Мұнай өнімдері және олардың қолданылуы

Жоспар:

1.Мұнай химия өндірісі

2.Мұнай құрамындағы үш еселенген  көмірсутектерге сипаттама

3. Ацетиленді өндіру

4.Мұнай  өнімдері  және  олардың  қолданылуы

Мұнай  химия  өндірісі

      Сан  алуан органикалық заттар  өндірісте синтездеу арқылы  алынады. Олар  үшін  ең  басты  шикізаттардың  маңызды  үш  түрі  бар: ауыл  және  орман  шаруашылығы, өндірістік  көмір  химиясы, мұнай  және  табиғи  газдарды  өңдеу. Бүгінгі  өнеркәсіптің  дамуына  байланысты алғашқы  екі  түрі  өзінің мәнін  азайтса, соңғы  мұнай  химияның  маңызы   үдей  түсті. Соңғы  бір-екі  онжылдақтар көлемінде  ауыл  орман  шаруашылығының  және көмір  химиясының химикат  өндіру тоннасы  әлем  бойынша көбеймей, керісінше  ішінара төмендеп  кетсе, ал мұнай  химиясының  көлемі  орта  есеппен екі  еседей  өсіп  отыр. Бұл  жағдай  мұнай  химиясының технологиялық тұрғыдан  қарастырғанда  тиімді, арзан  екендігін  көрсетеді. Өндірілетін  күллі  мұнайдың  тек  4-5% -ті  ғана  химия қажеттігіне жұмсалады. Ал  оның  қалғандары  жанармайға  кетеді. Бұдан  біз  жалпы  мұнай  өндірудің  қаншама  өскендігін  байқаймыз.

      Мұнай  өндіруден   дүниежүзінде  бірінші  орын  алатын  біздің  еліміз, 1975 жылы  әлемдегі  2,6 миллиард тонна мұнайдың  491 миллион тоннасын  өндірген. Барланған мұнайдың  әлемдік  қоры  273 миллиард  шамасында. Бұл мұнайдан  алынатын  жанармайды  басқалармен  ауыстыру  жолдарын  іздеуді  керек  етеді. Дегенмен  бұл   химия  қажетін  ешбір  кемітпейді, керісінше  ғасырымыздың  соңына  қарай, барлық  органикалық синтез  химикаттары  мұнайдан  алынып, оның  12-15%-ті  химия  қажетіне  беріледі.

       Мұнайды   химиялық  өңдеу өндірісі  1919-1920  жылдары АҚШ-та  басталған. Егер  ең  алғашқыда  мұнайлыхимиялық  өндіруде  негізгі  алғашқы   шикізат  ретінде  олефиндер  болса, ал  сол мезгілде  сахнада парафиндер, диолеффиндер, ацетилен  және  ароматты  көмірсутектер шыға  бастады.  Мұнай шикізатынан ацетиленді  және  диолефиндерді, ароматты  көмірсутектерді  өндірістік  өндіру  қалыптасты.  Әйтсе  де  жуық  арада  транспорт  пен  энергетикалық  көмірсутекті  отынсыз  дамуы  не   жұмыс   істеуі  мүмкін  емес,  сондықтан  да  жанармайды, мұнайды  өңдеп, химия  қажетіне  жұмсалуда.

        Жалпы,  мұнай- май  тәрізді   сұйықтық, жанғыш,  әдетте  қара  қоңыр  түсті  және  өзіне  тән  иісі  бар. Ол  судан  жеңіл және  суда  ерімейді.  Мұнайдың  құрамы  бірдей  емес. Мұнайдың   құрамында  қаныққан, қанықпаған, ароматты, нафтенді  көмірсутектер  бар, олар  мұнайдың  негізгі  шикізаттарын  құрайды.  Бұл  аталған  көмірсутектердің мөлшері әр  мұнай кендерінде   әр  түрлі болуы да  мүмкін. Мысалы , Маңғыстау  мұнайы  қаныққан   көмірсутектерге,  Баку  аймағындағы  мұнай  циклопарафиндерге  бай келеді.

Мұнай құрамындағы үш еселенген ( алкиндер) көмірсутектерге  сипаттама.                                                                                                                              Мұнай  құрамында  қаныққан, қанықпаған, ароматты, нафтенді  көмірсутектер  бар, олар  мұнайдың  негізгі  шикізаттарын  құрайды.

      Мұнай  құрамындағы құрамында  көмірсутектерден  басқа  аз  мөлшерде  органикалық  қосылыстар  болады, ол  қосылыстардың  құрамына  оттегі,  азот,  күкірт  және басқа  элементтер   кіреді. Смола  және  асфальт  заттары  сияқты  үлкен  молекулалы  қосылыстар  да  бар. Мұнай  құрамында   жүздеген  әр  түрлі   қосылыстар  болады. Осы қосылыстардың ішінде  қанықпаған  үш  еселенген көмірсутектердің  маңызы  зор.

       Алкиндер  немесе  ацетилендер    дегеніміз   көміртек  атомдары  үш   байланыспен  жалғасқан органикалық қосылыстар. Олардағы  үш  байланыстың бірі- сигма, ал  қалған  екеуі- пи  байланыс. Соңғы екі  пи  байланыстың  симметриялы  жазықтығы, өзара  біб-біріне  перпендикулярлы. Пи – электрондар  будандасып пи  байланысын  құрайды  және  ол бір s, бір p  деңгейлерінің будандасуынан  құрылады. P- тектес  екі пи байланыстарының  өзара  бұрышы 100°болады  да, ондағы  екі  сутек  және  екі  көміртек  атомдары  бір  түзу  бойында   орналасқан.  Екі  көміртек  байланысының  ұзындығы 1,2 Å энергиясы 196,5 ккал/моль, ал  көміртек  және  сутек  1,064Å sp- будандасқан көміртек  атомының  теріс электрлігі  олефиндердегі sp- будандасудан  артық. Мұның салдарынан  СН3-С=СН диполь моменті пропилендікінен артық және  ол 0,75 D- ға  тең, ондағы  теріс  полюс  СН  тобына  ығысқан. sp-будандасқан көміртек  атомының   қатысуымен  пайда  болған С-Н байланысы, алкандағыдан  да  және  алкендегіден де  күштірек. Одан  сутегін протон  күйінде үзіп   алғнда  пайда болған  анион, sp-будандасқан   көміртек атомының  терісэлектрлігі  күшті  болғандықтан  да   тұрақты  болады.  Мұндай әсерлер  нәтижесінде  ацетилендегі  С-Н  байланысы  қышқылдық  қасиет  көрсетеді. Ацетиленді  қосылыстар  табиғатта  аз кездеседі. Олар  көптеген  органикалық  синтездер  үшін  таптырмас шикізат. Одан  өндірісте   спирт, карбонилді  қосылыстар,  алкендер, ароматты  көмірсутектер  және басқа да   көптеген  заттар   өндіріледі. Алкиндер, әсіресе ацетилен, алкандар, алкендермен салыстырғанда,  суда  біршама ериді. Қысым жоғарыласа,  олардың  ерігіштігі  артады. Ацетиленнің  бұл  қасиеті   оны  өзге  газдар  мен  қосылыстар  қоспасынан   бөліп  алу  үшін  қолданылады.

      Ацетилен- термодинамикалық  тұрғыдан  алғанда  тұрақсыз  қосылыс, яғни  оны  көміртек  пен  сутектен  алғанда  жылу  бөлінбейді, қайта  көп  знергия  жұмсалады.  Демек, ацетилен  сутек  пен  көміртекке  ыдырағанда  көп  энергия  бөлінеді  де, ацетилен  әсіресе  қысым   күшейгенде  қопарылысқа бейім келеді. Бұл қопарылыс табиғаты  қопарылуға  бейім басқа  көмірсутекті  қосылыстардан басқаша, мысалы  «кен газы» - метан  қопарылғанда , термодинамикалық  тұрақты көмір тотығы  мен су  түзіледі. Ацетилен  ауамен  де, ауасыз  өздігінен де  қопарылады. Ацетилен  жанғанда  бөлінетін  жылу СО2 және  Н2О құрылу  жылу  мен  жеке  элементтерге  бөліну  жылуларының  қосындысымен  өлшенеді. Мінеки,  сондықтан да ацетиленді  жаққандағы  жылу,  метандікінен  45% артық.Ацетилен  жанғанда  пайда  болатын  заттарда  су  аз,  сондықтан  пайда  болған  заттардың  жылу  сыйымдылығы төмен. Сондықтан да, ацетилен  жанғанда  ең  жоғары  температура (3000°С-қа  дейін) береді. Бұл металдарды  кесу, пісіру  үшін  қолданылады.

Ацетиленді өндіру.   Ацетиленнің  көп  мөлшерін  метаннан  және  парафинді  көмірсутектерді  пиролизбен  тотықтыру,  электрокрекингпен және  түрлі  мұнай  шикізаттарын   сулы  ерітіндіде  пирализдеп  алады. Сонымен  қатар  мұнай  көмірсутектерін  немесе табиғи  газдарды  пиролиздеу  арқылы  алады:

                           2СН4=НС=СН+3Н2

немесе  этанды  не  оның  гомологтарын   пиролиздеу  арқылы   алады:

                           С2Н6=  НС=СН+2Н2

Қазіргі  кезде  де  өзінің   мәнін  жоғалтпаған  кальций  карбидінен  ацетиленді  алудың   алғашқы  өнеркәсіптік  тәсілі:

                           СаО+С=СаС2+СО

                         СаС2+Н2О=С2Н2+СаО

Кальций  карбидінің  өнеркәсібінің  шығымы  негізінен  өте  жоғары  температурада (1900-1950°С) өтетін  эндотермиялық  реакцияның  жылуымен  қамтамасыз  ететін  электр  қуатына  жұмсалатын   шығын   құрайды.

        Екі  галоген   атомдары  бір   немесе  екі   көршілес  көміртек  атомдарында   тұрған  дигалоген  туындылары  сілтінің  спиртті  ерітіндісімен  әрекеттескенде  ацетилен  көмірсутектері  түзіледі:

        а) СН2Вr-CH2Br=CH=CH+2HBr

        б) CH3-CHCl2=CH3-C=CH+2HCl

            CH3-CH2-CH3=CH3-C=C-CH3+2HCl

      Ацетилен  өндірісте негізгі   роль  атқарады. Оның  әлемдік өндірісте  миллион   тоннаны  құрайды. Ацетиленнің  жоғарғы  сапасы  металдарды  сваркілеуге  қолданса, оның  қызуы 2800°С  температураны  құрайды. Бұл  өте  үлкен  температура, себебі СО2-нің  жылу сыйымдылығы Н2О-мен  салыстырғанда  төмен, яғни  жылу  әсерінен  алкандар, алкиндерге  қарағанда  көп  түзіледі:

                          2С3Н6+7О2=4СО2+6Н2О

                          2С2Н2+5О2=4СО2+3Н2О

Таза  ацетиленнің  иісі, барлық  жоғары  көмірсутектердің (бензин) иісіне  тән. Ацетиленді  баллондарда ацетон  ерітіндісінде  сақтайды.

      Қазіргі  уақытта  метанның  және  табиғи  газдың  пиролизі  ацетиленді  алудың  негізгі  тәсілі  болып  табылады. Ацетилен  түзуге  метанды  пиролиздегенде  өтетін  реакциялардың   әр  түрлі  температураларында  тепе-теңдік  конверсиялардың  шамаларын  салыстырып, ықтималды  температураны термодинамикалық  тұрғыдан  анықтауға  болады. Метанды  пиролиздеумен ацетиленді   алуда  өтетін  негізгі  үш  реакцияның  кейбір  термохимиялық  және термодинамикалық  сипаттамалары  келтіріледі. Бұл  мәліметтер бойынша, көрсетілген  температураны  үш  аймаққа  бөлуге  болады: 1000°С-ден  төмен, мұнда  метан  толығымен  С және Н2-ге  ыдырайды; 1200-2000°С метанның  ацетиленге  конверсиясы  өтуі  мүмкін, және 2000°С-ден жоғары  ацетиленге  конверциялау  дәрежесі  теориялық өте жоғары  болады.

       Қазіргі  өнеркәсіптік  қондырғылардың  1500-1600°С жұмыс  температураларының  аймағында, метанды   пиролиздеу   реакциясының  тепе-теңдік  өнімдері  негізінен  көміртек  пен  сутек  болуға  тиісті. Егер  оның  уақыты  тепе-теңдікке  жетуге  жеткілікті  болса  іс  жүзінде  олар  реакцияның  негізгі  өнімдері  болып  табылады. Бірақта (1) және (2) реакциялардың салыстырмалы  жылдамдықтары  белгілі температурада соншалықты, реакциялық  қоспада тепе-теңдікке  жеткенге  дейін белгілі концентрацияда  ацетилен  және  сәйкесті  боскөміртектің (күйе) айтарлықтай  мөлшерін  құрайды. Ацетиленді  алудың  реалды  процесінде  түзілген  ацетиленді  сақтап  қалу  үшін  және  күйенің  түзілуін  минимумға  түсіру  үшін  метанды жоғарғы  температураға  дейін  жылдам  қыздыру  қажет, ал  алынған реакциялық  газдық қоспаны   жылдам  суыту  керек (шынықтыру, мұздату). Практикада  реакция  аймағындағы  метанның  болуы  1500-1600°С температурасында  шамамен  0,01сек. болады. 

Мұнай  өнімдері  және  олардың  қолданылуы.      Мұнай- молекулалық массалары әр  түрлі,  қайнау  температуралары  да   бірдей  емес  көмірсутектердің  қоспасы  болғандықтан, айдау арқылы  оны жеке  фракцияларға (дистиляттарға) бөледі. Айдау  барысында мұнай  мынадай  фракцияларға  бөлінеді: газдық  фракция, бензин, жанғыш  отын, керосин, дизель  отыны, парафин, мұнай гудроны.

    Мұнай мен газдарды  ең  алдымен физикалық  тұрғыдан  өңдейді: қатты  затты, сұйықты,  газды бөлек-бөлек алады. Сосын лоардың    құүрамындағы  заттарды  бір-бірінен  жекелей бөледі. Этан, пропан, бутан   сияқты  газдарды  сутексіздендіре   отырып  этилен  немесе  мономер  үшін  қажетті  олефиндерге  түрлендіреді. Ал  метан  болса, ацетилен  алудағы  басты  зат  болып  есептелінеді. Мұнай  құрамында  бірдей  емес  көмірсутектердің  қоспасы  болғандықтан, айдау  арқылы  оны  жеке  фракцияларға  бөледі, мұнайдың  құрамында  С5-С11  көмірсутектері  бар  және  40-200ºС  аралығында  қайнайтын  бензин  құрамында  С8-С14  көмірсутектері  болатын  және  150-250ºС  аралығында  қайнайтын  лигроин,  құрамында  С12-С18  көмірсутектері  болатын және 180-300ºС  аралығында  қайнайтын   керосин алады, бұлардан  кейін газойль алынады.  Бұның бәрі – ашық  түсті мұнай өнімдері  деп аталады.

     Мұнайхимиялық   синтезі  химиялық  өнімдерді   мұнайдан  және  көмірсутек  газдарын   алудың  синтетикалық   жолы.  Мұнайдағы   көмірсутектер  және  табиғи  газдар, мұнайға  серік  газдар, мұнай  өндірудегі  негізгі  шикізат  ретінде  синтетикалық  өнімдердің  үлкен  мөлшерін: пластмассалар,  каучуктер және  волокон, жуғыш  заттар, пластификаторлар,  отын,  майлағыш  майлар және  т.б. өнімдерін  құрайды.  Осы  барлық  өнімдер  түрлі  өндірісте,  халық  шаруашылығында  және  тұрмыста  кең  қолданылады.  Көміртекті  мұнай  мен  газдар  басқа  шикізаттарға  қарағанда  маңызды.  Мұнайхимиялық  синтез  органикалық  химия, катализ, физикалық  химия, химиялық  технология  сияқты  ғылымдармен  тығыз  байланысты.  Негізгі  қарастыратын  өнімдері  мұнай және  оның  компоненттері.  Оның  негізгі  процесі  органикалық  химияда  қолданылады: пиролиз,  тотықтыру, алкилдеу, дегидрлеу, гидрлеу, галогендеу, нитрлеу, сульфирлеу  реакциясы, ал  ең  негізгісі  каталитикалық   реакцияны  құрайды.  Мұнайхимиялық   синтезде  көп  уақытты  көміртекті  шикізаттар мен  біріншілік   көмірсутектер: қаныққан (парафиндер), қанықпаган ( олефиндер, диендер, ацетилен), ароматты  және  нафтендерді алу болып табылады.  Айталық,  жанармай  құрамындағы күкірт  пен азотты  тазарту үшін  оны бірнеше еріткіштермен "жуып",  экстракциялайды.   Бензин  шығымын арттыру үшін  жер майын, керосин, мазутты  және  солярлы  отындарды  крекингтейді.  Крекинг  жолымен  алынған  бензинде  тікелей  бөлініп  алынған  бнзиннен  гөрі   олефинді  және  аренді  көмірсутектер  көп  болады.  Олар  жанармайдың  октан   санын   жоғарылатады.  Катализдік  крекинг  бензин  алу  үшін  аса  тиімді,  өйткені  онда  газ  бен  олефиндер  аздау  да,  арендер  көп.  Катализдік  крекинг  катализатор  қатысында ( алюмосиликаттар), 450º С температурада  және  жоғары  атмосфералық   қысымда  жүргізіледі.  Осы  тәсілмен  80%  авиациялық  бензин   алынады.

      Катализдік  крекингте  реакция   изомеризация  реакциясына  жылжиды.  Соңында   соңғы  қаныққан   көмірсутекте  көміртектің  қаңқа  молекуласы   түзіледі, бұл  бензиннің  сапасын   арттырады.  Катализдік  процесте  парафиндер  және  циклопарафиндердің  ароматты  көмірсутекке   айналуы  маңызды.  Қыздыру  кезінде   ауыр  фракцияда  мұнай   өнімі  катализатор ( платина және  молибден) қатысында, 6-8 атмосфералық  қысымда көміртек  атомы,  ароматты   көмірсутектерге айналады.  Бұл  риформинг (бензин  сапасын  жоғарылату  үшін) процестеріне  дейін  ығысады.  Крекинг  процесінде  көп  мөлшерде  газ  (крекинг  газы) бөлінеді,  яғни    негізгі  құрамы  қаныққан  және   қанықпаған  болып  табылады.  Бұл  газдар  химия  өндірісінде  негізгі  шикізат  ретінде  пайдаланылады.

   700-1000ºС  температурада   мұнай  өнімдері  пиролизденеді,  нәтижесінде   жеңіл  түрде   алкен – этилен, пропилен  және  ароматты  көмірсутектер  алынады.  Пиролиздеу   реакциясы:

                СН3-СН2→СН2=СН2+Н2

            СН3-СН2-СН-СН3→СН2=СН-СН3+СН4 

↓   ↓

СН3 СН3

 

Бензинді  фракцияны   одан  әрі  жақсарту  үшін  бұл  процесті  катализдік    риформингке  ығыстырымыз.  Бұл  процесте  катализатор  ретінде  платина  маңызды. Осы  катализдік  риформингте  алкандарран   ароматты  қосылыстар  түзіледі:

          СН3-(СН2)5-СН3→ С6Н6-СН3+4Н2

 

Циклоалкандар   ароматты  қосылыстарға  айналады,  ароматты  қосылыстарда  риформинг   процесінде   бүйір  тізбек  үзіледі:

 

          С6Н6-СН3+Н2→С6Н6+СН4

 Катализдік  крекинг  жағдайында  айырылу  реакцияларымен    қатар  изомерлену  реакциясы, яғни  қалыпты  құрылысты  көмірсутектердің  тармақталған  көмірсутектерге  айналу  реакциясы  жүреді, бұл  жағдайда  қанықпаған  көмірсутектер  термиялық  крекингке  қарағанда   әлдеқайда  аз  түзіледі.  Бұл  түзілген  бензиннің  сапасына  әсер етеді, өйткені  тармақталған  құрылысты  көмірсутектердің  болуы  бензиннің  октан  санын  көбейтеді, ал  қанықпаған  қосылыстар  мөлшерінің  кемуі  бензинді  сақтауға  едәуір  төзімді  етеді.      

Ацетиленнің  көп  мөлшері  синтетикалық  химияда  талшық  өндіруде  негізгі   еріткіш  материалы  ретінде  қолданылады.

    Ацетиленнің   полимеризациясы  арқылы   сулы  ортада  сынаптың   монохлориді   мен  аммоний  хлориді   арқылы  димер, тример  және  тетрамер ацетилендерін  алуға  болады:

                    2НС≡СН →Н2С=НС-С≡СН

                    3НС≡СН→Н2С=НС-С≡С-СН=СН2

                    4НС≡СН→Н2С=НС-НС=НС-С≡С-СН=СН2