NAturalne źródła energii i węglowodorów

Głównym źródłem węglowodorów jest ropa naftowa, gaz ziemny, czy węgiel kamienny.
Są to kopaliny, które postały ze szczątków roślin i zwierząt, choć istnieje tez teoria na temat nieorganicznego pochodzenia tych źródeł
energii: http://pl.wikipedia.org/wiki/Teoria_nieorganiczna_powstawania_ropy_naftowej .
Ropa naftowa, zwana olejem skalnym jest lepką cieczą o gęstości mniejszej od gęstości
wody i charakterystycznym zapachu. Podstawowy skład chemiczny ropy naftowej to:
80-88% węgla, 11-14,5% wodoru, 0,01-6% siarki (rzadko do 8%), 0,005-0,7% tlenu (rzadko
do 1,2%), 0,001-1,8% azotu. Oprócz tych pierwiastków w ropie naftowej moŜna znaleźć
około 50 pierwiastków chemicznych, w tym: wanad, nikiel, chlor.
Nieprzetworzona ropa naftowa nie jest dobrym paliwem (podczas spalania silnie kopci),
dlatego ropę naftową rozdziela się na uŜyteczne składniki w rafineriach.
NajwaŜniejszym procesem prowadzonym w rafineriach jest tzw. Destylacja frakcjonowana,
która odbywa się w wieŜach destylacyjnych.
Ropę podgrzewa się, w wyniku czego poszczególne składniki parują w kolejności zaleŜnej
od ich temperatur wrzenia – składniki o najniŜszej temperaturze wrzenia (najlŜejsze frakcje – gazy rafineryjne) wędrują na sama górę
kolumny destylacyjnej, im wyŜsza temp. wrzenia danej frakcji, tym niŜej wędrują jej opary (są cięŜsze), więc są zbierane na półkach
niŜej połoŜonych, gdzie panuje wyŜsza temperatura (bliŜej palników). Kolejność zbierania frakcji jest podana na schemacie –
rys. poniŜej {OE Pazdro, Chemia, podręcznik do kształcenia podstawowego w liceach i technikach}
Uproszczony schemat instalacji do destylacji ropy naftowej metodą rurowo-wieŜową:
1.
piec rurowy
2.
kolumna destylacyjna
3.
chłodnice produktów destylacji (czynnikiem chłodzącym jest ropa, która równocześnie się wstępnie ogrzewa)
4.
chłodnica wodna
5.
oddzielacz gazu
Tabela obok przedstawia ilości poszczególnych frakcji otrzymane ze 100 litrów ropy naftowej.
Jak widać, w procesie destylacji ropy naftowej
otrzymuje się stosunkowo mało benzyny, dlatego na
skalę przemysłową prowadzi się proces rozszczepiania
długich łańcuchów węglowodorowych na mniejsze
fragmenty – łańcuchy o długości charakterystycznej
dla składników benzyny. WyŜsze frakcje destylacji
ropy naftowej poddaje się zatem krakingowi (crack –
rozszczepiać).
Proces
ten
prowadzi
przemysł
petrochemiczny, a produktem jest tzw. benzyna
syntetyczna.
Dla węglowodorów o prostych, nierozgałęzionych
łańcuchach
charakterystyczne
jest
spalanie
detonacyjne. Węglowodory o ośmiu atomach węgla i łańcuchach rozgałęzionych (izooktan) to znacznie lepsze paliwo. Izooktan został
uznany za wzorzec jakości paliw, których zdolność do bezstukowego spalania określa się liczbą oktanową. Czysty izooktan ma
LO=100. Benzyny spotykane na stacjach benzynowych maja LO=95, 98 itp. Nie są więc idealnymi paliwami.
Jedną z metod zapobiegania detonacyjnemu spalaniu paliw jest dodawanie do nich tzw. antydetonatorów (np. tetraetyloołów).
Ze względu na zawartość trujących związków ołowiu w spalinach popularną niegdyś etylinę zaczęto zastępować tzw. benzyną
zieloną, która zawierała eter tert-butylowo-metylowy (MTEB), pełniący funkcję antydetonatora.
W celu uzyskania wysokooktanowego paliwa bezołowiowego opracowano proces zwany reformingiem, polegający na rozkładaniu
łańcuchów węglowych na fragmenty, które się łączą, tworząc rozgałęzione cząsteczki (izomeryzacja), pierścienie (cyklizacja).
Podczas reformingu powstają równieŜ wiązki aromatyczne (aromatyzacja). W ten sposób otrzymuje się stosowane obecnie benzyny
o liczbach oktanowych 98 i 95. Wchodzące w skład tych paliw węglowodory pierścieniowe są bardzo szkodliwe i dlatego samochody
wyposaŜa się w katalizatory, które powodują całkowite spalanie tych węglowodorów.
Bardziej ekologicznymi paliwami samochodowymi są gazy: metan, propan-butan. Nie zawierają szkodliwych dodatków i przy
wyregulowanym dopływie tlenu spalają się całkowicie.
Gaz ziemny jest surowcem opałowym, którego głównym składnikiem (do 97%) jest metan, – jest on końcowym produktem
beztlenowego (anaerobowego) rozkładu roślin. Metan jest takŜe składnikiem gazu błotnego wydzielanego z bagien, stanowi duŜe
zagroŜenie w kopalniach węgla – z powietrzem tworzy mieszaninę wybuchową. W skład gazu ziemnego, oprócz metanu, wchodzą:
etan, propan i pary wyŜszych alkanów, niewielkie ilości azotu, siarkowodoru, dwutlenku węgla, pary wodnej i helu. Gaz ziemny jest
paliwem powszechnie stosowanym – kuchenki gazowe, piece centralnego ogrzewania itp. Przy ograniczonym dostępie tlenu spalanie
moŜe przebiegać nie do dwutlenku węgla, lecz do czadu, który nieodwracalnie wiąŜe się z hemoglobiną krwi, blokując transport
tlenu, co w konsekwencji prowadzi do zatrucia organizmu, a nawet śmierci. Dlatego naleŜy systematycznie sprawdzać stan wentylacji
w pomieszczeniach, gdzie spalamy gaz ziemny czy inne paliwa zawierające związki węgla, bardzo ostroŜnie w zimie dogrzewać
mieszkania.
Przeróbka przemysłowa gazu ziemnego ma na celu głównie otrzymanie czystego metanu poprzez usunięcie pyłów, skroplenie par
cięŜszych węglowodorów oraz pozbawienie go gazowych związków nieorganicznych.
Powszechnie uŜywanym paliwem jest takŜe mieszanina propanu i butanu, nazywana gazem płynnym LPG. Uzyskiwany jest jako
produkt uboczny przy rafinacji ropy naftowej, niewielkie jego ilości otrzymuje się takŜe ze złóŜ gazu ziemnego. Stosuje się go
w gospodarstwach domowych – paliwo w butlach gazowych; jako paliwo silnikowe – liczba oktanowa LPG wynosi 90-120.
WaŜnym surowcem jest równieŜ węgiel kamienny. Przeróbka węgla (odgazowanie, pirogenizacja, piroliza lub sucha destylacja
węgla), polegająca na jego ogrzewaniu (do ok. 1000 oC) bez dostępu powietrza, jest prowadzona na wielką skalę w zakładach
koksowniczych. Otrzymuje się produkty:
1.
gazowy – gaz koksowniczy, składający się głównie z CO, wodoru i metanu; zawiera takŜe niewielkie ilości węglowodorów
cięŜszych, CO2, N2,
2.
ciekłe – smoła i woda pogazowa; smoła pogazowa jest źródłem węglowodorów aromatycznych i ich pochodnych (głównie
naftalenu); poddaje się ją destylacji frakcyjnej otrzymując:
olej lekki zawierający benzen, toluen, ksyleny,
olej średni – mieszaninę związków aromatycznych, głównie naftalenu (40%), fenolu i jego pochodnych,
olej cięŜki – zawierający głównie naftalen i fenole,
olej antracenowy, którego głównym składnikiem jest antracen,
pak – pozostałość po destylacji – bezpostaciowa masa, mieszanina stałych związków organicznych
Otrzymane frakcje rozdziela się na poszczególne związki stosując procesy chemiczne lub fizyczne, np. destylacja, rektyfikacja,
krystalizacja
3.
stały – koks zawierający ponad 90% czystego pierwiastkowego węgla; stosuje się go jako wysokiej jakości paliwo (posiada
większą kaloryczność niŜ węgla kopalne), opał dla wielkich pieców w hutach