ropa a ropné produkty

Získavanie a spracovanie ropy a ropných produktov

Extraction and processing of oil and oil products

Bc. Ján Pošik

Úvod:

Táto práca slúži ako oboznámenie sa s témou ropy, vznikom a spracovaním ropných produktov na výrobu každodenných výrobkov. Na záver je zdôraznená otázka nebezpečia ropy a ropných produktov na životné prostredie.

Ropa:

Je to prírodná horľavá kvapalina tvorená zmesou uhľovodíkov, najmä alkánov, nafténov a menej aj arénov a polárnych zlúčenín. Vzniká rozkladom zbytkov pravekých rastlín a živočíchov. Nachádza sa najme vo veľkých hĺbkach pod povrchom (až 8km), alebo v nepriepustných vrstvách pod morskou hladinou (Severné More). Je základnou surovinou petrochemického priemyslu. [1]

Základné vlastnosti ropy:

Ako základný technologický charakter ropy je jej hustota, ktorá sa pri normálnej teplote (20°C) pohybuje medzi 730-1000 kg/m³. Pre meranie objemu ropy sa používajú jednotky 1barel=158,97litrov.

Zložka	Podiel
Uhlík	84-87
Vodík	11-14
Kyslík	1
Síra	4
Dusík	1

Podiel jednotlivých zložiek v rope

Vznik ropy:

Uhľovodíky ako ropa a zemný plyn môžu vznikať v prírode dvomi spôsobmi: anorganicky a organicky. Prevažná väčšina nálezísk ropy vo svete je organického pôvodu a vznikla biogeneziou, prípadne termogeneziou.

Oktánová molekula

Anorganický pôvod: vznik pôsobením prehriatej pary na karbidy ťažkých kovov v dobách, keď sa nachádzali blízko zemského povrchu. Za pomoci moderného výskumu bola dokázaná prítomnosť uhľovodíkov v oceánskych chrbtov, kde sa tvorí nová oceánska kôra. Dá sa dokázať, že tieto uhľovodíky nie sú z organického zdroja. Avšak tieto množstvá sú veľmi malé, ale aj napriek tomu to dokazuje, že časť uhľovodíkov pochádza z iného ako organického zdroja. Tento proces trvajúci milióny rokov sa nazýva dozrievanie alebo maturácia ropy. [2]

Organický pôvod: ropa vzniká termogenetickým rozkladom organickej hmoty. Organický materiál sa vplyvom tepla (60-150°C) a tlaku (až 150MPa) premieňa v hĺbke okolo 2-5km najskôr na koregén, potom na živicu a napokon na ropu a zemný plyn.

Začiatok tvorby ropy nastáva pri 60°C termogenetickým rozpadom koregénu. Ďalej to pokračuje do 120°. Pri približne 100°C sa začína tvoriť aj plyn. Teplotný interval tvorby ropy sa volá ropné oko (60-120°C). Zloženie ropy sa líši podľa toho aký materiál slúžil ako základ pre ropu a aké podmienky nastali počas vzniku. Po dosiahnutí zrelosti horniny nastanie migrácia, kde ropa a plyn migrujú naprieč geologickými zlomami. Fáza migrácie sa skončí po tom ako ropa a zemný plyn uviaznu do „ropnej pasce“(terajšie náleziská ropy). [3]

Získavanie ropy:

V minulosti existovali náleziská, kde ropa prirodzene vyvierala na povrch. V tejto dobe sa na získavanie ropy používajú podstatne iné metódy:

Získavanie ropy pomocou vrtov
Ťažba ropy z dechtových pieskov (Kanada, Aliaška)

Najčastejší spôsob získavania ropy je získavanie pomocou vrtov. Keďže sa spolu s ropou často nachádza aj zemný plyn, dokážeme len pomocou vrtov vyťažiť okolo 20% z náleziska za pomoci vlastného tlaku (primárny spôsob ťažby). Tým, že tlak v nálezisku časom klesá, musia sa používať na ťažbu čerpadlá, alebo injektážou pumpovať spätne zemný plyn, vzduch alebo CO₂ (sekundárny spôsob ťažby). Primárnymi a sekundárnymi metódami sa celkovo darí vyťažiť 25 – 35 % celkového množstva ropy. V prípade, že už nesatačí ani sekundárna ťažba je možné využiť terciálny spôsob ťažby, ktorý je však ekonomicky nákladnejší ako predošlé spôsoby. Jej princíp spočíva v znížení viskozity zostávajúcej ropy, väčšinou injektážou horúcej vodnej pary získavanej často kogeneráciou, pričom sa spaľovaním zemného plynu vyrába elektrina a odpadové teplo sa využije na tvorbu vodnej pary. Niekedy sa tiež ropa zohrieva zapálením časti ropného ložiska. Príležitostne sa tiež používa injektáž detergentov. Terciárne metódy dovoľujú vyťažiť ďalších 5 – 15 % ropy v nálezisku. Celková vyťažiteľnosť podstatne závisí od kvality ropy, od 5% pri ťažkej rope až po 80% v prípade ľahkej ropy.

Dizajn ťažobných zariadení sa značne líši a to v závislosti na tom či sa zariadenie nachádza na súši alebo na mori. Pri ťažbe na súši zvyčajne sa vŕta vrt kolmo do zeme. Každý vrt má svoju vŕtaciu hlavicu, od ktorej vedie potrubie ku centrálnej stanici. Tam sa jednotlivé prímesi ropy oddeľujú putujú ďalej na spracovanie. Ropa a zemný plyn sa ďalej posiela potrubím na trh. Pri ťažbe z mora sa používajú buď plošiny, ktoré plavú na vode, alebo sú zabudované do morského dna. Pri tejto ťažbe môže využívať na prenos ropy potrubie, alebo sa skladuje a je prepravované inými spôsobmi. [3]

Dechtový piesok je nekonvenčný zdroj ropy. Skladá sa zo zmesi piesku, ílu, vody a bitúmenov (piesok nasýtený repnými látkami). Pokiaľ sa dechtové piesky nachádzajú blízko zemského povrchu, ťažia sa v povrchových baniach. Vyťažený materiál sa premiešava s horúcou vodou a ropné bitúmeny sa zbierajú z povrchu. Bitúmeny sú oveľa hustejšie ako bežná surová ropa a aby mohli byť transportované v ropovodoch, musia byť buď zmiešane s ľahkou ropou alebo so štiepia pomocou krakovania. Na produkciu jedného barelu ropy sú potrebné dve tony dechtových pieskov. [7]

Spracovanie ropy a ropných produktov:

Rafinérie sú závody, kde dochádza ku spracovaniu ropy na ropné produkty. Najväčšia koncentrácia rafinérii je v oblastiach s najväčšou spotrebou, alebo v oblastiach blízkych ku náleziskám s dobrou logistickou štruktúrou.

Medzi základné spracovania ropy patria:

Spracovanie atmosférických destilátov na paliva: ropa sa spracováva v rafinériách na ktoré môžu nadviazať ďalšie petrochemické závody. Ropa sa najprv odsoľuje a potom sa atmosférickou a vákuovou destiláciou rozdestiluje na niekoľko užších frakcií, ktoré sa spracovávajú samostatne.

Bloková schéma obvyklého spracovania frakcií z atmosférickej destilácie ropy

Všetky destiláty z atmosférickej destilácie ropy obvykle najprv pomocou hydrogenačnej rafinácie odsirujú, vznikajúci sulfán sa v Clausových jednotkách spracuje na síru. Rafinérske plyny sa rozdeľujú na topné plyny a na propán a bután. Ľahký benzín sa väčšinou izemeruje, čim sa zvyšuje jeho oktánové číslo a potom sa používa ako zložka do autobenzínu.

Petrolej sa používa ako pohonná hmota pre letecké motory alebo ako zložka motorovej nafty. Plynový olej sa používa ako hlavná zložka motorovej nafty.

Spracovanie vákuových destilátov a zbytkov na paliva: Vákuové destiláty sa najčastejšie štiepia pomocou fluidného katalytického krakovania. Vákuové zvyšky sa štiepia najčastejšie termicky pomocou visbreakingu, alebo koksovaním. Vákuové zvyšky je možné po zmiešaní s ľahšími frakciami používať ako ťažké topné oleje. Hlavnými produktmi štiepnych procesov sú zvyčajne frakcie využiteľné pri výrobe motorových palív. V závislosti na použitom procese štiepenia sa vlastnosti získaných frakcií ďalej upravujú tak, aby z nich vyrobené pohonné hmoty spĺňali normové vlastnosti.

Obrázok blokovej schémy spracovania mazutu

Spracovanie ropných frakcií na petrochemikálie: Petrochemické závody môžu naviazať na akýkoľvek typ rafinérie. Z rafinérie odoberajú niektoré frakcie, z ktorých vyrábajú množstva veľkotonážnych organických a anorganických chemikálií. Rafinérie a petrochemické výroby sú veľmi úzko prepojené, na mnohých miestach sú budované tesne vedľa seba, aby sa znížili náklady na prepravu surovín a produktov.

Nízko vriace alkény patria spolu s aromatickými zlúčeninami, syntéznym plynom a vodíkom medzi základné petrochemické produkty. Nízko vriace alkeny (etylen, propylen, buteny) sa vyrábajú prevažne vysokotepelnou pyrolýzou vhodných ropných frakcií. Aromatické uhľovodíky sa izolujú hlavne z reformátu vyrábaného reformovaním ťažkých benzínov, alebo pyrolýzneho benzínu po selektívnu hydrogenáciu, ktorou sa odstránia dieny.

Z pyrolýzneho oleja je možné izolovať naftalén a ďalšie polyaromatické uhľovodíky. Z vákuových zvyškov z destilácie mazutu aj zo štiepných procesov sa pomocou parciálnej oxidácie sa vyrábajú syntézne plyny, alebo čistý vodík. Zo syntéznych plynov sa vyrába metanol, amoniak a ďalšie chemikálie. Z týchto základných petrochemikálií sa ďalej vyrába celá rada iných chemikálií, z ktorých sa vyrábajú polyméry, textilné vlákna, rozpúšťadlá, zmäkčovadlá, výbušniny a podobne.

Odsoľovanie ropy: Veľká časť vody, v ktorej sa nachádzajú soli sa odstraňujú už v mieste ťažby ropy, aby sa do rafinérii nedopravovala voda. Ropa dopravená do rafinérie obsahuje zvyčajne 0,02-0,2% vody. Anorganické soli sa v rope vyskytujú hlavne ako chloridy a siričitany sodíka, vápnika a horčíka. Obsah soli v rope sa udáva väčšinou ako množstvo NaCl, pohybuje sa zvyčajne v rozmedzí 5-60 mg/kg.

V rafinérii sa anorganické soli odstraňujú predovšetkým z dôvodov, že spôsobujú koróziu technologických zariadení používaného pri spracovaní ropy. Ďalej sa usádza v potrubiach, v peciach a vo ventilátoroch. Upchávajú póry katalyzátorov používaných pri následnom spracovaní destilačného zvyšku, čím spôsobuje ich deaktiváciu.

Voda je vo vode obsiahnutá vo forme emulzie. Anorganické soli sú rozpustené v emulgovanej vode, alebo dispergované v kryštalickom stave v rope. K odstráneniu soli sa v súčasnosti používa elektrostatické odsoľovanie.

Schéma jednostupňového elektrostatického odsoľovania ropy(1,2-čeroadlo, 3-ohrievač, 4-zmiešavací ventil, 5-elektrostatický separátor)

Odsoľovanie prebieha pri teplotách 90-150°C. K rope sa pridáva 3-10% objemu čerstvá voda, v ktorej sa rozpustia soli dispergované v rope, a zároveň sa zníži koncentrácia soli v emulgovanej vode. Čím ma ropa väčšiu hustotu, tým viac vody a väčšia teplota sa pri odsoľovaní používa. Veľmi ťažké ropy sa pred odsoľovaním musia riediť vhodnou ropnou frakciou, aby sa znížila viskozita ropy a dosiahlo sa uspokojivé odsolenie.

Elektrostatické odsoľovanie môže byť jednoduché, alebo viacstupňové. Pri jednostupňovom odsoľovaní sa dosahuje 90-95% účinnosti a pri viacstupňovom odsoľovaní až 99% účinnosti.

Atmosférická destilácia ropy: Atmosférická destilácia sa uskutočňuje pri mierne zvýšenom tlaku cca 0,15MPa v atmosférickej destilačnej kolóne.

Odsolená ropa sa vo výmenníkoch tepla predhreje destilátmi z destilačnej kolóny na 280-300°C. Potom sa ohreje v trubkovej peci na cca360°C a vedie sa následne s vedie na nastriekové poschodie atmosférickej kolóny. Kapalné podiely klesajú cez niekoľko (2-4) destilačných poschodí do spodnej časti kolóny, kde sa z nich prehriatou vodnou parou vyháňajú ďalšie podiely. Ľahký benzín, plyny a vodná para odchádzajú hlavnou kolónou cez výmenníky tepla do kondenzátorov, kde benzínové pary a vodná para kondenzujú. Odtiaľ prechádzajú do separátora, kde sa oddeľuje voda, ktorá sa nepretržite odpúšťa. Ľahký benzín sa z časti vracia ako spätný tok na najvyššie poschodie, časť sa odvádza do zásobných nádrží.

Typická schéma atmosférickej destilácie ropy

Vákuová destilácia mazutu: Atmosférickou destiláciou mazutu sa obvykle získavajú 2-3 bočné vákuové destiláty. Hornou časťou kolóny odchádzajú pary vákuového plynového oleja s vodnou parou, prechádzajú výmenníkom, v ňom si vymieňajú teplo s mazutom. Ďalej idú do kondenzátora, v ktorom pri teplote 30-50°C skondenzuje plynový olej a časť vody. Časť skondenzovaného vákuového plynového oleja sa vracia ako spätný tok na najvyššie poschodie vákuovej kolóny. [6]

Typická schéma vákuovej destilácie mazutu

Vplyv spracovania ropy na ekosystém:

Petrochémia vo veľkej miere prispieva ku znečisteniu životného prostredia. Znečisťuje nielen atmosféru, ale aj hydrosféru a pedosféru. Do odpadových vôd sa tak dostávajú fenoly, ktoré počas chlórovania vody spôsobujú silný zápach vody. Najväčšie nebezpečenstvo pre hydrosféru predstavuje únik ropy na veľkých vodných plochách (moria) pri poruchách ropných veží (Mexický záliv) a rôznymi haváriami ropných tankerov. Takouto haváriou môže spôsobiť katastrofu pre cely ekosystém. Spolu s ropu sa do vody dostávajú aj fenoly, detergenty a iné škodliviny. [5]