الهندسةالهندسة الكيميائية

مصافي النفط – Oil Refinery

اقرأ في هذا المقال
  • ما هي مصفاة النفط؟
  • أهمية مصافي النفط
  • تكرير النفط
  • ما هو البترول؟
  • مكونات البترول الأساسية
  • مراحل التكرير الرئيسية في المصافي

ما هي مصفاة النفط؟

مصفاة النفط: هي منشأة صناعية تقوم بتحويل أو تكرير النفط الخام إلى منتجات بترولية مختلفة قابلة للاستخدام مثل الديزل والبنزين وزيوت التدفئة، تعمل مصافي النفط بشكل أساسي كمرحلة ثانية في عملية إنتاج النفط الخام بعد الاستخراج الفعلي لتدفق النفط الخام وتعتبر خدمات المصافي جزءاً متجهاً إلى أسفل من صناعة النفط والغاز، مصفاة النفط عبارة عن ترتيب منظم ومنسق لعمليات التصنيع المصممة لإنتاج تغييرات فيزيائية وكيميائية في النفط الخام لتحويله إلى منتجات يومية مثل البنزين والديزل وزيوت التشحيم وزيت الوقود.

على الرغم من أنّ العديد من شركات النفط المتكاملة ستعمل على خدمات الاستخراج والتكرير تنظر المصافي وتجار النفط إلى انتشار الكراك (الفرق النسبي في تكلفة الإنتاج وسعر السوق) لمختلف المنتجات البترولية في سوق المشتقات للتحوّط من تعرضهم لأسعار النفط الخام.

أهمية مصافي النفط:

تلعب مصافي النفط دوراً مهمّاً في إنتاج وسائل النقل وأنواع الوقود الأخرى ويمكن بيع مكونات النفط الخام بمجرد فصلها إلى صناعات مختلفة لمجموعة واسعة من الأغراض، يمكن بيع مواد التشحيم إلى المصانع مباشرة بعد التقطير لكنّ المنتجات الأخرى تتطلب مزيداً من التكرير قبل الوصول إلى المستخدم النهائي، المصافي الكبرى لديها القدرة على معالجة مئات الآلاف من برميل النفط الخام يومياً.

في الصناعة، يطلق على عملية التكرير عادةً قطاع “المصب” بينما يُعرف إنتاج النفط الخام بقطاع “المنبع” ويرتبط مصطلح المصب بمفهوم أنّ النفط يتم إرساله إلى أسفل سلسلة قيمة المنتج إلى مصفاة لتكرير النفط لتتم معالجته وتحويله إلى وقود، تتضمن مرحلة المصب أيضاً البيع الفعلي للمنتجات البترولية لشركات أخرى أو حكومات أو أفراد.

تكرير النفط:

يشير مصطلح تكرير النفط إلى أي معالجة لاحقة للاستخراج تُستخدم للحصول على زيت عالي الجودة للاستخدامات المختلفة، يحتوي الزيت الخام على العديد من الشوائب بما في ذلك الفوسفاتيدات والأحماض الدهنية الحرة والمواد الصمغية والأجسام الملونة والتوكوفيرول والستيرول والهيدروكربونات والكيتونات والألدهيدات حيث تتم إزالة هذه الشوائب في عملية التكرير، عادةً ما يتم استخدام تكرير الزيت لإزالة الدهون الفسفورية والأحماض الدهنية الحرة والروائح ولتحسين لون الزيت ويتضمن تكرير النفط العديد من العمليات الديناميكية الحرارية مثل ظاهرة نقل الكتلة والحرارة حيث يمكن لمهندس أغذية أو مهندس كيميائي أن يساعد في تحسين جودة الزيت وكفاءة المعالجة.

تكرير النفط: هو مجال رئيسي تقليدي رئيسي لدراسات القرص وبالطبع كانت دراسة القرصة الرائدة على وحدة خام تطبيقاً مبكراً آخر ناجحاً للغاية، جاءت الفوائد هناك من كل من استعادة الحرارة وتغيير العملية ومنذ ذلك الحين تمّ تطوير التقنيات وصقلها على نطاق واسع في هذه التطبيقات، هناك العديد من القيود العملية التي يجب القيام بها مع التوليفات المختلفة والمواد الأولية المتعددة ولكن الإنتاجية العالية جداً تبرر مشاريع استعادة الحرارة حيث أنّها توفر نسبة مئوية صغيرة فائدة اقتصادية مطلقة كبيرة ومعدل عائد جيد على العديد من استثمارات رأس المال، وهنالك ما يبرر محاكاة وتحسين شبكة المبادلات الحرارية المعقدة ويستخدم برنامج تصميم الشبكة على نطاق واسع.

ما هو البترول؟

البترول: هو خليط معقد من السوائل العضوية يسمى النفط الخام والغاز الطبيعي والذي يتواجد بشكل طبيعي في الأرض وقد تم تشكيله منذ ملايين السنين، يختلف النفط الخام من حقل نفط إلى آخر في اللون والتركيب، من سائل أصفر شاحب منخفض اللزوجة إلى قوام أسود كثيف، ويتم استخراج النفط الخام والغاز الطبيعي من الأرض أو على اليابسة أو تحت المحيطات عن طريق غرق بئر نفط ثم يتم نقلها عن طريق خط الأنابيب أو الشحن إلى المصافي، حيث تتم معالجة مكوناتها إلى منتجات مكررة، النفط الخام والغاز الطبيعي قليلاً الاستخدام في حالتهما الخام حيث كمن قيمتهما في ما يتم إنشاؤه منها مثل الوقود وزيوت التشحيم والشموع والأسفلت والبتروكيماويات والغاز الطبيعي بجودة خطوط الأنابيب.

نظراً لأنّ النفط الخام يأتي من البئر فإنّه يحتوي على مزيج من المركبات الهيدروكربونية وكميات صغيرة نسبياً من المواد الأخرى مثل الأكسجين والنيتروجين والكبريت والملح والماء، في المصفاة تتم إزالة معظم هذه المواد غير الهيدروكربونية ويتم تكسير الزيت إلى مكوناته المختلفة وخلطه في منتجات مفيدة يحتوي الغاز الطبيعي من البئر على في الميثان بشكل أساسي ويحتوي أيضاً على كميات من الهيدروكربونات الأخرى، مثل الإيثان والبروبان والبيوتان والبنتان وكذلك ثاني أكسيد الكربون والماء ويتم فصل هذه المكونات عن الميثان في مصنع تجزئة الغاز.

مكونات البترول الأساسية:

يتكون البترول من ثلاث مجموعات هيدروكربونية أساسية، وهي:

  • البارافينات: تتكون البارافينات من حلقات كربون مستقيمة أو متفرّعة مشبعة بذرات الهيدروجين وأبسطها الميثان (CH4) المكون الرئيسي للغاز الطبيعي وتشمل المجموعة الأخرى في هذه المجموعة الإيثان (C2H6) والبروبان (C3H8).

  • الهيدروكربونات: على الرغم من وجود عدد قليل جداً من ذرات الكربون (C1 إلى C4) التي تكون خفيفة الكثافة وغازات تحت الضغط الجوي العادي إلّا أنّ البارافينات كيميائياً مركبات مستقرة جداً.

  • النفثينات: تتكون النفثينات من حلقات الكربون التي تكون على شكل سلاسل جانبية أحياناً مشبعة بذرات الهيدروجين، النفثينات مستقرة كيميائياً وتوجد بشكل طبيعي في النفط الخام ولها خصائص مشابهة للبارافينات.

  • العطريّات: الهيدروكربونات العطريّة عبارة عن مركبات تحتوي على حلقة من ست ذرات كربون مع روابط متبادلة مزدوجة ومفردة وست ذرات هيدروجين متصلة، يُعرف هذا النوع من الهياكل بحلقة بنزين وهي تحدث بشكل طبيعي في النفط الخام ويمكن أيضاً إنشاؤها بواسطة عملية التكرير.

كلّما زاد عدد ذرات الكربون في جزيء الهيدروكربون كلّما كان أثقل أي زاد وزنه الجزيئي وكلما زادت نقطة غليانه، قد تتكون الكميات الصغيرة من النفط الخام من مركبات تحتوي على الأكسجين والنيتروجين والكبريت والمعادن، حيث يتراوح محتوى الكبريت من آثار ضئيلة إلى أكثر من 5 في المائة وإذا كان الزيت الخام يحتوي على كميات ملحوظة من الكبريت يطلق عليه اسم خام حامض أمّا إذا كان يحتوي على القليل من الكبريت أو لا يحتوي على القليل من الكبريت فيطلق عليه اسم خام حلو.

مراحل التكرير الرئيسية في المصافي:

يحتاج النفط الخام إلى المعالجة قبل استخدامه ويتم إجراء ثلاثة أنواع رئيسية من العمليات لتكرير الزيت إلى منتجات نهائية وهي الفصل والتحويل والمعالجة.

مرحلة الفصل:

في الخطوة الأولى يتم فصل الجزيئات من خلال التقطير الجوي (أي عند الضغط الجوي العادي) وفقًا لوزنها الجزيئي أثناء العملية والتي تُعرف أيضًا باسم التكرير، يتم تسخين الزيت في قاع عمود تقطير يبلغ طوله (60) متراً عند درجة حرارة (350 إلى 400) درجة مئوية ممّا يؤدي إلى تبخره ترتفع الأبخرة داخل العمود بينما تبقى الجزيئات الأثقل أو المخلفات في القاع دون أن تتبخر ومع ارتفاع الأبخرة تتكثّف الجزيئات في سوائل عند درجات حرارة مختلفة في العمود.

تصل الغازات فقط إلى القمة حيث تنخفض درجة الحرارة إلى (150) درجة مئوية بعد ذلك يتم جمع السوائل التي تزداد ضوءاً كلّما وجدت في العمود أعلى في صواني موجودة على ارتفاعات مختلفة من العمود، يجمع كل درج قطعاً بترولياً مختلفاً يُعرف أيضًا باسم القطع البترولي مع الحفاظ على لزوجة عالية (الهيدروكربونات) مثل الأسفلت (البيتومين) في الأسفل والغازات في الأعلى.

لا تزال المخلفات الثقيلة المتبقية بعد التقطير الجوي تحتوي على العديد من المنتجات ذات الكثافة المتوسطة، يتم نقل المخلفات إلى عمود آخر حيث تخضع لعملية التقطير الثانية لاستعادة نواتج التقطير المتوسطة مثل زيت الوقود الثقيل والديزل.

مرحلة التحويل:

لا يزال هناك الكثير من جزيئات الهيدروكربون الثقيلة المتبقية بعد عملية الفصل، لتلبية الطلب على المنتجات الأخف يتم تكسيرالجزيئات الثقيلة إلى جزئين أخف وزنًا أو أكثر وتُعرف عملية التحويل التي يتم إجراؤها عند (500) درجة مئوية أيضاً باسم التكسير التحفيزي لأنها تستخدم مادة تسمى محفزّاً لتسريع التفاعل الكيميائي، تحوّل هذه العملية (75٪) من المنتجات الثقيلة إلى غاز وبنزين وديزل ويمكن زيادة المحصول عن طريق إضافة الهيدروجين وهي عملية تسمى التكسير الهيدروجيني أو باستخدام التحويل العميق لإزالة الكربون، كّلما كانت العملية أكثر تعقيدًا زادت تكاليفها وزادت الطاقة التي تستخدمها ويتمثل الهدف المستمر لصناعة التكرير في إيجاد توازن بين العائد وتكلفة التحويل.

مرحلة المعالجة:

تشمل مرحلة المعالجة إزالة الجزيئات المسببة للتآكل أو المسببة لتلوث الهواء وخاصةً الكبريت أو تقليلها بشكل كبير، تعد معايير انبعاثات الكبريت صارمة للغاية حيث لا يمكن أن يحتوي البنزين والديزل المباع على أكثر من (10) أجزاء في المليون أو (10) ملليغرام لكل كيلوغرام من الكبريت الغرض من هذه التدابير هو تحسين جودة الهواء وتحسين فعالية المحولات الحفازة المستخدمة في معالجة غاز العادم أمّا بالنسبة للديزل، تتم إزالة الكبريت عند (370) درجة مئوية وعند ضغط (60) بار ويتّحد الهيدروجين المستخدم في العملية مع الكبريت لتكوين كبريتيد الهيدروجين (H2S) والذي تتم معالجته بعد ذلك لإزالة الكبريت، وهي مادة مستخدمة في الصناعة ويتم غسل الكيروسين والبيوتان والبروبان في محلول صودا كاوية (هيدروكسيد الصوديوم) لإزالة (thiols) المعروف أيضاً باسم (mercaptans) وتسمى هذه العملية بالتحلية.

المصدر
Petroleum refining - Courtesy of AIPThe Three Stages of RefiningOil RefineryOil Refining

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى