Көмірсутек қоспаларын талдаудың бөліп алудың әдістері

 

Дәріс № 1.

 

Тақырып:  «Кіріспе. Курс мазмұны мен міндеттері.

Көмірсутек  қоспаларын талдаудың бөліп алудың әдістері»

 

Сұрақтар

1. Кіріспе. Курс мазмұны мен міндеттері.
2. Көмірсутек қоспаларын талдаудың бөліп алудың әдістері Мұнайдың химиялық құрамын зерттеудің негізгі қағидалары.
3. Хроматография түрлері және талдау әдістері.

 

"Органикалық  заттардың химиясы мен физикасы" пәні "Органикалық заттардың химиялық технологиясы" мамандығы бойынша кәсіптік пәндер цикліне eнeтін негізгі пәндердің 6ipi болып табылады. Бұл пән теориялық және ол мұнай, газ, полимерлер, эластомерлердің, қатты жанғыш қазбалардың негізгі кұрамымен және қасиеттерімен, және оларды зерттеу әдістерімен таныстыру үшін арналған. Пән мұнай, газ, полимер, эластомер, қатты жанғыш қазбалардың (ҚЖҚ) құрылысы мен оларды өңдеуде және қолдану негізіндегі құбылыстармен байланыстырады. Пән көмipcyтек газдарын, мұнайды, мұнай өнімдерін, пластмасса және эластомерлерді ҚЖҚ-ды зерттеу әдістерін меңгерген мамандарды дайындайды.

Пәннің мақсаты  органикалық заттардың химиясы және физикасының қазіргі дамыған бағыттарын оқьтып, өнеркәсіптің әртүрлі салаларында оларды  қолдап, жоғарғымолекулалық қосылыстардың (ЖМҚ), көмірсутекті материалдардың құрылысындағы негізгі ерекшеліктерін зерттеу, мұнай, газ, ҚЖҚ, пластмасса, композициялық материалдар және эластомерлер синтезі мен өңдеу технологиясының негізінде жатыр.

Пәннің міндеті  органикалық қосылыстардың классификациясы  мен номенклатурасын, полимерлер, мұнай, газ, мұнай өнімдері, ҚЖҚ-дың қасиеттерінің  негізгі ерекшеліктерін, жоғарымолекулалық қосылыстарды алу процестерінің негізгі әдістері мен заңдылықтарын, органикалық заттардың химиялық өзгерістерін, физика-химиялық қасиеттерін, құрамын, мұнай, газ, ҚЖҚ, полимерлердің құрылысы, агрегаттық, фазалық, физикалық жағдайларын, кристалдық және аморфты полимерлердің кұрылысын, ҚЖҚ мен олардан алынатын өнімдердің құрамы мен қасиеттерін береді.

 

Пән негізгі 7 тараудан тұрады:

 

1 тарау: МҰНАЙ  ЖӘНЕ ГАЗДЫ ЗЕРТТЕУДІҢ ФИЗИКА  – ХИМИЯЛЫҚ ӘДІСТЕРІ

2 тарау МҰНАЙ,  ГАЗ ЖӘНЕ ОЛАРДЫ ӨҢДЕУ ӨНІМДЕРІНІҢ КӨМІРСУТЕКТЕРІ

3 тарау КӨМІРСТЕК ШИКІЗАТЫНЫҢ  ГЕТЕРОҚОСЫЛЫСТАРЫ, АСФАЛЬТТЫ –  ШАЙЫРЛЫ ЖӘНЕ МИНЕРАЛДЫ КОМПОНЕНТТЕРІ

4 тарау МҰНАЙ    КӨМІРСУТЕКТЕРІНІҢ ТЕРМИЯЛЫҚ ЖӘНЕ ТЕРМОКАТАЛИТИКАЛЫҚ ӨЗГЕРУЛЕРІ

5 тарау МҰНАЙ  ЖӘНЕ МҰНАЙ ЖҮЙЕЛЕРІНІҢ ҚҰРЫЛЫМЫ

6 тарау ҚАТТЫ  ЖАНҒЫШ ҚАЗБАЛАР

7 тарау ПОЛИМЕРЛЕРДІҢ  ХИМИЯСЫ МЕН ФИЗИКАСЫ

Мұнай сұйық  каустобиолиттер қатарына жататын табиғи ішкі зат. Мұнай ашық сары, жасыл және қоныр қышқыл, кейде  қара түсті болып келетін, өзіне  тән иісі бар, ультракүлгін сәуле  жарығың шығаратын сұйықтық. Оның түсі құрамындағы элементтерге байланысты. Кей жағдайларда түсі ақшыл мұнай да кездеседі, мысалы, Азердайжан мемлекеттеріндегі Сурахана кен орнынан ақтүсті мұнай өндіріліп келеді. Генетикалық тұрғыдан алғанда  мұнай  шөгінді тау жыныстары орталығында пайда болған, басқаша айтқанда мұнай тектерінің өзгерістерге ұшырауынан пайда болған органикалық заттардың қалдығынан өз алдына көшу «миграция»  арқылы шоғырланып жиылған табиғи концентрат болып саналады.

Химиялық жағынан мұнай сұйық  көмірсутектерінің метандық  (C_nH_2n+2), нафтендік (C_n H_2n), ароматтық (C_n H_2n-6), қатарларының күкіртті, азотты және оттекті қосылыстардың қоспаларынан тұрады. Мұнай құрамындағы шекті көмірсутектері  «парафиндер»   метаннан (CH₄), этаннан (C₂H₆),пропаннан (C₃H₈), бутаннан (C₄H₁₀) бастап гексакантанға (C₆₆H₁₂₂) дейінгі көмірсутектерінен тұрады. Ароматтық көмірсутектері: бензол(C₆H₆) мен дефелиннің (C₆H₅)  туындылары. Бұларда нафталин (C₁₀H₈) сияқты қоюланған жүйелерде ұшырайды. Нефтендер шекті және ароматтық көмірсутектер аралығынан орын алады. Мұнайда 88,5 – 87 % -ке дейін көміртек, 11,5 -14,5 % сутек кездеседі.

Мұнайдың физикалық қасиеттеріне оның тығыздығы жатады. Бұл көрсеткіш  тұщы судың тығыздығымен 1 гр см ³ салыстырылады. Салмағына қарай мұнай ауыр және жеңіл мұнай деп екіге бөлінеді. Жеңіл мұнай қатарына тығыздығы 0,9 гр см³ –ге дейінгі , ал ауыр мұнай қатарына тығыздығы 0,9 гр см ² – ден жоғарғы мұнайлар жатады. Мұнайдың тығыздығы жоғарылаған сайын қайнау температурасы арта бастайды. Ауыр мұнайлар 100°С –ден жоғары температурада қайнай бастайды. Мұнай құрамында 0,001 – 5,3  %, кейде оданда жоғарылау мөлшерде күкірт, 0,001 – 1,8 % азот , 0,7 % оттегі, 10 % парафин, 35 % - ке дейін асфаль – шайырлы заттар болады. Мұнайдың құрамын зерттеу мақсатында элеметтік және фракциялық анализдер қолданылады. Фракциялық құрамына байланыстың мұнай бензинді – керосинді және бензинсіз болып ажыратылады. Табиғатта метанды, метан – нафтинді, аз күкіртті және құрамында – 2 % -ке дейін күкіртті бар мұнайлар көбірек тараған. Мұнай өз денесіне электр тоғын нашар өткізеді, көбінесе өткізбейді. Мұнай суда ерімейді,  тұрақты эмульсия қарауы мұмкін. Мұнайдың жылу бөлгіштік қабілеті 10400 – 11000 ккал/ кг шамасында, бұл ең жоғарғы жылу беретін отын қатарына жатады.

Жер қойнауындағы мұнайдың физикалық жағдайын оны жер бетіне шығарғандағы қасиетімен салыстыруға болмайды. Себебі,  жер астында мұнай шығаруға температура және қабат қысымымен байланысты сақталады. Жер үстіне шығарғанда температура төмендейді қысым жойылады, мұнайдан газ бөлініп шығады, мұнайдың көлемі кішірейеді.

Мұнайдың қабат бойындаға физикалық  қасиеттерін білу, әсіресе мұнай  қорын есептеу мұнай өндірудін  технологиялық схемаларын орындау, техникалық және технологиялық шараларды  іске асырып, меңгеру жұмыс салаларында  өте қажет.

Жер қойнауындағы мұнай көлемінің жер бетіне шығарғандағы көлеміне қатынасы – мұнайдың көлемдік коэффициенті деп аталады. Ол былай жазылады:

 

b =

 

мұндағы b -мұнайдың көлемдік коэффициенті ; мұнайдың қабат бойындағы көлемі, м³; - мұнайдың жер бетіне шығарылғандағы көлемі, м³.

Бұл коэффициент арқылы жер бетіне шығарылған 1 м³ мұнай жер астында қандай орын алатының білуге болады. Көп жағдайларда бұл коэффициенттің мазмұны 1-ден артық болып, 3 дейін жетуі де мүмкін.

Мұнайдың негізгі қасиеттерінің  бірі – тұтқырлық. Мұнай тұтқырлығының  өндіріс саласындағы маңызы өте  зор. Ол арқылы мұнай өндіру үрдісімен, оны құбыр арқылы айдағанда жұмыс  қарқынына көптеген әсер келтіретіні  белгілі. Тұтқырлығы төмен, жеңіл, сұйық  мұнайлар құбыр арқылы тез өтеді, ал тұтқырлығы басым, қою мұнайды өндіру, жинақтау, құбыр арқылы жүргізу жұмыстары көптеген қосымша енбекті керек етеді.

Негізінде мұнайдың тұтқырлығын  әсер ететін жағдайлар - оның құрамындағы  парафин, шайыр, қосымшалары және температура.

Мұнайдың температурасы  әр түрлі болып келіп, үлкен кезекте  орын алады. Мысалы, Грозныйдағы парафинді  мұнай 11 ⁰С салқындықта тоңазып қоюланады да жылжып ақпайтын жағдайға келеді. Ал, сол кен орнының парафиннің мұнайы 19 ⁰С салқындықта да сұйық күйінде сақталады. Маңғышылақтағы Жетібай және өзен алаңдары мұнайының парафині көп болғандықтан + 34⁰С жылылықта қоюланып, жылжып ақпайтын жағдайға келеді т.б.

Мұнай кейбір органикалық  – бензин, хлопофарм, эфир сияқты ерітінділерде  тез ериді. Сонымен бірге ол йод , күкірт, каучук, шайыр, өсімдік майлары ерітетін еріткіш ретінде пайдаланылады. Бірақ мұнай суда ерімейді. Бұл қасиет жер қойнауынан қосымша мұнай өндіру жұмыстарында қабатқа су айдау процестерінде мол қолданылып, оның мұнай бергіштік коэффициентін өсіруде пайдасы мол.

 

Мұнайдың химиялық құрамын  зерттеудің негізгі қағидалары.

Мұнай және газдың физика – химиялық бөлу әдістері.

Көмірсутектерді бөлу әдістері деп – оның құрамындағы  белгілі бір химиялық топ көмірсутектерін, оның құрылымдық фракцияларының t_қайн., молекулалық массасы бойынша, сонымен қатар оның диспергирленген көмірсутектерін бөлуді атайды. Бұндай бөлу әдістерінің маңызы, мұнай мен газдың құрамындағы заттарын талдау жасауда, содан кейін өндірістік өңдеу технологиясына қажет емес заттардан арылу үшін қолданылады. Келесі сызба – нұсқада бір жүйеге келтірілген мұнай көмірсутектерін бөлу әдістері көрсетілген.

 

1. Мұнай – нағыз ерітінді ретінде.

 

 

 

 

Агрегаттық  күйі өзгерісімен.                Агрегаттық күйі өзгеруінсіз.

Айдау және ректификация, 

абсорбция, кристалдау, ком-

плекс түзу. Физикалық әдіс.  Химиялық әдіс.

Экстракция, мембра-  Хемосорбция, ион-

налық бөлу, термо-  дық алмасу.

диффузия, адсорбция,

хромотография

 

2. Мұнай дисперсті (коллоидты) ерітінді ретінде.
1. Газды сұйықтан бөлу.
2. Қатты зат бөлшектерін газ және сұйықтан бөлу.
3. Сұйықты газдан және сұйықтан бөлу.

 

Физикалық әдіс (немесе оларды физика – химиялық әдістер  деп те атайды.)- бұл көп компанентті  жүйені бір фазалы жүйеде концетрацияларының айырмашылығына негізделген бөлуді атайды.

Физикалық әдістерді  шартты түрде жай және күрделі  деп бөледі.

Жай физикалық  бөлу әдістері деп – шартты түрде  белгілі бір бір фазада орналасқан, бөлінетін көмірсутектердің концетрацияларының өзгеруі тек олардың жүйесіне Енергиясының әсер етуі арқылы жүзеге асатын бөлу әдісін атайды. Ал күрделі физикалық бөлу әдістері деп – фазалар құрамының айырмашылығын арттыратын қосымша белгілі агенттер (селективті еріткіш, адсорбенттер және т.б.) қатысында жүзеге асатын әдістерді атайды. Физика – химиялық әдістерге әртүрлі хроматографиялық бөлу әдістерін қазіргі кезде енгізіледі.

 

 

 

 

№	Фазалық күй	Жай әдістер	Күрделі әдістер
1	Газ – газ	Мембрана  арқылы диффузия	Газ тасымалдағыш диффузия
2	Газ – сұйық	Айдау және ректификация	Су буымен айдау, абсорбция, азеотропты ректификация, экстрактивті ректификация, адсорбция.
3	Газ - қатты	Возгонкалау	Экстракция
4	Сұйық - сұйық	Мембраналы  диффузия, термодиффузия	Адсорбция, экстракция
5	Сұйық - қатты	Кристалдау	Адсорбция, экстракция, кристаллизация, аддуктивті кристаллизация.

 

Мұнайдың  құрамын зерттеу жұмыстарының 50 жылдық тәжірибе нәтижесінде, арнайы әдістеме шығарылды. Бастапқыда мұнайды еріген газдардың құрамын және мөлшерін (С₄-ке дейін газдар) анықтайды. Содан кейін олардың сусыздандыру мен тұзсыздандырады, негізгі константыларын ρ, t_қат., Мr, әртүллі температурадағы ŋ, Р_{қан. бу}, парафиннің мөлшері, шайыр – асфальтендердің элементтік құрамын анықтайды. Содан соң бензин, керосин, газойль және май фракцияларын алу мақсатында мұнайды айдау жүргізіледі

Айдау басталған  кезде атм. Кысымда 200⁰С-қа дейін, ал содан кейі вакуумда, айдау температураны төмендету үшін және мұнай әртүрлі көмірсутектерінің жылу әсерінен химиялық әрекеттеспес үшін өткізіледі. Қалдық жеке талданады

Әр алынған  фракция жеке талданады.Мыалы: бензин фракциясының көмірсутектері ароматтық және нафтен- алканда болып силикагельдерде (сұйық адсорбенттер) адсорбцияланады. Ароматтық көмірсутектер адсорбент бетін жақсырақ адсорбциялайды, нафтендермен салыстырғанда. Арнайы еріткіштермен араласқан көмірсутектер нафтен көмірсутектерден сандық шамада бөліп алады. Осы тектес басқа фракцияларда өз ерекшелігіне және компанент құрамына қарай бөлу процесстері жүргізіледі.

Нәтижесінде алынатын ароматтық және нафтен бөлігі арнайы ректификациялық колоналарда  терең айырылады. Айдау процессінің нәтижелерінен t_қайн.-лары мен дистилят көлеміне қатынасты графигін сызады.

 

Көмірсутек  қоспасын талдаудың және бөлудің  хроматографиялық әдістері

Сұйықтық  адсорбциялық хроматография

Хроматографияның теориялық  негіздері. Жалпы түсінік

 

Хроматографиялық әдістің негізін салушы орыс ботанигі М. С. Цвет (1872–1919). Ол 1903 жылы күрделі зат қоспасын бөліп алудың хроматография (гректің «хроматос» – түс деген сөзі) деп аталатын жаңа әдісін ұсынды. Бұл әдәспен хлорофилл өсімдігінің, біртекті деп есептеліп келген жасыл пигментін бірнеше түстегі өнімдерге жіктеді. Ол үшін жасыл жапырақты езіп, органикалық еріткішпен шаймалап алынған затты диаметрі 10–60 мм, ішіне бор ұнтағы толтырылған тік шыны түтікшеге құяды. Мұндай шыны түтіктерді хроматографиялық бағана деп атайды. Түтіктің төменгі ұшында шүмек бар. Бағанадағы шайма үстінде петролейн эфирін (бензиннің жеңіл ұшатын таза түрін) қосқанда, шаймаланған зат құрамындағы әрбір жеке қосылыс  бор ұнтағында әртүрлі жылдамдықпен төмен қарай жылжиды. Олар бағана бойымен әр түрлі сақиналы буындарға бөлінеді. Шүмекті әлсін – әлі ашу арқылы оларды жеке – жеке бөліп алады. Бұл хроматографиядағы әрі негізгі, әрі бірінші зерттеу болды. Ол хроматография түрлерін біртұтас теориямен байланыстырады. Зат - сорбент - еріткіш жүйесіндегі бөлудің күрделі сипатын ашып берді. Әйтсе де бұл әдіс органикалық, әсірісі, табиғи органикалық қосылыстарды зерттеуге ғана пайдаланып, өзге салада еркін енбей келеді.