پایان نامه شیمی - از فراورده‌های نفتی

دیباچه

نفت خام مایعی است غلیظ به رنگ سیاه یا قهوه‌ای تیره که اساساً از هیدروکربن‌ها تشکیل شده است. در مورد منشاء نفت به دو نظریهء معدنی و آلی می‌رسیم. نظریهء منشاء معدنی نفت: که در سال 1886 توسط برتلو داده شد اینک رد شده است. همچنین در سالهای 1889( مندلیوف) نظریهء برتلو را تایید کرد و پس از ان در سال1901 سا باتیه و ساندرنس نظریهء منشاء معدنی بودن نفت را تایید کردند

نظریهء منشاء آلی:

امروزه می‌توان گفت که نظریهء منشاءآلی نفت برای نفت خام سبک به هر نظریه دیگری قابل قبول تر است این نظریه به دلایل زیر متکی است:

1- نفت خام همیشه در لایهای رسوبی یافت می‌شود که همواره مقدار زیادی از مواد آلی نیز در این لایها وجود دارند.

2- نفت خام محتوی ماده ای به نام پور فیرین می‌باشد. این ماده فقط در عامل سرخی خون (هِمین) حیوانات و نیز در سبزینهء گیاهان وجود دارد.

3- اکثر نفت‌های خام خاصیت چر خش سطح پلاریزاسیون نور را دارند. این خاصیت مربوط به وجود کلسترول است با منشاء حیوانی یا گیاهی.

به نظر می‌رسد که موجودات بسیار کوچک و بیشماری که در دریا‌ها و مرداب‌ها زندگی می‌کنندو پلانگتون (فیتو پلانگتون و زئوپلانگتون‌ها) نامیده می‌شوند منشاء آلی نفت می‌باشند. توزیع پلانکتون‌ها در سطح دریا یکنواخت نیست. این موجودات در قسمت بالای آب دریا (عمق 50 تا 100 متری) که اشعهء خورشید نفوذ می‌کند و نیز در مجاورت سواحل متمرکزند. تولید مثل این موجودات بسیار زیاد است و پس از نابودی در کف دریا سوب می‌دهند. البته پلانکتون‌ها تنها منبع مواد آلی نیستند. آب رود خانه‌هایی که به دریا میریزند حاوی مقداری مواد هیو میک است که ترکیبشان نزدیک به هیدرو کربنها است.

 نفت خام

بسیاری از دانشمندان عقیده دارند که نفت از باقیمانده موجودات ریز و گیاهانی که صدها میلیون سال پیش در دریاها می‌زیسته اند به وجود آمده است. زمانی که آنان مرده اند، بدن آنان در کف دریا، بین رسوبات دریا محصور شده است. بعد از میلیونها سال، گرما و فشار آنها را به نفت و گاز تبدیل کرده است. نفت و گاز معمولاً همراه با هم در پوسته زمین یافت می‌شوند و برای به دست آوردن آنها نیاز به حفاری در پوسته زمین است. در نمودار زیر دوره زمانی شکل گیری نفت خام نمایش داده شده است.

نفت خام و گاز در اعماق زمین، بین چین خوردگیها و سنگهایی که دارای خلل و فرج است یافت می‌شود. اما ترکیبات نفت خام چیست؟ نفت خام مخلوطی از هیدروکربنهای مختلف است از هیدروکربنهای سبک C₁ تا هیدروکربن‌های سنگین. همچنین شامل بعضی از نمکها، فلزات و غیره می‌باشد. اگر هر هیدروکربن را به وسیله یک توپ با اندازه مشخص نشان دهیم، شکل زیر بیانگر ترکیبات نفت خام است:

همانطور که در شکل مشخص است، نفت خام مشتمل بر انواع هیدروکربن‌ها می‌باشد. به علاوه ترکیبات دیگری به رنگهای آبی و زرد نیز دیده می‌شود که نمکها و سایر ناخالصی‌ها می‌باشند.

مواد آلی موجود در رسوبها حاوی 15-30% اکسیژن و 10-7% هیدروژن میباشند در حالی که مواد نفتی حد اکثر 4% اکسیژن و15-11% هیدروژن دارند. بنا بر این تبدیل مواد آلی به هیدرو کربن‌ها یک پدیده احیا است که به کمک باکتری‌های غیر هوازی مو جود در اعماق آبها صورت می‌گرد. بدین ترتیب مواد آلی طی یک رشته واکنش‌های فساد- تجزیه مولکولی- تراکم وپلیمری شدن به ماده هیدرو کربنی بیار غلیظ به نام کروژن تبدیل میشود. مجموعه این تغییر وتبدیلها را دگرگونی دیا ژنتیک می‌نامند. این دگر گونی از لایه‌های یک متری آغاز شده و تا اعماق هزار کیلو متری ادامه میابد و مدت ان نیز 5 تا 10 هزار سال است.

با ادامه رسوب گزاری عمق لایه‌ها نیز زیاد می‌شود و در نتیجه فشار ودما افزایش میابد. تحت چنین شرایطی
t>100c, p>1000atm کروژن در اثر تجزیه حرارتی به هیدرو کربن‌های مایع سبکتر تبدیل میگردد وبا ادامه رسوب گذاری، مقداری از این هیدرو کربنها در اثر شکست تبدیل به هیدرو کربن‌های سبک و گاز متان می‌شوند.

شکوفایی فصلی یا سالیانه جلبک‌های پلانکتونیک، غالبا به عنوان بوجود آورنده لامیناسیون ریتمیک در نظر گرفته‌ می‌شود. همانند تشکیل زغال، شرایط هوازی برای ممانعت از اکسیداسیون مواد آلی و احیا تجزیه باکتریائی مورد نیاز است. بنابراین بیشتر شیلهای نفتی در توده‌های آبی لایه‌لایه در جایی که آبهای سطحی اکسیژن‌دار اجازه رشد پلانکتونها و آبهای احیایی کف اجازه حفظ شدن مواد آلی را می‌دهد، تشکیل می‌شوند.

قسمتی از متن:

كاتالیست‌های همگن: این كاتالیست‌ها با موادی كه عمل می‌كنند، در یك فاز هستند، مانند اسید سولفوریك و اسید فلوئودریك در دستگاه‌های آلكیلاسیون. كاتالیست‌های غیرهمگن: كه با مواد در تماس، در یك فاز نم باشند، مانند كاتالیست‌ دستگاه‌های كاتالیتیك كراكینگ و كاتالیتیك ریفرمینگ كه این نوع كاتالیست‌ها، جامد هستند، ولی در فار بخار عمل می‌كنند.

كاتالیست‌های دستگاه كاتالیتیك كراكینگ دارای سطح زیادی می‌باشد كه در همین سطح زیاد فعل و انفعال هیدروكربورها انجام می‌گیرد. این كاتالیست‌ها از نظر ساخت بر دو نوع هستند: یا به طور طبیعی به دست می‌آیند و یا مصنوعاً ساخته می‌شوند. كاتالیست‌های طبیعی ممكن است به صورت دانه باشند كه در بستر ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرند یا به صورت پودر بسیار ریزی درآمده باشند كه به صورت سیال بكار می‌روند. این كاتالیست‌ها از خاك‌های مخصوصی در معادن بدست می‌آیند كه بنتونیت نامیده می‌شوند.

قبل از استفاده، با اسید، عمل می‌آورند. تركیبات آنها از آلومین (Al₂O₃)، سیلیس (SiO₂) و مقدار كمی اكسید آهن (Fe₂O₃) و همچنی اكسید سدیم (Na₂O) تشكیل شده است.

كاتالیست‌های مصنوعی و یا سنتزی معمولاً به صورت تركیبات سیلیس ـ آلومین، سیلیس ـ منگنز و یا آلومین اكسید بور ساخته می‌شوند. بیشتر از همه از تركیبات سیلیس آلومین استفاده می‌شود. این كاتالیست‌ها در بستر ثابت به صورت دانه و در بستر سیال به صورت پودر استفاده می‌شوند. در اینجا این سوال پیش می‌آید كه كدام یك از كاتالیست‌های طبیعی یا مصنوعی فعال‌تر هستند؟ در جواب باید گفت:

كاتالیستی كه مصنوعاً ساخته می‌شود، فعال‌تر است، چون باثبات‌تر و خالص‌تر است. در هنگام استفاده از كاتالیست طبیعی، بنزین موتور بیشتر و گاز كمتر ساخته می‌شود كه در بنزین موتور آن، نسبت به دستگاهی كه كاتالیست مصنوعی مصرف می‌كند، مقدار تركیبات اولفینی بیشتر و حلقیو كمتر است.

قابل ذكر است كه امروزه در واحدهای كاتالینك كراكینگ مدرن از كاتالیزورهای زئولیت استفاده می‌كنند و استفاده از این كاتالیزورها به علت قابلیت‌های زیادی كه از نظر فعالیت و سطح تماس و غیره دارند، مورد توجه قرار گرفته‌اند و واحدهای قدیمی نیز با ارائه اصلاحاتی در طراحی، به دنبال استفاده از این نوع كاتالیزورها هستند.

دستگاه‌های كاتالیتیك كراكینگ

در دستگاه‌های كاتالیتیك كراكینگ، هیدروكربورهای سنگین در مجاورت كاتالیست شكسته شده، به هیدروكربورهای سبك‌تر تبدیل می‌گردند. فعل و انفعالات در این دستگاه‌ها مانند واكنش‌هایی است كه برای كراكینگ حرارتی شرح داده شد، با این تفاوت كه به علت وجود كاتالیست، عملیات در حرارت و فشار پایین‌تر، انجام می‌گردند. در این دستگاه‌ها، در اوایل از خوراك گازوئیل و سپس از گازوئیل سنگین استفاده می‌گردید، ولی اكنون بیشتر برای تبدیل باقیمانده‌های سنگین دستگاه تقطیر كه دارای مواد مومی می‌باشند، استفاده می‌گردد.

در طریقه كاتالیتیكی، كه به طور ملایم () عمل را انجام می‌دهند. راندمان اسانس حاصله با راندمان اسانس ازطریقه كراكینگ حرارتی برابر اما عدد اكتان آن خیلی بالاتر می‌باشد. دراین روش همچنین مقداری بوتان و مازوت سبك به دست می‌آید به طوری كه بیشتر مواد حاصله اوزان مولكولی متوسطی دارا خواهند بود هرگاه عمل در درجه حرارت كمی بالاتر انجام گیرد (فشار یك آتمسفر و دمای 480 درجه سانتی گراد) مقدار بیشتری از اسانس مرغوب تر تولید خواهد كرد.

اولین كاتالیزور استفاده شده در این روش سیلیكوت الومینات طبیعی است كه به آن فرمول  را نسبت داده اند،امروزه از كاتالیزورهای سنتزی یانیمه سنتزی استفاده می‌شود كه نسبت در آن‌ها متغیر بوده و به علاوه شامل مواد دیگری نیز می‌باشند. این كاتالیزورها خیلی متخلخل بوده. و سطح آنها از 250 تا 650 متر مربع به ازای یك گرم تغییر می‌كند. مجموعه سیستم شكستن اتصالات C-C را مساعد می‌نماید مخصوصا اتصالاتی كه در وسط مولكول قرار گرفته باشد مكانیسم عمل یونی است و به طور كلی میتوان آن را به صورت زیر بیان نمود.

از اثر یون  بر یك پیوند ایتلنی در شرایط عمل كربوكاتیون فرضی

بدست می‌آید كه در اثر حرارت پیوند بین دو كربن بعد از كربن با بار مثبت (یعنی ) شكسته می‌شود و در نتیجه این شكست مولكولی، كربو كاتیونی با وزن مولكولی كمتر بدست می‌آید.

كربوكاتیون حاصل (1) در شرایط عمل می‌تواند خود بخود ایزومریزه و به فرم (2) تبدیل گردد.

و در صورت امكان ازناحیه كربن بتا مطابق بالا شكسته گردد. همچنین  كربوكاتیون حاصل می‌تواند بر روی یكی از مولكولهای آلكان موجود د رمحیط عمل اثر كند و با در یافت هیدروژن ایجاد كربوكاتیون جدیدی نماید كه رشته زنجیر آن مانند كربوكاتیون فرضی اولیه قابلیت شكسته شدن و به دو قسمت را داشته باشد (به منظور سادگی در نگارش،كربوكاتیون  به صورت نمایش داده شده است)

هر گاه عملی بر اساس واكنش‌های فوق ادامه یابد نتیجه كاهش وزن مولكولی متوسط هیدروكربورها خواهد بود. دراین روش گازهای خیلی سبك كم تر تولید می‌گردد و همچنین چون دزیدروژناسیون نیز به طور نسبی انجام می‌گیرد د رنتیجه تركیبات سنگین و كك به مقدار خیلی كم تهیه می‌گردد. كك به صورت دردی بر روی كاتالیزور می‌نشیند نقص عمده این روش است وبرای رفع آن چند سالی بر روی واحد‌های كاتالیتیكی مطالعه نمودند كه نتیجه تحقیقات بدین قرار است:

اولا شارژ باید تحت اثر فراكسیونمانهای دیگری قرار گیرد زیرا فراكسیون‌های خیلی سنگین سبب از بین رفتن كاتالیزور می‌گردد.

ثانیا كاتالیزور را باید دو مرتبه رژنره نمود تا مجددا فعال گردد. عمل رژنراسیون بدین طریق انجام میگیرد كه سطح كاتالیزور را به وسیله عبور بخار آب تحت فشار از روغن‌ها عاری می‌نمایند و سپس كك جذب شده را به وسیله عبور گازی كه از اكسیژن فقیر است می‌سوزانند. باید توجه داشت كه احتراق شدید باعث فساد شدن كاتالیزور می‌گردد و برای این كه عمل رژنراسیون به صورت یك دوره پاسیكل انجام شود از روشهای مختلف استفاده می‌گردد.

شرایط عمل (تنظیم ورود و خروج كاتالیزور در راكتور – فشار – سرعت) جهت ایجاد حالت تعلیق می‌باشد مشهورترین این روشها طریقه می باشد. زمانی كه به مقدار كمی از محصول احتیاج دارند (كمتر از 50000 تن در سال) اغلب از طریقه اول (بستر ثابت) استفاده می‌شود در صورتی كه مورد استفاده دو روش دیگر برای تهیه فراورده‌ها به مقادیر زیاد می‌باشد اخیرا دستگاههای كراكنیگ كاتالینیگی شروع به كا رنموده است كه محصول آن‌ها در حدود 50000 تن د رسال می‌باشد و در همه این دستگاهها از بستر متحرك یا بستر سیال استفاده گردیده است مطالعات زیادی از نظر مقاومت مكانیكی و فرسوده شدن كاتالیزور بین دوطریقه اخیر انجام گرفته است و بالاخره روش كراكنیگ مكانیكی با بستر سیال بردیگری ترجیح داده شده است. شكل 53 یك واحد از این دستگاه كراكینگ كاتالیتیگی را نشان می‌دهد.

مواد مورد كراكینگ ابتدا در یك كوره به اندازه كافی گرم و بعدا بخارات حاصل به راكتور فرستاده ابتدا در یك كوره به اندازه كافی گرم وبعدا بخارات حاصل به راكتور فرستاده می‌شود. ذرات كاتالیزور به وسیله سیكلن از مواد حاصل از عمل كراكینگ جدا می‌گردد.

و فرآورده‌ها از طریق سیكلن جهت تفكیك مازوت – گازوییل – واسانس به ستون تقطیر مربوطه فرستاده می‌شود ضمنا گازهای  را باید به وسیله دستگاههای ضمیمه از قبیل دستگاه استاییلیزاتور از اسانس جدا نمود. بالاخره همان طور كه قبلا اشاره شده است پس از مدتی بهره برداری كاتالیزور فرسوده شده را باید دوباره فعال نمود.