Мұнайдың фракциялық және химиялық құрамы

Кіріспе

Мұнайдың жер бетіне шығуын Каспий теңізінің жағалауында 500 жыл бұрын, ал газдың жер бетіне шығуын Кавказда және Орталық Азияда біздің заманнан 6 мың жыл бұрын ғалымдар байқаған. Мұнай өндірістік мәнге XVIII ғасырдан бастап ие бола бастады.Мұнай – жердің қалдық қабатына көп тараған сұйық, жанғыш минерал. Мұнай және одан жер бетіне бөлінетін табиғи өнімдер – асфальттар және битумдар адам баласына көптен белгілі. XVIII ғасырдың соңынан бастап мұнай өңдеудің өнімі – керосинді үйлерді және көшені жарықтандыруда пайдалана бастады, ал ХІХ ғасырдан бастап ішкі жану қозғалтқыштарын ойлап табуға байланысты мұнай өнімдері әр түрлі жол көліктерінде негізгі отын болды.Мұнай құрамы жөнінен көміртегі мен сутегінен бөлек оттекті, күкіртті, азотты қосылыстардың, көмірсутектердің (алкандар, циклоалкандар, арендер) қоспасы болып саналады.Мұнай – сыртқы көрінісі бойынша май тәрізді сұйықтық. Мұнайдың түсі ондағы шайыр заттарының мөлшеріне және құрылымына байланысты: қара, қызғылт, бурыл, ашықтау түсті және тіптен түссізі де белгілі. Мұнай судан жеңіл және онда іс жүзінде ерімейді.                

Оның тұтқырлығы оның құрамына байланысты, бірақ барлық жағдайда судың тұтқырлығынан жоғары. Мұнай – жанғыш зат, оның жану жылуы пайдалы қазбаларға қарағанда (көмір, торф) жоғары. Ол шамамен 42 МДж/кг құрайды. Мұнайдың қатты жанғыш қазбалардан айырмашылығы: күлі аз болады.Мұнайдың орысша атауы нефть – ол нафат деген, ағын жиналушы, ағын шығушы мәнін беретін парсы сөзінен шыққан.Мұнайдың түзілуін анықтау қазіргі ғылымның ең күрделі проблемасы болып табылады. Геологтар мен химиктердің басым көпшілігі мұнайдың түзілуінің органикалық теориясын жақтайды, бірақ кейбір ғалымдар мұнайдың анорганикалық заттардың әр түрлі химиялық өзгерісінің нәтижесінде табиғатта абиогенді тәсілмен түзілуін жақтайды. Мұнайдың анорганикалық түзілу теориясын алғашқылардың бірі болып Д.И.Менделеев 1877 жылы ұсынды. Оның жорамалы бойынша, мұнай көмірсутектері жер астында металл карбидтерінің сумен әрекеттесуі нәтижесінде түзіледі. Бірақ мұнай құрамындағы көптеген әр түрл құрылымды көмірсутектердің пайда болуын карбид теориясымен түсіндіру мүмкін емес. Қазіргі кездегі мұнай туралы дүниежүзілік ғылымның геологиялық және биохимиялық байқауларының және нақты фактілерінің көпшілік бөлігі көмірсутектер түзілуінің әр түрлі процестерінің ауқымын қоса есептегенде мұнайдың органикалық түзілу жорамалын жақсы дәлелдейді. Әсіресе ескі шөгінді жыныстармен қазіргі жыныстардағы тірі заттар мен органикалық қосылыстар компоненттерінің арасында генетикалық байланыстың барлығын дәлелдей түседі. Органикалық түзілімді көмірсутектерінің мөлшері жер қыртысында өте көп. Олар мұнай мен газ қорын түзуге жеткілікті.

Мұнай түзілуінің органикалық теориясының мәні – мұнай мен газ жер қыртысында шашыранды күйінде кездесетін органикалық заттардан түзіледі деген қағида. Жер қыртысында жиналушы органикалық материалдың негізін теңіз суындағы өлген өте ұсақ флора мен фауна қалдықтары құрайды. Оларға жануарлар мен өсімдік қалдықтары да араласады. Шөгінді жыныстардың жоғарғы қабатында көмілген органикалық материалдар оттегі мен бактериялардың әсерінен газдар (СО2, NH3, CH4, N2 және т.б. ) және суда еритін сұйық өнімдер түзіп, тез ыдырайды.

Химиялық және бактериялық әсерге өте тұрақты бастапқы материалдардың бір бөлігі шөгіндіде қалады. Одан әрі органикалық заттардың шөгінді жыныстарының қабатына 1,5-3 км және одан да төмен көп млн. жылдар бойы батқан сайын, тотықсыздану ортасында оларға жоғары температураның (шамамен 120-150 0С, 200 0С сирек) және қысымның 10-30 МПа, сонымен бірге арадағы жыныстардың каталитикалық әсерлері болады. Қазіргі көзқарас бойынша, бұл сатыда термиялық және термокаталитикалық процестер нәтижесінде органикалық заттар және негізінен липидтер (майлар, ақуыздар) мұнай көмірсутектеріне ауысады.Мұнай түзілу – өте күрделі, көп сатылы және көп уақыт жүретін химиялық проецесс. Мұнайдың дүниежүзілік барланған қоры – 306 млрд.тонна. Оның 95 млрд.тоннасы – өндірістік өндірілетіні. Мұнай кен орындарының дүниежүзілік елдерде және аймақтарда орналасуы біркелкі емес. Жер шарында барлығы 10 мың мұнай және 400-ден астам газ кен орындары бізідң елде ашылған. Мұнайды өндіру басқа жанғыш қазбаларға қарағанда жеңіл. Оны тасымалдау құбырмен іске асырылады және оны қарапайым өңдеп, әр түрлі бағытта пайдаланатын өте көп өнімдер алады. Кез келген мемлекет экономикасы мұнайға көбірек байланысты. Мұнайды жер қойнауынан алу үшін әр түрлі қашауларды пайдаланады. Олар тісті конустардан тұрады. Жыныс бетінде қозғалғанда оларды майдалайды және ұнтақтайды. Соңғы кездері алмазды қашаулар қолданыла бастады.

Жұмыс кезінде қашау турбо бұрғы немесе электр бұрғысы арқылы үнемі қозғалып тұру керек. Мұндай жағдайда қашаумен бірге жер астынан көп сатылы турбина немесе электр қозғалтқышын түсіреді, олар қашауды іске қосады. Бұл – өте жетік әдіс. Жер астынан майда ұнтақталған жыныстарды оған бұрғылау құбырлары арқылы сазды ерітінді жіберіп, ығыстырып шығарады. Бұл ерітіндінің бұрғылауда маңызы өте зор. Оның көмегімен бұрғылау инструменттері салқындатылады, жер беті цементтеледі. Бұл оның бұзылуынан сақтайды және судың, мұнайдың, газдың құбырдан шығуын болдырмайды. Қазіргі кезде бұрғылау 6-7 км тереңдікке дейін жүргізіледі. Өнім қабатына жеткенде оған жоғары жағынан құбырлар шоғыры мен ысырмамен және штуцермен жабдықталған құбырлар бағанасын түсіреді, ол ашық фонтан болдырмас үшін қажет.

1. Мұнайдың фракциялық және химиялық құрамы

Мұнай және мұнай өнімдері көмірсутекті емес қосылыстардың қоспасын құрайды, олардың жеке тәсілдерімен бөлу мүмкін емес. Әдетте мұнайды және мұнай өнімдерін айдау тәсілінің көмегімен күрделілігі аздау бөліктерге бөледі. Мұндай бөліктерді фракциялар немесе дистиляттар деп атайды. Мұнай көмірсутектерінің жеке қосылыстардан айырмашылығы – жеке қайнау температурасы болмайды. Олар белгілі аралық температурада қайнайды, яғни олардың бастапқы қайнау (б.қ.) және соңғы қайнау (с.қ.) температурасы болады. Ол фракцияның химиялық құрамына байланысты. Сонымен, мұнай мен мұнай өнімдерінің фракциялық құрамы, олардағы белгілі бір температура шегінде қайнайтын әр түрлі фракциялардың мөлшерін көрсетеді. Бұл көрсеткіштің іс жүзінде мәні үлкен, яғни фракциялық құрамға қарап, одан нендей мұнай өнімдерін және қандай мөлшерде алуға болатыны анықталады. Мұнай сияқты өте күрделі қоспаны қыздырғанда бу фазасы алдымен жоғары ұшқыштық қабілеті бар төмен температурадан қайнаушы компоненттерге ауысады. Олармен бірге аздап жоғары температурада қайнайтын компоненттер ілесіп кетеді, бірақ төменгі температурада қайнайтын компоненттің булардағы концентрациясы қайнап жатқан сұйықтықтағыға қарағанда әрдайым көп. Төменгі температурада қайнайтын компонент бөлінген сайын, қалдық жоғары қайнайтын компоненттермен байи түседі. Қайнау тоқтаусыз жүру үшін қыздыруды жалғастыра береді. Бөлінген бу конденсацияланады, конденсат әр түрлі мұнай фракциялары күйінде компоненттердің аралық қайнау температурасына байланысты бөлінеді. Мұнайлар мен мұнай фракцияларының фракциялық құрамын анықтау үшін лабораториядан айдаудың мынадай 5 әдісі көп қолданыс табуда:

Төменгі температурада жүргізілетін ректификация – сұытылған, газдар және 2000С- төменгі температурада қайнайтын көмірсутектер фракциясы үшін;

Орта температурада жүргізілетін айдау – 350 0С-ге дейін қайнайтын мұнай өнімдері үшін;

350 0С-ден жоғары температурада қайнайтын сұйықтарды вакуумда айдау;

Жоғары молекулалы заттарды (шайырларды) молекулалық дистиляциялау;

Біртіндеп буландыру әдісімен айдау;

Жаңа мұнайларды зерттегенде фракциялық құрамды ректификациялық бағаналармен жабдықталған стандартты айдау аппараттарында анықтайды. 200 0С –ге дейін қайнайтын фракцияларды алуды атмосфералық қысымда, ал басқа жоғары температурада қайнайтын фракцияларды термиялық ыдырау болдырмау мақсатында әр түрлі вакуумда, яғни атмосфералық қысымнан біршама төмен қысымда жүргізеді. Бөлінетін фракциялар мен дистиляттар: бензин б.қ. – 180 0С, керосин – 180-240 0С, дизель – 240 – 350 0С.

Осы дистиляттардан мөлдір мұнай өнімдерін дайындайды:

Ұшақ және автомобиль бензиндерін;

Еріткіш бензиндерді;

Ұшақ және жарық беруші керосиндерді;

Дизель отынының әр түрлі сорттарын.

Барлық мұнай өнімдеріне МЕСТ-ке сәйкес белгілі фракциялық құрам нормаланады. Мөлдір мұнай дистиляттарды бөліп алғаннан кейінгі қалдықты мазут деп атайды. Мазутты вакуумда мынадай фракцияларға бөледі:

350-420 0С – жеңіл дистилятты майлар алуға қажетті;

420-500 0С – ауыр дистилятты майлар алуға қажетті және т.б.

Мазутты айдаудан қалған қалдықты (500 0С) гудрон немесе жартылай гудрон деп атайды.

Барлық мұнай өнімдеріне МЕСТ-ке сәйкес белгілі фракциялық құрам нормаланады. Мөлдір мұнай дистиляттарды бөліп алғаннан кейінгі қалдықты мазут деп атайды. Мазутты вакуумда мынадай фракцияларға бөледі:

350-420 0С – жеңіл дистилятты майлар алуға қажетті;

420-500 0С – ауыр дистилятты майлар алуға қажетті және т.б.

Мазутты айдаудан қалған қалдықты (500 0С) гудрон немесе жартылай гудрон деп атайды.

Мұнай құрамына кіретін негізгі элементтер: С – (82-87%), Н – (11-15%), мұнайларда N2 мөлшері әдетте аз (0,001-0,3%), О2 мөлшері (0,1-1,5%) . Мұнайлардың құрамында өте аз мөлшерде басқа элементтер қосылыстары: ванадий, никель, темір, хром, магний, титан, мыс, калий, кальций және т.б.

Элементтік құрамына сәйкес мұнайдың негізгі массалық компоненті көмірсутегі болып табылады.

2. Алкандар

СnН2n+2 қатарындағы көмірсутектер барлық мұнайлардың құрамына кіреді және олардың негізгі бөлігі болып саналады. С1 – с4: метан, этан, пропан, бутан, изобутан, 2,2-диметилпропан қалыпты жағдайда газ күйінде болады. Бұлардың барлығы табиғи және мұнайға ілеспе газдар құрамына кіреді. Көпшілік табиғи газдың негізгі компонентін метан құрайды. Газ кен орнының 3 түрі бар:

1. Таза газды;
2. Газды конденсатты;
3. Мұнайлы.

Бірінші түрін табиғи деп атайды. Табиғи газ негізінен метан және оның гомологтарынан және көмірқышқылды газ – азот, кейде көмірсутектен тұрады. Газ конденсаты – кен орындарының газдарының таза газдардан айырмашылығы метанмен бірге олардың арасында пропаннан бастап, оның гомологтары, сол сияқты: сұйық алкандар және арендер болады. Мысалы: 1 м3 Орынбор газында 80 г сұйық көмірсутек бар. Мұнай кен орындарының газдарын ілеспе мұнай газдары деп атайды. Бұл газдар мұнайда еріген түрінде болады және одан жер бетіне шыққан кезде бөлінеді. Бұлардың құрғақ газдардан айырмашылығы: этан, пропан, бутан және одан жоғарғы көмірсутектер әлдеқайда көп мөлшерде болады. Сондықтан оларды байытылған немесе майлы газдар деп атайды. Бұл газдардан ең жеңіл бензин, тауарлы бензинге қоспа бола алатын, әрі отын есебінде пайдаланылатын сығылған газдар алынады. Этан, пропан және бутандар бір-бірінен бөлінгеннен кейін мұнай-химия өндірісінің құнды шикізаты болады.

С5 – С 15 көмірсутектері сұйық заттар қайнау температурасы бойынша пентаннан деканға дейінгі көмірсутектер және олардың изомерлері мұнай айдау кезінде бензинді дистилятқа өтеді, неғұрлым көмірсутектердің кеңістік құрылысы тармақталған болса, соғұрлым қайнау температурасы төмен болады. С5 – С 10 арасында 145 изомер болуы мүмкін. 1883 жылы Менделеев Баку мұнайынан әуелі пентанды, кейіннен гександы анықтады. Қазіргі кезде мұнайдан пентан, гексан, гептанның барлық изомерлері, октанның – 17, нонанның – 24 және деканның кейбір изомерлері табылған. С1 – С 16 көмірсутектерін: ундекан – С11, додекан – С12, тридекан – С13, тетрадекан – С14, пентадекан – С15, гексадекан – С16 табылған. Бұлар мұнай айдау кезінде керосин фракциясына өтеді. Мұнайда парафинді көмірсутектердің кездесуі өте әркелкі, 10 – 70%-ға дейін. Химиялық жағынан жоғары температурада алкандар ыдырайды, олар галогендермен әрекеттеседі, тотықпайды, күкірт қышқылымен әрекеттеспейді. С16 және одан жоғары мұнай парафиндері мен церезиндерінің құрамына кіретін алкандар – қалыпты жағдайда қатты заттар. С16Н34 гексадекан 18,1 0С-та балқиды. СnН2n+2  құрамындағы қалыпты құрылысты көмірсутектердің молекулалық массасы жоғарылаған сайын, олардың қайнау және балқу температурасы біртіндеп өседі. Қатты алкандар барлық мұнайлардың құрамына кіреді, бірақ көбінесе аз мөлшерде (ондаған үлестен 5% - ға дейін). Қатты алкандардың мөлшері Өзексуат, Жетібай және Өзен мұнайларында өте жоғары (15 - 20%). Қатты алкандар мұнайлар құрамында еріген немесе қалқыған кристалдық түрінде болады. Мазутты айдағанда май фракциясының құрамына С18 - С35 құрамдағы алкандар өтеді. Гудрон құрамына жоғары температурада балқитын С36 – С53 көмірсутектері жиналады. Бұл көмірсутектердің изомерлері өте көп, бірақ көпшілігі мұнайда түзу тізбектілер түрінде кездеседі. Мұнайдың құрамында тек қатты парафиндер ғана емес, жоғары молекулалы және балқуы жоғары озекерит деп аталатын жанғыш минералдан алынатын церезиндер де кіреді.