تطور صناعة الهيدروكربونات البارافينية

تطور صناعة الهيدروكربونات البارافينية

أ. يُعدّ الغاز الطبيعي أهم مصدر للمواد الخام في صناعة البتروكيماويات، وسوف يستمر ذلك مادامت احتياطيات النفط تغطي الاحتياجات المطلوبة. ونظرًا لأن هذه الاحتياطيات سوف تنضب في يوم ما، فإن جهودًا كبيرة تبذل من أجل البحث عن مصادر جديدة للهيدروكربونات كوقود أو ككيماويات. أغلب هذه الجهود تبذل في اتجاه الاستفادة من غاز التشييد، المكون من (أول أكسيد الكربون والهيدروجين)، وهذا الغاز يمكن الحصول عليه إما من الفحم أو من الغاز الطبيعى.

ب. كانت ألمانيا لا تمتلك إلا القليل من النفط في الماضي، ولكي تحقق اكتفاءً ذاتيّا منه فقد قامت باكتشاف طريقة (فيشر ـ تروبش) لتحضير نفط صناعي من أول أكسيد الكربون والهيدروجين المستخرجين من الفحم.. وقد استخدم هذا النفط الصناعي كوقود سائل، وكذلك في تحضير بعض الكيماويات.

ففي عام 1923 لاحظ العالمان الألمانيان فرانز فيشر وهانز تروبش أن الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وجد برادة الحديد القلوية، وتحت ضغط 400-450 جو، وحرارة 100-150°م، تتحول إلى منتج يتركب من خليط من مركبات أوكسجينية تحتوي على كميات ضئيلة من الهيدروكربونات. ولاحظ فيشر أنه عندما يكون ضغط التفاعل 1-7 جو تنعكس نسب المركبات الأوكسجينية إلى الهيدروكربونات، وفيما بعد وجد أن الحفازات التي تحتوي على نيكل وكوبالت وحديد أو روثينيوم تجعل التفاعل نشيطًا في تحويل أول أكسيد الكربون والهيدروجين إلى مركبات عضوية.

بعد الحرب العالمية الثانية ازداد الاهتمام بطريقة (فيشر ـ تروبش) في الولايات المتحدة الأمريكية وتم تطويرها والتوسع فيها، حتى أصبحت في الوقت الحالي منافسة للنفط في إنتاج الوقود، بالإضافة إلى اعتبارها مصدرًا مهمًّا للكيماويات.

غاز التشييد: يشار في ألمانيا إلى خليط أول أكسيد الكربون والهيدروجين بغاز التشييد، ويتم الحصول عليه من فحم الكوك طبقا للتفاعل الآتي:

هذا التفاعل طارد للحرارة، ويتم فيه أولاً تسخين فحم الكوك حتى درجة التوهج بواسطة اللفح الهوائي. بعد ذلك يتم إدخال بخار الماء ليتكون خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. يستخدم في هذه العملية تشغيل فرنين في وقت واحد، بحيث يتم تسخين أحد الفرنين في المرحلة الأولى، ثم يتم إنتاج غاز التشييد في الفرن الآخر في المرحلة الثانية.

وللحصول على خليط مناسب من أول أكسيد الكربون إلى الهيدروجين بنسبة 2:1 وهي النسبة اللازمة في الصناعة يتم تحويل نصف كمية أول أكسيد الكربون الناتجة إلى ثاني أكسيد الكربون وهيدروجين كالآتي:

ويتم هنا امتصاص غاز ثانى أكسيد الكربون الناتج بإمراره في الماء. يحتاج هذا التفاعل لحفاز مناسب، وأشهر الحفازات المستخدمة أكسيد الحديديك المدعم بأكسيد الكروم والكالسيوم والمغنسيوم.

يُعدّ الغاز الطبيعي في الولايات المتحدة الأمريكية مصدرًا لإنتاج غاز التشييد أكثر من الفحم، وتستخدم في ذلك عمليتين: العملية الأولى تشمل تفاعل الغاز الطبيعي (الميثان) مع بخار الماء.

في العملية الأولى يكون التفاعل ممتصّا للحرارة، في حين أنه في العملية الثانية يكون التفاعل طاردًا للحرارة، بحيث يزداد معدل التفاعل الأول بالنسبة للتفاعل الثاني كلما ارتفعت درجة الحرارة.

يحتاج تفاعل الميثان مع البخار إلى حفاز في حرارة أقل من 1300°م. وأغلب الحفازات هنا تحتوي على نيكل.

نظرًا لأن تفاعل الميثان مع البخار يكون نسبة عالية من الهيدروجين، فإنه عادة ما يستخدم هذا التفاعل كمصدر للهيدروجين اللازم لصناعة الأمونيا. ويتم هنا تحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون بالتفاعل مع بخار الماء.

الطريقة الثانية لتحضير غاز التشييد من الغاز الطبيعي: تشمل الاحتراق الجزئي في وجود كمية محدودة من الهواء أو الأوكسجين. وهذه العملية طاردة للحرارة، ولا تحتاج إلى حرارة خارجية، وتُعدّ اقتصاديًّا أرخص من الطريقة الأولى. ويسير التفاعل هنا طبقًا للآتي:

80% من الإنتاج العالمى للأمونيا يرجع الفضل فيه إلى الهيدروجين الناتج من الغاز الطبيعي، والذي يشكل 70% من مصادر الهيدروجين. أما باقي مصادر الهيدروجين (30%) فهي تنتج من النافثا والمقطرات الثقيلة.

عادة ما يكون الغاز الطبيعي مشوبًا بمركبات كبريتية (كبريتيد الهيدروجين)، وذلك يستلزم إزالتها بواسطة إمرار الغاز فوق طبقات محملة بحفازات الكربون وأكسيد الزنك في حرارة 400°م. أما في حالة نزع المركبات الكبريتية من النافثا فتستخدم لذلك وحدات نزع الكبريت بالهدرجة في حرارة 400°م وضغط 35 - 40جو في وجود هيدروجين، والمرور فوق حفازات الكوبالت والموليبدنيوم التي تضمن نزع الكبريت بالكامل.

الجدير بالذكر أن الطن من الغاز الطبيعي (ميثان) ينتج 2 طن أمونيا، في حين أن طن نافثا ينتج 1.7 طن أمونيا، وذلك بالنسبة للإنتاج العالمي الحالي خلال العقدين الأخيرين.