سوالات و اطلاعات شیمی - آرشیو 1396/2

ارزیابی نفت خام و روش های تفكیك (Condensate) 

ارزیابی نفت خام و روش های تفكیك (Condensate)

نفتی كه از چاه بیرون می آید همواره مقداری آب و رسوبات گازی به همراه دارد. در واحد بهره برداری هدف آن است كه این مواد را از نفت خام جدا كنند . نفت خام را به پالایشگاهها می فرستند (جهت تصفیه شدن) و یا اینكه از طریق ترمینال ها آن را صادر می كنند. می دانیم كه پالایشگاهها بر اساس نوع خوراک آنها طراحی می شوند.

در این واحد ابتدا یك سری آزمایشات مقدماتی مثل اندازه گیری مقدارash, N2,O2,H2O را روی نفت خام انجام می دهند. پس از آن به شناخت تركیب نفت خام بااستفاده از ستون تقطیر و روش غیر پیوسته می پردازند.

دراین روش مقداری نفت خام را داخل Flask قرار داده و حرارت می دهند.

در بالای Flask ستون تقطیر قرار دارد و کمی بالاتر یك Condenser قرار گرفته است. در آنجا یك دماسنج قرار دارد كه با استفاده از آن Cut point ها رامی توانیم بخوانیم و برش های مختلف را در زمان مناسب جدا كنیم . در مورد گازهای هیدرو كربوری سبك با استفاده از هوا مایع گازهایی مثل پروپان و بوتان را مایع می كنند. هر قدر عمل تقطیر ادامه یابد و جداسازی بیشتر صورت گیرد، هیدروكربورهای داخل سنگین تر می شوند، اما اگر دما از حد مشخص بالاتر رود عمل كراكنیگ صورت می گیرد. چون هدف ما پی بردن به تفكیك نفت خام می باشد باید به شدت مراقب باشیم تا دما از یك حدی بالاتر نرود و كراكنیگ صورت نگیرد. در ستون تقطیر آزمایشگاهی ابتدا NGL ، آب ، بنزین ، نفت سفید و گاز جدا می شوند.

در این مرحله هیدروكربورهای باقی مانده به شدت ویسكوز شده اند و باید از فرآیندهای دیگری برای ادامه عملیات استفاده كنیم. بعد از این مراحل هریك از تركیبات بدست آمده را به واحدهای بعدی می فرستند تا آزمایشاتی برای تعیین مشخصات هریك از آنها انجام گیرد. روغن ها را نیز برای تصفیه به سایر واحدها می فرستند. دیواره ستون تقطیر ذكرشده در فوق را دو جداره و جیوه اندود می كنند تا از هدر رفتن گرما جلوگیری شود.

تولید اسید سیتریك از كاه گندم به روش تخمیر حالت جامد

فهرست مندرجات

دیباچه......................................................................................................................... 1

فصل اول: شناخت كلی اسید سیتریك ....................................................................... 2

مقدمه.......................................................................................................................... 3

1-1) پیشینه................................................................................................................ 4

1-2) سوبستراهای استفاده شده بای تولید اسید سیتریك........................................ 6

1-3)  خواص فیزیكی اسید سیتریك ......................................................................... 7

1-4) خواص شیمیایی اسید سیتریك ........................................................................ 11

1-5) منابع طبیعی اسید سیتریك ............................................................................... 13

1-6) كاربرد اسید سیتریك ....................................................................................... 15

1-7) مشتقات اسید سیتریك ..................................................................................... 20

1-7-1) نمكها............................................................................................................. 20

1-7-2) استرها.......................................................................................................... 21

فصل دوم: بیوشیمی تخمیر و متابولیسم تولید اسید سیتریك ................................... 23

2-1) بیوشیمی تخمیر................................................................................................. 24

2-2) بیو شیمی تخمیر................................................................................................ 24

2-2-1) تشكیل اسید سیتریك از پیرووات................................................................. 27

فصل سوم: روشهای تولید اسید سیتریك ................................................................ 31

3-1) M.O های مولد اسید سیتریك.......................................................................... 32

3-1-1) مخمرها......................................................................................................... 33

3-1-2) آسپرژیلوس نایجر........................................................................................ 33

3-1-2-1) روش جداسازی سویه A.niger مولد اسید سیتریك ............................. 34

3-1-2-2) شناسایی اختصاصی A.niger................................................................ 35

3-2) روش كشت سطحی ......................................................................................... 37

3-3) روش كشت غوطه‌ور ....................................................................................... 37

3-4) تخمیر در بستر جامد........................................................................................ 38

3-4-1) روش تخمیر كوجی....................................................................................... 38

3-5) تأثیر شرایط محیطی بر تولید اسید سیتریك .................................................... 39

3-5-1) شرایط تغذیه‌ای A.niger ........................................................................... 39

3-5-2) تأثیر فلزات trace در تولید اسید سیتریك .................................................. 40

3-5-3) تأثیر نیتروژن و فسفر در تولید اسید سیتریك ............................................ 40

3-5-4) تأثیر متانول در تولید اسید سیتریك ............................................................ 41

فصل چهارم: تخمیر در بستر جامد (SSF) .............................................................. 42

4-1) تعریف كشت حالت جامد................................................................................... 43

4-2) تفاوتهای اساسی بین كشت حالت جامد و كشت غوطه ور............................... 44

4-3) مقایسة كشت حالت جامد با سایر فرآیندهای تخمیری .................................... 46

4-4) مزایایی سیستم كشت حالت جامد .................................................................... 48

4-5) معایب سیستم كشت حالت جامد....................................................................... 48

4-6) مراحل اصلی فرآیند كشت حالت جامد ............................................................ 49

4-7) پارامترهای مؤثر بر فرایند SSF در تولید اسید سیتریك ................................ 50

فصل پنجم: كاه گندم ................................................................................................. 52

5-1) تعریف كاه و ویژگیهای ساختاری ................................................................... 53

5-1-1) كربوهیدراتهای ساختمانی ........................................................................... 54

5-1-1-1) سلولز ...................................................................................................... 54

5-1-1-2) همی سلولز............................................................................................... 55

5-1-1-2) لیگنین ...................................................................................................... 55

5-2) تركیب شیمیایی كاه گندم ................................................................................. 59

5-3) پیش تیمار (Pretreatment) كاه گندم ............................................................ 59

5-3-1) روشهای فیزیكی پیش تیمار كاه گندم ......................................................... 60

5-3-1-1) پیش تیمار كاه گندم با بخار .................................................................... 60

5-3-2) روشهای شیمیایی پیش تیمار كاه گندم ....................................................... 61

5-3-2-1) پیش تیمار كاه با اوره ............................................................................. 63

5-3-3) پیش تیمار بیولوژیكی كاه گندم ................................................................... 63

فصل ششم: جداسازی و خالص‌سازی اسید سیتریك .............................................. 64

6-1) استخراج اسید سیتریك .................................................................................... 65

6-1-1) فروشویی (Leaching)................................................................................ 65

6-1-2) روش رسوبگیری ........................................................................................ 66

6-1-3) روش استفاده از استخراج با حلال ............................................................. 68

6-1-4) روش استفاده از غشاء ................................................................................ 69

6-1-5) مقایسه بین روشهای مختلف جداسازی اسید.............................................. 70

6-2) خالص سازی اسید سیتریك ............................................................................ 71

فصل هفتم: بررسی جنبة اقتصادی ........................................................................... 73

7-1) كشورهای عمدة‌ تولید كننده و مصرف كنندة محصول ................................... 74

7-2) اهمیت اقتصادی طرح ....................................................................................... 74

7-3) میزان واردات اسید سیتریك ............................................................................ 75

7-4) واحدهای تولیدی و واحدهای در دست اجرای اسید سیتریك ......................... 78

منابع مورد استفاده ................................................................................................... 81

دیباچه

تولید اسیدهای آلی به دلیل كاربرد وسیع آنها در صنایع مختلف از دیرباز مورد مطالعه و بررسی بوده است.

از جمله اسیدهای آلی مورد استفاده، اسید سیتریك است كه دارای مصارف متعددی در صنایع غذایی، دارویی، بهداشتی و سایر صنایع می‌باشد كه به دلیل غیرسمی بودن، اسیدیتة مناسب، قابلیت بافری و . . .  هر سال به مقدار %2-3 بر میزان مصرف آن افزوده  می‌گردد.

از اولین كشورهایی كه در این زمینه تلاش كردند، ایتالیا، آمریكا، انگلستان و چند كشور اروپایی بودند كه در قرون 18 و 19 به روش شیمیایی اقدام به این عمل نمودند و تقریباً از اوایل قرن 20 روشهای بیوتكنولوژی در سراسر دنیا رایج شدند كه هنوز هم كاربرد دارند.

ابتدا روش بستر جامد برای تولید آن استفاده می‌شد ولی به تدریج روش غوطه وری جایگزین روشهای قبلی شد زیرا در روش غوطه‌وری كنترل بهتر و آسانتر صورت گرفته و نیز شرایط كار بهتر و راندمان بیشتر می‌باشد. مجدداً پس از طی چند دهه روش بستر جامد برای تولید این اسید به دلیل امكان استفاده از ضایعات فراوان و ارزان كشاورزی به عنوان سوبسترا رواج یافت. به هر حال در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی برای اصلاح گونه‌های میكروبی مولد اسید سیتریك مخصوصاً آسپرژیلوس نایجر صورت گرفته و از جهت افزایش راندمان تولید و استخراج اسید نیز مورد توجه بوده است.

مقدمه

اسید سیتریك یك تری كربوكسیلیك اسید 6 كربنه با فرمول ساختمانی زیر است:

نام شیمیایی آن، 2- هیدروكسی 1 و 2 و 3 پروپان تری كربوكسیلیك اسید است.

فرمول شیمیایی:  

اسید سیتریك جزء طبیعی و متابولیت مشترك گیاهان و حیوانات است و به صورت خیلی  گسترده در صنایع غذایی، نوشیدنی و دارویی و غیره استفاده می‌شود. به علت دارا بودن گروههای عاملی مختلف و قابلیت زیست تخریب پذیری، اسید سیتریك و نمكهای آن (عمدتاً Na و K ) كاربردهای صنعتی خیلی زیاد در زمینه‌های مختلف دارند

علم شیمی

شاخه‌ای از علوم تجربی است که از یک سو درباره شناخت خواص ، ساختار و ارتباط بین خواص و ساختار مواد و قوانین مربوط به آنها بحث می‌کند. از سوی دیگر ، راههای تهیه ، استخراج مواد خالص از منابع طبیعی ، تبدیل مواد به یکدیگر و یا سنتز آنها به روشی که به صرفه مقرون باشد، مورد بحث و بررسی قرار می‌د‌هند. این علم با ترکیب و ساختار و نیروهایی که این ساختارها را برپا نگه داشته است، سروکار دارد.

شرح تفصیلی درباره چگونگی واکنش‌ها و سرعت پیشرفت آنها ، شرایط لازم برای فراهم آوردن تغییرات مطلوب و جلوگیری از تغییرات نامطلوب ، تغییرات انرژی که با واکنش‌های شیمیایی همراه است، سنتز موادی که در طبیعت صورت می‌گیرد و آنهایی که مشابه طبیعی ندارند و بالاخره روابط کمی جرمی بین مواد در تغییرات شیمیایی در علم شیمی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

پیدایش دانش شیمی (Chemistry science)

انسان از بدو خلقت که بناچار پیوسته با اشیای محیط زیست خود سرو کار پیدا کرد، با شناخت تدریجی نیازهای زندگی خویش و کسب اطلاعات بیشتری درباره خواص آنها ، آموخت که برای ادامه حیات خود به ناچار باید از آنها استفاده کند. با گذشت زمان دریافت که برای استفاده هر چه بیشتر و بهتر از این مواد ، باید در وضعیت و کیفیت آنها تغییراتی وارد کند. این کار با استفاده از گرما و بویژه کشف آتش بصورت عملی در آمده بود.

آغاز دانش بشری را در واقع می‌توان همان آغاز استفاده از آتش دانست. زیرا گرم کردن و پختن مواد و … ، تغییراتی شیمیایی می‌باشد و این خود نشان دهنده این واقعیت است که شیمی ، علمی است که در ارتباط با اولین و حیاتی‌ترین نیازهای جامعه بشری بوجود آمده و برای برآورده کردن هر چه بیشتر این نیازها که روز به روز تنوع حاصل می‌کرد، توسعه و تکام یافته است.

از آنجایی که شیمی ، علم تجربی است و بشر اولیه قبل از هر نوع تفکر و نظریه پردازی ساختار و چگونگی پیدایش مواد موجود در محیط زیست خود ، در اندیشه حفظ خود از سرما و آزمایش‌های مربوط به گرما ، رفع گرسنگی و احتمالا دفاع از هستی خویش بوده و در راه دسترسی به چگونگی تغییر و تبدیل آنها به منظور استفاده هر چه بهتر و بیشتر از آنها قدم برمی‌داشت، بر همین اساس بود که بخش شیمی نظری خیلی دیرتر از بخش کاربردی آن آغاز شد و پیشرفت کرد.

 سیر تکامی و رشد

اولین نظریه درباره ساختار مواد ، حدود 400 سال قبل از میلاد توسط فلاسفه یونان بیان شد، در صورتی که شاخه کاربردی شیمی چندین هزار سال قبل از میلاد رواج داشت و قابلیت توجیه پیدا کرده بود. 

کومارین

-1-1- كومارین

كومارین[1] یك تركیب شیمیایی است كه سمی و دارای یك  بوی شیرین است كه در بسیاری از گیاهان وجود دارد. نام شیمیایی  آن

1,2-Benzopyrone-2- H-1-Benzopyran-2-one است و دارای ساختار شیمیایی زیر

می باشد.  

و به صورت پیش ماده در چندین ماده ضد انعقاد خون از جمله وارفارین وجود دارد.

و در بعضی از لیزرهای رنگی نیزاستفاده می شود. نام كومارین از یك لغت فرانسویcoumarou ‌ گرفته شده است. بیوسنتز كومارین در گیاهان از طریق هیدروكسیلاسیون،‌ گلیكولیز و حلقه ای شدن[2] اسید سینامیك است. كومارین همچنین می تواند در آزمایشگاه از طریق واكنش پركین[3] بین سالیسیل آ لدهید و انیدرید استیك[4] تهیه شود.

بعضی از مشتقات طبیعی كومارین شامل Umbelliferone‌  (7- هیدروكسی كومارین) و Aesculetin  (7 و6 – دی هیدروكسی كومارین) و Herniarin  (7- متوكسی كومارین) و psoralen و Imperatorin‌ است.[1]

1-1-2- سمیت كومارین ها 

كومارین ها اغلب در محصولات تنباكو و به طور مصنوعی از طریق تعویض و یا جانشینی از گروههای استخلافی در وانیل هم بوجود آمده اند. از اواسط قرن بیستم در بسیاری از كشورهای بزرگ استفاده از كومارین ها به عنوان یك افزوده غذایی ممنوع شده است. زیرا كومارین ها تركیبات سمی هستند كه بر روی جگر و كلیه ها اثر می گذارند هر چند كه كومارین ها برای انسانها ها خطرناك هستند اما به عنوان یك سم قوی برای كشتن جانوارن جونده از جمله  موشهای خرمایی استفاده می شوند. كومارین ها تركیبات سمی هستند كه ابتدا باعث خون ریزی داخلی و سپس باعث مرگ می شوند. درسال 1978 ایالت متحده آمریكا استفاده از كومارین را به عنوان مواد افزودنی به خوراكی ها ممنوع اعلام كرد چون بررسی ها نشان داد كه این تركیبات باعث سرطان ریه در انسان می شوند.

تركیباتی كه هم خانواده با كومارین ها هستند شامل :1- وارفارین[5] 2- برودیفاكوم [6] 
3- برومادیولن[7]  4- كومافوریل[8] 5- دیفناكوم [9]  كه همه آنها به جزء وارفارین به عنوان عامل کشنده برای جانوران جونده استفاده می شوند.[2

 ساخت محلولها 

ساخت محلولها :

1- محلولهای بافری:

1-1-      محلول بافر A :

این محلول ، بافر تریس بازی با غلظت mM 50 ،‌8/5=PH می باشد كه از محلول استوك آن ،‌با غلظت mM200 به طریقة زیر تهیه شد:

مقدار g22/24 تریس بازی وزن شد و با ml800 آب مقطر در یك بشر یك لیتری مخلوط شد. PH این محلول با استفاده از محلول Hcl ،‌37% تا 8/5= pH پائین آورده شد. سپس حجم نهایی توسط آب مقطر به یك لیتر رسانده شد. محلول استوك بدست آمده ، 4 بار رقیق شد تا محلول بافر A حاصل شد.

2-1- محلول بافر B:

این محلول ، بافر تریس بازی با غلظت mM50 ،‌8/6PH= می باشد كه همانند محلول بافر A تهیه شد با این تفاوت كه كاهش pH محلول تا 8/6=pH  صورت گرفت.

3-1- محلول بافر C:

این محلول ، بافر فسفات سدیم با غلظت mM10،8/6= pH است كه از محلول استوك آن با غلظت mM 100به طریقه زیر تهیه گردید:

مقدار g81/35 نمك فسفات دی سدیك و g6/15 نمك فسفات مونوسدیك به همراه ml800 آب مقطر در یك بشر یك لیتری مخلوط شد. سپس pH محلول توسط محلول Hcl، 37% تا 8/6= pH پائین آورده شد و با آب مقطر حجم نهایی محلول به یك لیتر رسانده شد. محلول استوك بدست آمده ، 10 بار رقیق شد تا محلول بافر c بدست آمد.

2- محلولهای االكتروفورز:

1-2- محلول بافر تانك یا الكترود:

این محلول شامل تریس بازی با غلظت M025/0 و گلایسین با غلظت M192/0 ، با 3/8= pH در آزمایشات الكتروفورز بكار گرفته شد. این محلول به حجم یك لیتر به صورت زیر تهیه شد:

مقدار g03/3 تریس بازی و g4/14 گلایسین وزن شده و در یك بشر یك لیتری تا حجم یك لیتر ، آب مقطر به آنها اضافه گردید.

مقایسه چگالی حالت ها درنیم رساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی

مقدمه:

محققان زیادی در سراسر جهان، به مطالعه­ی نظری و آزمایشگاهی خواص ریزساختارهای اشتغال دارند. اگرچه حجم گزارش­ها از دستاوردهای آزمایشگاهی در مقایسه با تحقیقات بنیادی بسیار بیشتر است امّا با در اختیار گرفتن کامپیوترهای با قدرت پردازش بالا، مطالعات نظری در مورد نانوساختارها نیز در حال افزایش می­باشد. با وجود اینکه در این پایان­نامه، بیشتر بر کارهای آزمایشگاهی تمرکز شده، لیکن در ابتدای این فصل، یکی از مطالعات ساده نظری در مورد نانوساختارها یعنی "مقایسه چگالی حالت­ها در نیم­رساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی" ارائه
می شود. سپس در ادامه، مبانی آنالیزهائی که در فصل­های آینده از آن­ها برای مطالعه خواص نانوذرّات بهره گرفته می­شود به طورخلاصه معرفی خواهند شد.

2-1 مقایسه چگالی حالت­های نیم­رساناهای سه، دو، یک و صفر بعدی

2-1-1  محاسبه چگالی حالت­ها در نیم­رساناهای حجیم

هر الکترون با بردار موج و اسپین S می­تواند حالت­های ممکن انرژی که با  نشان داده می­شوند را با احتمال بین صفر و یک اشغال کند. چون مطابق اصل طرد پائولی، هر حالت کوانتومی حدّاکثر توسط یک فرمیون اشغال می­گردد. تابع توزیع احتمال متناظر با این، توزیع مشهور فرمی دیراک است:

چون تابع توزیع به اسپین بستگی ندارد، می­توان نوشت. پارامتر  پتانسیل شیمیائی است که در دمای صفر درجه با انرژی فرمی برابر است. در این دما تابع فرمی به صورت زیر تبدیل می­شود.                

در صورتی که احتمال اشغال تمامی حالت­های ممکن با هم جمع شوند، به دلیل اینکه در هر حالت حدّاکثر یک الکترون می­تواند وجود داشته باشد، تعداد کلّ ذرّات N در سیستم برابر است با:  

 (2-1)                                                                               

مقدار پتانسیل شیمیائی به گونه­ای است که در هر دما و انرژی، معادله­ی بالا صادق ­باشد. چگالی حالت­ها را می­توان با کاربرد معادله­ی شرودینگر برای الکترون­های غیر اندرکنشی به دست آورد

واكنش هیدروژن اسیدها با استرهای استیلنی در حضور هسته دوستهای فسفردار

مقدمه :

مطالعة واكنش تركیبات ارگانوفسفر و كاربرد آنها در تهیة‌مواد آلی یكی از اهداف اصلی سنتز می باشد .در این تركیبات یك اتم كربن مستقیماً‌به اتم فسفر متصل شده است . از این تركیبات برای تولید مواد شیمیایی ، صنعتی و بیولوژیكی استفاده می شود .

از مهمترین این تركیبات ایلیدهای فسفر می باشند كه در آن یك كربانیون مستقیماً به فسفر دارای بار مثبت متصل شده است . ایلیدها معمولاً‌از تری فنیل فسفین تهیه می شوند.

 ایلیدهای فسفر ممكن است شامل پیوندهای دوگانه ، سه گانه یا گروه ههای عاملی ویژه باشند وقتی یك گروه الكترون كشنده نظیر CN,CHO,COOR,COR در موقعیت آلفا حضور داشته باشند ایلیدها بسیار پایدارند چون بار منفی روی كربن بوسیلة‌رزونانس پخش می شود .

 یكی از مهمترین كاربردهای ایلیدها استفادة آنها در واكنش ویتیگ می باشد كه بهترین روش برای تهیه آلكن ها به شمار می رود .

واكنش ویتیگ كه طی پنچاه سال گذشته یكی از واكنشهای بسیار مهم در سنتز مواد آلی در آمده است از .واكنشهای با اهمیت در تشكیل پیوند كربن – كربن كه یكی از مشكل ترین فرآیندهای شیمیایی است می باشد. واكنش ویتیگ مستلزم تراكم فسفونیوم ایلید و تركیب كربونیل دار می باشد كه با حذف تری فنیل فسفین اكسید یك آلكن ایجاد می شود . اهمیت این واكنش در شیمی آلی باعث شده تا جایزة نوبل در سال 1979 به جورج ویتیگ اعطا شود .

 اكنون این واكنش در تهیة‌مواد صنعتی و داروئی كاربرد گسترده‌ای پیدا كرده است.

بررسی واكنشهای تركیبات دارای هیدروژن اسیدی با استرهای استیلنی در حضور تری فنیل فسفین

1-   واكنش اوره یا متیل اوره با استرهای استیلنی و تری فنیل فسفین در دمای اتاق در حلال اتیل استات پس از چند ساعت منجر به تولید ایلیدهای پایدار فسفر می شوند .

واكنش اتیل 2- ( 1- نفتیل آمینو) 2- اكسو استات با استرهای استیلنی و تری فنیل فسفین دردمای اتاق ابتدا ایلید پایدار تشكیل شده و سپس با حذف تری فنیل فسفین اكسید واكنش ویتیگ درون مولكولی صورت گرفته و آلكن تولید می شود