WĘGLE KOPALNE:

 Węgle kopalne są skałami osadowymi, które powstały w procesie zwęglenia roślin żyjących w odległej przeszłości. W zależności od stadium uwęglania materii roślinnej, w poszczególnych warstwach zalegają różne odmiany węgla: węgiel antracytowy, węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf i wiele odmian pośrednich. Węgle kopalne stanowią mieszaninę bardzo różnorodnych związków węgla, azotu, siarki i tlenu. Na skutek prażenia ulegają rozkładowi na produkty stałe, ciekłe i gazowe. Węgle kopalne, przede wszystkim węgiel kamienny, jest surowcem energetycznym, stosowanym bezpośrednio lub po przeróbce uszlachetniającej. Duża ilość węgli kopalnych jest przetwarzana na energię elektryczną (około 40% produkcji energii elektrycznej na świecie). Dla przemysłu chemicznego, najważniejszy jest węgiel kamienny, z którego otrzymywany jest między innymi węglowodory aromatyczne i ich pochodne oraz gaz syntezowy.

Węgiel kamienny jest jednym z węgli kopalnych, który zawiera około 78-92% pierwiastka węgla. Do węgla kamiennego zaliczany jest także antracyt, w skład którego wchodzi nawet do 97% węgla. Węgiel kamienny posiada czarną barwę. Jest on zwartym i kruchym ciałem stałym. Spalanie węgla kamiennego powoduje powstanie długiego, błyszczącego płomienia. Węgiel kamienny jest jednym z węgli humusowych i posiada niejednorodną strukturę, która jest mieszaniną kilku odmian petrograficznych. Odmiany te różnią się połyskiem oraz twardością i tworzą pojedyncze pasma. Są to: fuzyn, czyli tak zwany węgiel włóknisty, duryn nazywany węglem matowym, klaryn, czyli węgiel półbłyszczący oraz witryn inaczej nazywany węglem błyszczącym. Węgiel kamienny jest bardzo dobrze rozpowszechniony. Jest on spotykany przede wszystkim w tworach mezozoicznych i paleozoicznych (z okresu permu i karbonu). Spalaniu węgla kamiennego towarzyszy emisja pyłów i trujących gazów. Największe pokłady tego surowca są spotykane w Rosji, na Ukrainie, Wielkiej Brytanii, w Niemczech, w Kanadzie, USA, Chinach, Indiach, Australii i RPA. Węgiel kamienny jest największym bogactwem kopalnym Polski i jako surowiec energetyczny ma i będzie miał kluczowe znaczenie dla gospodarki narodowej. Zapewnia około 70-75% produkcji energii pierwotnej. Węgiel kamienny znalazł zastosowanie przede wszystkim jako materiał opałowy. Jest on również surowcem wykorzystywanym w procesach chemicznych, takich jak wytlewanie, uwodornianie i zgazowanie węgla, na skutek których otrzymywane są różne paliwa i produkty wykorzystywane w innych dziedzinach przemysłu chemicznego (np. gazy opałowe, benzol, smoła węglowa, koks, paliwa silnikowe i inne).

Węgiel brunatny to kolejna odmiana węgla kopalnego, która zawiera 65-78% pierwiastka węgla. Posiada on barwę jasnobrunatną, brązową lub czarną. Wyróżniamy trzy odmiany węgla brunatnego:

- węgle twarde (tzw. subbitumiczne), które charakteryzują się znaczną zwięzłością oraz kalorycznością, pośród tej grupy rozróżnia się węgle matowe oraz błyszczące, które są podobne do węgli kamiennych

- węgle miękkie, charakteryzujące się mniejszą zwięzłością, po wysuszeniu łatwo ulegają rozsypaniu na malutkie kawałki, które wykazują nieco niższą kaloryczność, do tej grupy węgli należą węgle łupkowe i ziemiste

- węgle ksylitowe (czyli lignity lub węgle lignitowe), które odznaczają się zachowaną strukturą drewna.

Węgiel brunatny znalazł zastosowanie jako materiał opałowy, jednak duża ilość siarki (około 3%) i powstawanie dużych ilości popiołu w czasie spalania (popielność do 40 %), powodują, że jest on szkodliwy dla środowiska naturalnego. Węgiel brunatny jest również surowcem do  procesów uwodorniania, wytlewania i zgazowania węgla, jest także używany jako podłoże w ogrodnictwie.

Torf jest skałą osadową, należącą do skał organogenicznych. Powstaje on na skutek torfienia, które polega na biochemicznej i strukturalnej przemianie obumarłych szczątek roślin bagiennych (torfowiskowych), które zachodzi w warunkach dużej wilgotności i trwałej anaerobiozy (brak dostępu tlenu). Składnikami torfu są substancje organiczne, które zawierają znaczne ilości węgla (około 60%) i azotu, a także substancje mineralne (dwutlenek krzemu, wapń, fosfor i żelazo). Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje torfu: wysokie i niskie. Torf ma znaczne możliwości zatrzymywania wody. Torf znalazł zastosowanie między innymi w medycynie, w rolnictwie oraz ogrodnictwie (w produkcji nawozów torfowych i ziemi ogrodniczej oraz doniczek). Jest również stosowany jako materiał opałowy w postaci torfu opałowego lub półkoksu torfowego.

Kolejnym rodzajem węgla kopalnego jest antracyt. Zawartość węgla pierwiastkowego w antracycie wynosi nawet do 96%. Jest on czarny albo ciemnoszary i posiada półmetaliczny połysk. Antracyt stanowi wysokogatunkowe paliwo, które nie ulega spiekaniu, a jego spalanie powoduje powstanie niewielkich ilości popiołu. Antracyt charakteryzuje się dużym przewodnictwem elektrycznym, co powoduje, że znalazł on zastosowanie w produkcji elektrod. Antracyt tworzy się na skutek działania wysokich temperatur i ogromnego ciśnienia.

Koks jest paliwem, które powstaje na skutek przemysłowego wygrzewania węgla kamiennego, zachodzącego bez dostępu powietrza w specjalnych piecach koksowniczych przy pomocy gazów spalinowych. Koks posiada wyższą kaloryczność niż zwykły węgiel kopalny, ponieważ w jego skład wchodzi 90-95% czystego węgla pierwiastkowego, a specjalne rodzaje koksu przy zastosowaniu odpowiednich technologii mogą zawierać nawet 98% węgla. Koks jest to szaroczarna, porowata substancja, która posiada charakterystyczny zapach gazów koksowniczych. Koks znalazł zastosowanie przede wszystkim jako materiał opałowy w piecach hutniczych oraz jako wysokogatunkowe paliwo w kotłach grzewczych (w gospodarstwach domowych, warsztatach, kotłowniach). Zaletą koksu w porównaniu z węglem kamiennym jest większa kaloryczność oraz łagodnie zachodzące spalanie, co zmniejsza konieczność uzupełniania materiału opałowego w piecach.

GAZ ZIEMNY:

Gaz ziemny jest kopaliną, która składa się przede wszystkim z metanu CH₄. Zawartość składników gazu ziemnego jest różna i zależy do miejsca jego wydobycia. W połączeniu z powietrzem w określonych stężeniach (5% -15%) gaz ziemny tworzy mieszaninę wybuchową. Gaz ziemny towarzyszy przeważnie złożom ropy naftowej, ale może także występować samodzielnie. Gaz ziemny powstał w wyniku przemian szczątków organizmów żywych w węglowodory. Wyróżnia się gaz suchy, który zawiera do 95% metanu oraz gaz mokry, który oprócz metanu zawiera jego cięższe homologi, między innymi składniki tzw. gazu płynnego. Gaz ziemny stanowi bardzo cenny nośnik energii i służy jako wysokoenergetyczne paliwo do silników spalinowych i do celów opałowych. Jest on również surowcem do otrzymywania gazu syntezowego, sadzy przemysłowej oraz wielu innych półproduktów petrochemii. Gaz ziemny jest paliwem bardzo wygodnym w użyciu, jednak trudnym w transporcie i przechowywaniu. Gaz ziemny stosowany jest jako tanie paliwo w instalacjach domowych i przemysłowych. Gaz spalany w kuchenkach gazowych w mieszkaniach to przede wszystkim metan z pewna zawartością różnych substancji gazowych. Do celów użytkowych nawaniany jest substancją zapachową, aby mógł być wyczuwalny przez człowieka. Jest on ponadto bardzo łatwo palny. Gaz ten pali się bezbarwnym płomieniem i tworzy on mieszaniny wybuchowe po zmieszaniu z powietrzem. Jest lżejszy od powietrza i gromadzi się w górnych partiach. Służy on przede wszystkim jako surowiec energetyczny (jest on tańszym od węgla kamiennego i ropy naftowej surowcem), oraz w małej skali jako surowiec w przemyśle chemicznym (m.in. z niektórych jego odmian wyodrębnia się hel). Nie jest poddawany przeróbce. Gaz ziemny wysokometanowy jest bardzo dobrym paliwem silnikowym. Jest jednym z najbardziej ekologicznych i ekonomicznych paliw silnikowych. Zaletami jego wykorzystania jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń spalin. Podczas jego spalania nie powstają trujące substancje, jak tlenek węgla i para wodna.

Ropa naftowa

 Z chemicznego punktu widzenia, ropa naftowa jest mieszaniną przede wszystkim węglowodorów, w której skład wchodzą głównie parafiny, nafteny, olefiny, a także węglowodory aromatyczne. Oprócz węglowodorów występują również w ropie naftowej różnego rodzaju inne związki organiczne, zawierające między innymi takie pierwiastki jak tlen, siarka lub azot, a także związki nieorganiczne takie jak chlorek sodu, amoniak, siarkowodór, woda. W skład ropy naftowej wchodzą również śladowe ilości związków takich pierwiastków jak nikiel, mangan, chrom, żelazo czy rtęć. Parafiny wchodzące w skład ropy naftowej to węglowodory nasycone o różnych długościach łańcucha. W zależności od ilość atomów węgla w cząsteczce mogą być one gazami (od 1 do 5 atomów węgla), cieczami (od 6 do 16 atomów węgla) oraz ciałami stałymi (powyżej 17 atomów węgla w cząsteczce). Przykładami węglowodorów aromatycznych występujących w ropie naftowej mogą być benzen, toluen. W skład ropy wchodzą również węglowodory nienasycone (między innymi olefiny). Najbardziej niepożądanym składnikiem są związki zawierające siarkę. Przeróbka zasiarczonego paliwa prowadzi bowiem do szybkiej korozji i zniszczenia urządzeń rafineryjnych. Zależnie od zawartości siarki, ropę naftową klasyfikuje się na:

1. Niskosiarkową - zawierającą do 0,5% siarki,

2. Wysokosiarkową - zawierającą więcej niż 0,5% siarki.

Pochodzenie - Ropa naftowa powstała w wyniku rozkładu rozmaitych mikroorganizmów, glonów i zwierząt wodnych, żyjących na Ziemi w odległych okresach geologicznych (wiele milionów lat temu).

Występowanie - Największe jej zasoby występują między innymi w Afryce, w Meksyku, w Stanach Zjednoczonych, w Rosji, na terenach Kazachstanu, Turkmenistanu i Azerbejdżanu, a także w Indonezji i Chinach. Pokłady ropy znajdują się również w dnach mórz.

Właściwości fizyczne - Surowa ropa naftowa (wydobywana bezpośrednio ze złoża) jest zwykle ciemną (brązową lub czarną) cieczą o ostrym, charakterystycznym zapachu. Jest nierozpuszczalna w wodzie a jej gęstość jest zwykle mniejsza od gęstości wody.

Zastosowanie - Ropa naftowa znajduje bardzo szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach życia. Jest podstawowym surowcem energetycznym, wydajniejszym niż węgiel. Wykorzystuje się ją również do produkcji ogromnej ilości produktów, jak kosmetyki, leki, materiały wybuchowe, kauczuki, plastiki itp. W procesie przeróbki ropy otrzymuje się szereg produktów o bardzo szerokim zastosowaniu. Należą do nich między innymi: oleje napędowe, asfalt, oleje i smary, benzyny, nafta. Ropa naftowa wykorzystywana była już bardzo dawno temu. Głownie stosowaną ją wówczas jako balsam do ciała, a także środek zapalający (np. nacierano nią główkę pochodni by paliła się dłużej).

Przeróbka ropy naftowej - Surowa, wydobyta ze złoża, ropa naftowa w obecnej chwili nie znajduje praktycznie żadnego praktycznego zastosowania. W celu otrzymania produktów mających zastosowanie, należy przeprowadzić rozdział surowej ropy na poszczególne frakcje. Wydobyta ropa transportowana jest różnymi sposobami do zakładów przetwórczych zwanych rafineriami. W zależności od głównego produktu otrzymywanego z przeróbki ropy, rafinerie można podzielić na trzy grupy:

1. Rafinerie paliwowe, w których otrzymuje się przede wszystkim paliwa silnikowe oraz olej opałowy

2. Rafinerie paliwowo - opałowe, w których produkowane są głownie paliwa oraz oleje smarowe

3. Rafinerie petrochemiczne, w których produkowane są produkty węglowodorowe wykorzystywane następnie do syntez

W niektórych rafineriach otrzymuje się również różnego rodzaju produkty specjalne, m. in. benzynę ekstrakcyjną, oleje cylindrowe, lepiki itp., wymagające zastosowania dodatkowych technologii. Głównym procesem odbywającym się w rafineriach, który powoduje wydzielenie różnych składników z ropy naftowej jest tzw. destylacja frakcyjna lub rektyfikacja. Po wydobyciu ze złoża, ropa musi zostać odwodniona. Równocześnie zmniejsza się zawartość soli w ropie. Pozostała substancja poddawana jest stabilizacji, polegającej na wydzieleniu z niej najlżejszych węglowodorów (głównie gazowych) i ogrzewa się do około 350⁰C. Proces destylacji frakcyjnej pozwala na rozdzielenie poszczególnych składników ropy bez zmiany ich charakteru chemicznego. Wykorzystuje się fakt, iż pary wrzącej mieszaniny mają inny skład niż sama mieszanina ciekła. Skraplanie par wydzielających się z wrzącej mieszaniny cieczy pozwala na otrzymanie szeregu frakcji destylatu o składzie innym niż skład cieczy wyjściowej. Cząsteczki duże i ciężkie zmieniają się pod wpływem wysokiej temperatury w gęstą i lepką ciecz. Pozostają więc na dole wieży destylacyjnej. Z innych cząsteczek, złożonych w większości z mniejszej ilości atomów węgla, pod wpływem temperatury powstaje para, która następnie unosi się w górę wieży, ochładza się zmieniając się z powrotem w ciecz. W ten właśnie sposób, na kolejnych półkach, znajdujących się coraz wyżej, następuje skraplanie coraz mniejszych i lżejszych cząsteczek. Część z nich dociera nawet do szczytu kolumny (gazy) i są tam zbierana i dodatkowo oczyszczane. Poniżej przedstawiono poszczególne frakcje w kolejności ich wyodrębniania.

1. Eter naftowy (nazywany także benzyną lekką) - frakcja najbardziej lotna, stanowiąca mieszaninę różnych węglowodorów przede wszystkim o pięciu lub sześciu atomach węgla w cząsteczce. Stosuje się ją między innymi jako środek czyszczący, paliwo do zapalniczek, rozpuszczalnik do farb i lakierów. Wykorzystywana jest również w wielu procesach technologicznych.

2. Benzyna - Głównymi składnikami benzyn są węglowodory o 6-12 atomach węgla w cząsteczkach. Występują w nich także śladowe ilości węglowodorów nienasyconych oraz aromatycznych. Wyróżnia się kilka gatunków benzyn w zależności od przewagi danego rodzaju węglowodorów.

3. Nafta - Jest palną cieczą o zabarwieniu żółtawym, wykazującą charakterystyczny zapach. W jej skład wchodzą węglowodory, których cząsteczki zawierają pomiędzy 9 a 16 atomów węgla. Naftę przerabia się czasem na inne produkty (między innymi benzynę) w procesach krakingu i reformingu. Wykorzystywana jest również jako paliwo (przede wszystkim do silników odrzutowych), a także jako rozpuszczalnik. Dawniej wykorzystywana była w lampach naftowych do oświetlania.

4. Oleje - Z tej frakcji wydziela się między innymi oleje opałowe, oleje napędowe a także tzw. oleje ciężkie. Oleje napędowe (wykorzystywane głównie jako paliwo w silnikach Diesla) są mieszaniną węglowodorów parafinowych, naftenowych i aromatycznych. Z uwagi na dużą zawartość siarki, konieczne jest jej usuwanie z olejów napędowych w procesach katalitycznych.

5. Mazut - czarna, bardzo gęsta substancją, stosowana jako paliwo oraz przede wszystkim jako substrat do produkcji asfaltu.

W celu uzyskania czystych produktów handlowych, otrzymane frakcje muszą zwykle zostać poddane procesom uszlachetniającym (między innymi odsiarczaniu, reformingowi, rafinacji). Przeprowadza się w rafineriach procesy zwane krakingiem i reformingiem. Kraking jest procesem polegającym na rozrywaniu wiązań pomiędzy atomami węgla w wyższych parafinach, węglowodorach cykloalifatycznych oraz aromatycznych. W wyniku tego procesu następuje rozrywanie długich łańcuchów węglowodorowych i utworzenie produktów o mniejszych ilościach atomów węgla w cząsteczkach. Procesowi krakingu poddaje się więc przede wszystkim produkty o wyższych temperaturach wrzenia. Kraking termiczny - prowadzony w wysokiej temperaturze (ok. 500⁰C) i pod wysokim ciśnieniem. Kraking katalityczny - prowadzony z wykorzystaniem różnego rodzaju katalizatorów. Lekkie frakcje poddaje się również procesowi tzw. reformingu katalitycznego. Polega on na ogrzewaniu do wysokich temperatur lekkich produktów destylacji frakcyjnej lub lekkich produktów krakingu, w wyniku czego otrzymuje się paliwa o wysokiej jakości, a także węglowodory aromatyczne. Bardzo ważnym parametrem, stosowanym powszechnie do oceny jakości benzyny jest tzw. liczba oktanowa (LO). Umownie przyjęto, że liczba oktanowa n-heptanu o prostym, nierozgałęzionym łańcuchu wynosi 0, a ta sama liczba dla rozgałęzionego izooktanu jest równa 100. W ten sposób zdefiniowano umowną skalę. Liczba oktanowa danej benzyny, określana jest poprzez zawartość procentową izooktanu w mieszaninie porównawczej izooktanu i n-heptanu, która wykazuje identyczne właściwości jak badana benzyna, podczas spalania w warunkach odpowiadających pracy silnika. Parametr ten określa odporność benzyny na samozapłon i spalanie detonacyjne podczas sprężania mieszanki paliwa z powietrzem, a także podczas procesu spalania tej mieszanki w cylindrze silnika (tzw. właściwości przeciwstukowe). Im większa liczba oktanowa, tym węglowodory wchodzące w skład benzyny są bardziej rozgałęzione, a co za tym idzie paliwo jest lepszej jakości.

Właściwości fizyczne metanu:

Gaz bezbarwny, lżejszy od powietrza, bardzo słabo rozpuszczany w wodzie, bezwonny, palny, tworzy mieszaniny wybuchowe z tlenem i z powietrzem, nietoksyczny.

Właściwości fizyczne etenu:

gaz, bezbarwny, bezwonny, o gęstości mniejszej od gęstości powietrza, nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w innych rozpuszczalnikach organicznych.

Właściwości fizyczne acetylenu:

bezbarwny, palny gaz; ważny surowiec w przemyśle chemicznym, m.in. tworzyw sztucznych; w palnikach acetylenowo-tlenowych stosowany do cięcia i spawania metali.

Właściwości fizyczne benzenu:

W temperaturze pokojowej benzen jest bezbarwną cieczą. jak wszystkie węglowodory jest nierozpuszczalny w wodzie, sam zaś jest doskonałym rozpuszczalnikiem substancji hydrofobowych. Jako substancja wykazuje właściwości toksyczne - jest niebezpieczny zarówno w wypadku wdychania par, jak i w zetknięciu ze skórą.

Właściwości fizyczne metylobenzenu:

bezbarwną, palną cieczą, która nie rozpuszcza się w wodzie. Metylobenzen ulega rozpuszczeniu w eterze, benzenie i alkoholu. Jest to związek toksyczny o zbliżonych właściwościach do benzenu i charakterystycznym zapachu.

---