تعرف على علم الكيمياء
محتويات الموضوع
إنتاج المواد الكيميائية من غازات البترول
– أصبحت اليوم كلمة البتروكيميائيات تعنى إنتاج المواد الكيميائية من البترول وكذلك إنتاج المنتجات المصنعة من البترول.
– كان البترول إلى وقت قريب يستخدم فقط في إنتاج بعض المقطرات التي تصلح وقوداً مثل : الجازولين والكيروسين والسولار وزيت الديزل، وذلك بمعاملته بطرق فيزيائية مثل التقطير تحت الضغط الجوى المعتاد أو تقطيره تحت الضغط المخلخل، ثم بدأت بعد ذلك معاملة هذه المقطرات بطرق أخرى لتحسين خواصها مثل طرق التكسير الحرارى والتكسير الحفزي، وعمليات الإصلاح.
– أمكن بهذه الطرق الحصول على مواد أخرى جديدة مثل الغازات المشبعة وغير المشبعة وبعض المواد الأروماتية مثل البنزين والطولوين والزايلين وغيرها.
– وقد استخدمت هذه المواد فيما بعد في تحضير كثير من المواد العضوية والمذيبات، وعديد من المنتجات التي نستخدمها كل يوم مثل بعض الأصباغ واللدائن والأدوية والألياف الصناعية والمطاط والمنظفات الصناعية وغيرها، وأصبحت كلمة البتروكيميائيات تعنى اليوم أنتاج المواد الكيميائية من البترول والمنتجات المصنعة من البترول.
– وقد دخلت كلمة البتروكيميائيات إلى قاموس الصناعات الكيميائية عام 1916 عندما تمكن كيميائي يدعى (كارلتون إيليس) Carleton Ellis في أثناء الحرب العالمية الأولى من تحضير الكحول الأيزوبيلي من غاز البروبيلين.
– وفى عام 1920 قامت شركة ستاندارد أويل بنيو جيرسي بالولايات المتحدة بشراء تفاصيل هذه الطريقة، وأسست مصنعاً لهذا الغرض، وتعد هذه الخطوة أولى الخطوات في سلسلة تصنيع الكيماويات من أصول بترولية.
– كذلك بدأت شركة كاربايد آند كاربون كيميكالز في نفس العام في إنتاج بعض المواد الكيميائية من الغازات غير المشبعة الناتجة من البترول، وتمكنت هذه الشراكة من صنع مركبين من غاز الإثيلين وخمسة مركبات من غاز البروبيلين، زادت فيما بعد إلى نحو 41 مركباً من الإثيلين ونحو 27 مركباً من البروبيلين قبل الحرب العالمية الثانية في عام 1939، مما يبين النمو المتزايد في صناعة البتروكيميائيات.
– قد كانت هناك بعض الاكتشافات المبكرة في هذا المجال تمت على يد بعض العلماء الألمان، ومثال ذلك اكتشاف هابر وبوش Haber and bosch عام 1913، وكانا يعملان بشركة باسف (BASF) ، طريقة لتحضير النشادر من نتروجين الجو ومن غاز الهدروجين الذى أمكن بعد ذلك إنتاجه بالأكسدة الجزئية لغاز الميثان، وكذلك اكتشاف «بوش» في نفس العام، أن ثاني أكسيد الكربون يتفاعل مع الهدروجين ليعطى بخار الماء وأول أكسيد الكربون.
– كذلك كان اكتشاف الكيميائي الألماني ميتاش (Mittasch) عام 1915، أن غاز التخليق، وهو خليط من أول أكسيد الكربون والهدروجين يعطى الكحول الميثيلي، واحدا من أهم الاكتشافات في هذا المجال، وساعد ذلك كلا من (فرانز فيشر) و (هانز ترویش) Franz Fischer & Hans Tropsch على تحويل غاز الماء، الذي أطلق عليه فيما بعد اسم غاز التخليق إلى عديد من المركبات الهدروكربونية ساعدت ألمانيا في حربها حتى عام 1940.
– وقد نجحت هذه الطريقة في إنتاج وقود لمحرك السيارات أطلق عليه اسم ستتول (Synthol)، وهو اسم مختصر لوصف خليط من عدة هدروكربونات مع بعض الكحولات والكيتونات وغيرها.
– كذلك اكتشف الألماني أوتو (رولن) Otto Roelen ، عام 1934 تفاعلاً عرف باسم (تفاعل أوكسو) ثم عرف فيما بعد باسم (تفاعل إدخال مجموعة الفورميل) (Hydroformylation) وفيه يتفاعل غاز الإثيلين مع كل من الهدروجين وأول أكسيد الكربون فى وجود حافز من كربونيل الكوبلت ليعطى الدهيدات يمكن تحويلها إلى كحولات أو إلى أحماض دهنية.
– وقد ساعد أيضا اكتشاف كل من (ريب Reppe)، و( كوخ Koch) عام 1939، وهو أن بعض المركبات الأوليفينية تتفاعل مع الكحولات ومع غاز أول أكسيد الكربون لتعطى أحماضاً عضوية، وعرف هذا التفاعل باسم (إدخال مجموعة الكربونيل Carbonylation).
– وقد تمكنت ألمانيا في أثناء الحرب العالمية الثانية وقبلها بقليل من تحضير نحو 200.000 طن من وقود المحركات ونحو 100.000 طن من زيت الديزل، 20.000 طن من زيوت التشحيم، ونحو 2000 طن من الكحولات، و 50.000 طن من المنظفات الصناعية، و 40.000 طن من الأحماض الدهنية، و 30.000 طن من الشمع.
– تم تحضير هذه المواد الكيميائية من غاز الماء الناتج من تفاعل الفحم الساخن مع بخار الماء، وهو نفس غاز التخليق الذى يحصل عليه اليوم من الأكسدة غير التامة للميثان من الغاز الطبيعى أو البسترول، ولهذا فهي تدخل أيضا ضمن البتروكيميائيات في وقتنا الحالي.
– هكذا نجد أن صناعة البتروكيميائيات تعتمد على عدد محدود من المواد الوسيطة التي تنتج من البترول والغاز الطبيعى وكذلك من الفحم، ولكن البترول ساهم حاليا بنسبة %60 من هذه المواد ممثلة في بعض الغازات البسيطة مثل الإثيلين والبروبيلين وبعض المواد الأروماتية، كما يساهم الغاز الطبيعي بنسبة تصل إلى نحو 30٪ من هذه المواد على حين لا يسهم الفحم فيها إلا بنسبة بسيطة لا تزيد على 10٪ على أكثر تقدير .
– وجدير بالذكر أن اكتشاف تحويل الهدروكربونات إلى مركبات أكسجينية قد حدث مصادفة عندما قامت إحدى الشركات الأمريكية بمحاولة أكسدة غاز الميثان وبعض الهدروكربونات الأخرى بواسطة أكسجين الهواء فى وجود عامل مساعد من فوسفات الألومنيوم وأكاسيد بعض الفلزات وذلك تحت ضغط 200 رطل على البوصة المربعة، وعند درجة حرارة نحو 400 سلزيوس.
– لم يسر تفاعل الأكسدة فى الاتجاه المتوقع، وهو تحول الهدروكربونات إلى غاز ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، بل سار في اتجاه آخر تضمن الأكسدة الجزئية لهذه الهدروكربونات، وأدى إلى تكوين عدة مركبات عضوية تحتوى على الأكسجين مثل الكحول الميثيلى والفورمالدهيد والأسيتالدهايد والأسيتون وكحولات أخرى مثل الكحول الأيزوبروبيلى والكحول البيوتيلى الثانوى وقليل من مثيل إيثيل كيتون.
– يعتبر هذا التفاعل أولى الخطوات التي قامت على أكتافها صناعة البتروكيميائيات ، ثم تلا ذلك اكتشاف طرق أخرى لتحويل المركبات غير المشبعة من الإثيلين والبروبيلين والبيوتيلين وغيرهما إلى عديد من المركبات العضوية الهامة.
إنتاج المواد الكيميائية من الإثيلين
– ينتج غاز الإثيلين من وحدات التكسير الحرارى أو التكسير الحفزي في أثناء إنتاج أنواع محسنة من الجازولين، كما ينتج جزء آخر منه في أثناء عمليات إصلاح النافثا التي سبق ذكرها.
– يتكون جزء كبير من غاز الإثيلين عند تكسير غاز البيوتان في فرن التكسير ذى الكرات، عند درجة حرارة نحو 880 سلزيوس وتحت ضغط مناسب ويتحول فى هذه العملية نحو %48 من البيوتان إلى إثيلين، كما يتحول نحو 12.6 منه إلى غاز البروبيلين ونحو %1.2 منه إلى غاز الأسيتلين.
– يعتبر اكتشاف طريقة لتحويل الإثيلين إلى أكسيد الإثيلين إحدى الخطوات الهامة التي ساعدت على استخدام الإثيلين فى تحضير كثير من المركبات الهامة.
– وهو يحضر من الإثيلين بتفاعله مع حمض الهيبوكلوروز ثم ينزع منه جزىء من غاز كلوريد الهيدروجين.
– يستعمل الأكريلونتريل في صناعة لدائن البولى أكريلونتريل كما يستعمل في صناعة المطاط.
– كما يستعمل جليكول الإثيلين في صناعة بعض أنواع الطلاء، كما يستعمل في صناعة بعض الألياف الصناعية، ويضاف إلى ماء التبريد في محركات السيارات لمنع تجمد الماء في البلاد الباردة.
– كذلك يستعمل الإيثانولامين في كثير من الأغراض، فهو يستخدم في صناعة المنظفات الصناعية، وفي صناعة المبيدات وفى إزالة الغازات أو المواد الحمضية من بعض مقطرات البترول ومن غيرها من المنتجات.
– كذلك استخدم الإثيلين فى صناعة الكحول الإثيلي، وكانت الطريقة المستخدمة قديماً تتلخص في امتصاص الإثيلين في حمض الكبريتيك ثم تكسير الإستر الناتج بالبخار، ثم استحدثت طريقة أخرى يتفاعل فيها غاز الإثيلين مع بخار الماء مباشرة عند إمرار خليطهما تحت ضغط مرتفع على عامل مساعد مثل حمض الفوسفوريك على حامل من السليكا وهى طريقة اقتصادية ساعدت على مجابهة الحاجة المتزايدة للكحول.
– يستخدم الإثيلين حالياً لإنتاج كثير من المواد الكيميائية مثل الإثير والكلوروفورم وكلوريد الفاينيل والستايرين وهذه المواد الأخيرة تستخدم في صناعة كثير من أنواع اللدائن مثل بولي كلوريد الفاينيل وبولى إسيتات الفاينيل والبولي ستايرين، ويدخل بعضها في صناعة المطاط الصناعي والبويات والمواد اللاصقة وإثيل السليولوز وفى غير ذلك من الصناعات.
– قد اكتشفت عام 1933 طريقة لتحويل الإثيلين إلى بولي إثيلين وهى إحدى اللدائن الهامة المستخدمة فى كثير من الأغراض.
إنتاج المواد الكيميائية من البروبيلين
– ينتج غاز البروبيلين من عمليات تكسير المفطرات الثقيلة للبترول، وكان أول استخدام له فى تصنيع الكيميائيات عام 1920 بطريقة (كارلتون إبليس) التي سبق ذكرها، ويمرر فيها الغاز في حمض الكبريتيك، ثم يحلل الإستر الناتج بالبخار معطياً الكحول الأيزوبيلي.
– هذه الطريقة قليلة التكاليف وقد ساعدت على استخدام الكحول الأيزوبروبيلى فى كثير من الأغراض فهو يستخدم كمذيب في صناعة البويات وفي صناعة اللاكيهات والورنيشات وفى بعض مواد التنظيف، ويدخل كذلك في صناعة سائل الفرامل وفى الزيوت المستخدمة في قطع الفلزات والسبائك، كذلك يستخدم الكحول الأيزوبروبيلي مع بعض الإضافات في تحضير بعض زيوت التشحيم وفي تحضير بعض مواد التطهير.
– يستعمل الكحول الأيزوبروبيلي أيضا في تحضير بعض المواد المنكهة من البرتقال والليمون وغيرها من الثمار وهى مواد تدخل كذلك في صناعة العطور.
– يستخدم الكحول الايزوبروبيلي كذلك في صناعة الأسيتون الذي ينتج عند أكسات بالهواء فى وجود عامل مساعد.
– وقد ابتكرت طريقة لصناعة الأسيتون في ألمانيا عام 1944، ويستخدم فيها البروبيلين كذلك وهى تبدأ بتفاعل البنزين مع البروبلين فى وجود عامل مساعد من حمض الفوسفوريك على حامل من الكيسلجور، وينتج في هذا التفاعل مركب الكيومين الذى يؤكد بعد ذلك بالهواء الجوى معطيا الهدروبروكسيد الذى يتحلل بواسطة حمض الكبريتيك إلى الأسيتون والفينول.
– الأسيتون مذيب هام ويدخل في صناعة بعض المذيبات الأخرى مثل كحول ثنائي الأسيتون ومثيل أيزوبيوتيل كيتون وهى تستخدم في صنع أنواع خاصة من الطلاءات.
– كما أن كحول ثنائى الأسيتون يختلط جيدا بزيت بذرة الخروع ولذلك يستعمل في تحضير زيوت الفرامل.
– كذلك استخدم البروبيلين في تحضير مركب أكسيد البروبيلين الذي يستعمل في صنع بعض مبيدات الحشرات كما يستخدم مذيباً لبعض مركبات السليولوز، كما يحول إلى جليكول البروبيلين الذى يستخدم مذيباً للزيوت والشموع، كما يستخدم في صناعة الأصباغ وغيرها.
– كذلك يستخدم البروبيلين في تحضير الجليسرين بتفاعله مع غاز الكلور في درجة حرارة عالية، ثم إضافة حمض الهيبوكلوروز إلى الرباط الثنائي وتحليل الناتج بالماء.
– الجليسرين مركب هام يستخدم في صناعات متعددة كما في صناعة بعض المفرقعات مثل النتروجليسرين، وفى صنع أنواع خاصة من الصابون، وفي صناعة بعض الألياف الصناعية، وفى صنع بعض أنواع الزيوت المخلقة، كما يستخدم في الطب.
– قد استخدم البروبيلين حديثاً في صنع لدائن البولى بروبيلين بطريق البلمرة وهي لدائن تتصف بمتانتها وبمقاومتها للأحماض والعوامل الجوية وتستخدم في صنع كثير من الأدوات.
أنتاج المواد الكيميائية من البيوتان والبيوتيلين
– استحدثت بعض الطرق الكيميائية قبل الحرب العالمية الثانية مباشرة لتحويل بعض نواتج تقطير البترول التى تحتوى جزيئانها على عدد قليل من ذرات الكربون إلى جزيئات أكبر منها تصلح للإضافة إلى الجازولين لتحسين رقمه الأوكتاني.
– قد تناولت هذه الطرق تحويل غاز البيوتان الذى يتركب جزيئه من أربع ذرات من الكربون إلى مركب الأيزوأوكتان الذى لا يعطى دقاً تقريباً في محركات السيارات، ثم استخدمت هذه الطرق بعد ذلك فى صناعة البتروكيمائيات.
– يفصل غاز البيوتان من المفطرات الخفيفة للبترول، وبجانب استخدامه وقودا في المنازل بعد تعبئته في أسطوانات، فإنه يعتبر اليوم واحداً من المواد الأساسية في تحضير الكيميائيات من البترول.
– يحول البيوتان في إحدى هذه الطرق إلى مركب غير مشبع هو البيوتيلين، وذلك باستخدام حافز من أكسيد الكروم وأكسيد الألومونيوم وهي عملية تعرف باسم إزالة الهدروجين Dehydrogenation .
– قد استخدم البيوتيلين فى إنتاج كثير من المواد الكيميائية، ومن أمثلة ذلك تحويله أولاً إلى أكسيد البيوتيلين بواسطة حمض الهيبوكلوروز، كما في حالة الإثيلين والبروبيلين، ثم معاملة هذا الأكسيد بكواشف مختلفة، فهو يعطى مركب البيوتانولامين عند معاملته بالنشادر كما يعطى الكحول البيوتيلى الثانوى عند معاملته بالماء، وهى مواد تدخل فى صناعة كثير من المنتجات.
– يمكن بعد ذلك أكسدة الكحول البيوتيلى الثانوى إلى كيتون يعرف باسم مثيل إثيل كيتون، وهو مذيب هام لكثير من الراتينجات والورنيشات، كما يستخدم في استخلاص الشموع من المقطرات العالية للبترول.
– يمكن تحويل البيوتان مستقيم السلسلة إلى الأيزوبيوتان عند معاملته بالضغط والحرارة فى وجود حافز من كلوريد الألومنيوم اللامائي المرسب على الألومينا، ويعرف هذا التفاعل بتفاعل الأزمرة (Isomerization)، ثم ينزع بعض الهدروجين من جزىء الأيزوبيوتان ليتحول إلى مركب غير مشبع هو الأيزوبيوتيلين.
– قد استخدم هذا التفاعل فى تحضير مركب الأيزوأوكتان، وذلك بإضافة الأيزوبيوتان إلى جزىء الأيزوبيوتيلين فى وجود حمض الكبريتيك، وهو تفاعل يعرف باسم الألكلة (Alkylation).
– كذلك يمكن إضافة جزيئات الأيزو بيوتيلين بعضها إلى بعض عن طريق الروابط الثنائية، وهو تفاعل يتم فى وجود حمض الكبريتيك، ويعرف باسم تفاعل (البلمرة) Polymerization ويعطى هذا التفاعل عند إيقافه عند حد تكوين (الدايمر Dimer) [أى جزىء يتكون باتحاد جزيئين من الأيزوبيوتيلين معاً] مركباً يعرف باسم الأيزو أوكتين الذى يمكن اختزاله إلى الأيزوأوكتان.
– وباستمرار عملية بلمرة الأيزوبيوتيلين يتكون نوع من اللدائن يعرف باسم لدائن الأيزوبيوتيلين، وصيغتها الكيميائية:
– كذلك يحول البيوتيلين إلى البيوتادايين بواسطة تفاعل نزع الهدروجين ويستخدم البيوتادايين الناتج فى صناعة المطاط الصناعي.
– كما يحول الأيزوبيوتيلين إلى مركب الأيزوبرين بتفاعله مع الفورمالدهيد في وجود عامل مساعد عند 100 سلزيوس، ويتكون فى هذا التفاعل مركب وسيط هو (٤,٤ – ثنائي مثيل ميتا دايوكسان) الذى ينحل بعد ذلك إلى الأيزوبرين والفورمالدهيد الذي يعاد استخدامه، أما الأيزوبرين فيستعمل في صناعة أنواع من المطاط.
المراجع
– كتاب الصناعات الكيميائية – الجزء الثالث – البترول والكيمياويات، الصابون الممظفات الصناعية. ، المطاط – د/ أحمد مدحت عبد السلام – القاهرة – دار الفكر العربي – الطبعة الأولى 1997.
– أسس الكيمياء الصناعية – د/ محمد مجدى واصل – القاهرة – دار الفجر للنشر والتوزيع – الطبعة الأولى 2005.
– الكيمياء الصناعية – الجزء الثاني – تكنولوجيا الصناعات الكيميائية العضوية. – د/ طارق إسماعيل كاخيا – الطبعة الأولى.
