تطبيق تحليل NMR في صناعة النفط
يعد النفط مادة حيوية واستراتيجية للغاية في عالم اليوم، حيث تعد تغيرات أسعاره أحد المكونات الاقتصادية الرئيسية للعديد من البلدان. في هذه المقالة ستتعرف أولاً على النفط وأنواع هياكله وأنواعه واستخدامات ومضاعفات استخدام النفط، وبعد ذلك سنناقش تطبيق تحليل NMR كتقنية مستخدمة على نطاق واسع جدًا في صناعة النفط.
يعتبر النفط أحد أهم مصادر الطاقة في العالم، وهو مادة طبيعية، ويعتبر أحد أسس الاقتصاد البشري والصناعة. وقد تم اكتشاف هذه المادة قبل المیلاد بعدة آلاف السنين في مناطق مختلفة، ومنذ ذلك الحين وحتى اليوم، لعبت دورا رئيسيا في تقدم الحضارات وتطور المجتمعات البشرية. ومن ناحية أخرى، يتم توريد النفط إلى الأسواق العالمية باعتباره مادة ذات قيمة ويلعب دورا هاما في التجارة الدولية. ونتيجة لذلك، وباعتباره أحد المكونات الاقتصادية الرئيسية للعديد من البلدان، فإن التغيرات في أسعار النفط يمكن أن يكون لها آثار واسعة النطاق على الاقتصادات العالمية.
تطبيق تحليل NMR في صناعة النفط
التعرف على بنية النفط
البترول عبارة عن خليط معقد من الهيدروكربونات والمركبات ذات الصلة التي يتم استخراجها من باطن الأرض. يتم النظر إلى بنية النفط كمادة طبيعية بطريقة متنوعة للغاية، لكن مكوناته الرئيسية تشمل الهيدروكربونات والمركبات العضوية والمركبات غير العضوية. بشكل عام، تنقسم بنية النفط إلى قسمين رئيسيين:
الهيدروكربونات: تتكون الغالبية العظمى من النفط من الهيدروكربونات، وهي مركبات من الماء والكربون. تنقسم الهيدروكربونات إلى قسمين:
الهيدروكربونات الأليفاتية: تشمل هذه الفئة الهيدروكربونات التي توجد بكثرة في النفط وغالباً ما توجد على شكل غاز أو سوائل أخف من الماء، وتتواجد عادة في الطبقات العليا من الأرض. على سبيل المثال، الميثان والإيثان والبروبان والبيوتان تقع في هذه الفئة.
الهيدروكربونات الثقيلة: تشمل هذه الفئة الهيدروكربونات التي توجد بشكل سائل أو صلب في الطبقات السفلى من الأرض. تحتوي هذه الهيدروكربونات عادةً على سلاسل أطول من ذرات الكربون، على سبيل المثال، يمكننا أن نذكر النفط الخام والديزل (جازولین)والبنزين والمازوط.
المركبات العضوية وغير العضوية: في بعض الحالات، يحتوي النفط أيضًا على مركبات عضوية وغير عضوية إضافية. وتشمل هذه المركبات الأكسجين والنيتروجين والكبريت والمعادن المختلفة. توجد هذه المركبات عادةً بكميات أقل في النفط وقد تؤثر على جودة المنتجات البترولية وخصائصها النهائية.
هيكل النفط متغير بشكل كبير، واعتمادًا على مصدر الاستخراج، والبيئة المرغوبة وظروف الأرض، يمكن أن تختلف التركيبات وكمية الملوثات. وهذا التنوع في البنية يؤدي إلى تحويل النفط إلى منتجات مختلفة مثل الديزل والبنزين والمازوط والزفت وغيرها، والتي تستخدم في الصناعة والطاقة والتجارة العالمية.
التعرف على بنية النفط
أنواع النفط
من المعروف أن النفط، باعتباره خليطًا معقدًا من الهيدروكربونات والمركبات ذات الصلة، يتميز النفط بالعديد من الاختلافات في البنية والخصائص. تحدث هذه الاختلافات على مستويات مختلفة، بما في ذلك التركيب الجزيئي، والكثافة، واللزوجة (viscosity)، ومحتوى الكبريت، ومحتوى الماء، وما إلى ذلك. بشكل عام، ينقسم النفط إلى عدة فئات مشتركة، نذكر بعضها أدناه:
النفط الخام الخفيف: يحتوي هذا النوع من النفط على الهيدروكربونات الأليفاتية ذات سلاسل قصيرة وعادةً ما تكون كثافته ولزوجته أقل من الأنواع الأخرى. ويستخدم النفط الخام الخفيف كمادة خام لإنتاج البنزين والمنتجات الخفيفة الأخرى.
النفط الخام المتوسط: يقع هذا النوع من النفط بين النفط الخفيف والثقيل. وهي تحتوي على سلاسل كربون متوسطة الطول وتستخدم عادة لإنتاج منتجات وسيطة مثل الديزل و المازوط.
النفط الخام الثقيل: يحتوي هذا النوع من النفط على سلاسل طويلة وهيدروكربونات ثقيلة. یتميز هذا النفط عادة بكثافة ولزوجة عالية ویستخدم لإنتاج منتجات ثقيلة مثل المازوط.
النفط الأزرق: النفط الأزرق أو البيتومين هو نوع من النفط الثقيل الذي يتواجد بشكل طبيعي في طبقات الأرض. يتميز هذا النفط بكثافة عالية ولزوجة عالية. عادة ما يتطلب الاستخراج من مصادر النفط المائي عمليات استخلاص خاصة.
النفط الصخري(shale oil): النفط الصخري هو النفط المستخرج من صخور shale. ويتميز هذا الزيت بخصائص مختلفة عن النفط الخام التقليدي وهناك عمليات خاصة لاستخراجه ومعالجته.
تطبيقات النفط
يلعب النفط، باعتباره مصدر الطاقة الأساسي والمادة الخام الأساسية في إنتاج المنتجات المختلفة، دوراً هاماً جداً في الصناعات والتجارة والحياة اليومية للإنسان. وفيما يلي سنذكر بعض الاستخدامات الرئيسية للنفط:
الوقود الأحفوري: أحد الاستخدامات الرئيسية للنفط هو إنتاج الوقود الأحفوري. ويستخدم هذا الوقود في السيارات ومحطات الطاقة والطائرات والسفن والآلات المختلفة لإنتاج الطاقة والحركة. وتنقسم المنتجات البترولية عادة إلى ثلاث فئات: البنزين (للاستخدام في السيارات)، والجازولین (لمحركات الديزل)، والمازوط (لمحطات الطاقة والنقل البحري).
المواد الخام الكيميائية: يستخدم النفط كمادة خام مهمة في إنتاج المنتجات الكيميائية مثل البلاستيك والمطاط والراتنجات والدهانات والزفت الأسود والغازات الصناعية والأدوية.
توليد الكهرباء: يستخدم النفط في محطات الطاقة الحرارية لتوليد الكهرباء. في محطات الطاقة هذه، يتم حرق النفط وتحويل الحرارة المنتجة إلى بخار، والذي يقوم بعد ذلك بتدوير التوربينات وإنتاج الكهرباء.
وقود الطائرات: يستخدم النفط أيضًا كوقود للطائرات.
الحفر وإنتاج البتروكيماويات: يستخدم النفط كمصدر رئيسي لإنتاج البتروكيماويات مثل الأمونيا والميثانول والإيثيلين والبوليمرات. وتستخدم هذه المواد في إنتاج المواد البلاستيكية والأسمدة والمنظفات والمنتجات الكيميائية الأخرى.
إنتاج المنتجات النفطية: يتم تحويل النفط الخام إلى منتجات مثل زيت المحركات وزيت التدفئة وزيت الطهي والصابون.
صناعة الأدوية: يتم الحصول على العديد من المواد الصيدلانية من المركبات المشتقة من البترول والتي تستخدم في إنتاج الأدوية.
الاستهلاك في الحياة اليومية: يستخدم النفط أيضًا في إنتاج المطهرات ومنتجات النظافة والإطارات والدهانات ومستحضرات التجميل.
استخدام النفط
آثار النفط
إن استخدام النفط وإنتاج المنتجات النفطية، بالإضافة إلى الفوائد العديدة المذكورة، يجلب أيضًا تعقيدات وتحديات، والتي سيتم شرحها بالكامل أدناه:
التلوث البيئي: أحد الآثار الجانبية الرئيسية لاستخدام النفط والمنتجات النفطية هو التلوث البيئي. يعد تدمير النظم البيئية وتلوث الهواء والماء والتربة من الآثار الجانبية لاستخراج النفط ونقله ومعالجته.
تغير المناخ: يؤدي احتراق الوقود الأحفوري البترولي إلى زيادة انبعاث الغازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى تغير المناخ. وتشمل هذه التغييرات الاحتباس الحراري وذوبان الأنهار الجليدية وتغير أنماط المطر.
المعاناة من الأزمات الاقتصادية: يمكن أن يؤدي التنقيب عن النفط وإنتاجه في العديد من الدول إلى الاعتماد على هذا المصدر للطاقة والاحتيال المالي. كما أن التقلبات في أسعار النفط كسلعة عالمية يمكن أن تؤثر على اقتصادات البلدان.
مخاطر الحوادث النفطية: يمكن أن تؤدي الحوادث النفطية مثل انسكابات النفط من أساطيل النقل البحري وتسربات النفط في البحيرات والأنهار وانفجار خزانات النفط وحوادث محطات الطاقة الحرارية إلى التلوث والدمار البيئي بالإضافة إلى آثار بيولوجية واقتصادية ضارة.
زيادة الاعتماد على مناطق معينة: قد تصبح الدول التي تتاجر مع دول أخرى بسبب امتلاكها موارد نفطية تعتمد بشكل كبير على هذه المناطق لتلبية احتياجاتها من الطاقة، مما قد يسبب مشاكل في أوقات التوترات العالمية.
التأثيرات على صحة الإنسان: يمكن أن يؤدي تلوث الهواء والماء الناجم عن الأنشطة النفطية إلى مشاكل صحية للإنسان. كما أن الحوادث النفطية مثل الانفجارات والحوادث يمكن أن يكون لها عواقب وخيمة على حياة الإنسان وصحته .
الآثار على المجتمعات المحلية: قد يؤدي استخراج النفط في المناطق المحلية إلى تدمير تاريخ وثقافة وحياة السكان المحليين. كما أن ارتفاع التوقعات الاقتصادية وخلق فرص العمل خلال فترة النشاط النفطي قد يؤدي إلى تدمير التنوع الاقتصادي في المنطقة.
تدمير الموائل الطبيعية: يمكن أن يؤدي الحفر وإنتاج النفط إلى تدمير مناطق الموائل مثل الغابات والصحاري والمناطق المائية ويؤدي إلى تهديد وانقراض العديد من الأنواع الحيوانية والنباتية.
التعرف علی تحليل NMR
تحليل الرنين المغناطيسي النووي (NMR) هو أسلوب في الكيمياء يستخدم لفحص وتحديد خصائص الجزيئات والمركبات الكيميائية. تعتمد هذه التقنية على تفاعل النوى الذرية مع المجال المغناطيسي وطاقتها المغناطيسية استجابة لهذا المجال.
أنواع تطبيق تحليل NMR في صناعة النفط
يستخدم تحليل NMR لتحديد خصائص النفط الخام والمنتجات ذات الصلة بدقة وفيما يلي نذكر تطبيق هذا التحليل في صناعة النفط الخام:
تحليل المركبات البترولية: تساعد هذه التقنية على تحديد وقياس المركبات البترولية مثل: الهيدروكربونات، والأحماض العضوية، والراتنجات، والإسفلتين وغيرها. يساعد هذا التحليل التفصيلي صناعة النفط على تصور النفط الخام بشكل أكثر دقة وتسهيل عمليات التكرير والتحسين.
تحديد الخواص الفيزيائية للنفط: هذه التقنية قادرة على تحديد الخصائص الفيزيائية الهامة مثل: الكثافة، اللزوجة، النفاذية ومستوى التشبع للزيت. هذه المعلومات مهمة في تصميم وتحسين إنتاج النفط وعمليات النقل والتخزين.
تحديد الملوثات: تساعد هذه التقنية على تحديد وقياس الملوثات المختلفة في النفط مثل: الماء، الأملاح، الغازات المغذية، والمواد الصلبة. يمكن لهذه العناصر تقليل التأثيرات السلبية على جودة النفط وتحليل المشكلات التشغيلية.
الكشف عن التغيرات في النفط الخام: يمكن أن تؤدي التغيرات مثل التغيرات في درجة الحرارة والضغط في مكامن النفط إلى تغيرات في جودة وخصائص النفط الخام، ويمكن لهذه التقنية اكتشاف هذه التغييرات وتحليل خصائص النفط.
التحكم في العمليات: تساعد هذه التقنية على التحكم في الجودة في وحدات التكرير والجمع بين النفط الخام والمنتجات المصنعة. يمكن أن تساعد هذه التقنية في الكشف في الوقت المناسب عن التغييرات والتقلبات في العمليات.
البحث والتطوير: تستخدم هذه التقنية في أبحاث صناعة النفط كأداة قوية لدراسة التغيرات الكيميائية والفيزيائية والهيكلية للنفط والمنتجات المختلفة، بما في ذلك المواد المركبة الجديدة.
بشكل عام، يوفر استخدام تحليل NMR في صناعة النفط معلومات مهمة حول تكوين النفط وخصائصه وجودته ويلعب دورًا مهمًا في تحسين كفاءة العمليات وتحسين إنتاج النفط ومعالجته.
