روش‌های فرآوری هیدروکربن چیست: جداسازی، تبدیل و تصفیه

فرآوری هیدروکربن: جداسازی، تبدیل و تصفیه

عنوان متا هدف: روش‌های فرآوری هیدروکربن: جداسازی، تبدیل و تصفیه

توضیحات متا هدف: فرآوری هیدروکربن از چهار خانواده روش استفاده می‌کند: جداسازی فیزیکی، تبدیل حرارتی و کاتالیستی، تصفیه شیمیایی و اختلاط. فرآیندها، شرایط و محصولات را مقایسه کنید.

کلمات کلیدی هدف: روش‌های فرآوری هیدروکربن، روش‌های فرآوری هیدروکربن، فرآیندهای پالایش نفت، فرآیندهای تبدیل پالایشگاه، فرآیندهای جداسازی هیدروکربن، فرآیندهای تصفیه پالایشگاه

پاسخ به سوال اصلی: روش‌های فرآوری هیدروکربن چیست؟ فرآوری هیدروکربن به چهار خانواده روش سازماندهی شده است. جداسازی مخلوط را با روش‌های فیزیکی بدون تغییر مولکول‌ها، عمدتاً با تقطیر در فشار 1-3 بار در ستون اتمسفریک با دمای 350-400 درجه سانتیگراد و تحت خلاء در فشار 25-100 میلی‌بار برای کسرهای سنگین، جدا می‌کند. تبدیل مولکول‌ها را تغییر می‌دهد، چه به صورت حرارتی در دمای 450-540 درجه سانتیگراد در کک‌سازی، ویس‌بریکینگ و کراکینگ بخار، یا به صورت کاتالیستی در دمای 350-540 درجه سانتیگراد در کراکینگ کاتالیستی سیال، هیدروکراکینگ، ریفرمینگ، آلکیلاسیون و ایزومریزاسیون، یا با هیدروژن در دمای 300-450 درجه سانتیگراد و فشار 30-200 بار در هیدروتریتینگ و هیدروکراکینگ. تصفیه ناخالصی‌ها را با استفاده از هیدروژن، آمین‌ها، سود و بازیابی گوگرد حذف می‌کند. اختلاط و تکمیل، جریان‌ها را برای محصولات قابل فروش مطابق با مشخصات ترکیب می‌کند. یک پالایشگاه معمولی بیش از بیست مورد از این روش‌ها را به کار می‌برد و ترکیب انتخاب شده تعیین می‌کند که آیا یک نفت خام با 20-45٪ باقی‌مانده عمدتاً سوخت کوره یا عمدتاً سوخت حمل و نقل تولید می‌کند.

1. روش‌های جداسازی

جداسازی از تفاوت در فراریت، حلالیت، جذب‌کنندگی یا اندازه مولکولی بهره می‌برد و همیشه در ابتدا قرار دارد:

• تقطیر: ستون فقرات هر پالایشگاه و واحد گاز. نفت خام در دمای 350-400 درجه سانتیگراد در یک کوره گرم شده و در یک ستون اتمسفریک با 30-60 سینی بخار می‌شود، جایی که کسره‌ها بر اساس محدوده جوش استخراج می‌شوند: LPG، نفت سبک و سنگین، کروسن، دیزل سبک و سنگین، و باقی‌مانده اتمسفریک. دمای پایین ستون به حدود 350-400 درجه سانتیگراد محدود می‌شود زیرا کراکینگ حرارتی و کک‌سازی در بالای آن شروع می‌شوند، بنابراین باقی‌مانده دوباره گرم شده و در یک ستون خلاء در فشار 25-100 میلی‌بار دوباره بخار می‌شود، که نقاط جوش را 150-200 درجه سانتیگراد کاهش می‌دهد و امکان جداسازی روغن گاز خلاء و باقی‌مانده خلاء را بدون تجزیه فراهم می‌کند. ادغام انرژی مرکزی است: نفت خام توسط رفلاکس‌های در گردش و جریان‌های محصول پیش‌گرم می‌شود و یک خط پیش‌گرم مدرن 60-75٪ از گرمایی را که در غیر این صورت از دست می‌رفت، بازیابی می‌کند.
• جذب، استریپینگ و استخراج: جایی که نقاط جوش برای تقطیر خیلی نزدیک هستند، یا جایی که یک جزء خاص باید حذف شود، از روش‌های تعادلی دیگر استفاده می‌شود. جذب یک جزء را در یک حلال مایع حل می‌کند، مانند یک کنتاکتور آمین که در آن سولفید هیدروژن و دی‌اکسید کربن از گاز در دمای 35-50 درجه سانتیگراد جذب شده و در دمای 105-125 درجه سانتیگراد احیا می‌شوند. استریپینگ معکوس است و از بخار برای حذف اجزای فرار استفاده می‌کند، مانند یک استریپر آب ترش یا یک استریپر جانبی در یک ستون نفت خام. استخراج مایع-مایع به طور انتخابی یک کلاس مولکول را از کلاس دیگر حل می‌کند و برای جداسازی آروماتیک‌ها از پارافین‌ها با حلال‌هایی مانند سولفولان یا فورفورال استفاده می‌شود و بنزن، تولوئن و زایلن با خلوص بالا تولید می‌کند، و برای استخراج پایه‌های روغن روان‌کننده با N-متیل‌ پیرولیدون یا فورفورال برای بهبود شاخص ویسکوزیته و پایداری اکسیداسیون استفاده می‌شود.
• جذب سطحی و جداسازی غشایی: جذب سطحی از یک سطح جامد با میل ترکیبی انتخابی استفاده می‌کند و این روش انتخابی برای مراحل نهایی پولیش است. الک‌های مولکولی گاز و مایعات را قبل از فرآوری برودتی به زیر 1 ppm آب خشک می‌کنند، زیرا در دمای -100 درجه سانتیگراد هرگونه آب باقی‌مانده یخ می‌زند و مبدل‌ها را مسدود می‌کند. آنها همچنین پارافین‌های نرمال را از ایزو پارافین‌ها در یک واحد UOP Molex یا Isosiv با استفاده از اندازه منافذ انتخابی جدا می‌کنند و پارا-زایلن را در یک بستر متحرک شبیه‌سازی شده جدا می‌کنند. غشاها با ترکیب حلالیت و نفوذپذیری از طریق یک فیلم پلیمری جدا می‌شوند و برای حذف دی‌اکسید کربن از گاز طبیعی، برای بازیابی هیدروژن از گازهای خروجی پالایشگاه و جریان‌های پاکسازی هیدروکراکر، و برای بازیابی بخار از پایانه‌های بارگیری استفاده می‌شوند. غشاها قطعات متحرک ندارند و فضای کمی اشغال می‌کنند اما برای جلوگیری از گرفتگی نیاز به پیش‌تصفیه دارند و برای جداسازی حجمی بهتر از جداسازی عمیق مناسب هستند.
• جداسازی فاز و کنترل نقطه شبنم: قبل از هرگونه فرآوری، جریان چاه یا خوراک باید به گاز، مایع هیدروکربنی و آب تقسیم شود. جداکننده‌های سه فازی این کار را با گرانش انجام می‌دهند، که با معادله Souders-Brown اندازه‌گیری می‌شوند و با هم‌افزایی‌های الکترواستاتیک و نمک‌زداها که محتوای نمک نفت خام را به زیر 1-3 PTB کاهش می‌دهند قبل از ورود به ستون اتمسفریک دنبال می‌شوند، زیرا نمک به اسید هیدروکلریک هیدرولیز شده و سیستم بالایی را خورده می‌کند. گاز برای مطابقت با مشخصات خط لوله بیشتر شرطی می‌شود، که معمولاً به نقطه شبنم هیدروکربنی زیر حدود -5 تا 0 درجه سانتیگراد در فشار تحویل، نقطه شبنم آب زیر -10 درجه سانتیگراد، سولفید هیدروژن زیر 4 ppm، دی‌اکسید کربن زیر 2-3٪، و عدم وجود مایعات آزاد نیاز دارد، که از طریق خنک‌سازی، رطوبت‌زدایی گلیکول و کنترل نقطه شبنم هیدروکربنی با تبرید یا با انبساط ژول-تامسون با یک جداکننده دمای پایین به دست می‌آید.

2. روش‌های تبدیل، تصفیه و تکمیل

پس از جداسازی، جریان‌ها به مولکول‌های با ارزش‌تر تبدیل، از ناخالصی‌ها پاک و مطابق با مشخصات مخلوط می‌شوند:

• تبدیل حرارتی: گرما به تنهایی پیوندهای کربن-کربن را از طریق مکانیسم رادیکال آزاد می‌شکند. کک‌سازی تاخیری باقی‌مانده خلاء را در دمای 480-510 درجه سانتیگراد گرم کرده و به مدت 12-24 ساعت در درام‌ها نگه می‌دارد و گاز، نفت، روغن گاز و کک نفتی تولید می‌کند؛ این روش استاندارد برای سنگین‌ترین و آلوده‌ترین خوراک‌ها است زیرا کاتالیزوری برای مسموم شدن وجود ندارد. ویس‌بریکینگ شکلی ملایم‌تر در دمای 450-500 درجه سانتیگراد با زمان اقامت کوتاه است که ویسکوزیته باقی‌مانده را 5-20 برابر کاهش می‌دهد تا بتوان آن را با رقیق‌کننده کمتر در سوخت کوره مخلوط کرد. کراکینگ بخار داغ‌ترین در بین همه است، در دمای 750-870 درجه سانتیگراد با زمان اقامت کمتر از یک ثانیه، و این یک فرآیند پالایشگاهی نیست بلکه یک فرآیند پتروشیمی است که اتیلن، پروپیلن و بوتادین تولید می‌کند. مشکل طراحی مشترک در هر سه مورد، رسوب کک در لوله‌های کوره است که با سرعت بالا، تزریق بخار و کنترل دقیق دمای فلز لوله مدیریت می‌شود.
• تبدیل کاتالیستی: کاتالیزورها امکان تبدیل در دمای پایین‌تر با گزینش‌پذیری بسیار بهتر را فراهم می‌کنند. کراکینگ کاتالیستی سیال، روغن گاز را در دمای 500-540 درجه سانتیگراد بر روی کاتالیزور زئولیت با زمان تماس 2-5 ثانیه کراک می‌کند و تولیدکننده اصلی بنزین پالایشگاه است. هیدروکراکینگ کراکینگ را با هیدروژناسیون در دمای 350-450 درجه سانتیگراد و فشار 100-200 بار ترکیب می‌کند و 30-90٪ روغن گاز را به دیزل و سوخت جت با کیفیت بالا با تقریباً بدون اولفین یا گوگرد تبدیل می‌کند. ریفرمینگ کاتالیستی اکتان نفت سنگین را از حدود 40-60 به 95-105 در دمای 480-525 درجه سانتیگراد بر روی پلاتین-رنیوم افزایش می‌دهد و هیدروژن را به عنوان یک محصول جانبی ارزشمند تولید می‌کند. آلکیلاسیون اولفین‌های سبک را با ایزوبوتان در دمای 5-20 درجه سانتیگراد با استفاده از اسید سولفوریک یا هیدروفلوئوریک برای تولید آلکیلات، بالاترین اکتان و تمیزترین جزء مخلوط بنزین، ترکیب می‌کند. ایزومریزاسیون پارافین‌های نرمال را به پارافین‌های شاخه‌دار در دمای 120-250 درجه سانتیگراد بر روی یک کاتالیزور آلومینای کلر شده یا زئولیتی تبدیل می‌کند، و اترسازی و پلیمریزاسیون اولفین‌های سبک را به اکسیژنات‌ها و بنزین با اکتان بالا تبدیل می‌کنند.
• تصفیه و بازیابی گوگرد: تقریباً هر جریان نیاز به تصفیه دارد. هیدروتریتینگ گوگرد، نیتروژن، اکسیژن، فلزات و اولفین‌ها را در دمای 300-400 درجه سانتیگراد و فشار 30-100 بار بر روی کاتالیزور کبالت-مولیبدن یا نیکل-مولیبدن حذف می‌کند و آنها را به سولفید هیدروژن، آمونیاک و آب تبدیل می‌کند؛ این همان چیزی است که دیزل فوق‌العاده کم گوگرد زیر 10 ppm را ممکن می‌سازد. تصفیه آمین، سولفید هیدروژن و دی‌اکسید کربن را از جریان‌های گازی با استفاده از مونو اتانول آمین، دی اتانول آمین یا متیل دی اتانول آمین حذف می‌کند. تصفیه سود و مرکاکس، مرکاپتان‌ها را از LPG و نفت حذف کرده و آنها را به دی‌سولفیدها تبدیل یا استخراج می‌کنند. سولفید هیدروژن بازیابی شده در یک واحد کلاوس به گوگرد عنصری تبدیل می‌شود، با یک مرحله حرارتی در دمای 1000-1300 درجه سانتیگراد و مراحل کاتالیستی در دمای 200-320 درجه سانتیگراد، که به بازیابی 95-99.5٪ دست می‌یابد، و یک واحد تصفیه گاز دم برای دستیابی به مقادیر بالاتر. استریپرهای آب ترش، آمونیاک و سولفید هیدروژن را از آب فرآیندی قبل از استفاده مجدد یا تخلیه حذف می‌کنند.
• اختلاط، تکمیل و کنترل کیفیت محصول: آخرین روش اختلاط است و جایی است که بخش زیادی از سود یک پالایشگاه ساخته یا از دست می‌رود. بنزین از ریفرمت، آلکیلات، ایزومرات، نفت FCC، نفت سبک و اکسیژنات‌ها برای همزمان برآورده کردن محدودیت‌های اکتان، فشار بخار رید، گوگرد، بنزن، آروماتیک‌ها و اولفین‌ها، با استفاده از یک بهینه‌ساز آنلاین و آنالایزر‌های درون خطی مخلوط می‌شود. دیزل برای عدد ستان، نقطه ابری، نقطه گرفتگی فیلتر سرد و گوگرد مخلوط می‌شود. سوخت کوره برای ویسکوزیته و گوگرد مخلوط می‌شود. پایه‌های روغن و موم با هیدروفینیشینگ، پارافین‌زدایی با مسیرهای حلال یا کاتالیستی، و تصفیه با خاک رس یا هیدروتراتمنت برای رنگ و پایداری تکمیل می‌شوند. آسفالت با دمیدن هوا یا با مخلوط کردن باقی‌مانده خلاء با یک فلاکس تولید می‌شود. هر محصول باید همزمان چندین مشخصات را برآورده کند، به همین دلیل اختلاط یک مسئله بهینه‌سازی است تا یک عملیات اختلاط ساده.

ماتریس مقایسه خانواده‌های روش فرآوری هیدروکربن

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین جداسازی و تبدیل در فرآوری هیدروکربن چیست؟

پاسخ: جداسازی ترکیب یک مخلوط را بدون تغییر هیچ مولکولی تغییر می‌دهد. تقطیر، جذب، استخراج، جذب سطحی و فرآیندهای غشایی همگی مولکول‌های موجود را بر اساس یک خاصیت فیزیکی، معمولاً نقطه جوش، به گروه‌ها مرتب می‌کنند. تبدیل مولکول‌ها را با شکستن و بازسازی پیوندهای کربن-کربن و کربن-هیدروژن تغییر می‌دهد و مولکول‌هایی تولید می‌کند که در خوراک وجود نداشتند. به همین دلیل تبدیل جایی است که ارزش افزوده می‌شود: یک بشکه باقی‌مانده خلاء که ارزش بسیار کمتری نسبت به دیزل دارد، تنها از طریق تبدیل به مولکول‌های دیزل تبدیل می‌شود. همچنین دلیل گران‌تر بودن تبدیل است، از نظر انرژی، هیدروژن، کاتالیزور و سرمایه، و چرا جداسازی همیشه قبل از تبدیل قرار می‌گیرد، زیرا هیچ منطقی ندارد که کل نفت خام را تحت شرایط کراکینگ قرار دهیم در حالی که فقط بخش سنگین به آن نیاز دارد.

س: چرا یک پالایشگاه به این همه فرآیند مختلف نیاز دارد؟

پاسخ: زیرا نفت خام مخلوطی از هزاران ترکیب است که در محدوده جوش بسیار وسیعی قرار دارند و بازار به مجموعه‌ای محدود از محصولات در نسبت‌هایی که هرگز با نفت خام مطابقت ندارند، نیاز دارد. یک نفت خام معمولی ممکن است 20-45٪ باقی‌مانده اتمسفریک و خلاء تولید کند، در حالی که بازار عمدتاً سوخت حمل و نقل می‌خواهد، بنابراین تقریباً یک سوم بشکه باید از نظر شیمیایی تبدیل شود. هر فرآیند تبدیل پنجره باریکی از خوراک و محصول دارد: کراکینگ کاتالیستی سیال با روغن گاز خوب کار می‌کند اما نمی‌تواند فلزات و آسفالتن‌ها را تحمل کند، در حالی که کک‌سازی تاخیری می‌تواند باقی‌مانده را تحمل کند اما کک و نفت با ارزش کم تولید می‌کند که نیاز به تصفیه بیشتر دارد. و هر محصول باید همزمان چندین مشخصات را برآورده کند، اکتان و فشار بخار برای بنزین، ستان و جریان سرد برای دیزل، محدودیت‌های گوگرد برای هر دو، بنابراین مراحل تصفیه و اختلاط چند برابر می‌شوند. نتیجه یک کارخانه با بیست فرآیند یا بیشتر است که هر کدام ضروری هستند زیرا هیچ کدام به تنهایی کل محدوده را پوشش نمی‌دهند.

س: نقش هیدروژن در فرآوری هیدروکربن چیست؟

پاسخ: هیدروژن عامل توانمندساز پالایش مدرن است. گوگرد، نیتروژن، اکسیژن و فلزات را در هیدروتریتینگ حذف می‌کند و آنها را به سولفید هیدروژن، آمونیاک و آب تبدیل می‌کند که می‌توانند جدا شوند. اولفین‌ها و آروماتیک‌ها را اشباع می‌کند و عدد ستان دیزل، نقطه دود سوخت جت و رنگ و پایداری را بهبود می‌بخشد. تشکیل کک را بر روی کاتالیزور سرکوب می‌کند، به همین دلیل هیدروکراکینگ می‌تواند خوراک‌هایی را پردازش کند که به سرعت کاتالیزور FCC را غیرفعال می‌کنند. و یک محصول جانبی ریفرمینگ کاتالیستی است، بنابراین یک پالایشگاه با ریفرمر یک منبع داخلی دارد. تقاضا با سفت‌تر شدن محدودیت‌های گوگرد به طور مداوم افزایش یافته است، از چند صد فوت مکعب استاندارد در هر بشکه یک نسل پیش به 1500-3000 امروز برای یک پالایشگاه تبدیل عمیق، و بیشتر پالایشگاه‌ها اکنون یک واحد هیدروژن اختصاصی را اداره می‌کنند، معمولاً ریفرمینگ متان بخار در دمای 800-900 درجه سانتیگراد، به علاوه جذب نوسان فشار برای خالص‌سازی بالای 99.9٪.

س: چگونه یک روش فرآوری برای یک خوراک معین انتخاب می‌شود؟

پاسخ: چهار خاصیت خوراک تصمیم‌گیری را هدایت می‌کنند. محدوده جوش تعیین می‌کند که آیا جریان اصلاً قابل تقطیر است یا نیاز به سرویس خلاء دارد. محتوای آلاینده، به ویژه گوگرد، نیتروژن، فلزاتی مانند نیکل و وانادیم، و آسفالتن‌ها، تعیین می‌کند که آیا کاتالیزور می‌تواند زنده بماند: کاتالیزور هیدروفرآوری توسط فلزات مسموم شده و توسط آسفالتن‌ها مسدود می‌شود، بنابراین باقی‌مانده به ککر یا هیدروکراکر بستر جوشان می‌رود تا به بستر ثابت. ساختار شیمیایی مسیر را تعیین می‌کند: یک خوراک پارافینی خوراک خوبی برای ریفرمر یا کراکینگ بخار است، یک خوراک آروماتیک برای هیدروکراکینگ یا استخراج برای آروماتیک‌ها مناسب‌تر است. و در دسترس بودن و هزینه هیدروژن تعیین می‌کند که آیا یک مسیر افزودن هیدروژن یا یک مسیر حذف کربن اقتصادی است؛ حذف کربن، مانند کک‌سازی، کک با ارزش کم تولید می‌کند، در حالی که افزودن هیدروژن، مانند هیدروکراکینگ، تقطیر با ارزش بالا تولید می‌کند اما هیدروژن را با 150-350 متر مکعب استاندارد در هر متر مکعب خوراک مصرف می‌کند. پیکربندی انتخاب شده آن است که حاشیه سود را در کل طیف نفت خام به حداکثر می‌رساند، نه آنی که برای یک جریان منفرد بهترین است.