ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік материалдары

Темір (ІІІ) тұздары – катализаторы қатысында бензол орынбасу реакциясына түседі:

Бензол осылайша хлормен де әрекеттеседі. Егер бензолға азот және күкірт қышқылдарының қоспасымен әсер етсе нитробензол түзіледі:

C₆H₆ + HNO₃(H₂SO₄) → C₆H₅NO₂ + H₂O

Бұл реакцияда күкірт қышқылы катализатор және су сіңіргіш ролін атқарады. Бензол гомологтары орын басу реакциясына оңай қатысады. Мысалы, метилбензол C₆H₅-CH₃ бензолға қарағанда нитрлеу реакциясына оңай түседі:

Толуол 2,4,6 – тринитробензол

Бұдан бензол молекуласына қарағанда толуол молекуласында сутек атомдары қозғалғыш екенін көруге болады. Бензол және оның гомологтары Pt және Pd катализаторының қатысында бөлме температурасында 0,3-0,5 МПа қысымда сутектенеді:

Белсенділігі төмен никель катализаторының қатысында жоғары температура (150 – 250 ⁰C) және 12 МПа дейінгі қысым талап етіледі. Бұл жерде бензолдың алкилбензолдарға қарағанда оңай сутектенеді.

Нафталин бензолға қарағанда оңай сутектенеді. Сутектену сатылап жүреді: бастапқыда тетралин түзіледі де, одан соң біртіндеп декалин түзе сутектенеді:

Нафталин тетралин декалин

Бензол тотығуға өте тұрақты. Оған қарағанда бүйір тізбекті ароматты көмірсутектер оңай тотығады. Бензол гомологтарына күшті тотықтырғыштармен (KMnO₄, HNO₃) әсер еткенде тек қана бүйір тізбектері тотығады. Калий перманганатының әсерінен толуолдың метил тобы тотығып, карбоксил тобына айналады да, бензой қышқылы түзіледі:

Толуол бензой қышқылы

Этилбензол

о-ксилол о-фтал қышқылы

Бензол және оның гомологтары ауада жалын шығара жанады:

2C₆H₆ + 15O₂ →12 CO₂ + 6H₂O

Ароматты көмірсутектердің басты көзі мұнай болып табылады. Көптеген мұнайдың түрлерінің құрамында ароматты қатар көмірсутектерінің аздаған мөлшері болады. Ароматты көмірсутектерді өндірісте алу негізіне циклоалкандарды сутексіздеу және алкандарды дегидроциклдеу жатады, мұндай процесс мұнайды катализдік рифоминглеу деп аталады. Катализатор ретінде өте таза алюминий тотығына жалатылған платина қолданады. Осындай жағдайда ароматты көмірсутектер реакцияның негізгі үш түрі нәтижесінде алынады:

- циклогексан және оның гомологтарын сутексіздеу, мысалы:

- циклопентан гомологтарын дегидроизомеризациялау, мысалы:

- алты немесе одан да көп көміртек атомы болатын алкандарды дегидроциклдеу (Pt/Al₂O₃ катализаторы қатысында), мысалы:

Қазіргі кезде 90% жуық бензол және оның гомологтарын өндірісте мұнайды катализдік риформинглеу нәтижесінде алады. Ароматты көмірсутектер химиялық шикізат ретінде және мотор отынының детонацияға төзімділігін арттыратын компоненті ретінде маңызды роль атқарады. Бірақ реактивті және дизель отындарының құрамында олардың болуының қажеті жоқ, себебі олар отынның жану процесіне теріс әсер етеді. Айдау кезінде май фракциясына түсетін парафинді бүйір тізбекті полициклді арендер майлардың тұтқыр температуралық қасиетін төмендетеді, сондықтан да майларды тазалағанда оларды аластауға тырысады. Бензол, толуол, этилбензол, ксилол, нафталин көптеген мұнай химиялық және органикалық синтезде, синтездік көксағыз, пластмасса, синтетикалық талшық, қопарылғыш, анилин бояғыш және дәрі дәрмек заттар өңдірісінің маңызды салаларында өте маңызды химиялық шикізат болып табылады.

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: арендердің физикалық қасиеттері, химиялық қасиеттері, қолданылуы, бензолдың құрылысы

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Бензол гомологтарының қолданылуы
   
2. 
   Ароматты көмірсутектерді қалай түсінесіз
   
3. 
   Ароматты көмірсутектердің басты көзі не болып табылады?
   

1. 
   Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 71-80 б.
   
2. 
   Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа: Гилем, 2002. С. 76-78.
   

Дәріс жоспары:

1. 
   Октан саны. ОС анықтау әдістері
   
2. 
   Бензин құрамына кіретін көмірсутектердің детонациялық сипаттамасы
   

Октан санын анықтауда осы көмірсутектер эталон ретінде алынған. Изооктанның октан саны 100, ал н-гептандікі 0 деп белгіленген. Бензиннің октан санын изооктан мен н-гептан қоспасының пайыздық (көлемі бойынша) мөлшері бойынша анықтайды. Егер осындай қоспаның детонацияға төзімділігі анықталатын отынның детонацияға төзімділігі анықталатын отынның детонацияға төзімділігіне эквивалентті болса, онда отынның осы құрамы бойынша октан санын белгілейді.

Октан санын бір цилиндрлі іштей жанатын карбюратормен двигатель орналасқан сынау қабырғасында анықтайды. Сынау жүргізгенде қондырғыға бензин үлгісін құяды да арнайы аспаппен детонация дәрежесін анықтайды. Одан соң осы қондырғыға изооктан мен н-гептан қоспасын детонацияның сол деңгейіне жеткенше әртүрлі мөлшерде құяды. Эталон ретінде алынған қоспа ретінде алынған изопентанның пайыздық құрамы октан санын көрсетеді. Егер қоспадағы изооктан 80% болса, онда октан саны (ОС) сексен пунктке тең деп есептеледі. Бұл отынның соншама қысылғанда детонацияға ұшырайтынын білдіреді, изооктанның 20% н-гептанмен сұйытылғанын көрсетеді. Октан саны осылайша салыстырмалы және шексіз физикалық мәні жоқ шама. Оны екі әдіспен – моторлы және зерттеу әдісімен өлшейді. Моторлы әдістің зерттеу әдісінен айырмашылығы двигательдің қатты жағдайда жұмыс істеуі, айналымның көп болуы және ыстық қоспаның температурасы. Октан санын моторлы әдіспен анықтау әдісі еуропалық және американдық практикада жолға қойылмаған, ол тек біздің жолдар мен двигательдерге арналған. Бұл әдіспен номинальды жүктеме ұзақ жұмыс істегенде бензиннің детонацияға төзімділігі анықталады. Бензин көрсеткішін белгілегенде бұл әдіс көрсетелмейді (А76). Зерттеу әдісімен белгіленбеген режимде (АЗ-93, А-автомобилді, З-октан санын анықтаудың зерттеу әдісі, ОС=93). Моторлы және зерттеу әдісімен анықталған октан санының айырымы двигательдің жұмыс істеу АЗ-93 мотор әдісімен алынған A-86-ға сәйкес келеді. Егер октан саны төмен бензинді қолданатын болса, жүктеме артады және двигатель істен шығып қалуы мүмкін. Егер октан саны жоғары бензин қолданылса қатты қызу болады да, май құйылған тығындар істен шығады, қызу нәтижесінде резеңке істен шығады, май шығыны дереу артады.

Маркалары әртүрлі бензиндердің октан сандары

• 
  Товар ретінде қолданылатын бензиннің базалық компоненттерінің жоғары октанды үлесін арттыру,
  
• 
  Октан саны жоғары мұнай өңдеудің екіншілей өнімін базалық бензин ретінде қолдану,
  
• 
  Детонацияға қарсы қондырмалар қолдану.
  

Әдетте товар ретінде қолданылатын бензинді тікелей айдау, крекинг, риформинг, кокстеу, алкилдеу және мұнай өңдеу мен мұнай фракцияларынан алынған бензинмен араластыру арқылы дайындайды. Мұнай өндеу сатысы мен әртүрлі процестердің өнімін беретін осындай компоненттер саны оннан астам. Мұнайды тікелей айдау арқылы алынған бензинде әлсіз тармақталған құрылысты детонацияға төзімділігі төмен парафинді көмірсутектер көп болады; мұндай бензиндердің октан саны жоғары болмайды. Тек жеке таңдаулы мұнайдан тікелей айдау арқылы ОС А-70 бензин алуға болады. Тікелей айдау арқылы алынған бензин мен олардың басты фракцияларын аз көлемде А-76 автомобиль бензинін дайындау үшін қолданады. Катализдік крекинг арқылы алынған бензиндердің детонацияға төзімділігі жоғары болады. Бұл өз кезегінде бензин фракцияларындағы ароматты және изопарафинді көмірсутектердің көбеюіне байланысты. Катализдік крекинг бензинінің детонацияға қарсы қасиеттері шикізаттың фракциялық құрамына, крекинг режиміне, катализатор құрамына байланысты және біршама ауытқуы мүмкін. Катализдік крекинг бензинін көбінесе товар ретінде қолданылатын октан саны жоғары бензин дайындауға пайдаланады. Катализдік риформинг процесі ароматтау және біртіндеп изомерлеу арқылы детонацияға төзімділігі жоғары бензин алуға мүмкіндік береді. Әртүрлі компоненттер қоспаларының детонацияға төзімділігі аддивті қасиет болмайды. Қоспадағы компоненттердің ОС осы компоненттің таза күйіндегі ОС айырмашылығы болуы мүмкін. Әрбір компоненттің өзінің араластыру сипаттамасы немесе ОС ығысуы болады, бірақ берілген компонентке ол тұрақты емес және енгізілген компонент массасына, базалық бензин құрамына және басқа да компоненттердің болуына байланысты.

Газ бензинін араластырудың ОС тікелей айдау бензинінің парафинді және аралас шикізаттардан кейбір изоқұрылысты техникалық таза көмірсутектердің, әдетте олардың таза күйдегі ОС жақын. Базалық отынның ОС төмен болған сайын жоғары октанды компонентті араластырудың ОС әдетте жоғары болады.

Товар ретінде қолданылатын бензинді дайындауда компоненттер таңдауда бензин фракцияларына октан сандарының біркелкі таралуын қамтамасыз ету керек. Тікелей айдау арқылы алынған бензиннің төмен қайнайтын фракциясының детонацияға төзімділігі жоғары қайнайтын фракцияға қарағанда жоғары болады. Катализдік крекинг бензиндеріндегі әртүрлі фракциялардағы ОС бір біріне жақын. Платформинг бензинінде кейбір басты фракциялардың детонацияға төзімділігі төмен, жоғары қайнайтын ароматталған фракциялардың ОС 100-ден асады.

Товар ретінде алынатын өнім алуда арнайы қоспаларды қосу маңызды роль атқарады. Қазіргі заманғы двигательдердің қысылу дәрежесі жоғары ОС 91 және одан да жоғары бензинді талап етеді. Мұнай өңдеу әдістері арқылы мұндай отынды алу қымбатқа түседі, сондықтан да ОС арттыратын әртүрлі қондырмалар қолданылады. Ең тиімді сондықтан да әрдайым қолданылатыны тетраэтилқорғасын (ТЭҚ). Ол улылығымен қоса қазіргі автомобиль конструкциясының міндетті элементі болып табылатын катализдік бейтараптаушыларды және кейбір аспаптарды істен шығарады. Отын жанғанда ТЭҚ ыдырайды. Сонда белсенді радикалдар түзіледі:

Pb(C₂H₅)₄ → Pb(C₂H₅)₃^. + C₂H₅^.

Осы радикалдар ТЭҚ болмағанда тұрақты болатын көмірсутектердің тотығуына жол береді. Түзілетін гидроасқынтотықтар жаймен жануға себебін тигізеді. ТЭҚ қолданғанда қосалқы өнім ретінде оның тотығу өнімдері түзіледі, мысалы: (C₂H₅)₂Pb(OH)₂; (C₂H₅)₂Pb(OR)₂; (C₂H₅)₂PbOROH; PbO. Бұл заттар двигательде жиналып, оның істен шығуына әсерін тигізеді. Одан басқа олардың экологияға тигізетін зияны да зор, себебі олар канцерогенді заттар болып табылады.

Қазіргі кезде тек авиация бензині ғана этилденген болуы мүмкін. ОС жоғарлату үшін кейде ферроцен қолданылады. Бірақ бұл қондырма құрамында темір болатындықтан қиын аласталынатын қақ тұрып қалады да, тетіктердің қызмет етуін 5-7 мың километрге дейін азайтады. Детонацияға қарсы двигательге зиянсыз МТБЭ – метилтретбутилэфирі болып табылады.

Автомобиль бензиніне қойылатын талаптар

бензин	Детонацияға төзімділігі (ОС)		CPb, г/дм3	ωS, %	C6H6, % көл.	МТБЭ мөлшері % көл.	CFe, г/дм3
	Зерттеу әдісі	Моторлы әдіс
Қалыпты-80	80,0	76,0	0,010	0,05	5,0	15	0,037
Тұрақты-91	91,0	82,5	0,010	0,05	5,0	15	0,037
Премиум-95	95,0	85,0	0,010	0,05	5,0	15	0,037
Супер-98	98,0	88,0	0,010	0,05	5,0	15	0,037
Аи-80ЭК	80,0	76,0	0,010	0,05	3,0	15	0,037
Аи-92ЭК	92,0	83,0	0,010	0,05	3,0	15	0,037
Аи-95ЭК	95,0	85,0	0,010	0,05	5,0	15	0,037
Аи-98ЭК	98,0	88,0	0,010	0,05	5,0	15	0,037

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: октан саны, октан саның анықтау әдістері, автомобиль бензиндеріне қойылатын талаптар, бензиндердің сипаттамасы

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Детонациялық төзімділік дегеніміз не?
   
2. 
   Октан саны қалай анықталады?
   
3. 
   Октан санынын қалай арттыруға болады?
   

1. 
   Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 80-86 б.
   
2. 
   Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. –М.: Химия, 2001. 173-183
   

Дәріс жоспары:

1. 
   Гетероорганикалық қосылыстар
   
2. 
   Оттекті қосылыстар
   
3. 
   Күкіртті қосылыстар
   

Гетероатомдардың мұнай фракцияларында таралуы біркелкі емес. Әдетте, олардың көп бөлігі ауыр фракцияларда және әсіресе шайырлы асфальтенді қалдықта шоғырланған. Мұнай түріне байланысты 400-450⁰ С жоғары айдайтын фракция толығымен құрамы әртүрлі гетероатомды қосылыстардан тұруы мүмкін:

этиленоксид	Тиофен	Пиридин
фенол	крезолдар	кумарон
карбазол	тионафтен