ŹRÓDŁA WĘGLOWODORÓW W PRZYRODZIE

Węglowodory- to związki organiczne o cząsteczkach zbudowanych wyłącznie z atomów węgla. Najogólniej dzielimy je na dwie duże grupy: węglowodory łańcuchowe (alifatyczne) - w nich atomy węgla łączą się w łańcuchy otwarte, oraz węglowodory pierścieniowe (cykliczne). Stanowią one jedną z największych grup związków organicznych. W warunkach normalnych występują jako gazy, ciecze lub ciała stałe. Źródłem węglowodorów jest przede wszystkim ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny.

1. Ropa naftowa

Inaczej nazywana jest olejem skalnym i czarnym złotem. Jest to ciekła kopalina, złożona z mieszaniny naturalnych węglowodorów gazowych, ciekłych i stałych, z niewielkimi domieszkami azotu, tlenu, siarki i zanieczyszczeń. Ma podstawowe znaczenie dla gospodarki światowej jako surowiec przemysłu chemicznego, a przede wszystkim jako jeden z najważniejszych surowców energetycznych.
Złoża ropy naftowej często łączą się ze złożami gazu ziemnego. Występują najczęściej w antyklinach, przy czym sekwencja jest następująca: u dołu występuje podścielająca złoże solanka, następnie ropa naftowa, a w szczycie antykliny gaz ziemny. Może też występować w mieszaninie z piaskiem, tworząc tzw. piaski bitumiczne.

Przerób przemysłowy ropy naftowej

Ropa naftowa powstaje w wyniku przeobrażenia szczątków organicznych nagromadzonych w skałach osadowych, głównie pochodzenia morskiego. Procesy przemian substancji organicznych w kerogen, a następnie w ropę naftową, gaz ziemny i inne bituminy, zachodzą pod ciśnieniem skał nadkładu, w podwyższonej temperaturze; niekiedy znaczną rolę w przebiegu tych procesów przypisuje się bakteriom. Ropa naftowa przemieszcza się (migruje) ze skał macierzystych (zwykle ilastych) ku górze; mechanizm tej migracji nie został dotąd w pełni wyjaśniony. Przemieszczanie się ropy naftowej możliwe jest tylko w skałach silnie porowatych lub spękanych (tzw. skały zbiornikowe lub kolektory); złoża ropy powstają w miejscach, gdzie skały te przykryte są od góry skałami nieprzepuszczalnymi
(tzw. Pułapki ropy naftowej), co uniemożliwia dalszą migrację ropy ku górze. Typowe pułapki ropy naftowej powstają w antyklinach, przy uskokach, przy słupach solnych, a także w soczewkach skał przepuszczalnych otoczonych skałami nieprzepuszczalnymi.

Surowa ropa naftowa nie ma obecnie praktycznego zastosowania. Aby otrzymać z niej wartościowe produkty, które mają przemysłowe zastosowanie, rozdziela się ją na poszczególne frakcje przy zastosowaniu metod fizycznych lub stosuje metody chemiczne znane jako chemiczna przeróbka ropy.

Ropę naftową po wydobyciu ze złoża poddaje się retryfikacji, znanej jako destylacja frakcyjna (destylacja frakcjonowana). Ropa naftowa jest wprowadzana do pieca destylacyjnego i tam podgrzewana do temperatury około 350°C. Ze względu na różnice w temperaturach wrzenia odpowiednich składników ropy naftowej ulegają one rozdzieleniu na poszczególne frakcje. W górnej części pieca znajdują się lżejsze frakcje. Pary zawierające cięższe cząsteczki ulegają skropleniu w innym zbiorniku i spływają one do magazynów. Najwyższe części osiągają tylko najlżejsze gazy rafineryjne.

Destylacja frakcjonowana umożliwia rozdział ropy na frakcje. Należą do nich:

• benzyna (ciekła frakcja wrząca do 150°C)

• nafta ( jej temperatura wrzenia wynosi150-260°C)

• olej napędowy (o temperaturze wrzenia około 260-370°C)

• olej opałowy (temperatura wrzenia przekracza 370°C)

1. Gaz ziemny

Gaz ziemny jest mieszaniną węglowodorów nasyconych występujących w temperaturze pokojowej w stanie gazowym. Zdecydowaną przewagę w tej mieszaninie stanowi metan(jego zawartość dochodzi do 95% i więcej), wraz z etanem oraz zawiera niewielkie ilości propanu, butanu i azotu. Wykorzystywany jest jako tanie paliwo oraz cenny surowiec chemiczny. Jego wartość opałowa jest znacznie wyższa niż gazu koksowniczego, co oznacza, że spalanie danej masy gazu ziemnego da więcej energii niż spalanie tej samej masy gazu koksowniczego. Gaz ziemny towarzyszy zazwyczaj złożom ropy naftowej i jest wydobywany razem z nią. Znane są takie złoża, w których gaz występuje samodzielnie. Gaz ziemny znajduje się w złożu pod wysokim ciśnieniem, toteż po wywierceniu otworu sięgającego złoża i obudowaniu go rurami, gaz wypływa pod własnym ciśnieniem. Gaz wydobywany ze złoża wymaga zawsze oczyszczenia. Niektóre gatunki gazu ziemnego zawierają domieszkę siarkowodoru i innych związków siarki. Są to składniki bardzo niepożądane, ponieważ
w wyniku spalania dają dwutlenek siarki, który dostając się do środowiska powoduje bardzo groźne w skutkach skażenie środowiska.
Powstaje w wyniku analogicznych procesów jak ropa naftowa lub stanowi jeden z produktów uwęglania substancji roślinnej. Rozróżnia się: gaz ziemny suchy, zawierający najczęściej ok. 95% metanu, 2% etanu, 3% węglowodorów wyższych i innych gazów (siarkowodór, dwutlenek węgla, azot), oraz gaz ziemny mokry, w którym występuje najczęściej ok. 80% metanu, 6,5% etanu, 6% propanu, 4% butanu, 3,5% pentanu oraz węglowodory wyższe.
Z mokrego gazu ziemnego wyodrębnia się węglowodory w postaci gazu płynnego oraz gazoliny. W skorupie ziemskiej gaz ziemny występuje: swobodnie - w postaci gazowej lub związany w stałych hydratach węglowodorów. W postaci rozpuszczonej - w wodach podziemnych lub ropie naftowej.

Gaz ziemny jest cennym surowcem w produkcji sadzy, gazu syntezowego oraz jest stosowany jako paliwo. Najwięcej gazy ziemnego wydobywa się w Rosji, USA, w Kanadzie i w Wielkiej Brytanii, a także pod dnem Morza Północnego.
Znaczne ilości gazu występują również pod dnem morskim u wybrzeży Ameryki Północnej (wschodnie wybrzeże), Brazylii, Indii (O. Indyjski) i Australii.W Polsce występuje on głównie na Podkarpaciu, w środkowej części Niziny Południowo-wielkopolskiej (k. Ostrowa Wielkopolskiego) około Jasła, Lubaczowa, Gorlic, Cieszyna i na Pomorzu Zachodnim.

Przerób gazu ziemnego

Przeróbka gazu ziemnego może być prowadzona metodami:
1. Zachowawczą, polega na wyosobnieniu z "gazu mokrego" składników należących do drugiej i trzeciej grupy, czyli na tzw. "odgazolinowaniu". Po odgazolinowaniu w gazie pozostają tylko składniki pierwszej grupy, natomiast składniki drugiej i trzeciej grupy dają tzw. "gaz płynny" i "gazolinę".

Istnieją trzy sposoby odgazolinowania:

- adsorpcyjna- wykorzystuje węgiel aktywny, który wciąga w swoje mikroskopijne pory drobiny węglowodorów. Aparaty służące do odgazolinowania, na drodze adsorpcyjnej, to naczynia cylindryczne stojące o pojemności 2 - 20m³ , które napełnia się węglem, układając go na sitach metalowych. (Naczynia te nazywamy adsorberami.) Jeżeli do adsorbera od dołu wprowadzimy "gaz mokry", to w pierwszym stadium w porach węgla zostaną zatrzymane wszystkie węglowodory począwszy od metanu. Następnie przy dalszym ciągłym doprowadzaniu gazu cięższe węglowodory wypierają lżejsze, które przechodzą do wyższych warstw węgla, a w końcu uchodzą górą z adsorbera jako "gaz suchy".

- absorpcyjna- polega na pochłanianiu cięższych składników "gazu mokrego" przez tzw. olej, który stanowi wycięta frakcja oleju gazowego lub nafty, czasem ciężkiej benzyny. Olej pochłania węglowodory gazu tym łatwiej, im wyższą posiadają temperaturę wrzenia i im niższa jest prężność ich par. Węglowodory benzynowe (od pentanu w górę) ulegają przy tym upłynnieniu. Propan i butan upłynnia się również, ale tylko gdy przy procesie absorpcji panuje odpowiednio zwiększone ciśnienie. Absorpcja odbywa się w wieżach zwanych absorpcyjnymi. W wieży od góry spływa po kółkach olej i pochłania przeciskające się przez kapki węglowodory znajdujące się w fazie gazowej. Olej nasycony zaabsorbowanymi węglowodorami spływa na spód wieży. Gaz uwolniony od składników benzynowych, butanów i propanu opuszcza wieżę przez szczyt jako "gaz suchy", odgazolinowany.

- kompresyjna – (stosowana tylko gdy przeróbce podlega gaz bardzo bogaty
w węglowodory paliwowe).

2. Przetwórczą , zmieniającą strukturę chemiczną węglowodorów w celu otrzymania nowych produktów

Mieszaninę węglowodorów, która stanowi "gaz mokry", rozdziela się na trzy grupy
o charakterze produktów celowych:

1. Węglowodory czysto gazowe - metan (CH₄) i etan (C₂H₆),
2. Węglowodory, które w temperaturze pokojowej i klimatycznej (od +40 do -30O^oC) można łatwo skroplić przez zastosowanie odpowiedniego ciśnienia - propan (C₃H₈)
i butan (C₄H₁₀)
3. Węglowodory benzynowe - od pentanu (C₅H₁₂) w górę.

Z gazu ziemnego uzyskuje się około 20% wytwarzanej na Świecie energii. Można go znaleźć przeważnie w sąsiedztwie ropy naftowej. Oba te cenne dla współczesnego człowieka surowce powstały w tym samym czasie, w podobnych warunkach.

1. Węgiel kamienny

Większość złóż węgla formowała się od 360 do 28 mln lat temu. Węgiel powstał na bagnistych obszarach, które w tamtych czasach porastały wilgotne lasy tropikalne. Szczątki obumarłych roślin opadły na dno bagnistych jeziorzysk lub lagun, gdzie z powodu małej ilości tlenu i odpowiednich bakterii rozkładały się bardzo powoli. W pierwszej fazie rozkładu gnijące rośliny zmieniły się w torf. Procesowi temu towarzyszyło wydzielanie metanu (stąd duże jego ilości znajdują się przy pokładach węgla kamiennego). Torf nie jest w stanie samoistnie przekształcić się w węgiel. Jego pokłady muszą najpierw zostać poddane odpowiedniemu ciśnieniu. Pierwsze zgniatanie złóż torfu odbywa się pod ciężarem wciąż narastającej ilości obumarłych roślin. Z warstwy torfu o grubości od 10 do 15 m może powstać jednometrowa warstwa węgla. Po zapełnieniu bagna przez substancję roślinną, na złoża torfu osadzały się warstwy piasku i mułu. Następnie teren obniżał się, a wody morskie lub jeziorne ponownie go zalewały, dzięki czemu dochodziło do kolejnego etapu akumulacji roślinnej. Cykl ten powtarzał się wielokrotnie, dlatego mówimy, że węgiel kamienny powstał w procesie sedymentacji cyklicznej. Doprowadziła ona do powstania licznych, oddzielonych od siebie innymi skałami osadowymi, pokładów węgla. Ich grubość różni się znacznie i wynosi od kilku mm do kilku metrów.

Wydobycie węgla kamiennego

Większość eksploatowanych złóż węgla znajduje się w USA, w krajach byłego ZSSR i Chinach. W Polsce złoża węgla znajdują się w zagłębiach: Górnośląskim, Dolnośląskim i Lubelskim. Jego zapasy starczą na ok. 300-400 lat.

Kończy się szybko, ponieważ nie ma konkurencji - jest najtańszym materiałem energetycznym. Węgiel kamienny wydobywa się metodą głębinową, gdyż jego pokłady znajdują się głęboko pod powierzchnią ziemi. Buduje się specjalne szyby i zwozi górników ze sprzętem na dół.

Przerób jako źródło ważnych produktów chemicznych

Pirogenizacja (sucha destylacja węgla) jest to proces rozkładu węgla, polegający na ogrzewaniu go w temp. Około 1000 C ,bez dostępu powietrza. . W procesie tym z węgla uchodzą szkodliwe metale, lekkie oleje, związki amoniaku i woda Powstały koks jest wspaniałym materiałem energetycznym. Wykorzystuje się także produkty uboczne pirogenizacji - smołę węglową i gaz koksowniczy. Po oczyszczeniu, głównymi składnikami gazu koksowniczego są: wodór (45-60%), metan (20-30%) i azot (4-8%). Niskotemperaturowe (450-700°C) odgazowanie węgla nosi nazwę wytlewania.