پالایش نفت – برج تقطیر

نفت به‌صورت خام یا فراوری نشده خیلی مفید نیست و به‌صورتی که از دل زمین بیرون آمده کاربرد چندانی ندارد. با اینکه نفت شیرین (با لزجت کم و نیز با گوگرد کم) به صورت تصفیه نشده در وسایل محرکه با قوه بخار به کار برده می‌شد، گازها و سایر محلول‌های سبک‌تر آن معمولاً داخل مخزن سوخت جمع شده و باعث بروز انفجار می‌گردید. غیر از مورد گفته شده برای استفاده از نفت، برای تولید محصولات دیگر مانند پلاستیک، فوم‌ها و … نفت خام به‌طور حتم باید پالایش گردد.

فراورده‌های سوختی نفتی در گستره وسیعی از کاربردها، سوخت کشتی، سوخت جت، بنزین و بسیاری دیگر موارد استفاده می‌شود. هر کدام از مواد یادشده دارای نقطه جوشی متفاوت می‌باشند از این رو می‌توان آن‌ها را توسط فرایند تقطیر از همدیگر جدا نمود. از آنجاییکه تقاضای زیادی برای اجزای مایع سبک‌تر وجود دارد از این رو در یک پالایشگاه مدرن نفتی هیدروکربن‌های سنگین و اجزای گازی سبک در طی فرایندهای پیچیده و انرژی بری به مواد با ارزش تری تبدیل می‌شوند.

نفت به خاطر دارا بودن هیدروکربن‌هایی با وزن و طول‌های مختلف مانند پارافین، آروماتیک‌ها، نفتا، آلکن‌ها، دین‌ها و آلکالین‌ها می‌تواند در موارد متعددی مفید واقع گردد. هیدروکربن‌ها مولکول‌هایی با طول‌های متفاوت هستند که تنها از هیدروژن و کربن تشکیل شده‌اند، ساختارهای مختلف به آن‌ها خواص متفاوتی می‌دهد. فن پالایش نفت در واقع عبارت است از جداکردن و بالابردن درجه خلوص اجزا تشکیل دهنده نفت از هم.

پالایش نفت

همینکه اجزا از هم جدا گردیده و خالص شدند می‌توان ماده روغنکاری یا سوخت را به‌طور مستقیم روانه بازار مصرف کرد. می‌توان با ترکیب مولکول‌های کوچک‌تر مانند ایزوبوتان و پروپیلن یا بوتیلن طی پروسه‌هایی همانند آلکالنین کردن یا دیمرازسیون می‌توان سوختی با اکتان موردنظر تهیه نمود. همچنین درجه اکتان بنزین را می‌توان طی فرایند بهسازی توسط کاتالیزور بهبود بخشید که طی آن هیدروژن از هیدروکربن جداشده و هیدروکربن آروماتیکی تشکیل می‌گردد که درجه اکتان بسیار بیشتری دارد. تولیدات میانی برج جداکننده را می‌توان طی پروسه‌های کراکینگ گرمایی، هیدروکراکینگ یا کراکینگ کاتالیزوری سیالی به محصولات سبک تری تبدیل نمود. مرحله نهایی در تولید بنزین ترکیب مواد هیدروکربن مختلف با درجه‌های اکتان متفاوت با همدیگر است تا به مشخصات محصول موردنظر دست یابیم.

 

پالایش نفت و فرآیندهای آن (Petroleum Refining) در واقع انجام یک سری تغییرات فیزیکی و شیمیایی بر روی محصول ورودی پالایشگاه که نفت خام است و تبدیل آن به محصولات خروجی یا فراورده های نفتی می‌ باشد. هدف از پالایش نفت تبدیل ماده کم فایده و غیر قابل استفادۀ نفت خام، به فرآورده های نفتی با کیفیت و مورد تقاضای بازار و مصرف کنندگان می‌ باشد.
پالایشگاه (Petroleum Refinery) مجموعه ای از امکانات و تجهیزات است که باهم مرتبط بوده و عمل پالایش نفت را انجام می دهند. پالایشگاه ها شامل انواع مختلفی بر اساس ساختار و مواد تولیدی می ‌باشند. همچنین هر پالایشگاه خود شامل بخش های مختلفی است که هرکدام وظیفه خاصی در راستای تولید و بهبود کیفیت فرآورده های نفتی بر عهده دارند.
در یک پالایشگاه نفت با توجه به حساسیت کار و نیاز به دانش و تخصص، مهندسان مختلفی در رشته های مکانیک، فرایند، شیمی، نفت، انرژی، برق، کامپیوتر، ایمنی وغیره فعالیت می ‌کنند.

انواع پالایشگاه ها

به طور کلی می توان پالایشگاه ها را از لحاظ محصولات تولیدی به سه دسته زیر تقسیم نمود:

۱. پالایشگاه های سوخت که متداول ترین نوع پالایشگاه هستند و هدف آن¬ها تولید سوخت های رایج مانند بنزین، گازوییل، گاز مایع، نفت سفید و… است. مانند پالایشگاه تهران، پالایشگاه آبادان، پالایشگاه اراک و… .

۲. پالایشگاه های روغن ساز که محصولات تولیدی آنها انواع روغن ها و روان کننده های سبک و سنگین، قیرها و… هستند. این محصولات می‌ توانند هم به صورت مجزا به تولید روغن بپردازند و یا اینکه در ادامه عملیات یک پالایشگاه سوخت این کار را انجام دهند. از پالایشگاه های معروف در این حوزه میتوان به پالایشگاه نفت پارس و پالایشگاه نفت بهران اشاره کرد.

۳. پالایشگاه های پتروشیمیایی که علاوه بر تولید فراورده های سوختی، مواد اولیۀ واحدهای پتروشیمی مانند آروماتیک ها، اتیلن، بوتادین و غیره را تولید می ‌کنند. از جمله پالایشگاه های معروف در این حوزه می ‌توان به پالایشگاه ستاره خلیج فارس اشاره کرد.

فرایندهای پالایش نفت

به طور کلی در یک پالایشگاه برای دستیابی به محصولات مورد نیاز، یک سری فرایندهای فیزیکی و شیمیایی انجام می‌ شود. مهم ترین عملیات پالایشگاه، تقطیر نفت خام (Distillation) می باشد که هدف آن جداسازی نفت خام به برش های نفتی است. در ادامه، فرایندهای دیگری جهت بهبود خواص یا تغییر خواص فراورده ها انجام می شود. از جملۀ این فرایندها می‌ توان به رفرمینگ و ایزومری برای افزایش عدد اکتان بنزین و فرایندهای هیدروکراکینگ، ککینگ، الیگومری و… برای تولید سوخت های سبک از فراورده های سنگین تر اشاره کرد.

پس از این فرایندها نوبت به فرایندهای تصفیه می رسد که هدف آن ها حذف آلاینده ها از فراورده های نفتی می باشد. در پایان برای حفاظت از محیط زیست و کاهش آلودگی ها، عملیات تصفیه پساب ها، فراوری گازهای دودکش و… انجام می ‌شوند. هرکدام از این فرایند ها در واحدهای جداگانه در پالایشگاه ها انجام شده و دارای استانداردهای بسیار دقیقی هستند که باید تماماً اجرا شوند.

تقطیر نفت

مهم ترین عملی که در پالایشگاه بر روی نفت خام انجام می‌ شود، تقطیر (Distillation) می ‌باشد. فرایند تقطیر در واقع تفکیک و جداسازی نفت خام به یک سری برش های نفتی بر اساس اختلاف فاصلۀ جوش فراورده ها است.
عمل تقطیر نفت خام در وسیله ای به نام برج تقطیر (Distillation Column) انجام می‌ شود. برج های تقطیر شامل دو نوع برج تقطیر اتمسفری (Atmospheric Distillation Column) و برج تقطیر خلأ (Vacuum Distillation Column) هستند که هر کدام به طور جداگانه توضیح داده خواهند شد.

تقطیر اتمسفری در پالایش نفت

نفت خام ورودی به پالایشگاه، ابتدا وارد تجهیزات نمک گیر شده تا املاح موجود در آن به طور کامل از آن زدوده شود. در ادامه، نفت خام جهت پیش گرمایش از تعدادی مبدل حرارتی عبور می‌ کند. این مبدل های حرارتی در واقع گرما را از فراورده های تولیدی برج تقطیر به نفت خام ورودی منتقل می ‌کنند. طی این انتقال حرارت دمای نفت خام به حدود 280˚C می رسد.
در این مرحله نفت خام باید جهت گرمایش کامل وارد کوره شود. دمای نفت خام پس از خروج از کوره به حدود 350˚ C می رسد. در این مرحله نفت خام عملاً به صورت دوفازی درآمده و ترکیبی از فاز مایع و بخار می  باشد.

نفت خام پس از رسیدن به دمای مناسب باید وارد برج تقطیر گردد. برج تقطیر یک استوانه با ارتفاع زیاد بوده و از تعدادی سینی تشکیل شده است. تعداد سینی های برج تقطیر اتمسفری چیزی بین 30 تا 60 سینی می ‌باشد. این سینی ها در نقاط مختلفی از برج از لحاظ ارتفاع نصب شده اند و برش های نفتی با توجه به فاصلۀ جوششان (محدودۀ بین نقطه جوش اولیه و نهایی)، در ارتفاع و سینی مناسب خود جمع شده و خارج می ‌شوند.

دما در بالای برج تقطیر اتمسفری 70˚ C و در قسمت پایین آن 350˚ C میباشد. برش های سبک تر نفتی از قسمت های بالایی برج و برش های سنگین تر از پایین برج خارج می شوند. جریان های خروجی از برج تقطیر به حالت بخار هستند و پس از عبور از کندانسورها به حالت مایع در می ‌آیند.

معمولاً همراه هر برش نفتی مقداری مواد سبک تر هم از برج تقطیر خارج می شود. این امر می تواند باعث پایین آمدن نقطه اشتعال (اولین دمایی که سوخت در آن مشتعل می‌ شود) فراورده می‌شود. به منظور اصلاح این امر، برش های خروجی از برج تقطیر را به برج استریپینگ کوچکی می‌ فرستند. برش های نفتی در برج استریپینگ در تماس با بخار قرار گرفته و مواد سبکتر از آن ها جدا می‌-شوند.

فراورده های خروجی از برج تقطیر اتمسفری به همراه کاربردها و دمای تقطیر آن ها در مرحله پالایش نفت به شکل زیر است:

برش نفتی محدوده دمای تقطیر کاربرد ها
گاز های سبک در تمامی دما ها مخلوطی از گازهای متان و اتان کاربرد به عنوان سوخت پالایشگاه
گاز مایع LPG T < 40 C مخلوطی از پروپان و متان و بوتان
کاربرد به عنوان سوخت و مواد اولیه شیمیایی
بنزین (نفتای سبک) 90 – 40 C سوخت موتورهای احتراق داخلی
نفتای سنگین 190 – 90 C به عنوان مواد اولیه شیمیایی و خوراک واحدهای پتروشیمی مانند تینر
کروزن (Kerosene) 270 – 90 C شامل نفت سفید و سوخت جت
کاربرد به عنوان سوخت ماشی آلات کشاورزی و سوخت هواپیما
گازوئیل 320 – 270 C سوخت موتورهای دیزلی مانند کامیون ها و سوخت بعضی نیروگاه ها و تجهیزات گرمایشی
باقیمانده ی اتمسفری T>320 C خوراک ورودی برج تقطیر خلاء

برج تقطیر خلأ در فرایند پالایش نفت

در برج تقطیر اتمسفری مقداری مواد سنگین تر به جا می ‌ماند که دارای نقطۀ جوش بالایی هستند. اگر برای تقطیر این مواد، دمای برج تقطیر بالاتر برده شود، باعث شکست حرارتی مولکول ها و تشکیل کُک می ‌شود. بنابراین برای جلوگیری از این امر، مواد باقیماندۀ برج اتمسفری به برج تقطیر خلأ فرستاده می ‌شوند. برج تقطیر خلأ (Vacuum Distillation Column) دارای فشاری پایین تر از اتمسفر و حدود 10 تا 45 میلی متر جیوه است و افزایش دما در آن باعث تشکیل کُک نمی‌ شود.

باقیماندۀ اتمسفری قبل از ورود به برج خلأ وارد یک کوره می ‌شود. در کوره مقداری بخار آب به جریان تزریق شده تا خوراک ورودی روان تر شده و تشکیل کُک کمتر شود. دمای جریان پس از خروج از کوره بسته به نوع خوراک چیزی بین 380 ˚C تا 450 ˚C می ‌باشد. در این مرحله جریان وارد برج تقطیر خلأ می‌ شود. برج تقطیر خلأ دارای قطر بسیار بزرگ حدود 9 متر بوده و در ساختار آن حدود 8 الی 20 سینی به کار رفته است. تعدادی اجکتور (Ejector) به صورت سری، جهت کاهش فشار، به برج تقطیر خلأ متصل هستند. جریان ورودی به برج خلأ در اثر افزایش دما بخار شده و برش های مختلف در سینی های خاص خودشان جمع می‌ شوند. در نهایت بخارات خروجی از برج تقطیر خلأ پس از عبور از کندانسورها مایع شده و به صورت فراورده های برج خلأ خارج می ‌شوند. بعضی از این فراورده ها به صورت مستقیم استفاده شده و بعضی دیگر به واحدهای دیگر پالایشگاه نظیر کراکینگ، رفرمینگ و… جهت تغییر خواص و بهبود کیفیت فرستاده می شوند.

فراورده های خروجی از برج تقطیر خلأ به همراه کاربردها و دمای تقطیر در مرحله پالایش نفت به شرح زیر است:

 

برش نفتی محدوده دمای تقطیر کاربرد ها
گازوئیل خلا سبک 420 – 320 C به عنوان سوخت یا خوراک پالایشگاه های روغن سازی
گازوئیل خلا سنگین 560 – 420 C خوراک پالایشگاه روغن سازی یا خوراک واحد های کراکینگ و هیدروکراکینگ جهت تبدیل به فراورده های سبک تر مانند بنزین،
سوخت جت و گازوییل
قیر T>560 C به عنوان مادۀ مورد استفاده در آسفالت
یا خوراک واحد ککینگ جهت تبدیل به فراورده های سبک تر