Petroleum

Petroleum er samlebetegneslen for olje og gass som vi finner på havbunnen eller på land. Oljen og gassen som ligger lagret der har blitt dannet over millioner av år ved at plante- og dyrerester har blitt bevart som har forhindret nedbrytning. Etter hvert vil da karbonatene som de kalles bli omdannet til olje og gass ved hjelp av høyt trykk og høy temperatur.

Når oljen og gassen skal tappes ut på Nordsjøen må vi først foreta prøver for å finne en plass der det er sannsynlig at det er petroleum forekomster. Så blir det boret en letebrønn for å finne ut om det faktisk er olje/gass der prøve resultatene tilsier det er olje og gass. Finner vi noe i letebrønnen setter vi opp enn plattform og starter produksjon av petroleum. Før vi sender den dyrebare oljen og gassen til land må de separeres fra hverandre og produktet av denne separeringen er råolje og naturgass. Naturgass består 95 % av metan mens resten er propan, butan og etan, mens råoljen består av langt flere og tyngre komponenter.

Olje og gass er svært brennbare og de reagerer lett med andre stoffer derfor er de perfekte til å brukes som både drivstoff, energikilde og som råvare til mange ulike produkt fremstillinger.

Råoljen som utvinnes må inn til raffinering før den kan brukes til noe og dette kalles fraksjonert destillering og en fraksjoner destillering blir gjort ved hjelp av et destillasjons tårn. De ulike fraksjonene som kommer ut i fra et destillasjons tårn kan brukes i både kjemikalier, bensin, flybensin, som smøringsolje, det kan brukes til oppvarming og den tyngste fraksjonen brukes til asfalt.

Gassen eller naturgassen som den også kalles består av to gasstyper: tørr- og våtgass, i tillegg til noen forurensninger. Tørrgassen består i hovedsak av det enkleste hydrokarbonet metan mens våtgassen består av etan, propan og butan. Tørrgass brukes i kjemiske prosesser til å både fremstille ammoniakk, metanol og oxo-prosessorer som brukes i vaskemidler og tilsetning stoffer. Våtgassen brukes til å fremstille plast, maling og lakk, den brukes til medisin produksjon, den brukes til fremstilling av elektrisitet og som gass til husholdning. Naturgass brukes til oppvarming og produksjon av elektrisitet. Tørrgass har fått navnet sitt ved at den ikke lar seg trykke sammen med romtemperatur, altså den blir ikke omdannet til væske. Våtgass blir jo da væske ved høyt trykk ved romtemperatur.

Når vi ser hvor mye petroleum brukes til er det merkverdig at 90 % av all oljen og gassen som utvinnes brukes som energikilde når det egentlig kan brukes til så mye annet. Det er derfor mange mener at det er sløsing at vi bruker opp all oljen og gassen som energikilde for når den tar slutt kan vi jo ikke for eksempel fremstille plast lenger. Og ikke bare er vi redde for å bruke opp oljen og gassen, den forurenser også ved forbrenning derfor er det også et miljø spørsmål med i bildet ved bruk av petroleum som energikilde. Disse to problemene gjør at vi må satse på såkalte fornybare energikilder i fremtiden som ikke forurenser like mye.

Men nå skal vi se litt nærmere på egenskapene til hydrokarboner.

Egenskaper til hydrokarboner

Hydrokarboner består utelukkende av grunnstoffet karbon og grunnstoffet hydrogen. Hydrokarboner danner upolare kovalente bindinger som er kjemisk stabile dvs. at de ikke løser seg i vann. Stabiliteten til bindingene avhenger også om hydrokarbonet består av enkelt-, dobbelt- eller trippelbindinger dvs. at det trengs for eksempel mer energi for å bryte enkelbindingene eller dobbelt- og trippelbindingene. Derfor vil det forekomme mest hydrokarboner med enkelbindinger i et reservoar fordi de er best egnet til å tåle store trykk og høye temperaturer som hersker der.

Hydrokarboner som danner enkeltbindinger kalles alkaner og alle stoffene innenfor denne gruppen har endelsen – an, mens hydrokarboner med dobbelbinding kalles for alkener og stoffer i denne gruppen får endelsen – en og den tredje gruppen hydrokarboner kalles alkyner og ”overraskende” nok har stoffer i gruppen endelsen – yn.

Hydrokarboner er som regel svært reaktive stoffer som er meget brennbare, dette gir stoffene mange bruksområder både fordi de brenner lett slik vi utnytter energien lagret i hydrokarbonene på en effektiv måte og fordi at de reagerer lett kan vi uten problem splitte stoffene opp og sette de sammen igjen uten store kostnader. Det er derfor vi kan lage plast av for eksempel eten fordi det er lett å bryte opp dobbelbindingene og sette molekylene sammen til et langt kjedemolekyl.

Reaksjonslikning nå butan brenner:

2C₄H₁₀ + 13O₂ --> 8CO₂ + 10H₂O

Til sist skal vi bare se litt på hvordan størrelsen på molekylet til hydrokarbonet kan være avgjørende for både hvilken fase stoffet er i og hvordan det påvirker smelte- og kokepunktet for hydrokarbonene. For noe alle vet et at olje fra et reservoar er flytende mens gassen er i gass form, men noe ikke alle tenker over er at disse såkalte gassene og væskene har blitt definert ut ifra hvilken fase de er i ved ca. 20 grader celsius(romtemperatur). Selvsagt kan både gassene som etan, propan og butan bli flytende hvis vi endrer trykk og temperatur og vi ønsker det kan vi godt varme opp oljen til den blir gass.

Men hvorfor er det slik at metan(CH₄) er i gassfase ved romtemperatur mens heptan(C₇H₁₆) er i væske fase? Svaret er enkelt det er på grunn av størrelsen på molekylet altså hvor mange atomer hvert molekyl inneholder. For å forstå dette kan vi tenke oss at er et stoff i fast form vil molekylene ligge relativt i ro fordi de blir holdt på plass av sterke bindinger mellom seg, men varmer vi opp stoffet vi har vil bindingene mellom molekylene bli brutt og de kan bevege seg mer fritt, da får vi en væske. Altså det som bestemmer fasen til et stoff er hvor fritt molekylene beveger seg og hvor sterke eventuelle bindinger de har mellom seg. For når et stoff er i gass fase er det nesten ingen binding mellom molekylene og de beveger nesten helt fritt, det er derfor gass kan sive inn gjennom sprekker og liknende.

 Heptan er et større molekyl enn metan hvor da hvis vi tenker oss at vi tapper begge stoffene på hver sin beholder vil metan molekylene ha mye større plass til å bevege seg enn heptan molekylene, og siden heptan molekylene har liten plass vil de ligge mer i ro enn metan molekylene og vi har da en gass og en væske.

Men ønsker vi å ha metan som væske må vi endre på to faktorer nemlig trykk og temperatur. For å få metan molekylene til å slutte å bevege seg måtte vi ha fjernet energien til molekylene og det kunne vi ha gjort ved å redusere temperaturen i beholderen kraftig. I tillegg ville det vært en god ide å minske plassen metanet kunne boltre seg på derfor burde vi ha økt trykket i beholderen.

Men størrelsen på molekylene avgjør også smelte og kokepunkt til hydrokarbonene. Fordi at bindingene som finnes mellom metan i væske fase er mye svakere en de som er i for eksempel heptan, derfor kreves det lite energi(lav temperatur) for å bryte bindingene. Mens i heptanet vil det være lang sterkere bindinger som krever mye høyere temperatur for å bryte. Derfor er metan i gassfase i romtemperatur mens heptan er en væske.

Disse faktaene er meget viktige å vite når vi for eksempel skal skille hydrokarboner fra hverandre fordi vi må vite når de koker og når de kondenserer.

Reservoar

Et reservoar er et slags lagrings sted for olje og gass. Det består av en kildebergart hvor hydrokarboner blir dannet, en reservoarbergart som er en sprø permeabel bergart som inneholder mengder med hydrokarboner og over denne ligger det en kappebergart som hindrer at oljen og gassen strømmer opp til havoverflaten.

Altså i et reservoar blir oljen og gassen både dannet, oppsamlet og fanget opp slik den holder seg i reservoaret. Og stoffer som er i reservoaret er:

*Olje

*Gass

*Vann

*Forurensninger

Et olje/vann reservoar

Men det er ikke i alle reservoarene vi finner både vann, olje og gass. I noen kan vi finne bare gass og olje mens i andre kan vi bare finne gass og vann. Vi skiller mellom:

*Olje reservoar

*Gass reservoar

*Kondensat reservoar(både olje og gass)

I alle disse kan det være vann.

I et reservoar vill gassen være det øverste laget fordi det er lettest, så vil oljen ligge under gassen siden det er lettere enn vann og er det vann i reservoaret våres vil det ligge nederst. Forurensningene vil ligge fordelt i hydrokarbonene og dette er stoffer som svovel(S), nitrogen(N) og oksygen(O).

Hydrokarbonene som kommer fra et reservoar deles inn i tre grupper: parafiner, aromater og naftener.

Parafiner er hydrokarboner med lange karbonkjeder og i Nordsjøen er bestanddelen av parafiner i hydrokarbonene på 60%. Disse er mest kjemisk stabile av de vi har i reservoaret og de har formelen CnH2n+n hvor n varierer fra 1-20. De fire første parafinene er ved romtemperatur i væske form, parafiner som inneholder mer enn 5 karbon atom i kjeden er væsker i romtemperatur og parafiner med mer enn 15-16 karbon atom i kjeden er faste stoffer.

Naftener er parafiner med ringstruktur som har en kjemisk formel på CnH2n. Deres fysiske og kjemiske egenskaper er relativt like men de er mindre stabile enn parafiner og de er tyngre enn parafiner. Et eksempel på en naften er Cyclohexan. Ca 25 % av oljen og gassen i et reservoar består av naftener.

Aromater er hydrokarboner med ringstruktur som har en dobbelt binding på annethvert karbon atom. Formel for aromater er CnH2n-6 og dette er giftige ustabile stoff som er enda tyngre enn naftener. Benzen er et velkjent aromat som er kreft fremkallende. 15% av all oljen og gassen i Nordsjøen inneholder aromater.

Forurensninger i et reservoar er uønskete stoffer som vill oppstå i tillegg til hydrokarboner. Dette er gasser som hydrogensulfid(H₂S), nitrogen(N₂), karbondioksid(CO₂) og NSO komponenter. H₂S gassen opptrer sjelden i Nordsjøen men det er en svært giftig gass som vi må passe oss for og H₂S finnes både i olje og gass, CO₂ finnes vanligvis i gasser og sammen med vann og H₂S kan dette virke svært korrosivt. Derfor er disse komponentene sterkt uønsket i petroleums produksjon. Finnes det større mengder av CO₂ og H₂S i gassen kalles det for en sur eller søt gass. Nitrogen er ikke så farlig som de andre to gassene men den er uønsket for den gir lavere brennverdi og dermed mindre verdi. NSO- komponentene består av benzenringer, men de er ikke rene hydrokarboner for de inneholder Svovel, Nitrogen og Oksygen.

Raffinering

Råolje består av mange tusen ulike forbindelser og vi kan selvsagt ikke bruke det til noe, derfor må råoljen gjennom noe som kalles raffinering som gjør at vi skiller de ulike forbindelsene fra hverandre. Raffinering foregår i store raffinerier hvor vi bruker en metode som kalles fraksjonert destillering for å skille de ulike komponentene i oljen.

Ved fraksjonert destillering benyttes et destillasjonstårn hvor man kan tappe ut ulike fraksjoner, hvor mange fraksjoner man har avhenger av hvor nøye man vil raffinere råoljen men det er vanligst å ha 5 fraksjoner. Disse er destillasjonsrest(asfalt), smøreolje, brenselolje, råpetroleum, råbensin og på toppen av kolonnen er det uttak for gass.

Fraksjonert destillering utnytter det faktum som tidligere nevnt at hydrokarboner kondenserer og koker ved forskjellige temperaturer ved at vi har ulik temperatur på fraksjonene. Dette fungerer slik at vi varmer opp råoljen til en høy temperatur på ca 400 grader celsius. Så kjøres den inn i tårnet og siden temperaturen i tårnet er mindre enn 400 grader celsius vil de aller tyngste komponentene kondensere og renne ut, dette er store kjedemolekyler og denne fraksjonen kalles destillasjons rest. Gassen derimot vil forsette å stige oppover til den møter på en plate. Dette er neste fraksjon og her tappes smøreoljen ut som er en seig væske. Og når gassen møter denne platen blir den fanget opp i noen ”klokker” som leder gassen ned på platen hvor det ligger væske. Denne væsken skal både hjelpe til med å kondensere gassen og til å holde rett temperatur ved fraksjonen. Væske som er lettere enn denne fraksjonen vil derimot snart koke igjen og stige til neste plate. Og slik forsetter det til den kommer til den siste fraksjonen som bare er et rent gass utakk.

Isomerer

Siden karbonatomet har fire valenselektroner og har mange ulike bindingsmuligheter finnes det da mange stoff med samme molekylformel, dvs. at de har likt antall karbonatomer og hydrogenatomer men oppbyggingen for de er ulike.

Eks: (mangler)

Som vi ser er dette utvilsomt to ulike stoff men begge har molekyl formel C₄H₁₀. Derfor kalles det ene n-butan mens det andre iso-butan. Begge disse stoffene er da en variant av butan eller to isomerer av butan. Mens disse to er de eneste isomerene som finnes av butan, ser vi at pentan derimot har 5 ulike isomerer av hydrokarbonet. Og jo større molekylformelen blir jo mer muligheter blir det for ulike isomerer. Det finnes foreksempel 366 319 isomerer av ikosan (C₂₀H₄₂). Du tror meg nå når jeg sier at det finnes over 10 millioner organiske forbindelser her i verden.

Å ha peiling på ulike isomerer og deres egenskaper er ofte nyttig når du skal få et produkt ut av hydrokarboner. Som i for eksempel i drivstoff til biler er det ønskelig med et drivstoff som er så flyktig at det går over til gass form akkurat når det skal brenne, men det er heller ikke så ønskelig at det er så flyktig at det kondenserer allerede i slangen inn til motoren da kan drivstoff tilførselen i verste fall stoppe opp. I tillegg til ette skal drivstoffet brenne kontrollert inne i en motor hvor både temperaturen er svært høy og hvor det er høye trykk. For at bensinen som drivstoff til biler og slikt kalles skal ha alle disse egenskapene må den ikke bare bestå av de rette typene hydrokarboner, de må også ha rette isomeserings form.

Vi sier at bensin har et oktan tall eller hvor kontrollert den brenner. Ved lavt oktan tall vil bensinen brenne kraftig og ukontrollert men ved høye oktan tall vil den brenne mindre og mer kontrollert. På grunnlaget av de kravene vi stiller til bensin vil da bensinen ha et høyt oktan tall, og for å få dette høye oktan tallet tar vi for eksempel heksan og isomerer det til 3-metylheksan som har et høyt oktan tall.

                Heksan                                           3-metylpentan

Ved en isomeserings prosess tar vi å varmer opp et alkan i en katalysator laget av platina. Da brytes karbonkjedene opp og når de koples sammen igjen får vil mange av kjedene danne sidegrupper.

Navnsetting av isomerer

For navnsetting av isomerer følger vi en oppskrift hver gang som gjør at vi kan finne ut navnet på et hvilket som helst hydrokarbon molekyl.

Vi begynner alltid med å finne stammen, eller den lengste sammenhengende kjeden med karbon atomer. Har vi for eksempel 5 karbonatomer i stammen skal da stoffet ha pentan i seg helt bakerst. Etter en har funnet stammen skal en finne alle sidegruppene på stammen. Sidegruppene får endelsen – yl og har vi da en sidegruppe på et karbon atom og tre hydrogener, vil det få endelsen metyl fordi det stoffet er opprinelig metan. For å vite hvor disse sidegruppene er plassert er vi nødt til å nummerere dem og dette gjør vi ved å telle på stammen. Siden vi ønsker å få et så enkelt navn med så små tall som mulig kan det variere om vi begynner å telle bak eller fremme på stammen. Og har vi flere sidegrupper som tre metyl molekyler, skriver vi tri. Vi brukes altså det greske alfabetet når det er mange like sidegrupper. Har vi for eksempel etyl skriver vi ikke trimetyletyl, men vi skriver det for seg selv. I tillegg til alle disse reglene har vi også en regel at det ikke kan være sidegrupper på endene av stammen, der blir formelen alltid CH₃.

Eks: (mangler)

Som vi kan se er den lengste karbonkjeden eller stammen ikke vannrett men bøyd. Den er på 6 karbonatomer derfor bør det stå heksan bakerst. I tillegg er det tre sidegrupper med et metyl på hver. Og siden det er tre skriver vi trimetyl. Navnet blir altså 2,2,4-trimetyl heksan. Grunnen til at det ikke blir 3,5,5-trimetyl heksan er at vi ønsker så mange lave tall som mulig og husk på at vi ikke kan ha sidegrupper på endene.

Eks: (mangler)

Som vi ser når vi får litt lenger sidegrupper kan det godt oppstå komplikasjoner når vi skal navngi dem og dette stoffet heter 3-etyl 2,3-dimetyl pentan. Etyl står skrevet først for sidegruppene skal stå i alfabetisk rekkefølge.

Når vi har trippelbindinger i stoffet som en skal navnsette skriver en tall der hvor dobbelt- eller trippelbindingen er.

Eks: (mangler)

1-buten

2-buten

Den viktigste regelen for navnsetting med dobbel- og trippelbindinger er at vi stammen alltid må inneholde dobbel- eller trippelbindingen.

Eks: (mangler)

Som vi ser på dette stoffet heter det 2-etyl 3-metyl 1-heksan og trippelbindingen er medregnet i stammen.

For å navngi hydrokarboner der de er bundet i en ring setter vi bare syklo foran navnet.