ثانياً: العمليات الكيميائية "التحويل" Conversion

تختلف العمليات التحويلية عن عمليات التقطير الجوي والتقطير تحت التفريغ، التي يتم بواسطتها الحصول على المنتجات البترولية بطرق الفصل الفيزيائي للبترول، إلى قطفات تختلف درجات غليانها، فالعمليات التحويلية هي عملية كيميائية، تجري تحت تأثير الحرارة والضغط أو بالعوامل المساعدة، والهدف منها زيادة كمية وقود السيارات والنفاثات وجودته، حيث يتم فيها تغير جزيئات الأيدروكربونات الموجودة في البترول، وتشمل هذه العمليات التحويلية: التكسير الحراري، أو التكسير بالعامل المساعد، وإصلاح البنزين، والألكلة، والأزمرة والبلمرة.

1. العمليات التحويلية الحرارية

أ. التكسير الحراري THERMAL CRACKING

تعد عملية التكسير في جوهرها من عمليات التأثير الحراري، حيث تستخدم الحرارة العالية في تقسيم جزيئات الزيت الثقيلة أو الكبيرة، بعد ترتيبها إلى جزيئات صغيرة، ويمكن عن طريق تكسير المازوت المتخلف من عملية التقطير الابتدائي للزيت الخام، الحصول على بنزين إضافي من نوع جيد. وقد استخدمت طريقة التكسير على نطاق تجاري للمرة الأولى في عام 1913م، فبتعرض الزيت الخام إلى درجات حرارة مرتفعة، وتحت ضغوط عالية، تحدث عملية تكسير الجزيئات الهيدروكربونية الكبيرة إلى جزيئات أصغر. وبهذه الطريقة، أمكن تحويل المنتجات الثقيلة إلى منتجات خفيفة مثل البنزين. وأمكن بهذا الاكتشاف زيادة كميات البنزين المنتجة، فضلاً عن إدخال تحسين مهم من حيث النوع، إذ إن البنزين الناتج من عمليات التكسير الحراري كان أحسن بكثير من حيث مميزات منع الخبط "السقف" في محركات الاحتراق الداخلي، بالمقارنة بالبنزين الناتج من عمليات التقطير العادية.

وبتعرض جزيئات البارافينات إلى الحرارة العالية والضغط يتم تكسير الجزيء إلى بارافين وأوليفين.

أما الأوليفينات الناتجة فتكون غير مستقرة وتحدث فيها التفاعلات الآتية:

(1) مزيد من التكسير إلى أوليفينات صغيرة.

(2) بلمرة الأوليفينات الصغيرة المتكونة.

(3) الأوليفينات الكبيرة تتحول إلى أيدروكربونات حلقية "نافثينية".

(4) نزع الأيدروجين من النافثينات وتكوين العطريات.

(5) تكاثف العطريات؛ مما يؤدي في النهاية إلى تكوين الكوك.

ب. التفحيم COKING

تتم عملية تفحيم المازوت المتبقي عند درجات حرارة عالية، وذلك لإنتاج فحم كوك بترولي. وبالاعتماد على نوعية المواد الأولية وظروف العملية يمكن أن تنتج 15-38% كوك تجاري، 49-77% منتجات سائلة، منها 7-17% قطفة بنزين، وكذلك 5-12% غازات حتى ذرة كربون 4. وقد تطورت عملية التفحيم لمقابلة الطلب على إنتاج الكوك المستخدم في  أقطاب التحليل الكهربي.

ج. البيروليز PYROLYSIS

تتم عملية البيروليز على الغازات مثل الإيثان وحتى البيوتان، وكذلك على المقطرات الخفيفة مثل البنزين منخفض الأوكتان "النافتا". وغالبًا ما تتم عند درجة حرارة عالية تصل إلى 850°م، والهدف الرئيس منها إنتاج غازات الإيثيلين والبروبلين والبيوتيلين، وهي المواد الأولية لصناعة البتروكيماويات، وكذلك إنتاج العطريات مثل البنزول والطولوين والزيلين.

2. عملية التكسير بالعامل المساعد Catalytic cracking

استخدمت طريقة التكسير بالعوامل المساعدة للمرة الأولى على أساس تجاري في عام 1936م. وهذه الطريقة تمتاز بمميزات كثيرة على طريقة التكسير بالحرارة، فهي تنتج بنزينًا من نوع أجود مما ينتج في التكسير الحراري، وبدون الحاجة إلى ضغط عال، ويتحقق ذلك باستخدام عامل حفاز "عامل مساعد" هو مادة تزيد من سرعة التفاعل الكيميائي، دون أن تتعرض لأي تغير كيميائي.

وهناك نوعان من التكسير بالعامل المساعد، الأولى يستخدم فيها العامل المساعد فقط، والثانية تستخدم العامل المساعد في وجود غاز الأيدروجين، الذي ينتج بطريقة رخيصة بوصفه منتجًا ثانويّا في العمليات البترولية، تحت ضغط يصل إلى 30 جوي، ودرجة حرارة منخفضة، وتسمى التكسير الأيدروجيني Hydrocracking. وأهم عامل مساعد يستخدم في هذه الطرق هو نوع من ألومينو سيليكات المخلقة "الزيوليت"، المكون من 12% ألومينا  88% سيليكا. ومن أكثر طرق التكسير بالعامل المساعد استخدامًا طريقة التكسير بالعامل المساعد في طبقة مميعة، وفيها يكون العامل المساعد المستخدم مسحوقًا دقيقًا يصير شبيهًا بالسائل عند تعرضه لتيار هواء، حيث إنه عند ترسب الكربون على العامل المساعد، يقلل من كفاءته ويفقد تأثيره "تسمم للعامل المساعد"، فيتم سحب العامل المستهلك وينفخ فيه تيار هواء ساخن، فيعيد العامل المساعد إلى غرفة تجديده، وفيها يحرق الكربون ويعود العامل المساعد صالحًا للاستخدام مرة أخرى. واستخدام العامل المساعد في عمليات التكسير ليس فقط لزيادة  سرعة التفاعل، ولكنه يؤدي إلى تحسين خواص المنتج كذلك، ويقلل من تكوين الأيدروكربونات عديمة الفائدة. وجودة البنزين الناتج تأتي من تكوين البارافينات المتفرعة، وكذلك الأيدروكربونات العطرية ذات رقم الأوكتان العالي. (اُنظر جدول مقارنة بين التكسير الحراري والتكسير بالعامل المساعد)

3. الإصلاح الحفزي للبنزين Reforming 

يسمح الإصلاح بالحفز "بالعامل المساعد" بتحويل البنزين ذي العدد الأوكتاني المنخفض الناتج من التقطير، أو من التكسير الحراري، أو التكسير بالعامل المساعد، إلى بنزين ذي عدد أوكتاني مرتفع. وإلى جانب ذلك، يمكن الحصول على الأيدروكربونات الأروماتية "البنزول والطولوين والزيلينات والأيثيل بنزول" التي تعد خامات مهمة في الصناعة البتروكيماوية. ولذلك أصبحت هذه العملية إحدى العمليات المهمة في صناعة معالجة البترول.

وتتم بتعرض البنزين إلى معالجة حرارية "في وجود عامل مساعد" تشبه عملية التكسير، ولكن في زمن قليل جدّاً. ويجري الإصلاح بالحفز "العامل المساعد" في الصناعة باستخدام البلاتين أو الموليبدنم عاملاً مساعدًا محمّلاً على الألومينا أو الألومينا والسيليكا. والإصلاح بالبلاتين Platforming يستخدم بكثرة، وينتج منها بنزين عالي الأوكتان يصل حتى 98 أوكتان، بدون إضافة السائل الأيثيلي للرصاص. وتتم العملية كذلك تحت تأثير إعادة دورة الغاز المتكون في العملية والمحتوي على 80% إيدروجين، وهذا الغاز يعدّ مصدرًا رخيصًا للأيدروجين، لذلك يستخدم في جميع العمليات البترولية وخصوصًا عملية المعالجة بالأيدروجين وعملية التكسير بالأيدروجين، والتفاعلات الكيمائية التي تحدث في عملية الإصلاح الحفزي هي:

أ. نزع الأيدروجين من النافثينات "الأيدروكربونات الحلقية المشبع"

ب. التكسير بالأيدروجين

وعملية الأزمرة ملازمة لعملية التكسير بالأيدروجين لتكوين بارافينات متفرعة.

ج. تكوين المركبات الحلقية من الأيدروكربونات البارافينية مع نزع الأيدروجين

د. تفاعلات الأزمرة

وتتم للأيدروكربونات البارافينية ذات الوزن الجزيئي المنخفض، مثل تحول البيوتان العادي والبنتان العادي إلى الأيزوبيوتان والأيزوبنتان. كذلك أزمرة النفثينات الحلقية ذات الحلقة الخماسية إلى الحلقة السداسية مثل:

بالإضافة إلى التفاعلات السابقة تجري أيضاً، أثناء عملية الإصلاح الحفزي، تفاعلات هدرجة المركبات الكبريتية والنتروجينية.

وهذه المركبات الكبريتية والنتروجينية تسبب تسممًا "إقلال كفاءة العامل المساعد"، لذلك تجري هذه العملية "المعالجة بالأيدروجين" لإزالة المركبات الكبريتية والنتروجينية منفصلة قبل عملية الإصلاح.

والبنزين الناتج من عملية الإصلاح الحفزي "البنزين المحسن"، يكون غنيّا بالأيدروكربونات المتفرعة وكذلك الأروماتية، وهذا هو السبب في ارتفاع رقمه الأوكتاني، وغالبًا لا يحتوي على الكبريت؛ وبذلك تكون له خواص جيدة مانعة للخبط.

4. عمليات باستخدام الغازات البترولية

تستخدم قطفات غازات "البروبان -بروبلين" و"البيوتان - بيوتيلين" الناتجة من تجزئ الغازات البترولية في إنتاج بنزين عالي الأوكتان؛ وذلك بعمليات البلمرة والألكله:

أ. عمليات الأزمرة للبارافينات الخفيفة

تستخدم عملية الأزمرة لتحويل الأيدروكربونات ذات التركيب العادي إلى أيدروكربونات ذات بناء متفرع.

ومن أمثلة ذلك أزمرة البيوتان العادي "قليل النشاط" إلى الأيزويبوتان

والأيزوبيوتان الناتج يستخدم، بعد ذلك، في عملية الألكلة والبلمرة، ومن أهم العوامل الحفازة المستخدمة في عمليات الأزمرة كلوريد الألمنيوم، مع منشط مثل غاز كلوريد الأيدروجين.

بعد ذلك، يتم نزع الأيدروجين بالعوامل الحفازة، مثل أكاسيد بعض الفلزات، من الأيزوبيوتان لإنتاج الأيزوبيوتيلين

ب. عمليات البلمرة Polymerization

البلمرة ـ كما هو معروف ـ هي اتحاد جزيئين أو أكثر من مركب ما، لتشكيل مركب آخر ذي وزن جزيئي أكبر. أي أن البلمرة هي عكس التكسير. ففي أي  عمليات للتكرير تتكون هيدروكربونات غازية، ويتم ذلك بوضوح وبشكل بارز في عمليات التكسير. وإذا عرضت الغازات لدرجات حرارة مرتفعة ولضغوط عالية يمكن التحكم فيها، فإن جزيئاتها تتحد "تتبلمر" في جزيئات أكبر مكونة منتجات سائلة تسمى البلمرات Polymers، وفي بعض الحالات تستخدم غازات معامل التكرير والغازات  من المصادر الطبيعيه سويّا في عمليات البلمرة، والمنتج النهائي في هذه العملية قد يكون مركزًا عالي الأوكتان "الجازولين البوليميري"، وهي خامة للخليط تستخدم في إنتاج البنزين عالي الأوكتان

والجازولين البوليميري ينتج من بلمرة البيوتيلين

ج. ألكلة الأيزوبيوتان بواسطة الأوليفينات

تعدّ عملية الألكلة إحدى العمليات العالية الفعالية المستخدمة في الحصول على مركبات البنزين ذات العدد الأوكتاني المرتفع، ويمكن التعبير عن تفاعل الألكلة بالاوليفينات بالمعادلة العامة الآتية:

وتجري الألكلة عند درجات حرارة وتحت ضغوط معتدلة في وجود العوامل الحفازة، ويعدّ حمض الكبريتيك وحمض الأيدروفلوريك أو كلوريد الألمنيوم أكثر العوامل الحفازة فعالية في عمليات الألكلة

إيزوبيوتان

"مركز عالي الأوكتان يستخدم في عمليات الخلط"

وحيث إن ظروف إجراء تفاعل الألكلة هي ظروف مناسبة لسريان تفاعل بلمرة الأولفينات، ولمنع التفاعل الأخير، تجري عملية الألكلة في وجود فائض كبير 4-8 مرات من الأيزو بارافينات.