پالایش نفت خام

 

تاریخچه پالایشگاه نفت در جهان
بیش از5000 سال است که نفت خام شناخته شده است. سومریها، آشوریها و بابلیها و (ایرانیها) از اقوامی بودند که از نفتی که روی سطح زمین جمع می شد استفاده می کردند. در حدود2000 سال پیش ایرانیان و اعراب روشهای تقطیر نفت و تبدیل آن به مواد سوختی را می دانستند و از آنها برای ایجاد روشنایی استفاده می کردند و در قرن دوازدهم با لشکرکشی های اعراب به اسپانیا روش های تقطیر نفت و تبدیل آن به مواد سوختی به اروپای غربی منتقل شد.
در سال1860 میلادی ویلیام بارْنْسدال و ویلیام اَبوت، نخستین برج تقطیر را در تیتوس ویل در ایالت پنسیلوانیای امریکا ساختند. در سال1861 میلادی یک سرکارگر، در پالایشگاهی برج تقطیر را به شدت گرم و کار برج را به جای یک ساعت پس از چهار ساعت متوقف کرد. پس از این کار فراورده های برج تقطیر با فراورده های قبل از آن تفاوت بسیار داشت.
در سال های1860 تا1885 میلادی نفت سفید محصول عمده پالایشگاهها بود و از این ماده در بخاریها و چراغ های روشنایی استفاده می شد. طی این سالها، چراغ های نفتی به سرعت جای چراغ های پیه سوز و روغنی را گرفت و نفت سفید جایگزین زغال سنگ شد.
در آغاز قرن بیستم با اختراع موتورهای درونسوز و کاربرد روز افزون آنها، بنزین به تدریج مهم ترین محصول پالایشگاهها شد.
با پیشرفت دانش و فناوری در قرن بیستم، پالایشگاهها گسترش یافت و کیفیت فراورده های آن بهتر و انواع فراورده های آن بیشتر شد. گسترش پالایشگاهها را از نظر تعداد فراوده می توان در سه دوره خلاصه کرد.
دوره نخست: این دوره از جنگ جهانی اول(1918-1914میلادی) آغاز می شود. در این دوره موتورهای درونسوز که در قرن نوزدهم اختراع شده بود در ایالات متحد امریکا و اروپا به تعداد زیاد ساخته شد و به ویژه در انواع اتومبیل مورد استفاده قرار گرفت. با افزایش این موتورها میزان مصرف فراورده های نفتی افزایش یافت و پالایشگاهها برای تهیه فراورده های مورد نیاز، گسترش یافتند و مهندسان شیمی در صنعت نوپای نفت به کار گرفته شدند. در این دوره روش تقطیر در خلاء در پالایشگاهها به کار گرفته شد.
دوره دوم: این دوره از جنگ جهانی دوم(1945-1939 میلادی) آغاز می شود. در این دوره میزان تقاضا برای انواع فراورده های نفتی افزایش بیشتری یافت. با تغییر طراحی موتورهای درونسوز، نوع بنزین مورد نیاز نیز تغییر کرد و در پالایشگاهها برای تهیه این نوع سوخت از روش های جدیدتر استفاده شد. برای مثال نیاز به بهره گیری از بنزین های ضد تَقْ تَقْ (با نام علمی ناک) در موتورهای درونسوز، سبب توسعه روش های کراکینگ و هیدروژن دار کردن (هیدروژناسیون) در پالایشگاهها شد. در این دوره تترا اتیل سرب به عنوان ماده ضد تق تق به بنزین افزوده شد. با پیشرفت صنعت هواپیما سازی نیاز به سوخت های خاص و ترکیبات بودار (آروماتیک) بیشتر شد.
دوره سوم: این دوره از حدود سال1950 میلادی آغاز می شود. در این دوره بر شمار تولید انواع ماشین ها به سرعت افزوده شد. افزایش تولید ماشین ها سبب شد که برای بالا بردن کیفیت بنزین و افزایش تولید آن در ساخت پالایشگاه ها تغییراتی داده شود. در سال1956 میلادی، بنزین با عدد اکتان100 به بازار عرضه شد. فناوری جدید،‌ امکان ساختن پالایشگاههای خودکار و پیشرفته را فراهم ساخت. صنایع پتروشیمی در این دوران رشد چشمگیری یافتند و به مصرف کنندگان مهم فراورده های پالایشگاههای نفت تبدیل شدند. گوگرد نیز به میزان زیاد در پالایشگاهها تولید شد.
در این سالها، پیشرفت سریع در ساختن و استفاده از هواپیماهای جت، سبب افزایش تولید سوخت جت شد. استفاده از روش کراکینگ کاتالیستی نیز بیشتر شد و واحدهای آلکیلاسیون در پالایشگاه های مختلف به وجود آمد.
نخستین پالایشگاهها مسبب آلودگی محیط زیست بودند و بوی ناخوشایند ناشی از پالایش نفت و نیز دود حاصل از اسیدشویی و قلیاشویی، محیط را آلوده می کرد. همراه با پیشرفت فناوری و تغییراتی که در چگونگی پالایش نفت به وجود آمد، این مشکلات تا اندازه ای برطرف شد. روش های تَر (اسیدشویی و قلیاشویی) نیز جای خود را به روش استفاده از هیدروژن دادند و با تجزیه سولفید هیدروژن میزان آلایندگی کاهش یافت.
در این دوره ظرفیت بسیاری از پالایشگاههای نوین چندین هزار برابر پالایشگاههای اولیه شد. همزمان با توسعه پالایشگاهها، صنعت حمل و نقل مواد نفتی نیز گسترش یافت. در سال1865 میلادی نخستین خط لوله در تیتوس ویل، در ایالات متحد امریکا برای انتقال فراورده های نفتی از پالایشگاه به ایستگاه راه آهن کشیده شد. امروزه نفت کش های عظیم با ظرفیت های بیش از500 هزار تن، حمل و نقل فراورده های نفتی را در دریا به عهده دارند و خطوط لوله، مناطق استخراج نفت را به پالایشگاهها و پالایشگاهها را به مناطق مصرف و بندرهای صادر کننده متصل می کنند.
پالایشگاه های نفت در ایران
در سال1287 شمسی، نخستین چاه در مسجد سلیمان در خوزستان به نفت رسید. نخستین محموله نفت خام ایران در سال1292 شمسی صادر شد. پالایشگاه آبادان و پالایشگاه کرمانشاه از نخستین پالایشگاههای ایران هستند. پالایشگاه آبادان تا قبل از جنگ ایران و عراق با تولید بیش از630 هزار بشکه در روز، بزرگترین پالایشگاه جهان بود. در طول این جنگ پالایشگاه آبادان به شدت آسیب دید و در سال1368 با ظرفیت130 هزار بشکه در روز، بازسازی و راه اندازی شد.
نفت خام
امروزه چاههای نفت متعددی در سراسر جهان وجود دارد که از آنها نفت استخراج میکنند و به نفتی که از چاه بیرون کشیده میشود، نفت خام میگویند. نفت خام را تصفیه میکنند، یعنی هیدروکربنهای گوناگونی را که نفت خام از آنها تشکیل شده است از یکدیگر جدا میکنند که به این کار پالایش نفت میگویند و در پالایشگاهها این کار انجام میشود. نفت منبع انرژی و سرچشمه مواد اولیه بسیاری از ترکیبات شیمیایی است و این دور از عوامل اصلی اقتصادی مدرن بشمار میرود. در صنایع جدید از ثروت بیکران و تغییر و تبدیل مواد خام اولیه آن بیاندازه استفاده میشود.
تشکیل نفت
نحوه پیدایش نفت دقیقا تشخیص داده نشده و در این مورد فرضیات گوناگونی پیشنهاد شده است. برخی از این تئوریها ، مربوط به مواد معدنی و بعضی دیگر مربوط به ترکیبات آلی میباشد.
تشکیل نفت از مواد معدنی
اساس این فرضیه بر این است که کربورهای فلزی تشکیل شده در اعماق زمین در اثر تماس با آبهایی که در زمین نفوذ مینماید، ابتدا ایجاد هیدروکربورهای استیلنی با رشته زنجیر کوتاه میکند. سپس هیدروکربورهای حاصل در اثر تراکم و پلیمریزه شدن ایجاد ترکیبات پیچیده و کمپلکس را می نماید که اغلب آنها اشباع شده است.
تشکیل نفت از مواد آلی
بر اساس این فرضیه تشکیل نفت را در اثر تجزیه بدن حیوانات در مجاورت آب و دور از هوا میدانند. زیرا در این شرایط ، قسمت اعظم مواد ازته و گوگردی تخریب و مواد چرب باقیمانده در اثر آب ، هیدرولیز میگردد. اسیدهای چرب حاصله ، تحت اثر فشار و درجه حرارت با از دست دادن عوامل اسیدی تولید هیدروکربورهائی با یک اتم کربن کمتر مینماید.
"انگلر Engler" از تقطیر حیوانات دریائی توانسته است مواد نفتی را تهیه نماید و با توجه به خاصیت "چرخش نوری" مواد نفتی که علت آن وجود گلسترین است (ماده ای که در بدن حیوانات وجود دارد) این فرضیه بیان و مورد تایید شده است. در صورتی که فرضیه های دیگر که مبتنی بر اساس مواد معدنی در تشکیل نفت میباشد، هیچگونه توضیح و دلیل قانع کننده ای در مورد این ویژگی نمیتواند بیان نماید.
همچنین نفت میتواند از تجزیه گیاهان تولید گردد. در این حالت ، خاصیت چرخش نور را به علت وجود ترکیب مشابه گلسترین یعنی پلی استرولها میدانند."مرازک Mrazec" ، میکروبها را در این تغییر و تبدیل موثر میداند.
تئوری تشکیل نفت بر مبنای مواد آلی ، فعلا بیشتر مورد قبول میباشد و اختلاف قابل ملاحظهای را که بین ژیزمانها (منابع نفتی) مشاهده میگردد، بعلت شرایط و عوامل مختلف تشیکل ژیزمانها میدانند.
مواد سازنده نفت خام
مواد سازنده نفت از نظر نوع هیدروکربور و همچنین از نظر نوع ترکیبات هترواتم دار بستگی به محل و شرایط تشکیل آن دارد. بنابراین مقدار درصد مواد سازنده نفت خام در یک منبع نسبت به منبع دیگر تغییر میکند. بطور کلی مواد سازنده نفت شامل: هیدروکربورها- ترکیبات اکسیژنه - سولفوره - ازته و مواد معدنی میباشد.
خواص نفت خام
گرانی
چگالی نفتهای خام را بیشتر بر حسب درجه A.P.I به جای گرانی ویژه (چگالی نسبی) بیان میکنند. ارتباط بین این دو ، به گونه ای است که افزایش گرانی API با کاهش گرانی ویژه مطابقت میکند. گرانی نفت خام میتواند بین پایینتر از 10API تا بالاتر از 50API قرار بگیرد، ولی گرانی اکثر نفتهای خام در گستره بین 20 تا 45API قرار دارد. گرانی API همواره به نمونه مایع در 60 درجه فارینهایت اشاره دارد.
مقدار گوگرد
مقدار گوگرد و گرانی API دو خاصیتی هستند که بیشترین اثر را به ارزشگذاری نفت خام دارند. مقدار گوگرد بر حسب درصد وزنی گوگرد بیان میشود و بین 0,1 در صد تا 5 درصد تغییر میکند. نفتهایی که بیش از 0,5 درصد گوگرد دارند، در مقایسه با نفتهای کمگوگردتر ، معمولا محتاج فراورشهای گستردهتری هستند.
نقطه ریزش
نقطه ریزش نفت خام بر حسب F˚ یا c˚ معرف تقریبی پارافینی بودن یا آروماتیکی بودن نسبی آن است. هرچه نقطه ریزش پایینتر باشد، مقدار پارافین کمتر و مقدار آروماتیک بیشتر است.
حلالیت
قابلیت انحلال هیدروکربورها در آب عموما خیلی کم میباشد. مقدار آب موجود در هیدروکربورها با افزایش درجه حرارت زیاد میشود. حلالیت هیدروکربورها در کلروفرم ، سولفورکربن و تتراکلریدکربن حائز اهمیت است که با افزایش درجه حرارت ، زیاد و با افزایش وزن مولکولی کاسته میگردد. قابلیت انحلال آروماتیکها بیشتر بوده و بعد از آنها اولفینها - نفتنها - متانیها قرار دارد.
ضمنا قابلیت انحلال ترکیبات اکسیژنه - ازته - سولفوره ، کمتر از هیدروکربورها میباشد. بالاخره نفت ، حلال هیدروکربورهای گازیشکل و تقریبا تمام هیدرورکربورهای جامد - گریسها - رزینها - گوگرد و ید میباشد.
نقطه جوش
نقطه جوش هیدروکربورهای خالص با وزن مولکولی و همچنین برای سریهای مختلف با تعداد مساوی اتم کربن بترتیب از هیدروکربورهای اشباعشده به اولفینها - نفتنها و آروماتیکها افزایش مییابد. بدین ترتیب نقطه جوش هیدروکربورهای اشباع شده و اولفینها از همه کمتر و سیکلوآلکانها و آروماتیکها از سایرین بیشتر میباشد.
برای برشهای نفتی که مخلوطی از هیدروکربورهای مختلف میباشند، یک نقطه جوش ابتدائی و یک نقطه جوش انتهایی در نظر گرفته میشود و حد فاصل بین این دو نقطه برای یک برش به نوع مواد سازنده اغلب زیاد و متغیر میباشد که به این حد فاصل بین دو نقطه "گستره تقطیر" گفته میشود.
گرمای نهان تبخیر
گرمای نهان تبخیر در یک سری همولوگ از هیدروکربنها بترتیب از مواد سبک به سنگین کاهش مییابد و همچنین مقدار آن از یک سری به سری دیگر ، مثلا بترتیب از آروماتیکها به نفتنها و هیدروکربورهای اشباع شده نقصان مییابد. بنابراین گرمای نهان تبخیر با دانسیته فراکسیون مربوط بستگی دارد.
قدرت حرارتی
قدرت حرارتی عبارت از مقدار کالری است که از سوختن یک گرم ماده حاصل میشود. قدرت حرارتی هیدروکربورها به ساختمان مولکولی آنها و قدرت حرارتی یک برش نفتی به نوع و مواد سازنده آن سبتگی دارد. قدرت حرارتی متان بیشتر از سایر هیدروکربورها و برابر با 13310 کیلوکالری به ازای یک کیلوگرم میباشد و مواد سنگین حاصله از نفت خام دارای قدرت حرارتی در حدود 10000 کیلو کالری میباشد.
اثر اسید نیتریک
هیدروکربورها در اثر اسید نیتریک به ترکیبات نیتره یا پلینیتره تبدیل میشود. نیتراسیون برخی از مواد نفتی منجر به تهیه ترکیبات منفجره یا مواد رنگین میگردد.
موارد استعمال برخی از برش های نفتی بدست آمده از نفت خام
1- شیرین کردن آب دریا
یکی از موارد استعمال گازهای نفتی در صنایع وابسته به پالایشگاهها تهیه آب شیرین از آب شور میباشد.
2- به عنوان سوخت
از جمله ، بنزین برای سوخت موتورهای مختلف ، کروزون سوخت اغلب تراکتورها و ماشینهای مورد استفاده در کشاورزی و همچنین موتورهای جت هواپیماها اغلب از کروزون یا نفت سفید میباشد، گازوئیل که موتورهای دیزل بعنوان سوخت از نفت گاز (گازوئیل) استفاده مینمایند، نفت کوره یا مازوت یک جسم قابل احتراق با قدرت حرارتی 10500 کالری بوده که بخوبی میتواند جانشین زغال سنگ گردد و سوختن آن تقریبا بدون دود انجام میگیرد.
3- روشنایی
از کروزون جهت روشنایی و همچنین برای علامت دادن به کمک آتش استفاده میشود، چون نقطه اشتعال کروزون بالاتر از 35 درجه است، لذا از نظر آتشسوزی خطری ندارد.
4- حلال
از هیدروکربورهای C4 تا C10 میتوان برشهائی با دانسیته و نقاط جوش ابتدائی و انتهایی متفاوت تهیه نمود که مورد استعمال آنها اغلب بعنوان حلال میباشد. بعنوان مثال ، اتر نفت یک حلال سبک با نقطه جوش 75-30 درجه سانتیگراد و وایت اسپیریت (حلال سنگین) که از تقطیر بنزین بدست میآید بعنوان حلال ، رنگهای نقاشی و ورنی ها استفاده میگردد. همچنین برای تمیز کردن الیاف گیاهی و حیوانی و یا سطح فلزات از برشهای خیلی فرار (تقطیر شده قبل از 110 درجه سانتیگراد) استفاده میشود.
5- روان کاری
روغنهای چرب کننده: نوعی روغن که جهت روان کاری بکار میرود. بستگی به شارژ ، سرعت ، درجه حرارت دستگاه دارد. انواع روغنها عبارتند از:
•روغن دوک برای چرب کردن دوک ، موتورهای الکتریکی کوچک و ماشین های نساجی و سانتریفوژهای کوچک
•روغن ماشینهای یخ سازی جهت روغنکاری کمپرسورهای آمونیاکی کارخانجات یخسازی
•روغن ماشینهای سبک جهت روان کاری موتورهای الکتریکی ، دینامها و سانتریفوژهای با قدرت متوسط
•روغن ماشینهای سنگین مخصوص روغنکاری موتورهای دیزلی است مانند دیزلهای سورشارژه و غیره روغن برای سیلندرهای ماشین بخار
•روغن برای توربین ها
•روغن برای موتورهای انفجاری (اتومبیل و غیره)
•روغن دنده
•روغن موتورهایی که دائما با آب در تماس است.
گریس ها: یک روان کننده نیمه جامد است و متشکل از یک روغن نفتی و یک پر کننده (از سری صابونهای فلزی) یا سفتکننده (از مواد پلیمری) میباشد. کاربرد گریس بیشتر برای اتومبیلها و برخی صنایع مناسب میباشد.
آسفالت و قیراندودی: در حال حاضر 75 درصد از باقیمانده حاصل از عمل تقطیر در خلاء برای پوشش جادهها مورد استفاده قرار میگیرد.
موارد استعمال داروئی: از قبیل وازلین باعث نرم شدن پوست بدن گردیده و برای بهبود سرمازدگی نیز موثر است.
پارافین: از پارافین ذوب شده و خالص شده جهت ساخت داروهای زیبائی استفاده میگردد.
گلیسیرین: مقدار قابل ملاحظه ای از این ماده ، از نفت تهیه میگردد. علاوه بر مصارفی که گلیسیرین در صنعت (برای تهیه باروت دینامیت ، مرکب و غیره) دارد، از آن برای فرم نگه داشتن پوست بدن و یا تهیه داروهائی از قبیل گلیسیرین یده استفاده میشود.