nafta

ilustracija
NAFTA u svijetu
ilustracija1ilustracija2ilustracija3ilustracija4ilustracija5

nafta (kasnolat. naphtha < grč. νάφϑα < perz. naft), prirodna tvar akumulirana u Zemljinoj kori, tekućina svijetložute do tamnosmeđe boje i posebna mirisa. Po kem. sastavu to je smjesa tekućih ugljikovodika, a u malim su udjelima zastupljene i neugljikovodične komponente. Pod izrazom sirova nafta razumije se nafta dobivena iz bušotine, a prije bilo kakva čišćenja, separacije i preradbe. U širem smislu, nafta je zajednički naziv za prirodne smjese plinovitih, tekućih ili čvrstih ugljikovodika.

Prvi podatci o postojanju nafte zapisani su klinovim pismom prije približno 4000 godina. Njezina je uloga u razvoju čovječanstva započela približno trinaest stoljeća pr. Kr. na području između Kaspijskoga jezera, Kavkaza, Eufrata, Perzijskoga zaljeva i Iranske visoravni, u poč. vjerojatno preko kulta vatre, zatim kao goriva i ljekovitoga sredstva. I u Kini je nafta rano otkrivena; poznato je da se vadila 347. god. pr. Kr. u pokrajini Sichuan kroz bušotine izrađene od bambusovih cijevi i da se primjenjivala za grijanje i osvjetljavanje. Za Rimskoga Carstva bitumen je smatran ljekovitim, a Egipćani su za balzamiranje rabili bitumen iz Mrtvoga mora. Iz doba nakon propasti Rimskoga Carstva i seobe naroda po eur. kontinentu, nema podataka o nafti i njezinoj primjeni, a ponovno se spominje tek između XIV. i XVI. st. Nalazišta nafte bila su otkrivena u Francuskoj 1598., Italiji 1776., zatim velika nalazišta u Bakuu i dr. U kolovozu 1859. u Pennsylvaniji je tzv. bušotina pukovnika Drakea doprla do nafte na dubini od 21,2 m, što se uzima početkom energetske revolucije i početkom iskorištavanja nafte iz njezinih ležišta.

Postanak

Smatra se da ugljikovodici u nafti potječu od org. tvari koja je vezana uz davno izumrle morske i kopnene organizme (fitoplanktoni, zooplanktoni, bakterije, više kopnene biljke). Njihove su lipidne, proteinske, ligninske i celulozne komponente imale posebnu važnost u akumuliranju org. tvari, koja se zajedno s mineralnim česticama taložila i stvarala sedimentne stijene. Međutim, istaložena smjesa org. tvari bila je nestabilna i neuravnotežena s okolišem, pa su započeli različiti biološko-kem. procesi njezine pretvorbe, koji su se kroz dugo vremensko razdoblje odvijali u nekoliko stadija. U početnom stadiju, uz relativno blage temperaturne uvjete, org. se tvar biokem. reakcijama pretvarala u kerogen, kompleksne makromolekule u kojima su kondenzirane cikličke jezgre bile međusobno povezane heteroatomima i alifatskim lancima. Daljnjim taloženjem sedimenata, naslage obogaćene kerogenom dospjele su u veće dubine i bile izložene povećanim temperaturama i tlakovima. U tom stadiju pretvorbe započele su reakcije krekiranja kerogena i nastajanja tekućih naftnih ugljikovodika. Daljnjim povećanjem temperature bili su krekiranju izloženi i novonastali ugljikovodici, pa su se dugolančasti ugljikovodici transformirali u manje molekule, a nastali su i tzv. mokri, a zatim i suhi plinovi.

Sastav

Kemijski sastav sirove nafte može prilično varirati jer ovisi o vrsti nafte, tj. o izvornom tipu i zrelosti org. tvari i njezinu očuvanju u ležišnim stijenama te o uvjetima u sedimentacijskom okolišu. Prosječni je elementarni sastav nafte (maseni udjel kem. elemenata): 84 do 87% ugljika, 11 do 14% vodika, 0,1 do 3% sumpora (najviše 7%), 0,1 do 0,6% dušika (najviše 3%), 0,1 do 1,5% kisika (najviše 2%), 0,01 do 0,03% teških metala (oko 40 metala). Sirova nafta pretežno se sastoji od velikoga broja različitih ugljikovodika. To su: zasićeni ugljikovodici, i to alkani (parafini) od metana do asfaltena i cikloalkani (cikloparafini ili nafteni), u prvom redu derivati ciklopentana i cikloheksana, zatim aromatski ugljikovodici (benzen, alkilbenzeni, naftalen, alkilnaftaleni), smole i asfalteni. Alkani su prisutni u visokim koncentracijama, a manja je zastupljenost naftena, aromata i dr.

S obzirom na gustoću razlikuju se lagana nafta (gustoća manja od 854,1 kg/m³), srednje teška nafta (854,1 do 933,1 kg/m³) i teška nafta (gustoća veća od 933,1 kg/m³). Takva se podjela temelji na tradicijskom označavanju gustoće stupnjevima API (American Petroleum Institute), prema kojima je lagana nafta imala gustoću >34°API, srednje teška 34 do 20°API i teška < 20°API. Budući da je gustoća nafte funkcija njezina sastava, ta klasifikacija razlikuje tri osnovne skupine: nafta parafinske baze (30 do > 40°API), nafta miješane baze (20 do 40°API) i nafta naftenske baze (33 do < 20°API). Prema sastavu, nafta može biti: parafinska, parafinsko-naftenska, naftenska, aromatsko-prijelazna, aromatsko-naftenska i aromatsko-asfaltna. Hrvatska nafta ubraja se u skupinu laganih i srednje teških nafti, ugl. parafinske baze.

Nalazišta

Rijetka su otkrića nafte u matičnoj stijeni, tj. u stijeni njezina nastanka. Tektonskim poremećajima u Zemljinoj kori i zbog svoje manje gustoće u odnosu na vodu, nafta se tijekom vremena premještala od mjesta svojega nastajanja u pliće zamke ili čak do površine. Zamka je izolirana pokrovnim naslagama koje sprječavaju migraciju nafte prema površini, čime se stvara ležište nafte, koje ima dovoljno šupljina (tzv. porni prostor) koje su međusobno povezane i omogućuju premještanje nafte s velikih udaljenosti do bušotina pod normalnim gradijentima tlaka. Takva se ležišta nalaze u pješčenjacima, karbonatima i dolomitima, dakle u sedimentnim stijenama. Dubina naftnih ležišta iznosi od nekoliko stotina metara do nekoliko kilometara; većina komercijalnih ležišta otkrivena je do dubine od 3000 m.

Dobivanje

Neznatne količine nafte i plina izlaze na Zemljinu površinu. Najveći dio naftnih zaliha nalazi se u ležištima pod velikim tlakovima koji su približno jednaki hidrostatskomu tlaku. U takvim je uvjetima u nafti otopljena veća količina naftnoga plina. To je prirodni plin koji se u ležištu nalazi neotopljen u kontaktu s naftom ili je u njoj otopljen. Što je količina plina u nafti veća, to je nafta laganija i pogodnija za dobivanje. Nafta se na površinu iznosi kroz izrađene bušotine (→  bušenje na veliku dubinu). Bušotine se postavljaju u trokutnoj ili četverokutnoj mreži. Razmak između bušotina ovisi o viskoznosti nafte te o propusnosti, dubini i debljini ležišta i obično iznosi između 300 i 400 m.

Dva su načina iznošenja nafte na površinu: samoizlijevanjem (eruptiranjem) i mehan. podizanjem. Bušotine eruptiraju naftu u početnoj fazi iskorištavanja ležišta. Kada tlak ležišta postane nedostatan za iznošenje nafte na površinu, primjenjuje se podizanje s pomoću plina (plinski lift) ili dubinskih sisaljki. Kontinuirano podizanje s pomoću plina nastavak je eruptiranja, s tim da se naftni stupac olakšava utisnutim prirodnim plinom, dok se za povremeno podizanje plin utiskuje u bušotine ispod stupca nakupljene nafte, a on tlakom i širenjem podiže naftu na površinu. Dubinskim sisaljkama nafta se crpi iz dubina do kojih je podignuta tlakom ležišta. Za lagane vrste nafte rabe se klipne i centrifugalne sisaljke, a za vrlo guste i viskozne vrste nafte, vijčane sisaljke.

Iskorištavanje naftnih ležišta

Ležišta nafte mogu biti izolirana od ostalih naslaga i fluida, a mogu biti i okružena vodenim bazenima (akviferima) na dnu i nadsvođena plinskom kapom na vrhu. Razlikuje se nekoliko faza iskorištavanja naftnih ležišta. U primarnoj se fazi ležišta iskorištavaju djelovanjem prirodnih režima. To su: elastični režim (stlačivost nafte, stijene i vezane vode), režim otopljenoga plina (istiskivanje nafte plinom koji je u njoj bio otopljen), režim plinske kape (potiskivanje nafte plinom s vrha prema dnu ležišta), vodonaporni režim (dotok vode iz akvifera i istiskivanje nafte iz ležišta) te gravitacijski režim, koji je pod posebnim uvjetima najučinkovitiji, ali je njegova pojava u prirodi rijetka, a ekonomičnost uspostave i vođenja upitna.

U sekundarnoj se fazi poboljšava učinkovitost režima iskorištavanja ležišta fizičkim djelovanjem, oponašanjem djelotvornijih prirodnih režima plinske kape i vodonapornoga režima, istiskivanjem nafte utisnutim plinom ili vodom s površine. Zavodnjavanjem (utiskivanje vode u ležište) može se iscrpak nafte povećati na 40 do 60%. Prosječni je iscrpak svih otkrivenih naftnih ležišta, uz primjenu primarnih i sekundarnih metoda iskorištavanja, tek oko 30 do 35%.

Dio preostale nafte može se dobiti i u tercijarnoj fazi iskorištavanja kemijskim ili toplinskim djelovanjem, smanjenjem međupovršinskih napetosti i oslobađanjem nafte u pornom prostoru. U Hrvatskoj se metode sekundarne faze uspješno primjenjuju od 1972. na osam najvećih naftnih polja, a u pripremi su radovi za ekon. ocjenu primjene tercijarnih metoda (istiskivanje ugljikovim dioksidom pod uvjetima miješanja) na poljima Ivanić, Žutica i Beničanci.

Priprema za transport i preradbu

Uz naftu se iz ležišta istodobno dobiva i plin, koji se na putu do površine izdvaja iz nafte na sve nižim tlakovima, te slojna voda kao njezin uobičajeni pratilac. Da bi se nakon izlaska iz bušotine dopremila u rafineriju otplinjena i s udjelom vode manjim od 1%, nafta prvo prolazi kroz separatore, u kojima se na vrhu grubo odvaja plin od kapljevine, a na dnu voda od nafte. Finije razdvajanje postiže se u uređajima za dehidrataciju, u kojima se nafta, osim od vode, pri minimalnom tlaku oslobađa od posljednjih količina plina. Nafta se nakon toga otprema u rafineriju na preradbu, i to najčešće naftovodom, ali i autocisternama i želj. cisternama te riječnim brodovima-teglenicama i prekomorskim tankerima. Kod nas se nafta transportira ugl. naftovodom, a dijelom i autocisternama i riječnim brodovima od Slavonskoga Broda do Siska.

Preradba

Budući da sadrži mnogo vrsta ugljikovodika, među kojima postoje velike razlike u sastavu, tlaku parâ i vrelištu, nafta se ne može izravno upotrebljavati ni kao ekonomično gorivo ni kao kem. sirovina. Uporabivi naftni proizvodi dobivaju se njezinom preradbom, izdvajanjem pojedinih skupina sastojaka, prije svega destilacijskih frakcija s vrelištem u užem temperaturnom području. Nafta se prerađuje u rafinerijama procesima odvajanja (separacija), pretvorbe (konverzija) i obradbe (čišćenje). Procesi odvajanja nazivaju se i primarnima, a procesi pretvorbe i obradbe sekundarnim procesima.

Primarni procesi ili procesi odvajanja, u kojima se ne mijenja ni veličina ni struktura ugljikovodičnih molekula, sastoje se od jediničnih operacija: atmosferske, vakuumske, ekstraktivne i azeotropne destilacije te destilacije vodenom parom, apsorpcije, adsorpcije, desorpcije, ekstrakcije, kristalizacije itd. Najvažnije su atmosferska i vakuumska frakcijska destilacija.

Atmosferskom frakcijskom destilacijom nafte odvajaju se ugljikovodične frakcije s vrelištem do najviše 400 °C, jer bi se daljnjim porastom temperature ugljikovodici toplinski razgradili. Tako se odvajaju naftni plin, laki i teški benzin te lako i teško plinsko ulje. Benzinska frakcija, tzv. primarni benzin, najvažnija je sirovina petrokem. proizvodnje, posebice proizvodnje α-olefina (→ benzin). Iz lakoga benzina može se naknadno izdvojiti frakcija vrlo lakog benzina ili petrolejskog etera (petroleter, ligroin) s vrelištem 25 do 60 °C. Frakcije plinskog ulja najčešće se razdvajaju u istoj ili posebnoj destilacijskoj koloni na dodatne frakcije: na kerozin i petrolej (mlazno gorivo), s vrelištem 180 do 270 °C, i na dizelsku frakciju s vrelištem 160 do 340 °C, koja je temeljna sirovina za dizelska goriva. Na dnu kolone zaostaje ostatak destilacije, koji sadrži još vrijednih sastojaka, pa se destilacija nastavlja pri sniženom tlaku (vakuumska destilacija). Najvažnija je frakcija vakuumske destilacije vakuumski destilat, koji služi za dobivanje baznih mazivih ulja (vrelište 300 do 360 °C pri tlaku 0,1 bar). Udjel pojedinih destilacijskih frakcija izravno ovisi o podrijetlu, odn. o vrsti nafte, a rasponi njihovih vrelišta nisu stalne vrijednosti već ovise o željenim svojstvima proizvoda i mogu se mijenjati u širem rasponu.

Sekundarnim procesima, u kojima se kemijski mijenja veličina i/ili struktura molekula ugljikovodika, povećava se iscrpak na kvalitetnijim proizvodima 30 do 35%, posebice benzina, dizelskog i mlaznoga goriva (→ mlazni motor), poboljšava se kvaliteta primarnih destilata, što uključuje povećanje oktanskoga broja benzina i cetanskoga broja dizelskoga goriva, veću toplinsku postojanost, sniženje temp. pri kojoj mlazno gorivo prestaje biti tekuće (stinište) i smanjenje udjela sumpornih i dušikovih spojeva, poboljšava se kvaliteta loživog ulja, koksa i bitumena, proizvode se maziva ulja (→ maziva) i masti, dobivaju se sirovine za petrokem. proizvodnju, posebice plinoviti alkani, olefini i aromatski ugljikovodici. (→ petrokemijski proizvodi)

Procesi pretvorbe sastoje se od cijepanja većih molekula u manje (parno i katalitičko krekiranje, hidrokrekiranje te koksiranje i lom viskoznosti kao posljedice toplinskoga krekiranja), pregradnje molekula (reformiranje, izomerizacija) i povećanje molekularne mase (alkiliranje, oligomerizacija, polimerizacija). Procesi obradbe uključuju obradbu vodikom (hidrodesulfurizacija, hidrorafinacija), oksidaciju rafinacijskih ostataka (dobivanje bitumena) i kem. metode (sulfonacija aromata, dobivanje pikrata od poliaromata i pikrinske kiseline i dr.).

Proizvodnja i potrošnja

U početku industr. dobivanja nafta je destilirana primitivnim uređajima; rabio se samo petrolej za rasvjetu, a sve se ostalo odbacivalo. God. 1860. svjetska je proizvodnja nafte iznosila 81 600 m³ (u međunarodnoj se trgovini za obujam nafte i derivata rabi i angloamer. mjerna jedinica barel, približne vrijednosti 0,159 m³). Tek pronalaskom motora s unutrašnjim izgaranjem potkraj XIX. st. započela je nagla potrošnja benzina i plinskog ulja, a općim razvojem mehanizacije i industrijalizacije i potrošnja svih ostalih naftnih derivata. Do 1900. u svijetu je proizvedeno 117 × 106 m³, a samo 1940. god. 340 × 106 m³ nafte. Od tada se svj. proizvodnja nafte naglo povećavala: u 1960. prekoračila je 1,2 × 109 m³, u 1975. dosegnula 3,1 × 109 m³, a u 2002. oko 4,14 × 109 m³.

Sve veća potražnja za naftom ubrzala je istraživanja i otkrića novih zaliha. Raspoložive zalihe nafte u svijetu bile su 1940. god. 4,9 × 109 m³, 1960. god. 49,2 × 109 m³, 1975. god. 105,0 × 109 m³, a 2002. god. 166,6 × 109 m³. Bogata nalazišta dokazanih zaliha nafte nalaze se u Saudijskoj Arabiji, Iraku, Iranu, Kuvajtu, Ujedinjenim Arapskim Emiratima, Rusiji i nekim drugim zemljama bivšega SSSR-a, Venezueli, Nigeriji, Libiji, Kini i SAD-u. U ukupnoj svj. potrošnji energije udjel je nafte oko 37% i prema današnjoj razini potrošnje energije nafta je još uvijek njezin nezamjenljivi nositelj u prometu i mnogim industr. granama.

Nafta u Hrvatskoj

Nafta u Hrvatskoj poznata je od davnine. U XII. st. spominje se katran koji se prodavao u Dubrovniku. Iz XIV. st. postoji zapis s preporukama za pripravu lijekova iz nafte. U XV. st. u dubrovačkoj se ljekarni, uz ostale lijekove, prodavao i olio petrolio. Poznato je da se nafta u XVI. st. »kopala blizu Hvara, nedaleko od Neretve … i u Panoniji.« Organizirano istraživanje i vađenje nafte započelo je u XIX. st., a bilo je regulirano Austrijskim općim rudarskim zakonom iz 1854. Otkrivena su ležišta u Selnici, Peklenici, Ribnjaku, Velikom Pogancu, Mikleuški, Baćin Dolu i Starom Petrovu Selu. Pisani trag o vađenju nafte u Peklenici u Međimurju iz bunara dubokoga nekoliko metara postoji iz 1836., a crpenje rudarskim načinom započelo je 1855. u Mikleuški.

Uz dobivanje nafte razvijala se i preradba, pa su u Baćin Dolu i Mikleuški izgrađeni pogoni za dobivanje kolomasti. Prva rafinerija nafte u Hrvatskoj, kao jedna od prvih u Europi, izgrađena je već 1883. u Rijeci, u blizini luke, što je bila pogodnost za prijevoz sirovine morem, a njezinih prerađevina morem i željeznicom. Rafinerija u Rijeci tada je podmirivala trećinu potreba Austro-Ugarske za naftnim proizvodima, u prvome redu za petrolejom, parafinom, org. otapalima i katranom. God. 1885. prerađeno je 30 000 t sirove nafte, pretežito u rafinirani petrolej, a već 1887. proradilo je i postrojenje za proizvodnju mazivih ulja. God. 1927. izgrađena je i rafinerija nafte u Sisku.

Do 1918. u Hrvatskoj je bilo proizvedeno samo 8800 m³ nafte. Nakon toga primjenjuju se nove metode istraživanja, što je rezultiralo otkrićima zaliha nafte i plina na sve većim dubinama. Između 1919. i 1940. proizvedeno je 8300 m³ nafte i 138 × 106 m³ plina, a od 1941. do 1945. god. 95 100 m³ nafte i oko 12 × 109 m³ plina, ugl. na novootkrivenom polju Gojlo. Nakon II. svj. rata otkriveno je 36 naftnih i 27 plinskih i plinsko-kondenzatnih polja, iz kojih je do kraja 2002. dobiveno 110,8 × 106 m³ nafte i kondenzata i 47,7 × 109 m³ plina. Nafta i kondenzat proizvode se iz ležišta na području Panonskoga bazena, dok se plin počeo potkraj 1999. proizvoditi i na području Jadrana (polje Ivana). Osim na domaćim poljima, nafta se proizvodi i na temelju koncesija u Angoli i Egiptu. U Hrvatskoj je dobivanjem domaće nafte i plina do pol. 1990-ih pokrivano više od 40% ukupne potrošnje primarne energije, što je trenutačno smanjeno na približno 30%. Danas su najveći prerađivači nafte u Hrvatskoj rafinerije u Rijeci i Sisku s ukupnim godišnjim kapacitetom preradbe oko 8,5 Mt.

Glavne destilacijske frakcije nafte

Atmosferska destilacija
Frakcija Sastav Vrelište °C Udjel1 %
naftni plin C1 do C4 < 25 2
laki benzin C5 do C7 25 do 100 8
teški benzin C7 do C10 100 do 200 10
lako plinsko ulje C11 do C15 200 do 280 20
teško plinsko ulje C15 do C25 280 do 360 20
ostatak > C25 >360 40
Vakuumska destilacija (tlak 0,1 bar)
Frakcija Sastav Vrelište °C Udjel1 %
vakuumsko plinsko ulje C20 do C30 230 do 300 20
vakuumski destilat C25 do C40 280 do 360 35
ostatak C40 do C70 > 360 45

1 prosječna vrijednost za naftu srednje gustoće

 

Proizvodnja i potrošnja nafte u svijetu

(2002. god.)

Područje Raspoložive
dokazane zalihe
Godišnja
proizvodnja
Godišnja
potrošnja
Dnevni rafinerijski
kapaciteti
109 m³ % 106 m³ % 106 m³ % 10³ m³ %
Europa 15,50 9,3 913,6 22,1 1077,9 26,3 4022,5 30,2
Bliski istok 109,01 65,4 1182,0 28,5 241,6 5,9 1060,4 8,0
Afrika 12,31 7,4 438,5 10,6 138,2 3,4 525,2 3,9
Sjeverna Amerika 7,94 4,8 774,0 18,7 1240,6 30,2 3206,2 24,0
Srednja i Južna Amerika 15,68 9,4 391,1 9,4 250,2 6,1 1039,5 7,8
Daleki istok i Oceanija 6,15 3,7 444,3 10,7 1155,2 28,1 3486,2 26,1
Ukupno 166,59 100 4143,5 100 4103,7 100 13 340,0 100
nafta. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 18.7.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=42761>.