مقدمه
پالایشگاه‌های نفت، ستون فقرات اقتصاد، مالی و مهندسی مدرن هستند. بدون محصولات تصفیه‌شده آنها، جهان متوقف می‌شود؛ خودروها بدون بنزین، هواپیماها بدون سوخت جت و خانه‌ها بدون نفت گرمایشی خواهند ماند.
واحدهای تقطیر اولیه (Topping Refinery) با محدودیت ذاتی در تولید محصولات نفتی خارج از الگوی طبیعی خوراک نفت خام مواجه هستند. این واحدها در مواردی که سهم بیشتری از باقیمانده‌ها و سایر فرآورده‌های با ارزش بازار پایین‌تر تولید می‌شود، بازده منفی یا بسیار کمی دارند. افزایش درآمد از طریق بهبود بازده یا افزایش ظرفیت پردازش و کاهش هزینه‌های عملیاتی یا سرمایه‌گذاری انتظار می‌رود که قابلیت حیات این واحدها را بهبود بخشد.
با توجه به استفاده از خوراک‌هایی با گرانروی کمتر (API gravity بالاتر)، تولید فرآورده‌های با ارزش پایین‌تر به حداقل می‌رسد و بازیابی محصولات اضافی برای گسترش سبد محصولات، به ویژه تولید نفت سفید و گازوئیل، به دلیل اختلاف قیمت بیشتر نسبت به نفت خام ورودی، درآمد را افزایش می‌دهد. اگرچه افزایش ظرفیت پردازش نیازمند سرمایه گذاری و هزینه‌های عملیاتی بیشتری است، اما انتظار می‌رود هزینه واحد در هر بشکه نصب شده به دلیل اقتصاد مقیاس کاهش یابد. در خلاصه، تأثیر ترکیبی افزایش درآمد از بازده بالاتر و سبد محصولات گسترده‌تر و کاهش هزینه‌های واحد از طریق افزایش ظرفیت پردازش، قابلیت حیات واحدهای تقطیر اولیه را حفظ می‌کند.
فرآیندهای موجود در واحد Topping (پالایش اولیه)
واحد Topping یا پالایشگاه اولیه، اولین و اساسی‌ترین مرحله در پالایش نفت خام است. در این واحد، نفت خام به اجزای مختلفی بر اساس نقطه جوش تفکیک می‌شود. فرآیند اصلی در این واحد، تقطیر اتمسفری است.
تقطیر اتمسفری (Atmospheric Distillation)
تقطیر اتمسفری فرایندی است که در آن نفت خام گرم شده و بخارات حاصل به یک برج تقطیر وارد می‌شوند. در این برج، به دلیل اختلاف در نقطه جوش، اجزای مختلف نفت خام از هم جدا می‌شوند. اجزای سبک‌تر مانند بنزین به سمت بالای برج حرکت کرده و اجزای سنگین‌تر مانند نفت کوره در پایین برج جمع می‌شوند.
1. پیش گرمایش نفت خام
- هدف: افزایش دمای نفت خام تا نزدیک به نقطه جوش برخی از اجزای آن.
- روش: نفت خام از طریق مبدل‌های حرارتی عبور داده می‌شود و با استفاده از بخارات محصولات سبک‌تر گرم می‌شود. این کار باعث کاهش مصرف انرژی در مرحله بعدی (کوره) می‌شود.
2. تبخیر در کوره
- هدف: تبدیل کامل نفت خام به بخار.
- روش: نفت خام پیش گرم شده وارد یک کوره بزرگ می‌شود. در داخل کوره، مشعل‌هایی وجود دارند که با سوزاندن سوخت، گرمای لازم برای تبخیر کامل نفت خام را تامین می‌کنند.
3. ورود بخارات به برج تقطیر
- هدف: جداسازی اجزای مختلف نفت خام بر اساس نقطه جوش.
- روش: بخارات حاصل از کوره وارد بخش پایین یک برج استوانه‌ای شکل می‌شوند که به برج تقطیر معروف است. این برج دارای سینی‌های متعددی است که هر سینی دارای سوراخ‌ها و کلاهک‌هایی است.
4. جداسازی در برج تقطیر
- اصول جداسازی: بخارات در حین بالا رفتن از برج، سرد می‌شوند. با کاهش دما، اجزای سنگین‌تر به مایع تبدیل شده و روی سینی‌ها جمع می‌شوند. اجزای سبک‌تر به صورت بخار به سمت بالای برج حرکت می‌کنند.
- نقش سینی‌ها: سینی‌ها به عنوان سطوح تماس بین بخار و مایع عمل می‌کنند. بخارهای بالا رونده با مایع روی سینی تماس پیدا می‌کنند و بخشی از بخار متراکم شده و به مایع اضافه می‌شود.
- بازگشت مایع: بخشی از مایع روی هر سینی به صورت برگشتی به سینی پایین‌تر هدایت می‌شود تا تماس بیشتری بین بخار و مایع برقرار شود و جداسازی به صورت موثر انجام شود.
5. خروج محصولات
- محصولات جانبی: در سطوح مختلف برج، محصولات مختلفی از جمله نفتا، بنزین، نفت سفید و گازوئیل به صورت مایع از برج خارج می‌شوند.
- محصول ته برج: سنگین‌ترین اجزای نفت خام که در پایین برج باقی می‌مانند به عنوان نفت کوره از برج خارج می‌شوند.
- بخارات بالای برج: بخارات سبک‌ترین اجزا که به بالای برج می‌رسند، پس از چگالش به صورت گازهای نفتی جمع‌آوری می‌شوند.
کاربرد اصلی واحدهای تقطیر اولیه (Topping Plant)
شایع‌ترین کاربرد واحدهای تقطیر اولیه، بازیابی سوخت‌های حمل‌ونقل و سوخت‌های گرمایشی از مناطق دور افتاده با ذخایر نفتی کم است.
پیچیدگی واحدهای پالایشگاهی
واحدهای تقطیر اولیه دارای پیچیدگی کمتری نسبت به پالایشگاه‌های کامل هستند. آنها تنها عملیات تقطیر اولیه و عملیات‌های پشتیبانی پایه را انجام می‌دهند و توانایی تغییر الگوی طبیعی تولید محصولات از نفت خام را ندارند. این ساده‌ترین پیکربندی پالایشگاهی است که برای آماده‌سازی خوراک برای تولید مواد شیمیایی پتروشیمی یا تولید سوخت‌های صنعتی در مناطق دور افتاده تولید نفت طراحی شده است. همچنین، واحد تقطیر اولیه اساساً یک برج تقطیر است که نفت خام را به اجزای اصلی آن تقسیم می‌کند. جدول 1 به وضوح طبقه‌بندی پالایشگاه‌ها را نشان می‌دهد.
این مطالعه بر آن است با استفاده از داده‌های صنعتی پالایشگاه خانگیران، به طراحی و شبیه‌سازی واحد تاپینگ با نرم‌افزار اسپن‌هایسیس بپردازد. با مدل‌سازی این واحد، امکان تحلیل رفتار فرآیند تحت شرایط مختلف عملیاتی فراهم می‌شود که می‌تواند منجر به بهبود عملکرد و افزایش بازدهی تولید گردد. به علاوه، شبیه‌سازی می‌تواند به شناسایی تأثیر پارامترهای مختلف مانند دما، فشار و ترکیب خوراک بر روی کیفیت و مقدار محصولات تولیدی کمک کند.
این فعالیت می‌تواند به‌عنوان یک ابزار تصمیم‌سازی برای مدیران پالایشگاه در راستای بهبود فرآیندها و ارتقاء کیفیت محصولات مورد استفاده قرار گیرد.
پالایشگاه خانگیران در یک نگاه
پالایشگاه شهید هاشمی نژاد متشکل از ۵ واحد پالایشی و ۲ واحد نم زدائی گنبدلی و شوریجه می باشد. ظرفیت طراحی هر کدام از واحدهای پالایشی این شرکت ۳۴۶ و حداکثر ۴۰۰ هزار مترمکعب در ساعت (۵۸ میلیون متر مکعب در روز) و ظرفیت طراحی دو واحد نم زدائی نیز ۷،۶ میلیون مترمکعب در روز می باشد.
محصولات این مجتمع پالایشی شامل؛
- گاز سبک
- مایعات گازی
- محصولات واحد تقطیر (نفتا، نفت سفید، نفت گاز و حلال)
- گوگرد
با توجه به بالا بودن میزان گازهای سمی در گاز استحصالی از میدان مزدوران (۳،۵ درصد گاز H۲S و ۶،۵ درصد گاز CO۲) این پالایشگاه روزانه ۲۶۴۰ تن گوگرد تولید می نماید. شایان ذکر است در این پالایشگاه سه برش مایعات گازی به نام های:
- S-300: مایعات گازی شیرین واحد نم زدائی شوریجه
- S-400: مایعات گازی شیرین واحد نم زدائی گنبدلی
- S-500: مایعات گازی ترش تولیدی در واحدهای پالایشی
تولید می گردد که این محصولات مایع:
۱. به عنوان سوخت دوم دیگ های بخار فشار قوی مصرف می شود.
۲. به عنوان خوراک واحد تقطیر استفاده شده و به محصولات با ارزش تری تبدیل می شود. (در جهت تبدیل و استفاده بهینه از مایعات گازی فوق الذکر دو واحد تقطیر نیز از در سال ۱۳۸۴ در این مجتمع پالایشگاهی تاسیس شده است)
۳. بخشی از آن نیز به شرکت ملی پالایش و پخش فراورده های نفتی جهت فراوری و توزیع تحویل می گردد.
شبیه سازی واحد Topping پالایشگاه خانگیران با داده های صنعتی
واحد تقطیر پالایشگاه گاز خانگیران در سال 1993 با همکاری شرکتI.M.Sو شرکت ملی گاز ایرانN.I.G.Cبه منظور تقطیر میعانات گازی موجود در گاز استحصالی از حوضچه های گاز طبیعی موجود در منطقه، احداث گردید. هدف نهایی از احداث این واحد تبدیل میعانات نفتی به محصولاتی با ارزش افزوده بیشتر مانند نفتا، ماده حلال، نفت سفید و دیزل بوده است. در این پروژه با توجه به نقش بسیار پر اهمیت شبیه سازی فرآیندهای صنعتی در تحلیل رفتار آنها، بررسی و امکان سنجی ایجاد تغییرات ساختاری و هدفمند در طراحی واحد، بررسی و پیش بینی تاثیر تغییر متغیر های عملیاتی مختلف در عملکرد واحد و همچنین با توجه به هزینه اندک شبیه سازی، به شبیه سازی واحد Topping خانگیران پرداخته شده است. برای شبیه سازی از نرم افزار اسپن هایسیس استفاده شده است.
نقشه های P&id واحد Topping
P&ID مخفف Piping and Instrumentation Diagram است. این یک نقشه مهندسی دقیق است که تجهیزات فرآیند و ابزارآلات مورد استفاده برای کنترل یک فرآیند را نشان می‌دهد. P&IDها ابزارهای ضروری در صنایع فرآیندی مانند نفت و گاز، شیمیایی، دارویی و غذا و نوشیدنی هستند.
نقشه P&id واحد Topping پالایشگاه خانگیران
در مورد واحد Topping پالایشگاه خانگیران، نقشه های P&ID جزئیات تمامی لوله‌ها، شیرآلات، مخازن، مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها، ابزارهای اندازه‌گیری و کنترل را که در فرآیند تقطیر نفت خام به محصولات مختلف دخیل هستند، به نمایش می‌گذارد که در این پروژه P&ID های محصولات خروجی از برج واحد ، تجهیزات و هیتر واحد Topping به نمایش گذاشته شده است.
-
محصولات خروجی از برج واحد Topping
-
P&ID تجهیزات واحد Topping
-
P&ID هیتر واحد Topping
نتیجه گیری
فرآیند اصلی در واحد Topping، تقطیر اتمسفری است که بر اساس اختلاف در نقطه جوش، نفت خام را به اجزای مختلفی تفکیک می‌کند. محصولات حاصل از این واحد به عنوان خوراک واحدهای بعدی پالایش و همچنین به عنوان محصولات نهایی به بازار عرضه می‌شوند. که در این پروژه شبیه سازی واحد Topping به کمک نرم افزار Aspen hysys صورت گرفت.
جهت خرید این پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر از طریق لینک زیر اقدام بفرمایید.