Nafta
Nafta yra skystas tirpalas, kurį sudaro sotieji dujiniai, skysti ir kieti angliavandeniliai (anglies atomų skaičius gali svyruoti nuo 1 iki 50 ir daugiau). Naftoje yra nedidelis kiekis sieros, deguonie ir azoto. Kai kurias naftos rūšis sudaro didelis aromatinių angliavandenilių kiekis.Nafta yra angliavandenilių mišinys, kuris retkarčiais išsisunkia iš žemės į paviršių ir sudaro naftos ežerėlius. Dažniausiai nafta gaunama iš gilesnių žemės sluoksnių, gręžiant šulinius. Neapdirbta nafta dažniausiai būna šviesi, mažo klampumo; pasitaikanti rečiau rusvos ar net juodos spalvos. Nafta būna klampi, nemalonaus kvapo, kuris pareina nuo sieringų junginių.Dažniausiai nafta būdama skysta, keitė savo požeminę vietovę, kol pakliuvo tarp vandens ir naftos nepraleidžiančių sluoksnių. Nustatyta, kad nafta rinkosi iškilesnėse slenkančio smėlio sluoksnių dalyse, o vanduo bei jo prisotintas tirpalas mineralinėmis druskomis-to paties sluoksnio įdubimuose. Iš aplinkos geologinių sluoksnių formacijos dažnai pavyksta atspėti ir naftos laukų buvimą požemyje. Kartais nafta susigeria į palyginti minkštą kalkakmenį su trupučiu smėlio ir molio ir sudaro kukerzitą. Naftos laukams nustatyti naudojami įvairūs prietaisai, kaip seismografiniai įrenginiai, Sukamosios svarstyklės, gravimetrai. Nafta mažais kiekiais pradėta eksploatuoti nuo 1858. Tuo metu gautas žibalas daugiausia buvo taikomas apšvietimui. Pritaikius mechaniškus grąžtus naftos eksploatacija žymiai padidėjo, ypač atsiradus vidaus degimo varikliams. Neapdirbta nafta transportuojama vamzdžiais ir tanklaiviais į naftos apdirbimo įmones. Kartais tokios įmonės įrengiamos visai netoli naftos laukų.Nėra abejojimo, kad nafta yra susidariusi iš organinės kilmės medžiagų: mažų gyvių bei augalų likučių. Amžių būvyje jų likučiai rinkosi beorėje aplinkoje ir palyginti žemose temperatūrose (apie 60-800C) ir aneorobinių bakterijų įtakoje skaidėsi : baltyminės ir cukrinės medžiagos suskilo, o riebalinės, dažniausiai rūgščių pavidalu išsilaikė. Manoma, kad iš šių riebalinių medžiagų amžių būvyje susidarė šiandien randama nafta. Jauniausia nafta turi apie 10 milijonų metų. Veikiamos aplinkos mineralinių katalizatorių (rūgščių savybių molio) įtakoje, palyginti, žemose temperatūrose (60-800C) riebalinės medžiagos keitėsi į lakesnius junginius-angliavandenilius. Šią teritoriją taip pat patvirtina ir faktas, kad nafta, randama aplinkoje, kuri nebuvo palanki mineralinių katalizatorių veikimui, pvz. Kvarco smėlio sluoksniuose, yra mažai pakitusi ir joje randama gana daug riebalinių rūgščių, turinčių net dvigubų jungčių.
Naftos pagrindą, chemiškai, sudaro angliavandeniliai, pastarieji gali siekti net iki 98%. Naftoje randami angliavandeniliai būna arba sotūs dažniausiai linijinės formos grandinės vadinami parafinais, arba žiedinės formos: cikliniai parafinai – naftenai ir aromatiniai junginiai. Olefinų naftoje randama labai maži kiekiai. Iš cikloparafinų daugiausia paplitę cikloheksanas ir ciklopenanas, mažiau cikloheptanas. Aromatiniai angliavandeniliai, pvz. Benzeno, ksilenų, naftoje randami mažais kiekiais. Didesni kiekiai pasitaiko tetrahidro naftaleno ir jo homologų. Be angliavandenilių, naftoje randama ir deguonies turinčių junginių, ypač nafteninių rūgščių. Tai ciklopentano kiltiniai, susidaro oksiduojant ciklopentano homologus. Šios rūgštys naftos produktuose nepageidaujamos ir yra išvalomos plaunant naftos produktus šarmais. Sieros junginių naftoje būna nedaug (nuo 0,01 iki 0,1%). Šie junginiai (merkaptanai, tiofenai ir pan.) Suteikia naftai nemalonų kvapą, o naftos dirbiniuose sukelia metalų koroziją, užtat stengiamasi iš naftos juos pašalinti. Azotinių junginių naftoje sutinkama nedaug (nuo 0,008 iki 0,1%). Vyrauja chinolinas ir jo kiltiniai. Jų kiekis svyruoja nuo 1,5 iki 40%. Be to, naftoje pasitaiko metalų organinių junginių, arba emulsijos (ištirpusių druskų vandenyje) arba naftenatų (vanadžio, nikelio, geležies ir pan.) pavidalais.Paprastai nafta turi mažą procentą lakių medžiagų (benzino). Benziną pradėjo gaminti iš sunkesnių naftos produktų skaldymo būdu (aukštose temperatūrose 400-5000C), naudojant katalizatorius arba be jų. Pastaruoju laiku benzinas gaminamas ir polimerizuojant labai lakius skaldymo produktus (dujinius). Gauti produktai hidrogenuojami. Tokiu būdu benzino produkcijos kiekis pakilo iki 30-40% visos gaunamos neapdirbtos naftos. Skaldymo būdu gautas benzinas yra kiek geresnės kokybės, ypač dėl savo aukšto oktano skaičiaus. Benzinui, kaip ir kitiems naftos produktams yra išdirbti standartai, kuriems šie produktai turi atitikti, pvz. Distiliacijos kreivė, klampumas įvairiose temperatūrose, kaloringumas, rūgštingumas ir pan. Pagal lakumą nafta skirstoma į benzino frakciją, nuo 50 iki 150-1600C, žibalo-nuo 150 iki 3200C, dyzelinių alyvų-nuo 260 iki 4000C.
Tepamosios alyvos distiliuodamos sumažinus slėgimą ir valomos chemikalais. Iš parafininės naftos distiliacijos likučio išskyrus tepamąsias alyvas, gaunamas vazelinas, kurio didžioji dalis sunaudojama vaistų pramonėje, ir parafinas, kuris skiriamas žvakių bei degtukų gamyboms. Atskyrus šiuos produktus, pats distiliacijos likutis suvartojamas šildymui kokso gamybai. Be šių produktų, šiandien iš naftos bei jos perdirbimo produktų gaminama gana daug chemikalų, plastinių medžiagų ir pan. Naftos reikšmė tautų ūkiui yra labai didelė, nes šiluminė ir iš dalies elektros energija, transportas priklauso nuo naftos produktų pagamintų kiekių.Naftos paplitimas
1995 m. pasaulyje buvo 10 – 12 naftos baseinų, kurių išžvalgytos atsargos viršijo milijardus tonų. Nepatvirtintais duomenimis, Kinijos Sunliao baseino išžvalgytos atsargos irgi didesnės negu 1 mlrd. t.Didžiausio pasaulyje Persijos įlankos baseino (PIB) išžvalgytos atsargos viršija 90 mlrd. t. ir sudaro 66 proc. pasaulio atsargų. Net devyniolikos PIB telkinių išžvalgytos atsargos didesnės negu 1 mlrd. t. Dviem didžiausiems šio baseino telkiniams – Gavarui (Ghawar) ir Burganui – tenka 14 proc. pasaulio išžvalgytos naftos atsargų.Didžiausias Venesueloje pagal išžvalgytas naftos atsargas yra Marakaibo (Maracaibe) baseinas. Tačiau Orinoko (Orinoco) baseine glūdi tiesiog sunkiai įsivaizduojami naftos klodai. Manoma, kad įtikėtinos sunkiosios, arba klampiosios, naftos atsargos čia siekia nuo 150 iki 450 mlrd. t., t. y. gerokai daugiau negu visos pasaulio išžvalgytos atsargos. Tačiau šiuolaikiniai technologiniai įrenginiai nepajegia šios naftos išsiurbti arba gavyba atsieitų pernelyg brangiai.
Fiziniai naftos perdirbimo būdai.
Naftai perdirbti yra fiziniai ir cheminiai būdai. Fiziniais būdais vadinami tokie būdai, kai, perdirbant naftą, nepasikeičia joje esančių angliavandenilių struktūra. Pavyzdžiui, jaegu naftoje yra daugiausia alkanų, tai ir jos prodūktuose jų liks daugiausia. Cheminiai perdirbimo būdai pakeičia angliavandenilių struktūrą, todėl žaliavos ir gautų produktų savybės skiriasi. Pavyzdžiui, benzine labiau pageidaujami arenai, bet naftoje daugiau yra alkanų. Perdirbant naftą cheminiu būdu, alkanai yra paverčiami arenais.
Išsiurbta iš žemės gelmių nafta yra surenkama specialiuose rezervuose. Dar verslovėse atskiriamos dujos, vanduo, druskos ir mechaninės priemaišos. Po to atliekamas pirminis jos perdirbimas – distiliavimas, t. y. naftos sudėtyje esančių angliavandenilių atskyrimas vienų nuo kitų pagal virimo temperatūras į frakcijas. Distiliavimas vyksta esant atmosferos slėgiui. Nafta / siurbliu / (5 pav.) per šildytuvą 2 ir valytuvus 3 tiekiama į kaitinimo krosnį 4. Krosnyje ji įkaitinama iki 350 – 380°C, ir visi angliavandeniliai, kurių virimo temperatūra yra žemesnė negu 380 °C, išgaruoja. Naftos garai ir likęs kondensatas patenka į atmosferinę rektifikavimo koloną 5, kurioje temperatūra, kylant į viršų, palengva mažėja nuo 380 °C (apačioje) iki 30 °C (viršuje). Įvairiuose kolonos aukščiuose padarytos specialios pertvaros kondensatui surinkti. Garai, kildami į viršų, palengva atvėsta ir ant atitinkamų pertvarų kondensuojasi. Taip naftoje esantys angliavandeniliai pagal virimo temperatūras išsiskaido į dujų II ( < 30°C), benzino /// (30 – 200°C), žibalo IV (120 – 320 °C) ir gazolio V (160 – 380 °C) frakcijas, kurių tankis (20 °C temperatūroje) toks: benzino – 710 – 740 kg/m3, žibalo – 790 – 830, gazolio – 800 – 860, alyvų – 870 – 940 kg/m3. Liekana VI vadinama mazutu (>380°C). Dujų (C1-4) gaunama 1 – 1,1%, benzino (C6-11) – 12 – 15, žibalo (C9-15) – 16 – 17, gazolio (C12-17) – 17 – 20, mazuto (C18-50) – 45 – 50%. Benzino, žibalo ir gazolio frakcijos, kurių virimo temperatūra yra iki 350 °C, vadinamos šviesiaisiais naftos produktais. Gauti distiliatai dar netinkami naudoti ir tėra tik žaliava tolesniam perdirbimui: kai kurie iš jų gali būti dar kartą distiliuojami ir skirstomi į smulkesnes frakcijas, perdirbami chemiškai, valomi. Benzinas, pavyzdžiui, skaidomas į tokias frakcijas: virimo temperatūra iki 62 °C, 62 – 85, 85 – 105, 105 – 140, 140 – 180 °C. Gaminant prekinius produktus, išvalyti distiliatai dozuojami pagal tam tikrą frakcinę sudėti ir į juos įmaišoma specialių priedų eksploatacinėms savybėms pagerinti. Iš benzino frakcijų gaminamas automobilinis ir aviacinis benzinas, iš žibalo – reaktyviniai degalai, techninis ir apšvietimo žibalas, iš gazolio – dyzeliniai degalai. Mazutas naudojamas tepalams ir krosniniam kurui gaminti, taip pat kaip žaliava krekingo procesams.Cheminiai naftos perdirbimo būdai
Distiliuojant naftą, ben¬zino gaunama nedaug – vos 10 – 15% nuo perdirbamos naftos. Be to, distiliatas būna labai neatsparus detonacijai, nes naftos lengvo¬siose frakcijose, kurių, distiliuojant naftą, patenka į benzinus, dau¬giausia yra oksidacijai neatsparių normaliųjų alkanų. Distiliato benzino oktaninis skaičius neviršija 60—70 vienetų, o kokybiškų benzinų jis turi būti ne mažesnis kaip 90. Daugiau ir geresnės kokybės benzino galima gauti taikant antrinius – cheminius naftos perdirbimo būdus. Gaminant dyzelinius degalus ir tepalus, distiliatų perdirbti chemiškai nereikia. Todėl, pavyzdžiui, dyzeliniai degalai “yra žymiai pigesni negu benzinas.Cheminiai naftos perdirbimo būdai yra skirstomi j terminius ir katalitinius. Terminiais procesai vadinami tokie, kai naftos distiliatai, perdirbami aukšta temperatūra ir slėgiu, o katalitiniais tokie, – kai procesui paspartinti dar panaudojami ir katalizatoriai. Gaminan benzinus, svarbiausi iš cheminių procesų yra krekingas, riformingas, izomerizacija, alkilinimas, polimerizacija, hidrogenizacija ir kt. Krekingas naudojamas benzino kiekiui padidinti. Jo esmė yra tokia. Veikiant aukštai temperatūrai T, slėgiui P ir katalizatoriams K sunkesnieji angliavandeniliai suskaidomi į lengvesniuosius.Krekingas būna katalitinis ir terminis. Dabar daugiausia naudojamas katalitinis krekingas. Katalizatoriai pagreitina reakcijas, pagerina produktų kokybę, procesas gali vykti esant žemesnei temperatūrai ir mažesniam slėgiui. Benzino kiekis ir kokybė priklauso nuo žaliavos, temperatūros, slėgio, katalizatorių ir kitų faktorių. Žaliava krekingui yra mazutas. Padidėjus dyzelinių degalų paklausai, gazolio frakcijos mažai benaudojamos. Geriausiai tinka aukštesnieji alkanai ir cikloalkanai, kurių virimo temperatūra yra aukštesnė kaip 190 °C. Alkanai skaidydamiesi padidina benzino išeigą, o cikloalkanai, virsdami arenais, pagerina jo kokybę. Arenai, esantys žaliavoje, papasižymi stabilumu, taigi krekingo metu lieka nepakitę. Reakcijoje susidarė alkanai jungiasi tarp savęs sudarydami izoalkanus ir arenus arba, prisijungę vandenilį, tampa sočiaisiais angliavandeniliais. Kretingas sparčiau vyksta aukštesnėje temperatūroje, tačiau tada susidaro daugiau nesočiųjų angliavandenilių. Slėgis sumažina nesočiųjų ir dujinių angliavandenilių kiekį, nes tokiomis sąlygomis jie lengviau jungiasi vieni su kitais arba prisijungia vandenilį. Katali¬tinis krekingas atliekamas esant 470 – 530 °C temperatūrai ir 0,13 – 0,28 MPa slėgiui. Katalizatoriais naudojami kristaliniai aliuminio silikatai -–ceolitai.
Naftos naudojimas
Iš naftos gaunami produktai panaudojami įvairiose srityse. Nafta yra pagrindinė žaliava vidaus degimo variklių degalams, tepalams, taip pat sintetinėms medžiagoms ir jų dirbiniams gaminti. Iš kai kurių naftos rūšių gaunamos paratinas, kuris naudojamas gaminant degtukus, žvakes ir kt. Mazuto distiliacijos liekana – gudronas. Jis naudojamas keliams tiesti. Įvairios benzino rūšys – aviacinis, automobilių ir kt. Ligroinas naudojamas kaip degalai traktoriams (dyzelinis kuras) . Išvalytas žibalas naudojamas kaip degalai traktoriams, reaktyviniams lėktuvams ir raketoms. Iš etileno dujų gaunami produktai naudojami plastmasių ir sintetinio kaučiuko gamyboje. Iš propileno gaunamas acetonas, kuris naudojamas celiuloido, pluošto, bedūmio parako gamybai. Krekingo dujos yra naudojamos aukštos kokybės muilo, acto rūgšties, įvairių tirpiklių, glicerino gamyboje ir pan.
Naftos produktai
Dabartiniu metu iš naftos, chemiškai ją perdirbant, gaunama šimtai pavadinimų gaminių, pradedant skystu kuru, cheminiu pluoštu, plastmasėmis, baigiant sprogstamomis medžiagomis ir vaistais.Nafta, pagal savo chemišką sudėtį skirstoma į parafininę, nafteninę, nafteninę-aromatinę, asfaltinę ir asfaltinę-aromatinę. Atsižvelgiant į naftos sudėtį vykdomas ir tolesnis jos apdibimas. Apdirbant naftą gaunama gana daug prekyboje sutinkamų naftos produktų: benzino ( lengvo, vadinamo petroleteriu, motorinio ir sunkaus ), žibalo, dizelinės ( dujinės ) alyvos, tepamųjų alyvų, vazelino, parafino, parafininės alyvos, asfalto, kokso, suodžių ir pn. Parafininės kilmės nafta, frakcinuota distiliacija, skirstoma į lakiąsias medžiagas ( iki 300 – 3500C ), o likutis, jeigu neskiriamas aukštų temperatūrų skaldymui ( krekingui ), perdirbamas į mineralinius tepalus, vazeliną ir parafiną. Asfaltinės kilmės naftos distiliacijos likutis duoda asfaltą.Benzinas. Ekonominiu požiūriu reikšmingiausios yra naftos frakcijos, verdančios 30 – 200 0C temperatūroje. Neigiama benzino savybė yra detonavimas, kai be reikalo iššvaistoma energija, t. y. įvyksta labai staigus sprogimas, kurį sukelia mechaninis spaudimas. Bandant šito išvengti, į benziną pridedama antidetonatorių, dažniausiai tetraetilšvino. Oktaninis skaičius yra benzino atsparumo detonacijai rodiklis, susijęs su laisvai pasirinkta skale bandomojo variklio galiai matuoti. n – heptanui priskirta reikšmė yra 0; 2,2,4-trimetilpentanui – 100. Siekiant daugiau pagaminti benzino, negu rafinuojant naftą, taikomi įvairūs procesai, pvz., krekingas. Tai aukštos virimo temperatūros frakcijų terminis ir katalizinis skaidymas. Šio proceso metu susidaro mažesnės molekulės, nuo kurių priklauso produkcijos padidėjimas bei kokybės pagerėjimas. Izomerizacijos metu tiesios grandinės molekulė paverčiama šakotinės grandinės molekule ( pvz., n – heptano izomerizavimas į 2,2-dimetilpentaną ). Polimerizavimas yra mažesnių, labai lakių, angliavandenilių molekulių sujungimas į didesnes molekules. Alkilinimas yra nesočiųjų angliavandenilių molekulių reakcija, susidarant sočioms molekulėms. Reakcijos metu susidarę angliavandeniliai labai išsišakoję, o jų oktaninis skaičius apytiksliai lygus 100.
Naftos gabenimas išnaudojimas – pavojus aplinkai
Transportuojant naftą, daugiausia teršalų į vandenį patenka per tanklaivių, naftos gręžinių, pavandenių vamzdynų avarijas, iš plaunamų tanklaivių triumų. Išsiliejusi nafta užteršia ne tik vandenį, bet ir pakrantes, sunaikina daug gyvūnų , augalų. Avarijos ir nelaimių padariniams likviduoti daugelyje jūrinių šalių įkurtos specialios tarnybos. Gelbėjimo darbams jos naudoja įvairią techniką ir būdus. Deginami naftos produktai irgi labai teršia aplinką. Ypač daug kenksmingų medžiagų išsiskiria deginant benzinui ir dyzelinui, todėl transportas yra pagrindinis oro teršėjas. Aplinką labai teršia naftos produktus naudojančios šiluminės elektrinės, pramonės, pramoninės įmonės, katilinės.
Naudota literatūra:
1. http://www.rtn.lt/mi/0310/nafta.html2. http://mokslo.centras.lt3. ,,Organinė Chemija” 11 klasei; Lawrie Rayan; Vilnius 20024. http://www.mokslai.com/main/index.php?pg=essays&act=view_full&essay_id=24654