Πετρέλαιο – Προϊόντα πετρελαίου. Βενζίνη. Καύση – Καύσιμα ⛽

Καύσιμα και καύση

Καύσιμα είναι υλικά που, όταν καίγονται, αποδίδουν σημαντικά και εκμεταλλεύσιμα ποσά θερμότητας. Τα καύσιμα που παίρνουμε έτοιμα από τη φύση λέγονται φυσικά, ενώ αυτά που παρασκευάζουμε με κατάλληλες διεργασίες από φυσικές πρώτες ύλες ονομάζονται τεχνητά. Οι κυριότερες πηγές καυσίμων στη φύση είναι ο γαιάνθρακας (στερεό καύσιμο), το πετρέλαιο (υγρό καύσιμο) και το φυσικό αέριο (αέριο καύσιμο).

Κατηγορία	Φυσικά	Τεχνητά
Στερεά	Γαιάνθρακες, ξύλα	Κωκ
Υγρά	Πετρέλαιο	Βενζίνη, οινόπνευμα
Αέρια	Φυσικό αέριο	Υγραέρια, αέριο νάφθας, προπάνιο, βουτάνιο

Καύση μιας ανόργανης ή οργανικής ουσίας χαρακτηρίζεται η χημική αντίδραση αυτής με οξυγόνο ή αέρα, η οποία συνοδεύεται από έκλυση θερμότητας, ίσως και φωτός. Όλες οι αντιδράσεις καύσης είναι εξώθερμες, δηλαδή ελευθερώνουν θερμότητα.

Κατά την καύση του άνθρακα σχηματίζεται $CO_2$ , αν η καύση είναι τέλεια (πλήρης), και $CO$ , αν είναι ατελής:

C + O_2 \rightarrow CO_2 \quad \text{(πλήρης καύση)}

2C + O_2 \rightarrow 2CO \quad \text{(ατελής καύση)}

Αντίστοιχα, το υδρογόνο δίνει νερό:

2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O

Κατά την πλήρη καύση ενός υδρογονάνθρακα, π.χ. του προπανίου που περιέχεται στα «γκαζάκια», σχηματίζονται $CO_2$ και $H_2O$ .

Τέλεια vs ατελής καύση

Η διαφορά ανάμεσα στα δύο είδη καύσης του άνθρακα είναι κρίσιμη: η τέλεια καύση δίνει $CO_2$ (διοξείδιο του άνθρακα), ενώ η ατελής καύση —που συμβαίνει όταν το οξυγόνο δεν επαρκεί— δίνει $CO$ (μονοξείδιο του άνθρακα), ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο. Το ίδιο ισχύει και στην καύση υδρογονανθράκων: με ανεπαρκές οξυγόνο παράγεται $CO$ αντί για (ή μαζί με) $CO_2$ .

Το πετρέλαιο ως ορυκτό

Το πετρέλαιο αποκαλείται συχνά «μαύρος χρυσός», αφού αποτελεί τη βάση για τη βιομηχανική ανάπτυξη κάθε χώρας. Είναι ένα υγρό ορυκτό που περιέχει εκατοντάδες ουσίες. Η μεγάλη πλειοψηφία αυτών είναι υγροί υδρογονάνθρακες, στους οποίους είναι διαλυμένοι αέριοι και στερεοί υδρογονάνθρακες. Οι υδρογονάνθρακες αυτοί μπορεί να είναι:

άκυκλοι κορεσμένοι (αλκάνια)
κυκλικοί κορεσμένοι (κυκλοαλκάνια)
αρωματικοί υδρογονάνθρακες

Η περιεκτικότητα του πετρελαίου στους διάφορους αυτούς υδρογονάνθρακες ποικίλλει ανάλογα με την περιοχή προέλευσής του. Εκτός από τους υδρογονάνθρακες, στο πετρέλαιο υπάρχουν διαλυμένες και μικρές ποσότητες ενώσεων άλλων στοιχείων, συνηθέστερα του θείου, του αζώτου και του οξυγόνου.

Από πού βγήκε το όνομα

Η λέξη «πετρέλαιο» προέρχεται από το ελληνικό «πέτρα» + «έλαιο». Το αντίστοιχο αγγλικό «petroleum» προέρχεται επίσης από την ελληνική λέξη «πέτρα» και τη λατινική «oleum», που σημαίνει έλαιο.

Πώς σχηματίστηκε το πετρέλαιο

Αν και υπάρχουν διάφορες θεωρίες για τον σχηματισμό του πετρελαίου, η επικρατέστερη σήμερα στηρίζεται στη φυτοζωική του προέλευση. Πιστεύεται δηλαδή ότι το πετρέλαιο σχηματίστηκε από ζωικούς και φυτικούς οργανισμούς, κυρίως από το πλαγκτόν, πριν από πολλά εκατομμύρια χρόνια. Οι μικροοργανισμοί αυτοί καταπλακώθηκαν σε αμμώδεις ή αργιλώδεις εκτάσεις από το νερό των θαλασσών ή των λιμνών. Με την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων, έγιναν διάφορες χημικές αντιδράσεις που οδήγησαν τελικά στο μίγμα ουσιών που σήμερα ονομάζουμε πετρέλαιο. Τα παγκόσμια αποθέματα φυσικού αερίου και πετρελαίου αντιπροσωπεύουν τη συντριπτικά μεγαλύτερη φυσική πηγή αλκανίων στη Γη.

Το φυσικό αέριο αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, αλλά περιέχει επίσης αιθάνιο, προπάνιο, βουτάνιο και ισοβουτάνιο.

Εξαγωγή και διύλιση του πετρελαίου

Η εξαγωγή του πετρελαίου γίνεται με άντληση μέσω γεωτρήσεων. Η άντληση από το υπέδαφος στην ξηρά είναι σχετικά πιο εύκολη σε σχέση με αυτήν από τον υποθαλάσσιο χώρο, όπου απαιτούνται ειδικές μεγάλες εξέδρες. Στην Ελλάδα, μικρής κλίμακας εκμετάλλευση πετρελαϊκών κοιτασμάτων γίνεται στην περιοχή της Θάσου.

Το πετρέλαιο που παίρνουμε με αυτόν τον τρόπο ονομάζεται αργό πετρέλαιο (ακάθαρτο) και είναι ένα υγρό καστανοκίτρινο ή καστανόμαυρο, με χαρακτηριστική οσμή, αδιάλυτο στο νερό και με πυκνότητα 0,8–0,95 g/mL. Είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο μίγμα κυρίως οργανικών ουσιών, με σημεία ζέσης που κυμαίνονται από τους -160 °C έως και τους +400 °C.

Για να μετατραπεί το αργό πετρέλαιο σε εμπορεύσιμα προϊόντα, υποβάλλεται σε μια κατεργασία που ονομάζεται διύλιση, η οποία γίνεται σε ειδικές εγκαταστάσεις που ονομάζονται διυλιστήρια. Η διύλιση περιλαμβάνει δύο στάδια:

Απομάκρυνση των ξένων προς τους υδρογονάνθρακες ουσιών, κυρίως του θείου.
Κλασματική απόσταξη.

Κλασματική απόσταξη

Κατά την κλασματική απόσταξη το πετρέλαιο διαχωρίζεται σε κλάσματα με βάση τα σημεία ζέσης των συστατικών του. Η διεργασία γίνεται σε ειδική στήλη που ονομάζεται αποστακτική στήλη. Η απόσταξη γίνεται σε δύο βήματα: πρώτα σε ατμοσφαιρική πίεση, όπου παραλαμβάνονται τα ελαφρά κλάσματα, και έπειτα υπό κενό (ελαττωμένη πίεση), όπου παραλαμβάνονται τα βαρύτερα κλάσματα.

Καθώς ανεβαίνουμε στη στήλη, η θερμοκρασία μειώνεται, οπότε τα ελαφρύτερα κλάσματα (με λιγότερα άτομα άνθρακα και χαμηλότερο σημείο ζέσης) συμπυκνώνονται ψηλότερα, ενώ τα βαρύτερα (με περισσότερα άτομα άνθρακα) παραμένουν χαμηλότερα:

Κλάσμα	Περιοχή βρασμού (περίπου)	Άτομα άνθρακα	Κύριες χρήσεις
Αέρια	κάτω από 20 °C	$C_1$ – $C_4$	Υγραέριο, καύσιμο αέριο
Βενζίνη κίνησης	20–200 °C	$C_5$ – $C_{12}$	Καύσιμο αυτοκινήτων
Κηροζίνη	175–275 °C	$C_{11}$ – $C_{14}$	Καύσιμο αεροπλάνων, φωτισμός
Πετρέλαιο ντίζελ (ορυκτέλαια)	πάνω από 275 °C	$C_{15}$ και πάνω	Καύσιμο ντίζελ, θέρμανση
Λιπαντικά έλαια (υπό κενό)	βαρύτερα κλάσματα	μεγάλες αλυσίδες	Λιπαντικά μηχανών
Κηροί (υπό κενό)	βαρύτερα κλάσματα	μεγάλες αλυσίδες	Κεριά, επικαλύψεις

Η διύλιση αρχίζει με απόσταξη του αργού πετρελαίου σε τρία κύρια κλάσματα: βενζίνη κίνησης, κηροζίνη και ορυκτέλαια. Περαιτέρω απόσταξη υπό ελαττωμένη πίεση δίνει λιπαντικά έλαια και κηρούς.

Το μεγαλύτερο μέρος των προϊόντων της κλασματικής απόσταξης χρησιμοποιείται ως πηγή ενέργειας, για την κίνηση μεταφορικών μέσων, τη θέρμανση χώρων, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κ.ά. Ένα άλλο μέρος χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για την παρασκευή άλλων χημικών ουσιών, κυρίως οργανικών. Οι ουσίες αυτές ονομάζονται πετροχημικά, και το κεφάλαιο της χημείας που μελετά την παραγωγή τους από το πετρέλαιο ονομάζεται πετροχημεία.

Ένα διυλιστήριο σε αριθμούς

Μια αποστακτική στήλη ατμοσφαιρικής πίεσης, με ύψος περίπου 50 m και διάμετρο 9 m, έχει ικανότητα διύλισης περίπου 10⁷ τόνων πετρελαίου τον χρόνο.

Βενζίνη

Η βενζίνη είναι το σημαντικότερο κλάσμα της διύλισης του πετρελαίου. Από χημικής σκοπιάς, είναι μίγμα υδρογονανθράκων με 5 έως 12 άτομα άνθρακα στο μόριό τους (περίπου $C_5$ έως $C_{12}$ ). Οι μέσες τιμές των ιδιοτήτων της πλησιάζουν αυτές του οκτανίου. Με την ανάπτυξη του σύγχρονου τεχνικού πολιτισμού και την τεράστια εξέλιξη της βιομηχανίας αυτοκινήτων και αεροπλάνων, η βενζίνη έγινε το πιο πολύτιμο κλάσμα του πετρελαίου.

Η βενζίνη που προέρχεται απευθείας από την κλασματική απόσταξη του αργού πετρελαίου θεωρείται κακής ποιότητας καύσιμο, με λίγα οκτάνια, καθώς δεν περιέχει μεγάλο ποσοστό διακλαδισμένων αλκανίων. Επιπλέον, η ποσότητά της δεν επαρκεί για να καλύψει τις αυξανόμενες ανάγκες της αγοράς. Για τους λόγους αυτούς, οι χημικοί πετρελαίων έχουν επινοήσει μεθόδους για την παραγωγή καυσίμων υψηλότερης ποιότητας και σε μεγαλύτερη ποσότητα: την πυρόλυση και την αναμόρφωση.

Πυρόλυση (cracking)

Τα «ανώτερα κλάσματα» του πετρελαίου —αυτά που παίρνουμε σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από αυτή που αποστάζει η βενζίνη, όπως η κηροζίνη— δεν έχουν τόσο μεγάλη ζήτηση όσο η βενζίνη. Γι' αυτό υποβάλλονται σε μια κατεργασία που ονομάζεται πυρόλυση (cracking). Κατά την πυρόλυση, το κλάσμα του πετρελαίου θερμαίνεται παρουσία καταλυτών ( $Al_2O_3$ και $SiO_2$ ), οπότε διασπάται σε υδρογονάνθρακες με λιγότερα άτομα άνθρακα. Για παράδειγμα, ένα κλάσμα της κηροζίνης με 11 έως 14 άτομα άνθρακα ( $C_{11}$ – $C_{14}$ ) μπορεί να διασπαστεί σε μικρότερα μόρια κατάλληλα για βενζίνη ( $C_7$ – $C_{10}$ ).

Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα καταλυτικής πυρόλυσης είναι η διάσπαση του δεκατριανίου:

C_{13}H_{28} \rightarrow C_8H_{18} + CH_2=CH_2 + CH_3CH=CH_2

Στο παράδειγμα αυτό, το $C_8H_{18}$ αποτελεί συστατικό της βενζίνης, ενώ το αιθένιο ( $CH_2=CH_2$ ) και το προπένιο ( $CH_3CH=CH_2$ ) είναι πρώτες ύλες της πετροχημείας.

Η βενζίνη που παίρνουμε από την πυρόλυση είναι καλύτερης ποιότητας από τη βενζίνη που παίρνουμε με απλή κλασματική απόσταξη του αργού πετρελαίου. Με ανάμειξη των δύο αυτών ειδών βενζίνης παίρνουμε τη βενζίνη που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή ζωή.

Η πυρόλυση δίνει κάτι παραπάνω από βενζίνη

Δύο ακόμη προϊόντα της πυρόλυσης του πετρελαίου, το αιθένιο και το προπένιο, αποτελούν τις βασικές πρώτες ύλες της οργανικής χημικής βιομηχανίας (πετροχημείας) — δηλαδή τη βάση για την παραγωγή πλαστικών και άλλων οργανικών προϊόντων.

Αριθμός οκτανίου

Η ποιότητα της βενζίνης καθορίζεται από τη συμπεριφορά της κατά την καύση σε πρότυπο βενζινοκινητήρα και μετριέται με έναν δείκτη που ονομάζεται αριθμός οκτανίου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός οκτανίου μιας βενζίνης, τόσο καλύτερης ποιότητας είναι.

Οι υδρογονάνθρακες με ευθύγραμμη αλυσίδα έχουν μικρό αριθμό οκτανίων.
Οι υδρογονάνθρακες με πολλές διακλαδώσεις έχουν μεγάλο αριθμό οκτανίων.

Στις μηχανές εσωτερικής καύσης, το μίγμα βενζίνης και αέρα αναφλέγεται στους κυλίνδρους της μηχανής με τη βοήθεια ηλεκτρικού σπινθήρα, που προέρχεται π.χ. από το μπουζί. Μια βενζίνη θεωρείται καλής ποιότητας όταν η ανάφλεξη γίνεται ομαλά, χωρίς κτυπήματα (μικροεκρήξεις), ακόμα και κάτω από υψηλές συνθήκες συμπίεσης. Όσο μεγαλύτερη είναι η συμπίεση του μίγματος αέρα-βενζίνης, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόδοση του κινητήρα.

Ευθύγραμμη αλυσίδα vs διακλάδωση

Μην μπερδεύεις τη σχέση δομής και αριθμού οκτανίου: περισσότερες διακλαδώσεις σημαίνουν υψηλότερο αριθμό οκτανίου και καλύτερη ποιότητα καύσης, χωρίς κτυπήματα στον κινητήρα. Ένας υδρογονάνθρακας ευθείας αλυσίδας με τον ίδιο αριθμό ατόμων άνθρακα έχει χαμηλότερο αριθμό οκτανίου και θεωρείται κατώτερης ποιότητας καύσιμο.