak badana benzyna, podczas spalania w warunkach odpowiadających pracy silnika. Parametr ten określa odporność benzyny na samozapłon i spalanie detonacyjne podczas sprężania mieszanki paliwa z powietrzem, a także podczas procesu spalania tej mieszanki w cylindrze silnika (tzw. właściwości przeciwstukowe). Im większa liczba oktanowa, tym węglowodory wchodzące w skład benzyny są bardziej rozgałęzione, a co za tym idzie paliwo jest lepszej jakości. Często produkuje się benzyny o lepszej jakości (o wyższych LO) z benzyn jakościowo gorszych.

Oleje napędowe są paliwem stosowanym w silnikach wysokoprężnych z samoczynnym zapłonem. Właśnie ze względu na sposób, w jaki mieszanki olejowo-powietrznej ulega zapłonowi w silnikach, który ma charakter temperaturowy (a nie iskrowy), nie występuje problem niekontrolowanego spalania paliwa (stukania). Z tego względu ustalanie liczby oktanowej dla olejów napędowych pozbawione jest sensu. Parametrem charakteryzującym tego rodzaju paliwa jest zdolność do szybkiego samozapłonu w wyniku wysokiej temperatury. Miarą tej zdolności jest tzw. liczba cetanowa. Wyznacza się ja poprzez porównanie czas zapłonu dla paliwa wzorcowego oraz analizowanego oleju. Paliwo wzorcowe to zwykle mieszanka cetanu, charakteryzującego się bardzo krótkim czasem zapłonu (wartość 100 w umownej skali) i α-metylo-naftalenu.

Jak już wcześniej wspomniano, produkty otrzymane w wyniku przeróbki wydobytej ze złóż ropy naftowej, stosowane są w przeważającej mierze jako różnego rodzaju paliwa, przede wszystkim paliwa samochodowe. Należy jednak pamiętać, iż produkty spalania tych paliw w większości przypadków negatywnie wpływają na stan środowiska naturalnego. Spaliny z samochodów a także z innych urządzeń napędzanych benzynami lub olejami napędowymi zawierają między innymi duże ilości tlenku węgla(II), niespalonych węglowodorów, tlenków azotu i siarki, a także innych substancji szkodliwych dodawanych do paliw w celu poprawy ich jakości. Szczególnie niebezpieczne dla środowiska są tlenki azotu i siarki, które po przedostaniu się do atmosfery mogą rozpuszczać się w parze wodnej, a następnie opadać na Ziemię w postaci kwaśnych deszczy. Bardzo ważnym problemem jest więc ograniczenie emisji szkodliwych spalin. Obecnie w większości produkowanych samochodów montuje się specjalne katalizatory, w celu eliminowania szkodliwych produktów.

Podsumowanie

Ropa naftowa, zwana również olejem skalnym, jest najważniejszym surowcem do otrzymywania cennych produktów przemysłowych, np. benzyny, nafty, olejów smarowych, parafiny itp. Jest mieszaniną węglowodorów alifatycznych, cyklicznych i aromatycznych, kwasów karboksylowych, a także innych związków organicznych, oraz w mniejszym stopniu nieorganicznych. Skład ropy naftowej jest różny w zależności od miejsca wydobycia. „Surowa” ropa naftowa nie nadaje się bezpośrednio do stosowania jako surowiec energetyczny. Po wydobyciu ze złoża, jest ona zwykle oczyszczana z zanieczyszczeń mechanicznych, oraz większości wody. Następnie oddziela się wartościowe składniki o niskich temperaturach wrzenia (między innymi propan, butan). Pozostałość poddaje się w rafineriach procesowi destylacji frakcyjnej, której produktami są różne frakcje charakteryzujące się różnymi temperaturami wrzenia. Kolejnym etapem procesu przetwarzania ropy naftowej jest tzw. kraking, poprzez który frakcje ciężkie, o wysokich temperaturach wrzenia rozkładane są na mieszaniny węglowodorów lekkich mające ogromne zastosowanie. Końcowymi produktami rafinerii są przede wszystkim paliwa ciekłe – takie jak: benzyny, oleje opałowe, oleje napędowe, nafta. Stanowią one mieszaniny ciekłych węglowodorów o wartości opałowej znacznie większej niż węgiel kamienny. Niewątpliwą zaletą jest łatwa możliwość transportu tych produktów. Ciekłe paliwa przewożone są przeważnie przy użyciu cystern samochodowych lub kolejowych. Ciekłe paliwa, dzięki swoim właściwościom, nadają się doskonale do zasilania różnego rodzaju silników spalinowych. Stosowane są one również między innymi do opalania kotłów, a także do zasilania szeregu urządzeń technologicznych.

Należy jednak pamiętać, że złoża ropy naftowej nie są nieskończone i kiedyś, wcześniej czy później, ulegną wyczerpaniu. Dlatego już teraz obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania wykorzystaniem innych źródeł energii, przede wszystkim źródeł naturalnych, takich jak słońce, woda, czy wiatr. Niemniej jednak jak na razie ropa naftowa jest podstawowym, niezastąpionym surowcem energetycznym na całym świecie. Najmniejszy kryzys związany z wydobyciem tego surowca (np. wojny w krajach wydobywających duże ilości ropy) przyczynia się do gwałtownych wzrostów cen, co wpływa w negatywny sposób na całą światową gospodarkę.