books physical processes

التقطير

وتعد هي الخطوة الأولى في تصنيعه للحصول على المشتقات البترولية بأنواعها المختلفة، وهي أكثر العمليات أهمية في مصفاة تكرير البترول، وتعتمد هذه العملية على فصل المنتجات البترولية على حسب درجة غليان كل جزء من مكوناته، وفيها تفصل الجزيئات الأخف ذات درجات الغليان المنخفضة بواسطة الغليان والتكثيف كما يلي:

• التقطير الابتدائي أو تحت الضغط الجوي : وتهدف هذه الخطوة لفصل البترول إلى أجزاء مختلفة تكون كل منها مجموعة مكونات هيدروكربونية، وتكون هذه العملية على حسب نطاق درجات غليانها حيث تكون السوائل ذات درجات الغليان المنخفضة أكثر تطايراً من تلك التي لها درجات غليان أعلى، وتشتمل عملية التقطير تحت الضغط الجوي عند 760 مم زئبق، على عدة مراحل رئيسة وذلك بتسخينه بحيث يرفع النفط الخام بالمضخات من مستودعاته إلى فرن، ولكن عادة يجري له عملية تسخين مبدئي تدريجي باستخدام مبادلات حرارية تتبادل بين النفط الخام البارد والقادم من الخزانات وبين منتجات برج التكرير الساخنة والتي بحاجة إلى تبريد. وحيث ان هذا العمل يساعد في تخفيف تكاليف التبريد فانه أيضاً يمنع تفحم النفط الذي يحدث عندما يتم تسخين النفط بشكل مفاجئ، يلي هذه العملية، تسخين باستخدام الأفران الأنبوبية إلى درجة حرارة 300 إلى 400 مئوية، حيث يدخل إلى الفرن فيتبخر تبخراً جزئياً. ويمر البخار إلى برج التجزئة أو عمود التجزئة الذي قد يصل طوله في بعض الوحدات إلى 45 متر ويحتوي على 30-50 طبقة تجزئة، وترتفع المكونات الغازية تدريجياً خلال صواني البرج. وكلما ارتفع بخار المكونات انخفضت درجة حرارته، وتكثف جزء منه على كل صينية من الصواني التي يتكون منها برج التجزئة. فإذا امتلأت إحدى الصواني، فاض ما عليها من السائل زائد، وسقط على الصينية التي تليها.وعادة ما تكون كل صينية أقل حرارة من التي تحتها، أي أنه كلما كان موقع الصينية مرتفعاً كانت المواد المتجمعة عليها أقل كثافة، وكلما اخترقت فقاعات البخار سائلاً على إحدى هذه الصواني من خلال حاجز الفقاقيع، تكثف من البخار ذلك الذي له مدى غليان السائل الموجود على هذه الصينية نفسه، أما المواد المواد الخفيفة التي قد تكون مختلطة بالسائل فإنها تنفصل على شكل مرة أخرى وتنتقل إلى الصينية التي تعلوها.ويمكن التحكم في درجة حرارة برج التجزئة بتمرير السائل الموجود في أسفل البرج، في فرن لغليه من جديد كما يمكن التحكم في درجة الحرارة أعلى البرج بإعادة دفع جزء معين من المنتج الذي يخرج من هذه المنطقة بعد تكثيفه وتسمى هذه العملية الارتداد. ومع أنه يتجمع على كل صينية من صواني برج التجزئة سائل له نقطة غليان تختلف قليلاً، فإن جزءاً معيناً من المنتج سوف يتكثف، رغم أن نقطة غليانه أقل من نقاط غليان معظم السائل المتجمع على الصينية، وعندئذ يتم سحب السائل من صواني خاصة إلى أعلى أبراج جانبية. وفي هذه الأبراج يفيض السائل مجتازاً عدداً قليلا من الصواني، بينما تطرد الأبخرة المتصاعدة المواد أقل كثافة وبذلك تتحدد نقطة غليان السائل المنتج، وتعود الهيدروكربونات التي تطرد بالغليان إلى البرج الرئيسي. وتجرى عملية التقطير في أنظمة تقطير مختلفة منها: أنظمة تقطير ذات مرحلة واحدة، أنظمة تقطير ذات مرحلتين، أنظمة تقطير نفط خام مع وحدة معالجة بالهيدروجين ومجزئ، ويمكن تصنيف المنتجات الرئيسة التي تأخذ من برج التقطير تحت الضغط الجوي إلى مايلي:
  • غازات : ميثان، إيثان، بروبان، بيوتان، بنتان.
  • مقطرات خفيفة: غاز البترول المسيل، إيثر بترولي، وقود سيارات، نفثا.
  • مقطرات متوسطة: كيروسين، زيت وقود، زيت غاز، مقطرات شمعية خفيفة.
  • مقطرات ثقيلة: ديزل، زيوت تشحيم.
  • بقايا: أسفلت، راتنجات، سوائل لزجة أو شبة صلبة.

• التقطير تحت الضغط المخلخل "التفريغي" أو الضغط المنخفض: تستخدم هذه العملية عند درجة حرارة أقل مت تلك التي تحدث فيها تفاعلات تكسير حراري أو تحطيم وتحت ضغط منخفض يتراوح بين 50 إلى 100 مم زئبق، وتسمح هذه الطريقة بتقطير المواد في درجة حرارة أقل من درجة غليانها، وتستخدم للحصول على نواتج أثقل من تلك التي يتم الحصول عليها في عملية التقطير تحت الضغط الجوي وتعتمد على نوع اللقيم وظروف التشغيل، وتستخدم لتجزئة زيت الوقود الثقيل "المازوت"، الناتج من عملية التقطير الابتدائي إلى بيتومين "أسفلت" و"قار" ومواد أخرى "سولار" و"مقطرات شمعية" وتستخدم أساساً في إنتاج الزيوت والشحوم، كما يمكن استخدامها في عمليات التكسير الحراري أو بالعوامل المساعدة (المحفزات). و يجب خفض درجة الحرارة اللازمة لتبخير أكبر جزء من زيت الوقود الثقيل للحصول على الأسفلت لأنه يمكن تخفيض نقطة غليان السائل بتخفيض الضغط الواقع عليه. وفي هذه الطريقة تستخدم أجهزة أو مضخات التفريغ للاحتفاظ بضغط منخفض، كما تستخدم مضخات لرفع الزيت خلال الفرن إلى برج التقطير تحت الضغط المنخفض. إذ أن التفريغ يحول دون سحب الزيت بالتدفق الطبيعي ويتحول الزيت إلى بخار الزيت وينساب الأسفلت إلى القاع حيث يقابله بخار ماء ذو درجة عالية، يتسبب في دفع ما قد يكون عالقاً بالإسفلت من مواد زيتية قليلة الكثافة إلى أعلى البرج. وتخرج الأجزاء ذات الكثافة المنخفضة من أعلى البرج على شكل بخار السوائل مختلطا ببخار الماء، ليمر على مكثف يكثفهما معا.ثم يدخل المزيج من السولار والبخار المتكثفين إلى برج الاسترجاع، فترد الأبخرة بسحبها بالمضخات إلى أعلى الصينية من صواني برج التجزئة. ويسحب الباقي باعتباره أحد المنتجات النهائية، ويتم سحب الغاز غير المكثف من أعلى البرج بواسطة مضخات التفريغ، وتسحب السوائل من برج التقطير على أبعاد مختلفة فيمرر كل سائل ببرج تثبيت لفصل المواد الخفيفة بالاستعانة ببخار الماء وإعادتها إلى البرج. أما الباقي فيبرد على حده، وهو أساساً السولار والمقطرات الشمعية التي تصبح المادة الخام لصناعة زيوت التزييت والشحومات، كما يمكن استخدامها في عمليات التكسير بالعوامل المساعدة ويتبقى "الاسفلت" في قاع البرج. ومن نواتجها زيت غاز ثقيل، وزيوت تشحيم خفيفة ومتوسطة وثقيلة، وشمع، وبيتومين، والأسفلت.
• تقطير الزيت الخفيف: تتم العملية لتثبيت المقطرات الخفيفة عن طريق فصل الغازات المذابة فيها وتجزئتها إلى أجزاء بدرجات غليان منخفضة، ويتضمن غاز التثبيت جزءاً كبيراً من المركبات الهيدروكربونية المحتوية على 3 أو 4 ذرات كربون (C4-C3) وهي تشكل مورداً خصباً للصناعات البتروكيميائية نظراً لاحتوائها على البروبلين والبيوتيلين. تتم هذه العملية في أعمدة تثبيت حيث تنتزع المركبات الهيدروكربونية من C1 إلى C4 ثم تجزأ هذه المكونات لاستعادة نواتج غاز البترول المسيل شكل (LPG).
• التقطير الآيزوتروبي: هي علمية فصل مكوني خليط من بعضهما البعض بحيث تكون درجة غليان الخليط مختلفة عن درجتي غليان المكونين النقيين وذلك بإضافة مذيب له درجة غليان أقل من درجة غليان المكونين النقيين. وينتج عن ذلك تكوين مزيج آخر مع أحد المكونين ليبقى المكون الآخر الذي يسهل فصله عن الخليط الأصلي بالتقطير، وهنالك نوعان من الخلائط الآزيوتروبية هما الخلائط المتجانسة التي تمتزج مكوناتها في الحالة السائلة والخلائط الغير متجانسة التي تنفصل مكوناتها إلى طبقتين غير ممزجتين عند تكثيف أبخرتها. وتتصف المذيبات المستخدمة في عملية التقطير الآيزوتروبي بالصفات التالية:
  • ذات درجات غليان أقل من درجة غليان جميع مكونات النظام.
  • غير فعالة تجاه مكونات النظام.
  • ذات انتقائية عالية.
  • لا تسبب تآكلاً للوحدات. ومن أمثلة المذيبات المستخدمة في عمليات الفصل المختلفة: الأسيتون، الغول، الميثيلي، الأسيتونتريل، ايثيلين جليكول، ثنائي ايثيلين جليكول، ثنائي ميثيل الفورم أميد، الفينول.
• التقطير الاستخلاصي: وهي عملية تستخدم لفصل مكونين أو أكثر من بعضهم البعض وذلك بواسطة مذيب يشبه أحد المذيبات المستخدمة في التقطير الأيزوتروبي ولكن له درجة غليان أعلى من درجات غليان المكونات النقية للمزيج، ومن أمثلة هذا النوع من التقطير فصل البيوتاديئين عن أجزاء C4 الناتج عن عملية التكسير الحراري أو عملية نزع الهيدروجين، وفصل الآيزوبنتان، والآيزوأميل، وفصل العطريات عن المركبات الهيدروكربونية المشبعة من نواتج عمليات التكسير الحراري والأجزاء الناتجة عن إعادة التشكيل الحفزي، كما يمكن بواسطته إجراء التنقية الانتقائية للزيوت من العطريات وتجزئة العطريات أحادية وثنائية الحلقة وغيرها من عمليات الفصل الآخرى.

الاستخلاص بالمذيبات

يتم الفصل فيها حسب النوع الكيميائي للجزيئات، مثل بارافينات، عطريات أو نافثينات. يدخل في نطاق هذه العملية إنتاج زيوت التزييت، إذ أن المقطرات الشمعية الناتجة من عمليات التقطير تحت الضغط المخلخل "التفريغي" التي يمكن الحصول عليها من مستويات مختلفة من البرج، يمكن معالجتها لإنتاج زيوت التزييت. وكذلك بالنسبة للمتبقي في قاع البرج، وكل ذلك يتم في حالة معالجة الخامات البارافينية. فهذه المقطرات تشكل المواد الأولية اللازمة لإنتاج زيوت التزييت الخفيفة والمتوسطة والثقيلة. كما يعد المتبقي في قاع البرج المادة الأولية لإنتاج الزيوت المتبقية. ومن الضروري إن تكون هذه الزيوت على درجة عالية من النقاء. وأن تتوفر فيها المواصفات القياسية العالمية نظرا لدورها الخطير في كافة الاستخدامات. ولتحقيق ذلك يلزم معالجة المقطرات الشمعية والمتبقي باستخدام مذيبات خاصة لاستخلاص الشوائب من زيوت التزييت.

التنقية

عبارة عن عمليات فصل فيزيائية تهدف للحصول على منتجات ذات نوعية جيدة، ومن أمثلة تلك العمليات التنقية بالمذيبات والتنقية بالإدمصاص وفيما يلي شرح موجز لكل منهما :

• التنقية بالمذيبات: تعتمد هذه الطريقة على اختلاف درجة ذوبان مجموعات المركبات الهيدروكربونية في المذيبات القطبية المختلفة وذلك حسب نسبة المشتق البترولي إلى المادة المذيبة، ودرجة الحرارة، وطبيعة المذاب، وبنية المركب الهيدروكربوني. وتستخدم هذه العملية لنزع العطريات والأوليفينات من المنتجات البترولية المعدة لإنتاج زيوت التزييت، واستخلاص العطريات من نواتج عمليات إعادة التشكيل وإضافتها إلى وقود السيارات لرفع عدد الأوكتان أو استخدامها كمواد أولية في الصناعات البتروكيميائية. كما تستخدم هذه الطريقة لتجزئة الاسفلتينات والمخلفات البترولية، وتنقية زيوت التزييت من العطريات الثقيلة، ومن أهم المذيبات المستخدمة والشائعة في هذه العملية: الفورفورال، الفينول، ثنائي كلوروإيثيل الإيثر، النتروبنزين، الإيثيلين جليكول.
• التنقية بالإدمصاص: هي عملية فصل فيزيائية يتم فيها دخول بعض جزيئات المادة (سائل-غاز) داخل البنية الشبكية لمادة الإدمصاص بينما تطرد الجزيئات الأخرى للخارج، وتعتمد فعاليتها على حجم مسامات سطحها. وفي مجال تنقية المشتقات البترولية يمكن استخدام مواد صلبة ذات مسامية عالية كالسيليكا جل، لفصل العطريات عن الهيدروكربونات، الفحم الحيواني، المنشط لإزالة المكونات السائلة من المكونات الغازية. ومن مواد الادمصاص الاخرى الماخل الجزيئية والزيولايت، وهي مواد ذات طبيعة انتقائية تستخدم لفصل البرافينات النظامية عن وقود السيارات بغية رفع العدد الأوكتاني له.

التبريد

تشمل عمليات التبريد مايلي :

• فصل "فرز"الغازات: يدخل في نطاق عمليات التبريدالتي تعد واحدة من عمليات الفصل المستخدمة في صناعة التكرير –عملية "فرز" الغازات الناتجة من عمليتي التكسير الحراري والتكسير بالعوامل المساعدة في معامل التكرير.و تعد هذه الغازات من أهم المصادر والمواد الأولية اللازمة للصناعة البتروكيمياوية، والمصدر الآخر هو الغاز الطبيعي الذي يستخرج من بعض الآبار.
• تثبيت البنزين: يؤدي تخزين البنزين في الأجواء الحارة إلى تبخر البروبان والبوتان الذين يحتويهما البنزين، وذلك لانخفاض درجة حرارتهما.يتم فصل هاذين الغازين وتعبئتهما في أسطوانات تحت ضغط مرتفع بحيث يتم الاحتفاظ بهما في شكل سائل، ويستخدم البيوتان وقودا في الأجهزة المنزلية، تتم هذه العملية في أبراج تعمل بطريقة تشبه تماما أي برج آخر للتجزئة، إلا أنها تعمل تحت ضغوط عالية لكي يبقى السائل المرتد في حالة السيولة دائما.
• العدد الأكتاني للبنزين"وقود السيارات":تعد الخواص المانعة للثبات التفجيري أحد البارامترات الأساسية التي تحدد جودة الوقود الناتج من النفط، والمخصص لمحركات الاحتراق الداخلي للشرارة الكهربائية. ويطلق اسم العدد الأكتاني للوقود على دليل ثباته التفجيري ويجري تقدير الخواص التفجيرية للوقود في المحرك بواسطة مقارنة الوقود المطلوب دراسته مع وقود آخر قياسي، والوقودان القياسيان هما :
  • الأيزوأوكتان(2-2-4-ثلاثي مثيل بنتان):عدده الأكتاني يساوي 100،وذلك لأنه قليل التفجير.
  • الهبتان العادي:سهل التفجروعدده الأكتاني معدوم، أما العدد الأكتاني لمخاليط الأيزوأوكتان والهبتان العادي يكون مداه من الصفر إلى 100.

• العدد الأكتاني للوقود:يساوي عدديا النسبة المئوية"بالحجم" للأيزوأكتان في مخلوطه مع الهبتان العادي التي يكون عندها الثبات التفجيري لهذا المخلوط مساويا للثبات التفجيري للوقود الجاري اختباره.
• العدد السيتاني لوقود الديزل:يشتعل الوقود في ماكينات الديزل بالانضغاط، ويستخدم لها قطفات من وقود الديزل مدى غليانه من 180-360°م، ويعد العدد السيتاني الدليل الذي يبين ميل وقود الديزل إلى الاشتعال العفوي بالانضغاط عن طريق مقارنة اشتعالية الوقود المختبر باشتعالية مخلوط من وقودين قياسيينهما:
  • السيتان:عدده السيتاني يساي100.
  • هيدروكربون أروماتي:عدده السيتاني معدوم.