توضیح کامل و قدم به قدم فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت

واحد رفرمینگ چیست؟ رفرمینگ (Reforming) از واحدهای اصلی یک پالایشگاه است و هدف آن افزایش عدد اکتان بنزین ها است. خوراک واحد رفرمینگ، بنزین سنگین و نفتای سنگین می­‌باشد. واحد رفرمینگ علاوه بر اینکه بدون ایجاد آلودگی و استفاده از مواد سربی عدد اکتان بنزین را افزایش می­‌دهد، آروماتیک هایی نظیر بنزن، تولوئن و زایلن هم تولید می­کند که خوراک واحدهای پتروشیمی هستند.

خوراک رفرمینگ از هیدروکربن های مختلف پارافینی، نفتنی، آروماتیک و اولفینی تشکیل شده است. عملیات رفرمینگ در واقع تغییر ساختار شیمیایی خوراک، در اثر یک سری واکنش های شیمیایی درون راکتور رفرمینگ است. راکتورهای واحد رفرمینگ دارای پوشش داخلی نسوز هستند و باید بتوانند دمایی حدود 570 ˚C را تحمل کنند. همچنین فشار درون راکتور رفرمینگ حدود 40 bar است.

درون راکتورهای رفرمینگ کاتالیزور با بستر ثابت یا متحرک بر روی گوی های سرامیکی خنثی قرار گرفته است. در واحد رفرمینگ چند راکتور به دنبال هم قرار می­‌گیرند و به علت گرماگیر بودن واکنش ها لازم است تا بین راکتورها کوره قرار گیرد تا دمای جریان افت نکند.

واکنش های رفرمینگ باید تحت فشار هیدروژن انجام شوند. 

هدف اصلی واکنش های رفرمینگ تبدیل ساختارهای خطی هیدروکربن ها به ساختار حلقوی و آروماتیک و شاخه دار می‌­باشد. تعدادی از این واکنش ها در شکل زیر نشان داده شده اند:

در مدل سه راکتوری واحدهای رفرمینگ، مقدار کاتالیزور به ترتیب در راکتورها افزایش می‌­یابد و به همین ترتیب راکتورها بزرگتر و عریض تر می‌­شوند. در راکتور اول سریعترین واکنش ها که واکنش های حلقوی شدن هستند انجام شده و در راکتور آخر کند ترین واکنش ها یعنی واکنش های هیدروکراکینگ که مجموعه ای از فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت هستند انجام می‌­شوند.

زمانی که بنزین خروجی عدد اکتان مناسبی نداشته باشد لازم است تا کاتالیزور را بازسازی کرد. عملیات بازسازی کاتالیزور شامل سه مرحلۀ سوزاندن رسوب کُک در دمای بالا، افزودن کلر به کاتالیزور و بازگرداندن خاصیت اسیدی آن و پخش یکنواخت فلز بر روی پایه از طریق تکلیس کاتالیزور است.

برای بازسازی کاتالیزور می‌­توان آن را به طور کامل از راکتور جدا کرده و بازسازی کرد. یا اینکه کاتالیزور به صورت بستر متحرک دائماً بین راکتور و تجهیزات بازسازی حرکت کند. روش دوم بسیار بهتر بوده و باعث توقف کار واحد رفرمینگ نمی‌­شود.

تمامی پالایشگاه ها در ایران دارای واحد رفرمینگ طراحی شده توسط شرکت UOP هستند. پالایشگاه اصفهان و پالایشگاه تهران با ظرفیت روزانه 30000 بشکه بالاترین ظرفیت رفرمینگ را نسبت به دیگر پالایشگاه ها دارا هستند.

کراکینگ، هیدروکراکینگ و ککینگ

کراکینگ (Cracking) در حقیقت به معنای تجزیۀ هیدروکربن های سنگین با دمای جوش بالای 200 ˚C می ­باشد. فرآیند کراکینگ به دو صورت حرارتی و کاتالیزوری انجام می‌­شود. در واکنش های کراکینگ حرارتی کوره نقش اصلی فرایند را داشته و با بالا رفتن دمای هیدروکربن سنگین در کوره، ساختار مولکولی آن شکسته می­‌شود.

طی این اتفاق هیدروکربن سنگین به هیدروکربن های سبک تر مانند بنزین تبدیل می‌­گردد که از فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت به شمار می روند. در کراکینگ حرارتی واکنش ها رادیکال هستند و به طور خود به خود انجام می‌­شوند. نوع خاصی از کراکینگ حرارتی کراکینگ با بخار بوده که هدف آن تولید هیدروکربن های سبک تر مانند اتان، پروپان و اتیلن است.

فرآیند کراکینگ کاتالیزوری با دمای کمتر و در حضور کاتالیزور انجام می­‌شود و دارای سرعت بالاتر و شرایط پایدارتری نسبت به کراکینگ حرارتی است. امروزه این روش در اکثر پالایشگاه ها جایگزین کراکینگ حرارتی شده است. واکنش زیر نمونه ای از واکنش های کراکینگ است.

یکی از فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت، فرآیند ککینگ (Cocking) است که هم نوع خاصی از فرآیند کراکینگ بوده که در دماهای بسیار بالا (حدود 1200 ˚C ) و برای برش های خیلی سنگین نفت انجام می­‌شود. افزایش دما و فشار در فرآیند ککینگ باعث افزایش بازده تبدیل بنزین و گاز شده و بازده تبدیل گازوییل را کاهش می‌­دهد. کُک تولید شده در واحد ککینگ هم برای ساخت الکترودهای الکترولیتی و ساخت گرافیت ها کاربرد دارد.

یکی دیگر از فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت، فرآیند هیدروکراکینگ (Hydro Cracking) همان فرآیند کراکینگ کاتالیزوری تحت فشار هیدروژن است. وجود هیدروژن در این فرایند سبب تشکیل کُک کمتر بر روی کاتالیزور و تولید هیدروکربن های سیرشدۀ پرشاخه در ساختار بنزین تولیدی می­‌شود. در پالایشگاه های ایران هدف اصلی هیدروکراکینگ، تولید گازوییل و نفت سفید از گازوییل سنگین خلأ است. همزمان با این فراورده ها بنزین و گاز مایع هم در واحدهای هیدروکراکینگ تولید می‌­گردد.

پالایشگاه آبادان در ایران دارای واحد کراکینگ کاتالیزوری است. همچنین پالایشگاه تهران با ظرفیت 15000 بشکه در روز و پالایشگاه های شیراز، تبریز و اصفهان دارای واحد هیدروکراکینگ هستند.

ایزومری از مجموعه فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت

از میان فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت، فرآیند ایزومری (Isomerization) به منظور افزایش عدد اکتان بنزین های سبک در پالایشگاه ها استفاده می­‌شود. خوراک واحد ایزومری بنزین سبک پنج یا شش کربنی است که هیدروکربن های خطی در آن غالب هستند. هدف فرآیند ایزومری شاخه دار کردن هیدروکربن های خطی است که این امر باعث افزایش عدد اکتان می­‌شود.

شکل زیر نمونه ای از واکنش های ایزومری را نشان می­دهد.

درون راکتورهای واحد ایزومری کاتالیزور ها باید دارای خاصیت اسیدی باشند. بعضی از واحد های ایزومری دارای دو یا تعداد بیشتری راکتور هستند. در سال های اخیر برای ایزومری پارافین ها از کاتالیزور های سوپر اسیدی Olah استفاده می‌­کنند. واکنش های ایزومری گرما زا هستند و افزایش دما اثر مطلوبی بر آن­ها ندارد.

درون راکتورهای واحد ایزومری کاتالیزورها باید دارای خاصیت اسیدی باشند. بعضی از واحدهای ایزومری دارای دو یا تعداد بیشتری راکتور هستند. در سال های اخیر برای ایزومری پارافین ها از کاتالیزور های سوپر اسیدی Olah استفاده می­‌کنند. واکنش های ایزومری گرما زا هستند و افزایش دما اثر مطلوبی بر آن­ها ندارد.

فرآیند ایزومری به روش های مختلفی انجام می­‌شود که این روش ها عبارتند از: روش ایزومیت (Isomate)، روش فاز مایع شل (Shell)، روش دمای پایین اسو (Esso)، روش پنکس (Penex – UOP)، روش پنتافاینینگ (Pentafining)، روش ایزوکل (Iso – Kel) و روش ایزومریت (Isomerate).

تفاوت این روش ها در ساختار و تجهیزات بازگردان مواد تبدیل نشده و نوع کاتالیزور آن­ها می­‌باشد. بازده فرآیند ایزومری بستگی به مشخصات خوراک ورودی و نوع و شدت عملیات دارد. در ایران، پالایشگاه آبادان دارای سه دستگاه ایزومری نرمال بوتان بوده که محصول تولیدی این واحد ها ایزوبوتان است.

الکیلاسیون

فرآیند الکیلاسیون (Alkylation)، به معنای افزایش یک گروه الکیل به یک ترکیب آلی و واکنش یک اولفین سبک با یک ایزوپارافین در دما و فشار بالا است. هدف از فرآیند الکیلاسیون افزایش عدد اکتان بنزین ها است. خوراک فرآیند الکیلاسیون ایزوبوتان و اولفین های سبک به دست آمده از واحد های ککینگ و کراکینگ کاتالیزوری است.

فرآورده های الکیلاسیون عبارتند از بنزین الکیلیت با عدد اکتان بالا، پروپان، نرمال بوتان و قطران. کاتالیزورهای مورد استفاده در راکتور الکیلاسیون اغلب اسیدهای بسیار قوی مانند اسیدهای پروتونی یا اسیدهای لویس هستند. نمونه ای از واکنش های انجام گرفته در راکتور الکیلاسیون در شکل زیر نشان داده شده است:

فرآیند الکیلاسیون اصولاً در دماهای پایین انجام شده و بهترین محدودۀ دما برای این فرآیند با توجه به نوع کاتالیزور مورد استفاده چیزی بین 0 تا 35 درجه سانتی گراد است. در عملیات الکیلاسیون کلیۀ واکنش دهنده ها و فراورده ها در حالت مایع هستند. فشار راکتور در این فرآیند تقریباً پایین بوده و بین 1 تا 3 اتمسفر است.

راکتورهای فرآیند الکیلاسیون می­‌توانند یک یا چند مرحله ای باشند و شرکت آمریکایی UOP از طراحان شناخته شدۀ واحدهای الکیلاسیون است. در کشور ایران، پالایشگاه آبادان دارای دو واحد اکیلاسیون فعال هستند. شکل زیر نشان دهندۀ یک واحد الکیلاسیون طراحی شده توسط شرکت UOP است.

پلیمری از فرآیند های جانبی در پالایشگاه نفت

فرآیند پلیمری (Polymerization) از جمله فرآیندهای بسیار مهم در صنعت پتروشیمی است که در پالایشگاه ها هم به صورت محدود برای افزایش عدد اکتان بنزین ها استفاده می­‌شود. بنزین تولیدی در این فرآیند دارای کیفیت و پایداری کمتری نسبت به بنزین تولیدی فرآیند الکیلاسیون است.

تنها مزیت روش پلیمری، قیمت پایین تر و هزینۀ سرمایه گذاری کمتر نسبت به فرآیند الکیلاسیون است. خوراک واحد پلیمری هیدروکربن های سبکی مانند پروپن و بوتن هستند که از جریان گاز واحد کراکینگ به دست می­آیند. فراوردۀ واحد پلیمری در پالایشگاه معمولاً بنزین است که عدد اکتان بالایی دارد.

کاتالیزور مورد استفاده در راکتور واحد پلیمری اسید فسفریک است. واکنش های پلیمری اصولاً گرمازا و با کاهش تعداد مولکول بوده و در دماهای پایین و فشارهای بالا انجام می­ شوند. نمونه ای از واکنش های پلیمری در زیر نشان داده شده است.

شکل زیر نشان دهندۀ یک واحد پلیمری طراحی شده توسط شرکت UOP آمریکا است.