Węglowodory
Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru. Wzór ogólny węglowodorów to CxHy.
Węglowodory są podstawowym składnikiem ropy naftowej, która stanowi ich podstawowe źródło w przemyśle. Innym źródłem węglowodorów są procesy tzw. suchej destylacji drewna i zgazowywania węgla. Oprócz tego węglowodory o złożonej budowie pełnią rozmaite role w organizmach żywych (np. karotenoidy). Ogólnie dzieli się je na węglowodory acykliczne - łańcuchowe, zwane też alifatycznymi, i węglowodory cykliczne, wśród których rozróżnia się węglowodory alicykliczne i węglowodory aromatyczne, zwane arenami.
Podstawowymi źródłami węglowodorów są surowce naturalne: gaz ziemny i ropa naftowa, paliwo, surowce chemiczne, oraz chociaż w znacznie mniejszym stopniu, węgiel kamienny.
Ropa naftowa
Ropa naftowa (olej skalny, czarne złoto) - ciekła kopalina, złożona z mieszaniny naturalnych węglowodorów gazowych, ciekłych i stałych (bituminów), z niewielkimi domieszkami azotu, tlenu, siarki i zanieczyszczeń. Posiada podstawowe znaczenie dla gospodarki światowej jako surowiec przemysłu chemicznego, a przede wszystkim jako jeden z najważniejszych surowców energetycznych. Lepka ciecz, naturalna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny); zawiera także związki siarki, tlenu, azotu, żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali; ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna. Tlen w ropie naftowej występuje w kwasach naftenowych i tłuszczowych, żywicach, asfaltach; siarka - w postaci siarkowodoru, a także jako rozpuszczalna siarka elementarna; zależnie od zawartości siarki ropę naftową dzieli się na: nisko siarkową (o zawartości siarki do 0,5%) i wysoko siarkową (powyżej 0,5%); zawartość siarki w niektórych gatunkach ropy naftowej dochodzi do 6%. Ze względu na typ związków chemicznych przeważających w ropie naftowej rozróżnia się najczęściej ropę bezparafinową, parafinową, naftenową, aromatyczną.
Ropa naftowa jest obecnie najważniejszym surowcem energetycznym, często określanym mianem surowca strategicznego. W bilansie energetycznym świata wysunęła się na pierwsze miejsce w latach 60 - tych i pozostaje na nim do dziś, mimo rosnącej roli innych nośników energii.
Jej znaczenie jako surowca energetycznego wynika z:
- dużej kaloryczności (10 000 - 11 500 kcal/kg);
- niskich kosztów wydobycia i transportu (tankowce, rurociągi);
- rosnącego znaczenia jako paliwa dla rozwijającej się motoryzacji;
- stosunkowo taniej destylacji.
Stale rosnące zapotrzebowanie współczesnej techniki na paliwa i smary oraz surowce dla przemysłu chemicznego zmusza do ciągłego poszukiwania źródeł ropy, nawet w najbardziej o odległych niedostępnych okolicach, np. na Saharze, Ziemi Ognistej i Alasce. Polska była jednym z pierwszych krajów na świecie, w którym w połowie XIX wieku podjęto wydobywanie ropy. Eksploatowane od tego czasu do dziś złoża na Podkarpaciu są dotychczas jedynym terenem wydobycia ropy naftowej w kraju. Wydobycie to stanowi ok. 5% ogólnej ilości ropy przerabianej przez polski przemysł rafineryjno-petrochemiczny.
Główne składniki wchodzące w skład ropy naftowej:
- Związki tlenowe o małej masie cząsteczkowej zawarte w ropie to głównie związki o charakterze kwasów. Najbardziej rozpowszechnione są kwasy naftenowe - karboksylowe pochodne naftenów jednopierścieniowych i wielopierścieniowych. W surowej ropie zawartość kwasów naftenowych wynosi 0,2-2,0%. Oprócz nich, na ogół w mniejszych ilościach, występują w ropie także kwasy tłuszczowe (palmitynowy, stearynowy i in.), a w ropach bogatych w związki aromatyczne- fenole i naftole. Cześć kwasów karboksylowych znajduje się w postaci soli metali.
- Składniki kwaśne, ze względu na wyższą od odpowiednich węglowodorów temperaturę wrzenia, występują głównie w cięższych destylach - nafcie, olejach napędowych i ciężkich destylach próżniowych.
- Siarka występuje w ropie zarówno w postaci wolnej, jak i związanej chemicznie (jako H2S, siarczki, tioetery R-S-R, merkaptny, i tiofenole R-SH i in.).Z produktów przerobu ropy, najmniej siarki zawierają destylaty lekkie ?benzyny, a najwięcej oleje i ciężka pozostałość podestylacyjna (do 70% całkowitej ilości siarki zawartej w surowcu). Obecność siarki i jej związków jest szkodliwa, bo pogarsza jakość wszystkich rodzajów produktów naftowych- paliw ciekłych, parafiny, olejów smarowych i smarów. Usuwanie związków siarkowych jest jednym z podstawowych celów rafinacji produktów naftowych.
- Związki azotowe występują również w ropach wszelkich typów. Na ogół ich zawartość jest proporcjonalna do zawartości siarki. Typowymi związkami azotowymi w ropie są pirydyna i chinolina oraz ich pochodne.
- Żywice i asfalteny są to związki o złożonej budowie i dużej masie cząsteczkowej, zawierające tlen i siarkę. Żywice występują w ropie w stanie rozpuszczonym, asfalteny w postaci zawiesin. Zawartość żywic i asfaltenów waha się w zależności od gatunku ropy w granicach 4-5% lub 10-20%. W surowych produktach naftowych najwięcej żywic i asfaltenów gromadzi się w ciężkich destylach -olejach napędowych, destylach próżniowych oraz w pozostałości.
Wydobycie ropy naftowej:
Ropa naftowa powstała z substancji organicznej. Ropę naftową wydobywa się wiercąc w ziemi otwory, tzw. odwierty, na głębokość 1 km i więcej. Miejsca prawdopodobnego zalegania złóż ropy naftowej wyszukiwane są przez geologów. Początkowo poszukiwania i wiercenia prowadzono wyłącznie na lądach. Okazało się jednak, że część światowych zasobów ropy zalega w obszarach szelfów mórz i oceanów. Ropa naftowa nie nadaje się do bezpośredniego zastosowania technicznego jako paliwo. Po wydobyciu z otworu wiertniczego jest ona oczyszczana z zanieczyszczeń mechanicznych , a następnie oddziela się od niej wartościowe i łatwo wrzące składniki: propan, butan i benzyny. kalor. 10000-11500 kcla/kg. ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny); zawiera także organizmy związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali; ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, Ropę naftową i asfalt znano już kilka tys. lat temu, w starożytności ropę wykorzystywano m.in. do balsamowania ciał, oświetlania, w celach leczniczych oraz w technice wojennej. Złoża ropy naftowej występują w utworach od kambru do trzeciorzędu,; złoża: Rosja i kraje WNP - środkowa część Niziny Zachodniosyberyjskiej. Zagłębie Wołżańsko-Uralskie, północny Kaukaz, rejon Morza Kaspijskiego, Kotlina Fergańska, Sachalin;
rejon Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego - obszary
rejon Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego - obszary
Stanów Zjednoczonych leżące nad Zatoką Meksykańską, prowincja Chiapas w Meksyku, Półwysep Jukatan, basen Jeziora Maracaibo w Wenezueli, delta rzeki Orinoko; północna Afryka - Libia, Algieria, Tunezja, Egipt; basen Zatoki Gwinejskiej - niziny nadmorskie i szelf zatoki w Nigerii, Gabonie, Kongo Demokratycznym, Kamerunie, Angoli; Alaska - rejon Przyl. Barrow; Morze Północne; wschodnia i południowo-wschodnia Azja - Mandżuria, szelf Morza Żółtego i Wschodnio chińskiego, Borneo, Sumatra, Jawa.
Zastosowanie Ropy naftowej
Ropa naftowa znajduje szerokie zastosowanie. Jest czystsza i wydajniejsza niż węgiel, a w porównaniu z gazem - łatwiejsza do transportowania. Czasem, podobnie jak węgiel nazywana jest czarnym złotem. Wytwarza się z niej połowę energii wykorzystywanej na świecie. Jako surowca energetycznego wytwarza się ropę w transporcie, przemyśle i innych działach gospodarki.
Ropa naftowa wykorzystywana jest do produkcji wielu artykułów. Bezpośrednio z ropy naftowej powstaje:
asfalt, oleje napędowe, oleje i smary, nafta, różnego rodzaju benzyny. Ropę naftową używa się do produkcji olejów silnikowych i smarów, gdyż bez nich niemożliwe by było funkcjonowanie maszyn. Służy również do produkcji całej gamy produktów, Np. kosmetyków, leków, barwników, materiałów wybuchowych, nawozów sztucznych, włókien sztucznych (nylon), atramentu, środków owadobójczych, plastiku, syntetycznego kauczuku (opony)
Gaz ziemny
Paliwo kopalne pochodzenia organicznego, gaz zbierający się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających przestrzenie, niekiedy pod wysokim ciśnieniem. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie lub towarzyszą złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego.
Zawartość składników jest zmienna i zależy od miejsca wydobycia, jednak głównym składnikiem stanowiącym ponad 90% gazu ziemnego jest zawsze metan. Oprócz niego mogą występować niewielkie ilości etanu, propanu, butanu i innych związków organicznych i mineralnych.
Podział gazu ziemnego
Ze względu na zawartość składników węglowodorowych:
- suchy (mało propanu i wyższych węglowodorów)
- mokry (propan i wyższe węglowodory w ilościach od 5-10%)
Ze względu na zawartość azotu:
- gazy bez azotowe (zawartość azotu poniżej 1-3%)
- gazy nisko azotowe (zawartość azotu w granicach 3-10%)
- gazy zaazotowane (zawartość azotu powyżej 10%)
Ze względu na zawartość siarkowodoru (siarki):
- gazy mało siarkowe (zawartość siarkowodoru poniżej 0,3%)
- gazy siarkowe (zawartość siarkowodoru w granicach 0,3-3%)
- gazy wysoko siarkowe (zawartość siarkowodoru powyżej 10%)
W Polsce złoża gazu ziemnego występują przede wszystkim na Niżu Polskim: w regionie wielkopolskim i na Pomorzu Zachodnim oraz na przedgórzu Karpat, a ponadto niewielkie zasoby gazu występują również w małych złożach obszaru Karpat oraz w polskiej strefie ekonomicznej Bałtyku (Mapa złóż ropy naftowej i gazu ziemnego). Około trzy czwarte zasobów gazu znajduje się w utworach miocenu i czerwonego spągowca, pozostałe zaś m.in. w osadach kambru, dewonu, karbonu, cechsztynu, jury i kredy.
Na Niżu Polskim złoża gazu ziemnego występują w regionie przedsudeckim i wielkopolskim w utworach permu, a na Pomorzu Zachodnim w utworach karbonu i permu. Gaz występuje w złożach typu masywowego i blokowego o wodno- lub gazowo-naporowych warunkach eksploatacji. Do ważniejszych złóż tego regionu zaliczyć trzeba: BMB, Bogdaj-Uciechów, Brońsko, Kościan S, Paproć, Radlin, Załęcze i Żuchlów. Na Niżu Polskim jedynie 4 złoża zawierają gaz wysokomentanowy, w pozostałych złożach dominuje gaz ziemny zaazotowany zawierający od 30 do ponad 80 % metanu. Jest to zatem często mieszanina metanowo-azotowa albo azotowo-metanowa. W 15 złożach dotychczas niezagospodarowanych, najczęściej rozpoznanych wstępnie, stwierdzono występowanie mieszaniny azotowo metanowej o zawartości poniżej 30 % metanu.
Złoża, w których gaz ziemny zawiera ponad 90 % azotu, określany nazwą ?azotowy gaz ziemny- zostały omówione odrębnie.
Na przedgórzu Karpat występuje największe polskie złoże gazu ziemnego "Przemyśl", które jest eksploatowane od lat 1970. i dotychczas utrzymuje się na pierwszym miejscu pod względem wielkości wydobycia. W tym regionie złoża gazu ziemnego występują w utworach jurajskich, kredowych i mioceńskich. Jest to najczęściej gaz wysokometanowy, niskoazotowy, a jedynie w 4 złożach występuje gaz zaazotowany. Złoża należą do strukturalno-litologicznych, wielowarstwowych, rzadziej masywowych, produkujących w warunkach gazowo-naporowych.
W Karpatach gaz ziemny występuje w małych złożach w utworach kredowych i trzeciorzędowych, zarówno w złożach samodzielnych, jak i towarzysząc złożom ropy naftowej lub kondensatów. Wydobycie gazu ze złóż karpackich przebiega w warunkach gazowo-naporowych. Gaz jest wysokometanowy (przeważnie zawiera powyżej 85 % metanu), niskoazotowy (średnio jego zawartość wynosi kilka procent).
W Polskiej strefie ekonomicznej Bałtyku gaz ziemny towarzyszy ropie naftowej w złożu B 3.
W 2007 r. w złożach niżowych występowało 66 % udokumentowanych zasobów gazu ziemnego, zasoby przedgórza Karpat stanowiły 29,5 % zasobów krajowych, zasoby polskiej ekonomicznej strefy morskiej Bałtyku - 3,2 % a zasoby Karpat - tylko około 0,9 %.
Wykorzystanie gazu ziemnego
Gaz ziemny występujący ze złożami ropy naftowej lub niezależnie od nich, ma formę suchą lub mokrą (odgazolinowuje się go). Jest źródłem alkanów, helu, azotu, CO2
Gaz syntezowy - gaz do syntez chemicznych, stanowiący mieszaninę głównie CO i H2 w różnych stosunkach. Otrzymywany głównie przez zagazowanie węgla (gaz wodny), z gazu ziemnego, oraz na bazie węglowodorów ciekłych.
Alternatywnie z biomasy. Główna zaleta: możliwy do otrzymania z każdej substancji zawierającej węgiel i łatwy do transportu. Dzięki wykorzystaniu do produkcji sy-gazu gazu ziemnego, gaz ziemny staje się konkurencyjnym źródłem surowców dla przemysłu organicznego. U podstaw tworzenia gazu syntezowego z gazu ziemnego leżą reakcje:
-CH2- - O2 - CO H2
-CH2- H2O - CO 2H2
W wariancie pierwszym stosuje się reaktory rurowe i kontaktowe katalizatory Ni - K2O - należy więc odsiarczyć substrat, by zapobiec zatruciu katalizatora. Po reakcji właściwej w T = 1200 dopala się pozostały metan (niepożądany w sy-gazie).
Drugi proces - proces Stella - substratami mogą być wszystkie węglowodory. Część z nich jest spalana w tlenie, a reszta ulega konwersji z parą wodną obecną w produkcie spalania.
Palnik na gaz ziemny
Węgiel kamienny
Węgiel kamienny, jeden z węgli kopalnych zawierający 78-92% pierwiastka węgla (do węgla kamiennego zalicza się też antracyt zawierający do 97% węgla). Barwa czarna. Zwarty, kruchy. Przy spalaniu daje długi, błyszczący płomień.
Węgiel kamienny należy do węgli humusowych, niejednorodnych w swej strukturze, stanowiących mieszaninę kilku odmian petrograficznych (różniących się twardością i połyskiem), tworzących pojedyncze pasma.
Należą do nich:
1) fuzyn - węgiel włóknisty,
2) duryn - węgiel matowy,
3) klaryn - węgiel półbłyszczący,
4) witryn - węgiel błyszczący.
Węgle kopalne dzieli się na 3 grupy, w zależności od rodzaju materii roślinnej, z której powstały:
- węgle humusowe (humolity), utworzone ze szczątków flory lądowej, są one najbardziej rozpowszechnione i najważniejsze pod względem gospodarczym,
- węgle sapropelowe (sapropelity), utworzone ze szczątków flory wodnej, występują w znacznie mniejszej ilości niż węgle humusowe, zazwyczaj jako cienkie ławice lub soczewki w ich obrębie,
- węgle liptobiolitowe (liptobiolity), powstają z nagromadzenia żywiczno - woskowych składników roślin.
Elementarny składnik węgla kopalnego to macerał. Powstaje on w wyniku uwęglenia materiału roślinnego. Przykłady macerału to: kutynit, sporynit, telenit, witryn. Rodzaj macerału ma istotny wpływ na własności węgla.
Ze względu na zastosowanie rozróżnia się kilka typów technologicznych węgla kamiennego, określanych poprzez takie właściwości jak: spiekalność, zawartość składników lotnych, ciśnienie rozprężania i ciepło spalania.
Węgiel kamienny jest na świecie szeroko rozpowszechniony. Występuje głównie w utworach paleozoicznych (karbon, perm) i mezozoicznych.
Największe złoża: Rosja (Zagłębia: Peczorskie, Kuźnieckie, Tunguskie, Leńskie), Ukraina (Zagłębie Donieckie), Wielka Brytania (Zagłębia: Yorkshire, Durham, Derbyshire), Niemcy (Zagłębia Ruhry i Saary), USA, Kanada, Chiny, Australia, Indie i RPA. Wydobywany jest obecnie w 58 krajach.
W Polsce najbardziej zasobne złoża występują w utworach karbonu na Górnym Śląsku (Górnośląskie Zagłębie Węglowe) i Lubelszczyźnie (Lubelskie Zagłębie Węglowe), a także na Dolnym Śląsku (okolice Wałbrzycha i Nowej Rudy).
Stosowany przede wszystkim jako opał. Stanowi także surowiec wykorzystywany w procesach chemicznych: wytlewania, uwodorniania i zgazowania węgla, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju paliwa oraz produkty dla innych dziedzin przemysłu chemicznego (m.in. koks, gazy opałowe, paliwa silnikowe, benzol, smołę węglową i inne).
Przetwarzanie węgla
Przy odgazowaniu 1000kg (1 tona) węgla otrzymuje się:
- Gaz koksowniczy 330m- (20%) o przeciętnym składzie: 50% H2, 34% CH4, 8% CO, 4% olefin, 4% N2, 1% CO2
- Koks 650 kg (65%)
- Smoła węglowa 42 kg (5%)
- Woda pogazowa (ok. 10%) (NH3 H2SO4 --> (NH4)2SO4 - zawierająca amoniak powstały z rozkładu związków azotowych. Wykorzystywana jest do produkcji soli amonowych stosowanych jako nawozy sztuczne.
Bagna
Obszar o utrzymującym się nadmiernym nawilgoceniu, porośnięty przez roślinność przystosowaną do specyficznych warunków związanych z dużym nawilgoceniem. Bagna bardzo często tworzą się w zagłębieniach terenu we wszystkich strefach klimatycznych świata. Największe przestrzenie zajmują jednak na obszarach pokrytych wieczną zmarzliną (Syberia, północna Kanada) i w strefie równikowej. Poza tym tworzą się w dolinach i deltach dużych rzek, na pojezierzach, na płaskich obszarach bezodpływowych, w nieckach krasowych, w odciętych zatokach morskich i nad brzegami mórz i oceanów. W bagnach w wyniku procesów utleniania związków organicznych tworzy się torf.
Nauka zajmująca się badaniem genezy i funkcjonowania bagien to paludologia.
Czasami bagno traktowane jest jako synonim torfowiska.
Typy bagien
Ze względu na sposób zasilania obszaru zabagnionego wodą słodką wyróżniamy:
- bagna ombrogeniczne (torfowisko ombrogeniczne) - zasilane prawie wyłącznie wodą opadową i występują w strefach młodoglacjalnych (sandrowych i morenowych), na obszarach krasowych i wydmowych oraz na obszarach zatorfionych dolin.
- bagna topogeniczne (torfowisko topogeniczne) - zasilane wodami podziemnymi, występują na obszarach bezodpływowych lub wysoczyznach morenowych odwadnianych słabo.
- bagna soligeniczne (torfowisko soligeniczne) - występują w miejscach wypływu podziemnych wód, zazwyczaj u podnóży stoków i krawędzi doliny.
- bagna fluwiogeniczne (mokradło fluwiogeniczne) - towarzyszą ciekom i są zasilane ich wodami wezbraniowymi, również spływem wód powierzchniowych ze stoków. Zasilane są wodami gruntowymi przy niskich stanach wody w rzece.
Ze względu na stopień uwodnienia, tereny podmokłe dzieli się na:
- trzęsawiska - tereny stale nasycone wodą z "kępową" roślinnością lub "kożuchem" - płem - zarastającym jezioro
- mokradła stałe - woda w nich znajduje się przez cały rok blisko powierzchni gruntu, nie głębiej niż 50 cm
- mokradła okresowe - poziom wody obniża się w suchych porach roku na głębokość większą niż 50 cm (np. zalewane łąki w dolinach rzecznych).
Spis treści
1. Węglowodory
2. Naturalne źródła węglowodorów
a) Ropa naftowa
b) Gaz ziemny
c) Węgiel kamienny
d) Bagna
3. Źródła
