Дәріс. Мұнай құрамындағы қосылыстар.

Мұнай құрамындағы парафинді көмірсутектер (газ тәрізді,сұйық,қатты). Мұнайдың химиялық синтезде қолданылуы. Алкандар(C_nH_2n+2) – мұнай көмірсутектерінің негізгі құрам бөлігі. Физикалық қасиетіне байланысты оларды газтәрізді,сұйық және қатты деп бөледі.Газтәрізді алкандар- (C₁-C₄) мұнай пласттарында еріген күйде болады және жолай газ түрінде бөлінеді. С₁-С₂ жеңіл көмірсутектері табиғи газда кездесетін негізгі бөлігі.Газтәріздес алкандардың T_қайнау=162⁰С-тан 0⁰С-ге дейін болады.Газтәріздес алкандар сумен газды гидраттар (сулы клатрат)түзеді.Түзетін гидраттар табиғи газды тасымалдауда қиындайды. Оларды болдырмау үшін газды алдын-ала кептіріп, қыздырады, ингибитор (спирт) қосады.Өндірісте және тұрмыста қолданылады. Табиғи газ - сутек пен техникалық көміртек (сажа) алуда негізгі шикізат.С₃-С₄ көмірсутектері бағалы мұнайлы шикізат.Одан пластина,каучук,ароматты көмірсутектер,спирттер т.б алады.Сұйық алкандар – С₅-С₁₈ – бензино-керосинді фракция құрамына кіреді. Т_қайнау=36-320⁰С болады.Олар құрылымы бойынша: н-алкандар,изоалкандар болады.н-алкандар үшін Н:С қатынасы-18%,орташа тығыздығы төмен болады.Т_қайнау = -130^оС→+25^оС.Сондықтан сұйық мұнай фракциясынан төмен температурада кристалды түрінде тез шығады.200^оС-320^оС фракциясынан С₁₀-С₁₈ немесе 200-350⁰С фракциясынан С₁₀-С₂₀ алынады. н-алкандар техникалық және тұрмыстық еріткіш (С₅-С₈),ақуыз-витаминді концентрат өндірісінде шикізат (С₁₀-С₁₈),хлорпарфин өндірісінде шикізат (линолеум,пленка),сульфохлортуынды алуда шикізат (БАЗ,пластификатор) ретінде қолданылады.С₅-С₁₀ болса бензинде октан саны аз болады,яғни детонацияға тұрақтылығы төмен. С₈-С₁₃ детонацияға тұрақтылығы төмен болғандықтан авиациялық керосинде болмау керек.Изоалкандар – мұнай фракциясының негізгі бөлігі.Ол Н:С қатынасы жоғары, төмен қату температурасымен,жоғары детонацияға тұрақтылығымен,тез тұтанғыштығымен ерекшеленеді.Оларды бөлу үшін:ректификация, экстракция,хроматография әдістері қолданылады.

Қатты алкандар – 300⁰С жоғары температурада қайнайтын фракцияда кездеседі.Оларға құрамында көміртек саны С₁₆-дан жоғары көмірсутек жатады.Гексадеканның С₁₆Н₃₄ балқутемпературасы -18^оС,ал гептадеканның қайнаутемпературасы-303⁰С,балқу температурасы – 21^оС.Жалпы формулалары С_nH_2n+2 мен сипатталатын көмірсутектердің молекулалық массалары артқан сайын балқу және қайнау температуралары біркелкі артады.Қатты парафиндер барлық мұнайда, тіпті көбінесе көп мөлшерде дерлік болады,ондағаг үлеспен 5%- ға дейін.Парафинді мұнайда олардың мөлшері 10-20% -ға дейін артады.Қазақстанның мұнайы құрамында қатты парафиндердің 15-20% болуымен сипатталады,бұл негізінде Өзексуат, Жетібай және Өзен мұнайлары.Маңғыстау түбегіндегі мұнайда қатты алкандардың мөлшері 26-30% -ға дейін жетеді.Қатты алкандар тез қатады.Олар арқылы мұнайдың қату температурасын анықтайды. Синтетикалық май мен қышқыл алуда шикізат (жуғыш заттар,хлорпарафин,олефин),мастик жасауда ,консистентті смазка,парфюмерия,свеча жасауда қолданылады.

Мұнай құрамындағы газ тәрізді алкандардың жалпы мөлшері және химиялық құрамы.Газ тәрізді алкандар – С₁-С₄ алкандары:метан,этан,пропан,бутан және изобутан,сонымен қатар 2,2-диметилпропан.бұлар қалыпты жағдайда газ тәрізді болып келеді.Олардың барлығы табиғи,газ-конденсат,мұнай жолай газдарының құрамында кездеседі.Табиғи газдың құрамында:метан-93-99%,этан – 0,1-8%, пропан – 0,1-3%,СО₂,азот,инертті газдар кездеседі.Мұнайды эксплатациялау процесі кезінде жолай газдардың құрамының өзгеруі газ тәрізді алкандардың физикалық қасиеттеріне байланысты.Мұнайда метан тек газ түрінде,ал оның гомологтары ерітінді түрінде болады.Кен орнында газдың қысымы жоғары болғанда іс жүзінде метаннан тұрады,қысым төмендей бастағанда газдағы метан гомологтары көбейеді.Сондықтанда мұнайды көкжиекті-қабатты эксплатациялаудың аяғында мұнайдан белгілі мөлшерде сұйық көмірсутектерден құралған газдық бензин бөлінеді.Газдық бензиннің мөлшеріне байланысты газдар:құрғақ және майлы болып бөлінеді.Құрғақ газда газдық бензиннің мөлшері 100г/м³ , егер бұл шамадан жоғары болса,майлы газ деп есептеледі.Газ тәрізді алкандар – С₁-С₄ алкандары:метан,этан,пропан,бутан және изобутан,сонымен қатар 2,2-диметилпропан.Бұлар қалыпты жағдайда газ тәрізді болып келеді.Олардың барлығы табиғи,газ-конденсат,мұнай жолай газдарының құрамында кездеседі.Табиғи газдың құрамында:метан-93-99%,этан – 0,1-8%, пропан – 0,1-3%,СО₂,азот,инертті газдар кездеседі.Метанның көбірек болуынан және С₄-С₅ көмірсутектерінің біраз мөлшерінің әсерінен көптеген табиғи газдарды құрғақ газдарға жатқызады.Газконденсатты кен орындарындағы газдар метан гомологтарының мөлшерінің (пропаннан бастап) дереу артуымен ерекшеленеді.Сонымен қатар сұйық көмірсутектердің (қосындысы 50% -ға дейін) біраз мөлшері де болады.Сондықтан да оларды майлы газдар деп атайды.Осы газдардан ең жеңіл газ бензинін алады.

Мұнайдың оттекті қосылыстары. Мөлшері, құрамы, қасиеті.Оттекті қосылыстардың мұнай құрамындағы үлес салмағы көп жағдайда 10%-тен аспайды.Олар қышқылдар,эфирлер,фенолдар және т.б түрінде кездеседі.Мұнай фракцияларындағы оттектің үлес салмағы оның қайнау температурасы артқан сайын өсе түседі. Мұнай құрамындағы оттектің 90-95% мөлшері асфальтендер мен шайырлардың үлесіне тиеді. Мұнай қышқылдары мен фенолдар қышқылдық қасиет көрсетеді. Олар сілтілермен алынуы мүмкін.Қышқылдық қасиет көрсететін заттардың болуы мұнай орындарының жасы мен тереңдігіне байланысты азаяды. Мұнай қышқылдары мұнайдың 250⁰С-тан жоғары қайнайтын орташа фракцияларында болады. Бензин құрамында тек алифатты қышқылдар болады. Химиялық және физикалық қасиеттері бойынша бұл қышқылдардың нафтен қышқылдарынан аз айырмашылығы бар. Нафтен қышқылдары циклопентан немесе циклогексан туындылары болуы мүмкін. Мұнайдың оттекті қосылыстарының ішінде өндірістік маңыздысы – нафтенаттар.

Жуғыш және тазартқыш заттар ретінде, лак-бояу өндірісінде қолданылады.Оттекті қосылыстардың мұнай құрамындағы үлес салмағы көп жағдайда 10%-тен аспайды. Олар қышқылдар,эфирлер, фенолдар және т.б түрінде кездеседі. Мұнай фракцияларындағы оттектің үлес салмағы оның қайнау температурасы артқан сайын өсе түседі. Мұнай құрамындағы оттектің 90-95% мөлшері асфальтендер мен шайырлардың үлесіне тиеді. Мұнай қышқылдары мен фенолдар қышқылдық қасиет көрсетеді. Олар сілтілермен алынуы мүмкін. Қышқылдық қасиет көрсететін заттардың болуы мұнай орындарының жасы мен тереңдігіне байланысты азаяды. Мұнай қышқылдары мұнайдың 250^оС-тан жоғары қайнайтын орташа фракцияларында болады. Бензин құрамында тек алифатты қышқылдар болады. Химиялық және физикалық қасиеттері бойынша бұл қышқылдардың нафтен қышқылдарынан аз айырмашылығы бар. Нафтен қышқылдары циклопентан немесе циклогексан туындылары болуы мүмкін. Мұнайдың оттекті қосылыстарының ішінде өндірістік маңыздысы – нафтенаттар. Нафтен қышқылдары қаныққан, олардың көбі бес мүшелі нафтен сақинасынан тұрады. Олар карбон қышқылына тән қасиеттердің бәрін көрсетеді. Әсіресе олардың сілтілермен, сілтілік металдар карбонаттарымен немесе металл оксидтерімен өңдегенде көмірсутектерде ерімейтін тұз түзу қабілеті өндірісте мұнай фракциясы мен шикі мұнайды нафтен қышқылдарынан тазалау үшін қолданылады. Мұнай өнімдерінің құрамында нафтен қышқылдарының қоспасының болуы металдардың жемірілуге ұшырауына әкеледі. Нафтен қышқылының натрий және калий тұздары эмульсиялық май алуда эмульгатор, мұнайды сусыздандыруда деэмульгатор болып табылады. Кальций және алюминий нафтенаттары қою жағар заттар алуда қоюландырғыш қызметін атқарады, кальций мен мырыш тұздары мотор майларын шашыратушы қондырма болып табылады.

Мұнайдың минералды компоненттері. Мөлшері, құрамы, қасиеті.Минералды қосылыстар мұнайлар құрамында металдар, қышқылдар тұздары, металдардың комплексті қосылыстары түрінде, сонымен бірге минералды қосылыстардың коллоидтық ерітінділері түрінде кездеседі. Мұнай қосылыстардың құрамдарына кіретін элементтерді микроэлементтер деп атайды. Олардың мұнай құрамындағы үлес салмағы 10^-2% жетеді.Сілті мен сілтілік жер, Cu, Zn, B, V топшасының металдары кездеседі. Мұнай құрамында нағыз бейметалдар да кездеседі. V -10^-5-10^-2%, Ni-10^-4-10^-3%,Cl-2*10^-2% кездеседі.

Микроэлементтер мұнайда:

А) тұздың майда дисперсті сулы ерітінділері түрінде

Б) жұқа дисперсті минералдар түрінде

В) Органикалық заттармен химиялық байланысқан комплексті немесе молекулалы қосылыстар түрінде кездеседі.

Мұнайдың ерекшелігінің бірі онда V-мен Ni-дің біршама үлкен концентрацияда болуында. Асфальтен құрамындағы ванадия-порфиндер мұнайдың беттік активтілігіне үлесін тигізеді. Микроэлементтердің көбі мұнай өңдеу катализаторлары болып табылады. Мұнай құрамында Сl,Br, I секілді галогендер болады,фтор кездеспейді. VIII топ элементтерінің ішінен Fe, Co, Ni асфальтендер мен шайырлармен кешенді қосылыс түрінде кездеседі, радиоактивті элементтерден – уран мен радий болады. Осылайша,мұнайдың минералдық компоненттері дегеніміз механикалық қоспалардан алдын-ала тазартылған мұнайды жаққанда түзетін элементтер. Мұнайды жаққанда түзілетін күлдің мөлшері онша көп емес. Мұнай күліне спектрлік зерттеулер жүргізгенде онда Ni, V, Na, Ag, Ca, Al, Cu және т.б. болатындығын көруге болады.

Дәріс. Мұнайдың көмірсутектерінің негізгі физикалық-химиялық көрсеткіштері (тығыздығы, динамикалық және кинематикалық тұтқырлығы).

Көлем бірлігіндегі зат массасын тығыздық деп атайды. СИ жүйесінде тығыздық бірлігіне кг/м³ жатады. Зерттеу жұмыстарында заттың салыстырмалы тығыздығы анықталады. Салыстырмалы тығыздық деп 20⁰С тем-да мұнай және мұнай өнімдері тығыздығының 4^оС температурадағы дистелденген су тығыздығына қатынасын айтады. Салыстырмалы тығыздық белгісі – ρ₄²⁰. Мұнай және мұнай өнімдерінің тығыздығы температураға тәуелді. Температураны арттырған сайын олардың тығыздықтары кемиді. Тығыздықтың температураға тәуелділігі түзу сызық заңына негізделген:

ρ₄^t = ρ₄²⁰-j(t-20)

Мұндағы: ρ₄^t – анализ температурасы жағдайындағы салыстырмалы тығыздық; ρ₄²⁰-20⁰С темп-ғы салыст.тығыздық; j – 1⁰С темп-ға шаққандағы тығыздықтың орташа температуралық түзетуі; t-анализ жүргізу жағдайындағы температура,⁰С; Температуралық түзету мына формуламен есептелінеді: γ=0,001828-0,00132 ρ₄²⁰ 20-250⁰С температура аралығындағы мұнай өнімдерінің тығыздығы ρ_t мына формуламен анықталады: ρ_t =1000 ρ₄²⁰ – 0,58/ ρ₄²⁰(t-20) – [t-1200(ρ₄²⁰ – 0,68)]/1000 (t-20)

Ұлыбритания және АҚШ елдерінде салыстырмалы тығыздық зерттелетін зат пен судың температуралары бірдей 15,56⁰С жағдайында анықтайды.Бұл жағдайда: ρ₄²⁰ = ρ_15,56^15,56 - 5j Зерттелетін мұнайлардың көпшілігінің тығыздығы 830-960 кг/м³ шамасында болады.Мұнайдың тығыздығы төмен болса,соғұрлым мұнайдың құрамында шайырлы- асфальтенді заттар аз болып,алифатты қосылыстар көп болады.Мұнайлардың және айдалған фракциялардың тығыздықтарын мына формуламен есептеуге болады:

ρ₄²⁰ =2,037n_d²⁰-2,112 (мұнайлар үшін)

ρ₄²⁰= 1,9851 n_d²⁰-2,0666 (фракциялары үшін)

Тәжірибе жүзінде мұнай және мұнай өнімдерінің тығыздықтары үш түрлі стандарт әдістерімен: 1. ареометр (мұнай дексиметрі). 2. Вестфаль-Мордың гидростатикалық таразысы. 3. пикнометр әдістерімен анықталады. Бұлардың ішінде ареометр әдісі жылдам, ал пикнометр әдісі дәл. Пикнометр әдісінің артықшылығы зерттелетін заттың аз ғана мөлшері жұмсалады. Тұтқырлық қозғалтқыштар, машиналар мен механизмдерді пайдаланған жағдайда мұнай өнімдерінің қозғалғыштығын анықтайды, тасымалдағанда, сүзгілегенде, араластырғанда энергия шығынына елеулі әсер етеді. Динамикалық (m), кинематикалық (n) және шартты (ВУ) тұтқырлыққа бөлінеді. Шартты тұтқырлық дегеніміз вискозиметрден сынақ температурасында 200 мл сыналатын мұнай өнімінің ағып өту уақытының 20°С-да 200 мл дистилденген судың ағып шығу уақытына қатынасын айтады. Шартты тұтқырлық – бұл салыстырмалы, өлшемсіз шама және шартты градуспен өрнектеледі.Динамикалық тұтқырлық сұйықтықтың физикалық қасиеттеріне тәуелді. Мұнай өңдеуде сан түрінде мұнай өнімінің динамикалық тұтқырлығының оның тығыздығына қатынасына тең n=m/rкинематикалық тұтқырлық кеңінен қолданылады. Динамикалық тұтқырлықтың өлшем бірлігі – Пуаз (П) немесе СИ - Па×с, мұндағы с – секунд түріндегі уақыт, Па – Паскаль (Па = н/м², мұндағы н – Ньютон, м² – прибор капиллярының қимасы). Олардың арасындағы қатынас: 1 П = 10^-1 Па×с. Кинематикалық тұтқырлықтың өлшем бірлігі – стокс (Ст) немесе СИ жүйесінде – м²/с. Олардың арасындағы қатынас: 1 Ст = 10^-4 м²/с. Шартты (ВУ) және кинематикалық тұтқырлық (n) шамалары арасында келесі эмпирикалық тәуелділік бар. Кинематикалық тұтқырлық 1 ден 120 сСт болатындар үшін:n₁=7,24ВУ₁ -

ал кинематикалық тұтқырлық 120 сСт дан жоғары болатындар үшін: n₁=7,24ВУ немесе ВУ₁=0,135n₁. мұндағы t – мұнай өнімдерін сынау температурасы, ⁰С; n₁ – мұнай өнімдерін сынау температурасындағы кинематикалық тұтқырлық, сСт (1 сСт = 10^-2 Ст). Күрделі қоспалар болып келетін мұнай және мұнай өнімдері үшін тұтқырлық олардың химиялық құрамының, молекулалық массасының функциясы болып табылады, және молекулааралық әрекеттесу күшімен анықталады. Мұнай фракцияларының қайнау температуралары неғұрлым жоғары болатын болса, соғұрлым тұтқырлығы жоғары болады. Бензиндер үшін кинематикалық тұтқырлық 20^оС температурада 0,6 сСт құрайды, ауыр майлар үшін 300-400 сСт арасында болады. Әртүрлі кен орындарынан алынған мұнайлар кинематикалық тұтқырлықтары 2 ден 300 сСт дейінгі аралықта болады, және көпшілік мұнайлар үшін 40-60 сСт аспайды. Мұнайлық лабораторияда тұтқырлықты анықтау үшін арнайы жабдықтар – вискозиметрлер қолданылады.Олардың айырмашылықтары жұмыс істеу принциптерінде:а) Капиллярлы,капиллярлар арқылы сұйықтықтың аққыштығын анықтауға арналған (ВПЖ-типтес вискозиметрлер). б) Сұйықтықтың белгілі бір көлемінің аққыштығының салыстырмалы уақытын анықтаумен сұйықтық тұтқырлығы анықталатын вискозиметрлер (ВУ-типті,Энглер және т.б вискозиметрлер). в) Тұтқырлықты дененің құлау жылдамдығымен немесе қатты дененің зерттелетін сұйықтық тербелісінің тоқтауымен анықталатын вискозиметрлер (Гурвич,Гэпплер және т.б вискозиметрлер).