هیدروکربن سنگین

هیدروکربن سنگین چیست؟

هیدروکربن‌های سنگین از انواع مختلف هیدروکربن‌ها هستند که به عنوان یکی از سوخت‌های میان تقطیری پالایشگاه‌های نفتی به شمار می‌روند. ترکیبات هیدروکربن‌های سنگین، ترکیباتی ناهمگن از آلکیل، رزین و آسفالتین هستند. دامنه تقطیر هیدروکربن سنگین از حدود 150 تا 385 درجه سانتی‌گراد، متغیر است. با توجه به اینکه تقاضای جهانی انرژی روز به روز در حال افزایش است، پیش‌بینی می‌شود که تولید و تقطیر مشتقات نفتی و هیدروکربن‌های سنگین افزایش یابد. به همین دلیل نیز در دنیای امروزی هیدروکربن‌های سنگین از جمله مهم‌ترین ترکیبات آلی هستند که در صنایع مختلف مورد استفاد قرار می‌گیرند. 

انواع هیدروکربن های سازنده نفت

نفت خام مخلوط پیچیده ای از چندین نوع مولکول هیدروکربن همراه با ناخالصی های معدنی است. این مولکول های هیدروکربن عبارتند از:

هیدروکربن های پارافینی (یا سری آلکانی)

با افزایش تعداد اتم های کربن، وزن مولکولی مولکول افزایش می یابد. آلکان های با وزن مولکولی کمتر، متان و اتان، رایج ترین اجزای هیدروکربنی در گاز طبیعی هستند. با این حال، آلکان با وزن مولکولی متوسط ​​تا بوتان نیز ممکن است در گازهای طبیعی وجود داشته باشد.

هیدروکربن های نفتی (سیكلوآلكالن ها یا سیكلوپارافینى)

دسته دوم مولکول های هیدروکربنی که در نفت خام یافت می شوند، هیدروکربن های نفتنیک (یا حلقوی اشباع) هستند. مانند آلکان ها، این هیدروکربن ها از اتم های هیدروژن و کربن تشکیل شده اند که با پیوندهای منفرد متصل شده اند. با این حال، آنها با آلکان ها تفاوت دارند زیرا ساختارهای زنجیره ای را تشکیل نمی دهند، بلکه ساختارهای حلقوی (حلقه ای) را تشکیل می دهند.

هیدروکربن های معطر (آروماتیك)

دسته سوم مولکول های هیدروکربنی موجود در نفت خام، هیدروکربن های معطر (یا حلقوی) هستند. این هیدروکربن ها از اتم های هیدروژن و کربن تشکیل شده اند که ساختارهای حلقوی را تشکیل می دهند اما حاوی پیوندهای دوگانه بین اتم های کربن متناوب هستند. ساده ترین هیدروکربن آروماتیک، بنزن با ساختار یک حلقه است. در حالی که هیدروکربن های آروماتیک پیچیده تر معمولاً با ساختارهای چند حلقه ای تشکیل می شوند. همانطور که از نام آن پیداست، هیدروکربن های معطر، مانند بنزن، با بوی شیرین همراه هستند.

هیدروکربن های آسفالتیک

آخرین دسته از مولکول های هیدروکربنی که در نفت خام یافت می شوند، هیدروکربن های آسفالتیک هستند. این هیدروکربن‌ها مولکول‌های بزرگ و با وزن مولکولی بالا هستند که ممکن است حاوی اتم‌هایی غیر از اتم‌های هیدروژن و کربن مانند اتم‌های گوگرد، اکسیژن یا نیتروژن باشند. آسفالتیک‌ها معمولاً در بقایای فرآیند تصفیه ایجاد می‌شوند و اجزای اصلی آسفالت (روسازی جاده)، قیر و محصولات قیر هستند.

روند تولید و پالایش هیدروکربن سنگین از نفت خام

برای تولید هیدروکربن سنگین، در ابتدا نمک‌ها و اسیدهای آن جداسازی می‌شوند و سپس توسط فرآیند تقطیر جزء به جزء به محصولات و هیدروکربن‌های سبک و سنگینی تبدیل می‌شوند که نقطه جوش متفاوتی دارند. انواع هیدروکربن‌های سبک و سنگین، درجه جوش متفاوتی دارند و همین ویژگی باعث تفکیک انواع هیدروکربن‌ها از یکدیگر می‌شود. در روش تقطیر جزء به جزء نفت خام، در ابتدا نفت خام در دمای 400 درجه سانتی‌گراد در کوره گرم می‌شود و سپس نفت خام حرارت دیده، توسط پمپ به قسمت پایینی برج تقطیر فرستاده می‌شود. در این مرحله، مولکول‌های سبک‌تر و زود جوش‌تر به سمت قسمت بالایی برج تقطیر می‌روند و مولکول‌های سنگین‌تر و دیر جوش‌تر در قسمت پایینی برج تقطیر باقی می‌مانند. محصولات و ترکیبات هیدروکربنی که در این مرحله تولید می‌شوند، با مشخصات نفت خام فرآوری شده، مرتبط هستند. امروزه ترکیبات نفتی سبک، خواهان و طرفداران فراوانی دارند. هیدروکربن‌های سنگین نیز در فرآیندهای سنگین، پیچیده و انرژی‌بر مورد استفاده قرار می‌گیرند. پالایشگاه‌های نفتی با استفاده از تقطیر و برخی روش‌های کرکینگ، محصولات حاصل از پالایش نفت را تغییر فرم داده و به محصولات قابل استفاده‌ای تبدیل می‌کنند.

محصولات تولید شده و تبدیل شده در این مرحله، بر اثر فرآیندهای مختلف جداسازی مانند استخراج، تصفیه و شیرین‌سازی فرآوری شده و بدین ترتیب ترکیبات نامطلوب ‌آن‌ها حذف شده و کیفیت ‌آن‌ها افزایش می‌یابد. در واقع، برای به‌دست‌آوردن محصولاتی مانند هیدروکربن‌های سنگین یا سبک، مراحل مختلفی از جمله تفکیک جزء به جزء، تصفیه و تبدیل در پالایشگاه‌های پتروشیمی انجام می‌گیرد. 

از ترکیب موادی با نقطه اشتعال بالای 40 درجه سانتی‌گراد، هیدروکربن‌های سنگین تولید می‌شوند. هیدروکربن‌های سنگین با نام سوخت گازوئیل و سوخت دیزل نیز شناخته می‌شوند و در محدوده 4c1 تا c25 قرار می‌گیرند. از هیدروکربن‌های سنگین محصولات فرعی دیگری مانند هیدروکربن‌های پارافینی سنگین نیز تهیه می‌شود که این ترکیبات عدد اکتان پایینی دارند و نمی‌توان از ‌آن‌ها به عنوان سوخت استفاده کرد. طویل و طولانی بودن زنجیرهای هیدروکربنی این ترکیبات باعث می‌شود تا از این ترکیبات در سنتز دترجنت‌ها استفاده شود.

بیشتر بدانید: رنگ فوری

مصارف هیدروکربن سنگین

هیدروکربن ها اجزای اصلی نفت و گاز طبیعی هستند. آنها به عنوان سوخت و روان کننده و همچنین مواد خام برای تولید پلاستیک، الیاف، لاستیک، حلال ها، مواد منفجره، و مواد شیمیایی صنعتی کاربرد دارند.

پس از استخراج نفت از زمین، تقریبا 85 درصد آن برای مسارف سوختنی به کار میرود. مابقی نیز برای سوخت و ساز مصنوعات پلاستیکی استفاده خواهد شد. هر واکنشی که اکسیژن در آن دخالت داشته باشد سوختن انجام گرفته است؛ از شعله‌ور شدن بنزین گرفته تا زنگ زدن و اکسید شدن در گذر زمان.

محصولات با شرکت در چند واکنش تاثیر خود را بر ماده خواهند گذاشت. از این رو تعدادی از محصولات تولید شده با هیدروکربن سنگین را در ادامه معرفی خواهیم کرد:

تولوئن – Toluene

تولوئن یک عنصر رایج در چربی‌گیرها است. این مایع بی رنگ با بو و طعم شیرین است. به سرعت تبخیر می شود. تولوئن به طور طبیعی در نفت خام یافت می شود و در پالایش نفت و ساخت رنگ، لاک، مواد منفجره (TNT) و چسب استفاده میگردد. در خانه ها، تولوئن را ممکن است در رقیق کننده های رنگ، پاک کننده های قلم مو، لاک ناخن، چسب ها، جوهرها و پاک کننده های لکه ببینید. تولوئن همچنین در اگزوز اتومبیل و دود سیگار نیز استفاده می شود.

هنگامی که تولوئن روی زمین ریخته شود یا به طور نامناسب دفع گردد، می تواند به خاک نفوذ کند و چاه ها و نهرهای مجاور را آلوده کند. تولوئن می تواند برای مدت طولانی در خاک یا آبی که در تماس با هوا نیست بدون تغییر باقی بماند.

زایلین – Xylene

زایلین یک مایع بی رنگ است که بوی شیرینی دارد. قابل اشتعال و عملا نامحلول است. زایلن در درجه اول یک ماده شیمیایی مصنوعی است. با این حال، می تواند به طور طبیعی در نفت، قطران زغال سنگ و در طول آتش سوزی جنگل رخ دهد.

سه شکل زایلین وجود دارد: متا زایلین، ارتو زایلین و پارا زایلین. این اشکال مختلف به عنوان ایزومر شناخته می شوند. در مجموع، این سه ایزومر زایلین به عنوان زایلن کل شناخته شده هستند.

نفتالین

نفتالین از نفت خام یا قطران زغال سنگ ساخته می شود. همچنین هنگام سوختن چیزها تولید می شود، بنابراین نفتالین را در دود سیگار، اگزوز خودروها و دود ناشی از آتش سوزی جنگل ها میتوان یافت. همچنین به عنوان حشره کش و دفع آفات استفاده می شود. نفتالین اولین بار در سال 1948 به عنوان یک آفت کش در ایالات متحده ثبت شد.

وقتی گاز نفتالین استنشاق می‌شود، بدن آن را به مواد شیمیایی دیگری تجزیه می‌کند که با سلول‌های بدن واکنش داده و به بافت‌ها آسیب می‌رسانند. اینکه نفتالین چگونه پروانه ها را می کشد مشخص نیست. تصور می شود که این بو به اندازه کافی ناخوشایند است که حیوانات را در محصولات دافع دور می کند.

کاربرد هیدروکربن‌های سنگین

هیدروکربن ها پرمصرف ترین ترکیب آلی روی کره زمین و جزء اصلی VOC ها هستند. آنها به عنوان نیروی محرکه تمدن مدرن در نظر گرفته می شوند، زیرا سوخت های فسیلی را میسازند. این سوخت ها برای احتراق، به ویژه در کاربردهای گرمایش و سوخت موتور استفاده می شود.

هیدروکربن هایی مانند پروپان و بوتان در فانوس ها، فندک ها، کوره ها و به عنوان سوخت واحدهای احتراق داخلی استفاده می شوند. پنتان، یکی دیگر از هیدروکربن های رایج است. هنگامی که پنتان اشباع می شود به مایع دمای اتاق تبدیل می شود. این مایع به عنوان یک حلال آلی، سوخت حمل و نقل و پاک کننده استفاده می شود.

هیدروکربن های مایع در خواص احتراق، نسبت به اکتان رتبه بندی می شوند. یعنی بنزین برای احتراق داخلی در موتورهای خودروها، کامیون ها و ماشین های چمن زنی به کار میرود. مولکول های هیدروکربنی کمی بزرگتر که به عنوان نفت سفید، سوخت جت، سوخت دیزل و روغن برای گرمایش شناخته می شوند. هر چه هیدروکربن ها بزرگتر باشند، ترکیب ضخیم تر است. هیدروکربن های بزرگ اغلب به عنوان روان کننده موتور و گریس استفاده می شوند. هر چیزی ضخیم تر از آن باشد و ماده ای شبیه موم یا قیر را تشکیل می دهند که معمولاً در بزرگراه سازی و سقف سازی استفاده می شود.

بیشتر هیدروکربن های ذکر شده در بالا، نتیجه ترک خوردگی حرارتی و تقطیر جزئی نفت خام هستند. اما یکی دیگر از منابع بسیار رایج، فرآوری صنعتی اتانول برای تولید اتیلن است. اتیلن تولید شده برای سنتز صنعتی سایر هیدروکربن ها استفاده می شود.

چگونه از هیدروکربن سنگین، هیدروکربن سبک میسازند؟

باتوجه به اینکه نفت استخراجی از کشور سنگین است، برای بالا بردن ارزش آن باید هیدروکربن سنگین را به هیدروکربن سبک تبدیل کرد. از جمله مشکلاتی که هیدروکربن های سنگین دارند میتوان به حمل و نقل سخت به دلیل گرانروی بالا، چگالی زیاد و … اشاره کرد. به همین دلیل استفاده از آن در فرآورده های انرژی به صرفه نیست و ارزش پایینی دارد.

در بخش هایی مانند قیر و واکس از این تولید سنگین استفاده می شود اما زمانی که زنجیره هیدروکربنی بزرگ شکسته شود و تبدیل به هیدروکربن سبک گردد، ارزش بالایی پیدا می کنند.

صادرات هیدروکربن

با وجود چاه های نفت و نعمت خدادادی در کشور میتوان گفت که نفت پایه‌ی اقتصاد کشور است. با عرضه هیدروکربن سنگین و سبک صادراتی، این محصول بخش مهمی از اقتصاد کشور را به دوش می کشد.

بنزین که هیدروکربنی سبک است، سوختی مصرفی و ماده حیاتی برای اتومبیل هاست. از این رو با فروش این ماده باارزش به کشورهای همسایه و به خصوص کشورهایی که از وجود چاه های نفتی محروم اند، میتوان کمک بزرگی به اقتصاد کشور کرد.

معایب استفاده از هیدروکربن سنگین

هیدروکربن‌های سنگین به عنوان سوخت در بسیاری از صنایع سنگین و انرژی‌بر استفاده می‌شوند. همچنین از هیدروکربن‌های سنگین به عنوان سوخت برخی از ماشین‌های دیزلی نیز استفاده می‌شود. این ماده که از مشتقات نفتی است در کنار تمام مزایا، معایبی نیز دارد که باعث می‌شود استفاده از این ماده، بیشتر از حد رایج نباشد. از جمله معایبی که این نوع از هیدروکربن‌ها دارند، این است که در اثر برخورد هیدروکربن سنگین به پوست، تحریکات شدید پوستی و خارش ایجاد می‌شود که ناخوشایند است. در صورت بلعیده شدن این ماده، امکان سوزش گلو و معده وجود داشته و ممکن است باعث تحریکات شکمی و اسهال و استفراغ گردد. قرار گرفتن در معرض بخارات هیدروکربن‌های سنگین در مدت زمان طولانی، باعث کاهش کارایی سیستم اعصاب مرکزی انسان شده و باعث سرگیجه در افراد می‌شود. لازم به ذکر است که این ماده، ماده‌ای اشتعال‌پذیر بوده و در صورت قرارگیری در مجاورت مقادیر بالایی از اکسیژن، واکنش نشان داده و امکان ایجاد حریق و انفجار وجود دارد.