راکتور فرآوری نفت خام: نمک‌زدا، هیدروتریتِر و طراحی پیش‌تصفیه FCC

راکتور فرآوری نفت خام: نمک‌زدا، هیدروتریتِر و پیش‌تصفیه خوراک کراکینگ کاتالیستی

راکتور فرآوری نفت خام چیست؟ راکتور فرآوری نفت خام ظرفی در پالایشگاه است که در آن نفت خام یا کسرهای آن قبل یا در حین ارتقاء به صورت شیمیایی تبدیل می‌شوند و در چهار نقطه حیاتی ظاهر می‌شود: نمک‌زدای الکتریکی که نمک و آب را در دمای ۱۲۰-۱۵۰ درجه سانتی‌گراد حذف می‌کند؛ هیدروتریتِر که نفت را در دمای ۳۰۰-۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۳۰-۱۵۰ بار با هیدروژن واکنش می‌دهد تا گوگرد، نیتروژن و فلزات را حذف کند و به ۹۰-۹۹ درصد گوگردزدایی دست یابد؛ پیش‌تصفیه خوراک کراکینگ کاتالیستی که کراکِر کاتالیستی را از فلزات و کک محافظت می‌کند؛ و کک‌سازی یا هیدروکانورژن باقی‌مانده که ته بشکه را در دمای ۴۸۰-۵۴۰ درجه سانتی‌گراد تبدیل می‌کند. چالش‌های مهندسی غالب عبارتند از گرفتگی ناشی از آسفالتن‌ها و نمک‌ها، حمله هیدروژن در دمای بالا در هیدروتریتِر، و کک‌سازی در داخل ظرف، بنابراین راکتورها از فولادهای Cr-Mo مطابق با API 941 ساخته شده و یا روکش‌دار یا طراحی شده‌اند تا در برابر حمله خاص مقاومت کنند، زیرا خرابی راکتور پالایشگاه هم یک فاجعه ایمنی و هم یک فاجعه تولید است.

۱. وظایف راکتور پالایشگاه و شیمی آن‌ها

هر وظیفه از یک واحد پایین‌دستی محافظت می‌کند یا یک کسر را ارتقا می‌دهد:

• نمک‌زدایی الکتریکی در ابتدای خط: قبل از هر چیز، نفت خام نمک‌زدایی می‌شود تا نمک‌های کلریدی و آب معلق که در غیر این صورت ستون تقطیر و کوره‌ها را خورده و مسدود می‌کنند، حذف شوند. نفت خام با ۴-۱۰٪ آب شستشو مخلوط شده، تا دمای ۱۲۰-۱۵۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود تا حلالیت نمک افزایش یافته و ویسکوزیته کاهش یابد، و از یک میدان الکترواستاتیکی عبور داده می‌شود که قطرات آب را به هم می‌آورد تا ته‌نشین شوند. ظرف نمک‌زدا یک درام افقی بزرگ و کم‌فشار است و قابلیت اطمینان آن مهم است زیرا هر واحد پایین‌دستی نمک و آب آن را به ارث می‌برد؛ یک نمک‌زدای ضعیف به معنای خوردگی کلریدی در سیستم بالایی و تشکیل کک در کوره است. اگرچه از نظر شیمیایی ساده است، اما اولین راکتور در خط و اساس قابلیت اطمینان پالایشگاه است و کیفیت آب و میدان الکتریکی آن با رفتار خاص نمک و امولسیون نفت خام تنظیم می‌شود.
• هیدروتریتینگ و هیدروژندزدایی گوگرد: هیدروتریتِر، نیروی محرکه پالایش مدرن است که نفت را در دمای ۳۰۰-۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۳۰-۱۵۰ بار بر روی یک کاتالیزور با هیدروژن واکنش می‌دهد تا گوگرد، نیتروژن، فلزات و اکسیژن را حذف کرده و اولفین‌ها را اشباع کند و به ۹۰-۹۹ درصد گوگردزدایی برای مطابقت با مشخصات محصول دست یابد. راکتور یک ظرف پرفشار با دیواره ضخیم با بستر کاتالیزور ثابت است که با هیدروژن با فشار جزئی تغذیه می‌شود که هم سرعت واکنش و هم خطر خوردگی را تعیین می‌کند، و باید جریان گاز-مایع را به طور یکنواخت توزیع کند تا هیچ کانالی بیش از حد گرم نشود. شیمی آن برای طراحی بی‌ضرر است اما برای مواد خشن است، زیرا ترکیب دمای بالا و فشار جزئی بالای هیدروژن، حمله هیدروژن در دمای بالا و تردی هیدروژنی را دعوت می‌کند، و فلزات و کک خوراک به تدریج کاتالیزور را در طول عمر ۱-۵ ساله غیرفعال می‌کنند. هیدروتریتِر دلیل فروش سوخت‌های کم‌گوگرد توسط پالایشگاه‌ها است.
• پیش‌تصفیه خوراک FCC و تبدیل ته بشکه: کراکینگ کاتالیستی سیال، تولیدکننده اصلی بنزین و اولفین پالایشگاه است، اما کاتالیزور آن توسط فلزات، نیکل و وانادیوم و پیش‌سازهای کک در باقی‌مانده مسموم می‌شود. یک هیدروتریتِر قبل از واحد FCC این موارد را حذف می‌کند و از کراکِر کاتالیستی محافظت کرده و بازده آن را افزایش می‌دهد، به همین دلیل پیش‌تصفیه FCC اغلب بزرگترین هیدروتریتِر در پالایشگاه است. برای سنگین‌ترین کسرها، کک‌سازی در دمای ۴۸۰-۵۴۰ درجه سانتی‌گراد یا هیدروکانورژن باقی‌مانده، مولکول‌های بلند و کثیف را به محصولات سبک‌تر می‌شکند؛ کک‌سازی از یک درام کک استفاده می‌کند که پر شده و دکک می‌شود، در حالی که هیدروکانورژن باقی‌مانده از یک بستر جوشان یا ثابت تحت هیدروژن استفاده می‌کند. اینها شدیدترین وظایف، بالاترین دما، کثیف‌ترین خوراک، بیشترین گرفتگی هستند و تعیین می‌کنند که چه مقدار از بشکه به جای سوخت کک، محصول قابل فروش شود.

۲. مواد، گرفتگی و قابلیت اطمینان

راکتورهای پالایشگاه در سخت‌ترین شرایط فرآوری قرار دارند، بنابراین بر اساس حالت‌های خرابی ساخته می‌شوند:

• هیدروژن دمای بالا و فولادهای Cr-Mo: در هیدروتریتینگ و هیدروکانورژن، دیواره راکتور همزمان در معرض دمای بالا و فشار جزئی بالای هیدروژن قرار می‌گیرد، شرایط دقیقی که باعث حمله هیدروژن در دمای بالا می‌شود، جایی که هیدروژن به فولاد نفوذ کرده، با کربن در مرز دانه‌ها واکنش داده و باعث تاول‌زدگی و از دست دادن دائمی استحکام می‌شود. دفاع، شیمی مواد است: فولادهای کم آلیاژ کروم-مولیبدن، ۱.۲۵Cr-۰.۵Mo تا ۲.۲۵Cr-۱Mo و فراتر از آن، که مطابق با API 941 (منحنی‌های نلسون) واجد شرایط هستند، اغلب با روکش داخلی فولاد ضد زنگ تا سطح رو به هیدروژن آستنیتی باشد. ظرف همچنین پس از جوش‌کاری حرارت داده شده و پله‌ای خنک می‌شود تا از تردی تمپر جلوگیری شود. بنابراین، یک راکتور هیدروتریتِر یک ظرف فشار بسیار مهندسی شده است که انتخاب مواد آن توسط فشار جزئی هیدروژن و دما دیکته می‌شود، نه شیمی نفت، و واجد شرایط بودن آن در برابر HTHA بخشی اجباری از طراحی است.
• گرفتگی، کک و حفاظت داخلی: نفت خام کثیف است و باقی‌مانده‌ها کثیف‌ترین هستند، بنابراین گرفتگی و کک‌سازی تهدیدات مداوم هستند. نمک و رسوب بر روی لوله‌های هیتر و سینی‌ها رسوب می‌کنند، آسفالتن‌ها رسوب کرده و راکتور یا کوره را کک می‌کنند، و فلزات بر روی کاتالیزور رسوب می‌کنند. راکتور و اجزای داخلی آن برای مقاومت و تمیز شدن طراحی شده‌اند: صفحات توزیع‌کننده که باز می‌مانند، اجزای داخلی قابل جدا شدن برای تعویض کاتالیزور، و آسترهای نسوز یا مقاوم در برابر فرسایش در جایی که جریان ساینده یا بسیار داغ است. راکتورهای کک‌سازی به طور عمدی کک را مدیریت می‌کنند، یک درام را پر کرده و سپس دکک می‌کنند، در حالی که واحدهای بستر ثابت توسط راکتورهای نگهبان که فلزات و جامدات را قبل از رسیدن به بستر اصلی می‌گیرند، محافظت می‌شوند. نرخ گرفتگی ۰.۵-۳ میلی‌متر در سال بر روی سطوح در معرض دید طبیعی است، بنابراین طراحی شامل حاشیه و دسترسی است، زیرا یک راکتور مسدود شده، تبدیل را از دست می‌دهد و یک توزیع‌کننده مسدود شده، گزینش‌پذیری را از دست می‌دهد.
• قابلیت اطمینان، بازرسی و تعمیرات اساسی: از آنجایی که خرابی راکتور پالایشگاه یک واحد با ارزش میلیون‌ها در روز را متوقف می‌کند، ظروف برای قابلیت بازرسی و عمر طولانی ساخته می‌شوند. آنها دسترسی گسترده به اجزای داخلی دارند، برای بازرسی رادیوگرافی و اولتراسونیک طراحی شده‌اند، و در تعمیرات اساسی، معمولاً هر ۳-۵ سال، برای نازک شدن دیواره، حمله هیدروژن، خزش و ترک‌خوردگی بازرسی می‌شوند. کاتالیزور در چرخه خود، ۱-۵ سال، از طریق دریچه‌های بزرگ و گاهی جرثقیل نصب شده در بالا تعویض می‌شود، بنابراین سر ظرف و اجزای داخلی برای تعمیرات اساسی سریع مرتب شده‌اند. رویه‌های مدرن نظارت آنلاین بر شار هیدروژن و دمای فلزات را برای تشخیص تخریب قبل از تبدیل شدن به خرابی اضافه می‌کنند. بنابراین راکتور به عنوان یک دارایی قابلیت اطمینان مشخص می‌شود: مواد، آستر و دسترسی آن به گونه‌ای انتخاب می‌شوند که واحد تا تعمیرات اساسی برنامه‌ریزی شده بعدی به طور ایمن کار کند نه اینکه بین آنها از کار بیفتد.

ماتریس وظایف راکتور فرآوری نفت خام

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین هیدروتریتِر و واحد FCC در فرآوری نفت خام چیست؟

پ: آنها مراحل متفاوتی با شیمی متفاوت هستند. هیدروتریتِر یک راکتور هیدروژنی است که نفت را در دمای ۳۰۰-۴۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۳۰-۱۵۰ بار با هیدروژن واکنش می‌دهد تا گوگرد، نیتروژن، فلزات و اکسیژن را حذف کرده و اولفین‌ها را اشباع کند و به ۹۰-۹۹ درصد گوگردزدایی دست یابد؛ کیفیت جریان را ارتقا می‌دهد. کراکینگ کاتالیستی سیال یک واحد کراکینگ کاتالیستی است، بدون هیدروژن حجیم، که مولکول‌های سنگین را با استفاده از کاتالیزور در حال گردش در دمای ۵۰۰-۵۴۰ درجه سانتی‌گراد به بنزین و اولفین‌ها می‌شکند. به طور حیاتی، FCC توسط فلزات و پیش‌سازهای کک در باقی‌مانده مسموم می‌شود، بنابراین یک هیدروتریتِر اغلب قبل از آن قرار می‌گیرد تا خوراک را پیش‌تصفیه کرده و از کراکِر کاتالیستی محافظت کند. هیدروتریتِر مرحله کیفیت است؛ FCC مرحله تبدیل است؛ و پیش‌تصفیه‌کننده، هیدروتریتِری است که به FCC خدمت می‌کند.

س: چرا راکتورهای هیدروتریتِر از فولاد Cr-Mo ساخته می‌شوند؟

پ: زیرا آنها در ترکیب دقیق دمای بالا و فشار جزئی بالای هیدروژن کار می‌کنند که باعث حمله هیدروژن در دمای بالا می‌شود، جایی که هیدروژن به فولاد کربن نفوذ کرده، با کربن در مرز دانه‌ها واکنش داده و باعث تاول‌زدگی و از دست دادن دائمی استحکام می‌شود. فولادهای کم آلیاژ کروم-مولیبدن، ۱.۲۵Cr-۰.۵Mo تا ۲.۲۵Cr-۱Mo و بالاتر، در برابر این امر مقاومت می‌کنند و آنها مطابق با API 941، منحنی‌های نلسون، اغلب با روکش داخلی فولاد ضد زنگ آستنیتی در سطح رو به هیدروژن واجد شرایط هستند. مواد توسط فشار جزئی هیدروژن و دما دیکته می‌شود، نه نفت، و عملیات حرارتی پس از جوش و خنک‌سازی پله‌ای از تردی تمپر جلوگیری می‌کند. یک هیدروتریتِر ساخته شده از فولاد کربن ساده به دلیل HTHA از کار می‌افتد، به همین دلیل Cr-Mo برای این وظیفه اجباری است.

س: چه چیزی باعث گرفتگی و کک‌سازی در راکتورهای فرآوری نفت خام می‌شود؟

پ: نفت خام ذاتاً کثیف است و باقی‌مانده‌ها بدترین هستند. نمک‌ها و رسوبات بر روی هیترها و سینی‌ها رسوب می‌کنند؛ آسفالتن‌ها، کسرهای آروماتیک سنگین، رسوب کرده و بر روی سطوح داغ و در راکتورها کک تشکیل می‌دهند؛ و فلزاتی مانند نیکل و وانادیوم بر روی کاتالیزور رسوب کرده و آن را مسموم می‌کنند. نرخ گرفتگی ۰.۵-۳ میلی‌متر در سال بر روی سطوح در معرض دید در سرویس باقی‌مانده طبیعی است. راکتور با صفحات توزیع‌کننده که باز می‌مانند، اجزای داخلی قابل جدا شدن برای تعویض کاتالیزور، آسترهای نسوز یا مقاوم در برابر فرسایش، و در کک‌سازی، یک چرخه عمدی درام کک پر و دکک شده، در برابر این امر طراحی شده است. واحدهای بستر ثابت راکتورهای نگهبان را برای گرفتن فلزات و جامدات قبل از بستر اصلی اضافه می‌کنند. گرفتگی با طراحی حاشیه و دسترسی مدیریت می‌شود، نه حذف، به طوری که تبدیل تا تعمیرات اساسی بعدی حفظ شود.

س: یک راکتور فرآوری نفت خام چقدر باید قابل اطمینان باشد؟

پ: فوق‌العاده، زیرا خرابی آن یک واحد پالایشگاه با ارزش میلیون‌ها در روز را متوقف می‌کند و می‌تواند یک رویداد ایمنی بزرگ باشد. ظروف به عنوان دارایی‌های قابلیت اطمینان ساخته می‌شوند: مواد Cr-Mo یا روکش‌دار واجد شرایط در برابر حمله هیدروژن در دمای بالا، طراحی شده برای بازرسی رادیوگرافی و اولتراسونیک، با اجزای داخلی مرتب شده برای تعویض سریع کاتالیزور هر ۱-۵ سال و بازرسی در تعمیرات اساسی هر ۳-۵ سال. رویه‌های مدرن نظارت آنلاین بر شار هیدروژن و دمای فلزات را برای تشخیص تخریب قبل از خرابی اضافه می‌کنند. مشخصات، هزینه بالاتر مواد و طراحی را برای تضمین کارکرد ایمن واحد تا تعمیرات اساسی برنامه‌ریزی شده بعدی به جای خرابی بین آنها می‌پذیرد، زیرا یک خاموشی برنامه‌ریزی نشده راکتور بسیار بیشتر از حاشیه‌ای که در ظرف ساخته شده است، هزینه دارد.