Geneza ropy naftowej nie została dotąd całkowicie wyjaśniona. Istnieją dwie grupy teori dotyczących pochodzenia ropy naftowej. Teorie o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej (twórcy to D. I. Mendelejew A. D. Ross H. Moissan N. A. Kudriawcew P. N. Kropotkin) zakładają, że ropa naftowa powstaje w wyniku rozmaitych reakcji chemicznych zachodzących w głębi Ziemi; np. w skutek działania wody na węgliki metali ciężkich, w wyniku polimeryzacji gazów wydzielających się z jądra Ziemi. Teorie o nieorganicznym pochodzeniu ropy naftowej nie znalazły wielu zwolenników. Przeważająca większość badaczy przyjmuje teorie o organicznym pochodzeniu ropy naftowej (stworzone przez B. Radziszewkiego K. Englera i H. Höfera) w myśl których ropa powstaje przez przeobrażenie szczątków roślinnych i zwierzęcych nagromadzonych wraz z okruchami minerałów w osadach morskich; czynnikami powodującymi przejście substancji organicznej w bituminy są prawdopodobnie: środowisko redukujące, odpowiednia temperatura, ciśnienie, działalność bakterii, oddziaływanie pierwiastków promieniotwórczych i inne.

Ropa naftowa jest głównym źródłem węglowodorów nasyconych. Ilość węglowodorów nasyconych zawartych w różnych gatunkach ropy naftowej silnie się waha.

Ropa naftowa jest cieczą o barwie od żółtej do czarnej (zależnie od pochodzenia), o charakterystycznym zapachu, lżejsza od wody, pali się świecącym, silnie kopcącym płomieniem. Skład jej bardzo złożony - zawiera węglowodory różnych klas. Jest mieszaniną węglowodorów ciekłych, w których rozpuszczone są węglowodory gazowe stałe oraz niewielkie ilości substancji zawierających tlen, azot i siarkę oraz składniki mineralne związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali. Gęstość 0,73 - 0,99g/cm³, wartość opałowa 9000 - 11 500

Ropa naftowa ma olbrzymie znaczenie gospodarcze. Oprócz ogólnie znaczenia ropy naftowej jako źródła paliw do silników spalinowych ciągle wzrasta jej rola jako surowca dla przemysłu chemicznego. W związku z tym przedsiębiorstwa przerabiające ropę naftową dzieli się na właściwe rafinerie nafty, których głównym produktem jest paliwo silnikowe (odpady kierowane są do przeróbki chemicznej) i zakłady petrochemiczne, produkujące szeroki asortyment substancji chemicznych albo bezpośrednio z ropy naftowej albo z produktów otrzymanych w zakładach rafineryjnych.

Pierwszym procesem przeróbki ropy naftowej w rafineriach jest destylacja pod ciśnieniem atmosferycznym. Ropę naftową poddaje się rafinacji przed destylacją frakcyjną. Schemat takiej rafinerii ropy naftowej przedstawię poniżej:

Schemat rafinerii ropy naftowej: 1 - kolumna (wieża) destylacyjna, 2 - deflegmatory i chłodnice, 3 - aparat destylacyjny, 4 - urządzenie do krakowania, 5 - oczyszczalnie benzyny, 6 - oczyszczalnia nafty.

Przeróbka zwana destylacją frakcyjną polega na rozdzieleniu substancji mających różne temperatury wrzenia. Podczas destylacji ropy naftowej pod różnym ciśnieniem zazwyczaj odbiera się różne frakcje:

Zakres temperatury wrzenia °C	Nazwa frakcji		Długość łańcucha węglowego		Zastosowanie
35 - 80	eter naftowy gazolina		C4 - C7		rozpuszczalnik
40 - 215	benzyna lekka	C7 - C10		materiał pędny
70 - 215	benzyna ciężka	C9 - C12		rozpuszczalnik
175 - 280	nafta	C10 - C16		paliwo, materiał pędny do silników traktorów
250 - 350	oleje lekkie	~ C20		oleje pędne do silników Diesla
> 350	parafina wazelina asfalt pak	> C20		świece smary nawierzchnie drogowe

Każda z tych frakcji stanowi mieszaninę różnych substancji o zbliżonych temperaturach wrzenia. W celu ich dalszego rozdziału poddaje się je ponownej destylacji. Procesy destylacji frakcyjnej przeprowadza się w zakładach przemysłowych zwanych rafineriami. Węglowodory aromatyczne występują we wszystkich frakcjach, a udział ich rośnie wraz ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji. Im wyżej wrząca frakcja tym występujące w niej węglowodory węglowodory aromatyczne zbudowane są z większej ilości pierścieni. Tlen występuje w kwasach naftenowych, tłuszczowych, fenolach, żywicach i asfaltach; azot głównie w aminach cyklicznych i acyklicznych; siarka - w postaci siarkowodoru, siarczków, merkaptanów, dwusiarczków, tiofenów, a także jako rozpuszczona siarka elementarna.

Powstałe frakcje to miedzy innymi:

• benzyna zawiera węglowodory o niskiej masie cząsteczkowej (do 10 atomów węgla w cząsteczce). Jest to substancja bardzo lotna i łatwo palna, stosowana głównie do napędów silników spalinowych oraz jako rozpuszczalnik tłuszczów, farb, lakierów itp.

• nafta jest mieszaniną węglowodorów mających od 9 do 16 atomów węgla w cząsteczce. Od momentu skonstruowania przez Polaka Ignacego Łukasiewicza pierwszej na świecie lampy naftowej. Nafta stosowana była jako podstawowy środek oświetleniowy. Obecnie używana jest jako paliwo do niektórych silników wysokoprężnych i jako surowiec do otrzymywania benzyny,

• oleje stanowiące mieszaninę wyższych węglowodorów ciekłych, stosowane są głównie jako smary. Z niektórych olejów otrzymuje się parafinę, która jest mieszaniną węglowodorów stałych, oraz wazelinę, stanowiącą mieszaninę węglowodorów stałych i ciekłych. Parafinę stosuje się m. in. do produkcji świec parafinowych i past do podłóg, natomiast wazelinę do smarowania np. części maszyn i łożysk lub w postaci oczyszczonej do celów farmaceutycznych i kosmetycznych,

• asfalt naftowy stanowi gęsta, mazistą pozostałość po odparowaniu frakcji skraplających się w niższych temperaturach. Stosuje się go do pokrywania nawierzchni dróg.

Metodą destylacji ropy naftowej uzyskuje się ok. 20% produkowanej benzyny. Zwiększenie światowego zapotrzebowania na paliwo płynne, związane z szybkim rozwojem motoryzacji, spowodowało konieczność większego wykorzystania w tym celu ropy naftowej oraz zastosowanie metod syntetycznych. W tym celu ropę naftową poddaje się tzw. krakowaniu polegającemu na rozrywaniu długich łańcuchów węglowodorów wchodzących w skład wyższych frakcji ropy naftowej na łańcuchy krótsze, właściwe cząsteczkom węglowodorów wchodzących w skład benzyny.

Krakowanie termiczne prowadzi się w temperaturze 450 - 550˚C i pod ciśnieniem 20 - 70 kG/cm². Cząsteczki węglowodorów o dużej liczbie atomów węgla rozszczepiają się przy tym na mniejsze cząsteczki węglowodorów nasyconych i nienasyconych, będące składnikami frakcji benzynowej. Ponadto podczas krakowania wydziela się duża ilość tak zwanych gazów krakowych, zawierających węglowodorów nienasyconych, które stosuje się jako surowce w przemyśle chemicznym i do syntezy wysokojakościowych składników paliw silnikowych.

Surowcem do krakowania termicznego są zarówno ciężkie frakcje i pozostałości po destylacji ropy naftowej, jak i frakcje lekkie: ligroina, nafta i. in. przez zastosowanie krakowania z ropy naftowej można otrzymać dwukrotnie więcej benzyny niż w wyniku zwykłej destylacji pod ciśnieniem np. atmosferycznym.

Krakowanie niskociśnieniowe (3 - 5 kG/cm²) i temperaturze 550 - 600˚C przeprowadza się w fazie pary. Surowcem są frakcje z destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym.

Krakowanie katalityczne prowadzi się w temperaturze 450˚C i pod ciśnieniem atmosferycznym; katalizatorem są zwykle aktywowane glinokrzemiany. Jest to najbardziej rozpowszechniony proces produkcji składników benzyn samochodowych.

Procesy pirolizy, stosowane do przeróbki najróżnorodniejszego surowca naftowego - od gazów aż do ciężkich pozostałości - prowadzi się w temperaturze 600 - 1200˚C, mają na celu otrzymanie surowca gazowego i ciekłego do syntez petrochemicznych.

Wyjątkowo duże zapotrzebowanie na benzyny, jako paliwo do silników spalinowych, jest przyczyną ciągłego poszukiwania sposobów ich otrzymywania. Wspomnieliśmy powyżej już o jednym ze sposobów - krakowaniu, podczas którego złożone węglowodory wielkocząsteczkowe, wchodzą w skład ciężkich frakcji ropy naftowej, rozszczepia się na węglowodory o małych cząsteczkach, stanowiące frakcje lekkie. W wyniku krakowania surowej ropy naftowej równocześnie z produktami gazowymi i koksem powstają destylaty ciekłe (benzyny krakowe). Benzyny krakowe pod względem swojego składu różnią się od benzyny z destylacji ropy naftowej pod ciśnieniem atmosferycznym. Zawierają one znaczne ilości węglowodorów nienasyconych (do 25%) i aromatycznych. Zawartość węglowodorów nasyconych w tych rodzajach benzyny jest mniej więcej jednakowa.

Naturalne gazy palne są obecnie bardzo szeroko stosowane jako paliwo do celów bytowych i w przemyśle. Szczególną zaletą gazów naturalnych, podobnie jak i gazów z przeróbki ropy naftowej, jest to, że są one surowcem do otrzymywania bardzo wielu nadzwyczaj cennych substancji chemicznych. Naturalne gazy palne dzielą się na dwie grupy: właściwe gazy naturalne, wydobywane z pokładów gazowych, i gazy gazolinowe, rozpuszczone w ropie naftowej i wydobywane razem z nią. My bliżej zapoznamy się z drugą grupą tych gazów.

Gazy gazolinowe wydziela się z ropy naftowej w specjalnych aparatach pod niewielkim ciśnieniem zmniejszonym lub podwyższonym. Pod względem składu chemicznego gazy gazolinowe w większości przypadków należą do tak zwanych gazów „mokrych” i zawierają dużo węglowodorów gazowych (C ₁ - C₄) od 50 do 100 g/m³ i więcej. Gazy z przeróbki ropy naftowej powstają podczas destylacji lub innych procesów przeróbki. Podczas destylacji ropy naftowej pod ciśnieniem atmosferycznym zawarte w niej węglowodory nie zmieniają się i skład gazów zależy jedynie od rodzaju (pochodzenia) ropy naftowej. Podczas innych procesów przeróbki ropy naftowej (krakowanie) zachodzą głębokie przemiany węglowodorów zawartych w wyjściowej ropie naftowej. W tym przypadku na skład powstających gazów ma wpływ nie rodzaj ropy naftowej, lecz metoda jej przeróbki. Główną różnicą w składzie chemicznym gazów z przeróbki ropy naftowej w porównaniu z gazami naturalnymi i gazolinowymi jest obecność w nich dużych ilości węglowodorów nienasyconych (12 - 50%) i wodoru.

Produkty przemysłu petrochemicznego wytwarzane z ropy naftowej są cennymi surowcami chemicznymi. Stosowane są do otrzymywania włókien syntetycznych, tworzyw sztucznych, środków piorących, lakierów, rozpuszczalników itp. W Polsce największe kombinaty petrochemiczne znajdują się w Płocku i w Gdańsku.

BIBLIOGRAFIA:

Praca zbiorowa, Encyklopedia Powszechna PWN, Warszawa 1986

Doc. Kaczyński J. dr inż. Czaplicki A., Chemia ogólna, Warszawa 1974

Żiriakow W. G., przełożył mgr. Najberg H., Chemia organiczna, Warszawa 1976

Matusewicz E. I. Matusewicz J., Chemia, Warszawa 1992

Poszczególne gatunki benzyny, różniące się składem chemicznym i właściwościami, oznacza się tzw. liczbą oktanową, która określa przydatność benzyny do poszczególnych rodzajów silników spalinowych. Im wyższa jest liczba oktanów tym paliwo jest bardziej odporne na „stukanie” (wybuchowe spalanie resztek mieszanki gazowej w cylindrze silnika wskutek samozapłonu) zmniejszające moc silnika. W celu zmniejszenia „stukania” do benzyny dodaje się tzw. środki przeciwstukowe, np. tetraetyloołów - stąd handlowa nazwa benzyny - etylina.

Metodami syntetycznymi otrzymuje się benzynę m. in. z węgla i wodoru albo z wodoru i tlenku węgla przy zastosowaniu odpowiednich warunków ciśnienia i temperatury oraz katalizatorów. Metody te są na ogół kosztowne i jak dotychczas, mają małe zastosowanie praktyczne.

4

1

Ciekła pozostałość

3

Asfalt

Pak

Ropa

4

Surowe oleje smarne i woski

Ciężkie oleje pędne do silników Diesla

2

Olej surowy

Nafta surowa

6

Nafta

2

1

Benzyna surowa

5

Benzyna

2

Lekkie frakcje

---