عمليات تكرير البترول

عمليات تكرير البترول هي عمليات الهندسة الكيميائية وغيرها من المرافق المستخدمة في مصافي البترول (المعروفة أيضًا باسم مصافي النفط) لتحويل النفط الخام إلى منتجات مفيدة مثل غاز البترول المسال (LPG) والبنزين والكيروسين ووقود الطائرات وزيت الديزل وزيوت الوقود . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

تُعدّ مصافي النفط وصناعات البترول مجمعات صناعية ضخمة تضمّ العديد من وحدات المعالجة المختلفة والمرافق المساعدة، مثل وحدات المرافق وخزانات التخزين. ولكل مصفاة ترتيبها الخاص ومزيجها الفريد من عمليات التكرير، والذي يتحدد إلى حد كبير بموقع المصفاة والمنتجات المطلوبة والاعتبارات الاقتصادية.

تقوم بعض مصافي البترول الحديثة بمعالجة ما يصل إلى 800,000 إلى 900,000 برميل (127,000 إلى 143,000 متر مكعب) من النفط الخام يومياً.

قبل القرن التاسع عشر، كان البترول معروفًا ويُستخدم بطرقٍ مختلفة في بابل ومصر والصين والفلبين وروما وعلى طول بحر قزوين. ويُقال إن التاريخ الحديث لصناعة البترول بدأ عام 1846 عندما ابتكر أبراهام جيسنر من نوفا سكوتيا ، كندا ، عمليةً لإنتاج الكيروسين من الفحم. وبعد ذلك بوقتٍ قصير، في عام 1854، بدأ إغناسي لوكاسيفيتش إنتاج الكيروسين من آبار نفط محفورة يدويًا بالقرب من مدينة كروسنو ، بولندا . بُني أول مصفاة بترول كبيرة في بلويشتي ، رومانيا، عام 1856 باستخدام النفط الوفير المتوفر في رومانيا. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

في أمريكا الشمالية، حُفر أول بئر نفط عام 1858 على يد جيمس ميلر ويليامز في أونتاريو، كندا. وفي الولايات المتحدة، بدأت صناعة النفط عام 1859 عندما اكتشف إدوين دريك النفط بالقرب من تيتوسفيل، بنسلفانيا. ^{[ 6 ]} نما هذا القطاع ببطء خلال القرن التاسع عشر، حيث اقتصر إنتاجه في الأساس على الكيروسين لمصابيح الزيت. في أوائل القرن العشرين ، أدى ظهور محرك الاحتراق الداخلي واستخدامه في السيارات إلى خلق سوق للبنزين، مما حفز نموًا سريعًا نسبيًا في صناعة النفط. وسرعان ما تفوقت طفرات النفط الكبيرة في أوكلاهوما وتكساس وكاليفورنيا على الاكتشافات المبكرة للنفط ، كتلك التي كانت في أونتاريو وبنسلفانيا . ^{[ 7 ]}

قبل الحرب العالمية الثانية في أوائل أربعينيات القرن العشرين، كانت معظم مصافي النفط في الولايات المتحدة تتألف ببساطة من وحدات تقطير النفط الخام (والتي تُعرف غالبًا بوحدات التقطير الجوي). كما احتوت بعض المصافي على وحدات تقطير فراغي ، بالإضافة إلى وحدات تكسير حراري مثل وحدات خفض اللزوجة . أما عمليات التكرير الأخرى العديدة التي سنناقشها لاحقًا ، فقد طُوّرت خلال الحرب أو في غضون سنوات قليلة بعدها. وأصبحت متاحة تجاريًا في غضون 5 إلى 10 سنوات من انتهاء الحرب، وشهدت صناعة النفط العالمية نموًا سريعًا للغاية. وكان الدافع الرئيسي لهذا النمو في التكنولوجيا، وفي عدد وحجم المصافي في جميع أنحاء العالم، هو الطلب المتزايد على بنزين السيارات ووقود الطائرات.

في الولايات المتحدة، ولأسباب اقتصادية وسياسية معقدة ومتعددة، توقف بناء مصافي النفط الجديدة بشكل شبه كامل في ثمانينيات القرن الماضي. ومع ذلك، قامت العديد من المصافي القائمة في الولايات المتحدة بتحديث وحداتها و/أو بناء وحدات إضافية بهدف: زيادة قدرتها على معالجة النفط الخام، ورفع رقم الأوكتان في البنزين المنتج، وخفض محتوى الكبريت في وقود الديزل ووقود التدفئة المنزلية للامتثال للوائح البيئية ومتطلبات مكافحة تلوث الهواء والماء.

• وحدة تقطير النفط الخام : تقوم بتقطير النفط الخام الوارد إلى أجزاء مختلفة لمزيد من المعالجة في وحدات أخرى.
• وحدة التقطير الفراغي : تقوم هذه الوحدة بتقطير الزيت المتبقي من أسفل وحدة تقطير النفط الخام. ويتم التقطير الفراغي عند ضغط أقل بكثير من الضغط الجوي.
• وحدة معالجة النافثا بالهيدروجين : تستخدم الهيدروجين لإزالة الكبريت من جزء النافثا الناتج عن تقطير النفط الخام أو الوحدات الأخرى داخل المصفاة.
• وحدة الإصلاح التحفيزي : تحول جزيئات النافثا منزوعة الكبريت إلى جزيئات ذات رقم أوكتان أعلى لإنتاج مادة الإصلاح ، وهي أحد مكونات المنتج النهائي للبنزين أو البنزين.
• وحدة الألكلة : تحول الأيزوبيوتان والبيوتيلين إلى ألكيلات ، وهو مكون عالي الأوكتان للغاية في المنتج النهائي للبنزين أو البنزين.
• وحدة التماثل : تحوّل الجزيئات الخطية، مثل البنتان العادي ، إلى جزيئات متفرعة ذات رقم أوكتان أعلى لتُضاف إلى البنزين النهائي. كما تُستخدم لتحويل البيوتان العادي الخطي إلى إيزوبيوتان لاستخدامه في وحدة الألكلة.
• وحدة معالجة المقطرات بالهيدروجين : تستخدم الهيدروجين لإزالة الكبريت من بعض الكسور المقطرة الأخرى من وحدة تقطير النفط الخام (مثل زيت الديزل).
• Merox (مؤكسد المركابتان) أو وحدات مماثلة: إزالة الكبريت من غاز البترول المسال أو الكيروسين أو وقود الطائرات عن طريق أكسدة المركابتانات غير المرغوب فيها إلى ثنائي كبريتيد عضوي .
• وحدة معالجة غاز الأمين ، ووحدة كلاوس ، ومعالجة غازات العادم لتحويل غاز كبريتيد الهيدروجين الناتج من وحدات المعالجة الهيدروجينية إلى كبريت عنصري كمنتج نهائي. كانت الغالبية العظمى من الـ 64 مليون طن متري من الكبريت المنتج عالميًا في عام 2005 عبارة عن كبريت ثانوي من مصافي تكرير البترول ومحطات معالجة الغاز الطبيعي . ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• وحدة التكسير التحفيزي للسوائل (FCC): تعمل على تحسين الكسور الأثقل والأعلى غليانًا من تقطير النفط الخام عن طريق تحويلها إلى منتجات أخف وأقل غليانًا وأكثر قيمة.
• وحدة التكسير الهيدروجيني : تستخدم الهيدروجين لترقية الكسور الأثقل من وحدات تقطير النفط الخام والتقطير الفراغي إلى منتجات أخف وأكثر قيمة.
• تقوم وحدة Visbreaker بتحسين الزيوت المتبقية الثقيلة من وحدة التقطير الفراغي عن طريق تكسيرها حرارياً إلى منتجات أخف وزناً وأكثر قيمة ذات لزوجة منخفضة.
• وحدات التكسير المتأخر ووحدات التكسير السائل : تحويل الزيوت المتبقية الثقيلة جدًا إلى منتج نهائي من فحم الكوك البترولي بالإضافة إلى النفتا والمنتجات الثانوية لزيت البترول.

• وحدة إعادة تشكيل البخار : تحول الغاز الطبيعي إلى هيدروجين لوحدات المعالجة الهيدروجينية و/أو وحدة التكسير الهيدروجيني.
• وحدة إزالة المياه الحامضة : تستخدم البخار لإزالة غاز كبريتيد الهيدروجين من تيارات مياه الصرف الصحي المختلفة لتحويلها لاحقًا إلى كبريت المنتج النهائي في وحدة كلاوس . ^{[ 10 ]}
• وحدات المرافق مثل أبراج التبريد لتوفير مياه التبريد المتداولة، ومولدات البخار ، وأنظمة الهواء المضغوط لصمامات التحكم التي تعمل بالهواء المضغوط ، ومحطة فرعية كهربائية .
• أنظمة تجميع ومعالجة مياه الصرف الصحي التي تتكون من فواصل API ووحدات التعويم بالهواء المذاب (DAF) ونوع من المعالجة الإضافية (مثل المعالج الحيوي للحمأة المنشطة ) لجعل مياه الصرف الصحي مناسبة لإعادة الاستخدام أو التخلص منها. ^{[ 10 ]}
• خزانات تخزين الغاز المسال (LPG) للبروبان والوقود الغازي المماثل بضغط كافٍ للحفاظ عليه في الحالة السائلة. وعادة ما تكون هذه الخزانات كروية أو أسطوانية (خزانات أفقية ذات نهايات مستديرة).
• خزانات تخزين النفط الخام والمنتجات النهائية، وعادة ما تكون أسطوانية الشكل وعمودية مزودة بنوع من أنظمة التحكم في انبعاثات الأبخرة ومحاطة بسور ترابي لاحتواء الانسكابات السائلة.

وحدة تقطير النفط الخام (CDU) هي أول وحدة معالجة في جميع مصافي البترول تقريبًا. تقوم هذه الوحدة بتقطير النفط الخام الوارد إلى كسور مختلفة ذات نطاقات غليان متباينة، حيث تُعالج كل منها لاحقًا في وحدات المعالجة الأخرى بالمصفاة. غالبًا ما يُشار إلى وحدة تقطير النفط الخام بوحدة التقطير الجوي لأنها تعمل عند ضغط أعلى بقليل من الضغط الجوي. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 11 ]}

فيما يلي مخطط انسيابي لوحدة تقطير نموذجية للنفط الخام. يتم تسخين النفط الخام الوارد مسبقًا عن طريق تبادل الحرارة مع بعض الكسور المقطرة الساخنة وتيارات أخرى. ثم يتم إزالة الأملاح منه للتخلص من الأملاح غير العضوية (وخاصة كلوريد الصوديوم).

بعد عملية إزالة الأملاح، يُسخّن النفط الخام بشكل إضافي عن طريق تبادل الحرارة مع بعض الكسور المقطرة الساخنة وغيرها من التدفقات. ثم يُسخّن في فرن يعمل بالوقود (سخان يعمل بالوقود) إلى درجة حرارة حوالي 398  درجة مئوية، ويُوجّه إلى أسفل وحدة التقطير.

يتم تبريد وتكثيف الجزء العلوي من برج التقطير جزئيًا عن طريق تبادل الحرارة مع النفط الخام الداخل، وجزئيًا عن طريق مكثف مبرد بالهواء أو بالماء. وتُزال حرارة إضافية من عمود التقطير بواسطة نظام إعادة تدوير كما هو موضح في الرسم التخطيطي أدناه.

كما هو موضح في مخطط التدفق، فإنّ الجزء العلوي من عمود التقطير هو النفتا. أما الأجزاء التي تُزال من جانب عمود التقطير عند نقاط مختلفة بين أعلى العمود وأسفله فتُسمى نواتج التقطير الجانبية . ويتم تبريد كلٍّ من هذه النواتج الجانبية (أي الكيروسين، وزيت الغاز الخفيف، وزيت الغاز الثقيل) عن طريق تبادل الحرارة مع النفط الخام الداخل. تُرسل جميع هذه الأجزاء (أي النفتا العلوية، والنواتج الجانبية، والمتبقي السفلي) إلى خزانات تخزين وسيطة قبل معالجتها بشكل إضافي.

الصورة أدناه عبارة عن مخطط انسيابي تخطيطي لمصفاة بترول نموذجية توضح عمليات التكرير المختلفة وتدفق تيارات المنتجات الوسيطة التي تحدث بين مدخلات النفط الخام والمنتجات النهائية.

لا يُظهر الرسم التخطيطي سوى واحد من مئات التكوينات المختلفة لمصافي النفط. كما أنه لا يشمل أيًا من مرافق التكرير المعتادة التي توفر الخدمات الأساسية مثل البخار ومياه التبريد والطاقة الكهربائية، بالإضافة إلى خزانات تخزين النفط الخام والمنتجات الوسيطة والنهائية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 12 ]}

يمكن تصنيف المنتجات النهائية الرئيسية المنتجة في تكرير البترول إلى أربع فئات: المقطرات الخفيفة، والمقطرات المتوسطة، والمقطرات الثقيلة، وغيرها.

تتضمن هذه المقالة مواد من مقالة Citizendium بعنوان " عمليات تكرير البترول "، والتي تم ترخيصها بموجب رخصة Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported ولكنها ليست مرخصة بموجب رخصة GFDL .