برج تقطیر
دید کلی
تقطیر ، در واقع ، جداسازی فیزیکی برشهای نفتی است که اساس آن ، اختلاف در نقطه جوش هیدروکربنهای مختلف است. هر چه هیدروکربن
سنگینتر باشد، نقطه جوش آن زیاد است و هر چه هیدروکربن سبکتر باشد، زودتر
خارج می‌شود. اولین پالایشگاه تاسیس شده در جهان ، در سال 1860 در ایالت
پنسیلوانیای آمریکا بوده است. نفت خام ، از کوره‌های مبدل حرارتی عبور کرده، بعد از گرم شدن وارد برجهای تقطیر شده و تحت فشار و دما به دو صورت از برجها خارج می‌شود و محصولات بدست آمده خالص نیستند. انواع برجهای تقطیر در زیر توضیح داده می‌شوند.
برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار
در برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع
انتقال ماده و شدت تفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینیها به
مقدار مایع و گاز
که در واحد زمان از یک سینی می‌گذرد، وابسته است. هر یک از سینیهای برج ،
یک مرحله تفکیک است. زیرا روی این سینیها ، فاز گاز و مایع در کنار هم
قرار می‌گیرند و کار انتقال ماده از فاز گازی به فاز مایع یا برعکس در هر
یک از سینیها انجام می‌شود. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به
بیشترین حد برسد، باید زمان تماس میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین
حد ممکن برسد.
بخشهای مختلف برج تقطیر با سینی کلاهکدار
- بدنه و سینیها: جنس بدنه معمولا از فولاد ریخته است. جنس سینیها معمولا از چدن
است. فاصله سینیها را معمولا با توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و
بازدهی کار جداسازی بر می‌گزینند. در بیشتر پالایشگاههای نفت ، برای برجهای
تقطیر به قطر 4ft فاصله میان 50 – 18 سانتیمتر قرار می‌دهند. با بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برای سینیها در نظر گرفته می‌شود. - سرپوشها یا کلاهکها: جنس کلاهکها از چدن می‌باشد. نوع
کلاهکها با توجه به نوع تقطیر انتخاب می‌شود و تعدادشان در هر سینی به
بیشترین حد سرعت مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد. - موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینی سدی به نام “وییر” (Wier)
قرار می‌دهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنی جلوگیری کند. بلندی
سطح مایع در روی سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده از شکافهای
سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حد ممکن
برسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد
شده ، بازدهی سینیها بالا می‌رود.
برجهای تقطیر با سینیهای مشبک
در برجهای با سینی مشبک ، اندازه مجراها یا شبکه‌ها باید چنان برگزیده
شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسب عبور دهد.
عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه کارگذاری آنها در برج
است. اگر این سینیها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی
یکنواخت نبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.
خورندگی فلز سینیها هم در این نوع سینیها اهمیت بسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی
، قطر سوراخها زیاد می‌شود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از
درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و می‌دانیم که اگر سرعت گذشتن گاز
از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهی کار
تفکیک کاهش خواهد یافت.
برجهای تقطیر با سینیهای دریچه‌ای
این نوع سینیها مانند سینیهای مشبک هستند. با این اختلاف که دریچه‌ای متحرک روی هر مجرا قرار گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینیها بکار می‌روند:
- انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن برمی‌آید، دریچه‌ها می‌توانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند.
- صفحات اضافی: در این نوع سینیها ، دو دریچه یکی سبک که در
کف سینی قرار می‌گیرد و دیگری سنگین که بر روی سه پایه‌ای قرار گرفته ،
تعبیه شده است. هنگامی که بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت در می‌آید.
اگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت می‌کنند.
مقایسه انواع گوناگون سینیها
در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینیها در برجهای تقطیر ، تفکیک و جذب
بکار برده می‌شوند. ویژگیهایی که در گزینش نوع سینی برای کار معینی مورد
توجه قرار می‌گیرد، عبارت است از: بازدهی تماس بخار و مایع ، ظرفیت سینی ،
افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی ، مشخصات
مایع و … . چون در صنعت بیشتر سینیهای کلاهکدار بکار برده می‌شوند، برای
مقایسه مشخصات سینیهای دیگر ، آنها را نسبت به سینیهای کلاهکدار ارزیابی
می‌کنند.
برجهای انباشته
در برجهای انباشته ، بجای سینیها از تکه‌ها یا حلقه‌های انباشتی
استفاده می‌شود. در برجهای انباشته حلقه‌ها یا تکه‌های انباشتی باید به
گونه‌ای برگزیده و در برج ریخته شوند که هدفهای زیر عملی گردد.
- ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار
- ایجاد فضا مناسب برای گذشتن سیال از بستر انباشته
جنس مواد انباشتی
این مواد باید چنان باشند که با سیال درون برج ، میل ترکیبی نداشته باشند.
استحکام مواد انباشتی
جنس مواد انباشتی باید به اندازه کافی محکم باشد تا بر اثر استفاده شکسته نشده و تغییر شکل ندهد.
شیوه قرار دادن مواد انباشتی
مواد انباشتی به دو صورت منظم و نامنظم درون برج قرار می‌گیرند.
- پر کردن منظم: از مزایای این نوع پر کردن، کمتر بودن افت فشار است که در نتیجه می‌شود حجم بیشتر مایع را از آن گذراند.
- پر کردن نامنظم: از مزایای این نوع پر کردن ، می‌توان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد. ولی افت فشار بخار در گذر از برج زیاد خواهد بود.
مقایسه برجهای انباشته با برجهای سینی‌دار
در برجهای انباشته ، معمولا افت فشار نسبت به برجهای سینی‌دار کمتر است.
ولی اگر در مایع ورودی برج ، ذرات معلق باشد، برجهای سینی‌دار بهتر عمل
می‌کنند. زیرا در برجهای انباشته ، مواد معلق ته‌نشین شده و سبب گرفتگی و
برهم خوردن جریان مایع می‌گردد. اگر برج بیش از حد متوسط باشد، برج
سینی‌دار بهتر است. زیرا اگر در برجهای انباشته قطر برج زیاد باشد، تقسیم
مایع در هنگام حرکت از بستر انباشته شده یکنواخت نخواهد بود.
در
برجهای سینی‌دار می‌توان مقداری از محلول را به شکل فرایندهای کناری از
برج بیرون کشید، ولی در برجهای انباشته این کار، شدنی نیست. کارهای
تعمیراتی در درون برجهای سینی‌دار ، آسانتر انجام می‌گیرد. تمیز کردن
برجهای انباشته ، از آنجا که باید پیش از هرچیز آنها را خالی کرده و بعد
آنها را تمیز نمایم، بسیار پرهزینه خواهد بود.
پالایشگاه
نگاه اجمالی
هر پالایشگاه ، دارای طرحهای تولید خاص خود است که بر اساس تجهیزات
فراهم ، هزینه‌های عملیاتی و میزان تقاضا برای فراورده‌ها مشخص می‌شوند.
طرح تولید بهینه برای هر پالایشگاه ، بر اساس ملاحظات اقتصادی مشخص می‌گردد
و عملیات دو پالایشگاه هرگز کاملا مشابه یکدیگر نیستند.
فراورده‌های نفتی
درحالی‌که مصرف کننده عادی تصور می‌کند که شمار فراورده‌های نفتی نظیر بنزین ، سوخت جت ، نفت سفید و غیره محدود است، ولی بررسیهایی که موسسه نفت آمریکا ( API ) در مورد پالایشگاههای نفت و کارخانه‌های پتروشیمی
انجام داده است، نشان می‌دهد که بیش از 2000 فراورده نفتی با مشخصات منحصر
بفرد تولید می‌شود که در 17 گروه طبقه‌بندی می‌شوند و عبارتند از:
گازهای سوختی – گازهای مایع – انواع بنزین – سوختهای توربین گازی (جت) – نفت سفید – فراورده های میان تقطیر (سوخت دیزل و نفت کوره های سبک) – نفت کوره باقیمانده ای – روغنهای روانساز – روغنهای سفید – فراورده های میان روغنهای ترانسفورماتور و کابل- گریس– مومها (واکس) – آسفالتها – ککها – دوده‌ها – مواد شیمیایی ، حلالها ، متفرقه.
معمولا
شمار فراورده‌هایی که طراحی پالایشگاه را جهت می‌دهند نسبتا کم است.
فرایندهای اصلی پالایش را با توجه به فراورده‌هایی که تولیدشان زیاد است
مانند بنزین ، سوخت جت ، سوخت دیزل طراحی می‌کنند. بعضی از اجزای نفت خام
را همان‌گونه که هستند (یعنی فراورده ها تقطیر مستقیم) بفروش می‌رسانند و
یا اینکه عملیات پالایش بعدی را بر روی آنها انجام می‌دهند تا فراورده‌های
با ارزشتری بدست آورند.
منابع خوراک پالایشگاه
مواد خام پایه پالایشگاهها نفت خام است. اگر چه در بعضی موارد از
نفتهای سنتزی حاصل از سایر منابع (جیلسوتیت، ماسه‌های قیری ، غیره) نیز
استفاده می‌شود.
فرایندهای پالایش در پالایشگاه
تقطیر نفت خام
دستگاههای تقطیر نفت خام ، نخستین واحدهای فراورش (پالایش) عمده در
پالایشگاه هستند. تفکیک نفت خام در دو مرحله صورت می‌گیرد، اول تفکیک جزء
به جزء همه نفت خام در فشار اتمسفر و سپس ارسال باقیمانده دیر جوش این
مرحله به دستگاه تفکیک دیگری که تحت خلاء شدید عمل می‌کند. بنابراین ، نفت
خام پس از حرارت در کوره در برج تقطیر اتمسفری به فراورده‌های زیر تفکیک می‌شود:
گازهای
سوختی ( که عمدتا شامل متان و اتان است ) ، گازهای سبکتر (شامل پروپان ،
بوتان و همچنین متان و اتان است) ، نفتهای سبک تثبیت نشده ، نفتهای سنگین ،
نفت سفید ، نفت گاز اتمسفری و باقیمانده خام برج تقطیر اتمسفری (ARC). در
برج تقطیر در خلاء نیز باقیمانده برج تقطیر اتمسفری به جریان نفت گاز خلاء و
باقیمانده برج تقطیر در خلاء (VRC ) تفکیک می‌شود. نفت گاز اتمسفری و نفت
گاز خلاء را غالبا برای تولید بنزین ، سوخت هواپیما و سوخت دیزل به واحد
هیدروکراکینگ یا کراکینگ کاتالیزی می‌فرستند.
باقیمانده
برج خلاء را نیز می‌توان در واحدهای گرانروی شکن ، کمک‌سازی و یا
آسفالت‌زدایی برای تولید نفت کوره سنیگن و یا خوراک واحد کراکینگ و یا مواد
خام روغن روانسازی پالایش کرد. باقیمانده نفت خامهای آسفالتی را می‌توان
برای تولید آسفالت جاده سازی و یا پشت بام ، مورد عملیات یا پالایش دیگری
قرار داد.
فرایندهای کک سازی و گرمایی
باقیمانده خام برج تقطیر در خلاء ( VRC ) در واحد کک سازی به کمک گرما
شکسته می‌شود و در نتیجه گاز تر، بنزین واحد کک سازی ، نفت گاز واحد کک
سازی و کک تولید می‌شود. در واقع ، در کک بدست آمده مواد فرار و یا با نقطه
جوش بالا وجود دارد. برای حذف اغلب مواد فرار از کک نفتی ، باید آن را در
دمای 2000 تا 2300 درجه فارنهایت تکلیس کرد. موارد استفاده اصلی از کک نفتی
عبارتند از:
سوخت انواع کوره‌ها ، ساخت آند ها برای کاهش سلول الکترولیتی آلومین ، استفاده مستقیم از آن به عنوان منبع کربن شیمیایی برای تولید فسفر عنصری ، کلسیم کاربید و سیلسیم کاربید ، ساخت الکترود برای بکارگیری در کوره الکتریکی تولید فسفر عنصری ، تیتان دی اکسید ، کلسیم کاریبد و سیلیسیم کاربید ، تولید گرافیت.
کراکینگ و هیدروکراکینگ کاتالیزی
نفت گاز حاصل از واحدهای تقطیر اتمسفری و تقطیر در خلاء و کک سازی به
عنوان خوراک واحدهای کراکینگ کاتالیزوری و یا هیدروکراکینگ بکار می‌رود.
این واحدها مولکولهای سنگین را شکسته و آنها را به مواد باارزشتری مانند
بنزین ، سوخت جت و نفت کوره سبک تبدیل می‌کنند. فراورده های سیر نشده واحد
کراکینگ ، نخست سیر می‌شوند و سپس در واحد تبدیل و یا واحد پالایش با
هیدروژن ، کیفیت بهتری پیدا می‌کنند. فراورده های واحد هیدروکراکینگ ، سیر
شده هستند.
رفرمینگ (تبدیل) کاتالیزی و همپارش
نیاز اتومبیلهای امروزی به بنزینهای با عدد اکتان بالا ، محرکی برای استفاده رفرمینگ کاتالیزی شد. در رفرمینگ کاتالیزی ، تغییر در نقطه جوش ماده‌ای که از این واحد می‌گذرد، نسبتا کم است، زیرا مولکولهای هیدروکربن
، شکسته نمی‌شوند، بلکه ساختارهای آنها بازآرایی می‌شوند تا آروماتیکهای
با عدد اکتان بالا تولید شوند. منابع خوراک واحد رفرمینگ کاتالیزی عبارتند
از:
بنزینهای سنگن تقطیر مستقیم (HSR ) و نفت سنگین حاصل از واحدهای
برج تقطیر نفت خام ، کک سازی و کراکینگ. فراوده های حاصل تبدیل کاتالیزی
برای فروش به عنوان بنزین معمولی و بنزین سوپر با هم مخلوط می‌شوند.
عدد اکتان نفتهای سبک ( LSR ) را می‌توان با استفاده از فرایند همپارش که طی آن پارافینهای نرمال (راست زنجیر) به همپارهایشان تبدیل می‌شوند، بهبود بخشید.
بازیابی بخار (واحد صنعتی گاز)
جریانهای گاز تر حاصل از واحد تقطیر نفت خام ، کک سازی و واحدهای کراکینگ در بخش بازیابی بخار
، به گاز سوختی ، گاز نفتی مایع ( LPG ) ، هیدروکربنهای سیر نشده
(پروپیلن، انواع بوتیلن و پنتن )، نرمال بوتان و ایزوبوتان تفکیک می‌شوند.
گاز سوختی در کوره‌های پالایشگاه سوزانده می‌شود و n-بوتان با بنزین و یا
LPG مخلوط می‌شود. هیدروکربنهای سیر نشده و ایزوبوتان بمنظور فراورش ، به
واحدهای آلکیل دار شدن فرستاده می‌شوند.
آلکیل دار کردن
افزایش یک گروه آلکیل به هر ترکیب ، یک واکنش آلکیل دار کردن است. ولی
در پالایش نفت ، واژه آلکیل دار کردن در مورد واکش اولفین های دارای وزن
مولکولی پایین با یک ایزوپارافین ، به منظور تشکیل ایزوپارافینهای دارای
وزن مولکولی بالاتر ، بکار می رود. نیاز به سوختهای هواپیمایی با عدد اکتان
بالا انگیزه خوبی برای توسعه فرایند آلکیل دار کردن بمنظور تولید
بنزینهای ایزوپارافینی با عدد اکتان بالا بود.
اگر چه آلکیل دار کردن در فشار و دمای بالا ، بدون نیاز به کاتالیزگر مسیر است، ولی تنها فرایندهایی از اهمیت اقتصادی برخورد دارند که در دمای پایین و در مجاورت سولفوریک اسید
یا هیدروفلوئوریک اسید انجام می شود. با انتخاب مناسب شرایط عملیاتی ،
بیشتر فراورده‌ها در گستره جوش بنزین با اعداد اکتان موتوری 88 تا 94 و
اعداد اکتان پژوهشی بین 94 تا 99 قرار می‌گیرد.
اختلاط فراورده ها
هدف از اختلاف فراورده‌ها ، تخصیص اجزای اختلاطی فراهم برای دستیابی
به شرایط و مشخصات فراوده مورد تقاضا با کمترین هزینه و تولید فراورده‌های
فزاینده‌ای است که سود کلی پالایشگاه را بیشینه کند. فراورده‌های عمده
پالایشگاهی که از طریق اختلاط بدست می‌آیند عبارتند از:
بنزین ،
سوخت جت ، نفت کوره و سوخت دیزل که از مخلوط میان تقطیرهای واحد تقطیر نفت
خام ، کک سازی و واحدهای کراکینگ بدست می‌آیند. در برخی از پالایشگاهها ،
نفت گاز خلاء سنگین و باقیمانده خام نفتهای خام نفتنی و یا پارافینی را
برای تولید روغنهای روانسازی فراورش (پالایش) می‌کنند. پس از حذف آسفالتها
در واحد آسفالت زدایی با پروپان ، باقیمانده خام تقطیر در خلاء و نفت گاز
خلاء ، بمنظور تولید مواد پایه روغنهای روانساز ، در معرض یک رشته عملیات
محدود قرار می‌گیرند.
نفت گازهای خلاء و منابع خام آسفالت زدایی شده را نخست بمنظور حذف ترکیبات آروماتیکی ، با حلال استخراج می‌کنند و سپس بمنظور بهبود نقطه ریزش ، موم (واکس) زدایی می‌نمایند. بعد از این مرحله ، این مواد را بخاطر بهبود رنگ
و پایداری ، با خاک رسهای خاص عمل آوری کرده یا در معرض عمل آوری جدی با
هیدروژن قرار می‌دهند و سپس آنها را برای تولید روغنهای روانساز مخلوط
می‌کنند.
فرایندهای پشتیبانی
تعدادی از فرایندها در پالایشگاهها مستقیما در تولید سوختهای
هیدروکربنی شرکت ندارند، بلکه نقش پشتیبانی ایفا می‌کنند. این فرایندها
عبارتند از:
- واحد هیدروژن بمنظور تولید هیدروژن برای واحدهای هیدروکراکینگ و عمل‌آوری با هیدروژن.
- واحد فراوری گاز که هیدروربنهای زود جوش را جدا می‌سازد.
- واحد عمل آوری گاز اسیدی که هیدروژن سولفید و یا سایر گازهای اسیدی را از جریان گاز هیدروکربنی جدا می‌کند.
- واحد بازیافت گوگرد
- سیستمهای عمل‌آوری مایع خروجی (فاضلاب پالایشگاهها)
- کنترل آلودگی ناشی از گازهای احتراق و بخارهای هیدروکربنی خروجی از دستگاههای فرایندی و مخازن ذخیره مواد
رده بندی فراورده‌ها در پالایشگاه
در یک پالایشگاه ، اغلب سه نوع فراورده تولید می‌گردد:
- فراورده‌های نهائی که مستقیما قابل عرضه به بازار می‌باشد (بنزین- نفت گاز).
- فراورده‌های نیمه نهائی که باید مجددا عملیاتی بر روی آنها انجام گیرد (برش هائی که بهینه روغن های معدنی بکار می‌روند).
- فراورده‌های حد واسط ، شامل ترکیباتی می‌گردد که بعنوان مواد اولیه در صنعت پتروشیمی بکار برده می‌شوند.
و بطور کلی فراورده های حاصل از پالایشگاهها عبارتند از:
- گازها ، شامل هیدروژن و هیدروکربورهای گازی شکل (گازهای صنعتی و
پتروشیمیایی) و گازهای مایع شده ( L.P.G ) مثل بوتان و پروپان‌های تجارتی
جهت مصارف خانگی و صنعتی - کربوران‌ها جهت موتورهای اتومبیل و هواپیما و موتورهای دیزل
- اسانس‌های مخصوص و حلالها ، بعنوان پاک‌کننده لکه‌ها ، حلال در نقاشی ، حلال در صنعت
- کروزن یا نفت لامپا برای روشنایی و یا ایجاد حرارت
- مازوت خانگی ، ماده قابل احتراق برای تاسیسات حرارتی خانگ یا صنعتی با قدرت کم
- روغن ها ، روغن های سبک جهت چرب‌کردن دستگاههای مکانیکی کوچک (چرخ خیاطی) ، روغنهای سنگین جهت ساخت روغن موتور ، روغن سیلندر مورد استفاده در ماشین‌های بخار
- پارافین و موم ، جهت محافظت مواد غذائی و عایق الکتریسته
- مازوت سنگین ، بعنوان سوخت برای تاسیسات حرارتی با قدرت زیاد مانند نیروگاههای برق و کشتی
- آسفالت ، بصورت قید جهت استفاده در جاده‌ها یا در ساختمان‌ها و همچنین بمنظور قالب‌گیری و بسته‌بندی
- کک ، بعنوان سوخت برای صنایع و یا ماده مورد استفاده جهت تهیه الکترودها
