پالایشگاه های نفت از شگفتی های مهندسی مدرن هستند. در داخل آنها راکتورها، لوله ها ، ستون های تقطیر و راکتورهای شیمیایی نفت خام را به محصولات با ارزش تبدیل می کنند . پالایشگاه های بزرگ میلیاردها دلار هزینه دارند، چندین هزار کارگر استخدام می کنند، شبانه روز کار می کنند، و مساحت چند صد استادیوم فوتبال را اشغال می کنند . ایالات متحده حدود 300 پالایشگاه دارد که می توانند روزانه بین 40 تا 400000 بشکه نفت را فرآوری کنند. این پالایشگاه ها بنزین و مواد اولیه شیمیایی را تولید می کنند که کشور را فعال نگه می دارد.
تعیین مکان یک میدان نفتی اولین مانعی است که باید بر آن غلبه کرد. اولین کاوش‌گران از میله‌های کاوشگر Y شکل و دیگر ابزارهای ماوراء طبیعی، اما بی‌اثر، برای یافتن نفت استفاده کردند. امروزه زمین شناسان و مهندسان نفت از روش های آزمایش شده و واقعی تر استفاده می کنند. ابزارهایی برای کمک به جستجو عبارتند از: ژئوفون (صدای مورد استفاده)، گرانش سنج ( گرانش استفاده شده)، و مغناطیس سنج (از میدان مغناطیسی استفاده می کند). در حالی که این روش‌ها جستجو را به شدت محدود می‌کنند، فرد همچنان باید یک چاه اکتشافی یا چاه گربه وحشی حفر کند .، برای دیدن اینکه آیا نفت خام واقعا وجود دارد یا خیر. موفقیت چشم‌اندازهایی از فوران‌هایی را به ارمغان می‌آورد که به سمت آسمان اوج می‌گیرند، اما امروزه چاه‌ها قبل از این اتفاق بسته شده‌اند.
سه نوع اصلی عملیات حفاری وجود دارد . ابزار کابلی، چرخشی و خارج از ساحل. حفاری ابزار کابلی شامل یک رویکرد جک چکشی است که یک اسکنه زمین را جدا می کند و رسوبات سست را بالا می برد. حفاری چرخشی در اعماق بسیار بیشتر کار می کند و شامل فرو رفتن یک لوله مته با یک مته فولادی دوار در وسط است. حفاری فراساحلی شامل سکوهای نیمه شناور عظیمی است که شفت را به کف اقیانوس پایین می آورد و حاوی هر نفت خامی است که در آن قرار دارد.
تمام نفت خام حاوی مقداری متان یا گازهای دیگری است که در آن حل شده است. هنگامی که شفت حفاری با نفت خام تماس پیدا می کند، فشار را در مخزن زیرزمینی آزاد می کند. درست مانند باز کردن یک قوطی نوشابه ، گازهای محلول از محلول بیرون می‌آیند و نفت خام را به سطح می‌برند . گازهای محلول اجازه بازیافت حدود 20 درصد نفت را می دهد. برای به دست آوردن بازیابی بهتر آب اغلب به داخل چاه پمپ می شود، این امر باعث می شود نفت خام سبک تر به سطح برسد. طغیان آب امکان بازیابی حدود 50 درصد را فراهم می کند. افزودن سورفکتانت با جلوگیری از گیر افتادن بیشتر آن در گوشه ها و شکاف ها، امکان بازیابی بیشتر نفت خام را فراهم می کند. با این حال، آن استخارج کردن تمام نفت از یک چاه غیرممکن است .
از آنجایی که نفت خام یک مایع است، جابجایی آن بسیار راحت تر از گاز طبیعی یا زغال سنگ است. زغال سنگ خوب و متراکم است، بنابراین نیازی به ظروف نگهداری بزرگ ندارد، اما نمی توان آن را پمپ کرد. تسمه نقاله و جرثقیل نمی توانند با خطوط لوله برای کارایی اقتصادی رقابت کنند. گاز طبیعی را می توان با استفاده از کمپرسورهای گران قیمت پمپ کرد، اما به مخازن نگهدارنده عظیمی نیاز دارد . یک ترفند اخیر تزریق مقادیر زیادی آب به لایه های نمکی بوده است. آب نمک را حل می کند و غارهای واقعاً عظیمی را به جا می گذارد. سپس گاز طبیعی به داخل پمپ می شود و تا زمان مورد نیاز ذخیره می شود. سهولت در حمل و نقل نفت یکی از دلایلی است که ما به آن وابسته شده ایم. پوند برای پوند گاز طبیعی و زغال سنگ نمی توانند رقابت کنند.
ذخایر ثابت شده نفت خام در ایالات متحده حدود 3.9 میلیارد متر مکعب است. این می تواند ایالت مینه سوتا را با لایه ای به ضخامت نیم اینچ بپوشاند . یک مقدار معقول برای کل مقدار نفت خام قابل دستیابی با روشهای فعلی از سراسر جهان 350 میلیارد متر مکعب است . این می تواند مینه سوتا را با یک لایه نفت خام به ضخامت چهار و نیم فوت بپوشاند . با این حال، با سرعتی که ما نفت مصرف می کنیم، ذخایر کشور تا سال 2010 تخلیه خواهد شد و ذخایر جهانتا پایان قرن بیست و یکم تخلیه خواهد شد .
با این حال، نفت تنها منبع هیدروکربن نیست. گاز طبیعی و زغال سنگ هر دو در مقادیر بسیار بیشتری در دسترس هستند ). با این حال، ممکن است تصمیم بگیریم که سوزاندن همه این هیدروکربن ها چندان ایده خوبی نیست. دی اکسید کربن یک گاز گلخانه ای قوی (به همراه آب و متان) است و نتایج آن برای محیط زیست جهانی می تواند برای زندگی انسان فاجعه بار باشد. شکافت هسته ای، انرژی خورشیدی، برق آبی و انرژی زمین گرمایی جایگزین های فوری ارائه می کنندبا این حال انرژی تولید شده با این روش ها گران تر از سوزاندن نفت، زغال سنگ یا گاز طبیعی خواهد بود. جام مقدس تولید نیرو، همجوشی هسته ای، همچنان از دانشمندان و مهندسان دور است. در هر صورت، تکنیک های پالایش برای تولید نه تنها سوخت ، بلکه مواد خام برای صنایع پتروشیمی (پلاستیک، داروسازی، مواد شیمیایی کشاورزی و غیره) حیاتی باقی خواهند ماند.
نفت خام حاوی مخلوط پیچیده ای از هیدروکربن ها است. اولین قدم برای به دست آوردن چیزی ارزشمند از این لجن، نمک زدایی و آبگیری آن است. سپس نفت خام گرم می شود و به یک ستون تقطیر بزرگ که در فشار اتمسفر کار می کند فرستاده می شود . حرارت در ریبویلر اضافه می شود و در کندانسور حذف می شود و در نتیجه نفت خام را بر اساس نقطه جوش به قطعات تقسیم می کند.. یک ستون اتمسفر معمولی می تواند حدود 4000 متر مکعب (25000 بشکه) نفت در روز را جدا کند. کسر پایین به ستون دیگری فرستاده می شود که با فشار حدود 75 میلی متر جیوه (یک دهم اتمسفر) کار می کند. این ستون می تواند سنگین ترین کسر را بدون تخریب حرارتی (ترک) جدا کند. در حالی که ستون های اتمسفر نازک در ارتفاع هستند، ستون های خلاء ضخیم و کوتاه هستند تا نوسانات فشار در طول ستون را به حداقل برسانند. ستون های خلاء می توانند بیش از 40 فوت قطر داشته باشند!
درصد تقاضا از فراورده های نفتی مختلف در زمان های مختلف سال اهمیت زیادی دارند . در طول ماه های رانندگی تابستان ، عموم مردم مقادیر زیادی بنزین مصرف می کنند ، در حالی که در طول زمستان نفت کوره بیشتری مصرف می شود. این خواسته ها نیز بسته به اینکه در شمال سرد زندگی می کنید یا در جنوب مرطوب متفاوت است. پالایشگاه‌های مدرن قادرند نسبت‌های بخش‌های مختلف را تغییر دهند تا تقاضا را برآورده کنند و سود را به حداکثر برسانند.
در حالی که تقطیر می‌تواند نفت را به بخش‌هایی تقسیم کند، راکتورهای شیمیایی برای تولید محصولات بیشتری که تقاضای بالایی دارند، مورد نیاز است. پالایشگاه‌ها برای تغییر نسبت‌های فراکسیون‌های مختلف به چهار مرحله اصلی پردازش متکی هستند. آن ها هستند؛ اصلاح کاتالیزوری , آلکیلاسیون , ترک کاتالیستی , و هیدروفرآوری . هر یک از این روش ها شامل تغذیه واکنش دهنده ها به یک راکتور است که در آنجا تا حدی به محصولات تبدیل می شوند . سپس واکنش دهنده های واکنش نداده با یک ستون تقطیر از محصولات جدا می شوند . واکنش دهنده های واکنش نداده هستندبرای یک پاس دیگر بازیافت می شود، در حالی که محصولات بیشتر جدا شده و با جریان های موجود مخلوط می شوند. به این ترتیب می توان تبدیل کامل واکنش دهنده ها را به دست آورد، حتی اگر همه واکنش دهنده ها در یک عبور معین از راکتور تبدیل نشده باشند. چهار روش فرآوری به همراه تقطیر از ارکان پالایش نفت هستند.
پالایشگاه ها، بنزین با اکتان بالا برای خودروهای امروزی تولید می کند. مواد اولیه بنزین و نفتا تا 500 درجه سانتیگراد گرم می شوند و از طریق یک سری راکتورهای کاتالیزوری با بستر ثابت جریان می یابند . از آنجا که واکنش هایی که ترکیبات اکتان بالاتر (در این مورد آلیفاتیک) تولید می کنند گرماگیر (جذب گرما) هستند، گرم کننده های اضافی بین راکتورها نصب می شود تا واکنش دهنده ها را در دمای مناسب نگه دارند. کاتالیزور یک فلز پلاتین (Pt) روی پایه آلومینا (Al2O3) است. در حالی که کاتالیزورها هرگز در واکنش‌های شیمیایی مصرف نمی‌شوند، اما می‌توان آنها را رسوب داد، باعث می شود در طول زمان اثربخشی آنها کاهش یابد. بنابراین، مجموعه‌ای از راکتورهای مورد استفاده در اصلاح کاتالیستی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قطع شده و از جای خود خارج شوند، بنابراین کاتالیزور می‌تواند بازسازی شود .
آلکیلاسیون فرآیند دیگری برای تولید بنزین با اکتان بالا است. واکنش به یک کاتالیزور اسیدی (اسید سولفوریک، H2SO4 یا اسید هیدروفلوئوریک، HF) در دماهای پایین (1-40 درجه سانتیگراد) و فشارهای پایین (1-10 اتمسفر) نیاز دارد. ترکیب اسید معمولاً در حدود 50٪ نگه داشته می شود و مخلوط را بسیار خورنده می کند.
کراکینگ کاتالیزوری مولکول های طولانی را می گیرد و آنها را به مولکول های بسیار کوچکتر می شکند . واکنش ترک بسیار گرماگیر است و به مقدار زیادی گرما نیاز دارد. مشکل دیگر این است که واکنش به سرعت کاتالیزور سیلیس (SiO2) و آلومینا (Al2O3) را با تشکیل کک بر روی سطح آن آلوده می کند . با این حال، با استفاده از یک بستر سیال برای حمل آهسته کاتالیزور به سمت بالا، و سپس ارسال آن به یک احیا کننده که در آن کک می تواند سوزانده شود ، کاتالیزور به طور مداوم بازسازی می شود.. این سیستم دارای مزایای اضافی استفاده از مقادیر زیادی گرمای آزاد شده در واکنش بازسازی گرمازا برای گرم کردن راکتور ترک خوردگی است. سیستم FCC یک طرح واکنش درخشان است که دو منفی (گرمایش و رسوب گیری) را به مثبت تبدیل می کند و در نتیجه فرآیند را بسیار مقرون به صرفه می کند.
فرآوری هیدرولیکی شامل هر دو روش هیدروکراکینگ و تصفیه هیدرولیکی است. آب درمانی شامل افزودن اتم های هیدروژن به مولکول ها بدون شکستن مولکول به قطعات کوچکتر است. تصفیه آب شامل دمای حدود 325 درجه سانتیگراد و فشار حدود 50 اتمسفر است. بسیاری از کاتالیزورها کار خواهند کرد، از جمله؛ نیکل، پالادیوم، پلاتین، کبالت و آهن. هیدروکراکینگ مولکول های طولانی تر را به مولکول های کوچکتر می شکند. هیدروکراکینگ شامل دمای بیش از 350 درجه سانتیگراد و فشار تا 200 اتمسفر است. در هر دو مورد، زمان اقامت بسیار طولانی است(حدود یک ساعت) به دلیل ماهیت کند واکنش ها مورد نیاز است.
منابع:
