Ropa naftowa i benzyna

Ropa naftowa
i benzyna

Co to jest ropa naftowa?

Ropa jest mieszaniną różnych związków chemicznych, głównie węglowodorów. Jej skład jest odmienny w zależności od miejsca wydobywania, przez co kolor zmienia się od brązowego do czarnego. Zawiera w większości węglowodory ciekłe oraz rozpuszczone
w nich węglowodory stałe i gazowe. Stanowią one ok. 98%. Na ropę składają się głównie trzy rodzaje związków:
-parafiny - węglowodory o różnej długości łańcuchów
-kwasy naftalenowe - ich łańcuchy połączone są w pierścienie
-związki nienasycone.
Oprócz tego znaleźć możemy niewielkie ilości niklu(Ni), manganu(Mn), żelaza(Fe), chromu(Cr), sodu(Na) i rtęci(Hg) oraz większe chlorku sodu(NaCl), wodoru(H2), siarkowodoru(H2S), amoniaku(NH3). Z ropy naftowej naukowcy wydobyli już ok. 600 związków, ale ich ilość szacuje się na kilka tys.
Surowa ropa naftowa wydobywana ze złoża jest cieczą barwy zwykle ciemnobrunatnej o ostrym zapachu, nierozpuszczalną w wodzie. Ropa naftowa ma gęstość większą od 0,79 g/cm3, zwykle mniejszą od gęstości wody. Jest ona cieczą palną.
Historia i pochodzenie:

Nie wszyscy uświadamiają sobie, nawet w Polsce, że w roku 1853, we Lwowie Ignacy Łukasiewicz, skromny polski chemik pierwszy w świecie odkrył ropę naftową, docenił jej znaczenie przemysłowe i wybudował pierwsze rafinerie w Ulaszowicach koło Jasła (w 1856 r.), w Klęczanach(w 1858 r.), w Polance (w 1861 - 1863 r.) i w Chorkówce (w 1865 r.)
W XIX wieku koszty rozbudowy przemysłu naftowego przekraczały możliwości Polaka, były zbyt dużym obciążeniem. Sprawa ta wymagała kapitałów i rozmachu amerykańskiego
i w końcu, jak wiadomo to właśnie Stany Zjednoczone stały się wiodącą potęgą w dziedzinie wykorzystania przemysłowego ropy naftowej.
Dwie główne teorie, tłumaczące pochodzenie złóż ropy naftowej powstały już w XIX wieku, wkrótce po jej odkryciu przez Łukasiewicza. Zdaniem zdecydowanej większości geologów ropa naftowa powstała jako produkt rozkładu mikroorganizmów, glonów
i wymarłych zwierząt wodnych, które żyły na Ziemi w dawnych okresach geologicznych, miliony lat temu. Teorię tę sformułowali uczeni niemieccy: Engler i Hoefer i w roku 1877 polski uczony Bronisław Radziszewski.
Zupełnie inne przypuszczenie wysunął w wieku XIX rosyjski chemik Mendelejew, twórca układu okresowego pierwiastków. Mendelejew uważał, że powstała ona w reakcjach chemicznych węglików metali, wchodzących w skład jądra Ziemi z wodą. Reakcje te prowadziły rzekomo do powstania węglowodorów. Współcześnie powszechnie przyjęta jest teoria Englera, Hoefera i Radziszewskiego, wywodząca pochodzenie ropy naftowej
z dawnych morskich organizmów żywych

Występowanie:

Ropa naftowa znajduje się najczęściej pod dnem morskim, na dużej głębokości, nierzadko w pobliżu wybrzeży. Nie wszystkie złoża odkryto, nie wszystkie odkryte są eksploatowane. Najwięksi producenci ropy na świecie to kraje w pobliżu Zatoki Perskiej, gdzie znajdują się jej największe zasoby. W Polsce ropę wydobywa się w zagłębiach: Pomorskim, Karpackim oraz z dna morskiego w pobliżu przylądka Rozewie. Ropa naftowa znajduje się również w tzw. piaskach bitumicznych, ale ich eksploatacja jest nieekonomiczna. ?Czarne złoto? może wydostawać się na powierzchnię samoczynnie, w wyniku działającego na nie podziemnego ciśnienia, ale czasami trzeba mu "pomóc" ogromnymi pompami. Ropę naftową wydobywa się wiercąc w ziemi otwory, tzw. odwierty, na głębokość 1 km i więcej. Do wydobycia ropy z dna służą platformy wiertnicze podparte filarami. Pomiędzy nimi, aż do złoża biegnie trzpień wiertniczy.

Otrzymywanie:

Surowa ropa naftowa nie ma obecnie praktycznego zastosowania. Aby otrzymać z niej wartościowe produkty, które mają przemysłowe zastosowanie, rozdziela się ją na poszczególne frakcje przy zastosowaniu metod fizycznych. Rafinerie ropy naftowej stosują technikę rozdziału, znaną jako destylacja frakcyjna, w której wykorzystuje się to, że różne frakcje skraplają się w różnych temperaturach. Odkrywcą metody destylacji frakcyjnej był polski chemik Ignacy Łukasiewicz. Proces rozpoczyna się od ogrzania ropy naftowej do 400?C(rys). W tej temperaturze ponad połowa ropy zamienia się w parę. Pary unoszą się w wysokiej, wielopoziomowej konstrukcji, zwanej wieżą destylacyjną (rys), i stygną, w miarę jak przesuwają się ku górze. Gdy dana frakcja osiąga swoją temperaturę skraplania, ścieka na półkę zbiorczą. Pozostałe pary unoszą się wyżej. W ten sposób skraplają się kolejne frakcje. Reszta, która nie przechodzi w parę po pierwszym ogrzaniu, czyli nie destyluje się, to mazut, z którego otrzymuje się asfalt i ciężki olej opałowy.

Otrzymane frakcje można jeszcze oczyszczać. Kraking to sposób otrzymywania niższych węglowodorów alifatycznych (np. benzyny syntetycznej), polegający na rozszczepianiu długich łańcuchów węglowych w węglowodorach aromatycznych, cykloalifatycznych oraz wyższych parafin. W wyniku krakingu powstają cząsteczki
o krótszych łańcuchach węglowych. ?Reformowanie? zmienia strukturę cząsteczek bez rozbijania ich. Może być stosowane do wytwarzania benzyny wyższej jakości.

Zastosowanie:

Ropę naftową wykorzystuje się już od dawna, używana była m. in. do balsamowania zwłok, robienia pochodni, leków, a także jako środek zapalający w machinach wojennych. Obecnie najwięcej zużywają jej wszystkie gałęzie przemysłu, szczególnie motoryzacja do produkcji olejów, smarów itp. Produkty destylacji służą do produkcji tworzyw sztucznych, środków dezynfekujących, gumy, kosmetyków, barwników, leków, wyrobów farbiarskich oraz syntetycznych tkanin. Ropa jest podstawowym surowcem przemysłu petrochemicznego stosowanym do otrzymywania m.in. benzyny, nafty, olejów, parafiny, smarów, asfaltów, wazelin. Ropę naftową przerabia się w rafineriach.

Benzyna:

Benzyna to jeden z głównych rodzajów paliwa stosowanego do napędu samochodów, samolotów i niektórych innych urządzeń posiadających silnik spalinowy. Stosowana także jako rozpuszczalnik.
Z chemicznego punktu widzenia, głównymi składnikami benzyn są węglowodory alifatyczne o liczbie atomów węgla od 6-7 do 10-12. Występują również śladowe ilości węglowodorów nienasyconych, oraz aromatycznych.
Benzyna dostarcza energii silnikowi poprzez spalanie się, czyli reakcję z tlenem pochodzącym z atmosfery. Ze względu na to, że benzyna jest w silnikach spalana w bardzo krótkich cyklach, proces spalania musi przebiegać maksymalnie szybko i równomiernie
w całej objętości cylindrów silnika. Osiąga się to poprzez mieszanie benzyny z powietrzem przed wstrzyknięciem jej do cylindrów. Bardzo istotny wpływ na przebieg tego spalania ma też skład chemiczny benzyny. Zdolność do dobrego spalania benzyny w warunkach panujących w silnikach określa się za pomocą liczby oktanowej. Benzynę produkuje się
w wyniku rektyfikacji ropy naftowej. Jej skład jest zależny od wyjściowego składu ropy
i warunków rektyfikacji.

Jak poprawić jakość beznzyny?

W celu poprawy własności benzyny jako paliwa do silników dodaje się niewielkie ilości (poniżej 1%) związków chemicznych poprawiających liczbę oktanową tych paliw. Od lat 30-tych XX-tego do połowy lat 80-tych najczęściej dodawanym w tym celu związkiem był tetraetyloołów (czteroetylek ołowiu). Jego spalanie powodowało jednak emisję do środowiska silnie toksycznych i rakotwórczych tlenków ołowiu. W związku z tym, w połowie lat 80-tych opracowano nowe rodzaje benzyn - tzw. benzyny bezołowiowe. Do benzyn tych dodaje się kilka procent węglowodorów aromatycznych oraz eterów z grupami aromatycznymi. Dodatek tych związków poprawia skutecznie liczbę oktanową, ale związki te nie spalają się całkowicie w komorze silnika i dlatego muszą być "dopalane" na katalizatorach platynowych umieszczanych w układzie wydechowym samochodów.
Benzyna jest też stosowana jako rozpuszczalnik. W handlu jako rozpuszczalnik występuje ona w dwóch rodzajach:
1. Benzyna ekstrakcyjna - jest to benzyna lekka (zawierająca węglowodory o liczbie atomów węgla od 5 do 7), którą odrzuca się w procesie otrzymywania benzyny paliwowej, ze względu na zbyt niską temperaturę wrzenia. Oczyszcza się ją przez płukanie (ekstrakcję)
z wodą i stąd pochodzi jej nazwa.
2. Benzyna lakowa - jest to benzyna ciężka (zawierająca węglowodory o liczbie atomów węgla od 10 do 15-16), którą odrzuca się w procesie otrzymywania benzyny paliwowej ze względu na zbyt wysoką temperaturę wrzenia. Jej nazwa pochodzi od tego, że była niegdyś stosowana przy produkcji laku.

Liczba oktanowa:
Liczba oktanowa to liczba określająca jakość paliwa silnikowego do silników
z zapłonem iskrowym. Parametr ten określa odporność mieszanki paliwowo-powietrznej na samozapłon i spalanie wybuchowe podczas sprężania mieszanki oraz podczas rozpoczętego już procesu spalania mieszanki w cylindrze silnika. Liczbę oktanową benzyn ustala się poprzez porównanie parametrów pracy specjalnego, testowego silnika zasilanego analizowaną benzyną i paliwem uzyskanym przez zmieszanie izooktanu i heptanu. Gdy analizowana benzyna działa tak jak czysty izooktan, przyjmuje się, że ma ona liczbę oktanową równą 100, gdy działa tak jak n-heptan, przyjmuje się, że ma ona tę liczbę równą 0. W pośrednich zakresach analizowana benzyna ma taką liczbę oktanową jak procentowa ilość izooktanu
w paliwie składającym się tylko z izooktanu i n-heptanu o takich samych własnościach.
W praktyce pomiar taki wykonuje się przy pomocy wykalibrowanego silnika tesotwego, dla którego robi się raz wykres zależności liczby "stuków" na sekundę w funkcji składu mieszanki izooktan-heptan, a następnie wyznacza się liczbę Na świecie istnieją dwie normy na oznaczanie liczby oktanowej: RON (Research Octane Number) i MON (Motor Octane Number) - obie opierają się na tej samej zasadzie pomiaru, ale różnią się warunkami przeprowadzania testu. Uważa się, że MON lepiej oddaje to co się dzieje w silniku pracującym pod dużym obciążeniem, a RON lepiej dla silnika pracującego pod średnim
i małym obciążeniem. MON jest średnio o ok. 10 punktów niższe od RON dla tej samej benzyny. W Polsce, podobnie jak w całej Europie obowiązuje norma oznaczania liczby oktanowej zbliżona do RON, natomiast w USA, Kanadzie, Australii i kilku innych krajach podawana na stacjach liczba oktanowa odpowiada bardziej normie MON. Powoduje to, że amerykańska benzyna 87 odpowiada europejskiej 95.

Zagrożenia:
Niebezpieczeństwa związane z ropą naftową są znane każdemu z nas, Najczęstszą przyczyną katastrof są zderzenia lub zatonięcia tankowców. Ropa wycieka z ładowni tworząc ogromne często palące się plamy. Zlepia skrzydła ptakom, a opadający pył niszczy życie na dnie. Największy wylew w historii spowodowały działania wojenne w Zatoce Perskiej - wyciekł wtedy ponad 1km3 ropy. Takie spektakularne katastrofy odwracają uwagę od faktu, że większość zanieczyszczeń wód morskich pochodzi z ropy wypuszczanej do rzek, albo wyciekającej bezpośrednio do morza z przybrzeżnych systemów odprowadzających.
Czarne złoto, chociaż pośrednio, zagraża również powietrzu. Stosowanie benzyn w silnikach samochodowych doprowadziło do ciężkiego skażenia powietrza w wielu miastach. W większości krajów na 100 osób przypada więcej niż 10 samochodów. Silniki na benzynę
i ropę wydalają do atmosfery niespalone węglowodory, dwutlenek węgla (CO2), tlenki azotu
i związki ołowiu. Część zanieczyszczeń ulega przemianom pod wpływem słońca tworząc smog - mgłę pyłów unoszącą się nad większymi miastami.