عمليات تكرير النفط

مصفاة أناكورتس (تسورو)، على الطرف الشمالي من مارش پوينت، شمال شرق أناكورتس، واشنطن.

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.

يصاحب النفط أثناء خروجه من الآبار غازات وأملاح ومياه وشوائب ميكانيكية "رمال وطين" في بعض الأحيان، ولذا يجب فصل هذه الأمور 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 مستونادىت 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 ماقد يكون مستحلبات ثابتة مع البترول صعبة الفصل، خصوصًا خلال عمليات الضخ والنقل في أنابيب بسرعة كبيرة ممايصعب التخلص منه.

تتم تجزئة منتجاة النفط تبعاً لدرجات غليانها، وتعتمد على فصل أجزاء النفط بعضها عن بعض على اختلاف صفاتها الفيزيائية. فالمعروف حتى النفط يتألف من مزيج معقد من عدد كبير من المواد التي يمكن تجزئتها في عمليات فصل فيزيائية مختلفة إلى مكونات نقية إلى عدة أجزاء ومنتجات تسمى عمليات التصفية (التقطير)، التي تعتمد على مراحل تكنولوجية في التصنيع بدءاً من منتجات ضغط البخار بدرجات حرارة ثابتة ومنتجات الغليان بضغط ثابت، وأساليب فصل المزيج بتيارٍ متساوٍ وتيار متعاكس وتعيين نسبة الارتداد وعدد السطوح النظرية، وبسبب تعقيد هجريب النفط يعتمد بناء وحدات التصفية (ASTM) بأسلوب الحساب التقريبي لأبراج التقطير .

منحنيات غليان حقيقية

إذ يأخذ منحني الغليان المنحى الحقيقي الناتج من تقطير المنتج النفطي تحت شروط قاسية، ويجزأ إلى عدد من الأجزاء الضيقة تعهد بالمكونات الزائفة .

تجزئة مزيج من عدة مواد إلى مكونات زائفة V3,V2,V1 درجات الغليان الوسطى للمكونات الزائفة 1و2و3

إذ تُعين درجات الغليان الوسطى والكثافات والكتل الجزئية النسبية لتلك الأجزاء أوتحسب بالطرائق المخبرية. عند فصل أجزاء النفط المتنوعة يتوجب تتطابق نقطة نهاية منحني الغليان الحقيقي للجزء الأخف مع نقطة بداية الغليان للجزء الأثقل .

منحنيات نقطة غليان حقيقية لأجزاء نفطية متجاورة

وإن الفصل الجيد بين الأجزاء يحتاج عدداً كبيراً من صواني التقطير، وعند تقويم شدة فصل برج التقطير تؤخذ من منحني الغليان بين النقطة 95% للجزء الخفيف والنقطة 5% للجزء الثقيل التالي، يمكن حتى يوجد تداخل (ناتج من تجزئة رديئة) أوفجوة غليان .

منحنيات غليان الأجزاء النفطية (منحني غليان ASTM)

عملية التقطير

Crude oil is separated into fractions by fractional distillation. The fractions at the top of the fractionating column have lower boiling points than the fractions at the bottom. The heavy bottom fractions are often cracked into lighter, more useful products. All of the fractions are processed further in other refining units.

المنتجات الرئيسية

خطوات التصفية المشهجرة

الرسم التخطيطي لتدفق نموذجي لمصفاة نفط

Schematic flow diagram of a typical oil refinery

منتجات نهائية متخصصة

Sarnia, Ontario is a major Great Lakes refining area for Shell, Imperial Oil, ExxonMobil, Suncor Energy, Dow Chemicals, Bayer, and others.

أجهزة تقطير النفط

تحدد المواصفات الرئيسية للمنتجات النهائية، مثل مجال الغليان لمختلف أنواع الوقود، واللزوجة، ونقطة وميض زيوت التزليق، ونقطة فرز بقايا التقطير الثقيل، لتقطير النفط في أولى مراحل تصنيع النفط. وتتشابه أسس طرائق تقطير النفط الخام وتتألف من وحدات التقطير الرئيسية الآتية: المسخنات الأنبوبية، الأبراج التجزيئية، المعريات، المبادلات الحرارية، المكثفات والمبردات، المضخات وأنابيب الوصل، مستونادىت الجمع والتخزين، أجهزة القياس والضبط.

1- المسخنات الأنبوبية: يتألف المسخن الأنبوبي من مجموعة أنابيب موجودة في غرفة مبنية من الحجارة المقاومة لدرجات الحرارة العالية وغالباً ما تقسم غرف التسخين إلى منطقة الإشعاع radiation ومنطقة حمل الحرارة conveotion .

المسخن الأنبوبي

يتم التسخين إما بحرق زيت وإما غاز وقود. تعطي منطقة الإشعاع غازات احتراق حرارتها 5400 ْم يضخ النفط الخام (اللقيم) إلى المسخن الأنبوبي، ويدخل منطقة حمل الحرارة حيث يسخن تسخيناً أولياً بوساطة غازات الاحتراق الخارجية، ثم يدخل إلى منطقة الإشعاع فترتفع درجة حرارته وتصل إلى الدرجة المرغوبة، إذ يتلقى الحرارة من الأشعة مباشرة. وتضبط الحرارة بأخذ قسم من غازات الاحتراق وتبريدها ثم إعادتها إلى غرفة الاحتراق. وهناك أنواع كثيرة من المسخنات الأنبوبية تختلف باختلاف وضعية منطقة الإشعاع ومنطقة الحمل.

2- أبراج التجزئة: يتألف برج التجزئة من عدة طبقات تسمى صواني ولها أنابيب بخارية تحتوي على فتحات تسمح بخروج البخار، ويختلف عدد الصواني حسب نوع الفصل ونوع المادة. إذ يدخل اللقيم إلى الثلث السفلي لبرج التجزئة الوارد من مخرج المسخن الأنبوبي (الذي تبخر منه القسم الأكبر تحت الضغط الجوي) على شكل مزيج غاز مميع.

3- المعريات: وهي فواصل صغيرة مجهزة في أبراج التقطير للتخلص من المنتجات الخارجة من أبراج التقطير بوساطة البخار المحمص أومراحل إعادة الغليان .

المعريات

4- المبادلات الحرارية.

5- المكثفات والمبردات.

6- المضخات وأنابيب الوصل.

7- مستونادىت الجمع والتخزين.

8- أجهزة القياس والضبط.

تكرير المنتجات النهائية

مبدأ وحدة تقطير النفط الخام.

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 المستونادىت وزيوت الوقود المترسبة

أخرى

معظم هؤلاء المنتجات لا تنتج في مصافي النفط.

نفتا النفط الخاصة
المذيبا الخاصة
الكبريت وأحياناً حمض الكبريتيك
Petrochemical feed-stocks
الأسفلت والقطران
فحم الكوك النفطي
زيوت التشحيم
الشموع والشحم
زيوت المحولات والكابلات
أسود الكربون

تنقية المنتجات النفطية

هي فصل كيمياوي للمواد الضارة وغير المرغوب فيها من المنتجات النفطية من دون أي تغيير في بنية الفحوم الهدروجينية وطبيعتها. وتستخدم في تنقية المنتجات النفطية عدة طرائق للتخلص من المركبات والشوائب.

1- التنقية بوساطة الأسس: تعد طريقة بسيطة وقديمة، ويستخدم فيها محلول قلوي للتخلص من المواد والشوائب الحمضية كالحموض التفتينية، والحموض الدسمة، وكبريت الهدروجين، والمركبتانات، وأيضاً الحموض الكبريتية، وإسترات حمض الكبريت الناتجة من التنقية بحمض الكبريت ، والمركبات الفينولية الناتجة من عمليات التكسير. ولكن يصعب التخلص من المركبات ذات الحموضة الضعيفة كالمركبتانات التي تعطي مع المحاليل القلوية مركبتيدات ، لذا تستعمل كميات كبيرة من الماء لغسل المواد المراد تنقيتها.

2- التنقية بوساطة حمض الكبريت المركز أوبحمض الكبريت الدخاني: تستخدم هذه الطريقة حمض الكبريت لقدرته على المماثرة والأكسدة والسلفنة وإذابة بعض المركبات والتخلص من التفاعلات الثانوية بتأثير أكسجين الهواء والحرارة والضوء والآزوت… ولكن من مضار هذه الكيفية تفاعل حمض الكبريت مع بعض مواد المنتجات النفطية التي يستحسن عدم ضياعها، إضافة إلى مضار اقتصادية، كتجمع المنتجات بعضها مع بعض معضلة قطراناً حمضياً. ويمكن التخلص منها بالحرق وبالحصول على ثالث أكسيد الكبريت ، وبالتالي على حمض الكبريت. إلا حتى هذه الطريقة معقدة تقنياً وغير ناجعة اقتصادياً.

3- التنقية بالامتزاز: اعتمدت كيفية التنقية بالامتزاز على أجسام لها مساحات سطحية كبيرة كالفحم الخشبي وفحم العظام والغضار، وتستخدم هذه الطريقة اليوم السطوح الخارجية للتربة «كالسيليكاجيل» أوجيل من هدروكسيد الحديد بأساليب تقنية متطورة لامتزاز المركبات ذات الوزن الجزيئي الكبير والميالة إلى التأكسد الذاتي أوالبلمرة التي تسبب تشكل الصموغ.

4- طرائق خاصة للتنقية: تعمل هذه الطرائق على تنقية المنتجات النفطية من الشوائب، ومنها المركبات الكبريتية التي تعتمد على تنقية المنتج (الغازولين مثلاً) من كبريت الهدروجين الذائب بمحلول قلوي، وغسله بمحلول قلوي ممزوج بمادة أخرى كالميتانول، لتسهيل ذوبان المركبتيدات القلوية.

وبعد فصل الغازولين النقي عن المحلول يجدد المحلول بأسلوبين:

أ- بالحلمهة عن طريق النفخ المباشر لبخار الماء

كطريقة استخلاص ميروكس .Merox

ب- بالأكسدة عن طريق الهواء بوجود وسيط ينتج ثنائي ماءات الصوديوم

ويفصل ثنائي الكبريت عن المحلول المائي القلوي عند غسله بالزيت كطريقة ميروكس.

5- التنقية بالاستخلاص بوساطة المذيبات: تستخدم هذه الطريقة للتخلص من القطران الحمضي باستعمال مادة مذيبة رخيصة الثمن ذات انتقائية عالية مثل طريقة إيدلانوEdeleanu التي أوجدها العالم الروماني إيدلانوعام 1906م، والتي تعتمد على تنقية المنتجات النفطية بثنائي أكسيد الكبريت السائل بصفته محلاً شديد الانتقائية لإزاحة الفحوم الهدروجينية العطرية والصموغ والكبريت ومكونات اللون والأوليفينات إضافة إلى تحسين لزوجة المواد المنقاة بزيادة قرينة لزوجتها. وقد تطورت طرائق التنقية بمذيبات أخرى كالفورفورال ، والفينول، نوتروالبنزن، والكريزول، والكلوروكس (B, B- ثنائي كلور ثنائي إيتل الإيتر)، ومزيج البروبان والكريزول أوالبروبان والفينول (طريقة دوسول Duosol)، ومزيج الماء والغليكول (طريقة أودكس Udex) وأحادي ميتيل الفورم أميد (طريقة موفكس Mofex).

نزع الشمع (البارافين) :dewaxing

الشمع فحوم هدروجينية بارافينية كبيرة الجزئ قد تصل نسبتها حتى 12./. من النفط الخام، أوهي بارافينات غير نظامية متجمعة في بقايا التقطير، أومعضلة في أجزاء زيوت التزليق، ويتم الحصول على شمع البارافين بإذابة اللقيم الحاوية على الشمع المسخن في كمية كبيرة من مذيب مناسب (مزيج الأسيتون والبنزين أوالميتل إيتل كيتون والبنزن والبروبان السائل أوالبولة) أوباستخدام فحوم هدروجينية مكلورة. يبرد المزيج تدريجياً، ويفصل الشمع بعد ترسبه. يتميز شمع البارافين بأهمية صناعية كصناعة الشموع، وتشميع الورق وعيدان الثقاب ومواد التجميل.

نزع الإسفلت :deasphalting

تتألف بقايا التقطير منخفض الضغط من مركبات بارافينية ضخمة الجزئ وأجزاء من الزيت الناصع bright lock والحُمّر (البيتومين bitumen)، وتعد أجزاء الزيوت الناصعة مصدراً أساسياً لزيوت التزليق التي تعاني عند تنقيتها باستخدام حمض الكبريت تشكل القطران الحمضي، الذي يؤثر سلباً في نوعية الزيوت وجودتها، ويمكن إذابة الفحوم الهدروجينية بالزيوت لترسيب البقايا الإسفلتية (البيتومين) لانخفاض درجة غليانها، وإن أفضل طريقة لفصل البقايا البيتومينية عن الزيوت باستخدام البروبان السائل.

مواقع العثور على معامل تكرير البترول

السلامة والاهتمامات البيئية

Fire at Union Oil refinery, Wilmington, California, 1951

MiRO refinery at Karlsruhe

مشاكل التآكل والوقاية

التاريخ

تكرير النفط في الولايات المتحدة

انظرأيضاً

Storage tanks and towers at Shell Puget Sound Refinery (Shell Oil Company), Anacortes, Washington

Acid gas
AP 42 Compilation of Air Pollutant Emission Factors
API oil-water separator
Ethanol fuel
Gas flare
Industrial wastewater treatment
K factor crude oil refining
قائمة مصافي النفط
Nelson complexity index
Sour gas

المصادر

^ Gary, J.H. and Handwerk, G.E. (1984). Petroleum Refining Technology and Economics (2nd Edition ed.). Marcel Dekker, Inc. ISBN 978-0-8247-7150-8.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text (link)
^ Leffler, W.L. (1985). Petroleum refining for the nontechnical person (2nd Edition ed.). PennWell Books. ISBN 978-0-87814-280-4.CS1 maint: extra text (link)
^ James G, Speight (2006). The Chemistry and Technology of Petroleum (Fourth Edition ed.). CRC Press. 0-8493-9067-2.CS1 maint: extra text (link)
^ المهندسة تولين. "عمليات معالجة النفط الخام". مسقط النفط والغاز الطبيعي العربي. Retrieved 2012-11-12.
^ النفط (تصفية-), الموسوعة العربية

وصلات خارجية

Interactive map of UK refineries
Searchable United States Refinery Map
Complete, detailed refinery description
Ecomuseum Bergslagen - history of Oljeön, Sweden
Fueling Profits: Report on Industry Consolidation (publication of the Consumer Federation of America)
Price Spikes, Excess Profits and Excuses (publication of the Consumer Federation of America)
Basics of Oil Refining Overview of crude oil refining process
Refining NZ Learning Centre Oil Refinery Process Animations,Videos & 360 Degree Views