پرش به محتواشرکت 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
