ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік материалдары

«Мұнай химиясы»

мамандығы үшін

2013
Мазмұны

1. 
   Айдау – қарапайым қайнату арқылы мұнайды құраушы қоспаларға бөлу
   
2. 
   Адиабаттық реакторлар – қоршаған ортамен жылуалмастыру болмайтын, себебі, жақсы сақтағышпен жабдықталған реакторлар
   
3. 
   Алкандарды крекингілеу – көміртек қанқасының ірі молекулаларын қыздырғанда және катализатор қатысында ыдырау реакциялары.
   
4. 
   Асфальтендер – қысқа алифатты бүйірлік тізбектері бар полициклді ароматты күшті конденсирленген жүйелер.
   
5. 
   Газосепараторлар – газдарды сұйықтықтардан және механикалық қоспалардан тазарту аппараттары
   
6. 
   Газофракционирлеу – процесс разделения смеси углеводородных газов на составляющие компоненты путем ректификации
   
7. 
   Детонация – бензиннің қопарылыс түрінде жануы
   
8. 
   Дистилляттар – белгілі бір температура аралығында қайнайтын және мұнайды айдағанда алынатын сұйық көмірсутектер қоспасы.
   
9. 
   Еріткіштермен парафинсіздендіру – парафиндерді жою әдісі, олар майдың қату температурасын ұлғайтады
   
10. 
    Катализ – катализаторлар деп аталатын заттардың көмегімен химиялық реакциялар механизмі мен жылдамдығы өзгеруінің физика химиялық процесі
    
11. 
    Каталитикалық крекинг – мұнай өнімдерінен сапалы бензиннің шығымын арттыру мақсатымен катализатор қолдануымен жүретін процесс
    
12. 
    Мұнай – көп компонентті көміртек атомдарының саңы 100-ге дейін және одан да көп гетероорганикалық қосылыстар мен кейбір металдардың қоспасынан тұратын көмірсутектердің күрделі қоспасы
    
13. 
    Пиролиз – жоғары бағалы олефинді көмірсутектерді алуға негізделген жоғары температуралық процесс
    
14. 
    Реакторлар – химиялық реакциялар жүретін аппаратттар
    
15. 
    Ректификациялық колонна – ректификациялық табақшалармен немесе насадкамен қамтамасыз етілген вертикаль цилиндр тәріздес мұнайды айдап өңдеуге арналған аппарат
    
16. 
    Ректификация – қайнау температуралары өте жақын өнімдерді бөліп жоғары дәрежедегі таза өнімдерді түзіп алу
    
17. 
    Шайырлар – ұзын алифатты бүйірлік тізбектері бар конденсирленген циклді қосылыстар.
    
18. 
    Фракциялау – бұл компонеттердің күрделі қоспасын қарапайым қоспаларға немесе жеке құраушыларға бөлу
    
19. 
    Эмульсия - өзара ерімейтін сұйықтықтар немесе ерітінділерді араластырғанда түзілетін системалар
    
20. 
    Эмульгаторлар – эмульсия түзілуіне жағдай жасайтын және эмульсияны тұрақтандыратын заттар
    

Дәріс жоспары:

1. 
   Мұнайдың органикалық – жыныстық – миграциялық түзілу теориясы
   
2. 
   Бейорганикалық теория
   

«Табиғи мұнайдың» шығу тегін зерттеушілер алдында тұрған басты қиындық, оның түзілуі туралы тура және сенімді мәліметтердің жетіспеуі – онда бастапқы органикалық ұлпалардың болмауы. Зерттеуші әртүрлі болжамға апаратын болжамдар мен жанама фактілерге ғана сүйенеді. Көптеген геологтар тірі материядан мұнайдың түзілгендігі туралы гипотезаны қолдайды. Мұнайдың бейорганикалық түзілу гипотезасын қорғайтын геологиялық және химиялық сипаттағы анық ұғымдарды келтіруге болады. Заманауи ғылымда мұнайдың шығуы туралы екі негізгі гипотезалар бар.

Мұнайдың органикалық – жыныстық – миграциялық түзілу теориясы. Вассаевич мұнайдың ожм түзілу теориясын ұсынған. Бұл теорияда екі аргументация бар:

1. Геологиялық аргументация.

А) көптеген мұнай қорлары жыныстық қорлармен кездеседі. Жер жыныстары мұнай үшін сыйымдылықта және мұнай түзілу ортасы да болады.

Б) мұнай, көмір, битум түзілуі өзара байланысты .

В) мұнай түзілу процестері барлық дәуірлерде жүрген. «Мұнай жасы» 500 млн немесе 20-30 млн жыл болуы мүмкін.

2. Геохимиялық аргументация.

А) Мұнайда және жер жыныстарының битумоидтарында (хлороформмен бөлініп алынған бөлігі) биогенді табиғаты бар оптикалық активті заттар. Оларды биологиялық маркер деп атайды.

Б) Жер жыныстарының битумоидтарындағы және мұнайдағы жеке көмірсутектердің мөлшерінің қатынасы ұқсас болады.

3. Органикалық теория бойынша мұнайдың түзілуінің көзі бұл төмен өсімдіктік және жануарлардың, организмдердің органикалық қалдықтары. Бұлар суда өмір сүрсе планктон, судың түбінде өмір сүрсе бентос деп аталады. Бұл заттарды түзуде бактериялар ролі өте маңызды. Ағзалар ыдырауы кезінде мынадай химиялық заттар түзіледі: гумустық лигнинді, көмірсулар (клетчатка), белоктар (амин қышқылдары), шайырлар (липидтер), стероидтар, шайырлы қышқылдар (янтарь), көмірсутектер (терпендер). Бастапқы түзілген субстрат бактериялар әсерінен бактериялық биомассаға айналады. Осының нәтижесінде белок тәріздес заттар мөлшері 100-200 есе, амин қышқылдары мөлшері 10-20 есе, көмір қышқылдар 12-20 есе, липидтер мөлшері 4-8 есе кемиді. Сондай-ақ, полимерлену мен поликонденсация жүреді. Нәтижесінде хераген түзіледі. Хероген тотыққанда ондағы сутек мөлшері 8-10% → 3-4% кемиді. Күкірт мөлшері 8-10% шейін артады. Хераген жер жынысына сорбцияланып, органо-минералды комплекс түзеді. Осы тұнба 100-200 м тереңдікке түскенде анаэробты, бактериалды немесе диагенетикалық процестер тоқтап, органикалық заттар тотығуы азаяды. Хераген катагенетикалық немесе физика химиялық өзгерістерге жоғары қысым мен температура әсерінен ұшырайды. Тереңдікке – қысым мен температураға байланысты мынадай сатылар болады:

а) 1,5-2 км тереңдік, температура 50-60°С болғанда декарбоксильдеу, дегидротация, шеткі функционалдық топтардың түзілуі жүреді. Нәтижесінде су, аммиак, көмірқышқыл газы, метан, күкіртсутегі бөлінеді.

б) 2-3 км тереңдік, 80-170°С температура херогеннің деструкциясы жүреді. Битумоидтар түзіледі. Бұл алкандар, циклоалкандар, гетероциклді қосылыстар, шайырлі асфальтенді қосылыстар комплексі. Бұл саты мұнай түзілуінің басты фазасы – МБФ (ГФН). Көмірсутектер түзілуімен қатар олардың резервуарларға жинақталуы де жүреді.

в) МБФ аяқталған соң 4-6 км 250°С кероген өзгеріске ұшырайды:

1) кокстік сатысы;

2)көмірсутектік газдар көп түзіледі, яғни бұл саты газ түзілуінің басты фазасы ГБФ.Бұл фаза аяқталғанда кероген құрамында С 85-90%, Н – 1,5-3% болады.

г) 6 км-ден артық тереңдікте,мұнда газ өнімдерін жоғалтып, көмірге айналады. Бұл саты антрацит сатысы деп аталады.

2. Биогенді теориямен қатар, мұнайдың шығуының абиогенді (бейорганикалық) теориясы дамыды. Мұнайдың бейорганикалық түзілуінің үш түрлі гипотезасы:

1) Менделеевтың абиогенді немесе карбидтік гипотезасы (1978ж). Осы теория негізіне металдардың балқыған карбидтерінің сумен әрекеттесіп көмірсутектердің түзілу мүмкіндігі жатыр:

CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

Түзілген көмірсутектер жоғарғы қысым мен температура әсерінен жоғары көтеріліп жердің беткі қабатына келеді. Бұл теория бір кен орнында мұнай құрамының алуан түрлі болуын, сондай-ақ мұнайды құрамында тірі организмдер қалдықтары бар шөгінді жыныстардар табатындығын түсіндіре алмады.

2) 1892 жылы В.Д. Соколов мұнайдың бейорганикалық шығу тегінің «космостық» теориясын ұсынды. Осы гипотезаға сәйкес мұнай Жер мен Күн жүйесінің басқа да планеталары түзілу сатысында космостық материяның басқа түрлерімен Жерге түсуі мүмкін космостың біріншілік көмірсутектері-нен түзіледі. Бұған да негіз бар, өйткені кометалар көмірсутекті газдар мен көміртек атомының бар екендігі анықталған, ал сутегі болса космоста кең тараған.

3) 1960 жылы Н.А. Кудрявцев мұнайдың шығу тегінің «магматикалық» гипотезасын ұсынды. Бұл гипотезаға сәйкес мұнай магмада азғана мөлшерде түзіледі, ал сосын кеуек құмдақты толтыра отырып сызаттар мен жыраттар арқылы жоғары көтеріледі. Автор екі түрлі реакцияға сүйенген: 1) Фишер реакциясы (СО және Н арасындағы реакция), 2) көмірсутектердің бос радикалдардан түзілу реакциясы.

Бұл процестер қазір де жалғасуда.

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: органикалық – жыныстық – миграциялық түзілу теориясы, бейорганикалық теория

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Мұнай дегеніміз не?
   
2. 
   Биогенді (органикалық) теория мәнін түсіндіріңіз, негізін жасаған кім?
   
3. 
   Абиогенді (бейорганикалық) теория мәнін түсіндіріңіз, негізін жасаған кім?
   

1. 
   Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 9-14 б.
   
2. 
   Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа: Гилем, 2002. С. 60-68.
   

Дәріс жоспары:

1. 
   Мұнайдың химиялық және элементтік құрамы
   
2. 
   Мұнайдың фракциялық құрамы
   
3. 
   Мұнайдың топтық құрамы
   

Көмір  мұнай  табиғи газ.

Мұнайлардағы көміртек пен сутегі мөлшері анағұрлым тар аралықта тербеледі.

1кесте – Мұнайдың орташа элементтік құрамы

Барлық дерлік мұнайларда көміртек пен сутегімен қатар күкірт, оттегі және азот кездеседі. Осы элементтер қосындысы кейде 8 – 10% мас асады. Мұнайдағы азот 1,5% мас аспайды. Негізінен ол жоғары молекулалы, конденсацияланған (шайырлы) қосылыстар құрамына енеді. Сонымен қатар, жоғары шайырлы қосылыстар құрамына оттегі (0,1 - 2% мас) мен күкірттің біршама мөлшері енеді. Азот пен оттегіден айырмашылығы күкірттің басым мөлшері парафинді қатардың төмен молекулалы қосылыстарында шоғырланған.

Әртүрлі кен орындарында өндірілген мұнайлардың элементтік құрамы әртүрлі. Тұтасымен көміртек пен сутегіден тұратын мұнайлар (АҚШ-тағы Пенсильвания штаты; Өзбекстан) немесе жоғары күкіртті мұнайлар (Волга-Жайық мұнай-газды облысы, Башқұртстан мен Татарстандағы кен орындардың мұнайлары) бар. Уақытқа қарай мұнайдың элементтік құрамы да өзгереді. Мұнайдың жасы артқан сайын ондағы оттегі, азот және күкірт мөлшері азаяды, көміртек пен сутегі мөлшері артады. Гетероэлементтер-дің ыршып шығуы қарапайым қосылыстар түрінде өтеді – CO₂, H₂O, H₂S, NH₃, S, N₂.

Жоғарыда аталған элементтерден басқа мұнайларда азғана мөлшерде өте көптеген элементтер, соның ішінде Ca, Mg, Fe, Al, Si, Ge, V, Ni, Na, Bi және басқалар кездеседі. Осы элементтердің мөлшері пайыздың азғана үлестерімен өрнектеледі. Мысалы, мұнай өнімдерінде германий 0,15-0,19 г/т мөлшерде анықталған. Барлығы мұнайларда 50 астам элементтер табылды. Тағы бір айта кететін жайт, ванадий мен никель жер қыртысында микроэлементтер болып табыла отырып, мұнайларда мөлшері жағынан металдар ішінде бірінші орынды иеленеді. Сонымен қатар, ванадий тек күкіртті және шайырлы мұнайларда кездеседі.

Мұнайды біріншілік және екіншілік өңдеуден алынған өнімдерді, егер олар 350 ^оС дейін қайнайтын болса ашық түстілерге жатқызады, ал олардың қайнау температурасы 350 ^оС және одан да жоғары болса, онда қара түстілерге жатады. Әртүрлі кен орындары мұнайларының фракциялық құрамы, ашық және қара түсті фракциялар мөлшері әртүрлі болады.

Мұнай және мұнай өнімдеріне берілетін техникалық шарттарда мыналар нормаланады: 1. қайнаудың басталу температурасы; 2. тиелген мөлшердің 10, 50, 90 және 97.5% айдалған температура, сондай-ақ пайыз түріндегі қалдық; 3. кейде қайнаудың аяқталу температурасы лимиттеледі.

3. Мұнай күрделі көп компонентті жүйені білдіреді. Мұнайдың топтық құрамын білу мұнайдың шығу тегі туралы топшылауға және өндірілген мұнайды мұнай химиясы өндірісі процесінде барынша нәтижелі қолдануға мүмкіндік береді.

Мұнай компоненттерінің негізгі массасы – бұл көмірсутектер. Мұнайда көмірсутектердің үш класы бар: парафинді (алкандар), нафтенді (циклоалканды), ароматты (арендер) және гибридті – парафин-нафтен-ароматты. Айта кететін жайт, яғни бастапқы мұнайларда (нативті) қанықпаған қосылыстар (алкендер) болмайды.

- С – С – С -



С

Мұнайдағы метан газ тәрізді күйде болады. Мұнай кен орындарындағы газдардың қысымының жоғарылауы салдарынан метан гомологтары С₂-С₄ мұнайда ерітінділер күйінде болады. Газ тәрізді алкандар С₁ – С₄ сумен қоспа қосылыстары деп аталатын қатты комплекстер түзеді.

Қалыпты жағдайда (Р = 0,1013 МПа және Т = 273 К) парафиндер сұйықтықтар болып табылады және бензиндік (С₂- С₁₀) пен керосиндік (С₁₁ – С₁₅) фракциялар құрамына енеді. Олардың басым бөлігінің құрамы қалыпты. Көптеген мұнайларды талдау, яғни молекула неғұрлым тармақталған сайын, соғұрлым мұнайда осы көмірсутек аз болатындығын көрсетті. Көмірсутекті газдардың сумен комплексі сияқты құрылысы қалыпты сұйық алкандар әлсіз тармақталған, гептаннан бастап бөлме температурасында мочевинамен H₂N-CO-NH₂ қоспа қосылыстарын түзеді.

Изоалкандар тиомочевинамен H₂N-C(S)-NH₂ қоспа қосылыстарын түзеді. Осы қосылыстарда мочевина мен тиомочевина молекулалары өзара сутекті сутегі байланыстарымен жалғасады да, Ван-дер-Ваальс күштері немесе әлсіз сутекті байланыстармен ұсталынатын алкан молекулалары болатын арналар түзеді. Мочевина тиомочевинаға қарағанда кіші диаметрлі арна түзеді. Осы мочевинамен комплекс түзу арқасында қалыпты алкандарды тармақталғанынан ажыратуға болады.

Сұйық парафиндер отынның октан және цетан саны шамасына әжептеуір әсер етеді.

Көміртек атомдары 16 асатын көмірсутектер қатты заттар болып табылады:

• 
  құрылысы қалыпты көмірсутектер С₁₆ – С₃₅ – парафиндер;
  
• 
  құрылысы изомерлі көмірсутектер  С₃₆ – изопарафиндер немесе церезиндер;
  

С₁₆ және одан да жоғары парафиндер айдағанда мазутқа кетеді, ал церезиндер гудронда қалады. Мұнайда қатты парафиндер мөлшері көп емес, дегенмен 10% мас жетуі мүмкін. Парафиндер мен церезиндер өнеркәсіптің әртүрлі салаларында әртүрлі техникалық қолданыста болады: электр және радио техникасы, қағаз, сіріңке, химиялық, былғары, парфюмерлік және т.б. Май фракцияларында парафиндердің болуы олардың қату температураларын арттырады және төмен температураларда майлардың қозғалғыштығын кемітеді, сондықтан да майларды парафиннен тазартатын арнайы тазартуға – депарафиндеуге ұшыратады.

Нафтендер мұнайларда моно-, би- және полициклді қосылыстар түрінде кездеседі. Қарапайым нафтендер – циклопропан, циклобутан және олардың гомологтары мұнайларда байқалмаған. Әсіресе мұнайдың бензиндік және керосиндік фракцияларында метилмен алмасқан циклопентандар мен циклогександар мөлшері жоғары. Полициклді конденсацияланған қосылыс-тар мұнайдың қайнауы жоғары фракцияларында кездеседі.

Нафтенді көмірсутектерді мұнайдың фракцияларына тарату әртүрлі. Әдетте олардың мөлшері фракция ауырлаған сайын артады, және тек қайнауы жоғары май фракцияларында ғана төмендейді. Кейбір мұнайларда нафтендер фракцияларда біртегіс дерлік таралған.

Физикалық қасиеттері жағынан нафтендер парафинді және ароматты көмірсутектер арасында аралық орынды иемденеді. Химиялық қасиеттері жағынан олар парафиндерге ұқсас, мұны олардың молекулалық құрылысымен түсіндіруге болады.

Нафтендер майлы дистилляттардың технологиялық қасиеттеріне жағымды әсер етеді, өйткені жоғары қату температурасына ие және іс жүзінде температураға қатысты тұтқырлығын өзгертпейді.

Ароматты көмірсутектер. Арендер (құрамында бір немесе бірнеше соның ішінде конденсацияланған бензол сақиналары бар ароматты көмірсутектер) мұнайда келесі қатарда келтірілген:

• 
  бензол және оның гомологтары, С_nH_2n-6;
  
• 
  нафталин және оның гомологтары, C_nH_2n-12;
  
• 
  3, 4 және 5 конденсацияланған ядролардан тұратын күрделі конденсацияланған жүйелер.
  
• 
  Нафтенді және ароматты үзіктерден тұратын гибридті немесе аралас көмірсутектер.
  

Бензиндік фракциялардағы бензол гомологтарының қатынасы:

С₆ : С₇ : С₈ : С₉ = 1 : 3 : 7 : 8.

Бензиндік фракцияда қарапайым гибридті немесе аралас көмірсутек – индан бар.

Ауырлау – керосин-газойлді және майлы фракцияларда – ароматты көмірсутектер өзімен консднацияланған және нафталин гомологтары түрінде берілген. Сонымен қатар, фракциядағы көмірсутектердің қайнау температурасы жоғары болған сайын, соғұрлым молекула сақинасымен қаныққан, ал нафталин гомологтарының мөлшері кеми түседі.

Тазартылған тауарлық майларда алкан-нафтен типтес гибридті көмірсутектер ұзын алкилді тізбегі бар моно- және бициклді цикландар түрінде кездеседі (50-70% мас.дейін).

Мұнайдан бөлінген арендерді органикалық және мұнайхимиясы синтезінде (бензол, толуол, этилбензол, ксилолдар, нафталин) бағалы шикі зат ретінде, мотор майларына үстеме ретінде қолдануға болады. Ал дизель отынына пайдалану тиімсіз, себебі оның жану процесін төмендетеді.

Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: мұнайдың химиялық және элементтік құрамы, фракциялық құрамы, топтық құрамы

Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. 
   Мұнайдың элементтік құрамын сипаттаңыз
   
2. 
   Мұнайдың топтық құрамы туралы не білесіз
   
3. 
   Парафинді көмірсутектерді сипаттаңыз
   
4. 
   Нафтенді көмірсутектерді баяндаңыз
   

1. 
   Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 14-21 б.
   
2. 
   Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа. Уфа: Гилем, 2002. С. 70-72.