کاربرد جاذب اکسیژن (oxygen scavengers) در صنعت نفت و گاز

وجود اکسیژن یک چالش مهم در صنعت نفت و گاز است که منجر به خوردگی شدید، تخریب هیدروکربن ها و تشکیل محصولات جانبی ناخواسته می شود. حذف کننده های اکسیژن نقش مهمی در کاهش این مسائل، تضمین طول عمر تجهیزات و کیفیت سیالات تولید شده ایفا می کنند. این مقاله به مکانیسم‌ها، انواع، کاربردها و ملاحظات مربوط به جاذب‌های اکسیژن در بخش نفت و گاز می‌پردازد.

شرکت شیمیایی تصفیه تولیدکننده پیشرو در انواع جاذب های مورد نیاز صنایع، طیف گسترده ای از جاذب های اکسیژن را با گستره متفاوتی از خلوص تولید می کند. این امر سبب می شود جاذب اکسیژن تولید شده در شرکت ما، از گرید صنعتی برای استفاده در صنعت نفت و گاز تا گرید خوراکی برای استفاده در صنایع غذایی کاربرد وسیعی داشته باشد.

چرا به جاذب اکسیژن (اکسیژن اسکونجر) احتیاج داریم؟

پیشگیری از خوردگی: اکسیژن عامل اصلی خوردگی در سیستم های تولید و حمل و نقل نفت و گاز است. با سطوح فلزی واکنش می دهد و اکسیدها و سولفیدهایی را تشکیل می دهد که تاسیسات فلزی را ضعیف می کند و منجر به نشت و خرابی می شود. جاذب های اکسیژن به طور موثری اکسیژن محلول را حذف می‌کنند، خوردگی را به حداقل می‌رسانند و عمر خطوط لوله، کشتی‌ها و تجهیزات چاه را افزایش می‌دهند.

حفظ کیفیت هیدروکربن ها: اکسیژن می تواند هیدروکربن ها را تجزیه کند و منجر به تشکیل رزین ها و اسیدها شود. این محصولات جانبی می توانند تجهیزات را آلوده کنند، همچنین محصولات خوردگی خطوط لوله را مسدود کنند و کیفیت نفت و گاز تولیدی را کاهش دهند. حذف کننده های اکسیژن با جلوگیری از این واکنش های نامطلوب به حفظ کیفیت هیدروکربن کمک می کنند.

کنترل سولفید هیدروژن H_۲S: در حضور اکسیژن، باکتری های کاهنده سولفات (SRB) می توانند رشد کنند و گاز سمی و خورنده H_۲S تولید کنند. جاذب های اکسیژن با کاهش اکسیژن موجود، فعالیت باکتری هایSRB را محدود می کنند، بنابراین تولید H_۲S و خطرات مرتبط با آن را کنترل می کنند.

انواع جاذب اکسیژن

جاذب‌ ‌های مبتنی بر سولفیت

اینها یکی از رایج‌ترین جاذب‌های اکسیژن هستند که از نمک‌های سولفیت یا بی سولفیت (مانند سولفیت سدیم، بی سولفیت آمونیوم) برای واکنش با اکسیژن و تشکیل سولفات استفاده می‌کنند. آنها در طیف گسترده ای از شرایط pH و دما موثر هستند و اغلب توسط فلزات واسطه مانند کبالت یا نیکل کاتالیز می شوند تا واکنش پذیری خود را افزایش دهند.

کاربردها

به طور گسترده در دیگهای بخار، سیستم های تصفیه آب و سیستم های تولید استفاده می شوند.
برای حذف اکسیژن در سیالات حفاری موثر است
ممکن است نیاز به دوزهای بالاتر در مقایسه با سایر جاذب ها داشته باشند.

سولفیت سدیم (Na_۲SO_۳): سولفیت سدیم یک جاذب پرکاربرد، مقرون به صرفه و به راحتی در دسترس است. با اکسیژن در نسبت مولی ۱:۱ واکنش می دهد و سولفات سدیم را تشکیل می دهد. اثربخشی آن تحت تأثیر pH، دما و حضور کاتالیزورها است.

۲ Na_۲SO_۳ + O_۲ → ۲ Na_۲SO_۴

کاربردها:

سیستم های تزریق آب: از خوردگی اکسیژن در خطوط لوله و چاه های تزریقی جلوگیری می کند، نرخ تزریق را حفظ می کند و از یکپارچگی مخزن محافظت می کند.

تولید نفت: خوردگی اکسیژن را در سیستم های تولید از جمله خطوط لوله، جداکننده ها و مخازن ذخیره کنترل می کند.

بویلر: اکسیژن را برای جلوگیری از خوردگی در بویلرهای مورد استفاده برای تولید بخار و سایر فرآیندها حذف می کند.

بی سولفیت آمونیوم (NH_۴HSO_۳): این ماده در شرایطی که یون های سدیم نامطلوب هستند ترجیح داده می شود، مانند سیستم های بخار که سدیم می تواند در سیستم باقی بماند و به ایجاد رسوب کمک کند. آمونیوم بی سولفیت با اکسیژن مشابه سولفیت سدیم واکنش می دهد و سولفات آمونیوم را تشکیل می دهد. به دلیل حلالیت بالاتر و سرعت واکنش سریعتر در مقایسه با سولفیت سدیم مورد علاقه است.

۲ NH_۴HSO_۳ + O_۲ → ۲ (NH_۴)_۲SO_۴

کاربرد ها:

استفاده در سیالات حفاری: از خوردگی اکسیژنی در عملیات حفاری به ویژه در چاه های با دما و فشار بالا جلوگیری می کند.

استفاده در سیالات تکمیلی: همچنین در عملیات چاه از تجهیزات تکمیل چاه نیز محافظت می کند و با حذف اکسیژن از سیالات تکمیلی، از آسیب سازند جلوگیری می کند.

جلوگیری از انفجار جریان گاز هیدروکربنی: اکسیژن را از جریان گاز طبیعی حذف می کند و از تشکیل مخلوط های انفجاری جلوگیری می کند.

متا بی سولفیت سدیم (Na_۲S_۲O_۵): این ترکیب وقتی در آب حل می شود، بی سولفیت سدیم را تشکیل می دهد. غلظت بالاتری از یون‌های سولفیت را در مقایسه با سولفیت سدیم ایجاد می‌کند و از نظر ذخیره و حمل و نقل کارآمدتر می‌شود.

Na_۲S_۲O_۵ + H_۲O → ۲ NaHSO_۳

۲ NaHSO_۳ + O_۲→ ۲ Na_۲SO_۴

کاربرد ها:

در فرایند های تحت فشار بالا برای حذف اکسیژن و جلوگیری از خوردگی در چاه استفاده می شود.

تصفیه آب: اکسیژن را از آب تولیدی و دیگر جریان های آب برای جلوگیری از خوردگی در تاسیسات حذف می کند.

استفاده در عملیات پیگرانی (pipeline Pigging): عملیات pigging برای حذف اکسیژن و جلوگیری از خوردگی در طول تمیز کردن و نگهداری خط لوله استفاده می شود.

جاذب های پایه کربوهیدراتازید:

کربوهیدراتازید و مشتقات آن به سرعت با اکسیژن واکنش می دهند و برای کاربردهایی که نیاز به حذف سریع اکسیژن دارند مناسب می شوند. آنها اغلب همراه با کاتالیزورها استفاده می شوند و به ویژه در محیط های با دمای بالا موثر هستند.

مزایا:

سرعت واکنش بسیار سریع، ایده آل برای حذف سریع اکسیژن

موثر در محیط های با دمای بالا

اغلب با کاتالیزورها برای افزایش عملکرد بیشتر استفاده می شوند.

کاربرد

معمولاً در سیستم‌های تولید و خطوط لوله استفاده می‌شود که در آن جمع‌آوری سریع اکسیژن حیاتی است.

مناسب برای کاربردهای با دمای بالا مانند تولید بخار

می تواند گران تر از جاذب های مبتنی بر سولفیت باشد.

ممکن است به دلیل واکنش پذیری احتمالی نیاز به نگهداری و ذخیره سازی دقیق داشته باشد.

حذف کننده های مبتنی بر هیدروکینون

هیدروکینون و مشتقات آن حذف کننده های اکسیژن کارآمدی هستند، به خصوص در شرایط قلیایی. آنها معمولاً در سیالات حفاری و سیالات تکمیلی برای جلوگیری از خوردگی و حفظ یکپارچگی سیال استفاده می شوند.

مزایا:

در شرایط قلیایی بسیار موثر است.

می تواند به عنوان یک پسیوکننده فلز عمل کند و محافظت بیشتری در برابر خوردگی ایجاد کند.

کاربردها:

اغلب در سیالات حفاری و سیالات تکمیلی استفاده می شود.

مناسب برای محیط ها و سیستم های قلیایی با pH بالا

محدودیت ها:

در شرایط اسیدی تاثیر کمتری دارد.

ممکن است نیاز به روش‌های رسیدگی خاصی داشته باشد.

حذف کننده های اکسیژن بر پایه اسکوربیک اسید: اسید اسکوربیک یک حذف کننده اکسیژن طبیعی است که ایمن و سازگار با محیط زیست است. این اغلب در صنایع غذایی و نوشیدنی ها استفاده می شود، اما همچنین می تواند در سیستم های نفت و گاز نیز استفاده شود.

ترکیبات دیگر مانند دی اتیل هیدروکسیل آمین (DEHA)، اسید اریتربیک و فسفین ها نیز به عنوان جاذب اکسیژن در کاربردهای خاص نفت و گاز استفاده می شوند.

انتخاب اکسیژن زدای مناسب بهینه به عوامل مختلفی بستگی دارد:

شرایط عملیاتی مانند دما، فشار، pH، شوری و وجود سایر مواد شیمیایی.
نرخ واکنش مورد نیاز:جذب سریع الاثر در مقابل جذب اکسیژن کند.
ملاحضات زیست محیطی: قابلیت تجزیه زیستی و محصولات جانبی بالقوه.
سازگاری با سایر مواد شیمیایی و مواد سیستم
مقرون به صرفه بودن: ایجاد تعادل در عملکرد با محدودیت های بودجه.

عوامل موثر بر انتخاب نوع و میزان اکسیژن زدا خصوصا بر پایه سولفیت در صنعت نفت و گاز

برای اطمینان از ایمنی و کارایی، انتخاب نوع و میزان تزریق اکسیژن زدا بسیار مهم است. در اینجا به تفکیک عواملی که باید در نظر گرفته شوند را آورده ایم:

نوع و شرایط عملیاتی

Upstream، Midstream یا Downstream: هر مرحله نیازمندی های متفاوت مخصوص فرایند های خود را دارند. تولید بالادست ممکن است شامل دماها و فشارهای بالا باشد، در حالی که پالایش پایین دست ممکن است مخاطرات محیط زیستی از اهمیت بالا تری برخوردار باشند.

سیستم‌های بسته یا باز: سیستم‌های بسته (مانند خطوط لوله) نرخ ورودی اکسیژن محدودی دارند، در حالی که سیستم‌های باز (مانند مخازن ذخیره‌سازی) نیاز به کنترل اکسیژن با اکسیژن زدای مناسب بصورت مداوم دارند.

دما و فشار: اکسیژن زداها در دماها و فشارهای مختلف اثربخشی متفاوتی دارند. در انتخاب نوع اکسیژن زدا حتما به مقاومت آن نسبت به دما و فشار دقت نمایید.

حضور سایر مواد شیمیایی: سازگاری با سایر مواد شیمیایی در سیستم برای جلوگیری از واکنش های ناخواسته یا محصولات جانبی بسیار مهم است.

شیمی و ساختار اکسیژن زدا

نرخ واکنش با اکسیژن: اینکه هر نوع از اکسیژن زدا چقدر سریع با اکسیژن واکنش نشان می دهد بسیار مهم است؛ زیرا این امر بر دوز مورد نیاز و دفعات استفاده تأثیر مستقیم می گذارد.

تولید محصولات جانبی: باید اطمینان حاصل کرد که محصولات جانبی واکنش حذف اکسیژن غیر سمی و غیر خورنده هستند و باعث ایجاد رسوب یا تخریب سیستم نمی شوند.

میزان حلالیت و پراکندگی در محیط: جاذب باید به خوبی در سیال حل یا پخش شود تا از حذف موثر اکسیژن در سراسر سیستم اطمینان حاصل شود.

تاثیرات بر محیط زیست: اثرات زیست محیطی اکسیژن زدا و محصولات جانبی آن، به ویژه برای عملیات دریایی یا دفع آب باید حتما در نظر گرفته شود.

ملاحظات عملیاتی

سهولت در جابجایی و کاربرد: در انتخاب نوع اکسیژن زدا به سهولت حمل، نگهداری، استفاده آسان و ایمن بودن آن را برای پرسنل باید در نظر گرفته شود.

نظارت و کنترل عملکرد اکسیژن زدا: حتما بصورت مستمر میزان اکسیژن موجود در سیستم و ورودی باید بررسی شده و میزان تزریق را بر این اساس تنظیم نمود.

الزامات اختصاصی هر فرایند:

کنترل خوردگی خط لوله: با در نظر گرفتن دبی جریان، طول و مواد برای خطوط لوله، جاذب مناسب انتخاب میشود.

تصفیه آب: در سیستم های تزریق آب یا سیستم های تولید آب، اکسیژن زدایی را انتخاب کنید که به طور موثر اکسیژن را بدون تداخل با سایر فرآیندهای تصفیه آب حذف کند.

سیالات حفاری: جاذب های مورد استفاده در سیالات حفاری باید با فرمول گل و سازند سازگار باشند و بر عملکرد حفاری تاثیری نداشته باشند.

حتما در زمان انتخاب محصول با مشاورین فنی شرکت شیمیایی تصفیه هماهنگ کنید تا مناسبترین نوع اکسیژن زدا را انتخاب کنید.

چه عواملی بر حذف اکسیژن با جاذب های اکسیژن بر پایه سولفیت در کاربردهای نفت و گاز موثر هستند؟

اکسیژن زداهای مبتنی بر سولفیت به دلیل کارایی، در دسترس بودن و مقرون به صرفه بودن، به طور گسترده در صنعت نفت و گاز استفاده می شوند. با این حال، عملکرد آنها می تواند به طور قابل توجهی تحت تاثیر عوامل متعددی باشد. درک این عوامل برای بهینه سازی کاربرد آنها و اطمینان از حذف موثر اکسیژن بسیار مهم است.

pH سیستم

محدوده بهینه pH: جاذب های اکسیژن بر پایه امونیوم بی سولفیت یا متابیسولفیت یا سدیم بی سولفیت معمولاً در شرایط قلیایی (pH 9-11) بهترین عملکرد را دارند. در سطوح pH پایین تر، سرعت واکنش به طور قابل توجهی کاهش می یابد، و جاذب ممکن است کمتر موثر باشد.

تنظیم pH: در سیستم هایی با pH پایین تر، تنظیم pH در محدوده قلیایی با استفاده از مواد شیمیایی مانند هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم می تواند عملکرد جاذب اکسیژن پایه امونیوم بی سولفیت یا متا بی سولفیت یا سدیم بی سولفیت را افزایش دهد. از همین رو نظارت مداوم بر pH برای اطمینان از عملکرد بهینه اکسیژن زدا و تنظیم استراتژی های جذب در صورت نیاز ضروری است.

دمای سیستم

نرخ واکنش امونیوم بی سولفیت و دیگر جاذب ها در دماهای بالاتر عموماً افزایش می‌ یابد که منجر به حذف سریع‌تر اکسیژن می‌شود.

تخریب با دما: با این حال، برای مواد امونیوم بی سولفیت و دیگر جاذب ها دمای بیش از حد بالا می تواند منجر به تخریب حرارتی شود و کارایی آن را کاهش دهد. لذا انتخاب یک جاذب با پایداری حرارتی مناسب برای دمای خاص بسیار مهم است.

حضور کاتالیزور:

افزودن کاتالیزور: کاتالیزورهای فلزات واسطه، مانند کبالت یا نیکل، می توانند به طور قابل توجهی سرعت واکنش جاذب مبتنی بر سولفیت خصوصا امونیوم بی سولفیت را افزایش دهند.

غلظت کاتالیزور: بهینه سازی غلظت کاتالیست برای دستیابی به نرخ جذب مورد نظر بدون ایجاد واکنش های جانبی ناخواسته یا فراتر از محدودیت های هزینه بسیار مهم است.

سازگاری کاتالیست: اطمینان از سازگاری بین کاتالیزور و سایر مواد شیمیایی موجود در سیستم برای جلوگیری از فعل و انفعالات یا ترسیب ناخواسته ضروری است.

غلظت اکسیژن زدا:

بهینه سازی: غلظت امونیوم بی سولفیت و دیگر اکسیژن زدا ها باید بر اساس سطح اکسیژن موجود در سیستم، میزان جذب مطلوب و شرایط عملیاتی بهینه شود؛ زیرا مصرف بیش از حد می تواند منجر به هزینه های غیرضروری و مشکلات احتمالی سازگاری با سایر مواد شیمیایی شود. همچنین دوز پایین منجر به عدم حذف کامل اکسیژن و مشکلات احتمالی خوردگی شود.

حضور سایر مواد شیمیایی:

برخی از مواد شیمیایی، مانند اسیدهای آلی، می توانند از عملکرد جاذب های مبتنی بر سولفیت جلوگیری کنند. همچنین برخی از مواد شیمیایی ممکن است اثرات هم افزایی با جاذب های مبتنی بر سولفیت مخصوصا امونیوم بی سولفیت داشته باشند و عملکرد آنها را افزایش دهند.

زمان

زمان تماس: برای تاثیر کافی امونیوم بی سولفیت و دیگر اکسیژن زدا ها در صنعت نفت و گاز لازم است زمان مناسب حضور ماده و تماس با محلول حاوی اکسیژن را محاسبه نماییم. نرخ جریان سیال از طریق سیستم نیز بر زمان ماند تأثیر مستقیم می گذارد و باید هنگام طراحی در نظر گرفته شود. این امر باعث اطمینان از اختلاط کافی، تماس مناسب بین جاذب و اکسیژن را تضمین می کند و باعث پاکسازی کارآمد می شود.

جاذب‌های اکسیژن مبتنی بر سولفیت، عمدتاً نمک‌های سولفیت و بی سولفیت، ابزارهای ضروری برای مبارزه با چالش‌های مرتبط با اکسیژن در مراحل مختلف عملیات نفت و گاز هستند. توانایی آنها در حذف موثر اکسیژن محلول، همراه با مقرون به صرفه بودن و تطبیق پذیری آنها، آنها را به انتخابی ارجح برای کاربردهای متعدد تبدیل می کند.

نگاهی دقیق بر کاربردهای اکسیژن زداهای پایه سولفیت مخصوصا امونیوم بی سولفیت

کاربرد امونیوم بی سولفیت در حفاری

محافظت از مته حفاری: سیالات حفاری در طول گردش در معرض اکسیژن ورودی قرار می گیرند که منجر به خوردگی مته به خصوص در محیط های با دمای بالا و فشار بالا می شود. در این شرایط امونیوم بی سولفیت به طور موثر اکسیژن را حذف می‌کند، خوردگی را به حداقل می‌رساند و عمر لوله‌های حفاری و تجهیزات مرتبط را افزایش می‌دهد.

حفظ خواص گِل: اکسیژن همچنین می تواند افزودنی های گل حفاری را تخریب کند و بر خواص رئولوژیکی و عملکرد آنها تأثیر بگذارد. آمونیوم بی سولفیت به حفظ خواص گل کمک می کند و عملیات حفاری کارآمد را تضمین می کند.

کاربرد امونیوم بی سولفیت در تکمیل چاه:

سیالات تکمیلی برای نصب و محافظت از تجهیزات چاه استفاده می شود. حذف کننده های اکسیژن در این سیالات از خوردگی اجزای تکمیلی مانند پکرها، لوله ها و پوشش ها جلوگیری می کنند و از یکپارچگی و عملکرد طولانی مدت آنها اطمینان می دهد.

جلوگیری از آسیب سازند:اکسیژن می تواند با سیالات تشکیل دهنده و مواد معدنی واکنش داده و منجر به تشکیل رسوباتی شود که می تواند به مخزن آسیب برساند و نفوذپذیری را کاهش دهد. امونیوم بی سولفیت و دیگر مواد اکسیژن زدا به جلوگیری از آسیب سازند کمک می کنند و بهره وری مخزن را حفظ می کنند.

کاربرد امونیوم بی سولفیت در تاسیسات تولید نفت و گاز:

کنترل خوردگی خط لوله: خطوط لوله انتقال نفت و گاز به دلیل اکسیژن محلول در معرض خوردگی داخلی هستند. تزریق جاذب های مبتنی بر سولفیت به خط لوله به کنترل خوردگی، جلوگیری از نشت و افزایش طول عمر خط لوله کمک می کند.

محافظت از تاسیات پالایش: اکسیژن همچنین می تواند باعث خوردگی در جداکننده (separator) یا دستگاه های نمک زدایی، مخازن ذخیره سازی و سایر تجهیزات پالایش شود. از جاذب های اکسیژن مخصوصا آمونیوم بی سولفیت برای به حداقل رساندن خوردگی در این تاسیسات استفاده می شود و از عملکرد کارآمد و طول عمر آنها اطمینان حاصل می شود.

کاربرد امونیوم بی سولفیت در فرایند تزریق آب

جلوگیری از خوردگی در چاه های تزریق: تزریق آب معمولاً برای حفظ فشار مخزن و افزایش بازیابی نفت استفاده می شود. حذف‌کننده‌های اکسیژن خصوصا امونیوم بی سولفیت با کاتالیزورهای مناسب در آب تزریقی از خوردگی در چاه‌های تزریق و خطوط لوله جلوگیری می‌کنند و از آسیب به سازند جلوگیری می‌کنند.

حفظ کیفیت آب تزریقی: اکسیژن می تواند باعث رشد باکتری ها در آب تزریقی شود که منجر به رسوب زیستی و مسدود شدن چاه های تزریق می شود. خصوصا امونیوم بی سولفیت با مهار رشد باکتری ها به حفظ کیفیت آب کمک می کنند.

کاربرد امونیوم بی سولفیت در فراوری گاز و حمل آن

جلوگیری از انفجار: اکسیژن موجود در جریان های گاز طبیعی می تواند مخلوط های انفجاری ایجاد کند. اکسیژن زداها خصوصا امونیوم بی سولفیت برای حذف اکسیژن استفاده می شوند و از عملکرد ایمن کارخانه های فرآوری گاز و خطوط لوله اطمینان حاصل می کنند. همچنین اکسیژن می تواند با اجزای خاصی از گاز طبیعی واکنش داده و کیفیت آن را کاهش دهد. امونیوم بی سولفیت با جلوگیری از این واکنش ها به حفظ کیفیت گاز کمک می کنند.

بهینه‌سازی عملکرد اکسیژن‌زداها (خصوصا امونیوم بی سولفیت) در هر کاربرد مستلزم بررسی دقیق عوامل مختلف از جمله pH، دما، کاتالیزورها، غلظت، سازگاری شیمیایی و زمان ماند است. با درک این تأثیرات و اجرای اقدامات نظارتی و کنترلی مناسب، اپراتورهای نفت و گاز می توانند به طور مؤثر از این جاذب ها برای کاهش خوردگی، حفظ یکپارچگی تاسیسات و اطمینان از عملیات ایمن و کارآمد استفاده کنند.