معرض المتعلقات الشخصية للرسول، ص  *  الحرس الوطني الأمريكي يفشل في إخماد الاحتجاجات في فرگسون، مزوري احتجاجاً على قتل الشرطة لفتى أسود أعزل. سقوط قتيل في ضاحية أخرى لمدينة سانت لويس  *   كتائب القسام تعلن قصف حقل نوا الإسرائيلي للغاز الطبيعي الواقع على بعد 10 ميل مقابل ساحل غزة بصاروخين. الحقل تملكه نوبل إنرجي ودلك  *   داعش تضرب عنق صحفي أمريكي وتذيع الجريمة على يوتيوب  *   الصين تجري ثاني اختبار طيران مركبة شراعية فائقة السرعة، طراز وو-14 بسرعة 10 ماخ  *   شياومي Xiaomi تتفوق على سامسونگ في بيع الهواتف في الصين.   *   من دين محلي يبلغ 1.5 تريليون جنيه، 786.8 بليون جنيه حصيلة بيع أذون وسندات خزانة في مصر  *   مصطفى صنع الله، رئيس مؤسسة النفط الليبية، يتولى منصب القائم بأعمال وزير النفط  *  وفاة الشاعر الفلسطيني سميح القاسم، صاحب قصيدة   *   هل انهارت مبادرة حوض النيل؟  *   ثروات مصر الضائعة في البحر المتوسط  *   شاهد أحدث التسجيلات  *  تابع المعرفة على فيسبوك  *  تابع مقال نائل الشافعي على جريدة الحياة: تطورات غاز المتوسط في أربع مشاهد  *      

عمليات تكرير النفط

مصفاة نفط في أناكورتس، واشنطن، الولايات المتحدة.

عمليات تكرير النفط Petroleum refining processes، هي عمليات الهندسة الكيميائية والمرافق الأخرى المستخدة في مصافي النفط (ويشار إليها أيضاً بمصافي النفط) لتحويل النفط الخام إلى منتجات صالحة للإستخدام مثل الغاز النفطي المسال، الگازولين، الكريوسين، الوقود النفاث، وزيوت الوقود.[1][2][3]

يصاحب النفط أثناء خروجه من الآبار غازات وأملاح ومياه وشوائب ميكانيكية "رمال وطين" في بعض الأحيان، ولذا يجب فصل هذه الأشياء جزئيًا في الحقل، وكلياً بعد ذلك في معمل التكرير. ويتم فصل الغازات المصاحبة في حقول البترول في محطات عزل الغاز الطبيعي ، ثم تدفع إلى وحدة الجازولين لفصل المكثفات الخفيفة،التي تكون غالبًا مصاحبه للغازات، والتي يتم فصلها بتكثيفها وتسمى "الجازولين الطبيعي". ثم يدفع الخام بعد ذلك إلى مستودعات ترسيب، حيث يتم فصل الشوائب الميكانيكية بالترسيب. بعد ذلك يتم نزع الأملاح من البترول عن طريق غسل الأملاح بالماء العذب ثم ينزع الماء بعد ذلك من البترول في وحدات معالجة النفط الرطب. ويعالج البترول المحتوي على نسبة كبيرة من الأملاح بواسطة 3-5% من الماء. ويفصل الماء من البترول في بعض الأحيان بسهولة نسبيًا. ولكن غالبًا ما يكون مستحلبات ثابتة مع البترول صعبة الفصل، خصوصًا خلال عمليات الضخ والنقل في أنابيب بسرعة كبيرة ممايصعب التخلص منه.[4]

Contents

تاريخ موجز لصناعة ومصافي النفط

وحدات المعالجة المستخدمة في المصافي

  • وحدة تقطير النفط الخام: Distills the incoming crude oil into various fractions for further processing in other units.
  • Vacuum Distillation unit: Further distills the residue oil from the bottom of the crude oil distillation unit. The vacuum distillation is performed at a pressure well below atmospheric pressure.
  • Naphtha Hydrotreater unit: Uses hydrogen to desulfurize the naphtha fraction from the crude oil distillation or other units within the refinery.
  • Catalytic Reforming unit: Converts the desulfurized naphtha molecules into higher-octane molecules to produce reformate, which is a component of the end-product gasoline or petrol.
  • Alkylation unit: Converts isobutane and butylenes into alkylate, which is a very high-octane component of the end-product gasoline or petrol.
  • Isomerization unit: Converts linear molecules such as normal pentane into higher-octane branched molecules for blending into the end-product gasoline. Also used to convert linear normal butane into isobutane for use in the alkylation unit.
  • Distillate Hydrotreater unit: Uses hydrogen to desulfurize some of the other distilled fractions from the crude oil distillation unit (such as diesel oil).
  • Merox (mercaptan oxidizer) or similar units: Desulfurize LPG, kerosene or jet fuel by oxidizing undesired mercaptans to organic disulphides.
  • Amine gas treater, Claus unit, and tail gas treatment for converting hydrogen sulphide gas from the hydrotreaters into end-product elemental sulphur. The large majority of the 64,000,000 metric tons of sulphur produced worldwide in 2005 was byproduct sulfur from petroleum refining and natural gas processing plants.[5][6]
  • Fluid catalytic cracking (FCC) unit: Upgrades the heavier, higher-boiling fractions from the crude oil distillation by converting them into lighter and lower boiling, more valuable products.
  • Hydrocracker unit: Uses hydrogen to upgrade heavier fractions from the crude oil distillation and the vacuum distillation units into lighter, more valuable products.
  • Visbreaker unit upgrades heavy residual oils from the vacuum distillation unit by thermally cracking them into lighter, more valuable reduced viscosity products.
  • Delayed coking and Fluid coker units: Convert very heavy residual oils into end-product petroleum coke as well as naphtha and diesel oil by-products.

الوحدات الإضافية المطلوبة في المصافي

  • Steam reformer unit: Converts natural gas into hydrogen for the hydrotreaters and/or the hydrocracker.
  • Sour water stripper unit: Uses steam to remove hydrogen sulfide gas from various wastewater streams for subsequent conversion into end-product sulfur in the Claus unit.[7]
  • Utility units such as cooling towers for furnishing circulating cooling water, steam generators, instrument air systems for pneumatically operated control valves and an electrical substation.
  • Wastewater collection and treating systems consisting of API separators, dissolved air flotation (DAF) units and some type of further treatment (such as an activated sludge biotreater) to make the wastewaters suitable for reuse or for disposal.[7]
  • Liquified gas (LPG) storage vessels for propane and similar gaseous fuels at a pressure sufficient to maintain them in liquid form. These are usually spherical vessels or bullets (horizontal vessels with rounded ends).
  • Storage tanks for crude oil and finished products, usually vertical, cylindrical vessels with some sort of vapour emission control and surrounded by an earthen berm to contain liquid spills.

وحدة تقطير النفط الخام

Schematic flow diagram of a typical crude oil distillation unit as used in petroleum crude oil refineries.

مخطط التدفق لمصفاة النفط

A schematic flow diagram of a typical petroleum refinery.

إعداد النفط للتكرير

فصل الغازات وتثبيت النفط في الآبار

إنّ الغاز الذي يصاحب النفط أثناء خروجه من البئر، يجب فصله عن البترول. ويتم هذا الفصل في حقول البترول في محطات عزل الغاز الطبيعي، وذلك بواسطة خفض سرعة حركة مخلوط البترول والغاز. وتستخدم طريقة فصل الغاز على عدة مراحل في حالة الآبار ذات الضغط العالي.

ولا يكفي فصل الغاز فقط من النفط، إذ يتبقى بعد الفصل كثير من القطفات الخفيفة التي قد تتبخر أثناء التخزين في المستودعات وصب البترول في الصهاريج. ولذلك فمن المستحسن تثبيت النفط في الآبار، وخاصة إذا كان النفطالمستخرج يحتوي على كثير من القطفات الخفيفة، ويراد نقله لمسافات بعيدة.

ويتلخص تثبيت البترول في فصل القطفات الخفيفة والغازات الذائبة عن الخام. وتوجه لهذا الغرض أبخرة القطفات الخفيفة والغاز بعد مرورها خلال مكثف إلى فاصل الغاز، حيث يفصل الغاز ويدفع بواسطة مضخة إلى شبكة الغاز أو إلى مصانع معالجة الغاز. ويوجه البترول المثبت إلى المصانع للتكرير احيانا يستعمل فاصل الغازات كفاصل مياه اولى ويسمى فى هذه الحالة 3-phase separator.

نزع الماء والأملاح من النفط

إن الماء والشوائب الميكانيكية "الأملاح والرمل والطين" تصاحب البترول دائمًا أثناء استخراجه. ويفصل الماء الحر من البترول في بعض الأحوال بسهولة نسبية، ولكنه يكون مستحلبات ثابتة مع البترول في البعض الآخر. ويجب أن يخضع البترول الذي يحصل عليه على صورة مستحلب، لمعالجة خاصة معقدة نسبياً لفصله عن الماء والشوائب الميكانيكية، حيث إن تكرير البترول ذو الشوائب يعقد تشغيل الوحدات الصناعية إلى حد كبير. فإذا سخن مثلاً بترول يحتوي على شوائب ميكانيكية في مبادل حراري، فإن هذه الشوائب تترسب على سطح التسخين؛ مما يؤدي إلى خفض كفائة المبادل الحراري، وأثناء مرور البترول في الأنابيب بسرعات كبيرة يكون للجسيمات الصلبة تأثير المواد الحاكة، أي أنها تحك في الأجهزة فتبليها قبل الأوان. ويؤدي بقاء الشوائب الميكانيكية في المتبقيات البترولية بعد التقطير، إلى خفض جودة هذه المتبقيات وزيادة نسبة الرماد فيها (وقود الغلايات والكوك)، وإلى عدم إمكانية الحصول على منتجات مطابقة للمواصفات.

ويتبخر بشدة الماء الداخل مع البترول في أجهزة التسخين، فيزداد حجمه زيادة بالغة، مما يؤدي إلى رفع الضغط في الأجهزة والإخلال بالمعدلات التشغيلية التقنية للوحدة. ويحتوي الماء الموجود في البترول على كمية كبيرة من الأملاح. وتتوفر هذه الأملاح بصورة أساسية على هيئة كلوريدات NaCl,MgCl2, CaCl2، ويتكون حامض الهيدروكلوريك من تحلل كلوريد الكالسيوم وخاصة كلوريد المغنسيوم أثناء عملية التقطير، ويحت هذا الحمض الأجهزة بشدة.

ويتضح مما سبق أن البترول بعد الحصول عليه من الآبار، يجب أن يخضع لمعالجة إعدادية لتوفير درجة نقاوته المطلوبة.

المستحلبات النفطية

هناك نوعان من المستحلبات النفطية: "الماء في النفط"، مستحلبات هيدروفوبية، و"النفط في الماء"،مستحلبات هيدروفيلية.

ومستحلبات النوع الأول أكثر انتشاراً من النوع الثاني. وفي مستحلبات النوع الأول يوجد الماء في البترول على صورة كمية لاحصر لها من القطرات المتناهية في الصغر. أما في مستحلبات النوع الثاني فيكون البترول على صورة قطرات مفردة معلقة في الماء.

وتتلخص عملية تكوين المستحلبات في الآتي: على الحد الفاصل بين سائلين لا يختلط بعضهما ببعض، وأحدهما مشتت في الآخر على صورة جسيمات صغيرة جداً، تتراكم مادة ثالثة ضرورية لتكوين المستحلب وتسمى بالعامل المستحلب أو مثبت المستحلب ، ما هو الأستحلاب؟. ويذوب العامل المستحلب في أحد السائلين مكوّنا ًما يشبه الغشاء. ويحجب هذا الغشاء قطرات المادة المشتتة ويمنع اندماجها. وهذه العوامل المستحلبة في البترول هي الراتنجات والأسفلتينات وصابون الأحماض النفثية والأملاح. وعلاوة على المواد المذكورة، تؤثر الشوائب الصلبة المختلفة المشتتة في أحد الأطوار على ثبات المستحلب.

والعوامل المستحلبة إما هيدروفيلية أو هيدروفوبية. وتُعدّ المواد الراتنجية الأسفلتية والأحماض النفثية الموجودة في البترول مركّبات طبيعية وعوامل مستحلبة أيدروفوبية. أما الصوابين الصوديومية والبوتاسيومية التي تتكوّن أساساً من تفاعل الأحماض النفثية الموجودة في البترول مع أملاح المعادن الذائبة في ماء الحفر، فهي عوامل مستحلبة هيدروفيلية. وتتمتع نفثينات Ca, A1, Fe. Mg بخواص هيدروفوبية. والمعلقات الصلبة عديمة النشاط السطحي، إلا أن تراكمها على السطح البيني interface، بين البترول والماء يجعل الغشاء أكثر متانة والمستحلب أكثر ثباتًا. ويعتمد تكون المستحلبات من النوعين المذكورين أعلاه على وجود هذا النوع أو ذلك من العوامل المستحلبة والمثبتة.

ويكون المستحلب المتكون من خلط الماء والبترول ذا طابع "بترول في الماء" إذا كان المثبت يذوب في الماء. أماإذا كان المثبت يذوب في الوسط الأيدروكربوني فيتكون المستحلب من نوع "ماء في البترول".

الطرق الصناعية لإزالة استحلاب النفط

هناك نوعان من المستحلبات البترولية "الماء في البترول" و"البترول في الماء"، يتضح مما تقدم أن سبب ثبات المستحلب البترولي يكمن في وجود غشاء متين واق على سطح القطرات. ويتلخص هدم المستحلبات في تحطيم الأغشية التي تمنع اندماج القطرات، والسبب الآخر لثبات المستحلبات هو تراكم شحنات الكهرباء الإستاتيكية على سطح قطرات الماء والمعلقات الصلبة. فتحت تأثير شحنات الكهرباء الإستاتيكية يحدث تنافر متبادل يمنع اندماج قطرات الماء. تتلخص عملية إزالة الاستحلاب في تحطيم المستحلب. وفي أغلب الأحوال، يمكن تقسيم هذه العملية إلى مرحلتين:

1- تحطيم الأغشية الواقية واندماج قطرات الماء المعلقة إلى الحجم الذي يسمح بترسبها فيما بعد.

2- ترسب القطرات الموحدة وفصل الماء عن البترول.

ويُزال استحلاب البترول في الظروف الصناعية تحت تأثير المواد المانعة للاستحلاب ودرجات الحرارة والمجال الكهربائي، كما يمكن استخدام التأثير المشترك لهذه العوامل. وهناك أيضًا طرق أخرى لتحطيم المستحلبات، مثل الطرد المركزي "الترشيح" واستخدام الإلكتروليتات. ولا تستخدم هذه الطرق على نطاق واسع؛ نظراً لقلة فعاليتها أو لصعوبة تحقيقها.

وتُزال الاستحلابات بالطرق الآتية:

1- الطرق الميكانيكية:

وتتم بالترويق أو الطرد المركزي أو الترشيح، ولكن لاتستخدم هذه الطرق على نطاق واسع.

2- الطرق الحرارية:

تتم بتسخين المستحلب، مما يؤدي الى تقليل لزوجة النفط وبالتالي تسهيل عملية الفصل وخلال ذلك تتمدد الطبقة المثبتة للمستحلب، وتتكسر، وبالتالي تتجمع قطرات الماء وتندمج. وتتلخص الطريقة الحرارية لنزع الماء في تسخين البترول وترويقه في الخزانات. وتستخدم هذه الطريقة لمعالجة المستحلبات غير الثابتة فقط، وهي تؤدي إلى فقد كمية كبيرة من قطفات البترول الخفيفة في حالة ارتفاع درجة حرارة التسخين.

3- الطرق الكيميائية:

باستخدام مواد كيميائية مانعة للاستحلاب تكون رخيصة وذات فعالية كافية، وهذه المواد تضعف الغشاء المغلف لقطرات الماء.

4- الطرق الكيميائية الحرارية:

وفيها تستخدم مواد كيمائية مانعة للاستحلاب، وذلك خلال عملية تسخين المستحلب البترولي. ويمكن استخدام الطريقة الكيميائية الحرارية لإزالة الاستحلاب بنجاح، إذا وجدت مادة مانعة للاستحلاب تكون رخيصة وذات فعالية كافية، ويسهل الحصول عليها ونقلها، ولا تسبب التحات الكيميائي للأجهزة. كما يجب، علاوة على ذلك، أن تختلط المادة المانعة للاستحلاب بالسائل الذي توضع فيه، لكي تستطيع أن تتفاعل بسهولة مع الغشاء الواقي لقطرات الماء.

5- الطرق الكيميائية الأخرى:

يخلط المستحلب البترولي مع المادة المانعة للاستحلاب مباشرة، في مضخة طاردة مركزية، تضخ الخام إلى وحدة إزالة الاستحلاب. وتدفع المادة المانعة للاستحلاب بواسطة مضخات مجزئة إلى خط سحب مضخات الخام. ويسخن المخلوط في مبادلات حرارية أو في فرن أنبوبي بواسطة البخار، أو تيار من المنتج البترولي الساخن، أو بواسطة النار إلى درجة 70 - 75°م. ويؤدي التلامس بين المادة المانعة للاستحلاب وبين المستحلب، أثناء تحركهما في الأنابيب، إلى تحطيم الأغشية الواقية. ويدخل المستحلب المحطم بعد ذلك في وعاء نزع الماء أو في خزان حيث يفصل الماء عن البترول.

وعيوب الطريقة المذكورة لإزالة الاستحلاب هي:

1-استهلاك كمية كبيرة من المواد المانعة للاستحلاب.

2-فقد قطفات البنزين الخفيفة.

3-ضرورة استخدام عدد كبير من الخزانات.

4- تلويث المياه الصناعية المستهلكة بأملاح السلفا.

وللإقلال من زمن الترويق واستهلاك المادة المانعة للاستحلاب، يدفع المستحلب في مستودع به وسادة من الماء المفصول من المستحلب، والذي يحتوي على كمية من المادة المانعة للاستحلاب. وقد انتشر استخدام طريقة كيميائية حرارية أكثر تطوراً لنزع الماء من البترول، وهي تسمح بالإقلال من الفاقد. ويتم الترويق في هذه الطريقة في أجهزة محكمة (أوعية خاصة لنزع الماء تعمل تحت الضغط). ويسخن البترول الاستحلابي في حالة الترويق في أجهزة محكمة إلى درجة 150 – 155°م في مبادلات حرارية أو في أفران، ثم يدخل بعد ذلك في أوعية نزع الماء حيث يحفظ الضغط مساوياً لـ 8 ضغط جوي. ويتم في أوعية نزع الماء انفصال البترول عن الماء وإبعاد الأخير. ويمر البترول المنزوع منه الماء خلال مبادلات حرارية حيث يبرد إلى درجة 80 - 90°م بواسطة تيار مضاد من البترول الاستحلابي البارد. وتستخدم هذه الطريقة الكيميائية الحرارية المطورة لإزالة استحلاب البترول، عند تحطيم المستحلبات الثابتة للخامات البترولية الثقيلة.

الطرق الكهربائية

وتطبق حاليًا على نطاق واسع لنزع الماء والأملاح من البترول. وفي هذه الطريقة يؤثر في المستحلب مجال كهربائي ذو جهد عال وتردد صناعي، فتتحرك قطرات الماء المشحونة تحت تأثير هذا المجال وتتجه إلى الإلكترودات. ويتغير اتجاه حركة القطرات مع تردد المجال، الأمر الذي يؤدي إلى تصادم القطرات بالإلكترودات مما يساعد على اندماجها. وتستخدم هذه الطريقة بشكل واسع بالأقتران مع أستخدام كاسر الأستحلاب والحرارة.

إزالة الأملاح

تؤدي عملية إزالة استحلاب البترول في الحقول إلى تخلصه من الكتلة الأساسية من الماء والشوائب الميكانيكية، إلا أن البترول الذي أزيل استحلابه يحتوي على الأملاح في حالة معلقة. وهذه الأملاح هي أساسًا كلوريدات الصوديوم والكالسيوم والمغنسيوم وغيرها.

وقد أثبتت التجربة العملية أنه لكي يمكن تكرير البترول يجب ألا تزيد نسبة الأملاح فيه عن 50 مليجرام/ لتر، بل وأقل من ذلك، في حالة تكرير البترول مع الحصول على منتجات متبقية (الكوك البترولي مثلا). وتجري عملية نزع الأملاح للحصول على النسبة المذكورة. وتشبه عملية نزع الأملاح عملية إزالة الاستحلاب، إلا أنه في عملية نزع الأملاح يحطم المستحلب الاصطناعي الذي يتكون من البترول وماء غسيله. ويتم نزع الأملاح من البترول في مصانع التكرير، بصورة أساسية، عن طريق غسل الأملاح بالماء العذب، ثم نزع الماء بعد ذلك من البترول. ويعالج البترول المحتوي على نسبة كبيرة من الأملاح بواسطة 10 – 15% من الماء مرتين أو ثلاث مرات.

وتجري عملية نزع الأملاح من البترول في وحدات نزع الأملاح بالكهرباء، أو في وحدات مركبة من وحدة كيميائية حرارية ووحدة نازعة للأملاح بالكهرباء يتجه تياران من البترول الخام المحتوى على 2500 - 3000 مليجرام/ لتر من الأملاح وحتى 5% من الماء إلى المبادلات الحرارية، حيث يسخن الخام على حساب حرارة البترول المنزوعة منه الأملاح، ثم يدخل بعد ذلك مسخنات حيث يتم التسخين بواسطة البخار المنصرف. ويتجه البترول الخارج من المسخن إلى مروق نزع الأملاح بالطريقة الكيميائية الحرارية. وتضاف مادة مانعة للاستحلاب إلى البترول الساخن قبل دخوله إلى المروق، ويمر كل تيار بصمام خلط لتوفير التلامس التام بين المادة المانعة للاستحلاب وبين البترول. ويدخل تيارا البترول الخارجان من مروقي نزع الأملاح بالطريقة الكيميائية الحرارية في المجمع الأول لنزع الأملاح بالكهرباء، ويدفع إلى كل من التيارين ماء قلوي مسخن إلى درجة 70 - 80°م لغسل الأملاح. يتحد البترول الخارج من المجمع في تيار واحد، ليتجه إلى المرحلة الأولى لأجهزة نزع الماء بالكهرباء، ثم إلى المرحلة الثانية. ويدفع ماء قلوي في البترول المنزوعة منه الأملاح جزئياً قبل الدخول في المرحلة الثانية لأجهزة نزع الماء بالكهرباء. ويتجه البترول ـ بعد المرحلة الثانية لنزع الأملاح بالكهرباء ـ إلى وعاء تجميع. وقد انتشر في العالم في السنوات الأخيرة استخدام الأوعية الأفقية لنزع الماء بالكهرباء التي تعمل عند درجة 135 - 150°م وتحت ضغط يبلغ 20 - 24 كجم/ سم2. وتتميز هذه الأجهزة بإمكانية المحافظة على ضغوط ودرجات حرارة عالية، وكذلك بصغر ارتفاع الفصل؛ مما يوفر فصلاً أحسن للماء عن البترول

تكرير المنتجات النهائية

نواتج التقطير الخفيفة

  • غاز النفط السائل
  • الگازولين
  • الكيروسين
  • الوقود النفاق ووقود الطائرات

نواتج التقطير المتوسطة

  • وقود الديزل للسيارات والقطارات
  • وقود التسخين المنزلي
  • زيوت الوقود الخفيفة الأخرى

نواتج التقطير الثقيلة

  • زيوت الوقود الثقيلة
  • زيت وقود المستودعات وزيوت الوقود المترسبة

أخرى

معظم هؤلاء المنتجات لا تنتج في مصافي النفط.

المصادر

  1. ^ Gary, J.H. and Handwerk, G.E. (1984). Petroleum Refining Technology and Economics, 2nd Edition, Marcel Dekker, Inc. ISBN 978-0-8247-7150-8. 
  2. ^ Leffler, W.L. (1985). Petroleum refining for the nontechnical person, 2nd Edition, PennWell Books. ISBN 978-0-87814-280-4. 
  3. ^ James G, Speight (2006). The Chemistry and Technology of Petroleum, Fourth Edition, CRC Press. 0-8493-9067-2. 
  4. ^ المهندسة تولين. عمليات معالجة النفط الخام. موقع النفط والغاز الطبيعي العربي. وُصِل لهذا المسار في 11 نوفمبر 2012.
  5. ^ Sulphur production report by the United States Geological Survey
  6. ^ Discussion of recovered by-product sulphur
  7. ^ أ ب Beychok, Milton R. (1967). Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants, 1st Edition, John Wiley & Sons. Library of Congress Control Number 67019834.