ماده تعلیق شکن نفت خام یا دمولسیفایر
نفت خام در استخراج اولیه، آب، نمک و جامداتی به همراه دارد که در صورت جدا نشدن، علاوه بر ایجاد مشکلات در فروش و صادرات آن، باعث ایجاد خوردگی در تأسیسات پالایشگاه ها به هنگام فراورش نفت خام می شود.
از دیدگاه ترمودینامیکی، اگر چه نفت و آب دو مایع امتزاج ناپذیرند اما تنش برشی و تلاطم موجود در سیستم که در حین عملیات تولید و بهره برداری بر روی مخلوط آن ها اعمال می شود و همچنین به دلیل وجود مواد فعال سطحی طبیعی موجود در نفت از قبیل آسفالتین، رزین، اسیدهای نفتنیک، جامدات ریز، امولسیونی بسیار پایدار در مراحل مختلف اکتشاف، تولید و فراوری تشکیل می گردد که یکی از مشکلات عمده در صنعت نفت می باشد.
این ذرات، ترکیبات قطبی موجود در نفت را جذب کرده و درجه ترشوندگی خود را تغییر می دهند، به گونه ای که سطح آن ها از حالت آبدوست به نفت دوست تغییر می کند. بنابراین جداسازی آب همراه نفت خام، اهمیت و نقشی استراتژیک دارد.
دلایل ضرورت نمک زدایی از نفت خام
نفت خام حاوی آب و املاح معدنی زیادی مانند کلرید سدیم است که اگر جدا نشود، در مراحل متعدد پالایش نفت، این مواد با هیدروژن ترکیب شده و با تولید اسیدهایی همچون اسید کلریدریک باعث خوردگی شدید و جدی تجهیزات فرآیندی همچون خطوط لوله، مبدل های حرارتی، برج های تقطیر و کلیه تجهیزات موجود در پایین دستی خواهد شد که در کوتاه مدت به دلیل گرفتگی و خوردگی زیاد، این تجهیزات از سرویس خارج میگردند که تعمیر و سرویس آن ها متضمن تحمیل مخارج سنگین مالی خواهد بود. علاوه بر این باعث غیر فعال شدن کاتالیست ها و رسوب در مخازن میگردد. به همین منظور برای جلوگیری از ضایعات ناشی از وجود این مواد در تأسیسات نفتی، ایجاد واحدهای نمک زدایی در مسیر نفت خروجی واحدهای بهره برداری و قبل از ورود نفت به پالایشگاه ها ضروری است.
انواع امولسیون های نفتی
همانطور که اشاره گردید نفت خام و آب امولسیون های بسیار پایدار تشکیل می دهند که شکست این امولسیون و جداسازی آب از نفت خام قبل از ورود نفت به تأسیسات ضرورت دارد. در ادامه توضیح مختصری از امولسیون ها و انواع آن ها آورده شده است.
امولسیون به مخلوطی از دو یا چند مایع گفته می شود که در حالت عادی مخلوط نشدنی هستند. امولسیون بخشی از یک دسته کلی تر از سیستم های دو فازی به نام کلوئید می باشد. انواع سیستم های کلوئیدی براساس فاز پراکنده و پیوسته تشکیل دهنده آن ها دسته بندی شده اند.
زمانی از واژه امولسیون استفاده می شود که هر دو فاز پراکنده و پیوسته، مایع باشد. دو مایع می توانند براساس نوع فاز پراکنده و پیوسته، امولسیون های متفاوتی را تشکیل دهند. به عنوان مثال در امولسیون روغن در آب (O/W)، روغن به عنوان فاز پراکنده در آب مخلوط شده است. حالت دیگر این است که آب به عنوان فاز پراکنده در روغن قرار گیرد و امولسیون آب در روغن (W/O) را تشکیل دهد. امولسیون های چندگانه نیز وجود دارد که شامل امولسیون آب در روغن در آب (W/O/W) یا امولسیون روغن در آب در روغن (O/W/O) است. از میان امولسیون های نفتی نام برده شده، امولسیون آب در نفت بیشترین نوع امولسیون تولید شده در طی استخراج نفت است.
برای تشکیل امولسیون پایدار و حل شدن دو یا چند ماده امتزاج ناپذیر در یکدیگر، حضور یک ماده شیمیایی به نام ماده فعال سطحی ضروری است. مواد فعال سطحی معمولاً مواد آلی هستند که ساختار شیمیایی آن ها دارای گروه های آبگریز نسبتاً طولانی که نقش دم و دنباله رادارند و گروه های آب دوست که نقش سر را دارد، می باشند به این معنی که همزمان دارای گروه های آب دوست و آبگریز هستند. بنابراین به تناسب ساختار مولکولی در حلال های آلی و آب حل می شوند و باعث از بین رفتن چسبندگی و در نتیجه کاهش کشش سطحی در فصل مشترک هوا-آب و یا روغن-آب می شوند.
قسمت آبگریز این مواد با روغن سازگار بوده و در جهت آن حرکت می کند در حالیکه قسمت آبدوست به سمت فاز آب جهت گیری نموده و با احاطه نمودن روغن باعث سازگاری آن با آب می شود. در واقع مواد فعال سطحی موادی هستند که می توانند انرژی سطحی را بین سطوح به میزان زیادی تغییر دهند. خاصیت این مواد ناشی از دو خصلتی بودن ساختمان مولکولی آن هاست.
به طور کلی شکست امولسیون های نفتی و تبدیل آن ها به دو فاز مجزا با چهار روش مکانیکی، حرارتی، شیمیایی و الکتریکی قابل انجام است. روش شیمیایی بیشترین کاربرد را دارد. در این روش از یک سری ترکیبات شیمیایی تحت عنوان دمولسیفایر یا تعلیق شکن استفاده می شود. تعلیق شکن های شیمیایی سورفکتانت های پلیمری هستند. این ترکیبات با توجه به فعالیت سطحی که دارند به سطح میان ذرات نفت و مولکول های آب جذب شده و باعث تحریک فرآیند تعلیق شکنی می گردند.
روش شیمیایی شکست امولسیون های نفت
روش شیمیایی تصفیه نفت خام و شکست امولسیون های نفتی با کمک یک سری مواد شیمیایی شکننده امولسیون تحت عنوان تعلیق شکن یا دمولسیفایر صورت میگیرد. عملکرد این مواد به گونه ای است که باعث می شوند غشای نازک اطراف قطرات امولسیونی آب پاره شود و این قطرات به هم متصل شوند. در واقع تعلیق شکن ها گروهی از ترکیبات فعال سطحی هستند که می توانند سیستم های امولسیونی را بشکنند و عوامل امولسیونی را خنثی کنند و بر مبنای جایگزینی بخشی از مواد فعال سطحی و کاهش قدرت کششی سطحی مرز مشترک آب – نفت می باشد و توانایی مواد تعلیق شکن در تخریب لایه فیلم بین سطحی دو فاز، مهمترین عامل است که کارایی این ترکیبات را تعیین می کند.
مکانیسم عملکرد تعلیق شکن ها
انتخاب نوع تعلیق شکن به امولسیون موجود بستگی دارد که این فرآیند شامل سه مرحله ذیل می باشد:
- جاذبه یا کشش قوی نسبت به سطح مشترک آب و نفت: دمولسیفایر باید بتواند به سرعت از داخل فاز نفت حرکت کرده و مهاجرت نماید تا بتواند به سطح مشترک قطره، جایی که باید با عامل امولسیون ساز مقابله کند، برسد.
- لخته سازی (Flocculation): دمولسیفایر باید یک جاذبه و کشش برای قطرات آب با بار مشابه داشته باشد و آن ها را کنار یکدیگر قرار دهد. به این ترتیب دسته های بزرگ از قطرات آب جمع می شود.
- بهم پیوستگی یا انعقاد (Coalescence): بعد از لخته سازی، فیلم امولسیفایر به صورت پیوسته باقی می ماند. اگر امولسیفایر ضعیف باشد، نیروی لخته سازی برای ایجاد بهم پیوستگی ممکن است کافی باشد. تعلیق شکن فرآیند به هم پیوستگی را از طریق خنثی سازی امولسیفایر و تشدید گسستگی فیلم سطح مشترک قطره فراهم می سازد. در امولسیون لخته شده، گسستگی فیلم باعث افزایش اندازه قطره آب و اتصال مولکول های آن می گردد.
- مرطوب سازی جامدات (Solids wetting): سولفیدهای آهن، خاک های رس و گل های حفاری می توانند water-wet شوند که این باعث می شود سطح مشترک را ترک کنند و به قطرات آب نفوذ کرده و پخش شوند. پارافین ها و آسفالتین ها می توانند توسط دمولسفایر حل شوند یا تغییر یابند تا سبب کاهش چسبندگی و ویسکوزیته فیلم آن ها شود، یا آن ها می توانند oil-wet شوند که در این صورت در نفت پراکنده می گردند. با این فرآیند جداسازی فیزیکی صورت گرفته و آب در پایین قرار می گیرد.
شکل 1- شماتیکی از مکانیسم عملکرد تعلیق شکن ها
عوامل موثر در کارایی دمولسیفایر
- گرانروی نفت خام اولیه
- میزان پایداری امولسیون نفت-آب
- نوع دمولیسفایر مورد استفاده
- غلظت امولسیون
- مقدار نمک موجود در نفت
- میزان دمولسیفایر مورد استفاده
- میزان Freshwater تزریقی به نفت
- دما
انواع دمولسیفایر
به طور کلی تعلیق شکن ها به دو دسته محلول در نفت (Oil-soluble) و محلول در آب (Water-soluble) تقسیم بندی می شوند. خواص نفت خام و نوع مواد امولسیون ساز مانند آسفالتن ها، دما، pH و غیره تأثیر فراوانی بر روی انتخاب نوع مواد تعلیق شکن و مقدار تزریق دوز مصرفی دارد. به عنوان مثال نوع نفت از نظر سبک و سنگین بودن در انتخاب نوع دمولسیفایر بسیار مهم است. چرا که نفت های سنگین دارای میزان آسفالتن و هیدروکربن های بیشتری در مقایسه با نفت های سبک هستند. املاح، خاک رس و گل های حفاری به راحتی با آب شسته شده و از نفت جدا می شوند، ولی مواد پارافینی و آسفالتی برای اینکه سطح امولسیونی آن ها شکسته شود، حتماً به مواد شیمیایی احتیاج دارند و هر چه میزان این مواد بیشتر باشد در نهایت به مواد شیمیایی بیشتری نیاز است. همچنین هرگونه تغییری در فرآیند تصفیه مثل تغییر جریان، تغییر شرایط دمایی و فشاری، تغییر فصل و غیره بر روی میزان تزریق این مواد تأثیرگذار است. در حال حاضر شکست امولسیون های نفتی بدون استفاده از این مواد، صرفنظر از کلیه تکنولوژی های موجود، غیرممکن است.
مشکلات و خسارات ناشی از استفاده از دمولسیفایرهای شیمیایی در صنایع
استفاده از مواد شیمیایی در تهیه تعلیق شکن ها با وجود مزایای متعددی که دارند، دارای معایبی نیز هستند. از معایب آن ها می توان به سمیت بالا، زیست تخریب ناپذیری و ایجاد آلودگی ثانویه در محیط زیست اشاره کرد. آلودگی زیستی این ترکیبات از دو لحاظ مورد بررسی است.
- آلودگی مستقیم که ناشی از سمیت خود تعلیق شکن یا ترکیبات به کار رفته در آن برای موجودات زنده و میکروارگانیسم ها است.
- آلودگی غیر مستقیم که ناشی از تأثیر تعلیق شکن شیمیایی بر خواص و رفتار نفت مورد فرآوری است.
- دمولسیفایرهای سازگار با محیط زیست در مقایسه با تعلیق شکن های شیمیایی، آلودگی ثانویه تولید نمیکنند و در شرایط افراطی (به لحاظ دما، pH و نمک) به خوبی عمل می کنند.
جمع بندی
براساس مطالعه حاضر به دنبال آشکار شدن اثرات زیان بار تعلیق شکن های شیمیایی بر محیط زیست، جستجو در مورد تعلیق شکن های سازگار با محیط زیست جنبه جدیدی را جهت تحقیق فراهم آورده است. بنابراین با توجه به اهمیت بکارگیری این مواد در صنایع نفت، شرکت دانش بنیان شیمیایی تصفیه در دپارتمان تحقیق و توسعه خود دمولسیفایرهای دوستدار محیط زیست با در نظر گرفتن ویژگی های نفت خام و کارایی منحصر به فرد طراحی نموده است.