Ropa naftowa - właściwości i przeróbka

Ropa naftowa, czyli olej skalny, jest najważniejszym surowcem węglowodorowym do otrzymywania cennych produktów przemysłowych, np. benzyny, nafty, olejów smarowych, parafiny.

Mimo że źródła jej znane były już w starożytności, to jednak rozwój przemysłu naftowego datuje się dopiero od drugiej połowy XIX stulecia..

Pochodzenie złóż ropy naftowej tłumaczono rozmaicie. Mendelejew wysunął teorię nieograniczonego pochodzenia ropy z węglików metali ciężkich, z których składa się jądro Ziemi. Węgliki te pod wpływem wody rozłożyły się na węglowodory, tworzące ropę. Mimo że teoria ta znalazła wielu zwolenników, nie tłumaczy ona jednak obecności w ropie związków azotowych ani związków optycznie czynnych. Później badacze niemieccy Engler i Hoefer wyrazili pogląd, że ropa powstała z tłuszczu zwierząt żyjących w odległych epokach geologicznych. Wreszcie w roku 1877 polski uczony Bronisław Radziszewski wysunął przypuszczenie, że ropa naftowa mogła powstać także z roślin. Za hipotezą Englera przemawia fakt, że przez destylację tranu rybiego pod wysokim ciśnieniem otrzymuje się produkt zbliżony do nafty, za hipotezą zaś Radziszewskiego - doświadczalnie stwierdzona fermentacja celulozy pod wpływem pewnych bakterii żyjących w mule jezior. Produktami tej fermentacji są metan i dwutlenek węgla. Drugim dowodem słuszności teorii Radziszewskiego jest stwierdzenie w ropie naftowej obecności śladów chlorofilu, barwnika roślin zielonych.

Ropa naftowa jest ciemnobrunatną cieczą o gęstości 0,79 - 0,96 g/ml i o swoistym zapachu. Barwa jej bywa również jasna i słabo opalizująca. W wodzie ropa się nie rozpuszcza.

Głównymi składnikami ropy naftowej są rozmaite węglowodory:
- nasycone węglowodory parafinowe, a więc homologi metanu,
- małe ilości węglowodorów oleinowych (homologi etylenu),
- nasycone węglowodory cykliczne, tzw. węglowodory naftenowe, pochodne cyklopentanu i cykloheksanu o wzorze CnH2n,
- węglowodory aromatyczne, pochodne benzenu C6H6.

Udział procentowy wymienionych węglowodorów jest różny w ropach różnego pochodzenia. W ropach pensylwańskich główny składnik stanowią węglowodory parafinowe, zaś ropa kaukaska zawiera głównie (do 90%) węglowodory naftenowe; ropy podkarpackie zajmują miejsce pośrednie między obydwoma wymienionymi typami rop.
Węglowodorom w ropie naftowej towarzyszą również inne związki organiczne, zawierające tlen, azot i siarkę. W zależności od zawartości siarki, klasyfikuje się ropę naftową na: niskosiarkowe - zawierające do 0,5% S, wysokosiarkowe zawierające powyżej 0,5% siarki. Zawartość siarki w niektórych ropach naftowych dochodzi do 6%. Ze względu na typ związków chemicznych przeważających w ropie naftowej wyróżnia się najczęściej ropy bezparafinowe, parafinowe, naftenowe, aromatyczne.

Ropa naftowa bardzo rzadko występuje w skałach, z którymi jest związana genetycznie (skały ilaste); pod wpływem ciśnienia warstwy nadległych lub ciśnienia górotwórczego zostaje ona wyciśnięta ze skał macierzystych i ulega przemieszczeniu (migracji) oraz nagromadzeniu w skałach porowatych lub silnie spękanych, zwanych kolektorami (najczęściej żwiry, piaski, piaskowce wapienne i dolomity). Niezbędnym warunkiem powstania złoża ropy naftowej jest odpowiednia struktura geologiczna (głownie antyklina, warstwa obcięta uskokami) umożliwiająca zatrzymanie ropy w kolektorze przez warstwy nieprzepuszczalne, np. łupki ilaste. Ropa rzadko wypływa samorzutnie z wnętrza pokładów skalnych, leżących często na bardzo znacznych głębokościach

Ropie towarzyszy często gaz ziemny pod wysokim ciśnieniem, który powoduje samoczynny jej wytrysk z szybu. Skosro jednak ciśnienie gazu spadnie, wypływ ropy ustaje i wtedy trzeba ropę okresowo wypompowywać. Z biegiem czasu każdy szyb ulega wyczerpaniu.

Złoża ropy naftowej znajdują się na wszystkich kontynentach, najczęściej w utworach kredowych i trzeciorzędowych. Największe złoża ropy naftowej występują na Bliskim Wschodzie (głównie w Arabii Saudyjskiej, Iraku, Iranie, Kuwejcie, Zjednoczonych Emiratach Arabskich), także w USA (m.in. stany Teksas i Luizjana), Meksyku, Wenezueli, Kanadzie, Rosji, północnej Afryce.

Surowa ropa naftowa może służyć jako materiał opałowy. Jednak tego rodzaju jej zużycie jest bardzo nieekonomiczne, ponieważ traci się cenne produkty, które można by wyodrębnić z niej za pomocą specjalnej przeróbki. Podstawowa przeróbka ropy naftowej polega na destylacji. Obecnie destylacja jest procesem bardzo skomplikowanym i przeprowadza się ją na olbrzymią skalę w tzw. rafineriach, gdzie otrzymane produkty poddaje się oczyszczaniu i dalszej przeróbce. Pierwszą destylację ropy naftowej dokonał polski aptekarz w Krośnie, Ignacy Łukasiewicz, w roku 1852. Jego zasługą również jest wynalezienie lampy naftowej oraz zastosowanie nafty do celów oświetleniowych. W roku 1854 Łukasiewicz założył pierwszą na świecie kopalnię ropy naftowej w Krośnie.

W zależności od rodzaju ropy naftowej oraz produktów, jakie mają być z niej otrzymane stosuje się odpowiednie technologie przeróbki ropy naftowej. Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowo - olejowych, paliwowych oraz w rafineriach wytwarzających produkty specjalne. Technologia przeróbki ropy naftowej w rafineriach paliwowo - olejowych opiera się na zachowawczej metodzie przeróbki ropy polegającej na rozdziale ropy naftowej na frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników. Rozdział ten uzyskuje się poddając ropę naftową destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym - dla frakcji wrzących do temperatury 300 - 350 ºC i pod ciśnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naftowej) dla frakcji wrzących powyżej tej temperatury. W nowocześnie urządzony rafineriach ropy naftowej stosuje się destylację ciągłą rurowo - wieżową i od razu odbiera się dość zróżnicowane produkty destylacji.

Podczas destylacji frakcyjnej z surowej ropy naftowej otrzymuje się następujące produkty:

Eter naftowy, zbierany do temperatury 70 ºC, o gęstości poniżej 0,7 g/ml, składa się głównie z najlżejszych węglowodorów zawierających nie więcej niż sześć atomów węgla w cząsteczce. Zastosowanie: jako benzyna apteczna albo rozpuszczalnik do ekstrakcji.

Benzyna lekka, zbierana od 60 do 100 ºC i o gęstości 0,7 - 0,75 g/ml, stosowana głównie jako benzyna lotnicza.

Benzyna ciężka, wrząca w granicach 100 - 150 ºC o gęstości 0,75 g/ml, używana jako benzyna samochodowa.

Ligroina, zwana inaczej benzyną lakową, wrze w granicach 100 - 180 ºC.

Podane powyżej granice temperatur wrzenia poszczególnych frakcji oraz ich gęstość nie charakteryzują dokładnie danego rodzaju benzyny. Zależnie od pochodzenia ropy i od przeznaczenia destylatu granice te mogą się wahać.

Nafta jest produktem destylacji ropy odbieranym w granicach temperatur wrzenia 215 - 325 ºC. Surową naftę otrzymaną z pierwszej destylacji i zawierającą sporo smolistych zanieczyszczeń poddaje się następnie rafinacji chemicznej. Oczyszczona nafta powinna być trudno zapalna, a więc nie może zawierać lotnych składników, charakterystycznych dla benzyny. Temperatura zapłonu nafty, zgodnie z przepisami, wynosi 39 ºC. A zatem nafta nie powinna zapalać się w zetknięciu ze stosunkowo zimnym płomieniem zapałki.

Oleje naftowe. Pozostałość po destylacji ropy naftowej pod zwykłym ciśnieniem, wrzącą powyżej 325 ºC, poddaje się następnie destylacji próżniowej (pod zmniejszonym ciśnieniem), otrzymując rozmaite produkty przemysłowe, a przede wszystkim różne oleje naftowe. Należą do nich oleje smarowe, oleje silnikowe (używane do silników Diesla), oleje gazowe (przerabiane za pomocą pirolizy na mieszaninę gazów, używaną do oświetlania) oraz olej parafinowy, z którego przez wymrażanie wykrystalizowuje się parafinę służącą do wyrobu świec. Z niskogatunkowych rop, nie nadających się do wytwarzania wyżej wymienionych olejów naftowych, otrzymuje się oleje opałowe (mazut) stosowane na statkach lub w przemyśle.

Parafina stała topi się w temperaturze 15 - 60 ºC. Jest prawie bezbarwnym przezroczystym lub półprzezroczystym ciałem krystalicznym. Składnikami parafiny są węglowodory o zawartości węgla C19 - C39. Parafina służy do wyrobu świec oraz jako materiał izolacyjny w elektrotechnice.

Wazelina jest również produktem destylacji niektórych gatunków ropy naftowej i stanowi pozostałość po oddestylowaniu lżejszych składników. Wazelin surowa jest żółtoczerwoną lub ciemnozieloną półstała masą, używaną jako smar, nie ulegający zmianom na powietrzu ( w odróżnieniu od tłuszczów). Przez rafinację chemiczną za pomocą stężonego kwasu siarkowego, który następnie usuwa się za pomocą wody, otrzymuje się bezbarwną wazelinę farmaceutyczną, służącą do wyrobu maści.

Smoła ropna (inaczej asfalt naftowy) jest ostateczną pozostałością po przeróbce ropy naftowej, stosuje się ją np. po pokrywania nawierzchni dróg.

Ze względu na stale rosnące zapotrzebowanie na benzynę można ją również otrzymywać bądź to z małowartościowych olejów ciężkich, bądź też z ropy naftowej, poddając te surowce procesowi krakowania (kraking), czyli rozszczepianiu węglowodorów o długim łańcuchu węglowodorowym na węglowodory o krótszych łańcuchach (crack - znaczy po angielsku - pękanie, rozszczepianie).Krakowanie nazywa się również destylacją rozkładową. W zależności od warunków prowadzenia procesu rozróżnia się krakowanie termiczne oraz krakowanie katalityczne.