واکس های نفتی و روش های استخراج آنها

واکس های نفتی و روش های استخراج آنها

واکس ها هیدروکربن هایی هستند که از نفت خام استخراج می شوند. وجود ترکیبات شیمیایی با ارزشی نظیر پارافین های نرمال، نظر هر شیمی دانی را به خود جلب می کند. با استفاده از واکنش های شیمیایی می توان مواد با ارزشی را بدست آورد که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار بگیرد.
    واکس های نفتی را برحسب مواد اولیه ای که از آن به دست می آیند، می توان به سه دسته تقسیم کرد.
    
    الف: واکس های پارافینی
    این نوع واکس از مواد اولیه با نقطه جوش پایین به دست آمده و بیشتر ترکیبات سازنده آن از هیدروکربن های نرمال پارافینی تشیکل یافته است. بیشتر هیدروکربن های شاخه دار (در صورت وجود) از نوع ایزو پارافین ها هستند. هیدرو کربن های سازنده واکس دارای20 تا40 مولکول کربن می باشند و جرم مولکولی آنها بین280 تا560 متغیر است. هم چنین در دمای عادی جامد بوده و ویسکوزیته آن حدود 35-45 SUS (در100 درجه سانتی گراد) و کریستال های آن به صورت سوزنی یا صفحه ای است.
    
    ب: واکس های میکروکریستال

ب: واکس های میکروکریستال    واکس های میکروکریستال از واکس گیری مواد اولیه سنگین (مواد اولیه با نقطه جوش بالا) به دست می آیند. کریستال های آن از انواع پارافینی ریزتر بوده و جرم مولکولی آن حدود800-450 وتعداد ترکیبات کربن سازنده آن بین57-32 می باشد.
    واکس های میکروکریستال در مقایسه با انواع پارافین ها با اسید سولفوریک، اسید نیتریک و اسید سولفونیک بهتر ترکیب می شوند و علت این ترکیب، وجود هیدروژن، روی کربنِ نوع سوم است. انواع اکسیده شده این واکس ها در صنایع تولیدی واکسِ کف اطاق (POLISH) استفاده می شود. هم چنین در تولید رنگ به عنوان پیگمان سوسپانسیون به کار گرفته می شوند.
    
    ج: پترولاتوم

اگر عمل واکس گیری بر روی مواد باقی مانده تقطیر انجام شود واکس حاصل را پترولاتوم می نامند. کریستال های آن از دو نوع قبلی ریزتر بوده و مقداری روغن را در خود نگه داری می کنند به طوری که معمولاً حالت ژلاتینی دارند.
    جرم مولکولی آن بین980-560 و نقطه ذوب آن بین85-55 درجه سانتی گراد است. در مواقعی که بخواهند پترولاتوم را بدون استفاده از حلال و حرارت پخش کنند، از پترولاتوم امولسیون شده در آب استفاده می شود. برای این منظور بایستی مخلوطی از واکس ذوب شده در آب داغ با استفاده از یک امولسیون کننده نظیر تترا اتانول آمین تهیه کرد.
    جدول(1-1) خواص فیزیکی و شیمیایی واکس های پارافینی - میکروکریستال و پترولاتوم را نشان می دهد.
    
    بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی واکس های پارافینی
    بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی واکس می تواند تا حدی در شناسایی ساختمان شیمیایی واکس ها مورد استفاده قرار گیرد. به طور کلی شناسایی خواص واکس ها را می توان به سه دسته تقسیم کرد:
    الف: روش های فیزیکی (نقطه ذوب، درصد روغن، ویسکوزیته، ضریب شکست، جرم مخصوص ...)
    ب: آزمایش هایی که بیشتر جنبه مکانیکی داشته و بیشتر در صنایع، به منظور شناخت خصوصیات واکس به هنگام مصرف بر روی آن انجام می گیرد. (مقاومت در مقابل کشش، مقاومت در مقابل سایش، جلای واکس، انعطاف پذیری)
    ج: بررسی ساختمان شیمیایی ترکیبات سازنده واکس
    
    1- اسپکترومتر جرمی:
    با استفاده از اسپکترومتر جرمی در دمای زیاد می توان نوع ترکیبات و درصد هر یک از آنها را در واکس تعیین کرد.
    
    2- کروماتوگراف گازی:
    در این روش، پیک های حاصل از گاز، کروماتوگرافی واکس را تعیین کرده و از مقایسه آن با پیک های استاندارد به دست آمده می توان ترکیبات سازنده واکس و نیز با محاسبه سطح زیر هر پیک، درصد آن ترکیب را در واکس تعیین نمود.
    روش اسپکترومتر جرمی در مقایسه با روش های دیگر برای شناسایی ترکیبات سازنده واکس روشی مناسب است. در مواقعی که استفاده از این روش ممکن نباشد می توان با روش ساده زیر تا حدودی ترکیبات سازنده واکس را شناسایی کرد. روش عمل بدین صورت است که ابتدا خواص فیزیکی مهم واکس نظیر نقطه ذوب، ضریب شکست، ویسکوزیته، چگالی و غیره را تعیین کرده و از مقایسه آن با خواص فیزیکی هیدروکربن های پارافینی، هیدروکربور پارافینی معادل واکس را مشخص کرد.
    
    روغن گیری از واکس
    Slack Wax به دست آمده از واحد واکس گیری بر حسب شرایط عمل، حاوی15 تا50 درصد روغن است. جهت روغن گیری از واکس از3 خاصیت فیزیکی واکس و روغن استفاده می شود.
    
    روغن گیری از واکس با استفاده از تفاوت نقطه ذوب واکس و روغن
    این روش که Sweating نامیده می شود به خاطر پایین بودن راندمان عمل و محدودیت های موجود از لحاظ ماده اولیه، چندان مورد توجه نیست. با استفاده از این روش تنها می توان از واکس های پارافینی روغن گیری کرد، زیرا در هنگام گرم کردن واکس، وجود بلورهای درشت در واکس های پارافینی فضای آزادی را جهت جریان روغن ایجاد می کند. درصد روغن موجود در واکس مورد عمل و شرایط گرم و سرد کردن آن، دو عامل موثر در کیفیت محصول به دست آمده است. برای روغن گیری از واکس ابتدا آن را ذوب کرده و به بالاترین قسمت سینی هایی که به صورت پلکانی روی هم قرار گرفته اند، فرستاده می شود تا در آنجا سرد شود. سپس واکس سرد شده را به تدریج گرم کرده و حین گرم شدن آن، قطرات روغن از درون بلورهای واکس به پایین تراوش می کند و به وسیله لوله هایی که در اطراف سینی تعبیه شده است از سیستم خارج می شود. سرعت گرم کردن واکس باید حتی الامکان کم باشد(1تا2 درجه فارنهایت در ساعت)
    از واکس باقی مانده در بالای سینی، در هر مرحله ای نمونه برداری شده و هنگامی که درصد روغن در آن به مقدار مورد نظر کاهش یافت عمل گرم کردن بر روی آن قطع می شود. واکس باقی مانده در بالای سینی جمع آوری می شود.
    با استفاده از این روش نه تنها می توان واکس را از روغن جدا کرد بلکه می توان واکس هایی با نقطه ذوب های مختلف به دست آورد. از معایب این روش می توان به طولانی بودن زمان عمل(حدود70 ساعت) و بالا بودن درصد روغن در واکس اشاره کرد.
    
    روغن گیری با حلال
    معمولاً در روغن گیری از واکس از همان حلال مصرفی در واحد واکس گیری استفاده می شود. حلال های مصرفی در واحد روغن گیری از واکس، مخلوطی از تولوئن و متیل اتیل کتن، متیل ایزوبوتیل کتن، و دی کلرو اتان را تشکیل می دهند. روش عمل همانند روش واکس گیری از روغن موتور است. مزیت های این روش بر روش های دیگر شامل موارد زیر است:
    الف: علاوه بر جداسازی روغن از واکس با این روش می توان واکس را با برش های مختلف و بر حسب نقطه ذوب آنها از یکدیگر جدا کرد.
    ب: قابلیت انعطاف آن زیاد بوده و در مورد مواد اولیه آن هیچ گونه محدودیتی وجود ندارد. ج: مقدار روغن باقی مانده در واکس نسبت به روش های دیگر کمتر است.
    د: از آنجایی که در این روش از همان حلال واحد واکس گیری استفاده می شود هزینه تولید تقریباً50 درصد کاهش می یابد.
    
    جدا کردن بعضی از انواع هیدروکربن هاموم های پارافینی: استخراج موم ها معمولاً از طریق استفاده از حلال و یا رسوب گیری، (در اثر سرد کردن) از فرآورده تقطیر خلا صورت می گیرد. این موم ها اساساً از نرمال پارافین ها با18 تا35 اتم کربن تشکیل شده ند. موم های پارافینی متداول در دمایی بین45 تا65 درجه سانتی گراد ذوب می شوند و مخلوطی از هیدروکربن های پارافینی نرمال از C22 تا C30 هستند.
    موم های میکرو کریستالین: این موم ها در دمای بالاتری ذوب می شوند(90 درجه سانتی گراد) و جرم مولکولی بیشتری دارند(400 تا800) و آنها را می توان از باقی مانده (و نه از فرآورده) تقطیر خلا جدا کرد.
    هم چنین می توان نرمال پارافین ها را به کمک الک های مولکولی یا ترکیبات اوره از بعضی برش های نفتی جدا کرد.
    پارافین ها(نرمال پارفین ها): از مخلوط نرمال پارفین ها یا10 تا20 اتم کربن، بر حسب برشی که از آن استخراج شده اند خلوص ساختمان نرمالشان می تواند از98 درصد هم تجاوز کند.
    الک های مولکولی که به کار می روند «لند» نام دارند و عبارتند از زئولیت های بلورین سنتزی به فرمول عمومی زیر:
    

MC12/n[(AL2O3)12.(SiO2)12]27H2O

که در آن MC یک کاتیون با بارn را نشان می دهد. شبکه بلورین مکعبی این زئولیت ها از چهار وجهی های SiO4 و ALO4 تشکیل شده است. این ساختمان خلل و فرجی را به وجود می آورد که قطر آنها بستگی به کاتیون به کار رفته دارد.
    هیدروکربن های نرمال پارافینی می توانند در این خلل و فرج نفوذ کنند در حالی که هیدروکربن های شاخه دار و حلقوی نمی توانند داخل این منافذ بشوند.
    الک های 4A ، زئولیت های از نوع A و به فرمول عمومی زیرند:
    

0/96Na2O-1/00 Al2O3-0/02 SiO2

    و فقط مولکول هایی را که از 4A کوچکترند، جذب می کنند. الک های 5A همان الک های 4A هستند با این تفاوت که75درصد سدیم آن به وسیله کلسیم جانشین شده است قطر خلل و فرج 5A است. این الک های مولکولی برای استخراج نرمال پارافین ها به کار می روند. در استخراج نفت سفید نرمال، پارافین هایی که حاصل می شوند،10 تا13 اتم کربن دارند درحالی که در استخراج گازوئیل، پارافین های C14 و C18 به دست می آید.
    استخراج با اوره: این روش بر این اساس قرار دارد که اوره قادر است با پارافین های خطی، کمپلکس های متبلور تشکیل دهد(شکل1). در این کمپلکس ها، مولکول های اوره CO(NH2)2 فنروار بر روی یال های منشور های شش گوشی قرار گرفته اند. این مولکول ها به وسیله پیوندهای هیدروژنی (که در شکل1 با نقطه چین مشخص شده اند) در جای خود نگهداری می شوند. بدین ترتیب این مولکول ها کانالی تشکیل می دهند که در داخل آن مولکول های پارافینی (به شرط آنکه شاخه نداشته باشند) قرار می گیرند. قطر داخلی کانال ها 4/7A است.
    خلوص نرمال پارافین هایی که به وسیله اوره استخراج می شوند کمتر از پارافین هایی است که با روش الک مولکولی به دست می آیند. حتی در بعضی شرایط دارای5 درصد ساختمان ایزو هستند. آلکان های5،4،3 اتم کربن دار، با اوره ترکیب افزایشی نمی دهند.
    اولین مولکول پارافینی که ترکیب افزایشی می دهد هگزان است و پس از آن پایداری کمپلکس اوره- پارافین با جرم مولکولی هیدروکربن افزایش می یابد.
    هیدروکربن های شاخه دار در صورتی می توانند ترکیب افزایشی بدهند که استخلاف ها بر روی کربن2 و یا3 بوده و زنجیر اصلی نیز بیش از11 اتم کربن داشته باشد. اگر استخلاف متیل در کربن4 یا5 باشد زنجیر اصلی باید بیش از15 اتم کربن داشته باشد.
    در صورتی که گروه های دی متیل3،2 و4،3 وجود داشته باشند، زنجیر باید بیش از18 اتم کربن داشته باشد. بر حسب آنکه اوره به شکل متبلور و یا محلول باشد، روش ها با یکدیگر اختلاف پیدا می کنند.
    می توان تیو اوره CS(NH2)2 را جانشین اوره کرد ولی در این صورت، روش جدا کردن، خاصیت گزینش پذیری خود را از دست می دهد زیرا هیدروکربن های شاخه دار و نفتن ها نیز جذب می شوند.
مرجع: http://www.naftepars.ir/official/2961/view.asp?ID=138653