Ropa

Zpracování ropy

světle žlutá až téměř černá kapalina, jejíž převážnou část tvoří kapalné uhlovodíky, ale i tuhé a plynné uhlovodíky i jiné látky. V malém množství se v ropě vyskytují sloučeniny síry, dusíku kyslíku, v nepatrném množství sloučeniny křemíku, niklu, mědi i jiných prvků. Uhlíku je v ropě průměrně 82 – 87 %, vodíku 10 – 14 %, síry do 4 %, dusíku a kyslíku do 1 %. Pokud jde o uhlovodíky, kolísá jejich obsah v ropě podle místa naleziště. Americké ropy obsahují převážně acyklické uhlovodíky s otevřenými řetězci, sovětské ropy obsahují nasycené alicyklické uhlovodíky s kruhovými řetězci, indonéské ropy obsahují aromatické uhlovodíky.

VZNIK ROPY

Jak vznikla ropa? Přesnou odpověď neznáme. Méně pravděpodobnější anorganická teorie předpokládá , že ropa vznikla rozkladem karbidů kovů vodou nebo postupnými přeměnami methanu, který vznikla syntézou uhlíku a vodíku. Mnohem pravděpodobnější a obecně uznávaná organická teorie předpokládá, že ropa vznikla z odumřelých mořských živočišných a rostlinných organismů, které se před miliony let za vysokých teplot, tlaků, hnitím a působením baktérií postupně rozložily na uhlovodíky.
Ropa v hlavních světových ložiskách pochází z hornin vzniklých ve dvou obdobích: mezi ordovikem a devonem (před 510-355 miliony let) a od jury do křídy (před 205-65 miliony let).

ROPNÁ LOŽISKA 

Ropa se často nalézá v propadlých částech zemské kůry (geosynklinálách), kde se vyskytují usazené horniny. Ropa se někdy nahromadí v pórovitých horninách, které se chovají jako houba. Tyto horniny jsou uloženy mezi nepórovitými, nepropustnými vrstvami, jimiž žádná kapalina procházet nemůže.
Do roku 2020 se stávající ropná ložiska vyčerpají. Mezitím bude třeba nalézt nová ropná pole přitom pravděpodobně půjde o méně dostupné oblasti.
V místech, kde příroda vytvořila ropná pole, se musely dodržet tři základní podmínky: musela tam existovat vhodná sedimentační hornina (ze které ropa vznikla), vhodná porézní hornina (ve které se ropa uskladnila) a neprostupná hornina, která jako poklop ropné ložisko přikryla. Sedimentační hornina (ropná továrna) vznikla z ryb, korýšů, planktonu a rostlin, které se pomalým tepelným rozkladem v průběhu milionů let přeměnily a ropu a zemní plyn. Porézní hornina do sebe jako houba ropu nasákla a nepropustná hornina vzniklé ropné ložisko jako kopule.
Geologové hledající nová ropná naleziště se tedy zaměřují na tyto tři druhy hornin. Používají přitom takové vědecké metody, jakými jsou měření magnetismu a gravitace. Metoda měření magnetismu je založena na tom, že každá hornina má specifické magnetické parametry, pomocí kterých je možné horninu identifikovat. Dalším pomocným faktorem je hustota horniny.
Měření magnetismu se často provádějí z letadel. Z naměřených hodnot se pak sestaví mapa podloží.
Gravitační měření jsou založena na porovnání hustoty různých vrstev hornin. K tomu se používá přístroj zvaný gravimetr, který měří změny gravitace s citlivostí jedné stomiliontiny zemské přitažlivosti. K dispozici je i jeho verze přizpůsobená k měření na moři.
Sebrané informace zpracovává počítač, jeho výsledky vyhodnocují geologové, a je-li oblast slibná, přistupuje se k detailnějším testům.
Drobnými explozemi nebo vibrací a zemském povrchu se do nitra Země vysílají rázové vlny, jejichž rychlost se liší v závislosti na druhu horniny. Narazí-li taková vlna na rozhraní dvou hornin, odrazí se od něj a její návrat se snímá mikrofony a zaznamenává zapisovacími přístroji. Na základě doby návratu na povrch počítač určí pozici vrstev horniny a ze získaných hodnot se pak vypracuje detailní průřezová mapa oblasti.
Přestože je tato metoda velmi spolehlivá a získané výsledky slibné, nedá se nikdy s určitostí tvrdit, že se na ropu opravdu narazí. Někdy se „papírově“ slabé oblasti ukážou jako bezcenné a jindy se narazí na bezedná naleziště v oblastech, o kterých všichni pochybovali. Je totiž velmi těžké s určitostí předpovědět, zdali hornina ropu zachytila, nebo zda ropa horninou pouze prosakuje.

TĚŽBA ROPY

Když se v roce 1969 ve Fortities Field v Severním moři poprvé narazilo na ropu, nikdo netušil, že se jí pod mořským dnem skrývá 350 milionů tun. 1. ropný vrt byl otevřen v Pensylvánii v roce 1859. Jak se vlastně ropa ze dna moře a ze země těží?
Pro ražení ropných vrtů se používají speciální hroty, které rotují a odkrajují vše, co jim přijde do cesty. Ocelový hrot nebo hrot s diamanty se nasazuje na konec silného ocelového soutyčí, poháněného motorem nebo turbínou, které rotuje a prodírá se zemským povrchem.
Do vrtu se pod tlakem pumpuje materiál zvaný vrtná kaše, který vytlačuje vyvrtané horniny na povrch. Ve skutečnosti nejde o „kaši“, ale o směs chemikálií vody, která vynáší odkrojky a ochlazuje vrtnou hlavici.
Postupem hrotu se vrt prohlubuje a ocelové soutyčí se po devítimetrových kusech musí nastavovat. Na jeho konci je nasazena obruba, která na vrtné plošině zapadá do rotující desky jako klíč do matky. Při nastavení trubky se stávající soutyčí vyzvedne, obruba se odstraní, nová trubka se připojí k vrtnému zařízení, obruba se vrátí na původní místo a vrtání může pokračovat.
V závislosti na druhu horniny se vrtný hrot musí čas od času vyměnit. Celé vrtné soutyčí se potom musí vytáhnout z vrtu, rozloží se na kusy o délce 27 metrů (každý z nich se skládá ze tří kratších) a složí se na plošině. Vrtný hrot se nakonec vynoří, vymění se za nový, soutyčí se smontuje a vloží zpět do vrtu. Je-li vrt hluboký, celá výměna, zvaná okružní cesta, může trvat až deset hodin.

ZPRACOVÁNÍ ROPY

V přírodní čili surové podobě je ropa zpravidla nepoužitelná. Zpracovává se v průmyslových závodech, které se nazývají rafinérie. Nejdůležitějším zařízením rafinerií je rektifikační kolona (věž). Rektifikační kolona je uzavřená válcová nádoba o průměru 3 – 4 m a výšce až 50 m, která je uvnitř rozdělena na jednotlivá tzv. patra vzdálená od sebe asi 0,5 m. Na každém patře jsou průchodová hrdla překrytá zvonky (kloboučky) a přepadové trubky.
Popis principu činnosti rektifikační kolony. Představme si, že kapalnou směs čtyř látek o různém bodu varu, pro zjednodušení zvolme směs látek A – 80°C, B – 60°C, C – 40°C, D – 10°C, zahříváme na teplotu 100°C a vzniklé páry přivádíme do spodní části rektifikační kolony. Páry směsi budou stoupat průchodovými hrdly vzhůru, ale protože se při proudění kolonou postupně ochlazují, bude teplota na 1. patře nikoli 100°C, ale jen 70°C, a tak převážná část plynné složky A o bodu varu 80°C na 1. patře zkapalní. Podobně na 2. patře zkapalní složka B, na 3. patře zkapalní složka C a jen složka D – 10°C bude z rektifikační kolony odcházet v plynném skupenství. Proč část zkapalněné složky přetéká přepadovými trubkami z vyššího do nižšího patra a proč část plynné složky D (zpětný tok neboli reflux) přivádíme po zkapalnění v chladicí znovu na nejvyšší patro kolony, si zdůvodňovat nebudeme. Spokojme se se skutečností, že tímto procesem zvaným rektifikace se původní směs rozdělí na kapalné složky podle bodu varu, které pak z jednotlivých pater odvádíme do uskladňovacích nádrží.
Postup zpracování ropy v rafinériích není vždy stejný. Záleží nejen na složení ropy, ale také na tom, jaké produkty chceme z ropy získat, a tak se budují rafinérie destilační, palivářské, olejářské i jiné. Popišme si technologii zpracování ropy na schématu rafinérie. Před vlastním zpracováním se ropa čistí, tuhé nečistoty a část vody se z ropy oddělí sedimentací (usazováním), elektrostatickým odvodněním a odsolením se zbavuje zbytků vody rozpuštěných solí, odstraňují se sloučeniny síry, aby nevznikala korozívní kyselina sírová. Takto očištěná ropa předehřátá na teplotu kolem 100°C se přivádí do trubkové pece, zde se zahřívá na teplotu 270 – 320°C, a dále se vede do tzv. atmosférické rektifikační kolony, kde se ropa za atmosférického tlaku rektifikací rozděluje na jednotlivé frakce (složky). Všimněme si, že jednotlivé frakce nejsou čisté látky, ale směsi různých uhlovodíků. Například směsí, jejichž řetězce obsahují 5 – 11 uhlíků neboli stručně směsí uhlovodíků C5 – C11. Ze spodní části kolony se odvádí destilační zbytek neboli mazut do trubkové pece, zde se zahřívá na teplotu 360 až 400°C a vzniklé páry se vedou do tzv. vakuové rektifikační kolony, kde se mazut za sníženého tlaku rozděluje na další frakce. Jaký účel má vakuová rektifikace? Za atmosférického tlaku by bylo možno mazut rektifikovat jen při teplotách vyšších než 360°C, ale při těchto teplotách by se uhlovodíky rozkládaly. Za sníženého tlaku se však body varu uhlovodíků v mazutu sníží přibližně o 100°C, a tak jejich rektifikace probíhá i při teplotách nižších než 360°C a uhlovodíky se rozkládají nepatrně. Popsali jsme si postup, jímž se z ropy získávají různé frakce. Podívejme se ve dvou následujících kapitolách na ropu z hlediska dvou rozdílných způsobů jejího využití, které lze stručně vyjádřit takto:
Za prvé – při palivářském zpracování ropy využíváme jednotlivých frakcí buď přímo, nebo je zpracováváme na pohonné hmoty, topná paliva a jiné užitkové produkty. Z druhé – při chemickém zpracování ropy využíváme jednotlivých frakcí k získání čistých uhlovodíků, které jsou základními výchozími látkami pro syntézu převážné většiny výrobků organické chemie.

PALIVÁŘSKÉ VYUŽITÍ ROPY A MOTOROVÉ BENZÍNY

Zpracování ropy na jednotlivé frakce má samozřejmě svůj smysl. Všimněme si využití jednotlivých frakcí alespoň ve stručném přehledu:
- Z uhlovodíkových plynů se kromě jiných látek oddělují propan a butan, které se po zkapalnění využívají jako topné plyny například ve známých propanbutanových vařičích.
- Z benzínu se vyrábějí jednak motorové benzíny neboli motorová paliva, jednak technické benzíny, jako je čistící benzín používaný k odmašťování kovových součástí a k čištění textilií, lékařský benzín používaný v lékařství, farmacii a kosmetice a lakový benzín používaný k ředění nátěrových hmot, lešticích past a jiných výrobků.
- Petrolej se používá dnes sice již v omezené míře k svícení v petrolejových lampách nebo k topení v petrolejových kamínkách, zásadní význam má však petrolej jako palivo pro motory proudových a tryskových letadel.
- Plynový olej se mísí s petrolejem na motorovou naftu k pohonu Dieselových (naftových) motorů nákladních automobilů a traktorů, nebo se zpracovává na topnou naftu pro průmysl (vyhřívací pece) i malospotřebitele (naftová kamna).
- Z olejových frakcí se zpracovávají nejrůznější mazací oleje, jako jsou automobilové motorové oleje, ložiskové oleje a oleje na šicí stroje, z olejových frakcí některých rop se získává parafín, směs pevných nasycených alkanů, používaných k výrobě svíček a kosmetických přípravků.
- Asfaltu se používá k výrobě silničních asfaltů, ve stavebnictví k ochraně základů proti vlhkosti, k zhotovování asfaltových střešních lepenek.
Již z uvedeného je zřejmé, že význam ropy je skutečně mimořádný. Jen pro představu - v ČSSR připadl jeden osobní automobil přibližně na 7 obyvatel bez rozdílu věku, přičemž automobil spotřebuje na 100 km jízdy průměrně 7 až 12 litrů benzínu.
Stačí krýt benzínová frakce ropy veškerou spotřebu benzínu? Zdaleka ne. Odkud tedy získáváme potřebné množství benzínu? Zpracováním výševroucích frakcí ropy postupem, který nazýváme krakování. Připomeňme se, že benzínová frakce obsahuje nižší uhlovodíky C5 až C11 a výševroucí frakce vyšší uhlovodíky C12 až C40.
Co je to krakování? Stručně řečeno tepelné štěpení vyšších uhlovodíků na nižší uhlovodíky. Musíme si uvědomit, že jde jen o příklad jednoho jediného štěpení z mnoha dalších, že při krakování se štěpí i ostatní druhy vyšších uhlovodíků, že z uvedeného dekanu mohou vzniknout i molekuly pentanu a 1-pentenu, že uvedený butan se může štěpit na molekuly 2-butenu a vodíku atd. Důležité je, že krakováním nevyužitých frakcí získáváme další podíly krakového benzínu C5 až C11 a navíc podíly krakového plynu C1 až C4. Krakováním se vyrábí více než polovina veškerého benzínu.
Neméně důležitý je i proces reformování. Reformování je souhrnný název pro různé katalytické reakce, při nichž se benzínové frakce a krakové benzíny s nízkým oktanovým číslem zušlechťují na benzíny s vyšším oktanovým číslem. Uveďme alespoň proces zvaný platformování, to především proto, že kromě vysokooktanového benzínu vznikne platformováním asi 20% alkanů C1 až C4 a aromatických uhlovodíků, především benzenu, toluenu, xylenu, ethylbenzenu, které jsou významnou výchozí surovinou organické chemie.

PETROCHEMIE

Petrochemie je odvětví chemie, které se zabývá výrobou základních organických látek ze
sloučenin získávaných především z ropy a ze zemního plynu.
Souhrnné připomenutí hlavních zdrojů látek pro petrochemii. Počet uhlovodíkových sloučenin a poměrně jednoduchých reakcí používaných při petrochemických syntézách základních organických sloučenin je skutečně překvapivě malý. Podívejme se například na některé základní petrochemické syntézy vycházející z nejjednoduššího uhlovodíku methanu CH4. Rozmanitost strukturních vzorců sloučenin získaných jen po přeměně methanu na acetylen je jistě přesvědčující. A co víc. Získané produkty jsou výchozími látkami k syntézám dalších a dalších organických sloučenin, které pak chemický průmysl zpracovává na nejrůznější výrobky.
Představy o vytvoření základních petrochemických syntézách získáme tím, když předem zdůrazníme, že uvedeme jen některé výchozí látky, petrochemické syntézy a výrobky.

MOTOROVÝ BENZÍN

Je to směs kapalných uhlovodíků C5 až C11, jejichž složení a obsah v benzínu kolísá podle druhu a způsobu zpracování ropy. Jako příklad uveďme tyto orientační údaje: alkany 60 – 65%, cykloalkany 20 – 25%, aromatické uhlovodíky 10 – 15%.
Jakost benzínu závisí na řadě okolností, které ovlivňují startovací schopnosti motoru, rovnoměrnost otáček motoru, dokonalé spalování benzínu ve válcích. Důležitým, mezinárodně uznávaným měřítkem jakosti benzínů je tzv. oktanové číslo. U jakostních benzínů probíhá spalování ve válci motoru tak, že se tlaková vlna šíří od svíčky k pístu rychlostí okolo 30 m/s. U méně jakostních benzínů dochází k jejich předčasnému vznícení, k detonačnímu spalování, tlaková vlna naráží na píst nepřiměřenou rychlostí až 2500 m/s a důsledkem je tzv. „klepání“ (zvonivě dunivé zvuky), které se projeví snížením výkonu motoru, zvýšenou spotřebou benzínu a oleje, zvýšeným zahříváním a opotřebováním součástí i jinými nepříjemnostmi. Měřením bylo zjištěno, že nejvyšší „klepání“ vyvolá n-heptan, nasycený alkan s přímým řetězcem sedmi uhlíků, nejmenší „klepání“ vyvolá rozvětvený uhlovodík 2,2,4-trimethylpentan neboli isooktan.
A tak se dostáváme k veličině zvané oktanové číslo, které vyjadřuje odolnost benzínu vůči detonačnímu spalování, tedy vůbec „klepání“.Dohodou bylo stanoveno, že n-heptan má oktanové číslo 0 a 2,2,4-trimethylpentan oktanové číslo 100. Co znamená, žemá automobilový benzín oktanové číslo 90? To, že má stejnou antidetonační odolnost jakosměs 90% 2,2,4-trimethylpentanu a 10% n-heptanu. Možná sami víte, že se v ČSSR vyráběly pro motoristy tři druhy benzínu, a to benzín normál 80, speciál 90 a super 96, kde čísla vyjadřují oktanová čísla toho či onoho druhu benzínu. Jistě je zřejmé, že čím vyšší má benzín oktanové číslo, tím vyšší je jeho antidetonační odolnost. Můžeme v automobilech používat benzíny s různým oktanovým číslem? Můžeme, ale každý motorista by měl vědět, že optimální výkon má motor jen tehdy, je-li oktanovému číslu benzínu přizpůsoben tzv. základní předstih, který se nastavuje pootáčením rozdělovače.

CENA ROPY

V roce 1973 se ropa zbláznila. Svět zažil první ropný šok. Během doby jen o trochu delší než rok se cena zvedla z 2,90 dolaru za barel na 11,65 dolaru. To byl hrůzný skok na čtyřnásobek. I když je to, měřeno tehdejší kupní silou, vlastně stejná cena jako současných zhruba 25 dolarů za barel. A právě ropa je jedním z důvodů, proč tomu tak je, protože její cenové skoky vyvolaly po celém světě několik vln inflace. Stejně tak je ropa hlavním důvodem (druhým je stále vyšší spotřební daň), proč u českých benzínových pump stojí litr naturalu mezi 24 a více než 26 korunami. Zvláště když jen před rokem přišel litr na slabých 20 Kč.
Cena barelu ropy vzrostla za poslední rok (od března 1999) z necelých deseti dolarů na více než pětadvacet a ve vyhrocených okamžicích a jednotlivých kontraktech uzavíraných pod okamžitým tlakem se dostala až na osmadvacet dolarů.

OMEZENÉ ZÁSOBY ROPY

Pokud se nesníží spotřeba, budou podle expertů světové zásoby vyčerpány do poloviny 21. století. „Ropa o objemu jednoho bilionu barelů, která se nachází na dosud známých nalezištích, bude vytěžena do roku 2036, pokud se neomezí současná spotřeba,“ varoval před dvěma roky v časopise Nature americký vědec D. Hatfield. Zástupcům ropného průmyslu přijde tato zpráva příliš pesimistická a zbytečně alarmující.
Mluvčí Světové rady pro energetiku se sídlem v Londýně Julian Chsholm kontroloval, že podle jiných odborníků jsou současné zásoby ropy stále značné a vydrží nejméně do roku 2050, ne-li déle. To je sice lepší, ale jen o málo.
Kde je totiž někdejší naděje lidstva, že v roce 2000 vymyslí lepší energetický pohon a že dávno před vyčerpáním ropy bude lidstvo získávat podstatné množství energie z větru a slunce?
J. Chisholm nás však utěšuje: „Odhady zásob ropy se dělají od počátku stočtyřicetileté historie petrochemického průmyslu – a pokaždé byly chybné. Znovu a znovu se nalézají dříve nečekané zdroje a lepší a lepší technologie umožňují těžit i z dříve nemyslitelných míst.