Τεχνολογία Καυσίμων. Αντλιοστάσιο άντλησης πετρελαίου από πετρελαιοπηγή

Transcript

1 Υγρά καύσιμα Παρά το γεγονός ότι το πετρέλαιο και τα παράγωγά του δεν είναι το μοναδικό υγρό καύσιμο, η ύπαρξη υγρών καυσίμων έχει συνδεθεί με την εκμετάλλευση του ορυκτού πετρελαίου. Αντλιοστάσιο άντλησης πετρελαίου από πετρελαιοπηγή Το ορυκτό πετρέλαιο είναι ένα φυσικό υγρό, κίτρινο έως μαύρο που απαντάται σε γεωλογικούς σχηματισμούς. σχηματισμούς κάτω από την επιφάνεια της Γης. Συνήθως εξευγενίζεται σε διάφορους τύπους καυσίμων. Τα παράγωγα του πετρελαίου διαχωρίζονται από το αρχικό προϊόν χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται κλασματική απόσταξη. Αποτελείται από υδρογονάνθρακες διαφόρων μοριακών βαρών και άλλες οργανικές ενώσεις. Φυσική πηγή πετρελαίου στο Korňa της Σλοβακίας Η ονομασία πετρέλαιο χρησιμοποιείται τόσο για το φυσικό ακατέργαστο αργό πετρέλαιο όσο και για ορισμένα από τα προϊόντα του που προκύπτουν από την κλασματική απόσταξη.

2 Αντλιοστάσιο παραγωγής αργού πετρελαίου Τεχνολογία Καυσίμων Υγρά καύσιμα (ορυκτό πετρέλαιο) Το πετρέλαιο είναι ένα υγρό ορυκτό καύσιμο, που σχηματίζεται όταν μεγάλες ποσότητες νεκρών οργανισμών, συνήθως ζωοπλαγκτόν και άλγη, θάβονται κάτω από ιζηματογενές βράχο και υπόκεινται σε μεγάλες και έντονη θερμότητα και πίεση. Το πετρέλαιο έχει ανακτηθεί ως επί το πλείστον με πετρελαϊκές γεωτρήσεις (οι φυσικές πηγές πετρελαίου είναι σπάνιες). Είναι εξευγενισμένο και διαχωρίζεται, πολύ εύκολα με απόσταξη σε μεγάλο αριθμό καταναλωτικών προϊόντων, από βενζίνη, πετρέλαιο και κηροζίνη έως άσφαλτο και χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πλαστικών και φαρμάκων. Η χρήση ορυκτών καυσίμων, όπως το πετρέλαιο, έχει αρνητικές επιπτώσεις στη βιόσφαιρα της Γης, καταστρέφοντας τα οικοσυστήματα μέσω γεγονότων όπως πετρελαιοκηλίδες και απελευθερώνοντας μια σειρά ρύπων στην ατμόσφαιρα, συμπεριλαμβανομένου του όζοντος και του διοξειδίου του θείου από τις προσμείξεις θείου στα ορυκτά καύσιμα. Η καύση ορυκτών καυσίμων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο σημερινό επεισόδιο της υπερθέρμανσης του πλανήτη.

3 Παραγόμενα προϊόντα από ορυκτό πετρέλαιο Με τη λέξη πετρέλαιο (Oil) γίνεται αναφορά κυρίως στο αργό πετρέλαιο (Crude oil), αλλά στην πραγματικότητα σε αυτό περιλαμβάνονται όλοι οι γνωστοί καύσιμοι υδρογονάνθρακες. Υπό Κ.Σ. πίεσης και θερμοκρασίας, από το αργό πετρέλαιο παίρνουμε: τα αέρια καύσιμα μεθάνιο, αιθάνιο, προπάνιο και βουτάνιο τα υγρά καύσιμα από πεντάνιο έως και κάθε βαρύτερο υδρογονάνθρακα που μπορεί να έχει μορφή υγρού (βενζίνη, πετρέλαιο (diesel), νάφθα, κηροζίνη, λάδια λίπανσης και βαρύ πετρέλαιο για καύση. τα στερεά υπολείμματα που χρησιμοποιούνται για οδοποιία και γενικά ως ασφαλτικά προϊόντα. Οι υδρογονάνθρακες στο αργό πετρέλαιο είναι κυρίως αλκάνια, κυκλοαλκάνια και διάφοροι αρωματικοί υδρογονάνθρακες, ενώ οι άλλες οργανικές ενώσεις περιέχουν άζωτο, οξυγόνο και θείο και ιχνοστοιχεία μετάλλων όπως ο σίδηρος, το νικέλιο, ο χαλκός και το βανάδιο. Πολλές δεξαμενές πετρελαίου περιέχουν ζωντανά βακτήρια.

4 Περιεκτικότητα χημικών στοιχείων στο ορυκτό πετρέλαιο Σύνθεση κατά βάρος Χημικό στοιχείο Εύρος περιεκτικότητας Άνθρακας 83 to 85% Υδρογόνο 10 to 14% Άζωτο 0.1 to 2% Οξυγόνο 0.05 to 1.5% Θείο 0.05 to 6.0% Μέταλλα < 0.1%

5 Σύνθεση υδρογονανθράκων στο ορυκτό πετρέλαιο Στο αργό πετρέλαιο εμφανίζονται τέσσερις διαφορετικοί τύποι μοριακών δομών υδρογονανθράκων. Το σχετικό ποσοστό κάθε τύπου ποικίλει και καθορίζοντας τις ιδιότητες του αργού πετρελαίου. Σύνθεση κατά βάρος Υδρογονάνθρακες Μέση τιμή Εύρος Αλκάνια (παραφίνες) 30% 15 to 60% Ναφθένια (κυκλικοί αλειφατικοί) 49% 30 to 60% Αρωματικοί 15% 3 to 30% Ασφαλτένια 6% το υπόλοιπο

6 Δομή των υδρογονανθράκων Οι υδρογονάνθρακες αποτελούν ενώσεις του άνθρακα και του υδρογόνου και διακρίνονται στις παρακάτω ομόλογες σειρές: αλκάνια (άκυκλοι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες με απλούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων άνθρακα) αλκένια (άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με ένα διπλό δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα) αλκίνια (άκυκλοι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες με ένα τριπλό δεσμό μεταξύ των ατόμων άνθρακα) κυκλοαλκάνια (κορεσμένος κλειστός δακτύλιος ατόμων άνθρακα) αρωματικοί υδρογονάνθρακες (βενζολικός δακτύλιος).

7 Αλκάνια στο πετρελαίου Οκτάνιο, ένας υδρογονάνθρακας που βρίσκεται στο πετρέλαιο. Οι γραμμές αντιπροσωπεύουν απλούς δεσμούς. Οι μαύρες σφαίρες αντιπροσωπεύουν άνθρακα. οι λευκές σφαίρες αντιπροσωπεύουν υδρογόνο. Κάθε ποικιλία πετρελαίου έχει ένα μοναδικό μίγμα μορίων, τα οποία καθορίζουν τις φυσικές και χημικές ιδιότητες του, όπως το χρώμα και το ιξώδες. Τα αλκάνια, γνωστά ως παραφίνες, είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες με ευθείες ή διακλαδισμένες αλυσίδες που περιέχουν μόνο άνθρακα και υδρογόνο και έχουν τον γενικό τύπο: C n H 2n + 2. Έχουν γενικά από 5 έως 40 άτομα άνθρακα. από πεντάνιο (C 5 H 12 ) έως οκτάνιο (C 8 H 18 ) παράγεται η βενζίνη, από το εννεάνιο (C 9 H 20 ) έως το δεκαεξάνιο (C 16 H 34 ) παράγονται το πετρέλαιο diesel, η κηροζίνη και το καύσιμο των αεριωθουμένων. από αλκάνια με περισσότερα από 16 άτομα άνθρακα μπορούν να παραχθούν αργό πετρέλαιο για καύσιμο και λιπαντικά έλαια. με περίπου 25 άτομα άνθρακα παράγεται το κερί παραφίνης. η άσφαλτος έχει 35 άτομα άνθρακα και άνω. Τα μόρια, με τέσσερα, βουτάνιο (C 4 H 10 ), ή λιγότερα άτομα άνθρακα, βρίσκονται σε αέρια κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου.

8 Κυκλοαλκάνια στο πετρελαίου Τα κυκλοαλκάνια, επίσης γνωστά ως ναφθενικά, είναι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες που έχουν έναν ή περισσότερους δακτυλίους άνθρακα στους οποίους συνδέονται άτομα υδρογόνου σύμφωνα με τον τύπο: C n H 2n. Η γενική μορφή του χημικού τύπου είναι C n H 2(n + 1-r), όπου: n ο αριθμός των ατόμων άνθρακα και r ο αριθμός των δακτυλίων. Έχουν παρόμοιες ιδιότητες με τα αλκάνια αλλά έχουν υψηλότερα σημεία βρασμού. Αποτελούνται μόνο από άτομα υδρογόνου και άνθρακα διατεταγμένα σε μια δομή που περιέχει έναν απλό δακτύλιο (πιθανώς με πλευρικές αλυσίδες) και όλοι οι δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι μονοί. Ονομάζονται ανάλογα με τα κανονικά αντίστοιχα αλκάνια του ίδιου αριθμού άνθρακα: κυκλοπροπάνιο, κυκλοβουτάνιο, κυκλοπεντάνιο, κυκλοεξάνιο κ.α. Τα μεγαλύτερα με περισσότερα από 20 άτομα άνθρακα λέγονται κυκλοπαραφίνες. Τα κυκλοαλκάνια χωρίς πλευρικές αλυσίδες ταξινομούνται ως: - μικρά (κυκλοπροπάνιο και κυκλοβουτάνιο), - κοινά (κυκλοπεντάνιο, κυκλοεξάνιο και κυκλοεπτάνιο), - μεσαία (κυκλοοκτάνιο μέσω κυκλοτριδεκανίου) και - μεγάλα (όλα τα υπόλοιπα). Κάθε ένα είναι ισομερές του αντίστοιχου αλκενίου του - για παράδειγμα: το κυκλοπροπάνιο έχει τον ίδιο χημικό τύπο (C 3 H 6 ) ως προπένιο.

9 Αρωματικοί υδρογονάνθρακες πετρελαίου Οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες είναι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες που έχουν έναν ή περισσότερους επίπεδους δακτυλίους με έξι-άνθρακες, που ονομάζονται δακτύλιοι βενζολίου, σε αυτούς συνδέονται άτομα υδρογόνου με τον τύπο: C n H 2n-6. Έχουν την τάση να καίγονται με μια σάπια φλόγα, και πολλοί έχουν ένα γλυκό άρωμα. Ορισμένα είναι καρκινογόνα. Οι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες έχουν ένα ή περισσότερους δακτυλίους με διπλούς ή και τριπλούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων του άνθρακα. Αυτά τα διαφορετικά μόρια διαχωρίζονται με κλασματική απόσταξη σε διυλιστήριο πετρελαίου για την παραγωγή βενζίνης, αεριωθούμενου καυσίμου, κηροζίνης και άλλων υδρογονανθράκων. Για παράδειγμα: το 2,2,4-τριμεθυλοπεντάνιο, είναι το ισοοκτάνιο, που χρησιμοποιείται ευρέως στη βενζίνη, έχει χημικό τύπο C 8 H 18.

10 Ασφαλτένια πετρελαίου Τα ασφαλτένια αποτελούνται κυρίως από άνθρακα, υδρογόνο, άζωτο, οξυγόνο και θείο, καθώς και ιχνοστοιχεία βαναδίου και νικελίου. Ο λόγος C:H είναι περίπου 1:1,2, ανάλογα με την πηγή του αργού πετρελαίου. Τα ασφαλτένια δεν έχουν συγκεκριμένο χημικό τύπο: τα μεμονωμένα μόρια μπορούν να διαφέρουν στον αριθμό των ατόμων που περιέχονται στη δομή και ο μέσος όρος χημικής φόρμουλας μπορεί να εξαρτάται από την πηγή. Τα ασφαλτένια αποτελούνται κυρίως από πολυαρωματικές μονάδες δακτυλίου άνθρακα με ετεροάτομα οξυγόνου, αζώτου και θείου, σε συνδυασμό με ιχνοστοιχεία βαρέων μετάλλων, ιδιαίτερα χηλικού βαναδίου και νικελίου, και αλειφατικών πλευρικών αλυσίδων σε διάφορα μήκη. Ασφαλτένια με τη μορφή προϊόντων ασφάλτου ή πίσσας από διυλιστήρια πετρελαίου χρησιμοποιούνται ως υλικά επίστρωσης σε δρόμους, φύλλων επικάλυψης για στέγες και αδιάβροχες επικαλύψεις σε θεμέλια κτιρίων.

11 Δημιουργία πετρελαίου ομή μιας ένωσης βαναδίου πορφυρίνης (αριστερά) που βρέθηκε στο πετρέλαιο από τον Alfred E. Treibs, πατέρα της οργανικής γεωχημείας. Ο Treibs επεσήμανε τη στενή δομική ομοιότητα αυτού του μορίου και της χλωροφύλλης-α (δεξιά).

12 Δημιουργία πετρελαίου Το πετρέλαιο είναι ένα ορυκτό καύσιμο που προέρχεται από αρχαία απολιθωμένα οργανικά υλικά, όπως το ζωοπλαγκτόν και η άλγη. Μεγάλες ποσότητες αυτών παραμένουν εγκλωβισμένες σε θάλασσες ή λιμνοθάλασσες, αναμειγνύονται με ιζήματα και θάβονται κάτω από συνθήκες έλλειψης οξυγόνου. Καθώς στη διάρκεια των ετών νέα στρώματα επικάθισαν στον πάτο της θάλασσας ή της λίμνης, αναπτύχθηκε έντονη θερμότητα και πίεση. Αυτή η διαδικασία προκάλεσε την αλλαγή της οργανικής ύλης, αρχικά σε ένα κηρώδες υλικό γνωστό ως κερογόνο το οποίο στη συνέχεια με περισσότερη θερμότητα, διασπάσθηκε σε υγρούς και αέριους υδρογονάνθρακες. Πρέπει να υπάρχουν τρεις συνθήκες για το σχηματισμό των δεξαμενών πετρελαίου: - πηγή πλούσια σε υδρογονανθρακικό υλικό που θάβεται αρκετά βαθιά ώστε η υποβρύχια θερμότητα να το μετατρέψει σε πετρέλαιο, - ένα βράχο με κυλότητα για να το συσσωρεύσει και - ένα βράχο που εμποδίζει τη διαφυγή του στην επιφάνεια. Ωστόσο, η διαδικασία επηρεάζεται από τις ροές υπόγειων υδάτων, με αποτέλεσμα το πετρέλαιο να μεταναστεύει εκατοντάδες χιλιόμετρα οριζόντια ή ακόμα και μικρές αποστάσεις προς τα κάτω, προτού να παγιδευτεί σε δεξαμενή. Όταν οι υδρογονάνθρακες συγκεντρωθούν σε μια παγίδα, σχηματίζεται πετρέλαιο, από το οποίο το υγρό μπορεί να εξαχθεί με γεώτρηση και άντληση.

13 Παγκόσμια κατανάλωση ενέργειας

14 Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις Χρήσης Πετρελαίου Η ρύπανση του περιβάλλοντος από πετρέλαιο είναι ή ίδια είτε αυτή προκαλείται από φυσικά αίτια είτε από ανθρώπινα λάθη. Η όξυνση του ωκεανού είναι η αύξηση της οξύτητας των ωκεανών λόγω της πρόσληψης διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ) από την ατμόσφαιρα. Αυτή η αύξηση της οξύτητας αναστέλλει όλη τη θαλάσσια ζωή - έχοντας μεγαλύτερη επίπτωση στους μικρότερους οργανισμούς καθώς και στους οργανισμούς με κέλυφος. Όταν καίγεται, το πετρέλαιο απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα, που είναι αέριο του φαινομένου του θερμοκηπίου. Για την εξόρυξη του πετρελαίου χρησιμοποιούνται χημικές ουσίες που ονομάζονται απογυμνωτές για να το διαχωρίσουν από το νερό. Τα χημικά αυτά είναι επιβλαβή για το περιβάλλον και διαταράσσουν το θαλάσσιο περιβάλλον. Οι πετρελαιοκηλίδες στη θάλασσα μπορούν να εξαπλωθούν για εκατοντάδες ναυτικά μίλια και να καλύψουν τις παραλίες με μια λεπτή επίστρωση πετρελαίου. Αυτό μπορεί να σκοτώσει θαλάσσια πουλιά, θηλαστικά, οστρακοειδή και άλλους ευαίσθητους οργανισμούς. Οι ετεροκυκλικές ενώσεις αζώτου, όπως η πυριδίνη, η πικολίνη και η κινολίνη, που συνδέονται με το αργό πετρέλαιο, είναι μολυσματικές ουσίες. Αυτές οι ενώσεις έχουν πολύ υψηλή υδατοδιαλυτότητα με αποτέλεσμα να διαλύονται και να κινούνται με το νερό.

15 Εκπομπές άνθρακα από ορυκτά καύσιμα