ارزيابي نفت خام و روش هاي تفكيك (Condensate)
كلمات كليدي: نفت خام، تقطير،اساس كار دستگاههاي تقطير، واحد قير و راهسازي، آزمايشگاه ها، كاربردها
نفتي كه از چاه بيرون مي آيد همواره مقداري آب و رسوبات گازي به همراه دارد. در واحد بهره برداري هدف آن است كه اين مواد را از نفت خام جدا كنند . نفت خام را به پالايشگاهها مي فرستند (جهت تصفيه شدن) و يا اينكه از طريق ترمينال ها آن را صادر مي كنند. مي دانيم كه پالايشگاهها بر اساس نوع خوراک آنها طراحي مي شوند.
در اين واحد ابتدا يك سري آزمايشات مقدماتي مثل اندازه گيري مقدارash, N2,O2,H2O را روي نفت خام انجام مي دهند. پس از آن به شناخت تركيب نفت خام بااستفاده از ستون تقطير و روش غير پيوسته مي پردازند.
دراين روش مقداري نفت خام را داخل Flask قرار داده و حرارت مي دهند.
در بالاي Flask ستون تقطير قرار دارد و کمي بالاتر يك Condenser قرار گرفته است. در آنجا يك دماسنج قرار دارد كه با استفاده از آن Cut point ها رامي توانيم بخوانيم و برش هاي مختلف را در زمان مناسب جدا كنيم . در مورد گازهاي هيدرو كربوري سبك با استفاده از هوا مايع گازهايي مثل پروپان و بوتان را مايع مي كنند. هر قدر عمل تقطير ادامه يابد و جداسازي بيشتر صورت گيرد، هيدروكربورهاي داخل سنگين تر مي شوند، اما اگر دما از حد مشخص بالاتر رود عمل كراكنيگ صورت مي گيرد. چون هدف ما پي بردن به تفكيك نفت خام مي باشد بايد به شدت مراقب باشيم تا دما از يك حدي بالاتر نرود و كراكنيگ صورت نگيرد. در ستون تقطير آزمايشگاهي ابتدا NGL ، آب ، بنزين ، نفت سفيد و گاز جدا مي شوند.
در اين مرحله هيدروكربورهاي باقي مانده به شدت ويسكوز شده اند و بايد از فرآيندهاي ديگري براي ادامه عمليات استفاده كنيم. بعد از اين مراحل هريك از تركيبات بدست آمده را به واحدهاي بعدي مي فرستند تا آزمايشاتي براي تعيين مشخصات هريك از آنها انجام گيرد. روغن ها را نيز براي تصفيه به ساير واحدها مي فرستند. ديواره ستون تقطير ذكرشده در فوق را دو جداره و جيوه اندود مي كنند تا از هدر رفتن گرما جلوگيري شود.
اگر بخواهيم نفت خام را صادر كنيم، بايد خصوصيات آن مانند API، درصد ناخالصي و ويسكوزيته آن را تعيين كنيم.
اساس تقطير نفت خام بر مبناي اختلاف نقطه جوش است و در تقطير نفت خام نمي توانيم يك تركيب را بطور خالص جدا كنيم. بهمين خاطر از محدوده نقطه جوش استفاده مي كنيم: مثلاً برش °C 65-15 يا برش 100-65 درجه سانتيگراد.
در اين آزمايشگاه روشهاي U.O.P, ASTM مي توانند مورد استفاده قرار گيرند.
تقطير بصورت batch است و دماي حمام را تا °C 20- قرارمي دهيم تاگازهايي مثل متان و اتان و.... را جدا كنيم، بعداً طبق چارت تقطير عمل تقطير را انجام مي دهيم تا درصد رانسبت به خوراك اوليه بدست آوريم.
اگر دما را به 200 برسانيم فشار را بايد پايين آوريم تا برشها Crack نشوند.بعد از تهيه برش ها آنها را به آزمايشگاه مي فرستيم. مثلاً برا ي بنزين عدد اكتان مهم است و بايد عدد اكتان تعيين شود.قير و آسفالت و روغن را با دستگاه ديگري جدا مي كنيم.
در اين قسمت از دستگاههايي چون Separators ، Reflox و Condenser استفاده مي شود.
همانطور كه قبلاً اشاره شد در مورد نفت خام جداسازي مواد بصورت خالص بي معناست و فقط برشها جدا ميشوند. دراينجا براي جداكردن برشهاي °C 65-15 ابتدا شيرها را باز كرده و پس از جدا كردن مواد، شيرها را مي بنديم و عمليات تقطير را ( با توجه به دما ) ادامه مي دهيم .
اگر هيدروكربورها خيلي حرارت ببيند، عمل كراكنيگ صورت مي گيرد و چون ما نمي خواهيم اين كار صورت بگيرد، در اينجا با اعمال فشارهاي مختلف عمل جداسازي انجام مي پذيرد.
در بخشهاي ديگر ستون تقطير عمل روغنگيري انجام مي پذيرد كه اين عمليات در حدود فشارهاي بين يك تا ده ميلي متر جيوه انجام مي پذيرد.
با داشتن وزن هر برش و داشتن وزن خوراك اوليه مي توان درصد وزني هر برش و درصد حجمي هر برش را بدست آورد. همچنين مي توان وزن مخصوص هر برش رانيز بدست آورد.
از پارامترهاي ديگر قيمت گذاري نفت خام بر اساس منحني تقطير(كه S شكل است) صورت مي پذيرد و براي هر محصول تستهاي ويژه آن محصول صورت مي گيرد:
1. عدد اكتان ( gasolin)
2. نقطه دودي (kerosine)
3. در مورد روغنها بايد عمليات تصفيه روغن صورت بگيرد.
همچنين در واحد نفت خام بخش تفكيك و ارزيابي تركيبات C1-C 100 و ايزومرهاي آنها وجود دارد. نفت خامي كه گاز آن استخراج شده باشد به آن نفت مرده مي گويند.
نفت پس از اينكه تصفيه شد به خطوط لوله منتقل مي شود. قبل از اينكه نفت به خطوط لوله انتقال داده شوند، بايد يك سري آزمايشات جهت تشخيص مشخصات نفت انجام گيرد تا شناسنامه نفت خام تعيين شود.
مـا بايـد بـه ايـن نكتـه تـوجـه داشته باشيم كه نفت خام برداشت شده از مخازن به مرور زمان تغيير خاصيت مي دهند و سنگين تر مي شوند.
همچنين نفت خام موجود در خط لوله از تركيب نفت مخازن مختلف است وخواص آن نيز معمولاً متفاوت است. بنابراين بررسي خواص متفاوت آن بايد صورت گيرد.
در مرحله تقطير ابتدا NGL بنزين جدا مي شود و عناصر سبك دربالا جداسازي شده و عناصر سنگين در پايين ستون جمع آوري مي شوند. با داشتن وزن اوليه و وزن مواد بدست آمده، درصد مواد مختلف بدست مي آيند و از آنجا منحني تقطير رسم مي شود.
روشهاي آزمايشگاهي تقطير عبارتند از:ASTM ،U.O.P و I.P
از كارهاي مهمي كه در بخش تقطير نفت خام صورت مي گيرد عبارتند از:
1. تعيين وزن مخصوص
2. تعيينAPI
3. درصد ناخالصي ها ، نظير گوگرد، نيتروژن و غيره
4. تعيين ويسكوزيته نفت
5. سبك يا سنگين بودن نفت خام
6. تعيين درصد فرآورده هاي نفتي
در روش هاي ASTM ستون تقطير داراي حدود 32-30 سيني مي باشد. اين ستون بصورت دو جداره است. ايـن واحـد بصـورت batch عمل مي کند. در بـالاي ستون يك دماسنج قرار دارد كه دما را نشان مي دهد.
محدوده براي جمع آوري محصولات متغير است.
از دماي °C 20- براي جمع كردن گازهاي سبك نظير متان تا دماي °C 150 براي جمع آوري تركيبات سنگين در انتهاي ستون استفاده مي شود.
واحد تفكيك و تقطير نيمه صنعتي نفت خام
پس از بهره برداري نفت خام از چاه و انتقال آن به مراكز بررسي، بايد پتانسيل هاي آن را مورد بررسي قرار داد، به همين علت يك سري آزمايشات دقيق روي نفت خام انجام مي گيرد تا بتوانيم مشخصات و تركيبات موجود در نفت خام را ارزيابي كنيم.
اين واحد در واقع 2 كار عمده انجام مي دهد.
1. سرويس دهي به واحدهاي ديگر و پتروشيمي
2. پروژه هاي تحقيقاتي در مورد نفت و تركيبات آن و سرويس دهي در مورد صادرات
نفت خام بر اساس استانداردهاي موجود تقطير وبعلاوه روي نفت خام مطالعاتي انجام مي دهند و برشهاي مختلف را جدا مي كنند و مسائل مختلفي را نظير درصد گوگرد، Flash point, Dew point و ... را بررسي مي كنند.
در اين واحد از يك دستگاه ، شبيه تقطير استفاده مي شود اين دستگاه حدود 65 سيني از نوع bubble cap دارد كه در فشار اتمسفر كار مي كند، همچنين مي توان در شرايط خلاء نيز با آن كار كرد.
اصول كار دستگاه شبيه تقطير بر اساس اختلاف در نقطه جوش تركيبات مختلف مي باشد. چون تركيبات نفتي داراي برشهاي مختلف با نقطه جوش متنوعي هستند.
در اين دستگاه ستوني وجود دارد كه ستون تقطير نام دارد دماي آن از پايين به بالا در حال افزايش تدريجي است. تركيبات سنگين در انتهاي ستون و تركيبات گازي در بالاي ستون جمع مي شوند.
اساس كار دستگاههاي تقطير به 2 صورت مي باشد كه عبارتند از:
قسمت پيوسته (سيستم) Continous
قسمت (سيستم) Batch
در سيستم پيوسته (كه اساس كار اين دستگاه شبيه تقطير است ) همه محصولات جدا شده و هر كدام همزمان و در يك سيستم دقيق جمع آوري مي شوند. يعني مي توان در يك لحظه تمام محصولات و برشهاي نفتي را جمع كرد.
در سيستم Batch با توجه به اينكه در هر دماي خاصي يك تركيب به دماي جوش مي رسد با افزايش تدريجي دما هر محصول و برش خاصي به ترتيب جمع آوري مي شود، پس زمان زيادتري لازم داريم.
اصولاً جهت مطالعات روي تركيبات و برشهاي نفتي 2 روش عمده وجود دارد كه عبارتند از:
1. روش برج تقطير
2. روش استفاده از نرم افزار
البته استفاده از نرم افزار براي دقت محاسبه برشهاي آن و خواص سيالي دقيق تر است. اما چون در صنعت به اتكاي كارهاي آزمايشگاهي پروژه ها را تعريف مي كنند، لازم است كه دريك مقياس نيمه صنعتي اين آزمايشات انجام شود تا بتوانيم نظر مسؤلين صنعت نفت را به خود جلب كنيم . مثلاً توليد 20 بشكه به 20 ليتردر يك مقياس نيمه صنعتي .
از اين ستون تقطير براي كارهاي تحقيقاتي، توليدي و شبيه سازي و غيره استفاده مي شود.
ظرفيت دستگاه حدود 15 ليتر است. در قسمت بالايي بخارات را مايع مي كنيم و سپس در پايين از طريق يك گيرنده آن را جمع آوري مي كنيم.
از آب و يا الكل به عنوان مايع سرد كننده در سيستم استفاده مي شود. در اين ميان يك سري تستهاي جانبي روي نفت خام و يا فرآورده هاي نفتي انجام مي دهند.
از جملـه كارهاي ديگــر تعيين دقت ريـزش گازوئيل است. تعيين رنگ نفت نيز از جمله كارهاي ديگر است.
از طريق دستگاه تقطير وAD-4 يك منحني، D-8 بدست مي آيد كه از طريق نقطه جوش حاصل مي گردد.(Automatic distillalion)
دستگاه پيلوت تقطير
دستگاه موجود در اين بخش مي تواند چند شبكه توليد داشته باشد. به اين شكل كه به 2 صورت پيوسته و بسته كار مي كند، مي توان حرارت را به صورت بخار ويا به صورت الكتريكي اعمال كرد. اگر از روش پيوسته استفاده شود دستگاه با يك سرعت ثابت تغذيه مي شود. در اين حالت در اواسط مسير ستون تقطير، نيزمحصول خواهيم داشت. ولي در سيستم بسته فقط محصول بالاسري را خواهيم داشت. دستگاه داراي 15 سيني است.
تركيبات نفتي را فقط تا حد خاصي مي توان حرارت داد و اگر به حرارت بالاتري در بعضي جاها نياز داشته باشيم مي توانيم فشار خلاء را پايين بياوريم. اين سيستم اين امكان را دارد كه خلاء را تا 10 ميلي بار پايين آورد.
5 مخزن در كنار دستگاه ديده مي شود كه هر يك از محصولات وارد آنها مي شود. در اين دستگاه به صورت يك در ميان بين سيني ها دما داريم و نيز مي توانيم با سرنگ نمونه برداري کنيم. به همين دليل اين دستگاه براي كارهاي تحقيقاتي كاربرد زيادي دارد.
از آنجايي كه سيستم بسته است ( براي كاهش امكان خطر) با استفاده از سيستم توليد هوا مايع كه هوا را در دماي °C196- مايع كرده است- تركيبات سبك ترا ز C3 را به حالت مايع در مي آورند. با استفاده از سيستم هوا مايع مي توان از يك سري به همراه تجهيزات الكل براي مايع كردن گازهاي سبك استفاده كرد.
دستگاه CHROMPACK
براي جداسازي تركيبات هيدرو كربوري به كار مي رود.
دستگاه GC
در اين بخش يافت مي شود که قبلاً شرح داده شد.واحد تقطير و تفكيك نيمه صنعتي يكي از بخشهاي مكمل مهندسي نفت است.
دستگاه پيلوت تقطير بيشتر براي كارهاي تحقيقاتي استفاده مي شود. براي خنك كردن بخارات سبك از يك حمام استفاده مي شود كه تا دماي 35 درجه زير صفرخنك مي كند.
هر قدر برگشت بيشتر باشد محصول خالص تر خواهد بود و زمان تقطير در اين صورت بيشتر مي شود و تفاوت حالت Continous, batch در اين است كه در حالت هاي batch ورودي يكطرفه است و خروجي بطور پيوسته به بيرون مي رود.
كاربردهاي دستگاه پيلوت تقطير (Fischer )
1. شبيه سازي شرايط پالايشگاه
2. توليد بعضي از محصولات ويژه درحد چند تن
3. كارهاي تحقيقاتي
4. تحقيقات بر روي كاهش خسارت در تغييرات خوردگي
5. پالايشگاهها
يكي ديگر از تفاوتهاي روش Continous , batch اين است كه در روش batch ما در هر لحظه درستون تقطير فقط يك برش داريم اما در روش پيوسته در هر لحظه در ستون تقطير بطور همزمان چند برش نفتي خواهيم داشت .
دستگاه Automatic distillation) AD-4)
براي تبخير هيدروكربورهاي سبک به کار مي رود.
انواع سيني هاي موجود در ستون تقطير عبارتند از:
1. ( perforated) : مشبك
2. bubble cap .
آزمايشگاه تفكيك: ( separation lab.)
در اين آزمايشگاه در يك دستگاه تقطيرcm³ 100 از نمونه نفت را مورد تفكيك قرار مي دهند و با استفاده از منحني ها نقطه D-86 را بدست مي آورند.
آزمايشگاه تصفيه روغن
در اين آزمايشگاه كارهاي زير صورت مي گيرد.
1- اندازه گيري برشهاي روغني ،
2- آسفالتين ،
3- مقدار آب و نمك نفت و
4- تعيين نقاط جوش برشهاي سنگين
آزمايشگاه شناسايي هيدروكربورهاي نفتي
محصول بالاي ستون تقطير و تركيبات سبك را در اينجا آناليز مي كنند. در اين قسمت از دستگاه GC استفاده مي شود.
يك دستگاه ديگر نيز گروههاي هيدروكربوري را شناسايي مي كند. اما محدوديت دمايي دارد. نام اين دستگاهPIONA Analyzer است و بالاي °C 220 را نمي تواند اندازه گيري كرد.
چون هر كدام از برشهاي نفتي داراي خواص منحصر بفرد است، با استفاده از منحني هاي مخصوص كه بصورت پيك هايي است به عنوان خروجي دستگاه(GC ) محسوب مي شود، مي توان به اين طريق برشهاي نفتي را تعيين كرد.
واحد قير و راهسازي
از قير براي منظور هاي مختلفي استفاده مي شود كه مي توان به موارد زير اشاره كرد:
1. در راهسازي
2. در قطعات الكتريكي براي اينكه اتصال كوتاه اتفاق نيفتد و براي عايقكاري نيز استفاده مي شود.
3. در درزبندي معمولاً بين قطعات بتوني يك لايه قير مي ريزند تا انبساط و انقباض آنها را كنترل كند و صدمه اي وارد نشود.
4. در پوشش زير بدنه اتومبيل و جلوگيري ازاکسيد شدن قطعات استفاده مي شود.
به طور كلي قير را به 3 طريق مي توان تهيه كرد كه عبارتند از:
1. باقيمانده نفت خام در فرآيند پالايش در پالايشگاهها پس از اينكه به وسيله روشهاي فيزيكي آب و مواد معدني آنها جدا شده باشد .
2. قيرهاي طبيعي : كه در اثر مهاجرت نفت خام به سطح زمين و تحت تاثير هوازدگي و تبخير به قير طبيعي تبديل مي شوند.
3. قير زغال سنگ: قطران حاصل از عمليات كوره بلند است (قطرانCoaltar ) اگر قطران را بدون وجود اكسيژن حرارت دهند بهPeech ( قيرزغال سنگ ) تبديل مي شود.
تقريباً بدترين نفت خام، بهترين نفت خام براي توليد قير است. برعكس بهترين نفت خام (سبك ترين)
آنها، بدترين نوع براي توليد قير است. آنچه كه در ايران توليد مي شود، نفت خام حدواسط است كه چندان براي توليد قير مناسب نمي باشد.
قير جزء سيالات غير نيوتيني است. همچنين مي دانيم كه تغييرات آن نسبت به دما بسيار زياد است. از آنجا كه قير جامد وزن مخصوص بيشتري نسبت به قير مايع دارد، در حين فرآيند ذوب در انجام عمل Convection motion ايجاد اختلال مي كند. زيرا قير جامد در زير قسمت ذوب شده و داغ قرار مي گيرد.
قير را معمولاً براي مصرف در حلال هاي نفتي حل مي كنند و يا از مخلوط آن بصورت امولسيون با آب استفاده مي شود. وجود آسفالتن در قير باعث مي شود كه حجم قير بالا رود و وزن مخصوص آن پايين بيايد. همچنين آسفالتن باعث بالا رفتن ويسكوزيته قير مي شود و به آن حالت شكنندگي مي دهد. وجود رزين در قير نيز باعث چسبندگي قير مي گردد.
كاربردهاي قير زغال سنگي
براي احياء آهن از اكسيد آهن استفاده مي شود. زغال سنگ بدون حضور اكسيژن ( پيروليز) به كك تبديل مي شود( حرارت حدود °C 1100 است). قير زغال سنگ كه تحت اين حرارت قرار گيرد به كك تبديل مي شود. در بالاي برج تقطير اين گازها قطران مي گردند و دوباره جداسازي روي آنها صورت مي گيرد كه به اينها Core Coke Pitch مي گويند.
Pitch: به هيدروكربوري گفته مي شود كه بدون حضور اكسيژن تحت حرارت قرارگيرد.
در ايـن واحـد هـم كارهـاي تحقيقـاتـي و هـم كارهـاي پروژه اي صورت مي گيرد. مثلاً مشكلات موجود در پالايشگاههاي داخلي مورد بررسي قرار مي گيرند.
قيرها داراي مشخصاتي هستند كه به آنها Penetration grade گفته مي شود.
قيرهايي كه بر اساس نفت خام مخلوط بدست مي آيند داراي مشخصات ساختاري اند كه براحتي نمي توان اين مشخصات را پيدا كرد. Penetration gradeخواص قير را به خوبي نشان نمي دهد.
معمولاً قير رابصورت امولسيون در مي آورند، امولسيون به اين خاطر است كه قير و آب در هم حل نمي شوند، در اينجا ازemulsifier استفاده مي شود. اين دستگاه از يک طرف ذرات قير و از طرف ديگر ذرات آب را در بر مي گيرد و بدينصورت قير بصورت امولسيون در مي آيد.
1. ionic
2. noniomc
3. cationic
4. رسي
ترکيب شيميايي : هر قدر كه در ستون تقطير پايين بياييم مشخصات منحصر به يك محصول خاص دربرشها مشخص مي شود. تعداد هيدروكربورهاي موجود در هر برش فرق دارد و خصوصيات شيميايي اين برشها كاملاً با هم فرق دارند. اگر بنزين داراي 19 مولكول باشد، كه اين مولكولها همگي مختلفند، ممكنست خواص فيزيكي اين مولكولها يكسان باشد ولي خواص شيميايي اينها تفاوت دارند.
نظرات مختلف در مورد مواد تشكيل دهنده قير:
دو نظريه در اين مورد وجود دارد:
نظريه اول : Resin و Asphaltene
نظريه دوم : Saturate، Aromatic ، Polar Aromatic و Asphaltene
براي هركدام از اينها يك مشخصات خاصي وجود دارد كه بايد در محدوده هاي خاص خودش از آنها استفاده نمود.
يكي ديگر از كاربردهاي قير براي پوشش لوله هاي فلزي گاز و نفت و آب در روي زمين كه مرطوب بوده و يا در زير زمين مي باشد. هر قدر نسبت C ? H بيشتر باشد قير بهتري خواهيم داشت.
آسفالتن: مولكولي است كه حجم زيادي را در بر مي گيرد ومانند اسفنج متبلور است.
براي پمپاژ كردن قير نياز به محاسبات ويژه و پيچيده رياضي داريم.
ارزيابي قير هايي كه در راه سازي مصرف ميشود، سه خصوصيت دارد.(80% قير براي راهسازي استفاده مي شود).
1. Pain grade
2. Viscosity grade
3. Performance grading
بهترين نفت خام، نفت خام پارافيني است كه براي تهيه هيدروكربورهاي سبك كاربرد دارد. در آمريكا 15 پالايشگاه براي توليد قير طراحي شده است اما در ايران متاسقانه چنين پالايشگاهي وجود ندارد.
سابقه استفاده از قير به دروانهاي قديم بر مي گردد كه قير از طريق شكستگيهاي سطح زمين و درزها به سطح زمين راه پيدا مي كرد. مردم از آن به عنوان 2 وسيله اصلي و عمده استفاده مي كردند كه عبارتند از:
1. چسبندگي زياد
2. ضد زنگ بودن
در قسمت Vaccum bottom : قيرهاي نفتي داراي مولكولهاي خيلي زيادي هستند.
قيرهاي قديمي ايران منشاء طبيعي داشته اند و از حوالي كردستان تهيه مي شده اند
