Międzywydziałowa Szkoła Energetyki
Wydobycie i przeróbka ropy naftowej
Wykonawca:
1.Podstawowe informacje o ropie naftowej.
Ciekła, naturalna mieszanina węglowodorów parafinowych (alkany), naftowych (cykloalkany) i aromatycznych (areny); zawiera także org. związki siarki, tlenu, azotu, związki metaloorganiczne oraz składniki mineralne: związki żelaza, krzemu, wanadu, sodu, niklu i innych metali; ma barwę żółtobrunatną, zielonkawą lub czarną, bardzo rzadko bywa bezbarwna lub czerwonawa; gęstość 0,73-0,99 g/cm3, wartość opałowa 38-48 MJ/kg. Głównym składnikiem lżejszych frakcji ropy naftowej (wrzących w temperaturze do 200°C) są węglowodory parafinowe, udział ich zmniejsza się we frakcjach wrzących w wyższej temperaturze; zawartość węglowodorów naftowych wzrasta ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji ropy naftowej, najwięcej jest ich we frakcjach olejowych, wrzących powyżej 350°C; węglowodory aromatyczne występują we wszystkich frakcjach ropy naftowej, a udział ich rośnie wraz ze wzrostem temperatury wrzenia frakcji; im wyżej wrząca frakcja ropy naftowej, z tym większej liczby pierścieni są zbudowane cząsteczki wchodzących w jej skład węglowodorów aromatycznych. Tlen w ropie naftowej występuje w kwasach naftowych i tłuszczowych, fenolach, żywicach, asfaltach; azot - głównie w aminach cyklicznych i acyklicznych; siarka - w postaci siarkowodoru, sulfidów, disulfidów, tioli, a także jako rozpuszczalna siarka elementarna; zależnie od zawartości siarki ropę naftową dzieli się na: nisko siarkową (o zawartości siarki do 0,5%) i wysoko siarkową (powyżej 0,5%); zawartość siarki w niektórych gatunkach ropy naftowej dochodzi do 6%. Ze względu na typ związków chemicznych przeważających w ropie naftowej rozróżnia się najczęściej ropę bezparafinową, parafinową, naftową, aromatyczną.
2.Pochodzenie i powstawanie ropy naftowej.
Ropa naftowa powstaje przez przeobrażenie szczątków roślinnych i zwierzęcych nagromadzonych wraz z drobnymi okruchami mineralnymi w osadach morskich; czynnikami powodującymi przejście substancji organicznych w bituminy (ropa naftowa, gaz ziemny, asfalt i ozokeryt) są: środowisko redukujące, odpowiednie - temperatura i ciśnienie, działalność bakterii, oddziaływanie pierwiastków promieniotwórczych i in. Głównym produktem przeobrażeń substancji organicznych jest kerogen, z którego pod wpływem procesów diagenezy i metamorfizmu powstaje ropa naftowa (i gaz ziemny). Powstawanie i nagromadzenie ropy naftowej jest związane z istnieniem sedymentacyjnych basenów ropo- i gazonośnych, wykazujących tendencję do obniżania się w stosunku do sąsiednich obszarów, zazwyczaj przez kilka okresów geologicznych; osady i skały zawierające szczątki organiczne mogły w trakcie osiadania osiągnąć strefy, w których temperatura i ciśnienie umożliwiły przekształcenie ich w składniki ropy naftowej. Pod względem tektonicznym rozróżnia się m.in. baseny śródplatformowe, śródfałdowe, fałdowo-platformowe oraz przyoceaniczne platformowe. Rozpoznano około 350 basenów roponośnych (powierzchni największych od 10 tys. km2 do ok. 500 tys. km2), w tym około 150 basenów o znaczeniu przemysłowym (opłacalne wydobycie). Skałami macierzystymi ropy naftowej mogą być skały ilaste lub węglanowe, zawierające powyżej 0,5% kerogenu. Pod wpływem ciśnienia warstw stopniowo nagromadzających się w nadkładzie skały macierzystej i innych czynników (zmiany temperatury, ruchy górotwórcze) ropa naftowa może uwalniać się z miejsc gdzie powstawała, migrować i nagromadzać w skałach porowatych lub silnie spękanych, zwanych kolektorami; do najważniejszych z nich należą wapienie i dolomity, w których występuje prawie połowa geologicznych zasobów ropy naftowej, a także osady piaszczyste, piaskowce i łupki. Powstanie złoża ropy naftowej (nagromadzenie ropy w warstwie przepuszczalnej wraz z towarzyszącym jej gazem ziemnym, a często i wodą) jest uwarunkowane występowaniem odpowiednich struktur geologicznych (antyklina, monoklina, uskok, wysad solny), umożliwiających zatrzymanie ropy w kolektorze przez warstwy nieprzepuszczalne (tzw. ekran), którymi są przeważnie iły, łupki ilaste, margle, kwarcyty. W antyklinach i innych strukturach geologicznych często występuje wiele złóż tworzących rozległe pola naftowe. Złoża ropy naftowej występują w utworach od kambru do trzeciorzędu, głównie w utworach mezozoicznych (ponad 50% odkrytych złóż) i trzeciorzędowych (ok. 25%).
3.Obszary roponośne i wydobycie na świecie.
Najbogatszym obszarem roponośnym w świecie jest region Zatoki Perskiej; w utworach mezozoicznych platformy arabskiej, szelfie zatoki oraz osadach mezozoicznych i trzeciorzędowych gór Zagros występuje około 65% światowej rezerwy ropy naftowej. Z państw położonych nad Zatoka Perską największe zasoby ma Arabia Saudyjska (35,4 miliardów ton, ponad 25% zasobów światowych, 1990), na obszarze, której występują wielkie pola naftowe: Al-Ghawar, Abu Hadrija i podmorskie As-S; bardzo duże zasoby ropy naftowej posiadają również: Irak (13,6 miliardów ton, pola naftowe: Ar-Rumajla, Kirkuk), Kuwejt (13,1 miliardów ton, Al-Burkan), Zjednoczone Emiraty Arabskie (13 miliardów ton, szczególnie wydajne podmorskie pola Az-Zakkum, Umm asz-Szaif, Mubarraz) i Iran (12,7 miliardów ton, Aga Dżari, Gacz Saran i podmorskie w rejonie wyspy Chark); ponadto ropa naftowa występuje w Katarze, Bahrajnie i Omanie. W Afryce ważnymi obszarami roponośnymi są północna Sahara (złoża w utworach paleozoicznych, mezozoicznych i trzeciorzędowych platformy saharyjskiej) i wybrzeża Zatoki Gwinejskiej; kraje afrykańskie o największych zasobach ropy to: Libia (3,1 miliardów ton, pola naftowe: Zaltan, Sarir), Nigeria (2,4 miliardów ton, delta Nigru i podmorskie pole Okan) i Algieria (1,8 miliardów ton, Hasi Masud). Do najzasobniejszych regionów roponośnych Ameryki należy strefa Zatoki Meksykańskiej i Morza Karaibskiego, obejmująca złoża USA na Nizinie Zatokowej (m.in. wielkie pola naftowe Midland i East Texas w Teksasie, Luizjanie) i w szelfie Zatoki Meksykańskiej, Meksyku (zwłaszcza bogate w stanach Veracruz i Tabasco), Wenezueli (wokół jeziora Maracaibo, delta Orinoko) i Kolumbii; inne ważniejsze pola naftowe znajdują się w stanach: północna Alaska, Kansas i Oklahoma w USA oraz w prowincji Alberta w Kanadzie; największe rezerwy ropy naftowej w Ameryce posiadają: Wenezuela (8,6 miliardów ton), Meksyk (6,1 miliardów ton) i USA (3,6 miliardów ton). W Eurazji (bez regionu Zatoki Perskiej) bardzo duże rezerwy ropy naftowej ma Rosja (około 7 miliardów ton), której szczególnie zasobne złoża występują na Nizinie Zachodniosyberyjskiej (pola naftowe: samotłorskie, mamontowskie, fiodorowskie) i w regionie wołżańsko-uralskim, zw. Drugim Baku (Samarska Łuka, Tujmazy); znacznymi zasobami ropy dysponują Chiny (3,2 miliardów ton, złoża w rejonie Daqing w Mandżurii, w delcie Huang He, podmorskie w Morzu Żółtym i w Morzu Wschodniochińskim), Indonezja i Indie, a spośród krajów zachodnioeuropejskiech - Norwegia (1 miliard ton) i Wielkiej Brytania, eksploatujące złoża podmorskie na Morzu Północnym (pole naftowe Ekofisk w sektorze norweskim, Forties, Piper i Brent w sektorze brytyjskim).
Polska, podobnie jak większość krajów europejskich, posiada bardzo małe zasoby ropy naftowej (ok. 2 miliardów ton); eksploatowane od połowy XIX wieku złoża w Krośnieńsko-Jasielskim Zagłębiu Naftowym zostały prawie wyczerpane; niewielkie złoża występują w utworach trzeciorzędowych zapadliska przed karpackiego (m.in. Grobla koło Bochni), większe i bardziej wydajne znajdują się w północno - zachodniej części kraju, na Pobrzeżu Bałtyckim (Kamień Pomorski), gdzie ropa występuje w skałach wieku permskiego oraz w szelfie Morza Bałtyckiego, na północ od przylądka Rozewie.
Za początek współczesnego górnictwa naftowego przyjmuje się wywiercenie 1859 pierwszego szybu naftowego w USA (Pensylwania), w kilka lat później rozpoczęto eksploatację ropy naftowej w Rosji (Baku), Kanadzie i Rumunii, w końcu XIX wieku w Indonezji i Iranie. Wydobycie ropy naftowej początkowo niewielkie (kilka tysięcy ton w połowie XIX w.), już w 1900 wyniosło ok. 20 milionów ton, 1913 - prawie 54 miliony ton, a przed II wojną światową ponad 300 milionów ton. Szybki wzrost wydobycia był wynikiem rosnącego zapotrzebowania na ropę, spowodowanego coraz powszechniejszym zastosowaniem silnika spalinowego, jak również odkryciem nowych pól naftowych w USA (Teksas, Kalifornia), Wenezueli, Meksyku, ZSRR i innych krajach. Do połowy XX wieku największymi producentami ropy naftowej były Stany Zjednoczone (ponad 60% produkcji światowej), Wenezuela, ZSRR, Meksyk i Rumunia. Po II wojnie światowej dynamiczny rozwój motoryzacji, lotnictwa, wykorzystanie w coraz szerszym zakresie ropy naftowej w energetyce (elektrownie naftowe) oraz przemyśle chemicznym (ropy naftowej przeróbka), wpłynęły na intensyfikację jej poszukiwań i gwałtowny wzrost jej wydobycia. W wyniku prowadzonych głównie przez amerykańskie i brytyjskie towarzystwa naftowe, badań geofizycznych, geochemicznych i próbnych wierceń odkryto wielkie złoża ropy naftowej na Bliskim Wschodzie i w Afryce, wiele złóż podmorskich, m.in. w Zatoce Meksykańskiej i Morzu Północnym. Rozpoczęto eksploatację dużych pól naftowych w ZSRR i w Chinach. Rozpoznanie nowych złóż ropy naftowej zwiększyło światowe rezerwy ropy; 1970 szacowano je na 73 miliardy ton, 1980 - 90 miliardów ton, a 1990 - 135,5 miliardów ton, z czego na kraje Bliskiego Wschodu i Afryki Północną przypadało około 70%, Amerykę Północną i Południową - ponad 15%, Eurazję (bez Bliskiego Wschodu) - ok. 13%.
4.Ropa naftowa jako najważniejszy surowiec XX wieku.
W drugiej połowie XX wieku ropa naftowa stała się jednym z najważniejszych surowców w gospodarce światowej; jej udział w globalnym bilansie paliwowo-energetycznym, w przeliczeniu na paliwo umowne, 1950-70 wzrósł z 25% do 40%, 1980 - do ok. 45%, 1991 wynosił ok. 37%. Zwiększający się udział ropy naftowej w produkcji energii i paliw, zwłaszcza w krajach rozwiniętych, wpływał na dynamikę jej wydobycia; 1950-70 produkcja ropy naftowej wzrosła prawie czterokrotnie, z 520 milionów ton do 2,3 miliardów ton, 1980 osiągnęła wielkość około 3 miliardów ton i na zbliżonym poziomie (ok. 2,9-3 miliardów ton) utrzymywała się 1990-92. Około 50% światowego wydobycia ropy naftowej do lat 60, pochodziło z USA, ZSRR i Wenezueli; udział tych krajów w produkcji ropy w latach 70, zmniejszył się na rzecz państw położonych nad Zatoką Perską (Arabia Saudyjska, Iran, Kuwejt, Irak i inne) i afrykańskich (Libia, Nigeria, Algieria), na które 1970 przypadało około 40% wydobycia światowego; w latach 80 głównymi producentami ropy naftowej nadal pozostawały ZSRR i USA, natomiast udział krajów bliskowschodnich i afrykańskich zmniejszył się do około 30%, w związku z dużym wzrostem produkcji ropy naftowej w Chinach, Meksyku, Norwegii i Wielkiej Brytanii. Od lat 80 znaczącymi w świecie producentami ropy naftowej stały się Brazylia, Egipt, Syria, Indie i Malezja.
Ropa naftowa jest jednym z głównych towarów w handlu światowym; eksport obejmuje prawie połowę wydobywanej ropy (1991 - 1,4 miliarda ton). Największymi dostawcami ropy naftowej są kraje rozwijające się, zrzeszone w Organizacji Krajów Eksportujących Ropę Naftową (OPEC); około 80-90% wydobywanej ropy naftowej przeznaczają one na eksport, a wpływy w wywozu tego surowca stanowią w tych krajach do 70-90% wartości eksportu. Około 50% dostarczanej na rynek światowy ropy pochodzi z krajów Bliskiego Wschodu, głównie z Arabii Saudyjskiej (ponad 23% światowego eksportu), Iranu, Zjednoczonych Emiratów Arabskich, Kuwejtu; do 1990 (wojna nad Zatoką Perską) dużym eksporterem był również Irak. Ważnymi eksporterami ropy naftowej są także Nigeria, Libia, Wenezuela, a z państw nienależących do OPEC - Meksyk, Norwegia, Rosja i Wielka Brytania. Głównymi odbiorcami ropy naftowej są kraje Europy Zachodniej (zwłaszcza Francja, Włochy, Holandia, Niemcy i Hiszpania), Japonia i USA, których wydobycie nie pokrywa zapotrzebowania krajowego; dużymi importerami są Singapur i Korea Pd.; ropę naftową importują również wszystkie kraje środkowej i wschodniej Europy (bez Rosji), większość krajów południowej i wschodniej Azji, Afryki oraz Ameryki Środkowej i Południowej. Import ropy naftowej przez kraje rozwinięte do początku lat 70 charakteryzował się dużą dynamiką wzrostu w związku z niskimi cenami ropy
(do 3 dolarów USA za baryłkę) oraz intensywnym rozwojem przemysłu refineryjnego i petrochemicznego w tych krajach; wydobycie i dystrybucja ropy w większości państw ją eksportujących, znajdowały się pod kontrolą koncernów: brytyjskiego (British Petroleum), brytyjsko-holenderskiego (Shell) i amerykańskiego (Exxon, Gulf, Mobil, Standard Oil of California - od 1984 p.n. Chevron, Aramco). Wzrost cen ropy naftowej (do 12 dolarów za baryłkę - 1973, około 30 dolarów - 1984), ustalanych od 1973 przez kraje OPEC, przy jednoczesnym ograniczaniu jej wydobycia, spowodował kryzys energetyczny w gospodarce światowej; przyczynił się do spadku importu w krajach rozwiniętych, zastępowania ropy innymi paliwami (elektrownie gazowe), rozbudowy energetyki jądrowej oraz wprowadzania energooszczędnych technologii. Duże dochody uzyskiwane przez kraje OPEC ze sprzedaży ropy naftowej spowodowały ich szybkie bogacenie się (zwłaszcza krajów arabskich), umożliwiły również przejmowanie udziałów koncernów zagranicznych w górnictwie naftowym. Wzrastający eksport ropy naftowej z krajów niezrzeszonych w OPEC wpłynął na spadek cen ropy na rynku światowym.
Większość wydobywanej w świecie ropy naftowej jest przetwarzana w krajach wysoko rozwiniętych, głównie w USA, państwach Europy Zachodniej (Wielkiej Brytania, Włochy, Francja, Holandia, Niemcy, Hiszpania) i Japonii; na te kraje przypada ok. 60% światowego potencjału przemysłu rafineryjnego; dobrze rozwinięty przemysł rafineryjny mają: Rosja i nowo uprzemysłowione kraje azjatyckie (Singapur, Korea Południowa), stosunkowo słabo - kraje OPEC. W USA przemysł rafineryjny jest skoncentrowany w pobliżu ośrodków wydobycia ropy naftowej (wielkie kompleksy rafinerii w Houston, Corpus Christi, Nowym Orleanie), południowej Kalifornii (Los Angeles, San Francisco), portach atlantyckich (Nowy Jork, Filadelfia) oraz w dużych rynkach zbytu na produkty naftowe (Chicago, Detroit, Toledo, Minneapolis). W Europie Zachodniej rafinerie są zlokalizowane w pobliżu portów dowozowych ropy, główne z nich to: Rotterdam w Holandii (największy w świecie kompleks rafinerii, moc przerobowa około 90 milionów ton rocznie), Marsylia i Hawr we Francji, Antwerpia w Belgii, Milford Haven i Londyn w Wielkiej Brytanii, Genua, Milazzo i Rawenna we Włoszech; także w wielkich okręgach przemysłowych (Zagłębie Ruhry). W Japonii największymi ośrodkiem tego przemysłu są porty dowozowe ropy: Nagoja, Kōbe, Jokohama i Tokio, natomiast w Rosji większość rafinerii powstała w regionie wołżańsko-uralskim oraz w okręgu moskiewskim. Duże rafinerie znajdują się również w Singapurze, Korei Południowej (Josu, Ulsan), Antylach Holenderskich (Willemstad), Meksyku (Ciudad Madero, Salamanca), Brazylii (Rio de Janeiro, Săo Sebastiăo), a także w krajach OPEC, m.in. w Arabii Saudyjskiej (Ras Tannura), Kuwejcie (Mina al-Ahmadi), Iranie (Abadan), Algierii (Sakikda), Wenezueli (Maracaibo). Powszechne wykorzystanie ropy naftowej w gospodarce światowej przyczyniło się do rozwoju transportu rurociągowego i morskiego, przemysłu stoczniowego. Gęsta sieć rurociągów, dostarczających ropę naftową do rafinerii z ośrodków wydobycia bądź portów dowozowych, powstała w USA (długość około 350 tysięcy kilometrów), Europie Zachodniej (m.in. rurociągi międzynarodowe Marsylia-Karlsruhe i Triest-Wiedeń, podmorskie na Morzu Północnym), Rosji (w tym rurociąg Przyjaźń z Drugiego Baku do Białorusi, Polski, Ukrainy, Słowacji, Niemiec i Węgier), a także w krajach OPEC. Transport rurociągowy jest intensywnie rozbudowywany zwłaszcza na Bliskim Wschodzie; lądowe i podmorskie rurociągi łączą ośrodki wydobycia z wielkimi terminalami naftowymi: Al-Dżubajl, Ras Tannura, Ad-Dammam i Janbu al-Bahr w Arabii Saudyjskiej, Chark w Iranie, Al-Manama w Bahrajnie, Abu Zabi i Das w Zjednoczonych Emiratach Arabskich; z pól naftowych Arabii Saudyjskiej i Iraku rurociągi biegną do portów w Libanie i Syrii. Do transportu morskiego ropy wykorzystuje się tankowce (budowane głównie w stoczniach japońskich i koreańskich) o nośności 200-300 tys. DWT i większej. Główne szlaki przewozu wodą: z Zatoki Perskiej przez cieśninę Ormuz, Morze Czerwone i Kanał Sueski, a także wokół Afryki (szlak dla super tankowców) do Europy Zachodniej i USA, z Zatoki Perskiej przez Ocean Indyjski oraz cieśninę Malakka i Lombok (w pobliżu indonezyjskiej wyspy Bali) do Azji Wschodniej, głównie do Japonii; znaczne ilości ropy naftowej przewozi się z Indonezji i Malezji do Azji Południowej i Wschodniej, z portów północnej Afryki przez Morze Śródziemne do południowej Europy, z Nigerii przez Ocean Atlantycki do USA i krajów Europy Zachodniej, z Wenezueli i Meksyku do USA; wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryki Północnej biegnie szlak przewozu ropy naftowej z Alaski do portów Kalifornii. Nośność światowej floty tankowców 1991 wynosiła 264 milionów DWT; przewóz ropy naftowej i produktów naftowych - ponad 1,5 miliarda ton rocznie; większość statków do przewozu ropy naftowej pływa pod tanią banderą, głównie liberyjską, panamską, bahamską i cypryjską. Na głównych szlakach transportu ropy naftowej, zwłaszcza u południowych. i zachodnich wybrzeży Europy, często dochodzi do skażenia morza w wyniku katastrof tankowców i wycieków ropy.
5.Przeróbka ropy naftowej.
Przygotowywanie ropy do przeróbki w rafineriach:
Z szybów naftowych wydobywa się ropę surową, zmieszaną z towarzyszącymi jej w złożach gazami i zasolonymi wodami głębinowymi (solanką). Wstępne oczyszczanie ropy ma na celu oddzielenie solanki i gazu mokrego. Od oddzielenia gazu potrzebne jest specjalne urządzenie. W którym ropa toczona jest przez pompę wgłębną, do zbiornika, w którym oddziela się większą część gazu. Ropa ze zbiornika zawiera jeszcze rozpuszczone lotne składniki, które przy ogrzaniu w czasie transportu lub przeróbki ropy wydzielałyby się z niej, powodując straty cennych składników gazu i zakłócenia w przebiegu procesów technologicznych. Rozpuszczone lotne składniki usuwa się, więc w ogrzewanych przeponowo parą urządzeniach do stabilizacji ropy i dołącza do pozostałych gazów. Oddzielony od ropy gaz mokry poddaje się odgazolinowaniu.
Oddzielanie solanki nastręcza więcej trudności, szczególnie wtedy, gdy tworzy ona trwałe emulsje, stabilizowane przez żywice i nierozpuszczalne w wodzie sole z ropy. W zależności od trwałości emulsji solankę oddziela się w odstojnikach ( razem z zanieczyszczeniami mechanicznymi-piaskiem, mułem, itp.) lub –najczęściej – niszczy się najpierw emulsję specjalnymi zabiegami. Polegają one na dodawaniu środków deemulgujących (rozpuszczalnych w wodzie soli sodowych kwasów naftenowych), ogrzewaniu ropy do temperatury ok. 50-60C, rozbijaniu emulsji w szybkoobrotowych wirówkach lub w polu elektrycznym. Ostatnia metoda jest najbardziej skuteczna. Wykorzystuje się w niej obecność ładunków elektrycznych na powierzchni kropelek emulsji. Proces prowadzi się w zbiornikach obrotową elektrodą –mieszadłem. Stabilizowana i wolna od solanki ropa stanowi surowiec dla przeróbki w rafineriach.
Destylacja rurowo-wieżowa:
O szczegółowym wyborze metod technologicznych przerobu ropy w rafineriach decyduje przede wszystkim skład przerabianego surowca. Właściwemu doborowi tych metod służ techniczna klasyfikacja ropy. Z kilku znanych systemów klasyfikacyj...
mjotek1