نمکزدایی

شرکت توسعه انرژی خاورمیانه با انجام سه پروژه ملی نمکزدایی برای کارفرمای مناطق نفت خیز جنوب به شرح زیر:

– احداث واحد نمکزدایی هفتکل نفت سفید (۶۹۹۲-۷۳-۵۳)

– احداث واحد نمکزدائی گچساران ۳(۶۵۲۱-۷۳-۵۳)

– مطالعات مهندسی مقدماتی و تهیه بسته مهندسی FEEDجهت احداث واحد نمکزدایی گچساران ۴ (۱۲۵۳-۷۱-۵۳)

 همچنین انجام مطالعات و آزمایشات متعدد در زمینه نمکزدایی از نفت خام در مرکز تحقیقاتی خود دارای تجارب ارزنده در انجام این پروژه ها می باشد.

به همراه نفت­ خام اکثرا مقداری آب بصورت امولسیون شده وجود دارد که این آب می­بایست از نفت خام جدا شود. بیشتر آب­ همراه نفت خام حاوی نمک­هایی هستند که باعث ایجاد مشکل در فرآیندهای پالایش می­شوند.

نفت خام اکثرا حاوی کلریدهای سدیم و منیزیم، اندکی سولفات، سیلیس و اکسیدهای آهن می­باشند و حتی اگر در خروج از مخازن نیز دارای این ترکیبات نباشند، در طول حمل و نقل به ویژه با کشتی­ها، این املاح وارد نفت خام می­شوند.

بیشترین کلرید موجود، کلرید سدیم (NaCl) می­باشد. کلریدهای کلسیم و منیزیم در مرتبه­ی بعد قرار می گیرند. این نمک­ها عملا در تمام آب­های همراه نفت خام یافت می­شوند. نمک­ها به ندرت در نفت خام (فاز آلی) حضور دارند، اما اگر در این حالت نیز وجود داشته باشند به صورت معلق و نه حل شده وجود دارند.

تقریبا در تمامی موارد، نمک موجود در نفت خام بصورت نمک حل شده در قطرات کوچک آب پخش شده در نفت خام می­باشد. کلریدها و سولفات­ها به حالت محلول در قطره­های کوچک آب معلق در نفت خام وجود دارند. مقدار املاح متفاوت است و بطور مثال در نفت­های خاورمیانه حدود ppm 12 بوده، در حالیکه در مورد نفت­ ایران به ppm 300000  می­رسد.

به دلیل مشکلات ناشی از حضور نمک­ها، بیشتر پالایشگاه­ها، نفت خامی را که بین ۱۰ تا ۲۰ پوند در هر ۱۰۰۰ بشکه نمک دارد را خریداری نموده و سپس آن را تا ۵  پوند در هر ۱۰۰۰ بشکه قبل از آنکه به واحد تقطیر فرستاده شود، نمک­زدایی می­کنند.

چنانچه میزان املاح موجود در نفت خام از ۱۰ پوند (معادل ۵/۴ کیلوگرم) در هزار بشکه بر حسب کلرید سدیم (یعنی غلظتی در حدود mg/L 55/28( بیشتر باشد، باید نمک آن را نمک­زدایی کرد. بسیاری از پالایشگاه­ها برای کمتر از این میزان نیز اقدام به نمک­زدایی می­کنند زیرا رسوب نمک باعث جرم گرفتگی و خوردگی در تاسیسات و آلودگی کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیندهای مختلف پالایش می­شود.

اساس روش نمک­زدایی انحلال املاح موجود در نفت خام بوسیله­ی آب می­باشد. دشواری این روش در تهیه ی مخلوط موثر آب و نفت، مرطوب سازی ذرات جامد و جداسازی آب شست و شو از نفت خام می­باشد. عوامل مختلفی بر بازدهی فرآیند نمک­زدایی تاثیر داشته که از آن جمله می­توان به pH، چگالی و گرانروی نفت خام و نیز نسبت حجمی آب شست و شو به نفت خام اشاره نمود.

دلایل نمک­زدایی

مقدار نمک اهمیت ویژه­ای در ارتباط با خوردگی دارد، زمانی که نفت خام تقطیر می­شود نمک­های کلراید تجزیه شده و اسید کلریدریک تولید می­کنند که اثرات خورندگی شدیدی دارد.

نتایج کارهای تجربی نشان می­دهد که تشکیل اسید کلریدریک بصورت خطی با مقدار نمک­های کلراید موجود در نفت خام افزایش نمی­یابد. مقدار ppm 290 نمک در نفت خام تولید ۲۳ تا ppm 43 اسید کلریدریک می­نماید. بدلیل اثرات خورندگی ایجاد شده از مقادیر نسبتا کم نمک، هدف نمک­زدایی کاهش محتوای نمک به حداقل مقدار خود می­باشد. در بسیاری از پالایشگاه­ها نفت خام تا کمتر از ppm10 نمک­زدایی می­شود.

اثرات زیان­بار دیگری که می­تواند در اثر نمک­زدایی ناکافی ایجاد شود رسوب­گذاری و مسدود کردن مبدل­ها، لوله­های کوره و سینی­های پایین برج تقطیر است. کربنات­های کلسیم و منیزیم و سولفات­های کلسیم و استرنسیم بر روی سطوح تبادل حرارتی رسوب می­کنند. این رسوبات باعث کاهش ظرفیت حرارتی و بازده می­شوند.

وظیفه دیگر مخزن نمک­زدا حذف ناخالصی­هایی مانند شن، گل، اکسید آهن، سولفات آهن، آرسنیک و … از نفت خام می­باشد.

بعضی از فلزات که در ترکیبات غیر آلی حل شده در آب امولسیون شده با نفت خام وجود دارند، می­توانند باعث آلودگی و غیر فعال شدن کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیندهای مختلف کاتالیزوری پالایشگاه، مانند کراکینگ، رفرمینگ، آلکیلاسیون کاتالیزوری و … گردند.

برای مثال در فرآیند رفرمینگ کاتالیزوری که یکی از واحدهای اساسی هر پالایشگاه است و با هدف افزایش عدد اکتان بنزین­ها انجام می­شود، در ابتدا از کاتالیزورهای اکسید کرم، مولیبدن و کبالت استفاده می­شد ولی از سال ۱۹۴۹ کاتالیزورهای فعال­تر پلاتین بر روی پایه اسیدی بکار رفتند. این کاتالیزورها دو عاملی هستند یعنی هم فلز و عم پایه اسیدی در فعال­سازی واکنش­ها نقش موثر دارند. کاتالیزورهای تجاری معمولا حاوی ۳/۰ تا ۷/۰ درصد وزنی پلاتین می­باشند که بصورت ذرات بسیار ریز بر روی پایه پخش شده­اند. کاتالیزورهای رفرمینگ نسبت به ناخالصی­ها بسیار حساس بوده و مسموم می­شوند.

از جمله دیگر هدف­های فرآیند نمک­زدایی حذف ذرات جامد معلق مانند ذرات ماسه، رس، اکسید و سولید آهن و … درنفت خام است. در این مورد بر حسب اندازه­ی ذرات، درصد حذف باید بین ۶۰ یا بالاتر تا ۸۰% باشد.

شرح فرآیند نمک­زدایی

همانطور که گفته شد بطور معمول نمک به صورت محلول در آب وجود دارد و کریستال­های نمک فقط در تعداد کمی از نفت­های خام یافت می­شوند، مخزن نمک­زدا وظیفه دارد تا هم محلول­های آبی وهم کریستال­های نمک محلول در آب را حذف نماید.

میزان اختلاط نفت خام و آب شستشو توسط یگ شیر اختلاط کنترل می­شود. بعد از مخلوط شدن، آب شستشوی اضافه شده می­بایستی تا جایی که امکام دارد بطور کامل در مخزن نمک­زدا جدا شود. این کار را می­توان یا با روش الکتریکی و یا شیمیایی انجام داد.

در مخزن نمک­زدا امولسیون آب- روغن در معرض یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا قرار می­گیرد. این میدان لایه روغن اطراف قطرات آب منفرد را می­شکند تا امکان ترکیب تعدادی از قطرات آب را با یکدیگر فراهم نماید. قطرات آب بزرگتر شده با وزن مخصوص بالاتر به پایین مخزن نمک­زدا هدایت می­شوند و با جریان آب خارج می­شوند.

در مسیر جریان آب خروجی یک شیر قرار دارد که بطور مداوم توسط یک کنترل کننده­ی سطح (فصل) مشترک آب و نفت، کنترل می­شود. اندازه، پایداری و توزیع اجزای امولسیون بوسیله­ی وزن مخصوص، کشش سطحی، ناخالصی­های شیمیایی یا آلودگی­های موجود در نفت خام و آب، تعیین می­شوند. کنترل کننده­های سطح آب زمانی که  سطح آب از حد مجاز پایین­تر باشد هشدار می­دهند تا مانع خروج نفت خام به همراه پساب خروجی از نمک­زدا شوند. کنترل سطح آب با استفاده از یک شیر خودکار که در سر راه پساب خروجی قرار گرفته است انجام می­شود.

مخزن­های نمک­زدا از کربن استیل ساخته می­شوند و ابعاد آن­ها بر اساس عوامل مختلفی مانند ویژگی­های نفت خام مثل چگالی، گرانروی، محتوای آب و کلراید، شدت جریان نفت خام، فشار و دمای عملیاتی، کیفیت و کمیت آب فرآیند در دسترس و میزان عملکرد مورد نظر از نفت خام نمک­زدایی شده، تعیین می­شود.

موادی که بر روی سطح اثرگذارند مانند آسفالت، رزین­ها، واکس­ها، اجزای جامد، خاک رس یا اسیدهای آلی که در نفت خام وجود دارند، می­توانند بعنوان پایدارکننده­های امولسیون عمل نمایند. بنابراین نمک­زدا می­بایستی توانایی شکست پیچیده­ترین امولسیون­ها را داشته باشد. میزان نمک­زدایی به نحوه­ی طراحی نمک­زدا و شرایط عملیاتی وابسته است.

بطور نمونه نمک­زداهای الکتریکی ساخت شرکت پترولیت (نصب شده در پالایشگاه نفت تهران) دارای الکترودهای فولادی است که از مبدل­های (ترانسفورمرها) ولتاژ بالا تغذیه می­شوند. میدان متناوب ایجاد شده بین الکترودها، امولسیون نفت- آب را جدا می­نماید. آرایش الکترودها به گونه­ای است که امولسیون بطور یکپارچه بین آن­ها توزیع می­شود. بعد از خارج شدن نمک­های محلول در آب و ناخالصی­ها از نفت خام، فازهای آبی و آلی موجود بطور دقیق به دلیل شکل الکترودها از یکدیگر جدا می­شوند. بنابراین، نسبت آب شور در نفت خام خالص شده و در مقابل نسبت نفت خام در آب خروجی به یک میزان حداقل که از لحاظ اقتصادی منطقی است کاهش پیدا می­کند.

آب شستشو (آبی که ناخالصی کمی دارد)، در یک شیر اختلاط ویژه که آب را بصورت قطرات بسیار ریز در می­آورد داخل نفت خام پراکنده می­شود. اگر آب شستشو (آب فرآیند) اضافه نشود، قطرات آب موجود در نفت خام برای بهم پیوستگی کفایت نمی­کنند. اضافه کردن آب فرآیند، حجم آب کل در نفت خام را افزایش داده و اجازه می­دهد تا ناخالصی­ها از طریق فرآیند بهم پیوستگی الکترواستاتیکی قطرات آب جدا شوند.

ابن قطرات آب با بسیاری از اجزای ناخالصی محلول در آب مانند خاک رس و گل داخل نفت خام تماس پیدا می­کند. مخلوط آب و نفت به داخل مخزن نمک­زدا هدایت می­شوند که در آن مخلوط با سرعت بسیار بالا به داخل یک میدان الکتریکی وارد می­شود. میدان الکتریکی باعث جداسازی آب و نفت می­گردد. قطره­های آب فرآیند با قطرات آب شور ترکیب می­شود تا قطرات بزرگ­تری را ایجاد نمایند که از نفت خام توسط ولتاژ بالای میدان و نیروی جاذبه­ی زمین جدا می­شوند. این فرآیند بهم پیوستگی الکترواستاتیکی نامیده می­شود.

روش­های مختلف نمک­زدایی

دو روش متداول در نمک­زدایی از نفت خام عبارتند از:

جداسازی (نمک­زدایی) شیمیایی

جداسازی (نمک­زدایی) الکترواستاتیکی

البته روش سومی هم وجود دارد که در مقایسه با دو روش بالا از کاربرد کمتری برخور دار است:

فیلتر کردن نفت خام

در هر دو روش از آب داغ بعنوان عامل جداکننده استفاده می­شود. در جداسازی شیمیایی، آب و ماده فعال سطحی (دمولسیفایر) به نفت خام افزوده شده و سپس حرارت داده می­شود. در نتیجه نمک­ها و ناخالصی­های دیگر در آب حل شده و در یک تانک ته نشینی پس از مدت زمان مشخصی از نفت خام جدا می­شود.

روش موثرتر،

جداسازی الکترواستاتیکی است که در قسمت بعد بطور کامل شرح داده خواهد شد. در حالیکه امکان نمک­زدایی با اکثر روش­هایی که برای شکستن امولسیون­ها به کار می­رود وجود دارد، بیشتر سیستم­های نمک­زدایی از روش الکترواستاتیکی برای بدست آوردن کمترین مقدار آب در نفت و در نتیجه کاهش میزان آب رقیق کننده استفاده می­کنند.

در این روش از میدان الکتریکی با ولتاژ بالا بمنظور تسریع در بهم پیوستن قطرات و ته­نشین شدن آن­ها استفاده می­شود. در این روش دمولسیفایرها (امولسیون­زداها) تنها زمانی که نفت خام حاوی مقادیر زیادی ذرات جامد معلق باشد، اضافه می­شوند.

سومین و غیر متداول­ترین روش، فیلتر کردن نفت خام گرم شده با استفاده از خاک­های دی­اتمه می­باشد .

بررسی های انجام شده در شرکت توسعه انرژی خاورمیانه با دستگاه پایلوت ساخته شده در شرکت:

۱-تاثیر شرایط عملیاتی بر بازدهی فرآیند نمکزدایی

۲-اثر دما و شدت میدان الکتریکی

۳-بررسی تاثیر غلظت امولسیونزدا

۴-تاثیر میزان مقدار آب شستشو

۵-اثر ساختار ترکیب امولسیونزدا بر روی بازدهی نمکزدایی از نفت خام

۶-بررسی تاثیر امولسیونزدای نوع DA

۷-تاثیر امولسیونزداهای سری DB

۸-تاثیر امولسیونزداهای سری DC

۹-تاثیر ترکیب کمک کننده (Assistant) بر روی نمکزدایی نفت خام