جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام | به زبان ساده

در مطالب پیشین مجله فرادرس با نفت خام و ترکیب‌های نفت خام آشنا شدیم. در این مطلب قصد داریم نحوه جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام را مورد بررسی قرار دهیم و ببینیم در مراحل پالایش نفت خام، چه برش‌های نفتی به کمک روش تقطیر جداسازی می‌شوند. به طور معمول، جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام به کمک روش تقطیر جزء به جزء صورت می‌گیرد و هریک از برش‌های نفتی بر اساس نقطه جوش متفاوت با سایر هیدروکربن‌ها از یکدیگر جدا می‌شوند.

نفت خام چیست و چه اهمیتی دارد ؟

نفت خام از جمله منابع بسیار مهم در دنیا به شمار می‌آید و منبع اصلی بسیار از تولیدات مهم در صنایع پتروشیمی از جمله سوخت‌ها، حلال‌ها، پلیمرها، روانکارها، صابون‌ها و مواد شوینده است. علاوه بر این، در تولید بسیاری از داروها نیز نقش مواد نفتی و نفت خام انکارناپذیر است.

زمانی که نفت خام به کمک روش‌های مختلف به سطح زمین می‌رسد، مخلوطی از ترکیبات مختلفی را تشکیل می‌دهد که بیشتر آن‌ها از هیدروکربن‌ها یعنی مولکول‌هایی با هیدروژن و کربن تشکیل شده‌اند. آلیفاتیک‌ها همچون آلکان‌ها و آلکن‌ها و ترکیبات آروماتیک از جمله این هیدروکربن‌ها به شمار می‌آیند و سایر ترکیبات نیز با گروه‌های عاملی مختلف در این مخلوط‌های پیچیده شرکت دارند. در مراحل پالایش، برای جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام از روش تقطیر جز به جز استفاده می‌شود که در ادامه، شکل آزمایشگاهی و شکل پالایشگاهی (برج تقطیر) تقطیر جز به جز را جهت جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام مورد بررسی قرار می‌دهیم.

شکل آزمایشگاهی جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام

همانطور که گفته شد،‌ مخلوط پیچیده هیدروکربنی نفت خام را به کمک تقطیر جز به جز به برش‌های مختلفی تقسیم و جداسازی می‌کنند. در تصویر زیر، شکل آزمایشگاهی جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام را مشاهده می‌کنید.

با افزایش حرارت و بالا رفتن بخار نفت خام از ستون تقطیر،‌ ترکیبی با بالاترین نقطه جوش در ابتدا متراکم و به مایع تبدیل می‌شود و ترکیب با پایین‌ترین نقطه جوش در بالای ستون تقطیر باقی می‌ماند و در انتها وارد کندانسور و جمع‌آوری می‌شود. با این روش می‌توان برش‌هایی با نقطه جوش بالاتر و بازه نقطه جوش کم را تقطیر کرد.

فیلم آموزش مهندسی مخازن نفت و گاز ۱ در فرادرس

کلیک کنید

توجه داشته باشید که نفت خام را نمی‌توان به طور مستقیم مورد استفاده قرار داد و پیش از آن‌که در اختیار صنایع پتروشیمی قرار بگیرد باید با جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام آن‌را پالایش کرد. این فرآیند با تقطیر جز به جز نفت خام و تبدیل آن به برش‌های نفتی انجام می‌شود.

البته بعد از جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام باید مراحل دیگری نیز در فرآوری آن طی شود تا در نهایت به محصولات مختلف با پایه نفتی تبدیل شوند.

برش نفت خام چیست ؟

یک برش نفتی یا برش نفت خام به مخلوطی از هیدروکربن‌ها می‌گویند که مولکول‌های آن نسبت به یکدیگر شامل بازه نقطه جوش مشابه (نزدیک به هم) هستند که برای وقوع این شرایط، تعداد اتم‌های کربن در زنجیر هیدروکربنی باید با یکدیگر برابر باشند. در نتیجه، در هر برش نفتی، مولکول‌هایی با تعداد اتم کربن برابر و خواص فیزیکی مشابه خواهیم داشت.

تقطیر جز به جز نفت خام

در مرحله قبل، نحوه جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام را به شکل آزمایشگاهی بیان کردیم. در ادامه قصد داریم این فرآیند را به کمک برج تقطیر توضیح دهیم. چنین فرآیندی را با نام فرآیند پالایش نفت خام نیز می‌شناسند. بنزین، گازوئیل، نفت سفید و سایر محصولات به عنوان فرآورده‌های حاصل از پالایش و جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام شناخته می‌شوند.

در مقیاس صنعتی نیز برش‌های مختلف نفتی به کمک تقطیر جز به جز از یکدیگر جدا می‌شوند. با گرم شدن نفت خام،‌ بخارهای آن وارد ستون تقطیر (برج تقطیر) می‌شوند. پایین این برج، بسیار داغ است و با گذر گاز (بخارها) به طرف بالا، ‌دمای آن کاهش پیدا می‌کند. در اثر این اتفاق، فرآورده‌های مختلفی در دماهای مختلف از ستون تخلیه می‌شوند. البته برخی مواد همچون قیر و آسفالت در انتها باقی می‌مانند که از پایین ستون جمع‌آوری خواهند شد.

در این فرآیند، هرقدر طول زنجیره هیدروکربنی بیشتر باشد، نقطه جوش بالاتری خواهد داشت و نسبت به سایر ترکیبات، از بخش‌های پایینی برج خارج خواهد شد.

دسته بندی برش های نفت خام

روش‌های مختلفی برای دسته‌بندی برش‌های حاصل از جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام وجود دارد. یکی از روش‌های معمول این است که آن‌ها را به سه دسته برش‌های سبک، متوسط و سنگین تقسیم می‌کنند. بر این اساس، برش‌های سبک‌تر می‌توانند در بخش‌های بالایی برج تقطیر جداسازی شوند. در نهایت، این برش‌ها، خواص زیر را شامل می‌شوند:

• برش‌های تقطیری سبک: از جمله مهم‌ترین فرآورده‌های حاصل از جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام به شمار می‌آیند. چنین ترکیباتی، بازه نقطه جوش 70-200 درجه سانتی‌گراد دارند. هیدروکربن‌های پرکاربرد در این دسته بندی شامل بنزین، نفتا، نفت سفید، سوخت جت و پارافین هستند. چنین ترکیباتی بسیار فرار هستند و مولکول‌هایی کوچک با نقطه جوشی پایین دارند که به راحتی شعله‌ور می‌شوند.
• برش‌های تقطیری متوسط: این فرآورده‌ها بازه نقطه جوش ۲۰۰-۳۵۰ درجه سلسیوس دارند که از جمله آن می‌توان به گازوئیل و سایر ترکیبات مشابه اشاره کرد.
• برش‌های تقطیری سنگین: محصولاتی با کمترین فراریت و نقطه جوشی بالاتر از ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد هستند. این فرآورده‌ها جامد یا نیمه‌جامد هستند که برای حرکت کردن باید گرم شوند. نفت کوره از جمله مازوت، حاصل این برش نفتی است. از جمله ویژگی‌های این ترکیبات باید به مولکول‌های درشت،‌ فراریت کم و اشتعال‌پذیری کمتر نسبت به سایر برش‌ها اشاره کرد.

با این وجود، دو جزء اصلی در این دسته‌بندی لحاظ نشده‌اند. در بخش بالایی برج تقطیر، گازهایی با فراریت بالا از جمله پروپان و بوتان قرار دارند. در پایین برج نیز هیدروکربن‌هایی بسیار سنگین همچون قیر،‌ آسفالت و وکس (Wax) باقی می‌مانند.

نیروهای بین مولکولی و خواص فیزیکی

حال که با روش جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام آشنا شدیم می‌خواهیم به بررسی ارتباط نیروهای بین مولکولی با خواص فیزیکی هیدروکربن‌ها بپردازیم تا درک بهتری از فرآیند تقطیر جز به جز نفت خام داشته باشیم. برای سادگی کار بهتر است تصویری ذهنی از مولکول‌های هیدروکربن با زنجیره طویل کربنی داشته باشیم. این تصویر کمک می‌کند تا دلیل و نحوه ارتباط خواص فیزیکی با طول مولکول‌های هیدروکربن را بهتر درک کنیم.

با توجه به این تصویر در می‌یابیم که هرقدر هیدروکربن‌هایی با طول بلندتر داشته باشیم،‌ این مولکول‌ها انعطاف‌پذیری بیشتری دارند. توجه داشته باشید که خواص مهم فیزیکی هیدروکربن‌هایی همچون آلکان‌ها به نیروهای بین مولکولی بستگی دارد.

به طور کلی، هرقدر مولکول بزرگتری داشته باشیم، نیروهای جاذبه بین مولکولی نیز بیشتر خواهند بود. هرقدر مولکول‌های هیدروکربنی بزرگتر شوند، سطح تماس دو مولکول افزایش پیدا می‌کند و پیوندهای بین‌ مولکولی بیشتری خواهیم داشت. این امر در نهایت سبب افزایش ویسکوزیته، نقطه ذوب و جوش به همراه افزایش جرم مولکولی خواهد شد.

توجه داشته باشید که نیروهای بین مولکولی، بسیار ضعیف‌تر از پیوندهای کووالانسی هستند بنابراین، زمانی‌که این مولکول‌ها، به میزان کافی انرژی جنبشی داشته باشند، در اثر تبخیر، تغییری در ساختار مولکول‌ها بوجود نخواهد آمد. در تصویر بالا، نیروهای بین مولکولی به کمک نقطه‌چین نشان داده شده‌اند.

معرفی فیلم آموزش شبیه سازی فرایندهای پالایشگاهی با Aspen HYSYS

همانطور که در طول این متن به آن اشاره شد، جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام از جمله فرآیندهای پالایشگاهی به شمار می‌آید که آشنایی با نحوه شبیه‌سازی این فرآیندها برای دانشجویان و مهندسان شیمی از جمله موارد ضروری به شمار می‌آید و این شبیه‌سازی به کمک نرم‌افزارهایی از جمله «Aspen HYSYS» انجام می‌شود. به همین دلیل، «فرادرس» دوره‌ای ۶ ساعته را در قالب ۸ درس منتشر کرده است که در ادامه به توضیح آن خواهیم پرداخت.

در درس اول این آموزش، مشخصه‌یابی ترموفیزیکی آموزش داده می‌شود که از جمله مباحث مهم آن می‌توان به شبیه‌سازی برش نفتی اشاره کرد. در درس دوم و سوم با تقطیر اتمسفریک و تقطیر در خلا آشنا خواهیم شد. کراکینگ کاتالیستی و تبدیل کاتالیستی در درس‌های چهارم و پنجم بررسی می‌شوند.

عملیات هیدروکراکینگ،‌ آلکیلاسیون، ککینگ تاخیری و کاهش گرانروی به طور کامل در دروس ششم و هفتم مورد بررسی قرار می‌گیرند. در نهایت، درس هشتم ه شبیه‌سازی واحد بازیافت گوگرد اختصاص پیدا می‌کند.

فیلم آموزش شبیه سازی فرایندهای پالایشگاهی با اسپن هایسیس Aspen HYSYS در فرادرس

کلیک کنید

معرفی فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم - بخش شیمی

با توجه به این‌که کاربردهای نفت خام از جمله مباحث تدریس شده در علوم تجربی پایه نهم به شمار می‌آید،‌ «فرادرس» آموزش ویدیویی ۲ ساعته را در قالب سه درس منتشر کرده است که در ادامه به توضیح دروس آن خواهیم پرداخت.

در درس اول با انواع مواد و همچنین تعریف عنصر، پلیمر و جدول تناوبی آشنا خواهیم شد. در درس دوم، رفتار اتم‌ها با یکدیگر مورد بررسی قرار می‌گیرد که از جمله مباحث مهم آن می‌توان به نقش یون‌ها در بدن انسان اشاره کرد. انواع چرخه‌های موجود در طبیعت همچون چرخه آب و کربن و همچنین سوخت‌های فسیلی نیز از جمله مباحث مهم در درس سوم به شمار می‌آیند.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش شیمی در فرادرس

کلیک کنید

کاربرد برش های نفت خام

در بخش‌های قبل با جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام آشنا شدیم و یاد گرفتیم که هریک از این برش‌های نفتی جدا شده، در چه دسته‌بندی قرار می‌گیرند. علاوه بر این، دلیل اختلاف نقطه جوش هیدروکربن‌های مختلف را نیز یاد گرفتیم. در ادامه قصد داریم تا برش‌های مختلف نفت خام را بررسی کنیم تا اطلاعات بیشتری در رابطه با جداسازی اجزای تشکیل دهنده نفت خام بدست آوریم. هر یک از این برش‌ها را می‌توان به هیدروکربن‌هایی با تعداد مشخصی از اتم‌های کربن مرتبط کرد که در فهرست زیر آورده شده‌اند.

• مولکول‌هایی تا ۴ اتم کربن: این بخش بیشتر شامل گاز متان است که می‌توان از آن جهت تولید انرژی الکتریکی یا گرمایش منازل استفاده کرد. گازهایی همچون اتان و پروپان نیز در این بخش جای می‌گیرند.
• مولکول‌های ۵-۷ کربنی: در این بخش،‌ نیروهای بین مولکولی به اندازه‌ای قوی هستند تا نقطه جوش هیدروکربن‌ها به بیش از دمای اتاق برسد. سوخت خودروها باید در دمای اتاق به صورت مایع باشد تا ذخیره و حمل و نقل ساده‌تری داشته باشند و علاوه بر این، برای ترکیب با هوا در موتور خودرو نیز باید به راحتی تبخیر شوند.
• مولکول‌های ۱۰-۱۶ کربنی: این ترکیبات که شامل پارافین و نفت سفید هستند، مولکول‌های بزرگی دارند و بنابراین، نیروهای بین مولکولی در آن‌ها بیشتر است. به همین دلیل استفاده از این فرآورده‌ها به عنوان سوخت جت و همچنین گرمایش منازل، ایمنی بیشتری خواهد داشت.
• مولکول‌های ۱۴-۲۰ کربنی: این فرآورده‌ها شامل گازوئیل و نفت کوره هستند. گازوئیل سوختی غیرفرار است که نسبت به بنزین به سادگی آتش نمی‌گیرد. مولکول‌های نفت کوره نیز نیورهای بین مولکولی زیادی دارند که سبب افزایش ویسکوزیته خواهند شد. البته این ویسکوزیته به اندازه‌ای نیست که پمپ کردن سیال با دشواری همراه باشد در نتیجه به راحتی می‌توان از آن در دیگ بخار کشتی‌ها و موتور لوکوموتیو استفاده کرد.
• مولکول‌های بیش از ۲۱ اتم کربن: روانکارها، وکس و قیر از جمله این ترکیبات به شمار می‌آیند. روانکارها سیالاتی ویسکوز هستند که به سطوح می‌چسبند و به دلیل نیروهای بین مولکولی قوی، خاصیت فرار ندارند. وکس به عنوان سوخت جامد نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. قیر نیز در دمای اتاق به شکل جامد قرار دارد اما در اثر حرارت، به سادگی ذوب می‌شود و برای آسفالت کردن جاده‌ها از آن بهره می‌گیرند.