شارح الدرس: تكسير الهيدروكربونات الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نوضِّح التكسير الحفزي للألكانات وأهميته، وسوف نَصِف هذه العملية على المستوى الصناعي.

التكسير هو عملية تحويل الجزيئات الكبيرة، مثل الهيدروكربونات الموجودة في الزيت الخام، إلى جزيئات أصغر. ومن ثمَّ، فإن تفاعلات التكسير بشكل عام هي تفاعلات تفكُّك.

في هذا الشارح، سنستخدم كلمة «تكسير» للإشارة إلى تكسير الهيدروكربونات فقط.

وعلى الرغم من أنه يمكن أن تحدُث عملية التكسير على الهيدروكربونات غير المشبَّعة، مثل الألكينات، لكننا سنركِّز على التكسير الذي يستخدم مع الهيدروكربونات المشبَّعة الموجودة بوفرة في الزيت الخام. وينتُج، بشكل عام، عن تكسير الزيت الخام خليطٌ غني بالألكانات والألكينات.

يمكن أيضًا أن ينتُج عن التكسير الكربون النقي والهيدروجين النقي وأنواع أخرى من الهيدروكربونات، بالإضافة إلى الألكانات والألكينات، لكن يمكن التحكم في هذه العملية للحصول على أكثر نواتج مرغوبة.

عادةً ما يكون التأثير الكلي لتكسير جزيء كبير من الهيدروكربون كالآتي:

1. تكسير روابط الكربون-كربون الأحادية:

2. إعادة ترتيب ذرات الهيدروجين عن طريق تكسير روابط الهيدروجين-كربون وتكوينها:

3. تكوين روابط أخرى من الكربون-كربون، مثل روابط الكربون-كربون المزدوجة:

عملية التكسير هي عملية ماصَّة للحرارة؛ وذلك لأن الروابط المتكوِّنة تكون أضعف من الروابط التي تم تكسيرها. وتعتمد عملية التكسير على درجات الحرارة المرتفعة لتحفيز العملية، ويُستخدم الضغط المرتفع لزيادة معدل التفاعل.

وبشكل عام، تكون العوامل الحفَّازة هي الزيوليت، والتي تتكون من مركَّبات الألومنيوم والسليكون والأكسجين. وهناك أنواع متعددة من الزيوليت، بعضها طبيعي والآخر اصطناعي. وفي المعمل، يمكن إجراء عملية تكسير هيدروكربون، مثل البارافين، باستخدام قطع من الفخار أو باستخدام ثاني أكسيد السليكون (، ويعرف أيضًا باسم السليكا) أو أكسيد الألومنيوم (، ويُعرف أيضًا باسم الألومينا).

يمكن إجراء عملية التكسير بالبخار عن طريق استخدام بخار ساخن للغاية، ويمكن إجراؤها باستخدام عامل حفَّاز أو دون استخدامه.

عادةً ما يتم إجراء التكسير بالبخار دون عامل حفَّاز عند درجة حرارة ، وهو ما يُستخدم عادةً في إنتاج ألكينات قصيرة جدًّا بكميات كبيرة. وعادةً ما يُعرف هذا النوع من التكسير باسم «التكسير الحراري»؛ وذلك لأننا نعتمد تمامًا على درجة الحرارة المرتفعة لتحفيز التفاعل.

يتم إجراء التكسير الحفزي عادةً عند درجة حرارة -، ويؤدي ذلك إلى تقليل كمية الطاقة اللازمة لتسخين خليط التفاعل. ويُستخدم التكسير الحفزي بوجه عام لتحويل أجزاء الزيت الخام إلى أجزاءٍ أخفَّ وأكثر نفعًا.

سنتناول فيما يأتي استخدام عملية التكسير لغرضين؛ وهما إنتاج الألكينات وتحويل الأجزاء الثقيلة من الزيت الخام إلى أجزاء أخف.

تتسم الألكينات، مثل الإيثين والبروبين، بقيمتها المهمة. ويمكن استخدامها لتكوين البوليمرات مثل البولي (إيثين) — الذي يُعرف أيضًا باسم البوليثين أو PE — وأيضًا لتكوين البولي (بروبين)، الذي يُعرف أيضًا باسم البولي بروبيلين أو PP.

لا يحتوي الزيت الخام بشكل طبيعي على العديد من هذه المواد الكيميائية، لذا يمكن الحصول عليها عن طريق تكسير جزيئات كبيرة من الهيدروكربونات.

سنتناول فيما يأتي الأوكتان:

الأوكتان هو واحد من العديد من الهيدروكربونات، والتي قد تكون في الخليط الذي يستخدم لتكوين الإيثين والبروبين.

ويحدُث تكسير الأوكتان على النحو الآتي:

خلال عملية التكسير، يتم كسر روابط الكربون-كربون وروابط الهيدروجين-كربون ويُعاد تكوينها، ويتم تحويل رابطة كربون-كربون أحادية إلى رابطة كربون-كربون مزدوجة.

عند حساب تغيُّر الإنثالبي لهذا التفاعل، يمكننا تجاهل روابط الكربون-هيدروجين (لأن ما يتم كسره في المتفاعلات، يُكوَّن في النواتج). وبدلًا من ذلك، يمكننا التركيز على روابط الكربون-كربون الأحادية والمزدوجة.

فيما يأتي الروابط التي يتم تكسيرها وتكوينها خلال تفاعل تكسير واحد:

لكنَّ ثمة أمرًا بالغَ الأهمية علينا ملاحظته؛ وهو أن رابطة الكربون-كربون المزدوجة لا تتكوَّن بين ذرتيْ كربون غير مرتبطتين، لكنها تتكون بين ذرتيْ كربون بينهما بالفعل رابطة أحادية؛ لذلك، فإن الطاقة المنبعثة هي الفرق بين طاقات الروابط الأحادية والمزدوجة.

يمكن هنا ملاحظة أن تكسير الأوكتان هو تفاعل ماص للحرارة. وينتُج عن هذا التفاعل جزيئان من جزيء واحد، ومن ثمَّ فإن هذا التفاعل يُحفَّز من خلال التغير في الإنتروبي ودرجة الحرارة المرتفعة.

وينتُج عن تكسير الألكانات المستقيمة السلسلة، مثل الأوكتان، ألكانات (هكسان) وألكينات (إيثين) أقصر. يمكن استخدام هذا النمط لاستنتاج هوية ناتج من هوية ناتج آخر.

يمكن أيضًا أن يحدُث تكسير للنواتج التي نحصل عليها من تفاعل التكسير.

فيما يأتي بعض الطرق التي يمكن من خلالها تكسير الأوكتان:

يمكن أيضًا تكسير نواتج هذه التفاعلات، مثل الهكسان، ما يؤدي إلى إنتاج ألكانات وألكينات أصغر.

الزيت الخام هو خليط معقد من عدة هيدروكربونات، وليس مجرد ألكانات وألكينات بسيطة. إنه يتم تقطيره إلى أجزاء. ويحتوي كل جزء على مجموعة أصغر من هذه الهيدروكربونات، وجميعها لها درجات غليان متشابهة.

يكثر الطلب على الأجزاء مثل الجازولين وغاز البترول المُسال، أما بعض الأجزاء الأثقل (الأجزاء التي تحتوي على جزيئات هيدروكربونات أكبر)، مثل زيت التشحيم وزيت الوقود والقطران، فهي ليست مطلوبة بالقدر نفسه.

عادةً ما يتم تكسير أجزاء الزيت الخام الأثقل في درجات حرارة أقل من تلك المستخدمة لإنتاج الألكينات، عند تقريبًا، وعند ضغط أقل من 2 bar، وذلك في وجود الزيوليت باعتباره عاملًا حفَّازًا.

عند تكسير الأجزاء الأثقل، يتم تكسير جزيئات الهيدروكربونات الأكبر إلى أجزاء أصغر. على سبيل المثال، إننا نبدأ بزيت الوقود ونحصل على الجازولين.

إذن، نظريًّا، يمكن تحويل الأجزاء الأثقل إلى أجزاء أخف عن طريق التكسير.

وهذه هي الأجزاء المعروفة للزيت الخام:

إذا تم تكسير جزء، فسيكون بإمكاننا إنتاج خليط يكون عبارة عن جزء أخف. وكلما أصبحت جزيئات الهيدروكربونات أكبر، تتغير خواصها بطريقة يمكن توقعها:

كلما أصبحت جزيئات الهيدروكربونات أكبر، ازدادت درجة غليانها، وأصبحت أقل قابلية للتطاير والاشتعال. وفي الوقت نفسه، تصبح أكثر لُزُوجة.

إذن، عادةً ما ينتج عن التكسير مخاليط ذات درجة غليان أقل، وتكون أكثر قابلية للتطاير والاشتعال وأقل لُزُوجة.