Ropa naftowa – przetwórstwo

Niektórzy naukowcy są zdania, iż ropa jest pochodzenia nieorganicznego i powstała w wyniku przemian w jądrze Ziemi. Jednak znaczna większość zakłada inną, bardziej prawdopodobną hipotezę: Procesy, które doprowadziły do powstania paliw kopalnych zachodziły miliony lat temu. Większość złóż północnej i środkowej części Morza Północnego powstała z glonów i bakterii, które zostały pogrzebane pod mułem i iłem na dnie morza w okresie jurajskim (144-213 mln lat temu). Przykryta warstwą mułu materia organiczna (w przeważającej mierze tłuszcze i białka oraz pozostałości bakterii biorących udział w procesie przemian materii organicznej) stopniowo rozkładała się i zamieniała w ropę naftową pod wpływem wysokiej temperatury i tego samego, ogromnego ciśnienia, które zamieniało ił i muł w litą skałę. Ropa naftowa i gaz ziemny występują prawie wyłącznie w skałach osadowych, głównie piaskowcach, których porowatości i szczeliny mogą być nasycone ropą i gazem, czyli mogą stać się kolektorem węglowodorów. Aby mogło powstać złoże ropy naftowej lub gazu ziemnego, musi istnieć warstwa skał nieprzepuszczalnych przykrywającą skałę przepuszczalną. Dzięki temu ropa może gromadzić się w strukturze zwanej pułapką.

Ropę naftową obrabia się w dwojaki sposób: poprzez destylację frakcyjną lub kraking. Kraking polega na rozrywaniu długich łańcuchów węglowodorowych na łańcuchy krótsze, mniej skomplikowane w drodze rozkładu termicznego lub katalitycznego. Kraking ma bardzo duże znaczenie w przemyśle rafineryjnym i petrochemicznym. Otrzymane w procesie krakingu benzyny odznaczają się wysoką liczbą oktanową, a otrzymane gazy zawierają dużo węglowodorów nienasyconych, które są ważnym surowcem w syntezie chemicznej. Kraking termiczny przeprowadzany jest w temperaturze 400 – 700°C pod ciśnieniem do 50 at. (5 MPa). Destylacja frakcyjna wykorzystuje fakt, że wrząca mieszanina ciekła wysyła parę o innym składzie niż skład mieszaniny ciekłej. Skraplając pary wydzielające się z wrzącej cieczy otrzymuje się szereg frakcji destylatu o innym składzie niż skład cieczy destylowanej. W celu uzyskania większej czystości (lepszego oddzielenia) destylatu stosuje się proces wielokrotnej destylacji - rektyfikację. Pozwala to na uzyskanie frakcji różniący się temperaturą wrzenia o 1 – 2°C. W przypadku ropy naftowej temperatury wydzielania odpowiednich frakcji wynoszą: <110°C dla gazów opałowych, 110°C dla benzyny i paliw silnikowych, 180°C dla nafty, 260°C dla olejów opałowych i >340°C dla bitumów (smoła, asfalt, masy bitumiczne). Wydajność destylacji we współczesnych rafineriach wynosi 100 000 baryłek (16 000 000 litrów) destylatu w ciągu doby. Produkty obróbki ropy naftowej wykorzystuje się jako surowce energetyczne (gazy opałowe, benzyna, olej napędowy), w przemyśle chemicznym, jako smary, do budowy dróg, nawierzchni bitumicznych itp.

Do najważniejszych produktów przeróbki ropy naftowej należą:
1) Paliwa - gaz płynny, benzyna samochodowa i lotnicza, nafta, olej napędowy, oleje opałowe;
2) Oleje smarowe;
3) Gaz parafinowy, z którego otrzymuje się parafinę;
4) Asfalty i koks naftowy;
5) Smary stałe.

W zależności od rodzaju ropy naftowej oraz produktów, jakie mają być z niej otrzymywane, stosuje się odpowiednie technologie przeróbki ropy naftowej. Ropę naftową poddaje się przeróbce w rafineriach paliwowych, paliwowo-olejowych oraz w rafineriach petrochemicznych (rafineria ropy naftowej). W rafineriach paliwowo-olejowych stosuje się tzw. zachowawczą metodę przeróbki ropy, polegającą na rozdziale ropy naftowej na frakcje, bez chemicznej zmiany jej składników; z ropy naftowej, poddanej destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym, otrzymuje się frakcje wrzące do temp. 300–350°C, a pod ciśnieniem zmniejszonym (w celu uniknięcia rozkładu składników ropy naftowej) - frakcje wrzące powyżej tej temperatury. Destylację prowadzi się w instalacjach tzw. rurowo-wieżowych (głównymi aparatami są piece rurowe i kolumny destylacyjne, zw. wieżami - stąd nazwa, oraz wymienniki ciepła, chłodnice, pompy). Odwodnioną ropę naftową poddaje się stabilizacji (oddzielenie najlżejszych, gazowych węglowodorów), ogrzewa w piecu (do temperatury 350°C) i wprowadza do kolumny destylacyjnej atmosf., w której następuje jej rozdzielenie na: benzynę, naftę, olej napędowy (odprowadzane po ochłodzeniu do zbiorników magazynowych) oraz mazut; mazut - po ogrzaniu - wprowadza się do kolumny destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron. W celu uzyskania produktów handlowych otrzymane frakcje poddaje się procesom uszlachetniającym, np. benzynę — odsiarczaniu, reformingowi; frakcje olejowe — rafinacji (np. od parafinowaniu, odasfaltowaniu). W rafineriach paliwowych i petrochemicznych niektóre frakcje otrzymane w wyniku destylacji ropy poddaje się tzw. procesom destruktywnym. W rafineriach paliwowych prowadzi się głównie katalityczny kraking destylatów próżniowych (średnich i ciężkich) oraz koksowanie mazutu; uzyskuje się w ten sposób duże ilości wysokooktanowych benzyn silnikowych i oleju napędowego. W rafineriach nastawionych na uzyskiwanie surowców do syntez org. (etenu, propenu, butadienu, benzenu, toluenu) podstawowym procesem destruktywnym jest piroliza lekkich frakcji naftowych, prowadzi się też kraking katalityczny cięższych frakcji uzyskanych w wyniku destylacji atmosferycznej.

Podczas destylacji frakcyjnej z surowej ropy naftowej otrzymuje się następujące produkty:
1) Eter naftowy, zbierany do temperatury 70ºC, 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.
2) Benzyna lekka, zbierana od 60 do 100ºC i o gęstości 0,7 - 0,75 g/ml, stosowana głównie jako benzyna lotnicza.
3) Benzyna ciężka, wrząca w granicach 100 - 150ºC o gęstości 0,75 g/ml, używana jako benzyna samochodowa.
4) Ligroina, zwana inaczej benzyną lakową, wrze w granicach 100 - 180ºC.
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 - 325ºC. 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 39ºC. 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 325ºC, 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 - 60ºC. 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 żółto-czerwoną 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.