Nafta – tai ne vienalytė medžiaga, o sudėtingas angliavandenilių ir įvairių kitų cheminių junginių mišinys. Pagrindinę jos dalį sudaro anglis bei vandenilis, tačiau neretai randama ir sieros, azoto, deguonies priemaišų, taip pat metalų jonų (vanadžio, nikelio). Būtent ši sudėties įvairovė lemia didelius naftos kokybės bei perdirbimo skirtumus, dėl kurių kiekvienas telkinys pasižymi savita chemine „vizitine kortele“. Norint suprasti, kodėl vieną naftos rūšį apdoroti lengviau, o kitą – sunkiau, svarbu žinoti, iš ko susideda nafta ir kaip šie junginiai veikia jos perdirbimo procesus bei galutinę produktų kokybę.
Pagrindinės naftos sudedamosios dalys
Angliavandeniliai
Didžiąją naftos dalį sudaro angliavandeniliai, tai yra junginiai, sudaryti iš anglies (C) ir vandenilio (H) atomų. Priklausomai nuo jų sandaros, išskiriamos kelios svarbiausios grupės:
- Alkanai (parafinai). Tai prisotintieji angliavandeniliai, pasižymintys tiesinėmis ar šakotomis C–C jungtimis. Jų bendroji formulė – CₙH₂ₙ₊₂. Alkanai dažniausiai būna skysti (jei turi 5–16 C atomų grandinėje) arba dujiniai (mažiau kaip 5 C atomai). Jie prisideda prie benzino, žibalo ar dyzelino frakcijų susidarymo distiliacijos metu, yra gana stabilūs cheminiu požiūriu.
- Cikloalkanai (naftenai). Šiai grupei priklauso cikliškos struktūros angliavandeniliai. Jie būdingi vadinamajai „nafteninės“ sudėties naftai, dažnai aptinkamai Artimuosiuose Rytuose. Dėl ciklinės sandaros skiriasi jų fizikinės savybės, pavyzdžiui, klampumas ar virimo temperatūros, palyginti su tiesiniais alkanų analogais.
- Aromatiniai angliavandeniliai. Šie junginiai pasižymi bent vienu benzeno žiedu (C₆H₆). Aromatai reikšmingi todėl, kad turi didelę energetinę vertę, bet gali kelti ekologinių iššūkių (iš jų susidaro pavojingos aplinkai medžiagos). Naftoje dažniausiai randama tolueno, ksileno, kitų poliaromatinių junginių, kurie vėliau gali būti išskiriami ir naudojami chemijos pramonėje kaip tirpikliai ar žaliavos kitoms sintezėms.
Heteroorganiniai junginiai
Be angliavandenilių, naftoje yra ir junginių, kurių sudėtyje aptinkama sieros, azoto, deguonies atomų. Jie gali būti paprastos cheminės struktūros (pvz., tioliai, fenoliai, aminai) arba sudėtingi, didelių molekulių junginiai (dervos, asfaltenai).
- Siera. Ji gali būti organiniuose junginiuose (pvz., tioliuose, sulfiduose) arba neorganinėse druskose. Sieros turinčios naftos rūšys vadinamos rūgščiosiomis (angl. sour) ir reikalauja papildomų perdirbimo etapų (hidrinio valymo), kad sieros junginiai būtų pašalinti.
- Azotas. Jo randama amino junginiuose, pirole ar kitose heterociklinėse molekulėse. Didelis azoto kiekis kenkia rafinavimo procesams, nes gali užteršti katalizatorius.
- Deguonis. Dažniausiai aptinkamas dervinių junginių, fenolių ar kitų oksiduotų fragmentų pavidalu. Deguonies turintys junginiai gali sukelti nepageidaujamą polimerizaciją, tamsinti degalus.
Dervos ir asfaltenai
Dervomis (angl. resins) ir asfaltenais (angl. asphaltenes) vadinami sudėtingiausi didelės molekulinės masės angliavandenilių junginiai, turintys heteroatomų (S, N, O) bei metalų jonų. Jie suteikia naftai klampumo, tamsią spalvą, dažnai apsunkina gręžinių ir vamzdynų eksploataciją, nes gali nusėsti ar sudaryti sunkiai pratekamus kamščius.
- Dervos yra santykinai tirpesnės už asfaltenus ir dažniausiai pasižymi gana lipniomis, klampiomis savybėmis.
- Asfaltenai paprastai išsiskiria iš naftos, kai pasikeičia spaudimas ar temperatūra, sudarydami tvirtas tamsias nuosėdas.
Tai – viena iš didžiausių problemų, kai mėginama gavybos ir transportavimo metu išlaikyti sklandų, be sutrikimų naftos srautą.
Metalai
Kai kuriose naftos rūšyse, ypač sunkiose arba gausiai dervingose, gali būti randamas nikelis, vanadis, geležis. Šie metalai integruojasi į didelės molekulinės masės organines struktūras ir gali daryti neigiamą poveikį katalizatoriams perdirbimo procesų metu.
Štai vanadis pasižymi abrazyvinėmis savybėmis bei aukšta oksidacijos temperatūra, o nikelis gali „užnuodyti“ kai kuriuos naftos krekingo ar hidrinio valymo katalizatorius, todėl didelis šių metalų kiekis verčia gamyklas taikyti papildomą valymo technologiją.
Cheminės sudėties įtaka naftos savybėms
Cheminė sudėtis tiesiogiai lemia naftos tankį, klampumą, sieringumą ir kitus svarbius parametrus. Kuo daugiau joje sunkiųjų komponentų (asfaltenų, dervų), tuo nafta bus klampesnė, galimai turės tamsesnę spalvą, ją sudėtingiau perdirbti. Tuo tarpu gausesnis lengvųjų angliavandenilių (ypač alkanų) kiekis užtikrina, kad galima bus iš distiliacijos proceso gauti daugiau benzino, žibalo, dyzelino frakcijų.
Sieros, azoto ir deguonies junginių gausa tiesiogiai įtakoja rafinavimo technologijų sudėtingumą. Pavyzdžiui, didelis sieros kiekis reikalauja papildomo apdorojimo, kad galutiniai degalai atitiktų tarptautinius aplinkosaugos standartus. Taip pat atitinkamus iššūkius kelia metalų koncentracija, nes jie gali paveikti katalizatorius, mažinti jų aktyvumą ar trumpinti tarnavimo laiką.
Kintamumas tarp skirtingų telkinių
Neegzistuoja dvi visiškai identiškos naftos rūšys. Kiekvienas telkinys pasaulyje pasižymi unikalia chemine sudėtimi, kurią formuoja geologinės sąlygos, telkinio amžius, kilmės uolienų tipas, paleogeografinės aplinkybės. Pavyzdžiui, Artimųjų Rytų nafta dažniausiai turi daug ciclkinių (nafteninių) struktūrų, vidutinį sieros kiekį, yra gana klampi. Tuo tarpu Šiaurės jūroje (Brent) išgaunama nafta ar JAV lengvoji (WTI) pasižymi didesne lengvųjų alkanų koncentracija, mažesniu sieros kiekiu, todėl dažnai vertinama kaip „geresnės kokybės“.
Šis kintamumas skatina pasaulio rinkoje skirtingas naftos kainas. Lengva, mažai sieros turinti nafta parduodama brangiau (pavyzdžiui, WTI, Brent), o sunkioji, sieringa – pigiau (pvz., Heavy Sour iš Venesuelos). Būtent todėl didelės naftos bendrovės, prieš perkant ar parduodant žaliavą, atlieka laboratorinius tyrimus, kad išsiaiškintų, kokios rafinavimo schemos prireiks.
Apdorojimas ir frakcionavimas
Žinant naftos cheminę sudėtį, naftos perdirbimo gamyklose parenkami atitinkami rafinavimo procesai:
- Distiliacija (frakcinis skaidymas) leidžia atskirti lengvąsias (dujinės) ir vidutines (benzino, žibalo, dyzelino) frakcijas nuo sunkiųjų (mazuto, bitumo).
- Krekingas (terminis, katalizinis, hidrokrekingas) skaidant ilgas sunkias molekules į trumpesnes, gauti daugiau vertingų degalų.
- Hidrinis valymas (angl. hydrotreating) pašalinant sierą, azotą, metalus, kad degalai būtų ekologiškesni ir mažiau kenksmingi varikliams bei aplinkai.
- Katalizinis reformingas norint padidinti oktaninį benzino skaičių, keičiamas molekulių struktūrinis išsidėstymas, sukuriant daugiau aromatinių junginių.
Kuo didesnė nepageidaujamų junginių (pvz., sieros, dervų, asfaltenų) koncentracija, tuo daugiau energijos ir investicijų reikia perdirbti naftą bei gauti reikiamus produktus. Todėl cheminė sudėtis lemia ne tik degalų kokybę, bet ir jų savikainą bei pramonės procesų efektyvumą.
Naftos cheminių savybių apibendrinimas
Naftos cheminę sudėtį sudaro įvairios molekulės – nuo paprastų alkanų, cikloalkanų iki aromatinių junginių ir didelių dervų bei asfaltenų agregatų. Šių junginių kiekis ir tarpusavio santykis lemia naftos tankį, klampumą, sieros kiekį, spalvą ir kitus parametrus, darančius tiesioginę įtaką perdirbimo būdams bei galutinių produktų savybėms. Kadangi skirtinguose pasaulio telkiniuose formavosi skirtingomis geologinėmis sąlygomis, kiekviena naftos rūšis turi unikalų „cheminį parašą“.
Šis unikalumas verčia naftos pramonę taikyti įvairius rafinavimo metodus, atsižvelgiant į sieros, metalų ir kitų priemaišų kiekius. Tuo pačiu mokslininkai bei inžinieriai tobulina valymo technologijas, ieško naujų sprendimų, kad išnaudotų šį vertingą energijos šaltinį kiek galima efektyviau ir su mažesniu poveikiu aplinkai. Be galo svarbu išsamiai ištirti naftos cheminę sudėtį, nes tik taip galima numatyti, kokie naftos perdirbimo procesai bus reikalingi, kokie saugumo reikalavimai turi būti taikomi ir kokia galutinė produktų kokybė pasiekiama.