تولید بنزین و فرآورده‌های میان تقطیر از مایعات گازی

نظر به حجم عظیم مایعات گازی تولیدی در کشور و ارزش نوع گروه‌های هیدروکربنی موجود در ساختار آنها و استفاده‌های غیراقتصادی، بدون توجه به کیفیت بالای آنها، مانند مخلوط کردن با نفت خام به منظور صادرات یا خوراک پالایشگاهها از یک طرف و نیاز شدید کشور به بنزین از طرف دیگر، بررسی مایعات گازی برای استفاده بهینه و اقتصادی بسیار ضروری است.
در این مقاله نمونه ای از مایعات گازی ارزیابی و با توجه به محدوده جوش و کیفیت آن، فرآورده‌های مختلفی از جمله بنزین، نفت سفید، حلال و سوخت جت تهیه شده و مشخصات آنها با هم مقایسه گردید که از این مقایسه، نتایج خوبی حاصل شد. در نهایت یک پالایشگاه با دو نوع خوراک مایعات گازی و نفت خام از نظر سرمایه‌گذاری و سوددهی مقایسه شده، با توجه به اینکه در یک پالایشگاه مایعات گازی، تمام محصولات، قابل استفاده و دارای ارزش اقتصادی نسبتا بالایی هستند، واضح است که ساخت پالایشگاههایی با خوراک مایعات گازی بسیار اقتصادی و مقرون به صرفه است.
با توجه به مصرف روزافزون بنزین و سوخت‌های میان تقطیر و محدود بودن ظرفیت موجود پالایشگاهها، لازم است به دنبال منابع جدیدی برای تولید این فرآورده‌ها باشیم.
بخش اعظم مایعات گازی در محدوده بنزین و نفت سفید می‌باشد. تقریباً ۵۰ درصد کاندنسیت در محدوده جوش بنزین است. بنابراین با تبدیل کاندنسیت به بنزین نیاز به واردات کاهش خواهد یافت. همچنین می‌توان فرآورده‌های دیگر مانند سوخت جت، حلال و دیزل نیز از آن تولید نمود. بطوریکه با احداث پالایشگاه کاندنسیت، می توان تمام خوراک را به محصولات سبک و میان تقطیر تبدیل نمود، بدون اینکه محصولات دیگری مانند نفت کوره و باقیمانده‌های تقطیر تولید شود. در حال حاضر بخشی از مایعات گازی به خوراک پالایشگاهها اضافه می‌شود، بخشی دیگر در صنایع پتروشیمی مورد استفاده قرار می گیرد و قسمتی از آن نیز صادر می‌شود.
● نتایج ارزیابی یک نمونه کاندنسیت
به منظور مقایسه مایعات گازی با نفت خام، یک کاندنسیت و نفت خامی با درجه PI حدود ۳۳ به عنوان نمونه انتخاب شدند. قسمت اعظم این کاندنسیت در محدوده جوش بنزین و نفت سفید است. حدود ۸۰ درصد حجم آن تا دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد تقطیر می‌شود.
بنزین ماشین مخلوطی از جریان‌های مختلف پالایشگاه و بنزین تقطیر مستقیم )SR(‌ است. بنزین تقطیر مستقیم شامل پنتان تا هیدروکربن‌های سنگین تر با نقطه جوش حدود ۱۹۵ درجه سانتی‌گراد، است. برای بهبود رفتارهای احتراقی، ضدضربه بودن، وزن مخصوص، مشخصه‌های تقطیر، فشار بخار، میزان سولفور، مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی، بنزین تقطیر مستقیم را با جریان‌های دیگر پالایشگاه مانند ایزومرات، ریفرمیت، آلکیالات، بنزین FCCU مخلوط می‌کنند تا به خواص موردنظر برسند. همچنین افزودنی‌هایی به منظور بهبود هر چه بیشتر این خواص نیز به این فرمولاسیون اضافه می‌شود.
● پارامترهای مهم
عدد اکتان؛ این پارامتر مقیاسی برای مشخص کردن کیفیت احتراق سوخت است. دو نوع عدد اکتان اندازه گیری می‌شود. عدد اکتان پژوهش (Research Octane Number)‌ در شرایط سرعت کم و رانندگی در شهر و عدد اکتان موتور (Motor Octane Number)‌ هنگام رانندگی در جاده با سرعت زیاد اندازه گیری می‌شود.
حساسیت یک سوخت از اختلاف RON و MON بدست می‌آید و این اختلاف معمولاً بین ۱۰ تا ۶ است.
فراریت(Volatility)‌؛ فراریت بنزین بسیار اهمیت دارد و توسط دو خاصیت فشار بخار (RVP) و تقطیر (ASTM) مشخص می‌شود.
محدوده جوش بنزین به سه قسمت تقسیم می‌شود و هر قسمت گویای خاصیتی از بنزین است. قسمت اول که تا ۲۵ درصد ابتدای بنزین است نشانگر کیفیت روشن شدن اتومبیل است، قسمت دوم تا ۵۰ درصد تقطیر قدرت سوخت و ارزش حرارتی آن را نشان می دهد و از ۵۰ تا ۹۰ درصد تقطیر قسمت سوم منحنی مشخص‌کننده میزان ترکیبات سنگین در بنزین است و نشان می‌دهد چه مقدار از ترکیبات سنگین ممکن است در اثر حرارت موتور تجزیه شود. ناخالصی‌های بنزین؛ میزان ناخالصی‌ها از جمله گوگرد و مواد اکسیژنه در بنزین، موجب آلودگی در محیط زیست می‌شوند که روز به روز میزان آنها محدودتر می‌شود. اغلب کاندنسیت‌ها سولفید هیدروژن و مرکپتان بالایی دارند بنابراین محصولات آنها نیاز به فرایندهای تصفیه با هیدروژن و مرکپتان زدایی دارند. نکته قابل توجهی که از این مقایسه نتیجه می‌شود میزان بنزین تولیدی از کاندنسیت است که در اینجا سه برابر بنزین تولیدی از نفت خام است بنابراین ضرورت احداث پالایشگاه کاندنسیت افزایش می یابد.
● سوخت جت
نفت سفید به عنوان اولین سوخت موتورهای توربینی مورد استفاده قرار گرفت. اما بعد از جنگ جهانی دوم، آمریکا استفاده از سوخت با محدوده وسیع تر )Wide-Cut( که از نظر هیدروکربن‌ها، محدوده بنزین و نفت سفید را در بر می گرفت، را شروع کرد. اما این سوخت به علت سبک بودن در طی حمل و نقل، افت جرمی و خطر آتش گیری زیادی داشت و بیشتر برای استفاده در مناطق سردسیر چون کانادا و آلاسکا مناسب بود. یکی از پارامترهای مهم در سوخت جت نقطه یخ زدگی است. این پارامتر به شدت به شکل مولکول ها وابسته است. در یک عدد کربن معین با تغییر گروه هیدروکربنی، تغییر زیادی در این پارامتر مشاهده می‌شود. همچنین با افزایش عدد کربن در یک گروه هیدروکربنی، نقطه یخ زدگی افزایش می یابد.
دانسیته و ارزش حرارتی نیز با افزایش عدد کربن افزایش می یابند. به طور کلی پارافین‌ها خواص ضعیفی در دمای پایین از خود نشان می‌دهند اما ارزش حرارتی بالایی دارند.
آروماتیک‌ها خواص بسیار خوبی در دمای پایین دارند اما کیفیت سوختن بدی دارند. خواص ایزوپارفین‌ها و نفت‌ها بین این دو گروه قرار دارد.
● سوخت دیزل
پایه سوخت دیزل، محصولات تقطیر مستقیم نفت خام است. امروزه با فرآیندهای مختلف کراکینگ، ممکن است محصولات تقطیر شده از این فرایندها نیز در فرمولاسیون آن دخالت داشته باشد. بنابراین مخلوط دیزل با توجه به خواصی چون فراریت، جرقه زدن، کیفیت، ویسکوزیته، گراویته و پایداری تهیه می‌شود. معمولاً محدوده جوش سوخت دیزل ۳۸۰-۱۵۰ درجه سانتی گراد است. ترکیب آن مخلوطی از پارافین‌ها، نفتن‌ها و آروماتیک هاست. بسیاری از خواص مهم این سوخت مستقیماً به ساختار هیدروکربنی آن بستگی دارد. مثلاً سوختی با پارافین بیشتر، خواص جرقه زدن و احتراق بهتری نسبت به سوختی با آروماتیک بیشتر دارد، اما سوخت پارافینی در دمای پایین تولید واکس می‌کند که این مساله در سوخت‌هایی که آروماتیک بیشتری دارند، به دلیل نقطه ریزش پایین تر، وجود ندارد.
دانسیته این سوخت در دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد در محدوده kg/m ۸۶۰ـ۸۲۰ است.
ویسکوزیته سوخت دیزل در دو دمای ۲۰ و ۴۰ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری می‌شود. محدوده بالای ویسکوزیته، اطمینانی بر جاری شدن سوخت در زمان روشن شدن، که دما پایین است می‌باشد و محدوده پایینی برای زمان داغ شدن موتور هنگام دوباره روشن کردن ماشین است.
فراریت سوخت توسط منحنی تقطیر )ASTM(‌ نشان داده می‌شود. این منحنی نیز به سه قسمت، به ترتیب دمای ۱۰ درصد، ۵۰ درصد و ۹۰ درصد تقطیر تقسیم می‌شود.
سوخت دیزل بین ۲۸۰-۲۳۰ درجه سانتی گراد است. اگر بالاتر از ۳۰۰ باشد در دور بالای موتور دوره ایجاد می‌شود و اگر کمتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد باشد، ویسکوزیته و انرژی لازم جهت کار کردن موتور موجود نمی باشد. میزان گوگرد دیزل بین ۵۰/۰ تا ۵/۱ درصد متغیر است. طبق استانداردهای جدید، میزان گوگرد باید بین ۱۰ تا ۵۰ ppm باشد. اما در استاندارد NIOC این مقدار هنوز یک درصد است. عدد ستان سوخت دیزل کیفیت جرقه زدن را نشان می‌دهد. زمان شعله زدن سوخت باید کوتاه باشد و عدد ستان تعیین‌کننده این فاکتور است. عدد ستان با مقایسه سوخت با نرمال ستان که کیفیت شعله‌ور شدن آن ۱۰۰ و هپتامتیل نونان با عدد ستان حدود ۱۵ تعیین می‌گردد. سوخت با عدد ستان بالا در موتور باعث سریع روشن شدن ماشین و همچنین دوده کمتر و مصرف بهتر می‌شود. طبق استاندارد جدید، عدد ستان باید ۵۱ باشد.
● حلال‌ها
حلال‌های نفتی، برش‌های سبکی هستند که از نفت خام تهیه شده، دارای هیدروکربن‌های پارافینی، نفتنی و آروماتیکی با نسبت‌های متفاوت هستند. این حلال‌ها معمولاً بی رنگ بوده، در آب حل نمی‌شوند، در صنایع رنگ‌سازی، چسب‌سازی، لاستیک و پلاستیک‌سازی به کار می‌‌روند.
بر حسب نوع کاربرد، حلال‌های نفتنی باید دارای ویژگی‌هایی خاص باشند.
ساختار هیدروکربنی حلال‌ها تأثیر زیادی بر روی حلالیت آنها دارد. آروماتیک‌ها بیشتر قدرت حلالیت و نفتن‌ها حلالیت متوسطی دارند، بنابراین میزان آروماتیک ها در یک حلال نشانگر حلالیت آن است. فراریت حلال نیز از پارامترهای مهم است که به وسیله منحنی تقطیر (ASTM)‌ مشخص می‌شود. آتش گیری نیز در حمل و نقل حلال ها و بارگیری آنها محدودیت‌های خاصی را اعمال می‌کند. میزان ناخالصی‌های حلال ها مخصوصاً گوگرد در کاربرد آنها تأثیر می‌گذارد، بنابراین باید در محدوده خاصی باشد.
● فرایندهای لازم در پالایشگاه مایعات گازی
مایعات گازی از هیدروکربن‌های سبک و میان تقطیر تشکیل شده است، اغلب آنها دارای هیدروژن سولفید و مرکپتان نسبتاً بالایی هستند. بنابراین بعد از تقطیر و تهیه فرآورده‌ها نیاز به فرایندهای پالایشی جهت کاهش گوگرد و مرکپتان دارند. از طرف دیگر جهت افزایش عدد اکتان بنزین تولیدی لازم است بخشی از نفتا توسط فرآیند ریفرمر به بنزین با عدد اکتان بالا تبدیل شود تا با مخلوط سازی با بنزین تقطیر مستقیم، بنزین با عدد اکتان قابل قبول تهیه شود. با تجهیز پالایشگاه به فرایند ریفرمینگ کاتالیستی (CCR)‌، علاوه بر تهیه ریفرمیت، هیدروژن لازم نیز جهت فرایند تصفیه تهیه می‌شود. برای بازیافت گوگرد از فرایندهای تصفیه بنزین نیاز به فرآیند تصفیه با آمین می باشد. بدین ترتیب تمام محصولات این پالایشگاه قابل استفاده و دارای ارزش افزوده بالایی می باشند.
● فرایندهای تصفیه با هیدروژن
هدف از عملیات تصفیه با هیدروژن، حذف یا کاهش ناخالصی‌هایی مانند ترکیبات گوگردی، نیتروژنه، اکسیژن دار و فلزات می باشد. این ترکیبات نقش مهمی در آلودگی محیط زیست، مسمومیت کاتالیزورها و خوردگی دستگاهها دارند. این فرایند برای کلیه محصولات سبک و سنگین قابل استفاده است. در این فرایند خوراک بدون تغییر زیاد در محدوده جوش، ناخالصی‌هایش را از دست می‌دهد. ناخالصی‌های گوگردی به ناخالصی‌های نیتروژنه و هم زمان ترکیبات اشباع نشده مانند اولفین‌ها و آروماتیک ها نیز اشباع می‌شوند.
● ریفرمینگ کاتالیستی
ریفرمینگ کاتالیستی یکی از واحدهای هر پالایشگاه بوده و هدف آن افزایش عدد اکتان بنزین است. خوراک این واحد، بنزین سنگین با محدوده جوش بین ۲۱۰ـ۸۰ درجه سانتیگراد می باشد. خوراک مخلوطی از هیدروکربن‌های پارافینی، نفتی و آروماتیکی است. از خوراک های نفتنی در شرایط یکسان، محصولی با عدد اکتان بالاتر تولید می‌شود. همچنین برای کراکینگ خوراک های پارافینی نیاز به شرایط سخت تری است. در این واحد، کاتالیست، پلاتین بر پایه آلومین است که نسبت به ناخالصی‌ها بسیار حساس است، به طوری که میزان گوگرد خوراک باید کمتر از ppm ۳۰ باشد و نیتروژن آن نیز نباید از ppm ۲ تجاوز کند. بنابراین قبل از این فرآیند خوراک باید از فرایند تصفیه با هیدروژن عبور نماید.
● ضرورت احداث پالایشگاه مایعات گازی
در پالایشگاه مایعات گازی با نصب یک برج تقطیر و چند فرآیند تصفیه و ریفرمینگ کاتالیستی می توان به محصولات با ارزش بیشتری نسبت به یک پالایشگاه نفت خام دست یافت. در سال ۱۹۹۹ یک پالایشگاه کاندنسیت در امارات متحده عربی با ظرفیت ۱۲۰ هزار بشکه در روز احداث شد، که بدین ترتیب ۶۰ درصد به ظرفیت پالایشگاه‌های این کشور افزوده شد. هزینه این پالایشگاه بالغ بر ۵۰۰ میلیون دلار برآورد شده است. خوراک این پالایشگاه از قطر، ایران و استرالیا تأمین می‌شود.
یک پالایشگاه با ظرفیت ۵۷ هزار بشکه در روز نیز در سال ۲۰۰۱ در قطر احداث شده است. بنابراین با توجه به حجم تولید مایعات گازی در کشور و بهره برداری فازهای جدید پارس جنوبی، احداث پالایشگاههای مایعات گازی بسیار ضروری است.
▪ با مقایسه فرآورده‌های حاصل از نفت خام و مایعات گازی، نتایج زیر بدست می آید:
در پالایشگاه مایعات گازی، میزان تولید بنزین بیش از دو برابر بنزین تولیدی در پالایشگاه نفتی است.
در این پالایشگاه، نفت کوره تولید نمی‌شود و مشکلات ناشی از تولید این فرآورده وجود ندارد.
در این پالایشگاهها با احداث نیمی از تجهیزات موجود در پالایشگاه‌های نفت خام، محصولات باارزش بیشتری تولید می‌شود.
هزینه تولید در این نوع پالایشگاه، بسیار پایین تر از پالایشگاه نفت خام است.
میزان سرمایه گذاری برای احداث پالایشگاههایی که در آن مایعات گازی به عنوان خوراک استفاده می‌شود حدوداً نصف میزان سرمایه گذاری لازم برای احداث پالایشگاه نفت خام است.

منظر ستارین، منیژه کریمی، منصور دفتریان

منبع : هفته نامه دانش نفت