Petrolul

În secolul XX întreaga industrie şi civilizaţie s-au bazat pe energia furnizată de petrol. Rezervele de ţiţei au dus însă şi la conflicte internaţionale, iar utilizarea lui a cauzat poluare şi daune mediului înconjurător.

Petrolul se compune în principal din hidrocarburanţi – molecule formate din doua elemente chimice, hidrogen şi carbon – alături de alte substanţe. Petrolul poate lua forme diferite, printre care ţiţeiul lichid, gazele naturale sau o substanţă vâscoasă, groasă, numită asfalt sau bitum. Petrolul este o substanţă organică. El s-a format din materie care odinioară era vie, respectiv din plante şi animale. Ca urmare, ţiţeiul şi gazele naturale, ca şi cărbunii, sunt consideraţi combustibili fosili.
Petrolul este un amestec complex de numeroase hidrocarburi, cu molecule conţinând intre un atom C si aproximativ 100 sau poate mai multi. Se cunoaste exact compozitia si structura moleculară a hidrocarburilor din petrol până la C10 si aproximativ a hidrocarburilor mai grele.
În petrol se găsesc hidrocarburi din urmatoarele trei clase: alcani, cicloalcani (naftene), şi hidrocarburi aromatice. Nu se gasesc alchene şi acetilene (primele sunt însă componente importante ale petrolului "cracat"). Nu exustă nici un petrol care sa nu contină toate trei clasele de hidrocarburi, dar proporţia în care apare fiecare din aceste clase poate diferi mult de la un petrol la altul si în diversele fracţiuni ale aceluiaşi petrol.
Diferite fracţiuni din petrol sau amestecuri de hidrocarburi, prelucrate prin metode fizice si chimice în rafinăriile de petrol (benzine, petrol lampant, motorine), servesc drept combustibili pentru alimentarea mai tuturor mijloacelor de transport (automobile, avioane, locomotive şi tractoare). Tot din petrol se fabrica uleiurile de uns (lubrefianţii) necesare acestor motoare şi altor maşini, precum si asfaltul care constituie stratul exterior al soselelor.
În sfarşit, prin prelucrarea termica (piroliza) si catalitică, a diferitelor fractiuni din petrol se obtin materiile prime de baza ale industriei chiimice. Printre acestea cele mai
importante sunt etena, propena, butenele şi butadiena (materii prime pentru fabricarea cauciucului sintetic), benzenul toluenul (metil-benzenul), xilenii (dimetil-benzenii), si alte hidrocarburi, din care se obţin produşii extrem de numeroşi ai industriei chimice organice (mase plastice, fibre sintetice, medicamente, coloranţi, antidăunători pentru agricultură, solvenţi etc.)

Ţiţeiul şi gazele naturale. Procesul de formare a petrolului a avut loc în urmă cu milioane de ani. Cea mai mare parte a ţiţeiului din centrul şi nordul Mării Nordului s-a format din alge (plante unicelulare) şi bacterii îngropate în mâl şi nămol, pe fundul mării, în perioada jurasică (acum 144213 milioane de ani). Materia îngropată a putrezit şi a fost transformată treptat în ţiţei de către căldură şi presiune, care a comprimat în acelaşi timp şi mâlul şi nămolul, tarnsformându-le în straturi de rocă.
Picăturile de ţiţei s-au infiltrat în sus prin rocile permeabile – roci conţinând pori sau crăpături prin care pot pătrunde lichidele sau gazele. Ţiţeiul şi-a continuat drumul până când a întâlnit un strat impermeabil sau solid. Ţiţeiul a început apoi să se acumuleze în straturile de roci permeabile din imediata apropiere, numite de geologi “capcană”.
Gazele naturale se formează la o adâncime mai mare decât ţiţeiul. Goelogii consideră că formarea gazelor naturale în sudul Mării Nordului a început în perioada carboniferă (acum 300 286 de milioane de ani), când a început acumularea straturilor de cărbune din plantele moarte ale mlaştinilor. Stratul carbonifer s-a scufundat şi a fost îngropat de straturile de roci. În final, la aproximativ 4 km sub sol căldura Pământului a provocat degajarea gazelor din cărbune. Gazele s-au ridicat prin rocile permeabile până când au întâlnit straturile impermeabile şi s-au acumulat “capcane”.

Utilizările petrolului. Ţiţeiul este important deoarece este mai curat şi mai ieftin decât cărbunele şi mai uşor de transformat decât gazele naturale. El are nenumărate utilizări. Uneori numit “aurul negru”, el asigură aproape jumătate din energia utiliyată ]n lume. Fără acesta transporturile s-ar bloca şi maşinile şi utilajele industriale sau centralele termice nu ar putea funcţiona.
Ţiţeiul brut este utilizat pentru producerea combustibililor, printre care difeirite tipuri de petrol, motorină sau cherosen. Petrolul este utilizat si pentru producerea unor lubrifianţi uleioşi şi a vaselinelor necesare funcţionării utilajelor şi maşinilor. Petrolul este utilizat şi la producerea asfaltului necesar şoselelor şi o mare varietate de produse din industria petro-chimică. Din produse petrochimice se fabrică cosmetice, medicamente, vopsele, explozibili, fertilizatori, fibre sintetice cum ar fi nylonul, cerneluri, insecticide, coloranţi, mase plastice şi cauciucuri sintetice – utilizate la anvelope.
Principala metodă de opţinere a petrolului este distilarea; fracţiunile care se obţin sunt:
Benzina, cu punctul de fierbere de la 25º până la 150º sau 200º, după scopul la care serveşte. Se compune din hidrocarburi C5-C10.
Petrolul (petrol lampant) cu p. f. cca.170 - 270º (C10-C15).
Motorina, cu p. f. cca. 220º - 360º (C12 – C20)
Rezidul distilării sau păcura reprezintă cca. 40 – 50% din petrolul iniţial. Păcura serveşte ca materie primă pentru fabricarea uleiurilor de uns, a parafinei si a asfaltului, ca material pentru procedeele de cracare sau se arde ca atare.
Parafina se fabrică din păcuri parafinoase, prin distilare la presiunea normală, cristalizarea fracţiunilor obţinute şi purificare. Produsul obţinut este compus din alcani normali amestecaţi în diverse proporţii, după cum punctul de topire este mai ridicat sau mai scăzut. În petrol se mai găseşte şi o “ceară moale”, compusă din molecule conţinând un ciclu naftenic. Punctele de topire ale acestor hidrocarburi sunt mai scăzute decât ale alcanilor normali cu acelaşi număr de atomi. Această ceară moale, amestecată cu ulei, formeză vaselina. Cerezina sau ceara de pământ, opţinută din mineralul ozocherită sau din depozitele ce se formează în tuburile prin care circulă petrol brut, se compune în cea mai mare parte din n-alcani superiori. Aceste hidrocarburi au puncte de topire mai înalte, cristalizează greu şi sunt puţin solubile.
Uleiurile de uns se obţin atât din petrolurile asfaltoase cât şi din cele parafinoase, prin distilare în vid. Hidricarburile care compun uleiurile de uns au, după vâscozitatea uleiurilor respective, greutăţi moleculare între 300 şi 700 şi conţin, prin urmare, hidrocarburi cu 20-50% atomi de C în moleculă. Structura lor nu se cunoaşte în amănunt, se ştie însă că moleculele conţin conţin 2 sau mai multe inele şi o catenă alifatică. Cu cât această catenă alifatică este mai lungă, cu atât variaţia vâscozităţii uleiului cu temperatura este mai mică şi, în consecinţă, uleiul este mai bun (are un “indice de vâscozitate” mare). Inelele din moleculele uleiurilor de uns sunt de două feluri: cicloalcanice şi aromatice. Cele dintâi sunt preferabile fiindcă sunt mai rezistente la oxidare, deci uleiuriile respective au o mai mare stabilitate. Uleiurile care conţin multe inele aromatice au catene alifatice scurte, iar vâscozitatea lor variază mult cu temperatura. Cu cât un ulei conţine mai multe inele aromatice, densitaatea sa este mai mare şi calitatea mai puţin bună.
Asfaltul, componenta de culoare închisă din petrol, provine din hidrocarburile aromatice superioare, prin condensare şi prin reacţii nelămurite de polimerizare. Raportul C/H în asfalt este mare, ceea ce denotă un grad de condensare avansat. Greutatea moleculară variază între 2500 – 5300. Asfaltul se precipită din păcură cu dizolvanţi (propan, benzină uşoară, acetonă), în care este insolubil. Se fabrică pe scară largă asfalt artificial prin suflare de aer în păcură asfaltoasă, concentrată şi încălzită.

Rezervele mondiale. Ţiţeiul şi gazelle naturale există pe toate continentele şi sub toate platformele continentale. Unele câmpuri petroliere sunt în producţie activă. Alte zăcăminte urmează să fie explorate şi exploatate. Estimările asupra duratei pe care o mai au rezervele petroliere se bazează pe două cifre – rezervele deja descoperite care pot fi exploatate economic, utilizând tehnologiile actuale şi rata producţiei dintr-un an de referinţă. Rezervele totale de petrol din 1989 erau estimare să dureze 41 de ani, la un nivel a producţiei din 1988. Creşterea rezervelor ca urmare a unor noi descoperiri, creşterea sau diminuarea producţiei, sau utilizarea unor noi tehnologii pot modifica aceste estimări.
Înainte de 1970, Marea Britanie era aproape pe complet dependentă de petrol importat. În 1969 s-au descoperit zăcăminte de petrol marine şi producţia a început în 1975, făcând din Marea Britanie un producător important. În 1990 , Marea Brtanie a devenit al 9-lea producător de ţiţei din lume, din zăcăminte marine. Expertţii preconizează însă un slab declin al producţiei, dar Marea Britanie va rămâne unul dintre producătorii imortanţi ai secolului al XXI-lea.
Cele mai mari rezerve de ţiţei se află în ţările Orientului Mijlociu, care deţine aproximativ 65% din rezervele mondiale cunoscute. La sfârşitul anilor 1980, Iranul, Irakul, Kuweitul şi Emiratele Arabe Unite deţineau rezervele petrolierecare urmau să ajungă peste 100 de ani, la un nivel a producţiei al anului 1988.
La începutul anului 1989, rezervele Arabiei Saudite, aproximativ 25% din rezervele mondiale totale, erau estimate a ajunge vremea de 90 de ani la nivelul producţiei anului 1988. Descoperirea unor noi terenuri petroliere vaste în Arabia Saudită, în 1990, a mărit maja estimărilor cu peste 50 de ani.

Producătorii de ţiţei şi gaze naturale. La sfârşitul anilor ’80 cele 15 republici ale fostei Uniuni Sovietice erau în fruntea producţiei, producând aproximativ 18% din totalul mondial. Dintre acestea, Rusia este producătorul principal, urmată de Azerbaidjan, Kazahstan, Kirghistan (fosta Kirghizia), Tadjikistan(fosta Tadzekistan), Turkmenistan, Ucraina şi Uzbekistan. SUA, cel de-al 2-lea mare producător de ţiţei, împreună cu Canada, au realizat, în 1990, aproape 16% din producţia totală, urmate de Arabia Saudită, Iran, Mexic, China, Venezuela, Irak şi Marea Britanie. Producţia variază în funcţie de cerere. Recesiunea mondială începută în 1990 a dus la o scădere masivă a consumului.

Compozitie

Din punct de vedere al compozitie chimice, titeiul este un amestec complex de hidrocarburi gazoase sau solide dizolvate in hidrocarburi lichide; de aceea se prezinta in natura in stare lichida. Titeiul mai contine compusi organici cu oxigen (fenoli, acizi naftenici), cu sulf (tiofen, mercaptani), cu azot (chinolina) etc. In hidrocarburi se gasesc hidrocarburi aciclice saturate (alcani sau parafine), hidrocarburi ciclice saturate (cicloparafine sau naftene) si hidrocarburi aromatice. Aceste trei clase de hidrocarburi in proportii diferite se gasesc in toate tipurile de titei.

Originea titeiului

Asupra modului de formare a titeiului in scoarta pamantului s-au emis mai multe teorii. Unele din acestea considera titeiul ca fiind de origine anorganica, altele ii atribuie origine organica.
Teoria anorganica asupra originei titeiului a fost formulata de M. Berthelot si a fost completata si sustinuta de D. I. Mendeleer. Acesta teorie afirma ca titeiul s-a format in straturi adanci ale scoartei prin actiunea apei asupra carburilor metalice: CaCl2, Al4C3 etc. care in contact cu apa se descompun rezultand acetilena, metan si alte hidrocarburi; sub actiunea temperaturii si presiunii inalte din interiorul pamantului si in prezenta catalizatorilor naturali, hidrocarburile nesaturate sau polimerizat formand titeiul de astazi.
Teoria organica se fundamenteaza pe mai mute ipostaze, si anume:
-titeiul este de origune vegetala (Figuier), formandu-se din plante, prin putrezirea acestora si transformarea lor in metan, bioxid de carbon si acizi grasi etc.;
-titeiul este de origine animala (Engler), rezultand din transformarea grasimilor animalelor marine, in special a pestilor, la temperaturi si presiuni mari in scoarta pamantului;
-titeiul este de origine mixta, vegetala-animala (Potonié): prin transformarea unor plante si animale marine microscopice, acoperite de namol, si sub actiunea unor bacterii anaerobe a rezultat o materie organica, numita “sapropel”, care a imbibat namolul. Sub influenta temperaturii si a presiunii inalte, “saprolpelul” din namol a suferit transformari chimice, rezultand titeiul.


Extracia si prelucrarea petrolului brut

Pentru exploatarea titeiului sunt necesare daou operatii succesive: forajul sondelor si extractia titeiului. Procesul de sapare a sondelor sau forajul cuprinde trei operatii principlale: macinarea rocilor prin izbire sau prin sfredelire; evacuarea materialului macinat; tubarea gaurii de sonda. Sistemele de extractie a titeiului utilizate, dupa ce forarea a ajuns pana la stratul de titei sunt: prin eruptie, prin eruptie artificiala (gaz-lift), extractia prin pompare, cu ajutorul pompelor de adancime. Titeiul extras prin sistemele mentionate este amestecat cu apa sarata si nisip. Nisipul se separa prin sedimentare; daca, insa, apa formeaza cu titeiul o emulsie, atunci se adauga titeiului anumite substante cu actiune dezemulsionanta pentru a separa apa. In continuare titeiul este supus unor tratamente speciale in rafinarii.

Derivatele titeiului

Principalele derivate ale titeiului sunt cele date in scheme urmatoare:

Benzina usoara
Benzina grea
Titeiul White-spirit Gaze de cracare
Petrol lampant Benzine
Motorina Uleiuri
Pacura prin cracare Bitum
Parafina
Cocs de petrol
Pacura de cracare

Inainte de a fi supus operatiei de distilare fractionata, titeiul este supus unui proces preliminar, pentru indepartarea gazelor de sonda care insotesc totdeauna titeiul. In urma acestui tratament se obtin: gaze sarace, alcatuite din hidricarburi saturate gazoase cu 1-4 atomi de carboni, gazolina, o fractiune lichida foarte volatila, care contine in special alcani cu 5 atomi de carbon ( pentan+izopentan) si titeiul dezbenzinat.
Din gazele sarace se separa butanul si propanul care, comprimate in buteli sunt utilizate in gospodarie sub numele de aragaz. Instalatiile speciale folosite pentru separarea titeiului in fractiuni, prin distilare, sunt alcatiute din coloane de distilare prevazute cu talere si cu clopote.
Fractiuni de titei care se obtin sunt urmatoarele: benzinele(fractiuni lichide, contin hidrocarburi cu 5-10 atomi C), petrolul lampant (fractiune lichida, contine hidrocarburi cu 10-15 atomi C), motorina (lichid galben-brun, contine hidrocarburi cu 12-20 atomi de C), pacura ( rezid obtinut dupa separarea din titei), parafina (masa alba, semiopaca, contine hidrocarburi cu mai mult de 20 atomi de C), uleiurile de uns (fractiuni lichde-vascoase, contin hidrocarburi cu 20-50 atomi de C), asfalt (bitum, smoala de petrol, substanta lichda-vascaosa, contine hidrocarburi grele, mai ales aromatice).


Procesul de cracare

Prin incalzire la peste 400oC a fractiunii mai grele a titei (motorina sau pacura) are loc procesul de cracare, obtinandu-se fractiuni ma iusoare (benzilele de cracare). In functie de conditiile in care se lucfreaza, se deosebsc: procedee de cracare termica si procedee de cracare catalitica.
Cracare termica se poate realiza in faza lichida sau in faza de vapori:
-in faza lichida, motorina sau pacura este incalzita la 450-550oC sub o presiune de 15-45 atm;
-in faza de vapori, motorina sau pacura se incalzeste la temperatura de 500-600oC si la presiuni mai joase de 1-3 atm. Benzinele de cracare astfel obtinute se deosebesc de benzinele rezultate prin distilare fractionata a titeiului, prin continutul lor mai mare de alchene si hidrocarburi aromatice.
Cracare catalitica se realizeaza in faza de vapori ; motorina si pacura, la 480oC si 1-2,5 atm, este trecuta peste un strat de catalizatori (silicat de Al). La cracarea catalitica se obtin randamente mai mari de benzina, cu caracter mai saturat. De exemplu:

H3-(CH2)8-CH3 catalizator 540 CH3-(CH2)3 –CH3 + H2C=H2C + H2C=CH-CH3
decan pentan etena propena

Benzinele de cracare, in comparatie cu cele obtinute prin cracare fractionata, sunt mai bune si au o cifra octanica (C.O) mai mare.
Prin cifra octanica se apreciaza calitatea unei benzine din punct de vedere al comportarii sale in motor.
Pentru a aprecia tendinta la detonatie a unei benzine se compara comportarea ei intr-un motor experimental cu amestecuri formate din hidrocarburile n-heptan (considerat ca avand C.O zero) si 2,2,4-trimetil-pentan sau izooctan (notat cu C.O 100). In felul acesta se stabileste o scara cu limite cuprinse intre 0 si 100, in care benzinele cu o cifra octanica anumita, de exemplu, 75, se comporta in acest motor ca un amestec format din 75% izooctan si 25% n-heptan. Benzilnele cu cifra octanica mare vor avea ca urmare calitati antidetonate superioare. Cifra octanica a unei benzine se mai poate imbunatati prin adaos de mici cantitati de tetraetil-plumb

Petrolul si poluarea aerului

Utilizarea petrolului provoaca poluari masive ale aerului in multe orase. Gazele de esapament evacuate de autoturisme si de alte masini cu combustie interna contin gaze otravitoare cum ar fi monoxidul de carbon, hidrocarburi nearse, oxizi de azot si plumb. Unii dintre acesti agenti de poluare reactioneaza cu lumina soarelui producand acel smog neplacut, fotochimic, care pluteste deasupra multor oras, cum ar fi Los Angeles sau Mexico City. Atunci cand acizii de azot se combina cu picaturile de apa din nori, ia nastere ploaia acida care polueaza lacurile si raurile, distrugand si padurile. S-au facut pasi importanti pentru a micsora efectul gazelor de esapament. Se produce benzina fara plumb, iar unele masini sunt dotate cu filtre catalitice care transforma gazele nocive in gaze inofensive. Insa eficienta acestor imbunatatiri este diminuate de cresterea consumului de petrol.