مهندسی شیمی (طراحی فرآیندهای صنایع نفت)
پایان نامه کارشناسی
مقدمه
شیمی آلی شیمی ترکیبات کربن است.
مواد آلی به دو دسته تقسیم می‌شوند: 1- آلیفاتیک‌ها 2- آروماتیک‌ها آلیفاتیک‌ها شامل آلکان‌ها، آلکن‌ها، آلکین‌ها، الکل‌ها، اترها، استرها، اسیدها، آلدهیدها، کتون‌ها و ... می‌شود.
اکنون ما فقط به بحث و بررسی شاخه‌ای از آلکان‌ها می‌پردازیم. از لحاظ فیزیکی آلکان‌ها، ترکیبات غیرقطبی می‌باشند و به مقدار خیلی کم در آب محلول و در مایعات آلی دیگر مانند اتر الکل و بنزین بسیار محلول است.
آلکان‌ها معمولاً به روش شیمیایی شناسائی نمی‌شوند. زیرا آنها در شرایط معمول واکنش‌ها کاملاً بی‌اثر هستند. یک استثناء واکنش‌آلکان‌ها با سولفوریل‌کلرید است.
شیمیدان‌ها معمولاً به طور جدی روی روش‌های شناسائی فیزیکی و طیفی تکیه دارند. به علاوه شخص باید بتواند ثابت کند نمونه مورد بررسی‌اش جزء دسته فعال ترکیبات فعال‌تر (مثالاً آلکن نباشد) باشد.
یافتن روش کارهای مشتق سازی برای هیدروکربن‌های اشباع شده مشکل است، زیرا این ترکیبات خنثی هستند، البته بعضی آلکان‌ها چند واکنش‌شیمیایی ساده انجام می‌دهند، آلکان‌ها حلقوی و بسیار تحت فشار می‌توانند هیدروژنه شوند.
پارافین‌ها همچنین یکی از ترکیبات موجود در نفت می‌باشند. پارافین‌ها هیدروکربن‌های زنجیری اشباع شده هستند.
فرمول آنها و با موارد زیر شروع می‌شود.
متان: اتان: پروپان:
پایه آنها (رادیکال) به ترتیب((پروپیلC3H7، اتیلC2H5، متیلCH3)) می‌باشد.
هیدروکربن‌هائی که بالاتر از C16H34 می‌باشد، در درجه حرارت اطاق به صورت جامد هستند، آنها به مقدار زیاد در نفت‌های مومی (Wax) موجود هستند. وقتی که مقدار کربن از 3 بیشتر شد، پدیده Isomer به وجود می‌آید.
(ترکیبات مختلفی که دارای فرمول مولکولی یکسان هستند، ایزومر یا همپار نامیده می‌شوند.)
مثلاً دو نوع (ایزومر) C4H10 وجود دارد:
بوتان نرمال
ایزو بوتان
سه نوع C5 وجود دارد که فرمول هر سه تای آنها C5H12 می‌باشد. مقدار ایزومرها با زیاد شدن مقدار کربن زیاد می‌شوند. 5 نوع ایزومر برای C6 (هگزان) و 9 نوع برای C7 (هپتان) وجود دارد C25 مقدار 558/696/36 ایزومر دارد. به همین جهت نفت انواع بیشماری هیدروکربن دارد. ایزومرها خاصیت بهتر سوزی در موتورها را که به آن Octane Number گفته می‌شود دارند که مهم‌ترین آنها 2، 2، 4 تری متیل پنتان می‌باشد که در آزمایشگاه‌ها اکتان آن را 100 می‌دهیم.
بیشترین استفاده از پارافین‌ها به دو شکل صورت می‌گیرد: اول تهیه سوخت موتور با اکتان بالا، دوم تبدیل آنها به مواد شیمیائی چون پارافین‌ها هیدروکربن‌های با ثباتی هستند لذا تحقیقات برای تبدیل آنها در درجه و فشار صورت می‌گیرد. مهم‌ترین مثال Thermal Cracking است و آن عبارت است از شکستن مولکول که بیشتر در انشعابات خارجی صورت می‌گیرد و مبدل به Olefins شده سپس یا پلیمریزه می‌گردد یا سیکلوسایز (حلقوی) می‌شود. در مجاورت کاتالیزور، هیدروکربن پارافینه از وسط بیشتر می‌شکند و در نتیجه گاز کمتری تولید می‌کند.
به علاوه این شکستن در روی سطح کاتالیزور فعل و انفعالات دیگری مانند Isomer potion، Cyclic potion، Dehydrogenation نیز صورت می‌گیرد.
بنابراین در واحدهای کاتالیستی مدرن هیدروکربن‌های پارافینه به ایزوپارافین، آروماتیک‌ها و OLIFINها تبدیل می‌شود. اگر کاتالیزور کلرورآلومینیوم یا تری فلوروبرم یا اسیدهای هالوژنه و یا هیدروکربن‌های هالوژنه باشد فعل و انفعالات ایزومریزاسیون صورت می‌گیرد. ایزوپارافین‌ها اگر با اولفین‌ها ترکیب شوند یک ایزوپارافین با نقطه جوش بالاتر تولید می‌کنند. این عمل را Alkylation’s می‌گویند.
آلکان‌ها یا همان پارافین‌ها هیدروکربن‌های اشباعی می‌باشند که از لحاظ شیمیائی در شرایط معمولی بی‌اثر هستند.
اساساً پارافین جامد مخلوطی از هیدروکربن‌های سیر شده از نفت خام است که دارای هیج گونه عامل خارجی نباشد، شکل ظاهری آن یکنواخت بوده و نیز بو و مزه بخصوص محسوسی نداشته باشند. همچنین پس از ذوب شدن باید یک مایع شفاف و بدون آب عاری از هر گونه مواد خارجی و آلودگی قابل رویت باشد.
پارافین‌ها از لحاظ کاربرد به سه دسته تقسیم می‌شوند:
1- کاملاً تصفیه شده:
مناسب برای کاربردهائی شامل بسته‌بندی، فرآوردهای غذائی، محافظت کننده تهیه فرمولاسیون فرآورده‌های غذائی و محصولات آرایشی
2- تصفیه شده:
پارافین جامدی است که مصارف عام دارد، مثل ساخت شمع و کاغذهای پارافینه، مصرف در امولسیون‌های پارافین واکس و فرآیند تولید قطعات لاستیکی
3- نیمه تصفیه شده:
مناسب برای کبریت سازی، ساختن بعضی از امولسیون‌های واکس و ضد عایق رطوبت می‌باشد.
فصل اول
نحوه تولید پارافین در پالایشگاه
مراحل تولید اسلک‌وکس در پالایشگاه:
ابتدا ماده‌ائی کروایل (CRODIL) طی فرآیندی (مرحله‌ای) به ماده‌ای به نام لوب‌کارد (Lubcard) تبدیل می‌شود، لوب‌کارد در حضور متیل اتیل کتون و تولوئن به مواد زیر با درصدهای مشخص تقسیم می‌شود:
Oil Slack wax Furfural Extinction
%13 %٥٠ %37
(متیل اتیل کتون و تولوئن با هم، روغن را در خود حل می‌کند)
دو نوع Lubcard داریم:
1- Light (سبک)
2- Heavy (سنگین)
اگر لوب‌کارد سبک یا Light باشد روغن (روغن هیدرولیک) واسلک نیز Light می‌باشد.
اگر لوب‌کارد سبک یا Light باشد دارای ظاهری شفاف و سفید و همچنین دارای نقطه ذوب پایین‌تر می‌باشد. ولی اگر لوب‌کارد ما سنگین Heavy باشد روغن واسلک هم نیز Heavy می‌باشد.
لوب‌کارد با %Oil 30 سنگین‌تر و دارای رنگ قهوه‌ای می‌باشد و لوب‌کارد با %Oil 40 خیلی سنگین‌تر و دارای رنگ قهوه‌ای تیره می‌باشد و بالطبع دارای دمای ذوب بالاتری می‌باشد.
Slack Wax 10, 20 : دارای نقطه ذوب پایین و پارافین شفاف است.
Slack Wax 30, 40 : دارای نقطه ذوب بالاتری می‌باشند.
در حقیقت پارافین مجموعه‌ای از آلکان‌ها یا همان آلیفاتیک‌های اشباع می‌باشد که باید از آروماتیک‌های غیر اشباع و همچنین از آلیفاتیک‌های غیر از آلیفاتیک اشباع جدا گردد.
اسلک‌وکس شامل روغن و واکس می‌باشد که شامل درصد زیر می‌باشد:
Slack Wax (Oil + Wax)
Oil 30%5% Wax 70%5%
واکس ما در آخر همان پارافین می‌باشد همان فرمول عمومی آلکان‌ها یعنی CnH2n+2 را دارد.
(واکس می‌تواند شاخه‌دار و یا بدون شاخه باشد)
آنتراسن‌ها، آنیلین، آروماتیک‌ها در کل (مثل تولوئن بنزن، فنول و غیره) و الکل‌ها و اسیدها و ... شامل دسته Oil می‌باشد.
اکنون با دو فرآیند مواجهیم:
1- روغن‌گیری De oiling
2- موم‌گیری De waxing
روغن‌گیری [De oiling]
1- روغن‌گیری به وسیله حلال
1-1 حلال مخلوط متیل اتیل کتون و تولوئن می‌باشد.
در این روش اسلک‌وکس را به همراه حلال‌های مخلوط کرده
1-Mix
(SLACKWAX + Solvent) 2-Rotary Vacuum Filter
پس از آن محصول بالا توسط یک یونیت (واحد) بخش زیادی از روغن‌ها را به همراه حلال جدا می‌کند (4 بار فیلترگیری می‌کند)
پس از این مرحله واکس ما حداکثر شامل%5. روغن می‌باشد سپس باقی‌مانده مرحله قبل را به واحد هیدروژناسیون برده و در آنجا (راکتور) در حضور کاتالیزور پلاتین تحت فشار و دمای زیاد، هیدروژناسیون می‌کند. (یعنی غیر اشباع را به اشباع تبدیل می‌کند سپس مرحله رنگبری می‌باشد و پس از مرحله به قسمت میکسر (Mixers) می‌رود و در آنجا تا دمای حرارت می‌بیند (جهت از بین بردن غیراشباع‌ها از اسید سولفوریک M005/0 استفاده می‌شود.)
خاک رنگبر مورد استفاده در این قسمت Benton it (سیلیکات آلومونیوم همراه با ناخالصی‌ها می‌باشد.) می‌باشد که وظیفه جذب اسیدها و غیراشباع‌ها را دارد. سپس نوبت به اضافه کردن CaCo3 %5/0 وزنی می‌رسد که این مرحله برای گرفتن کامل اسید و خنثی کردن اسید می‌باشد.
-2- حلال دی‌بوتیل دی‌کلرید می‌باشد و نحوه روغن‌گیری دقیقاً مانند روش قبل می‌باشد.
برای جدا کردن حلال از روغن از سیستم سرمایشی استفاده می‌کنیم (تا زیر نقطه سرمایش مثالاً تا )
در این سیستم بخارات حلال به درون برج (برج حلال) می‌رود و از بالای آن وارد برج خنک کننده یا چیلرینگ می‌شود. مجموعه برج خنک کن از آب و هوا همراه چیلینگ و گاز فرعون که گرما‌گیر می‌باشد، تشکیل شده است.
افزودن CaCl2 درون برج خنک کننده باعث می‌شود که آب درون آن یخ نزند. گاز فرعون از کمپرسور به داخل لوله‌ها می‌رود و باعث یخ زدن آب درون تانکر می‌شود و CaCl2 باعث یخ نزدن آب می‌شود.
لوله‌های که درون آنها بخارات حلال و اطرافشان آب سرد می‌باشد دو جداره است برای اینکه تبادل حرارتی با جداره خارجی انجام ندهد. در این تبادل حرارتی اختلاف دما و تبادل دما از می‌باشد که آب درون برج خنک کن به دمای می‌رسد در ضمن هوا در برج خنک کن با کمک پنکه یا Fanباعث خنک شدن آب می‌شود. ابزار و مواد لازم و همچنین utility (سودمندی) در روغن‌گیری به وسیله حلال به شرح زیر است:
1- هوای فشرده یا Air که استفاده خنک کنندگی از آن در برج خنک کن می‌شود.
2- سوخت که گاز یا گازوئیل می‌باشد.
3- آب برای خنک کردن (برج‌های حلال و چیلرینگ) و دیالیز در پالایشگاه.
از دیالیز آب H2 و O2 به دست می‌آید که H2 برای یونیت هیدروژناسیون (تولید هیدروژن رادیکالی جهت از بین بردن غیراشباع‌ها و غیرآلیفاتیک‌ها و به دست آوردن هیدروکربن‌های آلیفاتیک سیر شده) می‌باشد.
4- بخار برای لوله‌های دو جداره برای مذاب نگهداشتن مواد اولیه و همچنین برای میکسر در کارخانه می‌باشد.
5- برق یا الکتریسیته.
کل عملیاتی که به طور مختصر گفته شد در یک جمع‌بندی اجمالی به شرح زیر می‌باشد:
1- ابتدا مواداولیه همراه با حلال به صورت مخلوط 4 بار فیلتر می‌شود به طوری که در نهایت در آخرین مرحله فقط دو، سه درصد ناخالصی (روغن و حلال) در مخلوط می‌باشد.
2- هیدروژناسیون
3- بیلیچینگ و رنگبری
4- فیلتراسیون
5- قالب‌گیری و بسته‌بندی
همچنین قبل از اینکه مواد در مرحله اول با هم مخلوط شود از منبع خود می‌آیند. مخازن مواد اولیه که فلزی می‌باشد ممکن است هوائی یا زمینی باشد و درون آنها کوئل وجود دارد. حلال و اسلک‌وکس محتوی مخازن حلال و مخازن اسلک‌وکس توسط پمپ به برج‌های مخلوط کن حلال و اسلک منتقل می‌شود.
1-3- در این روش حلال اوره می‌باشد، دقیقاً با همان مکانیسم و با همان تاسیسات که در قسمت قبل ذکر شد.
2- در این روش فقط از گرما برای روغن‌گیری از اسلک‌وکس استفاده می‌شود لازم به ذکر است که این روش فقط مختص اسلک‌وکس سبک یا Slack Wax light می‌باشد. در پایان این روش پارافین ما حداکثر %3 -%2 روغن دارد.
3- در این روش هم از گرما و هم از فشار برای روغن‌گیری استفاده می‌شود. البته این روش شامل هر دو نوع اسلک‌وکس یعنی سنگین و سبک می‌شود و در نهایت حدود %5 روغن دارد.
4- روش سوئیتینگ یا تعریق که با استفاده از آب سرد و آب گرم، روغن‌گیری از اسلک‌وکس می‌شود و در نهایت %3- %2 روغن در پارافین موجود است. در این 3 روش اخیر روغن‌گرفته شده شامل پارافین‌هایی با نقطه ذوب پایین می‌باشد.
فصل دوم
نحوه تولید پارافین در کارخانه تصفیه و تولید پارافین 202
مکانیسم تصفیه و تولید پارافین 202:
سیاست و مکانیسم تولید پارافین در کارخانه تصفیه و تولید پارافین به طور مختصر به شرح زیر است:
ماده اولیه در این سیستم تولیدی اسلک‌وکس می‌باشد که ماده روغنی می‌باشد که پس مانده یا تفاله پالایشگاه می‌باشد و شامل روغن به عنوان ناخالصی و پارافین می‌باشد که روغن را باید از پارافین جدا کنیم. ابتدا ماده اولیه توسط نفتکش به محل نگهداری و مذاب نگهداشتن مواد اولیه انتقال می‌یابد.
محل نگهداری و مذاب نگهداشتن مواد اولیه:
این محل به شکل استخر می‌باشد که در کف آن لوله‌های که به شکل زیر می‌باشد، کار گذاشته می‌شود (اگر از بالا به استخر بنگریم شکل زیر در ذهن ما متجسم می‌شود) کف استخر سیمان می‌باشد و استخر سر پوشیده می‌باشد.
قطر لوله‌ها Inch2 می‌باشد و فاصله بین لوله‌ها cm20 می‌باشد و طول لوله بستگی به بزرگی استخر ماده اولیه دارد.
در بالای استخر ماده اولیه یک شیر ورودی و یک شیر خروجی وجود دارد که جهت انتقال حرارت هر دو شیر باز می‌باشد. با باز کردن شیر ورودی، آب داغ یا بخار آب وارد لوله‌های کف استخر می‌شوند آب داغ یا بخار آب از شیر شماره 1 کلکتور (توزیع کننده( تامین می‌شود به طوری که اگر شیر آب داغ باز شود و شیر بخار آب بسته باشد
آب داغ از طریق ورودی به داخل لوله‌ها انتقال می‌یابد، و بالعکس اگر شیر آب داغ بسته باشد و شیر بخار آب باز باشد بخار آب از طریق ورودی به داخل لوله‌ها انتقال می‌یابد. دلیل استفاده از آب داغ یا بخار آب این است که اسلک‌وکس مذابی را که به طور مذاب به وسیله نفتکش به استخر ماده اولیه انتقال دادیم به همان صورت مذاب نگه داریم (آب داغ یا بخار آب از درون لوله‌های داخل استخر عبور می‌کند و با این عمل باعث مذاب بودن ماده اولیه می‌شود.)
فشار بخار آب atm5/1 می‌باشد و بخار آب دمایی حدود دارد که این درجه حرارت، گرمای خود را صرف مذاب نگهداشتن و مذاب کردن مواد اولیه (اسلک‌وکس) می‌کند و اما فشار آب داغ atm3 است و دبی حجمی آب داغ300 می‌باشد و آب داغ حدوداً می‌باشد. (اسلک در هر دو دمای و به صورت مذاب می‌باشد که اسلک با این دما به سالن سردخانه که مفصلاً درباره آن بحث می‌شود، منتقل می‌شود و به همین منوال دمایش به کاهش می‌یابد.) لوله‌های که در کف استخر کار گذاشته می شود را کوئل می‌نامند. (کوئل به معنی تغذیه کننده چند خط لوله می‌باشد) از درون این لوله‌ها (کوئل) یا آب داغ یا بخار آب عبور می‌کند و این کوئل درون استخر مسئول مذاب کردن و مذاب نگهداشتن اسلک‌وکس می‌باشد. لوله‌های درون استخر دارای چند زانو هستند (زانوهای) که این زانوها هر کدام، معادل یک متر لوله می‌باشد و باعث افت فشار می‌شود در نتیجه انتقال حرارت مشکل‌تر می‌باشد در نتیجه اگر از آب داغ در کوئل استفاده شود بهتر است چون در این صورت می‌باشد و بخار آب می‌باشد در نتیجه آب داغ برای ما بهتر است چون زمان کمتری تا رسیدن به دمای است اما بخار آب
بیشتر مواقعی استفاده می‌شود که نتوانیم از آب داغ استفاده کنیم مثلاً زمانی که اسلک درون استخر جامد شود از بخار آب که دمای بیشتر نسبت به آب داغ دارد استفاده می‌شود.
(تصاویر و فرمول ها در فایل اصلی قابل مشاهده است.)