معرفي فرآيندهاي توليد روغن پايه مرغوب

[محمــد 4415]

موتورهاي جديد براي کارکرد بهتر با کمترين ميزان توليد آلاينده ها و کمترين ميزان اتلاف سوخت به روغن هايي با کارايي بسيار بالا نياز دارند. توليدکنندگان روغن براي رسيدن به اين منظور از روغن هاي گروه2 و3 با انديس گرانروي (VI) بالا، قابليت اشباع بسيار بالا و سولفور بسيار پايين استفاده مي کنند. طبق تقسيم بندي API ، روغن هاي پايه براساس مشخصات فيزيکي آنها در4 گروه، مطابق جدول1 طبقه بندي مي شود. دراين جدول مشخصات فيزيکي و شيميايي روغن هاي طبقه بندي شده API به همراه ترکيبات، فرايندهاي توليد آنها و شرکت هاي صاحب تکنولوژي اين فرايندها آمده است.

همانطور که ملاحظه مي شود با افزايش شماره گروه استاندارد روغن، شاخص گرانروي روغن هم افزايش مي يابد. به غير از روغن هاي گروه1 که از روش استخراج با حلال به دست مي آيند روغن هاي گروه هاي ديگر همگي از روش هاي کاتاليستي با تلفيقي از روش هاي استخراج با حلال و روش هاي کاتاليستي، حاصل مي شوند.

امروزه نيمي از بازار روانکارها به روغن هاي پايه پارافيني اختصاص يافته است. در آمريکاي شمالي بسياري از کارخانه هاي گروه1 به واحد توليدي روغن هاي پايه گروه2 تبديل شده اند و يا به سمت تعطيلي پيش رفته اند.

اين تحولات بيشتر از5 سال طول نخواهد کشيد. بازار جهاني مربوط به روغن هاي پايه گروه هاي2 و3 از حدود11 درصد در سال1995 به حدود23 درصد در سال2002 رشد يافته است.

براساس برنامه ريزي ها، پيش بيني مي شود که اين رشد به32 درصد تا سال2006 برسد که اين امر رشد قابل توجهي براي صنايع پالايشي در يک دوره11 ساله است.

1- فرايندهاي توليد روغن هاي پايه2و3 (روغن هاي پايه مرغوب)

در اين مقاله به فرايندهاي توليد روغن هاي پايه گروه2و3 با کيفيت بالا اشاره شده است و در ادامه به شرح قسمت هاي مختلف اين فرايند پرداخته خواهد شد.

فرايند هايدرو کراکينگ

اين فرايند جايگزين فرايند استخراج با حلال مي شود. دراين روش از طريق هيدروژندار کردن ترکيبات پلي آروماتيکي روغن به ترکيبات حلقوي پلي نفتني و شکستن حلقه هاي پلي نفتني به نرمال پارافين ها و ايزومريزاسيون نرمال پارافين ها در دماها و فشارهاي بالا، شاخص گرانروي منبع خوراک روغن افزايش داده

مي شود. بسته به نوع نفت خام، منبع خوراک مي تواند به VI ا100 تا125 و گاهي به بزرگي130 ارتقا يابد. دراين فرايند بخش عمده گوگرد و نيتروژن و آروماتيکها حذف مي شود.

تجهيزات کليدي اين فرايند بايد براي فشارهاي تقريباً200 بار و دماهاي400 درجه سانتيگراد طراحي شود. به علاوه مقدار هيدروژن نسبتاً بالايي هم مورد نياز است. ميزان بازدهي مجموعه هاي توليد روغن به روش هايدروکراکينگ- هايدروتريتينگ، بسته به نوع نفت خام،10 تا40 درصد بيشتر از فرايندهاي قديمي استخراج با حلال است.

به تازگي تحقيقاتي نيز در زمينه الحاق تکنولوژي هاي پيشرفته هايدروتريتينگ به واحدهاي استخراج با حلال به منظور بهبود خواص روغن موتور توليدي انجام شده است که به اين فرايندها، فرايندهاي هايبريد (Hybrid) گفته مي شود.

در فرايند هايبريد با توجه به نوع خوراک اوليه يا بنا به نياز مي توان از هر يک از واحدها به تنهايي استفاده کرد به طوري که، براي برشهاي سبک فقط از واحد استخراج يا حلال اين فرايند استفاده کرد و به مرحله کاتاليستي نياز نيست. براي خوراک DAO حاصل از واحد آسفالتزدايي نيز مي توان فقط از واحد تبديل کاتاليستي و بدون مرحله استخراج با حلال استفاده کرد. در حالتي که خوراک DAO از نظر ترکيبات آروماتيکي و مواد نيتروژني غني باشد مي توان از دو مرحله فرايند هايبريد استفاده کرد.

 

 

 

 

 

در اين فرايند قسمتي از اکسترکت، جذب واحد تبديل کاتاليستي شده، به ترکيبات روغني تبديل مي شود. روغن هاي پايه اي که از اين فرايند (فرايند شل)به دست مي آيند، انديس گرانروي بالا و رنگ شفاف تري دارند و مقادير کربن باقيمانده کمتري نسبت به واحد استخراج با حلال موجود در فرايند دارند. فرايند هايبريد ظرفيت توليد روغن را که مي تواند از واحد استخراج با حلال به دست آيد به ميزان60-30 درصد افزايش مي دهد که با توجه به نوع خوراک و کيفيت روغن پايه در اين محدوده متغير است. در ضمن بازده محصولات جانبي حدود5 الي30 درصد خوراک اصلي و مقدار تقريبي آنها حدود15 درصد گاز،25 درصد بنزين و نفت سفيد و60 درصد نفت گاز است.

در اين فرايند با استفاده از کاتاليست هاي مخصوص مي توان محصولاتي با انديس گرانروي بالاتر از145 توليد کرد. به طوري که ترکيبات مومي (Slack Wax) با تبديل کاتاليستي اين فرايند و ايزومريزاسيون همراه با دو مرحله تقطير جزيي و واکسزدايي، به روغن هايي با انديس گرانروي خيلي بالا تبديل مي شوند که به طور عمده شامل ترکيبات ايزوپارافيني، مقادير جزيي از نفتن ها و حلقه هاي آروماتيکي به مقدار کمتر از0/3 درصد وزني هستند. خاصيت اين روغنها مشابه با روغن هاي سنتزي پلي آلفا الفينهاست که قابل مخلوط سازي با ساير روغنها براي بسياري از کاربردها هستند. از اين نوع روغنها براي توليد روغن هاي چند درجه اي باکيفيت بالا استفاده مي شود.

گزينه هاي مختلفي براي رسيدن به اين منظور وجود دارند که عبارتند از:

1- فرايند هايستارت (Hystart) که در آن کيفيت خوراک روغن (VGO) توسط عمليات هيدروژناسيون قبل از مرحله استخراج با حلال بهبود مي يابد.

2- فرايند آر.اچ. سي (RHC) که بر مبناي عمليات هيدروژناسيون بعد از مرحله استخراج با حلال است و هزينه هاي سرمايه گذاري را به طرز قابل توجهي کاهش مي دهد.

فرايند هايستارت

تصفيه هيدروژني خوراک واحد آروماتيک زدايي به روش حلال را فرايند هايستارت مي گويند. در اين روش اندازه واحد آروماتيک زدايي کوچکتر و ميزان محصول روغن بيشتر مي شود. در روش هايستارت مواد خالص يافته موم دار در يک هايدروتريتر (Hydrotreater) (گوگردگيري و نيتروژن گيري) قبل از مرحله پالايش با حلال با شدت ملايم (دماي340 تا370 درجه سانتيگراد و فشار جزيي هيدروژن بين50 و70 بار) فراوري مي شوند. ترکيبات سولفوري محصول جانبي واحد آروماتيک زدايي (اکسترکت) کم مي شود و نصب واحد تصفيه پاياني براي روغن پايه و يا واحد سولفورزدايي براي محصول جانبي اکسترکت مورد نياز نخواهد بود. اين فرايند براي پالايش کننده هايي که مجبورند نفت هاي خام فقير حاوي روغن هاي با ميزان بازدهي کم را فراوري کند، امتيازاتي دارد كه عبارتند از:

1- ميزان بازدهي روغن توليدي10 الي15 درصد افزايش مي يابد.

2- ميزان بازدهي در واحد موم گيري2 تا6 درصد افزايش مي يابد.

3- موجب يک کاهش کوچک در شدت چرخش حلال در واحدهاي پالايش با فورفورال يا ان.ام.پي NMP مي شود که اين امر باعث صرفه جويي در مصرف انرژي در اين واحد خواهد شد.

4- محصول مياني اکسترکت Extract توليد شده به صورت قابل توجهي سولفور اندک دارد (به خاطر60 تا80 درصد گوگردگيري) که اين امر اجازه مي دهد تا از محصول اکسترکت به عنوان يک برش اختلاطي در روغن هاي سوختي استفاده کنيم.

فرايند RHC

اين فرايند توسط شرکت اکسون مطالعه و براي اولين بار در سال1999 در بيتاون (Baytown) آمريکا به اجرا گذاشته شد. موفقيت اين طرح به اين خاطر است که با يک هزينه پايين حاصل از ترکيب اين فرايند و با يک واحد پالايش با حلال روغن، مي توان روغن پايه گروه يک را به روغن پايه گروه دو ارتقا داد.

پس از ورود خوراک رافينيت به واحد RHC شاخص گرانروي و ميزان ترکيبات اشباع در راکتورهاي تبديل هيدروژني ارتقا مي يابد و سپس در راکتور تصفيه با هيدروژن، خصوصيات روغن تثبيت مي شود. محصولات توليد شده سپس براي موم زدايي به واحد موم گيري با حلال فرستاده مي شود. پس از عبور خوراک از واحد RHC ميزان ترکيبات اشباع و شاخص گرانروي آن به طور قابل ملاحظه اي بالا مي رود.

محصولات خروجي از RHC در طبقه بندي گروه دو API قرار مي گيرد اما به دليل اينکه انديس گرانروي (VI) و فراريت محصول به دست آمده کمي پايين تر از روغن هاي گروه دو است، بنابراين آنها را روغن هاي گروه دو مثبت

(Group-II-Pluse) نامگذاري مي کنيم.

پايين بودن هزينه سرمايه گذاري ادغام اين فرايند با فرايند استخراج باحلال موجود، يكي ديگر از مزاياي مهم اين است که در اين فرايند فقط برش هاي روغن انتخاب شده ارتقا داده مي شود.

واحد RHC فقط برش هاي انتخابي از برج تقطير در خلاء را به صورت موثر عمل آوري

مي کند وهر برش انتخابي هم محصول روغن مجزا توليد مي کند.

فرايند موم گيري کاتاليستي- فرايندهاي ايزومريزاسيون هيدروژني

موم گيري کاتاليستي که از20 سال گذشته به جاي موم گيري با حلال پيشنهاد شده است از تکنولوژي فرايند هيدروژناسيون براي شکستن زنجيره هاي بلند مولکولهاي پارافين به محصولات نفتي سبک در يک راکتور بستر ثابت تشکيل شده است. اين فرايند براي تمام محدوده هاي گرانروي منابع روغن هاي پايه روانسازي (LOBS) قابل اجراست.

همچنين ميزان ذرات گوگردي و نيتروژني که به طور معمول در روغن هاي پايه حاصل از فرايندهاي استخراج با حلال وجود دارند در عملکرد اين فرايند خللي ايجاد نمي کند. فرايندهاي کاتاليستي موم زدايي در مقايسه با واحدهاي موم گيري با حلال، محصولات (روغن هاي موتور، روغن هاي صنعتي و محصولات ميان تقطير) با نقطه ريزش پايين تر توليد مي کنند و محصولات نهايي به طور عمده از نوع هيدروکربورهاي اشباعي هستند. از نظر

هزينه هاي سرمايه گذاري و عملياتي نيز با صرفه تر از واحدهاي موم زدايي با حلال هستند و به فضاي کمتري احتياج دارند. در اين حالت، پالايشگاه نيازي به توليد موم ندارد و در عوض محصولات با ارزش LPG ، نفت سفيد، نفت گاز و بنزين توليد مي شود. در روش هاي کاتاليستي مواد افزودني کمتري مصرف مي شود و در بيشتر موارد به واحد تصفيه هيدروژني نيازي نيست.

فرايند مومگيري کاتاليستي

(Catalitic Dewaxing)

واکنش هاي اصلي در اين فرايند شکسته شدن هيدروکربورهاي مومي به ترکيبات با انديس گرانروي بالا، بنزين و گاز است. فرايندهاي مختلفي براي تبديل کاتاليستي فرايندهاي موم گيري معرفي شده اند که مهمترين آنها تحت اختيار شرکت هاي صاحب ليسانس Chevron، Mobil و BP است. از جمله مزاياي مهم اين فرايندها عملکرد آنها در شرايط متوسط عملياتي و نياز آنها به مصرف کمتر هيدروژن است.

در ضمن در صورت استفاده از اين فرايندها در مواردي براي تصفيه نهايي و خالص سازي به تصفيه پاياني نيازي نيست.

فرايند مومگيري ايزومري

(ISO Dewaxing)

موم گيري ايزومري از کاتاليست هاي مخصوص با عملکرد دوگانه و با قدرت شکستن برخي از مولکول هاي موم ها به محصولات سبکتر و ايزومريزاسيون، بخش ديگري از موم ها به ايزوپارافين ها با نقطه ريزش پايين تر هستند، که اين امر باعث افزايش ميزان بازدهي و شاخص گرانروي (VI) روغن مي شود. فرايند مومگيري ايزومري در فشارهاي بالاتر از روش موم گيري کاتاليستي که قبلاًً توضيح داده شد، عمل مي کنند و کاتاليست هاي فلزي اصيل و قيمتي مورد استفاده در آنها، کاربرد آنها را براي خوراکهايي که شامل مقدار کمي از مواد قطبي هستند (مثلاً براي روغن هاي هيدروکراکينگ شده يا رافينيت هاي به شدت هيدروتريتينگ شده از استخراج با حلال) ، محدود مي کنند.

دو مجموعه بسيار مهم که مقوله فرايند

موم گيري را پوشش مي دهند، شرکت چِوْرن با تکنولوژي موم گيري ايزومري کاتاليستي و شرکت اکسون هستند. شرکت اکسون از کاتاليست MSDW براي اين فرايند استفاده

مي کند.

معرفي تکنولوژي مومگيري کاتاليستي MSDW

MSDW روغن هاي مومدار و رافينيت ها را براي تبديل به روغن هاي پايه با نقطه ريزش فوق پايين(40- درجه سانتيگراد و پايين تر) پوشش مي دهد و يک جهش شديد در شاخص گرانروي روغن (VI) فراهم مي کند.

در اين تکنولوژي مولکول هاي واکس توسط فرايند ايزومريزاسيون هيدروژني Hydroisomerization گرفته و دفع مي شوند.

برش هاي گرفته شده از برج خلاء (VGO) به عنوان خوراک، به طور مستقيم به برج LHDC وارد مي شوند که در آن ميزان سولفور و نيتروژن کاهش يافته وترکيبات آروماتيکي هم اشباع

مي شوند. بسته به نوع نفت خام براي ميزان متوسط بازدهي عملکرد واحد LHDC بين60 تا80 درصد، حدود165 تا415 متر مکعب هيدروژن در هر تن متريک از نفت خام لازم است. سپس محصولات شکسته شده وارد واحد MSDW مي شود. در اين واحد کاتاليستهاي MSDW در ابتدا توسط فرايند ايزومريزاسيون نرمال پارافين ها نقطه ريزش روغن را پايين مي آورد . ميزان هيدروژن مصرفي در اين واحد کمتر است و معمولاً بين20 تا80 متر مکعب هيدروژن در هر تن روغن خام است.

مرحله نهايي، فرايند تصفيه هيدروژني روغن به منظور تثبيت رنگ روغن است. بازدهي اين فرايند بين85 تا97 درصد است. از مزاياي مهم اين فرايند اين است که در توليد محدوده وسيعي از محصولات روغن پايه گروه2 يا3 انعطاف پذير است. به تازگي شرکت اکسون تکنولوژي کاتاليست MSDW را با تکنولوژي جديد کاتاليست تصفيه هيدروژني روغن به نام کاتاليست MAXSAT ادغام کرده است. از مزاياي مهم اين نوع کاتاليست اين است که از نظر اقتصادي کاملاً مقرون به صرفه بوده و فعاليت اشباع سازي آن بسيار زياد است، مقاومت آن براي ترکيبات گوگردي بسيار بالاست و دانسيته آن نيز پايين است که منجر به کاهش قيمت تمام شده کاتاليست ها مي شود.

از ديگر کاربردهاي اخير تکنولوژي MSDW فرايند (MWI) است که از آن به منظور هيدرو ايزومريزه کردن واکسهاي حاوي روغن با5 تا25 درصد روغن که در آن70 درصد از مقدار موم مي تواند به ايزومرهايي با VI هاي بالا تبديل شود، براي توليد روغن هاي پايه با VI بالا مخصوصاً توليد روغن هاي گروه3 با+130=VI استفاده مي شود. اغلب، اندازه پلنت محدود به حجم واکس حاوي روغن در دسترس در هر موقعيت مي شود و همچنين قابليت اقتصادي آن وابسته به مقدار جريان خوراک واکس است. بسته به کيفيت واکس، خواص محصول و بازدهي ها مي توانند تغيير کنند، اما در واکس هاي معمول که حاوي روغن بين5 تا25 درصد است بيش از70 درصد از ترکيب واکس را مي توان به ايزومرهاي با VI بالا تبديل کرد.

تصفيه پاياني به روش هيدروژني (هايدرو فينيشينگ)

اين فرايند يک نوع فرايند کاتاليستي در شرايط عملياتي متوسط با هيدروژن است که ترکيبات نامرغوب در مجاورت کاتاليست با هيدروژن ترکيب شده و به ترکيبات مورد نظر تبديل مي شوند. عمليات هيدروژنه کردن در آخرين مراحل و بعد از عمليات استخراج با حلال به منظور حذف ترکيبات نامطلوب و فعال شيميايي که بر رنگ و پايداري رنگ روغن ها تاثير منفي مي گذارند و به منظور احياي خاصيت ضد امولسيوني در دماي بالا در حضور کاتاليزورهاي کبالت- موليبدن انجام مي شود. اين فرايند باعث حذف مواد زايد اکسيژني ترکيبات سولفوردار و نيتروژن دار آلي مي شود که بر رنگ و پايداري رنگ روغن ها تاثير جدي گذاشته اما قادر به حذف مولکول هاي آروماتيکي نيست. از آنجا که ترکيبات نيتروژني در فشار معمولي به سختي هيدروژنه مي شوند در مقايسه با ساير فرايندهاي کاتاليستي، فرايند فوق در فشار معمولي بالاتري انجام مي گيرد.

پرسش هاي اساسي براي تصميم گيري در مورد توجيه پذيري اقتصادي سرمايه گذاري فرايندهاي جديد

1- ميزان درصد تبديل براساس نوع خوراک (منبع نفت خام موجود)، چگونه تغيير مي کند؟

2- بازار فروش و قيمت محصولات روغن پايه گروه1 و2و2+ يا روغن هاي پايه گروه3 توليدي چقدر است؟

3- آيا براي سوخت توليد شده در يک پروژه هايدروکراکينگ، هايدروتريتينگ و هايدروديواکسينگ با فشار بالا به عنوان محصول جانبي، بازار فروشي وجود دارد؟

4- ميزان انرژي مصرفي و هزينه هاي توليد آن چقدر است؟

5- مشخصات کاتاليست هاي فرايندي به تفکيک نوع فرايند به همراه هزينه هاي تامين و تعويض آنها چقدر است؟

6- هيدروژن مصرفي چه مشخصاتي دارد و قيمت آن چقدر است؟

7- چه نوع امکاناتي براي طراحي و ساخت بخش هاي مختلف اين فرايند در داخل کشور مهيا است؟

8- زمان بازگشت سرمايه چقدر است؟

9- چه سطحي از سرمايه مي تواند توجيه شود؟

پاسخ سئوالات بالا مشخص مي کند که آيا نياز به ارتقاي واحد توليد روغن گروه يک احساس مي شود يا نه و اگر بلي، چه گزينه اي از گزينه هاي سه گانه منجر به بيشترين ميزان بر گشت سرمايه منجر مي شود؟

نشريه روانسازها- شماره5

مهندس رازي فر، دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي شيمي

 

ماهنامه نفت پارس