Michał Płatek

DESTYLACJA FRAKCYJNA ROPY NAFTOWEJ

WSTĘP

We wstępie zamieszczę podstawowe definicje, które pozwolą czytelnikowi zrozumieć dogłębnie temat niniejszej pracy.

Destylacja to rozdzielanie ciekłej mieszaniny związków chemicznych przez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Główny produkt destylacji, czyli skroplona ciecz nazywana jest destylatem. Pozostałość po destylacji nazywana jest cieczą wyczerpaną.

Frakcja to część mieszaniny ciekłej, otrzymywana w procesie rozdzielania (np. destylacji). Rozdział mieszaniny na frakcje jest możliwy dzięki różnym własnościom fizycznym jej składników.

Ropa naftowa to ciekła kopalina o ostrym zapachu, nierozpuszczalna w wodzie, palna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftenowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny). Zawiera także organiczne związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali; ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna lub czerwonawa. Gęstość ropy waha się między 0,73g/cm³ a 0,99 g/cm³.

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 można znaleźć około 50 pierwiastków chemicznych, w tym: wanad, nikiel, chlor. Ze względu na typ związków chemicznych przeważających w ropie naftowej rozróżnia się najczęściej ropę bezparafinową, parafinową, naftenową, aromatyczną.

DESTYLACJA FRAKCYJNA ROPY NAFTOWEJ

Wydobyta ze złoża ropa naftowa (tzw. surowa) może być użyta jako materiał opałowy, jednak jest to wysoce nieekonomiczne - tracimy wiele cennych składników, które można wyodrębnić w procesie destylacji. Pierwszą destylację ropy naftowej przeprowadził w Krośnie w roku 1852 polski aptekarz, Ignacy Łukasiewicz. Wynalazł lampę naftową, która była rewolucyjnym jak na tamte czasy osiągnięciem techniki oświetleniowej. Obecnie destylację ropy naftowej (rektyfikację) przeprowadza się w specjalnie do tego celu stworzonych rafineriach paliwowo-olejowych, petrochemicznych oraz paliwowych.

Destylacja frakcyjna wykorzystuje fakt, że wrząca mieszanina ciekła wysyła parę o innym składzie niż skład tej mieszaniny. W rafineriach paliwowo-olejowych, przy destylacji ciągłej w instalacjach wieżowo-rurowych, stosuje się metodę zachowawczą przeróbki ropy, która polega na rozdziale jej składników pod ciśnieniem atmosferycznym, bez zmiany ich struktury chemicznej. W jej wyniku otrzymujemy frakcje o temperaturze wrzenia 300 - 350^oC. 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 ^oC. Najpierw odwodnioną ropę naftową poddaje się stabilizacji (oddziela najlżejsze, gazowe węglowodory) i ogrzewa w piecu do temp. 350^oC. Dzięki różnicom w temperaturze wrzenia poszczególnych składników wraz ze wzrostem temperatury oddzielają się one po kolei w postaci pary. Następnie wprowadza się ropę do kolumny destylacyjnej. Pary lżejsze wędrują do górnych części pieca, gdzie w miarę wzrostu wysokości temperatura maleje. Pary o cięższych cząsteczkach skraplają się najszybciej i spływają do odpowiednich magazynów. Do najwyższej części wieży rafineryjnej docierają już tylko najlżejsze gazy. Najnowsze technologie pozwalają natychmiast odbierać różne składniki ropy.

Aby zwiększyć wydajność przetwarzania ropy naftowej naftę i oleje ciężkie poddaje się tzw. krakingowi - ogrzewa się je i poddaje działaniu wysokiego ciśnienia rozrywając następnie łańcuchy węgla.

rys. 1. Schematyczny rysunek przedstawiający przebieg destylacji ropy naftowej. Autor: Michał Płatek.

Wydajność destylacji we współczesnych rafineriach wynosi 100 000 baryłek (16 000 000 litrów) destylatu w ciągu doby.

Przybliżone temperatury wydzielania odpowiednich frakcji ropy naftowej wynoszą:

• < 110^oC dla gazów opałowych

• 110^oC dla benzyny i paliw silnikowych

• 220^oC dla nafty

• 300^oC dla olejów opałowych

• > 350^oC dla bitumów (smoła, asfalt, masy bitumiczne).

W zależności od typu ropy oraz sposobu wykorzystania destylatu temperatury wrzenia mogą ulec zmianie.

Drugi etap destylacji - próżniowa destylacja mazutu - przebiega pod ciśnieniem zmniejszonym do 9300 Pa, w celu uniknięcia rozkładu chemicznego jego składników. Rozgrzany wcześniej mazut wprowadza się do kolumny destylacyjnej próżniowej, z której odbiera się destylaty olejowe i gudron. Gudron jako pozostałość po destylacji mazutu jest stosowany do produkcji asfaltu i papy dachowej. Otrzymane frakcje poddaje się procesom uszlachetniającym, np. benzynę odsiarczaniu i reformingowi, a frakcje olejowe rafinacji (np. odparafinowaniu, odasfaltowaniu).

Reforming (reforming katalityczny, reformowanie benzyny) to wysokotemperaturowe ogrzewanie lekkich frakcji ropy naftowej lub produktów krakingu pod zwiększonym ciśnieniem w celu otrzymania paliw o dużej liczbie oktanowej. W procesie reformingu zachodzi szereg reakcji chemicznych pod działaniem odpowiednich katalizatorów, w których efekcie izomeryzacja prostych łańcuchów węglowodorowych do rozgałęzionych oraz odwodornienie prowadzące do cyklizacji i aromatyzacji.

Kraking to destylacja rozkładowa (crack - pękanie, rozszczepianie) polega na ogrzaniu pod wysokim ciśnieniem i w efekcie na kontrolowanym rozszczepianiu węglowodorów o długim łańcuchu węglowodorowym na węglowodory o krótszych łańcuchach. W zależności od warunków prowadzenia procesu rozróżnia się krakowanie termiczne oraz krakowanie katalityczne. Ze względu na stale rosnące zapotrzebowanie na benzynę w rafineriach paliwowych prowadzi się katalityczny kraking destylatów próżniowych (średnich i ciężkich) w temperaturze 400 - 700^oC i pod ciśnieniem 5 atm., tj. 5 MPa, oraz koksowanie mazutu. Uzyskuje się w ten sposób duże ilości benzyn silnikowych o wysokiej liczbie oktanowej i oleju napędowego. W rafineriach nastawionych na uzyskiwanie surowców do syntez organicznych (etenu, propenu, butadienu, benzenu, toluenu) prowadzi się też kraking katalityczny cięższych frakcji uzyskanych w wyniku destylacji atmosferycznej.

PRODUKTY DESTYLACJI ROPY NAFTOWEJ

Benzyna to mieszanina ciekłych, lekkich węglowodorów; bezbarwna ciecz o temperaturze wrzenia 35-200^oC i gęstości 0,67 - 0,8 g/cm³, nierozpuszczalna w wodzie, ale miesza się z rozpuszczalnikami organicznymi. Głównymi składnikami benzyny są alkany

(zw. też parafinami) o łańcuchu prostym i rozgałęzionym, o liczbie atomów węgla w cząstce od 5 do 12, alkeny o liczbie atomów węgla od 5 do 12, oraz cykloalkany z pięcioma lub sześcioma atomami węgla w cząsteczce (tzw. nafteny), i węglowodory aromatyczne. Ze względu na sposób otrzymywania rozróżnia się:

• benzynę naturalną - niskowrzącą frakcję destylacji ropy naftowej:

• lekką, o temperaturze wrzenia 40 - 160^oC

• ciężką (ligroinę), o temperaturze wrzenia 160 - 200^oC

• benzynę krakową - uzyskiwaną w procesach krakingu ciężkich frakcji ropy naftowej

Benzynę stosuje się głównie jako paliwo do napędu samochodów, samolotów i niektórych innych urządzeń posiadających silnik spalinowy, a także jako rozpuszczalnik.

Eter naftowy, zbierany do temperatury 70^oC, o gęstości poniżej 0,7 g/cm³, składa się głównie z najlżejszych węglowodorów zawierających nie więcej niż sześć atomów węgla w cząsteczce. Zastosowanie: jako benzyna apteczna albo rozpuszczalnik do ekstrakcji.

Nafta jest produktem destylacji ropy odbieranym w granicach temperatur wrzenia 215 - 325^oC. Surową, zanieczyszczoną naftę otrzymaną z pierwszej destylacji poddaje się następnie rafinacji chemicznej. Oczyszczona nafta jest trudno zapalna, a więc nie zawiera lotnych związków, jak benzyna. Zgodnie z przepisami temperatura zapłonu nafty powinna wynosić 39^oC, a więc nie powinno dać się zapalić jej stosunkowo zimnym płomieniem zapałki.

Oleje naftowe, o temperaturze wrzenia powyżej 3250^oC, Są pozostałościami po destylacji ropy naftowej pod ciśnieniem atmosferycznym. Po poddaniu ich destylacji próżniowej jesteśmy w stanie otrzymać oleje: smarowe, silnikowe (stosowane w silnikach Diesla), parafinowe (z nich wyrabiana jest parafina, a z niej zaś świece) oraz gazowe (pod wpływem pirolizy są przerabiane na mieszankę gazów, używanych w oświetleniach).

Etylina jest benzyną z dodatkiem płynu etylowego, którego głównym składnikiem (55-64%) jest tetraetyloołów - związek zwiększający oktanową liczbę benzyny. Etylinę stosuje się jako paliwo do silników gaźnikowych. Obecnie w Polsce są używane 3 gatunki etyliny: o liczbie oktanowej 98 (czerwona), 94 (żółta) i 86 (zielona).

Ligroina to benzyna ciężka, frakcja ropy naftowej o temperaturze wrzenia 160 - 230^oC. Głównymi składnikami tej mieszaniny są heksan i heptan. Stosuje się ją jako paliwo do traktorów i płyn hydrauliczny.

Mazut (oleje opałowe) uzyskiwany jest z ropy naftowej o niskim standardzie, z której nie możemy uzyskać olejów naftowych. Stosuje się go w przemyśle lub na statkach.

Parafina topi się w temperaturze 15-60^oC. To przezroczyste lub półprzezroczyste, bezbarwne ciało krystaliczne. W skład parafiny wchodzą węglowodory o łańcuchach węglowych zawierających 19-39 atomów węgla. Z parafiny produkuje się świece; używa się jej również jako izolatora w elektrotechnice.

Wazelina jest pozostałością po destylacji lżejszych składników ropy naftowej. Surowa wazelina, o barwie żółto-czerwonej lub ciemnozielonej, używana jest 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 (asfalt naftowy), jako pozostałość przeróbki ropy naftowej, jest wykorzystywana do pokrywania nawierzchni.

PODSUMOWANIE

Przetwórstwo ropy, którego pomysłodawcą był Ignacy Łukasiewicz, jest jednym z kluczowych czynników napędzających rozwój cywilizacji. Produkty przeróbki ropy są wykorzystywane w wielu dziedzinach życia, gałęziach przemysłu i gospodarki. Ropa jest wykorzystywana w produkcji smarów, paliw, olejów silnikowych, nawierzchni asfaltowych, kosmetyków, barwników, substancji wybuchowych, leków, nawozów oraz włókien sztucznych, substancji owadobójczych, kauczuku, atramentu, plastiku i wielu innych produktów.

Alfabetyczny wykaz źródeł:

• http://bryk.pl/teksty/liceum/chemia/chemia_organiczna/12682-charakterystyka_ropy_naftowej.html

• http://chemia.organiczna.webpark.pl/przyroda/destyl.htm

• http://sciaga.pl/tekst/24573-25-ropa_naftowa

• http://sciaga.pl/tekst/4435-5-destylacja_ropy_naftowej

• http://szybki912.republika.pl/zweglowodorow_pliki/image002.jpg

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Benzyna

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Destylacja

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Frakcja_(chemia)

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Kraking

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Reforming

• http://pl.wikipedia.org/wiki/Ropa_naftowa

• http://portalwiedzy.onet.pl/19043,,,,ropa_naftowa,haslo.html

• Maria Litwin, Szarota Styka-Wlazło, Joanna Szymońska, Chemia organiczna, Nowa Era 2004

---