Přírodní zdroje organických sloučenin

Hlavními přírodními surovinami pro výrobu organických sloučenin jsou ropa, zemní plyn a uhlí neboli fosilní suroviny.

Předpokládá se, že vznikaly odbouráváním organických zbytků za extrémních podmínek – za vysokých tlaků a teplot v prostředí bez kyslíku − po dobu milionů let. Ložiska ropy a zemního plynu často bývají blízko u sebe. Těžba se provádí pomocí vrtů.

Zemní plyn je možné odebírat přímo, ropa bývá zemním plynem vytlačována. Způsob těžby závisí na poloze vrstev usazenin v zemské kůře. Složení ropy a zemního plynu z různých nalezišť se liší.

Obr. 1: Ropné vrty

 

Ropa

		Ropa je světle žlutá až téměř černá kapalina, jejíž převážnou část tvoří kapalné uhlovodíky, ale i tuhé a plynné uhlovodíky, případně i jiné látky. V malém množství se v ropě vyskytují sloučeniny síry, dusíku, kyslíku, v nepatrném množství sloučeniny křemíku, niklu, mědi i jiných prvků. Uhlíku je v ropě průměrně 82–87 %, vodíku 10–14 %, síry do 4 %, dusíku a kyslíku do 1 %. Pokud jde o uhlovodíky, kolísá jejich obsah v ropě podle místa naleziště.
Obr. 2: Ropa

 

Zpracování ropy

Vytěžená ropa se dopravuje ropovody nebo tankery ke zpracování do ropných rafinérií, kde se po předběžné úpravě (např. usazování a odsolování) podrobuje složitému procesu – opakované destilaci neboli rektifikaci.

Cílem rektifikace je získat jednodušší směsi buď jako základ různých druhů paliv (benziny, motorová nafta, topné oleje aj.), nebo suroviny pro výrobu nejrozmanitějších chemických produktů. Chemickým zpracováním a využíváním ropy a zemního plynu se zabývá petrochemie.

V přírodní čili surové podobě je ropa zpravidla nepoužitelná. Zpracovává se v průmyslových závodech, které se nazývají rafinérie. Nejdůležitějším zařízením rafinerií je rektifikační kolona (věž). Rektifikační kolona je uzavřená válcová nádoba o průměru 3–4 m a výšce až 50 m, která je uvnitř rozdělena na jednotlivá tzv. patra, vzdálená od sebe asi 0,5 m. Na každém patře jsou průchodová hrdla, překrytá zvonky (kloboučky), a přepadové trubky.

Popis principu činnosti rektifikační kolony

		Představme si, že kapalnou směs čtyř látek o různém bodu varu, pro zjednodušení zvolme směs látek A – 80 °C, B – 60 °C, C – 40 °C, D – 10 °C, zahříváme na teplotu 100 °C a vzniklé páry přivádíme do spodní části rektifikační kolony. Páry směsi budou stoupat průchodovými hrdly vzhůru, ale protože se při proudění kolonou postupně ochlazují, bude teplota na 1. patře nikoli 100 °C, ale jen 70 °C, a tak převážná část plynné složky A o bodu varu 80 °C na 1. patře zkapalní. Podobně na 2. patře zkapalní složka B, na 3. patře zkapalní složka C a jen složka D – 10 °C bude z rektifikační kolony odcházet v plynném skupenství. Tímto procesem se původní směs rozdělí na kapalné složky podle bodu varu, které pak z jednotlivých pater odvádíme do uskladňovacích nádrží. Postup zpracování ropy v rafinériích není vždy stejný. Záleží nejen na složení ropy, ale také na tom, jaké produkty chceme z ropy získat, a tak se budují rafinérie destilační, palivářské, olejářské i jiné.
Obr. 3: Schéma rektifikační kolony

 

Před vlastním zpracováním se ropa čistí. Tuhé nečistoty a část vody se z ropy oddělí sedimentací (usazováním). Elektrostatickým odvodněním a odsolením se ropa zbavuje zbytků vody a rozpuštěných solí. A dále se odstraňují sloučeniny síry, aby nevznikala korozívní kyselina sírová. Takto očištěná ropa, předehřátá na teplotu kolem 100 °C, se přivádí do trubkové pece, zde se zahřívá na teplotu 270–320 °C, a dále se vede do tzv. atmosférické rektifikační kolony, kde se za atmosférického tlaku rektifikací rozděluje na jednotlivé frakce (složky). Všimněme si, že jednotlivé frakce nejsou čisté látky, ale směsi různých uhlovodíků.

Název frakce	Teplota varu
Uhlovodíkové plyny (C3-C4)	do 20 °C
Benzínová frakce (C5-C9)	20−200 °C
Petrolejová frakce (C9-C16)	200−275 °C
Plynový olej (C16 a výše)	275−400 °C
Destilační zbytek, mazut	nad 400 °C

Ze spodní části kolony se odvádí destilační zbytek neboli mazut do trubkové pece, zde se zahřívá na teplotu 360 až 400 °C a vzniklé páry se vedou do tzv. vakuové rektifikační kolony, kde se mazut za sníženého tlaku rozděluje na další frakce.

 

Palivářské využití ropy a motorové benzíny

Zpracování ropy na jednotlivé frakce má samozřejmě svůj smysl. Všimněme si využití jednotlivých frakcí alespoň ve stručném přehledu:

Z uhlovodíkových plynů se kromě jiných látek oddělují propan a butan. Tyto plyny se používají jako náplň do zapalovačů, přenosných ohřívačů, k topení, jako pohonné látky či chemické suroviny.

Benzínová frakce obsahuje tzv. primární benzín, který je zdrojem pro výrobu paliva do pístových zážehových motorů. Před použitím se však musí nechat ,,reformovat‘‘, přičemž se řetězce nerozvětvené či málo rozvětvené přeměňují na rozvětvené nebo dochází k zacyklení řetězců, čímž se zvyšuje tzv. oktanové číslo. To vyjadřuje vliv benzínu na ,,klepání‘‘ motoru. Tato hodnota byla historicky stanovena jako poměr mezi heptanem C₇H₁₆, kterému byla určena hodnota 0, a 2,2,4-trimethylpentanem C₈H₁₈, jenž má stanovenou hodnotu 100. Zatímco heptan způsobuje silné detonace motoru, 2,2,4-trimethylpentan (isooktan) takřka žádné. Proto platí, že čím je oktanové číslo vyšší, tím je benzín kvalitnější. Dříve se oktanové číslo reformovaného benzínu zvyšovalo ještě přidáním tetraethylolova (C₂H₅)₄Pb, avšak kvůli toxicitě je jeho používání v západním světě zcela zakázáno. V současnosti se tedy setkáváme s bezolovnatými benzíny (olovnaté benzíny jsou ale stále běžné např. v Indii nebo Číně), což na druhou stranu vede k potřebě hledání nových aditiv. Benzín je tak dnes složitá směs mnoha látek,  u níž ke zvyšování oktanového čísla přispívají např. aromáty (benzín obsahuje až 40 % aromátů) nebo např. methyl(tercbutyl)ether. Ten je spolu s ethanolem tzv. biosložkou benzínu, která měla sloužit ke zvýšení podílu obnovitelných zdrojů ve fosilních palivech. V současnosti se vede odborná diskuse o skutečném přínosu tohoto opatření.

Kromě využití v automobilovém průmyslu se benzín používá jako rozpouštědlo -v podobě tzv. technických benzínů, jako je čistící benzín používaný k odmašťování kovových součástí a k čištění textilií, lékařský benzín používaný v lékařství, farmacii a kosmetice a lakový benzín používaný k ředění nátěrových hmot, lešticích past a jiných výrobků.

Petrolej se používá dnes sice již v omezené míře k svícení v petrolejových lampách nebo k topení v petrolejových kamínkách, zásadní význam má však petrolej jako palivo pro motory proudových a tryskových letadel (palivo kerosen).

Význam petrolejové frakce však spočívá  především v krakování. Je to děj, při kterém dochází za vysokých teplot, bez přístupu vzduchu a často s použitím katalyzátoru k ,,trhání‘‘ dlouhých řetězců na menší. Produkty krakování jsou využívány buď jako benzín, nebo jako základní sloučeniny pro polymerní průmysl, jako třeba jednoduché alkeny ethylen C₂H₄ či propylen C₃H₆. Ethylen patří mezi nejvýznamnější organické sloučeniny, neboť jeho reakcemi lze připravit celou škálu dalších organických látek. Obě sloučeniny jsou rovněž nejdůležitějšími monomery v polymerním průmyslu.

Plynový olej se mísí s petrolejem na motorovou naftu, určenou k pohonu Dieselových (naftových) motorů nákladních automobilů a traktorů, nebo se zpracovává na topnou naftu pro průmysl (vyhřívací pece) i malospotřebitele (naftová kamna). Naftu lze obdobně jako petrolejovou frakci krakovat na benzín a nejrůznější alkeny.

Zbytkem frakční destilace ropy je mazut, který je stále bohatou směsí látek. Lze jej použít jako palivo, případně dále zpracovat frakční destilací za sníženého tlaku.

Z olejových frakcí se zpracovávají nejrůznější mazací oleje, jako jsou automobilové motorové oleje, ložiskové oleje a oleje na šicí stroje, z olejových frakcí některých rop se získává parafín, směs pevných nasycených alkanů, používaných k výrobě svíček a kosmetických přípravků.

Asfaltu se používá k výrobě silničních asfaltů, ve stavebnictví k ochraně základů proti vlhkosti, k zhotovování asfaltových střešních lepenek.

Zemní plyn

V podzemních ložiskách může ropu doprovázet zemní plyn, avšak jsou známá i čistě plynová ložiska. Jedná se o směs plynů, převážně methanu CH₄, ale i nižších alkanů (ethanu C₂H₆, propanu C₃H₈, butanu a isobutanu C₄H₁₀), oxidu uhličitého CO₂, dusíku N₂ a případně i helia He (zemní plyn je takřka jediným zdrojem helia na Zemi).

  Obr. 4: Vzorce uhlovodíků

Zemní plyn je často pro svoji výhřevnost využíván jako palivo a zdroj energie, a jelikož není na rozdíl od svítiplynu jedovatý, nalezl použití i v domácnostech (plynové sporáky, průtokové ohřívače vody, …).

Při vysokých teplotách a za přítomnosti katalyzátoru lze methan (jako hlavní složku zemního plynu) rozkládat vodní párou na syntézní (vodní) plyn čili směs plynného oxidu uhelného CO a vodíku H₂:

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

Ze syntézního (vodního) plynu se dále vyrábí například methanol CH₃OH či vodík H₂ a posléze amoniak NH₃. Vodík vzniká katalytickým proháněním vodní páry přes oxid uhelnatý:

CO + H₂O → CO₂ + H₂

Zemní plyn slouží mimo jiné také pro výrobu sazí, acetylenu C₂H₂, kyanovodíku HCN či sulfanu H₂S (sirovodíku).

 

Uhlí

Uhlí je hořlavá hornina složená převážně z elementárního uhlíku, která vznikla přeměnou biologických materiálů, jako třeba prvohorních přesliček či plavuní (období karbon získalo svůj název právě kvůli datování vzniku uhlí) za vysokých teplot a tlaků. Vedle čistého uhlíku je složeno z mnoha organických látek o nejrůznějších molekulových hmotnostech, z dalších prvků v něm nalezneme vodík H, kyslík O, dusík N a síru S. Kromě toho uhlí obsahuje minerální látky (prokazuje to popel zbylý po jeho shoření). Rozlišujeme uhlí černé (geologicky starší) a hnědé. Obsah uhlíku v černém uhlí je okolo 80 %, zatímco u hnědého se pohybuje okolo 70 %. Při samovolné přeměně hnědého uhlí v černé (prouhelňování) se uvolňuje methan CH_{4 ,} též zvaný důlní plyn, který byl příčinou mnoha důlních neštěstí.

 

Obr. 5: Hlubinný důl

Uhlí se těží a jako surovina může být buď přímo páleno jako zdroj energie (např. uhelné elektrárny, domácí kotle), či dále zpracováno. Jedním ze způsobů zpracování je zahřívání při vysokých teplotách bez přístupu vzduchu - pyrolýza, též zvaná karbonizace.

Hlavními produkty karbonizace jsou

• koks (téměř čistý uhlík),

• uhelný dehet  a

• karbonizační plyn.

Koks je důležitou surovinou pro výrobu železa Fe (jeho redukcí ze železných rud), dříve sloužil i k výrobě karbidu (acetylidu) vápenatého CaC₂ (redukcí oxidu vápenatého CaO – páleného vápna).

Dehet obecně je hustá černá kapalina nepříjemného zápachu. Jedná se vždy o směs stovek až tisíců organických sloučenin, které se z něj získávají různými separačními metodami (např. destilací), přičemž složení dehtu ovlivňuje jeho zdroj (např. černouhelný dehet má jiné složení než ropný dehet ap.). Význam uhelného dehtu však kvůli rozvoji petrochemického průmyslu výrazně poklesl, přesto zůstává nezastupitelným zdrojem některých vybraných látek. Dehet je přítomen mimo jiné také v cigaretovém kouři.

Zplyňování uhlí je průmyslově využíváno už od 19. století. Podle použité technologie mohou být produktem zplyňování

• svítiplyn
• vodní plyn
• generátorový plyn
• vysokopecní plyn
• koksárenský plyn

Tyto plyny jsou získávány buď ve speciálních generátorech, nebo jsou produktem jiných technologických procesů.

Karbonizační (koksárenský) plyn se zpracovává (odstraněním amoniaku NH₃, benzenu C₆H₆, naftalenu C₁₀H₈ aj.) na svítiplyn. Ten se dříve využíval pro svícení (odtud odvozen jeho název, plynové osvětlení využívala mnohá města v 19. a 20. století) či pro vaření (plynové sporáky). Dalšími složkami svítiplynu jsou vodík H₂ (60 %), methan CH₄ (25 %) a další uhlovodíky, dusík N₂, kyslík O₂ a oxid uhličitý CO₂. Kvůli přítomnosti jedovatého oxidu uhelnatého CO (cca 5 %) byl svítiplyn nahrazen zemním plynem.

Dnes se stále koksárenský plyn využívá v chemických provozech buď jako palivo, nebo se dále zpracovává na řadu základních chemických látek (methanol, methylamin, ethylen a další).

S rozvojem využívání ropy a zemního plynu význam uhlí jako suroviny poklesl. Spalování hnědého uhlí v tepelných elektrárnách se podle možností omezuje. I když se používají v současné době účinné odsiřovací postupy, je snaha využívat ekologicky čistší zdroje energie.

Pozornost se stále více obrací k recentním zdrojům surovin. Organická hmota – biomasa – se využívá chemicky i biochemicky.

Základem fytomasy je celulosa, součást dřeva, slámy aj., jejímž tepelným rozkladem – pyrolýzou – se také kromě jiného tvoří dehet.

 

Zdroje

• KOLÁŘ, K.;a kol. Chemie II (organická a biochemie). Olomouc: SPN - pedagogické nakladatelství, 1997, ISBN 80-85937-49-2.

Obrázky:

• Obr. 1: 21.STOLETÍ. http://21stoleti.cz/blog/2010/10/21/dejiny-s-vuni-benzinu/ [online]. [cit. 9.7.201 4]. Dostupný na WWW: http://21stoleti.cz/wp-content/images/1292861933.jpg
• Obr. 2: ING. DANIEL MAXA, PH.D.. http://www.petroleum.cz/ropa/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://www.petroleum.cz/ropa/system/index_1.jpg
• Obr. 3: ll@musky. http://llamy.kvalitne.cz/ropavse.html [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://llamy.kvalitne.cz/Crude_Oil_Distillation.jpg
• Obr. 4: složen ze čtyř podobrázků
• Obr. 4: Autor neznámý. http://home.tiscali.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://home.tiscali.cz/chemie/alkany/methanku.gif
• Obr. 4: Autor neznámý. http://home.tiscali.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://home.tiscali.cz/chemie/alkany/ethanku.gif
• Obr. 4: Autor neznámý. http://home.tiscali.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://home.tiscali.cz/chemie/alkany/propanku.gif
• Obr. 4: Autor neznámý. http://home.tiscali.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://home.tiscali.cz/chemie/alkany/butanku.gif
• Obr. 5: Fibigar Jakub. http://zkouska1112.wz.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://zkouska1112.wz.cz/04.jpg
• Obr. 6: Autor neznámý. http://kreacionismus.cz/kreace/diapozitivy%20k%20prenaskam%20p1.htm [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://kreacionismus.cz/kreace/042.jpg
• Obr. 7: Šulc, Radek, Ing. http://www1.fs.cvut.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://www1.fs.cvut.cz/cz/u218/pedagog/predmety/4rocnik/dsz/picture/kolona_rafinerie.jpg
• Obr. 8: Bokr, Pavel. http://www.geology.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://www.geology.cz/aplikace/fotoarchiv/sobr.php?r=700&id=13942
• Obr. 9:Koksovna Svoboda Ostrava. http://geologie.vsb.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://geologie.vsb.cz/loziska/suroviny/uhli/Svoboda_resize.jpg
• Obr. 10: Autor neznámý. http://aprovechandointeriores.blogspot.cz/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://4.bp.blogspot.com/-QtopDnhGgMw/TcbF6NCdkQI/AAAAAAAAACo/yjgl4AYopbA/s320/dibujo-biomasa.jpg
• Obr. 11:  Autor neznámý. http://cs.wikipedia.org/ [online]. [cit. 9.7.2014]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Biomasa.jpg