پالايش نفت

نفت خام را پس از انكه ازدل خاك بيرون آوردند با لوله ياكشتي و غيره به پالايشگاه حمل ميكنند تا درآنجا پالايش و به تركيبات مفيد و قابل استفاده تبديل شود زيرا نفت خام را به همان صورت اوليه نمي توان استفاده كرد .
همان طوري كه بيان شد نفت خام مخلوطي از هيدروكربورهاي مختلف بوده كه در ان مواد سبك مانند بنزين و مواد سنگين مانند قير وجود دارد كه در هم حل شده اند . براي استفاده بايد اين مواد از هم تفكيك گردند و به اين جهت لازم است كه عمل تفكيك پذيري روي نفت خام انجام گيرد .بعد از عمل تفكيك در مورد بعضي از فراورده ها ، جهت قابل استفاده شدن لازم است كه عمليات ثانويه روي آنها انجام گيرد .

براي هر يك از مراحل پالايش دستگاههاي خاصي لازم است ودركل عمل پالايش شامل سه مرحله اصلي مي باشد كه عبارتند از :تفكيك يا عمل جداسازي ،عمل تبديل و تصفيه .
قبل از پرداختن به هر يك از مراحل لازم است توضيحات مختصري در مورد بعضي تعاريف و قوانين داده شود .
– فاز: محيط يا قسمتي ازماده است كه تمام خصوصيات فيزيكي و شيميايي آن يكسان باشد.
– نقطه جوش : درجه حرارتي است كه مايع در ان درجه حرارت به حالت غليان در مي آيد و درهمه نقاط مولكولها مي خواهندبه فاز گاز وارد شوند .

– حالت تعادل : به حالتي از سيستم گفته مي شود كه خواص ماكروسكوپي آن مانند :
دما، فشار ، غلظت ، حجم و …در ان حالت ثابت باشد ، تعادل ديناميكي دارد و در اشل ميكروسكوپي تحولات دردو جهت با سرعت مساوي انجام مي گيرد.
– فشار بخار : در سيستم بسته روي سطح مايع در هر درجه حرارتي مقداري بخار مايع ايجاد مي شود كه اين بخار توليد فشار مي كند . وقتي كه بين فاز مايع و فازگازي تعادل برقرار گردد فشار ايجاد شده را فشار بخارمايع گويند كه تنها بستگي به دما دارد ودرهردمايي براي هر مايع مقداري ثابت است ودر صورت تغييرد ما مقدار ان نيز تغيير مي كند و رابطه آن به صورت زير مي باشد :

در اين رابطه P فشار بخار بر حسب اتمسفر t دما بر حسب درجه كلوين و آنتالپي تبخير مولي بر حسب ژول برمول و R ثابت گازها كه برابر ۳۱۴/۸ ژول بر درجه كلوين مول است .
در محدوده دمايي كه H 8 ثابت باشد رابطه زير كه به نام ( كلازيوس – كلاپيرون ) معروف است را خواهيم داشت :

فشار جزئي : در مورد مخلوط گازها ، فشاري را كه هر گاز وقتي كه به تنهايي تمام ظرف را اشغال كند فشار جزيي آن گاز گويند وبا نشان مي دهند مجموع فشارهاي جزئي گازها مساوي فشار كل سيستم است :
و
دراين روابط فشار كل و كسرمولي سازنده i مي باشد .
– محلول : به يك مخلوط يكنواخت و همگن محلول گويند كه داراي يك فاز مي باشد .

– محلول ايده آل : محلولي را گويند كه آنتالپي انحلال آن مساوي صفر باشد :
– تعادل فازها در محلول دوتايي : وقتي كه دو ماده را در هم حل مي كنيم در حالت كلي دو حالت اتفاق مي افتد :
۱- دو ماده در هر دو فاز سنگين و سبك ( به عنوان مثال ، حالت مايع و حالت گاز ) درهم حل
مي شوند .
۲- دو ماده در فاز سنگين نا محلول و در فاز سبك محلول هستند ( صرفا در فاز مايع نامحلول ودر فاز گاز محلول هستند . )
دروهله اول ، ما حالتي را در نظر مي گيريم كه هم در فاز سبك و هم در فاز سنگين محلول هستند و اشاره اي به روابط و قوانين موجود در اين شرايط مي كنيم .
وقتي كه مخلوط ايده آل ازدو مايع داشته باشيم ،در فاز بخار و بر اساس قانون دالتون خواهيم داشت :
و
و براساس قانون رائولت ، فشار بخار هر سازنده از روي غلظت آن در فاز مايع مساوي است با :

در اين رابطه فشار بخار جسم A در فازي گازي ، فشار بخار خالص جسم A و كسر مولي در فاز مايع و كسرمولي در فاز بخار است .
از مجموع اين دو رابطه خواهيم داشت :

در مخلوطهاي دو تايي ايده آل در حالت تعادل بين مايع و بخار خواهيم داشت :
و
در اين رابطه k ضريب تعادل و x1 و x2 جز مولي اجزا ۱و۲ در فاز مايع و Y1,Y2
جز مولي اجزا ۱و۲ در فاز بخار مي باشد و هميشه در مورد آنها داريم :
و
نسبت فشار خالص دو جسم را ضريب فرايت گويند كه معادل است با :

عوامل تغيير كننده در مخلوطهاي دو تايي
عوامل تغيير كننده در مخلوطهاي دو تايي عبارتند از دما T ، فشار p و تركيب مخلوط c يا همان x براي نمايش تغييرات پارامترها بر روي صفحه وبررسي اثر آنها در روي فازها معمولا دو پارامتر درنظر گرفته مي شود و بقيه پارمترها ثابت مي مانند .
در مخلوطهاي دو تايي كه از قانون رائولت پيروي مي كنند ، يعني اينكه آنتالپي انحلال مساوي صفر است ، محلول ايده ال است و خواهيم داشت :

دراين رابطه فشار بخار جسم A در روي محلول و فشار بخار همان جسم بصورت خالص و كسر مولي ان در فاز مايع است .
تغييرات فشار بخار بر حسب تركيب ( شكل ۱و۲ ) و تغييرات درجه حرارت و نقطه جوش بر حسب تركيب ( شكل ۲-۲) و منحني تعادل كسر مولي در فاز X ودر فاز بخار y ( شكل ۳-۲) و منحني فشار بر حسب درجه حرارت درتركيب ثابت ( شكل ۴-۲) به صورت زير مي باشد :

انحراف از محلول ايده آل :
درمواردي كه گرماي انحلال مساوي صفر نباشد ، از قانون رائولت پيروي نمي كند و نسبت به آن انحراف نشان ميدهد . حال اگر گرماي انحلال منفي باشد ، گويند انحراف منفي است و منحني ها در زير منحني ها در زير منحني هاي رائولت قرار مي گيرد و منحني هاي مربوط به تغييرات نقاط جوش و حرارت بر حسب تركيب ( شكل ۵-۲) و تغييرات فشار بخار بر حسب تركيب ( شكل ۶-۲) به قرار زير باشد :
در حالتي كه آنتالپي انحلال مثبت باشد ، گويند كه انحراف مثبت استو منحني هاي رائولت قرار مي گيرد ، تغييرات مربوط به اين حالت بصورت منحني هاي شكل ( ۷-۲) و شكل( ۸-۲) مي باشند .
در مواردي كه مواد در فاز سنگين تا محلول و در فاز سبك محلول باشند ، دياگرام حالت تعادل فازها ، متفاوت از قبلي است ولي از انجا كه خارج از بحث ما مي باشد ، توضيح بيشتر داده نمي شود و تنها به منحني تعادل آن اشاره مي گردد :

۹-۲ : دياگرام تعادل تركيب
درجه حرارت براي دو ماده در فاز
سنگين جامد ( s ) حل نمي شوند ودر فاز
سبك مايع ( L ) محلول هستند .

تعادل يك سيستم چند فازه بوسيله قاعده فازها مورد بررسي قرار مي گيرد و اين قاعده تغييرات ، يا تعداد فاكتورهاي مستقل را كه بدون تغيير تعداد فازها ، ميتوانند تغيير كنند معلوم مي سازد . اين قاعده بوسيله رابطه زير نشان داده مي شود :

دراين رابطه C درجه ازادي سيستم k تعداد سازنده سيستم و n تعداد پارامترهاي خارجي كه در روي تعادل موثر هستند و P تعداد فازها را مشخص مي كند . در حالت عمومي تعادل سيستم به سه فاكتور دما ، فشار ، تركيب بستگي دارد .در بيشترموارد يكي از اين فاكتورها ثابت نگه داشته مي شود و منحني براساس دو متغير رسم مي گردد .

جهت بررسي و نحوه استفاده از قانون فوق ، حالت تعادل بين موادي را كه هم در فاز سبك و هم در فاز سنگين حل ميشوند ، واز قانون رائولت پيروي مي كنند در نظر مي گيريم . ( شكل ۲-۲)
درهر نقطه از ناحيه L,G كه تنها يك فاز و يك تركيب معلوم x وجود دارد ،مقدار c بصورت زير محاسبه مي گردد .

بدين معني كه هر كدام از پارامترهاي دماوتركيب را مي توان مستقلا تغيير داد بدون اينكه تعداد فازها تغيير كند . در روي منحتي قسمت بالا كه تركيب فاز بخار را معلوم مي كند ، يا قسمت پايين كه تركيب فاز مايع را مشخص مي كند ، و نيز در ناحيه G+L مقدار c بصورت زير محاسبه مي گردد :

يعني اينكه يك متغير مستقل وجود دارد و پارامتر ديگر بستگي به اولي دارد و براي اينكه تغيير فاز صورت نگيرد لازم است كه با تغيير پارامتر اولي ، دومي نيز تغيير كند .
در نقاط كه نقاط جوش مواد خالص A,B هستند ، مقدار c مساوي است با :

يعني اينكه هيچ يك از پارامترها نمي توانند تغيير كنند و باتغيير هر كدام از انها ، تغيير فاز اتفاق خواهد افتاد
تفكيك SEPARATION
جدا كردن اجزا و سازنده هاي يك مخلوط را از هم تفكيك گويند كه دركل عملي فيزيكي است وبااستفاده از انتقال ماده از يك فاز به فاز ديگر انجام ميشود .
با توجه به نوع مخلوط چند روش براي تفكيك وجود دارد :
۱- تفكيك حرارتي : در اين روش از روي اختلاف در نقطه جوش يا اختلاف در نقطه انجماد مي توان با تغيير دادن درجه حرارت ، اجزا وسازنده ها را از هم جدا كرد ،وا ز يك فاز به فاز ديگر انتقال داد .مثل : عمل تقطير و تبلور .
۲- تفكيك به كمك ماده قابت : باافزودن حلال خاص يا ماده جذب كننده به مخلوط ميتوان اجزا مورد نظر را از فازي به فاز ديگرانتقال داد مثل : عمل استخراج با حلال ويا جذب سطحي .
۳- ساير روشهاي جدا سازي : در مورد مخلوطهاي ويژه روشهاي خاصي را مي توان بكار برد مانند جدا كردن مواد جامد معلق توسط صافيها و جدا كردن بعضي از مولكوها با استفاده از غربال مولكولي و غيره .
عمل تقطير در تمام صنايع شيمي بخصوص در صنعت نفت ، مورد است

فاده زيادي دارد و در اين ميان تقطير و استخراج بيش از ساير روشها كاربرد دارد .
تقطير مخلوط
تقطير روشي است كه جهت جدا كردن اجزا يك مخلوط از روي اختلاف نقطه جوش آنها استفاده ميشود و در حالت كلي بر چند نوع مي باشد :
۱- روش تقطير ساده غير مداوم
۲- روش تقطير ساده مداوم
۳- روش تقطير جز به جز غير مداوم
۴- روش تقطير جز به جزمداوم
۵- روش تقطير آبي

۶- روش تقطير در خلا
۷- روش تقطير به كمك بخار آب
تقطير ساده غير مداوم
در اين روش تقطير ، مخلوط حرارت داده ميشود تا بحال جوش در آيد . بخارهايي كه تشكيل مي شوند و غني از جز سيك مخلوط مي باشد پس از عبور از كندانسورها ( ميعان كننده ها ) تبديل به مايع شده از سيستم تقطير خارج مي گردند . به تدريج كه غلظت جز سنگين مخلوط درمايع باقي ماند ، زياد مي شود .نقطه جوش آن به تدريج بالا مي رود . به اين ترتيب درهر لحظه از عمل تقطير تركيب فاز بخار حاصل و مايع باقي مانده تغيير مي كند .
بيلان مواد به صورت زير است :
بيلان كل مواد : F=L+V
وي بيلان جز مواد :
F.X1=L.X1+V.XV
كه XV,X1,XF به ترتيب درصد جز سبك مخلوط در فاز ماع اوليه ، باقي مانده و بخار حاصل مي باشد .
تقطيرساده مقاوم
در اين روش مخلوط اوليه ( خوراك دستگاه ) بطور مداوم با مقدار ثابت در مقدار زمان در گرم كننده گرم ميشود تا مقداري از آن به صورت بخار در آيد و به محض ورود در ستون تقطير جز سبك مخلوط به صورت بخار از عبور از كندانسورها به صورت مايع در مي آيد .
جز سنگين نيز از ته ستون تقطير خارج مي شود قابل ذكراست كه هميشه جز سبك داراي مقداري جز سنگين و جز سنگين هميشه داراي مقداري جز سبك است . بيلان مواد بر اي واحدزمان به صورت زير است ، ( شكل ۱و۲)

تقطير جز به جز :
تقطير جز به جز مطابق شكل ( ۱۲-۲) در ستون تقطير سيني دارو يا پرشده انجام مي گيرد . به اين ترتيب كه بخارات حاصل شده از پايين به طرف بالاي ستون حركت مي كند و با فاز مايعي كه ازميعان بخارات قبلي كه در طول ستون توليد شده اند وبه طرف پايين جريان دارند ، در تماس مي باشد و به اين صورت تماس كامل بين فاز گاز و مايع برقرار مي شود .

درجه حرارت هر سيني از سيني پايين خود كمتر است و درستون تقطير دما از پايين به بالا كم مي گردد . بخارهايي كه نقطه ميعان انها مساوي درجه حرارت سيني باشد در روي آن سيني به مايع تبديل مي شود و روي آن جمع مي گردد و به روي سيني پاييني مي رود . در نتيجه آن عمل فاز بخار ، كه غني از جز سبك است از بالاي ستون خارج مي شود و فازمايع كه غني از جز سنگين است از پايين جمع آوري مي گردد .

بخارهاي خارج شده از قسمت بالاي ستون در كندانسورها به مايع تبديل شده به عنوان محصول جمع آوري مي گردد معمولا مقداري از اين مايع جمع آوري شده جهت كنترل دماي ستون تقطير به عنوان مايع برگشتي به داخل آن برمي گردد
قسمت بالاي ستون تقطير تا سيني كه خوراك روي آن مي ريزد به نام منطقه تفكيك ستون مي گويند و قسمت پايين ستون مربوط به خوراك را منطقه عريان كننده مي نامند .
بيلان كل مواد مساوي F=D+W بيلان جز مواد :
F.X1=D.XD+W.XW

تقطير آني
همانطوري كه مي دانيد وقتي نفت خام را حرارت مي دهيم اجزاي تشكيل دهنده آن به ترتيب كه سبكتر هستند زودتر بخار مي شوند .بر عكس وقتي بخواهيم اين بخارها را سرد و دوباره تبديل به مايع كنيم ، هر كدام كه سبكتر باشند ديرتر مايع مي گردد. با توجه به اين خاصيت ميتوانيم نفت خام را به روش ديگري كه به آن تقطير آني گويند، تقطير نماييم . در اين روش نفت خام را چنان حرارت ميدهيم كه آنا همه اجزاي آن تبديل به بخار گردد و سپس آنها را سرد مي كنيم تا مايع شود در اينجا بخارها به ترتيب سنگيني مايع مي شوند . يعني هر چه سنگين تر باشند زودتر مايع مي گردند .و بدين گونه اجزاي نفت خام را با ترتيب مايع شدن از هم جدا مي كنيم .
تقطير در خلا
با توجه به اينكه نقطه جوش مواد سنگين نفتي نسبتا بالا است ونياز به دما وانرژي بيشتري دارد و ازطرف ديگر مقاومت اين مواد در مقابل حرارت بالا كمتر مي باشد و زود تجزيه مي شود لذا براي جدا كردن آنها از خلا نسبي استفاده ميشود در اين صورت مواد در دماي پاين تر از نقطه جوش معمولي خود بجوش مي آيند . درنتيجه تقطير در خلا دو فايده دارد : اول اين كه به انرژي ودماي كمتري نياز دارد .
دوم اينكه مولكولها تجزيه نمي شوند . امروز در بيشتر موارد در عمل تقطير از خلا استفاده مي شود يعني اينكه هم تقطير جز به جز و هم تقطير آني را در خلا انجام مي دهند .
تقطير به كمك بخار آب

يكي ديگر از طرق تقطير آن است كه بخار آب را در دستگاه تقطير وارد مي كنند . در اين صورت بي آن كه خلاء اي ايجاد گردد ، اجزاي نفت خام در درجه حرارت كمتري تبخير مي شوند . اين مورد معمولا در زماني انجام مي شود كه در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجراي جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
نوع ديگري از تقطير وجود دارد كه معمولا در مواردي كه نقطه جوش اجزا مخلوط بهم نزديك باشند از آن استفاده مي شود ،تقطير آزئوتروپي د راين روش از حلال خاصي جهت تشكيل آزئوتروپ با بعضي از اجزا به سيستم وارد مي كنند .

برج هاي مورد استفاده در صنعت نفت
برجها يكي از وسايل اساسي و بسيارمهم در پالايش نفت مي باشند كه بدون وجود انها نفكيك و جداسازي فرآورده هاي نفتي غير ممكن است .
در پالايشگاهها از انواع برجها استفاده ميشود كه از لحاظ شكل ظاهري به يكي از اشكال زير ساخته مي شوند :

علت تغيير قطر در برجها براي ثابت نگه داشتن سرعت بخار جاري در انها است .
مثال : چون مقدار حجمي جريان در مقاطع برج برابر نمي باشد لذا مقدار حجم گازي كه صعود مي كند و يا مايعي كه كه نزول مي كند مساوي است با حاصلضرب سرعت در سطح مقطع قسمت مربوطه و فرمول كلي آن چنين است :
Q2=V2.S2 و Q1=V1.S1
چون در اثر اختلاف دما وافت فشار مقداري ازگاز به مايع تبديل مي شود ،لذا مقدار حجمي Q2 كمتر از Q1 مي گردد و چون سرعت بايد ثابت بماند بنابراين سطح مقطع تغيير مي كند .
براي مثال اگر Q1 برابر ۲۰۰ فوت مكعب در ثانيه و Q2 برابر ۱۵۰ فوت مكعب در ثانيه وسرعت برابر ۱۰ فوت در ثانيه باشند ، سطح مقطع قاعده در هر قسمت مساوي است با :

انواع برجها :
برجها به طور كلي به دو دسته تقسيم مي شوند :
۱- برجهاي انباشته شده يا پر شده ۲- برجهاي سينس دار
برجهاي انباشته يا پر شده :
در برجهاي انباشته كه معمولا به صورت استوانه ساخته ميشود براي ايجاد حداكثر

ين وسيله باردهي برج را افزايش مي دهند .
پر كردن برج بدو طريق صورت مي گيرد ؛ الف : طريق منظم و چيده شده ، و ب ‌: طريق نا منظم و ريخته شده . براي پر كردن برج معمولا ازمواد زير استفاده ميشود :
۱- استوانه هاي فلزي ، چيني يا سفالي ( مانند برج كاستيك در واحد گاز مايع كه داراي استوانه هاي سفالي است . )
۲- گلوله هاي سراميك ، سفالي يا چيني ( مانند رآكتورها ، كه در بستر كاتاليست مقداري گلوله هيا سراميك قرار داده مي شود . )
۳- زين اسبي سفالي يا پلاستيكي( مانند برج جذب C02 در واحد هيدروژن ، كه داراي زين اسبي پلاستيكي مي باشد )
برج هاي سيني دار :
اين برجها داراي سيني هستند كه به فواصل معين در داخل برج نصب مي شوند .سيني هاي متداول در صنعت نفت عبارتند از سيني هاي زير :
۱- سيني كلاهك دار
۲- سيني غربالي يا سوراخ دار
۳- سيني دريچه دار
۴- سيني دودكشي