هيدروكربن های سبک و سنگین

معرفی هیدروکربن‌ها‌

هیدروکربن یک ترکیب آلی متشکل از هیدروژن و کربن است. هیدروکربن‌ها به دو دسته اصلی سیرشده و سیرنشده تقسیم می‌شوند. از طرفی تقسیم‌بندی آن‌ها به دو گروه آلیفاتیک (آلکان‌ها، آلکن‌ها و آلکین‌ها) و آروماتیک نیز در میان شیمیدانان رایج است. هیدروکربن‌های سبک و سنگین صرفاً یک نام تجاری بوده که می‌تواند حاصل از بلندینگ، برش‌­گیری و یا شیرین‌سازی باشد.

منشأ اصلی هیدروکربن‌های سنگین و سبک، نفت خام است. ترکیبات نفت خام شامل ترکیبات هیدروکربنی مختلف با خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوت هستند. نفت خام با توجه به منطقه استخراج دارای ترکیبات متفاوتی است. اگرچه مقادیر خاص هیدروکربن‌های نفت خام متفاوت است اما نوع هیدروکربن‌های مختلف تشکیل دهنده‌ی آن ثابت است.

به طور کلی نفت خام از نظر وزنی حاوی حدود ۸۵% کربن است و بقیه‌ی آن معمولا از هیدروژن تشکیل شده است. در نفت خام مقادیر قابل توجهی گوگرد، اکسیژن و ازت و مقادیر بسیار كمترى فلزات غیر معمول مانند وانادیوم و نیكل نیز وجود دارد. معمولا اتم‌های گوگرد، نیتروژن و اکسیژن در هیدروکربن‌ها به شکل جایگزین کربن می‌باشند. وجود میزان بیشتری از گوگرد در ترکیبات هیدروکربنی، سبب خوردگی و تغییرات فیزیکی بیشتری می‌شود. ترکیبات سنگین‌تر و در نتیجه پالایش نفت سخت‌تر می‌شود. هر چه عناصر جایگزین در هیدروکربن‌ها کمتر باشد، نفت خام سبک‌تر و خالص‌تر است.

روش‌های تولید هیدروکربن‌ها

· تولید هیدروکربن از نفت خام

· استحصال از طریق معادن زغال سنگ

· تولید ترکیبات هیدروکربنی سبک و سنگین بر اساس مواد اولیه تولیدی از منابع اصلی

ویژگی‌های ساختاری محصولات هیدروکربنی

· غیرقطبی

· قابلیت اشتعال

· محلول در حلال‌های غیرقطبی و نامحلول در آب

· بازه‌ی فراریت کم (هیدروکربن‌های سنگین) تا فراریت زیاد (هیدروکربن‌های سبک)

هیدروکربن‌های سبک

هیدروکربن‌های سبک موادی با دانسیته زیر 8/0 گرم بر سانتی‌مترمکعب در بازه‌ی دماییC۲۷۰°-۴۰ هستند که بیشتر به عنوان حلال و رقیق‌کننده‌ مورد استفاده قرار می‌گیرند. هیدروکربن‌های سبک شامل زنجیره­‌های ۵ تا ۱۲ کربنه‌ی هیدروکربن‌های نفتی می‌باشند و معمولا برای تولید ترکیبات آروماتیک و بنزین با اکتان بالا از طریق فرآیند اصلاح کاتالیستی در صنایع پتروشیمی استفاده می‌شوند. این هیدروکربن‌ها می‌­توانند به عنوان یک ماده‌ی اصلی در صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی برای تولید الفین‌ها در واحد کراکینگ با بخار آب و همچنین به عنوان حلال به کار برده شوند. در تولید فرآورده‌های مختلف پتروشیمی از جمله حلال‌ها و رقیق‌کننده‌ها نیز به عنوان خوراک استفاده می‌شوند. کاربردهای متنوع دیگر این هیدروکربن‌ها شامل مواد اولیه انواع پلاستیک، الیاف مصنوعی و الکل‌های صنعتی، تولید جلادهنده‌ها و لاک‌ها، سوخت گرمایشی و پخت و پز (مشابه گاز مایع و نفت سفید) و بخش عمده تینرهای رنگرزی می‌باشد. علاوه بر این با استفاده از فرآیندهای کاتالیستی می‌توان آن‌­ها را به بنزین‌های اکتان بالا و سوخت‌های نفتی دیگر نیز تبدیل کرد.

نوع دیگری از هیدروکربن‌های سبک مخلوطی از هیدروکربن‌های ۹ الی ۱۲ کربنه‌ی پارافینی و آروماتیکی با دامنه تقطیر C۲۰۰°-۱۴۲ است. این ترکیبات به عنوان حلال یا به طور کلی به عنوان تینر رنگ مورد استفاده قرار می‌گیرند .این حلال‌ها مایعاتی شفاف به رنگ آب و دارای بوی ملایم و از لحاظ شیمیایی پایدار هستند و خوردگی ایجاد نمی‌کنند. از این هیدروکربن‌ها به عنوان یک حلال استخراج، حلال تمیز کننده، حلال چربی‌گیر از سطوح فلزات و حلال آئروسل‌ها، حلال خشک‌کن رنگ‌ها، حلال در چاپ پارچه، حلال واکس‌های مخصوص اثاثیه منزل، مبلمان، کف پوش‌ها، حلال لاک‌ها و محصولات آسفالت، واکس کفش و حلال خشک‌شویی استفاده می‌شود. اصلی‌ترین کاربرد هیدروکربن‌های سبک 9-12 کربنه در رنگ‌ها و لاک‌ها است و از رایج‌ترین حلال‌ها در صنعت رنگ و به عنوان حلال در تینرهای رنگ، لاک و الکل می‌باشد. همچنین، در دستگاه برشکاری الماس نیز نقش دارد و به همین دلیل به DIAMOND TURNING معروف است.

اغلب روش‌های تولید هیدرکربن‌های سبک از ترکیبات نفتی سنگین مبتنی بر روش‌های شیمیایی همراه با استفاده از کاتالیست هاو دماهای بالا است که سبب شده است که در بیشتر موارد قیمت تمام شده تولید فرآورده‌های سبک‌تر افزایش یابد. از این رو توسعه روش‌های جایگزین که بتواند مصرف انرژی در این فرآیندها را کاهش دهد، می تواند زمینه ساز توسعه فرآیندهای تولید ترکیبات نفتی سبک‌تر از ترکیبات سنگین نفتی شود که از نظر اقتصادی دارای ارزش بالاتری است.

هیدروکربن‌های سنگین

هیدروکربن‌‌های سنگین ترکیباتی با دانسیته‌ی بالای 81/0 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشند که در بیشتر موارد به عنوان سوخت کشتی، شستشوی مخازن، مصارف صنعتی و خانگی کاربرد دارند. نقطه اشتعال این هیدروکربن‌ها حداقل C°40 است و در گروه ترکیبات صنعتی سنگین دسته‌بندی می‌شوند. طول زنجیره‌ی هیدروکربن‌های سنگین تولیدی بسته به نوع کاربردشان به طور کلی از C₁₂به بالاست. بازه‌ی دمایی تقطیر این هیدروکربن‌هاC ° 385-150می‌باشد. این ترکیبات از سوخت‌های میان تقطیری پالایشگاه‌های نفتی بدست می‌آیند که ترکیبی ناهمگن از ترکیبات عمده شامل آلکیل‌، رزین‌ و آسفالتین‌ است که بسته به منشأ می‌تواند بخش قابل توجهی از نفت خام را تشکیل دهد و در موتورهای درون‌سوز دیزلی، سوخت‌های سنگین، مشعل‌های خانگی و صنعتی و روغن‌های روان‌کننده کاربرد دارد.

با توجه به این‌که هیدروکربن‌های سنگین از برش‌های سنگین‌تر از نفت و گاز تشکیل می‌شود گرانروی آن‌ها بر حسب نوع کاربردشان با استفاده از برش‌ها و ترکیبات نفتی تنظیم می‌شود. این هیدروکربن‌ها عمدتا شامل نفت و سایر روغن‌ها می باشند و با اسامی مانند گازوئیل یا سوخت دیزل هم شناخته می شود.

هیدروکربن‌های سنگین در محیط زیست پایدار هستند بنابراین ممکن است به سلامتی انسان، محیط زیست و ذخایر آب آسیب وارد نماید. انتظار می‌رود تقاضای هیدروکربن‌های سنگین در آینده افزایش یابد زیرا به واسطه رشد تقاضای انرژی در سراسر جهان، ذخایر سنگین نفت به طور فزاینده‌ای در حال بهره‌برداری است.

معرفی ترکیبات اصلی سازنده‌ی نفت خام

ترکیبات نفت خام بسیار زیادند و فرمول‌های شیمیایی متعددی دارند که در علوم مهندسی برای سادگی کار آنها را به صورت گروهی دسته‌بندی می‌ کنند. به عنوان مثال ترکیبات حاوی ۱ اتم کربن را با C₁C₁ نشان می ‌دهند و به همین ترتیب تا C₇C₇ پیش‌ رفته و در نهایت ترکیبات حاوی بیش از ۷ اتم کربن را به صورت C₇₊C₇₊ نشان می ‌دهند تا بررسی آنها ساده‌تر شود. ترکیبات اصلی سازنده‌ی نفت خام در زیر بررسی شده‌اند.

١- پارافین‌ها (آلكان ها)

این ترکیبات در شیمی آلی با فرمول عمومی C_nH_2n+2 نشان داده می شوند و به دو گروه نرمال و ایزو دسته‌بندی می ‌شوند. هیدروکربن‌‌های اشباع شده با زنجیره خطی را پارافین‌‌های نرمال و هیدروکربن‌‌های شاخه ‌دار را ایزو پارافین‌‌ها می‌گویند. این دو ترکیب تنها از نظر شکل با یکدیگر متفاوت هستند ولی داراى تركیب یكسانى هستند و این مسئله خواص آنها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در نفت خام انواع نرمال پارافین‌ها از نوع شاخه‌دار معمول‌تر مى باشد. با وجود این‌که این دو ترکیب از نظر شیمیایى كاملا یكسان هستند ولى شكل ساختمانى آن‌ها بر روی خواص فیزیكی آن‌ها تأثیر مى‌گذارد. براى مثال، پارافین‌هاى نرمال با زنجیره‌ى مستقیم، نقطه جوش بالاترى نسبت به ایزوپارافین‌هاى شاخه‌دار معادل خود دارند.

پارافین‌ها مواد اصلی تشكیل دهنده‌ى هیدروكربن‌هاى گازى هستند. آنها همچنین در نفت سفید و گازولین كه بیش از % ٣ نفت خام را تشكیل مى‌دهند، فراوانند.

ساده‌ترین مولكول گروه پارافین‌ها، آلكان‌ها هستند که هیدروکربن‌هایی اشباع شده با پیوند ساده و ساختار مولکولی خطی هستند که مى‌توانند شاخه‌ى جانبى داشته یا بدون شاخه باشند. پارافین‌هاى سبك مختص گازهاى طبیعى هستند و انواع سنگین‌تر در نفت خام یافت مى‌شود. ساده‌ترین آن‌ها متان (CH4) می‌باشد.

به طور معمول ٥ اتم كربن حالت گازی و ١٠ تا ١٥ اتم کربن حالت مایع دارند. متان، اتان، پروپان و بوتان که اعضای اولیه این گروه هستند به شکل گاز و باقی ترکیبات از پنتان تا هپتان مایع هستند.

٢- نفتن‌ها(سیكلوآلكان‌یاسیكلوپارافین)
دومین گروه عمده‌ی هیدروکربن‌ها در ترکیبات نفت خام، نفتن‌ها با فرمول مولکولی C_nH_2n که دارای یک یا چند حلقه سیرشده از اتم‌های کربن می‌باشند. این ترکیبات بخش مهمی از محصولات پالایشی نفت خام هستند و به روش ساده‌‌تری به گازوئیل تبدیل می‌‌شوند. ساده‌ترین هیدروكربن‌هاى حلقوى و دارای پیوند ساده و اشباع می‌باشند که مى توانند شاخه‌ى جانبى نیز داشته باشند. میزان نفتن‌ها در گازها كمتر و در نفت‌ خام بیشتر است. نفت خام داراى تركیب خالص‌تر دارای میزان بیشتری از نفتن‌ها است.

نفتن‌ها حداقل ٣ تا بیش از ٣٠ اتم كربن را در حلقه‌های خود قرار داده‌اند. سیكلوپنتان با یك حلقه پنج كربنى و سیكلوهگزان با یك حلقه شش كربنى از جمله نفتن‌هاى متداول در انواع نفت خام هستند. در انواع نفت‌ خام مقادیر مشابهى از نفتن‌ها و پارافین‌ها موجود می‌باشد. در مجموع هیدروكربن‌هاى اشباع شده حدود %‌٦٠ اغلب انواع نفت‌ خام را تشكیل مى‌دهند.

٣- هیدروكربن‌هاى آروماتیك (معطر)

این ترکیبات تقریبا در تمامی انواع نفت خام وجود دارند و شامل هیدروکربن‌‌هایی حلقوی و بر خلاف نفتن‌ها و پارافین‌ها غیراشباع با پیوند دوگانه کربن- کربن به صورت تناوبی هستند. ساختمان آن‌ها بر پایه‌ى یك حلقه شش كربنى است كه بر اساس ساده‌ترین عضو این خانواده یعنى بنزن، حلقه بنزنى نامگذاری مى‌شود. در بنزن تنها اتم اتصال یافته به حلقه كربن، هیدروژن است. گروه عمده آروماتیك‌ها از جایگزینی مولكول‌هاى پارافینى به جاى هیدروژن در حلقه‌ى بنزنى بدست مى‌آیند. این گروه شامل تولوئن، اتیل بنزن، نفتالین و آنتراسن مى باشند. هیدروكربن‌هاى آروماتیك در فشار و حرارت عادى مایع هستند. این هیدروکربن‌ها در نفت سبك به مقدار كمترى وجود دارند ولى در نفت‌هاى سنگین فراوانند. تولوئن معمولى‌ترین آروماتیك‌ها در نفت خام مى‌باشد. دیگر آروماتیك‌هاى مهم زایلین و بنزن مى باشند. بنزن، تولوئن و زایلین از ترکیبات آروماتیک‌های مایع هستند اما با افزایش تعداد کربن این ترکیبات مانند نفتالین به جامد تبدیل می شوند.

ترکیبات پلی ‌آروماتیک‌ با وزن مولکولی بالا که در نفت خام وجود دارند شامل هترواتم‌‌هایی مانند گوگرد، نیتروژن و اکسیژن هستند.

اولفین‌ها با فرمول مولکولی C_nH_2n در حین پالایش نفت خام تولید می‌شوند. این ترکیبات با دارا بودن یک پیوند دوگانه بسیار واکنش ‌پذیر به راحتی دچار اکسیداسیون و پلیمریزاسیون می ‌شوند.

4- هیدروكربن‌هاى آسفالتیک

چهارمین گروه مهم تركیبات نفت خام، رزین‌ها و آسفالتین‌ها مى‌باشند. رزین‌ها و آسفالتین‌ها تركیبات پیچیده‌اى شامل تركیبى از مولكول‌هاى حلقوى آروماتیك به تعداد زیاد، همراه با عناصر گوگرد، نیتروژن و اکسیژن هستند كه در مجموع بسیار سنگین بوده و غیراشباع هستند و فرمول عمومى مشخصى ندارند. این هیدروکربن‌ها اغلب در انواع نفت‌ خام سنگین غلیظ و با كیفیت کم یا در انواع نفت‌ جامد (آسفالت طبیعى) یافت مى‌شوند. این هیدروكربن‌هاى ناخالص، اغلب به تركیبات NSO معروفند زیرا حاوى اتم‌هاى گوگرد، نیتروژن و اکسیژن مى‌باشند كه بعضى از آنها جانشین كربن حلقه آروماتیك‌ها مى شوند. تركیبات NSO با دارا بودن بالاترین وزن مولكولى، از سنگین‌ترین اجزاى تشكیل دهنده‌ى انواع نفت‌ خام مى‌باشند. در بیشتر موارد رزین و آسفالتین در انواع نفت خام‌ آروماتیك سنگین یافت مى شوند.

ارزش اقتصادی کمتر هیدروکربن های سنگین نسبت به سبک

با توجه به این مسئله که قسمت عمده‌ای از نفت استخراجی از چاه‌های نفت ایران از نوع سنگین بوده و ارزش اقتصادی پایین آن تبدیل ترکیبات هیدروکربنی سنگین به نوع سبک‌ دارای اهمیت می‌باشد. این ترکیبات دارای مشکلاتی در حوزه‌ی حمل و نقل ( به دلایل گرانروی بالا، چگالی زیاد، ….) و ارزش اقتصادی پایین هستند که علت آن سختی فرآوری و استفاده از آن‌ها در فرآیندهای تولید انرژی است. این محصولات که بیشتر در مواردی مانند تولید قیر و واکس استفاده می‌شوند در صورت فرآوری و شکستن زنجیره‌های هیدروکربنی بزرگ می‌توانند به محصولات سبک‌تر با ارزش بالاتری تبدیل شوند.

از این رو توسعه روش های جایگزین که بتواند مصرف انرژی در این فرآیندها را کاهش دهد، می تواند زمینه ساز توسعه فرآیندهای تولید ترکیبات نفتی سبک تر از ترکیبات سنگین نفتی شود که از نظر اقتصادی دارای ارزش بالاتری است.