Petrolul - Compozitia chimica a petrolului, Zacaminte de petrol

Compozitia chimica a petrolului

Petrolul si gazele naturale sunt amestecuri de hidrocarburi care se gasesc ca zacaminte in scoarta pamantului in diferite regiuni. Petrolul (titeiul) contine intotdeauna reprezentati ai trei clase de hidrocarburi :saturate aciclice (alcani),saturate aciclice (cicloalcani) si aromatice. Proportia acestora variaza de la un zacamant la altul. Hidrocarburile nesaturate alchenele si mai ales acetilenele lipsesc din compozitia titeiului.

Zacaminte de petrol

Prin petrol brut sau titei se inteleg amestecuri de hidrocarburi in stare lichida. Din punct de vedere geologic ,zacamintele de petrol au cateva trasaturi generale din care rareori lipseste vreuna. Astfel, petrolul se gaseste intr-o incretire a scoartei ,imbibat,sub presiune inalta,intr-un strat de roca poroasa ,prins intre doua straturi impermeabila . In partea superioara a stratului de roca poroasa se gaseste zona in care se acumuleaza produsele gazoase iar in partea inferioara se gaseste o portiune imbibata cu apa sarata. Prezenta acestuia din urma constituie unul din argumentele teoriei formarii petrolului prin fermentatie ,in absenta aerului, a resturilor de vietuitoare (mai laes microscopice)care s-au depus pe fundul marilor in epoci geologice. In acelasi sens pledeaza si analiza chimica a petrolului,care a pus in evidenta ramasite ale moleculelor caracteristice arsenalului chimic al celulei vii.

Conditia principala pentru ca descompunerea acestor resturi de vietuitoare sa ia calea imbogatirii in carbon o constituie absenta oxigenului; in caz contrar ar avea loc fermentatia aeroba,cu degajarea produselor obisnuite ale metabolismului microorganismelor, bioxidul de carbon si apa. Conditia lipsei de oxigen se indeplineste cel mai bine in sedimente foarte putin rascolite depuse pe fundul marilor fara flux si reflux. Primele etape ale descompunerii fermentative se petrec chiar pe locul de origine si duc la o scadere a continutului in oxigen, azot si sulf a sedimetelor organice in straturi mai profunde.Etapele decisive au avut loc insa dup ace miscarile scoartei au antrenat depozitul de materii organice in straturi mai profunde. Aici procesul de transformare in hidrocarburi s-a desfasurat la presiuni si temperature inalte si a beneficiat de actiunea catalitica a rocilor cu care substantele organice veneau in contact.

Zacamintele de hidrocarburi reprezinta o bogatie incalculabila ,iar utilizarea lor drept surse de combustibili va fi supusa foarte curand,fara indoiala,unor limite drastice. Pe de o parte se vor dezvolta alte mijloace de producere a energiei ,mai rentabile si mai lipsite de efecte secundare (poluarea atmosferei prin produse de ardere etc.), pe de alta parte, apare tot mai nerationala arderea pana la bioxid de carbon si apa, pe un drum lung si complicat compusii din care se pot prepara, prin sinteza organica, substante fara de care civilizatia actuala ar fi de neconceput.

Extractia si prelucrarea petrolului

Zacamintele de petrol se exploateaza tot prin foraje ,cu ajutorul sondelor. Extractia petrolului poate avea loc in doua situatii si anume: petrolul poate fi adus la suprafata de presiunea gazelor naturale din zacamant( care uneori provoaca eruptii greu de controlat)sau poate fi necesar pomparea ,daca zacamantul nu se gaseste sub presiune ,ca urmare a epuizarii gazelor.

Dupa extractie, petrolul se supune prelucrarii. Putem distinge ,in linii mari, trei etape principale de prelucrare a titeiului:

-indepartarea impuritatilor care au alta natura chimica decat hidrocarburilor;

-fractionarea, prin distilare , a amestecului de hidrocarburi(rafinate);

-prelucrarea chimica a fractiunilor obtinute prin rafinare.

Indepartarea impuritatilor

Se elimina apa ,care ,dupa cum stim ,insoteste intotdeauna titeiul ,precum si excesul de compusi cu sulf etc.

Rafinarea

Utilizandu-se coloane de distilare ,de dimensiuni mari ,titeiul se fractioneaza in cateva grupuri de hidrocarburi, pe baza diferentelor dintre punctele lor de fierbere. Acestea din urma sunt cu atat mai ridicate cu cat numarul de atomi de carbon din molecula hidrocarburii este mai mare. Deoarece, in timpul functionarii ,vaporii si lichidul sunt in echilibru termic ,la baza coloanei temperature atinge 350-360 C ,corespunzand punctului de fierbere al fractiunilor celor mai grele , iar la partea superioara temperature este numai de 25-50 C(fractiunile cele mai usoare).

Figura de mai jos este o reprezentare shematica a unei coloane de rafinare indicand zonele de temperature si principalele produse care sunt separate din talerele de la nivelele respective ale coloanei. In paranteze se indica numarul de atomi de carbon al hidrocarburilor care in fractiunea respective. Se dau, de asemenea, indicatii privind cele mai obisnuite utilizari drept combustibil.

Multe din aceste fractiuni sunt supuse apoi chimizarii ,fie pentru a le utiliza ca materii prime in industria chimica organica, fie pentru a le imbunatati calitatile lor de carburanti.

Astfel benzinele ,obtinute direct prin rafinarea petrolului, nu permit atingerea unor randamente suficient de ridicate ale motoarelor cu explozie. Se stie ca randamentul motorului depinde foarte mult de gradul de comprimare a gazelor( amestec de aer si vapor de benzina ) inainte de detenta ,produsa ca urmare a exploziei amorsate de scanteia alectrica data de bujie. Comprimarea amestecului nu se poate efectua decat pana la o anumita limita , deoarece la un moment dat ,are loc explozia spontana ,ca urmare a ciocnirilor prea violente intre molecule ,la temperatura si presiunea produse prin comprimare . Asemenea explozii spontane au urmari foarte grave pentru functionarea motorului, care cere ca explozia sa nu aiba loc decat intr-un moment foarte bine stabilit in functie de pozitia pieselor in miscare .Capacitatea amestecului de aer si vapori de benzina de a rezisat la comprimare,fara sa explodeze spontan, este exprimata de cifra octanica a benzinei.

Pentru definirea cifrei octatice s-au ales doua hidrocarburi,una care sa detoneze foarte usor, heptanul normal, si alta care sa reziste deosebit de bine la comprimarea amestecului vaporilor cu aerul, si anume unul dintre izooctani(2,2,4 trimetilpentan)

CH -CH -CH -CH -CH -CH -CH n-heptan(cifra octatica 0)

CH CH

| |

CH -C -CH -CH 2,2,4 trimetilpentan(cifra octatica 100)

| |

CH CH

Prin conventie s-a atribuit n-heptanul cifra octatica 0 iar izooctanului cifra octica 100. Facand amestecuri din aceste doua hidrocarburi ,in diferite proportii, se pot obtine combustibili, caror comportare , in motoarele cu explozie , este identice cu cea a mostrei de benzina care se doreste a fi caracterizata. Cifra octatica a benzinei respective este egala cu proportia de izooctan , in volume, din amestecul de izooctan si n-heptan care aera aceeasi comportare la detonatie. O benzina cu cifra octatica 98(cum este cea utilizata de motorul autoturismului <Dacia>) se comporat la fel cu un amestec de 98% izooctan si 2% n-heptan. Cresterea cifrei octatice permite o compresie mai avansata si deci construirea unor motoare cu randament mai bun. Pentru indeplinirea acestei cerinte, benzinle brute, cu cifra octatica relative scazuta, se trateaza cu anti-detonanti, ca tetraetil-plumbul (C H ) Pb. Aceasta substanta se descompune foarte usor la incalzire si pune in libertate atomi de plumb care blocheaza intermediarii reactivi ce initiaza reactia in lant a exploziei. O alta cale ,mult mai avantajoasa de ridicare a cifrei octatice, consta in cresterea continutului de hidrocarburi aromatice in benzene; aceasta se realizeaza prin chimizare , dupa cum urmeaza.

Pacura ,reziduul greu ramas de la distilare ,in afara de utilizare drept combultibil in arzatoare speciale (injectoare de pacura) se poate supune redistilarii. Aceasta operatie se executa sub vid, pentru a evita incalzirile la temperature prea ridicate , care ar produce descompuneri nedorite. Se obtin astfel uleiurile utilizate ca lubrefianti , mai ales la motoarele vehicolelor obisnuite. Reziduul ramas dupa aceasta redistilare se supune unei insuflari la aer cald,cand au loc procese complicate de oxidare si de obtine asfaltul, masa utilizata la constructia soselelor.

Prelucrare chimica

Produsele isolate prin rafinarie se supun transformarilor chimice in cadrul a doua tipuri de procese:

-cracare

-reformare

a) Cracare cuprinde ansamblu de reactii chimice ce au loc prin incalzire la temperature ridicate si in prezenta unor catalizatori, cand moleculele alcanilor sufera ruperi in fragmente mai mici. Dupa cum se stie ,prin cracare alcanii superiori trec in alcani inferiori si alchene (cracarea propriu-zisa) sau elimina atomi de hidrogen ducand la alchene cu acelasi numar de atomi de carbon in molecula (dehidrogenare).

CH -CH -CH -CH CH +CH -CH =CH

butan metan propena

Sau

CH -CH -CH -CH CH -CH +CH =CH

butan etan etena

CH -CH -CH -CH CH -CH-CH -CH +H

butan butena-1

Sau

CH -CH -CH -CH CH -CH =CH +H

butan butena-2

Ponderea reactiilor de dehidrogenare scade pe masura ce molecula alcanului creste. Alcani superiori trec aproape numai in alchene si alcani in molecule mici (cracarea propriu-zisa). Desfasurarea paralele a reactiilor de cracare si dehidrogenare ,precum si oate celelate caracteristici lae ale procesului de descompunere a alcanilor prin cracare , se explica prin aparitia acelorasi intermediari reactivi: radicalii liberi ai hidrocarburilor. Acestia apar prin ruperea homolitica (datorita temperaturii ridicate )a unei legaturi C -H ; fragmentarea scheletului moleculei,formarea alchenelor,eliminare cu precadere a moleculelor de metan nu sunt altceva decat diferitele moduri de stabilizare a acestor reactivi.

Prin acest procedeu se obtin alchenele,materii prime de baza in industria chimica. Tot pe aceasta cale produsele grele, ca motorina etc., ieftine si cu utilizari restarnse, se pot transforma in benzene, combustibili mult mai cautati.

Produsele obtinute prin cracare sunt separate tot prin distilare fractionate; aceasta se face insa sub presiune, deoarece, in conditii normale , multe din substantele cu molecule mici ce rezulta din fragmentari sunt in stare gazoasa . Prin ridicarea presiunii ,acesti compusi se lichefiaza si pot fi supusi distilarii , la temperature coborate.

Din punctual de vedere al sintezei organice, cel mai important produs al cracarii il constituie etena, materie prima pentru etanol, polietilina ,polistiren si multe altele. Valoroase sunt de asemenea propena ( intalnitae pilda la sinteza fenolului si glicerinei) si butenele, baza unei serii de solventi organici si cauciucuri sintetice.

b) Reformarea catalitica este numita astfel deoarece benzinele obtinute prin rafinare sunt trecute pe un catalizator de platina ( depus pe un suport de oxid de aluminiu) la temperature si presiuni ridiacate (450-500 C si 15-20 atm); in aceste conditii hidrocarburile alifatice se transforma in hidrocarburi aromatice (se <reformeaz>), fara a -si schimba neaparat numarul de atomi de carbon ,(cum se intampla la cracare) . Pe aceasta cale se obtin cantitati insemnate de benzen, toluen, cei trei izomeri al xilenului, precum si omologi superiori ai acestora.

Plecand de la un alcan si ajungand la o hidrocarbura aromatica este evident ca procesul trebuie sa constate intr-o dehidrogenare; daca molecula substantei are o catena liniara de atomi de carbon, dehidrogenarea trebuie sa fie insotita de o ciclizare. Aceasta consta intr-o reactie a moleculei de alcan cu ea insasi (dupa activarea prin ruperea unor legaturi C -H)

Industria petrochimica, in plin avant in tara noastra, reprezinta unul din domeniile de prim rang ale economiei Romaiei. In ultimii ani au luat o dezvoltare deosebita platformele petrochimice de la Brazi, Borzesti ,Craiova si altele , utilate cu instalatiile moderne. Romania era cunoscuta in trecut ca un mare exporataor de titei brut,