نفت خام اغلب به شکل امولسیون آب در نفت خام از مخازن استخراج می شود. تعلیق شکن (Demulsifier) شیمیایی یکی از ضروری ترین مواد مورد استفاده در صنایع نفت و گاز است که وظیفه اصلی آن ناپایدارسازی این امولسیون ها و جداسازی آب و نمک از نفت خام است. فرمولاسیون دمولسیفایر های مورد استفاده اغلب پیچیده و متشکل از چندین نوع پلیمر و سورفکتنت است. همچنین باید توجه داشت با توجه به نوع نفت مخازن و شرایط عملیاتی، نوع دمولسیفایر مورد استفاده نیز باید تغییر پیدا کند.
یک دمولسیفایر مناسب باید بتوانند در زمان کوتاهی با تخریب فیلم پیرامون قطرات آب، باعث جدایی آب از نفت خام شوند. عوامل زیادی بر انتخاب تعلیق شکن شیمایی مناسب تاثیر می گذارد که از جمله می توان شرایط عملیاتی، درصد آب و همچنین قیمت تمام شده و غلظت مصرفی دمولسیفایر اشاره کرد انجام آزمایش بطری یک روش متداول برای تعیین فرمولاسیون بهینه دمولسیفایر است.
دلایل افزودن آب به نفت خام
- ازدیاد برداشت نفت خام: روش اولیه مانند پمپاژ طبیعی تنها می تواند بخشی از نفت خام را از مخازن نفتی استخراج کند. به همین دلیل برای افزایش برداشت، از روش های ازدیاد برداشت استفاده می شود. استفاده از این روش ها از سویی باعث کاهش قیمت نفت خام و از سوی دیگر توانایی پاسخگویی به نیاز نفت خام در جهان می شود. یکی از روش های ازدیاد برداشت نفت خام، تزریق آب به مخازن نفت خام است تا به کمک آن بتوان مقدار نفت خام بیشتری از مخازن نفتی استخراج کرد. به ویژه در مخازنی که دچار افت فشار می شوند، با تزریق آب می توان فشار مخزن را مدیریت کرد.
- کاهش گرانروی: در مورد نفت های فوق سنگین که گرانروی (ویسکوزیته) زیادی دارند، در دمای محیط به راحتی جاری نمی شوند و انتقالشان را با مشکل رو به رو می کنند. افزودن آب به نفت فوق سنگین باعث کاهش گرانروی آن می شود که در نتیجه باعث سهولت در حمل و نقل و انتقال آن می شود.
- بهبود فرآیند استخراج: در روش های استخراج حرارتی، می توان از آب به عنوان یک عامل حرارتی استفاده کرد که به کاهش چسبندگی نفت و تسهیل جریان نفت خام کمک می کند.
مکانیزم تشکیل امولسیون آب در نفت خام
امولسیون به اختلاط دو مایع امتزاج ناپذیر با یک دیگر گفته می شود به طوری که یک مایع به صورت قطرات پایدار در داخل مایع دیگر پراکنده شود. در صنعت نفت و گاز اغلب با دو امولسیون آب در نفت خام و امولسیون نفت در آب مواجه می شویم.
علت تشکیل امولسیون آب در نفت خام وجود ذرات جامد و همچنین مواد فعال سطحی طبیعی موجود در نفت خام (مانند آسفالتن ها، رزین ها) است. این مواد با تشکیل یک فیلم صلب و ویسکوالاستیک پیرامون قطرات آب از انعقاد و جدایش آب از نفت خام جلوگیری می کنند.
مضرات امولسیون آب در نفت خام
تشکیل امولسیون آب در نفت خام می تواند باعث مشکلات متعددی در صنایع نفت و گاز شود. علاوه بر کاهش کیفیت نفت خام و مشکلاتی در حمل و نقل نفت خام، این امولسیون ها می توانند باعث ایجاد مشکلات دیگری مانند مسمومیت کاتالیست ها در پالایشگاه ها شوند. خرابی و خوردگی لوله ها و پمپ ها از دیگر مضرات امولسیون آب در نفت خام است. بنابراین جداسازی آب از نفت خام یک امر ضروری و اجتناب ناپذیر در صنعت نفت و گاز است.
جدول۱. ویژگی های برخی از میادین نفتی ایران.
| نام میدان نفتی | API | Sulfur % |
| فروزان | ۱۵-۳۵ | ۱.۵-۲.۱ |
| درود | ۲۰-۲۵ | ۲.۶-۳.۳ |
| خارک | ۱۳-۳۰ | ۲.۱-۳.۸ |
تعلیق شکن، دمولسیفایر (Demulsifier)
همان طور که در ابتدای بحث اشاره شد، تشکیل امولسیون آب در نفت خام (water in crude oil) باعث مشکلات زیادی در صنعت نفت و گاز می شود. روش های گوناگونی برای جداسازی آب از نفت خام وجود دارد که می توان به روش های گرمایی، زیستی (میکروارگانیسم ها)، الکتریکی، و شیمیایی (دمولسیفایر یا همان تعلیق شکن) اشاره کرد. در بین روش های مختلف، روش های شیمیایی به عنوان موثرترین و اقتصادی ترین روش برای ناپایدارسازی امولسیون های آب در نفت خام شناخته می شوند.
اجزا تعلیق شکن شیمیایی
در واقع دمولسیفایرها دارای فرمولاسیون پیچیده از مواد مختلف هستند، که می توانند به طور موثر آب را از نفت خام جداسازی کنند. مهم ترین اجزا فرمولاسیون تعلیق شکن های شیمیایی در ادامه آورده می شود.
- ترکیبات آلی: در این دسته می توان به موادی مانند الکل ها و حلال های آلی مانند تولوئن اشاره کرد.
- پلیمر: از پلیمرهای مختلفی در آب زدایی از نفت خام استفاده می شود. هریک از پلیمرها باتوجه به وزن مولکولی و میزان آب دوستی که دارند برای نفت خام خاصی کاربرد دارند.
- سورفکتنت ها: این دسته از ترکیبات شیمیایی با کاهش کشش سطحی می توانند به جداسازی آب از نفت خام کمک کنند. سورفکتنت ها با توجه به بار گروه آب دوست خود به چهار دسته سورفکتنت های کاتیونی، آنیونی، غیر یونی و آمفیفیلیک (Amphiphilic) تقسیم بندی می شوند.
مکانیسم عملکرد تعلیق شکن های شیمیایی
مکانیزم جداسازی امولسیون آب در نفت توسط دمولسیفایرهای شیمیایی را می توان با توجه به مراحل زیر توضیح داد:
- کاهش کشش سطحی: معمولا با جذب دمولسیفایر به سطح مشترک آب و نفت، کشش سطحی بین دو فاز کاهش پیدا می کند.
- جایگزینی: هنگامی که تعلیق شکن شیمیایی جایگزین آسفالتن ها در نفت خام می شود، ساختار فیلم پیرامون قطرات آب را تحت تاثیر قرار می دهد.
- شناور سازی و انعقاد: برخی از تعلیق شکن ها توانایی شناورسازی را دارند و قطرات آب را در کنار یکدیگر قرار می دهند. یکی از مراحل مهم تعلیق زدایی، انعقاد قطرات با یکدیگر است. در این مرحله فیلم پیرامون قطرات از بین می رود و دو قطره به یک دیگر متصل می شوند.
- جداسازی: بعد از انعقاد قطرات به یک دیگر، دو فاز به علت نیروی گرانش از یک دیگر جدا می شوند. معمولا چون آب چگالی بیشتری دارد، در ته ظرف جمع می شود.
- کاهنده ویسکویته: برخی از تعلیق شکن ها توانایی کاهش گرانروی نفت خام را دارند، در نتیجه می توانند جداسازی آب از نفت خام را سریع تر کنند.
عوامل موثر بر تعلیق زدایی
عوامل زیادی می توانند که بر سرعت و میزان جداسازی آب از نفت خام تاثیر بگذارند.
- نوع نفت خام: ترکیب درصد اجزا نفت خام مانند میزان آسفالتن موجود در نفت خام تاثیر زیادی در پایداری امولسیون آب در نفت خام دارند. همچنین گرانروی هر نفت خام می تواند در اثرگذاری دمولسیفایر موثر باشد. همچنین به طور معمول برای نفت های سنگین میزان بیشتری از تعلیق شکن شیمیایی مورد نیاز است.
- دما: یکی از مهم ترین عوامل در جداسازی آب از نفت خام، دمای انجام عملیات تعلیق زدایی است. به طور کلی با افزایش دما، سرعت تعلیق زدایی افزایش پیدا می کند. افزایش دما باعث کاهش نفت خام و افزایش سرعت حرکت دمولسیفایر می شود. در نتیجه سرعت تعلیق زدایی افزایش پیدا می کند.
- میزان غلظت تعلیق شکن: همیشه برای جداسازی موفق آب از نفت خام لازم است که مقدار کافی از تعلیق شکن به نفت خام افزوده شود. البته باید توجه کرد افزودن مقدار اضافی از تعلیق شکن به نفت خام باعث اور دوز (over dosage) می شود و در نتیجه عملکرد دمولسیفایر کاهش پیدا می کند.
- درصد آب: یکی از عواملی که بر میزان عملکرد تعلیق شکن (Emulsion breaker) اثر زیادی دارد، درصد آب موجود در امولسیون است. به طور کلی هرچه مقدار آب در امولسیون بیشتر باشد عملکرد تعلیق شکن بهتر می شود.
- شرایط عملیاتی: برخی از شرایط عملیاتی مانند زمان ماند، تاثیر قابل توجهی بر جداسازی آب از نفت خام دارد.
انواع تعلیق شکن
تعلیق شکن های شیمیایی را می توان بر اساس انحلال آن ها به دو دسته تقسسیم بندی کرد:
- محلول در آب: این دمولسیفایر ها دارای آب دوستی نسبتا بالایی هستند. از مزایای استفاده از این تعلیق شکن ها می توان به سازگاری بیشتر این تعلیق شکن ها با محیط زیست اشاره کرد. همچنین به علت ارزان بودن حلال این تعلیق شکن ها می توان انتظار داشت که از لحاظ اقتصادی صرفه بیشتری داشته باشند.
- محلول در حلال آلی: این دسته از دمولسیفایرها در حلال هایی مانند الکل ها و یا حلال های آروماتیک مانند تولوئن محلول هستند. در فرمولاسیون این تعلیق شکن ها خود حلال نیز می تواند در تعلیق زدایی نقش ایفا کند.
ویژگی های دمولسیفایرهای شرکت شیمیایی تصفیه
شرکت شیمیایی تصفیه با طراحی پلیمرهای مختلف و تهیه فرمولاسیون های جدید، توانسته است که تعلیق شکن هایی کارآمد و موثر تولید کند. برخی از ویژگی های تعلیق شکن های شرکت شیمایی تصفیه به شرح زیر است:
- داشتن عملکرد مناسب بدون نیاز به دمای بالا
- جداسازی سریع آب و نفت خام
- کیفیت بالای آب جدا شده
- توانایی جداسازی آب در غلظت های کم
انتخاب دمولسیفایر مناسب
از آن جایی که انتخاب تعلیق شکن مناسب نقش مهمی در جلوگیری از آسیب های امولسیون آب در نفت خام دارد، در ادامه به چگونگی تهیه دمولسیفایر مناسب پرداخته می شود.
آزمایش بطری به عنوان متداول ترین و موثر ترین روش برای انتخاب دمولسیفایر شناخته می شود. بدین صورت که مقدار ماده مورد نظر از دمولسیفایر به بطری مدرج حاوی امولسیون نفت خام افزوده می شود و به میزان کافی بطری تکان داده می شود. در نهایت میزان جداسازی آب از نفت خام در زمان های مختلف ثبت می شود.
باید توجه داشت که بین شرایط آزمایش بطری و شرایط عملیاتی باید همخوانی و مطابقت وجود داشته باشد. مثلا دمای آزمایش بطری مطابق دمای واقعی باشد.
در ارزیابی انتخاب بهترین تعلیق شکن باید شرایط مختلفی مانند سرعت جدایش، کیفیت آب جدا شده، میزان غلظت مورد نیاز و قیمت را در نظر گرفت.
کاربرد دمولسیفایر
تعلیق شکن ها در صنایع مختلف شیمیایی کاربرد دارند که در ادامه به برخی از مهم ترین آن ها اشاره می شود:
- جداسازی آب از نفت خام: یکی از مهم ترین کاربردهای تعلیق شکن های شیمیایی جداسازی آب همراه نفت خام در استخراج نفت خام از مخازن است.
- پالایشگاه پتروشیمی: در برخی از پالایشگاه نیز برای جلوگیری از خرابی دستگاه ها و جلوگیری خوردگی از تعلیق شکن استفاده می شود.
- صنعت تولید روان کننده: تعلیق شکن ها در تولید روان‌کننده‌ها برای جداسازی آب از روغن‌ها کاربرد دارند، که به بهبود کیفیت محصولات نهایی کمک می‌کند.
- پساب های نفتی: پساب های نفتی که به صورت امولسیون نفت در آب هستند، می توانند آسیب های جبران ناپذیری بر روی محیط زیست بگذارند. تعلیق شکن ها علاوه بر ناپایداری امولسیون های آب در نفت خام، می توانند در جداسازی آب در امولسیون های نفت در آب نیز موثر باشند.
دمولسیفایر نفت در آب
همان طور که گفته شد دو نوع امولسیون در صنایع نفت و گاز وجود دارد، امولسیون آب در نفت خام و امولسیون نفت در آب. هر کدام از تعلیق شکن ها مضرات مخصوص به خود را دارد.
از بین بردن امولسیون نفت خام در آب اهمیت زیست محیطی زیادی دارد؛ زیرا وجود این امولسیون ها باعث مرگ و میر آبزیان می شود. همچنین می تواند سلامت انسان ها را مورد تهدید قرار دهد.
طبیعی است که برای ناپایدارسازی امولسیون نفت در آب باید تعلیق شکن های مخصوص با آن ساخته شود و معمولا نمی توان از تعلیق شکن های امولسیون آب در نفت استفاده کرد. شرکت شیمیایی تصفیه با استفاده از دانش فنی متخصصین خود توانایی طراحی و ساخت این دسته از تعلیق شکن ها را دارد.
آینده تعلیق شکن (دمولسیفایر) در جهان و ایران
هرچند استفاده از سوخت های فسیلی در جهان رو به کاهش است ولی استفاده از نفت خام در جهان در بخش پتروشیمی همچنان رو به رشد است. به طوری که در طی دو دهه تقریبا میزان تولید نفت خام در جهان ۲۰ میلیون بشکه در روز افزایش داشته است. در کشور ایران نیز نفت خام علاوه بر صادرات در پالایشگاه ها و پتروشیمی های این کشور مصرف می شود. بنابراین هم در جهان و هم در ایران مصرف دمولسیفایر روبه افزایش است.
چالش های استفاده از تعلیق شکن ها
- نوع نفت: همان طور که اشاره شد تقریبا هیچ گونه تعلیق شکنی وجود ندارد که برای همه نفت ها مناسب باشد. بلکه با تغییر نوع نفت در مخازن مختلف میزان عملکرد تعلیق شکن ها دستخوش تغییر می شود.
- اثرات زیست محیطی: متاسفانه اغلب تعلیق شکن های شیمیایی دارای اثرات مخربی بر محیط زیست هستند. در سال های اخیر تحقیق و توسعه در مورد ساخت تعلیق شکن های دوستدار محیط زیست مورد توجه زیادی قرار گرفته است.
- قیمت دمولسیفایر: یکی از مولفه های مهم برای تعلیق شکن ها، قیمت تمام شده این محصولات است. امروزه تلاش می شود با طراحی و ساخت تعلیق شکن هایی که در غلظت پایین عمل می کنند، بتوان قیمت تمام شده فرمولاسیون دمولسیفایر را کاهش داد.