Мұнайды айдау
Мұнай және мұнай өнімдері
Мұнай — жанғыш, қара-қоңыр түсті, өзіне тән иісі бар, май тәрізді сұйықтық. Ол судан жеңіл және суда ерімейді. Тәжірибеде мұнайдың негізінен көмірсутектер қоспасы екеніне көз жеткізуге болады: мұнайды қыздырғанда ол жеке заттар сияқты белгілі бір нақты температурада емес, қайнау температураларының кең аралығында айдалады. Жайлап қыздырғанда алдымен молекулалық массасы кіші, кейін жоғары температурада молекулалық массасы үлкен құрамдастар айдала бастайды.
Мұнайдың құрамы
Негізгі көмірсутектер
- алқандар (көбіне қалыпты құрылысты);
- циклоалқандар;
- аромат қосылыстар.
Құрамы неге әртүрлі?
Мұнайлардың құрамы бірдей емес: көмірсутектердің үлесі кен орнына қарай өзгереді. Мысалы, Маңғыстау мұнайы алқандарға, ал Баку аймағындағы мұнай циклоалқандарға бай.
Қосымша қоспалар
Көмірсутектерден басқа мұнайда аз мөлшерде оттек, азот, күкірт және басқа элементтері бар органикалық қосылыстар болады. Сондай-ақ шайыр (смола) мен асфальт заттары түрінде жоғары молекулалық қосылыстар кездеседі. Жалпы алғанда мұнай құрамында жүздеген түрлі қосылыс болады.
Мұнай өнімдері және фракциялар
Зауыттарда мұнайды айдау арқылы жеке фракцияларға бөледі. Фракциялар қайнау температураларының аралығына және көмірсутектердің көміртек атомдары санына (Cn) байланысты сипатталады.
| Фракция | Қайнау аралығы | Көмірсутектер құрамы |
|---|---|---|
| Бензин | 40–200°C | C5–C11 |
| Лигроин | 150–250°C | C8–C14 |
| Керосин | 180–300°C | C8–C14 |
| Газойль | Бұлардан кейін алынады | Ауырлау фракциялар |
Бұл фракциялар ашық түсті мұнай өнімдері деп аталады. Ашық өнімдерді айдағаннан кейін қара түсті, тұтқыр мазут қалады.
Қолданылуы
Жанармай ретінде
- Бензин — поршенді двигательдері бар автомобильдер мен ұшақтарға.
- Лигроин — тракторларға жанармай.
- Керосин — трактор, реактивті ұшақтар және зымырандарға.
- Газойль — дизель жанармайы.
Өнеркәсіптік және тұрмыстық мақсаттар
- Бензин — еріткіш (май, каучук), матаны тазартуда қолданылады.
- Мазут — қазан қондырғыларында сұйық отын ретінде пайдаланылады.
- Мазутты қосымша айдау арқылы жағар майлар алынады.
- Кейбір мұнай іріктемелерінен қатты көмірсутектер қоспасы — парафин алынады.
- Қатты және сұйық көмірсутектерді араластырып вазелин өндіреді.
Мазутты химиялық әдіспен өңдеу арқылы бензинге айналдыруға болады. Бұл бағыт мұнай өңдеудің маңызды бөлігіне жатады.
Бензиннің детонацияға төзімділігі (октан саны)
Бензиннің аса маңызды қасиеттерінің бірі — детонацияға төзімділігі. Детонацияны түсіну үшін іштен жанатын двигательдің жұмысын еске түсірейік: цилиндрге бензин буы мен ауа қоспасы сорылады, қоспа поршеньмен сығылып, электр ұшқыны арқылы тұтанады. Жану кезінде газ көлемі ұлғайып, жұмыс атқарады.
Қоспа неғұрлым қатты сығылса, двигательдің қуаты артады және жанармай аз жұмсалады. Бірақ бензиннің барлық түрі қатты сығылуға бірдей төзбейді: кейбір көмірсутектер сығылған кезде ерте тұтанып, қопарылыс тәрізді өте жылдам жанады. Қопарылыс толқыны поршеньге соғылып, цилиндрде дүрсіл пайда болады, бөлшектер тез тозады, ал қуат кемиді. Осындай қопарылыс тәрізді жану детонация деп аталады.
Қандай көмірсутектер төзімсіз?
Қалыпты құрылысты (тармақталмаған) алкандар детонацияға өте төзімсіз келеді.
Қандайлары төзімді?
Тармақталған көмірсутектер, сондай-ақ қанықпаған және аромат көмірсутектер детонацияға төзімді. Олар қоспаның қатты сығылуына мүмкіндік береді, соның арқасында қуатты двигательдер жасауға болады.
Октан шкаласы
Детонацияға төзімділікті бағалау үшін октан шкаласы енгізілген. Изооктанның (2,2,4-триметилпентан) октан саны 100 деп, ал детонацияға өте бейім н-гептанның октан саны 0 деп қабылданады.
Гептан мен изооктан қоспасының октан саны қоспадағы изооктанның пайыздық мөлшеріне тең болады. Сондықтан, мысалы, октан саны 76 бензин цилиндрде 76% изооктан және 24% гептан қоспасындай детонациясыз қысымға төтеп бере алады.
Мұнайдан тікелей бөлініп алынатын бензин тармақталмаған алкандарға бай болса, оның октан саны салыстырмалы түрде төмен болады. Арнайы өңдеу әдістері арқылы октан саны жоғары бензин алынады.
Іс жүзінде бұрын этилденген бензин жиі қолданылды: октан санын арттыру үшін антидетонатор ретінде тетраэтилқорғасын Pb(C2H5)4 қосылатын. Қорғасынның двигательге зиянын азайту мақсатында аз мөлшерде дибромэтан (немесе бромэтан) қосылып, жану өнімдері қорғасын бромиді түрінде сыртқа шығарылатын. Алайда мұндай қоспалар қоршаған ортаны ластайтындықтан, ірі қалаларда этилденген бензинді пайдалануға тыйым салынды.
Мұнайды өнеркәсіптік өңдеу
Халық шаруашылығына қажетті мұнай өнімдерін алу үшін табиғи мұнай алдымен дайындалады. Оның құрамында су, минералды тұздар және әртүрлі механикалық қоспалар болады. Сондықтан ең әуелі мұнайды сусыздандырады, тұзсыздандырады және қоспалардан тазартады.
Мұнайды айдау (ректификация)
Зертханадағыдай әр фракцияны кезекпен айдап алу өнеркәсіп үшін тиімсіз: өнімділігі төмен және фракцияларға дәл бөлуді қамтамасыз етпейді. Сондықтан өндірісте үздіксіз жұмыс істейтін қондырғылар қолданылады.
Қондырғы негізгі екі бөліктен тұрады: мұнайды қыздыратын пеш және ректификациялық колонна. Пештегі ұзын ирек құбыр арқылы мұнай үздіксіз өтіп, шамамен 320–350°C-қа дейін қыздырылады да, сұйықтық пен бу қоспасы ретінде колоннаға түседі.
Колоннаның құрылымы
Ректификациялық колонна — биіктігі шамамен 40 м болат цилиндрлі аппарат. Оның ішінде тесіктері бар көлденең қалқандар — тәрелкелер орналасады. Мұнай булары жоғары көтеріліп, тәрелкелердегі тесіктер арқылы өтеді. Жоғарылаған сайын булар салқындап, біртіндеп сұйыққа айналады.
Фракциялардың бөліну логикасы
Ұшқыштығы төмен көмірсутектер төменгі бөлікте конденсацияланып газойль фракциясын түзеді; жоғарырақ — керосин, одан әрі — лигроин, ал ең ұшқыштары колоннадан бу күйінде шығып, конденсацияланғаннан кейін бензинге айналады. Жұмыс режимін тұрақтандыру үшін бензиннің бір бөлігі қайтадан колоннаға қайтарылады. Сұйық бөлік төмен ағып, мазут түзеді.
Мазутпен бірге қалып қоятын ұшқыш көмірсутектердің булануын жеңілдету үшін төмен түсіп жатқан мазутқа қарсы бағытта өте ыстық бу жіберіледі. Айдау нәтижесінде қалған мазут — жоғары молекулалық көмірсутектердің құнды қоспасы; ол жағар майлар алу мақсатымен қосымша өңделеді.
Мазутты фракцияларға бөлу үшін температураны қатты көтеру қажет сияқты көрінеді, бірақ мұндай қыздыруда көмірсутек молекулалары ыдырап кетеді. Сондықтан мазутты төмен қысымда (вакуумда) айдайды: бұл жағдайда көмірсутектер төменірек температурада-ақ буға айналып, фракцияларға бөлінеді. Айдалмайтын бөлік гудрон деп аталады және құрылыста қолданылады.
Әдетте мұнай мен мазутты айдайтын бөлік бір қондырғыда біріктіріліп, атмосфералық-вакуумдық қондырғы ретінде салынады: атмосфералық бөлігінде мұнай, вакуумдық бөлігінде мазут айдалады.
Мұнай өнімдерін крекингтеу
Айдау кезінде алынатын бензин мөлшері өсіп келе жатқан сұранысты әрдайым өтей бермейді. Сондықтан мұнай өңдеу өнеркәсібі бензин алудың қосымша көздерін табуға мәжбүр болды. Шешім көмірсутектердің маңызды қасиетіне негізделеді: ірі молекулалар жоғары температурада ұсақ молекулаларға ыдырай алады. Бұл процесс крекинг деп аталады.
Тәжірибеде мұны қыздырылған темір түтік арқылы керосин немесе жағармайды тамшылатып өткізу арқылы байқауға болады: біраз уақыттан соң сұйық өнім мен газ түзіледі. Олар бром суын түссіздендіреді, яғни қанықпаған қосылыстардың түзілгенін көрсетеді.
Крекинг әдістері
- Термиялық крекинг: 470–550°C-та қыздыру.
- Катализдік крекинг: 450–500°C-та қыздыру және катализатормен (көбіне алюмосиликатпен) әсер ету.
Неге катализдік крекинг маңызды?
Катализдік крекинг кең таралған, өйткені төменірек температурада жоғары жылдамдықпен жүреді және сапалы бензин береді. Бұл жағдайда айрылу реакцияларымен қатар изомерлену де жүреді: қалыпты құрылысты көмірсутектер тармақталған түрлерге айналады, ал бұл бензиннің октан санын арттырады.
Катализдік крекингтің техникалық қиындығы — крекинг кезінде түзілетін ұшпайтын өнімдер катализаторды тез қаптап, оны кокстеп, бірнеше минуттың ішінде-ақ активтігін төмендетуі мүмкін. Сондықтан катализаторды үздіксіз қалпына келтіретін инженерлік шешімдер қажет болды.
Нәтижесінде катализатор айналымы принципімен жұмыс істейтін қондырғылар жасалды: катализатор реактордан үздіксіз регенераторға өтеді, онда коксы жанып, активтігі қалпына келеді де қайтадан реакторға қайтады. Процесті тиімді жүргізу үшін «қайнау қабаты» режимі іске асырылды: қыздырылған шикізат (мысалы, газойль) ұнтақ тәрізді катализатормен араласып, буланып реакторға түседі; үлкен реактор көлемінде ағыс баяулап, катализатор бөлшектері қайнап тұрған сұйықтықтай қабат түзеді.
Крекинг өнімдері реактордың жоғарғы бөлігінен алынып, тазартқыштан өтіп катализатор бөлшектерінен ажыратылады да, кейін ректификацияға жіберіледі. Ал кокспен қапталған катализатор ауа ағысымен регенераторға тасымалданып, қайта белсендірілгеннен кейін процестің басына оралады. Мұнайды осылай кешенді өңдеу қазіргі химиялық технологияның даму деңгейін айқын көрсетеді.