معرفی فرآیندهای تولید روغن پایه مرغوب

موتورهای جدید برای کارکرد بهتر با کمترین میزان تولید آلاینده ها و کمترین میزان اتلاف سوخت به روغن هایی با کارایی بسیار بالا نیاز دارند. تولیدکنندگان روغن برای رسیدن به این منظور از روغن های گروه۲ و۳ با اندیس گرانروی (VI) بالا، قابلیت اشباع بسیار بالا و سولفور بسیار پایین استفاده می کنند. طبق تقسیم بندی API ، روغن های پایه براساس مشخصات فیزیکی آنها در۴ گروه، مطابق جدول۱ طبقه بندی می شود. دراین جدول مشخصات فیزیکی و شیمیایی روغن های طبقه بندی شده API به همراه ترکیبات، فرایندهای تولید آنها و شرکت های صاحب تکنولوژی این فرایندها آمده است.
همانطور که ملاحظه می شود با افزایش شماره گروه استاندارد روغن، شاخص گرانروی روغن هم افزایش می یابد. به غیر از روغن های گروه۱ که از روش استخراج با حلال به دست می آیند روغن های گروه های دیگر همگی از روش های کاتالیستی با تلفیقی از روش های استخراج با حلال و روش های کاتالیستی، حاصل می شوند.
امروزه نیمی از بازار روانکارها به روغن های پایه پارافینی اختصاص یافته است. در آمریکای شمالی بسیاری از کارخانه های گروه۱ به واحد تولیدی روغن های پایه گروه۲ تبدیل شده اند و یا به سمت تعطیلی پیش رفته اند.
این تحولات بیشتر از۵ سال طول نخواهد کشید. بازار جهانی مربوط به روغن های پایه گروه های۲ و۳ از حدود۱۱ درصد در سال۱۹۹۵ به حدود۲۳ درصد در سال۲۰۰۲ رشد یافته است.براساس برنامه ریزی ها، پیش بینی می شود که این رشد به۳۲ درصد تا سال۲۰۰۶ برسد که این امر رشد قابل توجهی برای صنایع پالایشی در یک دوره۱۱ ساله است.
▪ فرایندهای تولید روغن های پایه۲و۳ (روغن های پایه مرغوب)
در این مقاله به فرایندهای تولید روغن های پایه گروه۲و۳ با کیفیت بالا اشاره شده است و در ادامه به شرح قسمت های مختلف این فرایند پرداخته خواهد شد.
● فرایند هایدرو کراکینگ
این فرایند جایگزین فرایند استخراج با حلال می شود. دراین روش از طریق هیدروژندار کردن ترکیبات پلی آروماتیکی روغن به ترکیبات حلقوی پلی نفتنی و شکستن حلقه های پلی نفتنی به نرمال پارافین ها و ایزومریزاسیون نرمال پارافین ها در دماها و فشارهای بالا، شاخص گرانروی منبع خوراک روغن افزایش داده
می شود. بسته به نوع نفت خام، منبع خوراک می تواند به VI ا۱۰۰ تا۱۲۵ و گاهی به بزرگی۱۳۰ ارتقا یابد. دراین فرایند بخش عمده گوگرد و نیتروژن و آروماتیکها حذف می شود.
تجهیزات کلیدی این فرایند باید برای فشارهای تقریباً۲۰۰ بار و دماهای۴۰۰ درجه سانتیگراد طراحی شود. به علاوه مقدار هیدروژن نسبتاً بالایی هم مورد نیاز است. میزان بازدهی مجموعه های تولید روغن به روش هایدروکراکینگ- هایدروتریتینگ، بسته به نوع نفت خام،۱۰ تا۴۰ درصد بیشتر از فرایندهای قدیمی استخراج با حلال است.
به تازگی تحقیقاتی نیز در زمینه الحاق تکنولوژی های پیشرفته هایدروتریتینگ به واحدهای استخراج با حلال به منظور بهبود خواص روغن موتور تولیدی انجام شده است که به این فرایندها، فرایندهای هایبرید (Hybrid) گفته می شود.در فرایند هایبرید با توجه به نوع خوراک اولیه یا بنا به نیاز می توان از هر یک از واحدها به تنهایی استفاده کرد به طوری که، برای برشهای سبک فقط از واحد استخراج یا حلال این فرایند استفاده کرد و به مرحله کاتالیستی نیاز نیست. برای خوراک DAO حاصل از واحد آسفالتزدایی نیز می توان فقط از واحد تبدیل کاتالیستی و بدون مرحله استخراج با حلال استفاده کرد. در حالتی که خوراک DAO از نظر ترکیبات آروماتیکی و مواد نیتروژنی غنی باشد می توان از دو مرحله فرایند هایبرید استفاده کرد.
در این فرایند قسمتی از اکسترکت، جذب واحد تبدیل کاتالیستی شده، به ترکیبات روغنی تبدیل می شود. روغن های پایه ای که از این فرایند (فرایند شل)به دست می آیند، اندیس گرانروی بالا و رنگ شفاف تری دارند و مقادیر کربن باقیمانده کمتری نسبت به واحد استخراج با حلال موجود در فرایند دارند. فرایند هایبرید ظرفیت تولید روغن را که می تواند از واحد استخراج با حلال به دست آید به میزان۶۰-۳۰ درصد افزایش می دهد که با توجه به نوع خوراک و کیفیت روغن پایه در این محدوده متغیر است. در ضمن بازده محصولات جانبی حدود۵ الی۳۰ درصد خوراک اصلی و مقدار تقریبی آنها حدود۱۵ درصد گاز،۲۵ درصد بنزین و نفت سفید و۶۰ درصد نفت گاز است.
در این فرایند با استفاده از کاتالیست های مخصوص می توان محصولاتی با اندیس گرانروی بالاتر از۱۴۵ تولید کرد. به طوری که ترکیبات مومی (Slack Wax) با تبدیل کاتالیستی این فرایند و ایزومریزاسیون همراه با دو مرحله تقطیر جزیی و واکسزدایی، به روغن هایی با اندیس گرانروی خیلی بالا تبدیل می شوند که به طور عمده شامل ترکیبات ایزوپارافینی، مقادیر جزیی از نفتن ها و حلقه های آروماتیکی به مقدار کمتر از۰/۳ درصد وزنی هستند. خاصیت این روغنها مشابه با روغن های سنتزی پلی آلفا الفینهاست که قابل مخلوط سازی با سایر روغنها برای بسیاری از کاربردها هستند. از این نوع روغنها برای تولید روغن های چند درجه ای باکیفیت بالا استفاده می شود.
گزینه های مختلفی برای رسیدن به این منظور وجود دارند که عبارتند از:
۱) فرایند هایستارت (Hystart) که در آن کیفیت خوراک روغن (VGO) توسط عملیات هیدروژناسیون قبل از مرحله استخراج با حلال بهبود می یابد.
۲) فرایند آر.اچ. سی (RHC) که بر مبنای عملیات هیدروژناسیون بعد از مرحله استخراج با حلال است و هزینه های سرمایه گذاری را به طرز قابل توجهی کاهش می دهد.
● فرایند هایستارت
تصفیه هیدروژنی خوراک واحد آروماتیک زدایی به روش حلال را فرایند هایستارت می گویند. در این روش اندازه واحد آروماتیک زدایی کوچکتر و میزان محصول روغن بیشتر می شود. در روش هایستارت مواد خالص یافته موم دار در یک هایدروتریتر (Hydrotreater) (گوگردگیری و نیتروژن گیری) قبل از مرحله پالایش با حلال با شدت ملایم (دمای۳۴۰ تا۳۷۰ درجه سانتیگراد و فشار جزیی هیدروژن بین۵۰ و۷۰ بار) فراوری می شوند. ترکیبات سولفوری محصول جانبی واحد آروماتیک زدایی (اکسترکت) کم می شود و نصب واحد تصفیه پایانی برای روغن پایه و یا واحد سولفورزدایی برای محصول جانبی اکسترکت مورد نیاز نخواهد بود. این فرایند برای پالایش کننده هایی که مجبورند نفت های خام فقیر حاوی روغن های با میزان بازدهی کم را فراوری کند، امتیازاتی دارد كه عبارتند از:
۱) میزان بازدهی روغن تولیدی۱۰ الی۱۵ درصد افزایش می یابد.
۲) میزان بازدهی در واحد موم گیری۲ تا۶ درصد افزایش می یابد.
۳) موجب یک کاهش کوچک در شدت چرخش حلال در واحدهای پالایش با فورفورال یا ان.ام.پی NMP می شود که این امر باعث صرفه جویی در مصرف انرژی در این واحد خواهد شد.
۴) محصول میانی اکسترکت Extract تولید شده به صورت قابل توجهی سولفور اندک دارد (به خاطر۶۰ تا۸۰ درصد گوگردگیری) که این امر اجازه می دهد تا از محصول اکسترکت به عنوان یک برش اختلاطی در روغن های سوختی استفاده کنیم.
● فرایند RHC
این فرایند توسط شرکت اکسون مطالعه و برای اولین بار در سال۱۹۹۹ در بیتاون (Baytown) آمریکا به اجرا گذاشته شد. موفقیت این طرح به این خاطر است که با یک هزینه پایین حاصل از ترکیب این فرایند و با یک واحد پالایش با حلال روغن، می توان روغن پایه گروه یک را به روغن پایه گروه دو ارتقا داد. پس از ورود خوراک رافینیت به واحد RHC شاخص گرانروی و میزان ترکیبات اشباع در راکتورهای تبدیل هیدروژنی ارتقا می یابد و سپس در راکتور تصفیه با هیدروژن، خصوصیات روغن تثبیت می شود. محصولات تولید شده سپس برای موم زدایی به واحد موم گیری با حلال فرستاده می شود. پس از عبور خوراک از واحد RHC میزان ترکیبات اشباع و شاخص گرانروی آن به طور قابل ملاحظه ای بالا می رود.
محصولات خروجی از RHC در طبقه بندی گروه دو API قرار می گیرد اما به دلیل اینکه اندیس گرانروی (VI) و فراریت محصول به دست آمده کمی پایین تر از روغن های گروه دو است، بنابراین آنها را روغن های گروه دو مثبت(Group-II-Pluse) نامگذاری می کنیم.
پایین بودن هزینه سرمایه گذاری ادغام این فرایند با فرایند استخراج باحلال موجود، یكی دیگر از مزایای مهم این است که در این فرایند فقط برش های روغن انتخاب شده ارتقا داده می شود.
واحد RHC فقط برش های انتخابی از برج تقطیر در خلاء را به صورت موثر عمل آوری می کند وهر برش انتخابی هم محصول روغن مجزا تولید می کند.● فرایند موم گیری کاتالیستی- فرایندهای ایزومریزاسیون هیدروژنی
موم گیری کاتالیستی که از۲۰ سال گذشته به جای موم گیری با حلال پیشنهاد شده است از تکنولوژی فرایند هیدروژناسیون برای شکستن زنجیره های بلند مولکولهای پارافین به محصولات نفتی سبک در یک راکتور بستر ثابت تشکیل شده است. این فرایند برای تمام محدوده های گرانروی منابع روغن های پایه روانسازی (LOBS) قابل اجراست.همچنین میزان ذرات گوگردی و نیتروژنی که به طور معمول در روغن های پایه حاصل از فرایندهای استخراج با حلال وجود دارند در عملکرد این فرایند خللی ایجاد نمی کند. فرایندهای کاتالیستی موم زدایی در مقایسه با واحدهای موم گیری با حلال، محصولات (روغن های موتور، روغن های صنعتی و محصولات میان تقطیر) با نقطه ریزش پایین تر تولید می کنند و محصولات نهایی به طور عمده از نوع هیدروکربورهای اشباعی هستند. از نظر هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی نیز با صرفه تر از واحدهای موم زدایی با حلال هستند و به فضای کمتری احتیاج دارند. در این حالت، پالایشگاه نیازی به تولید موم ندارد و در عوض محصولات با ارزش LPG ، نفت سفید، نفت گاز و بنزین تولید می شود. در روش های کاتالیستی مواد افزودنی کمتری مصرف می شود و در بیشتر موارد به واحد تصفیه هیدروژنی نیازی نیست.
● فرایند مومگیری کاتالیستی (Catalitic Dewaxing)
واکنش های اصلی در این فرایند شکسته شدن هیدروکربورهای مومی به ترکیبات با اندیس گرانروی بالا، بنزین و گاز است. فرایندهای مختلفی برای تبدیل کاتالیستی فرایندهای موم گیری معرفی شده اند که مهمترین آنها تحت اختیار شرکت های صاحب لیسانس Chevron، Mobil و BP است. از جمله مزایای مهم این فرایندها عملکرد آنها در شرایط متوسط عملیاتی و نیاز آنها به مصرف کمتر هیدروژن است. در ضمن در صورت استفاده از این فرایندها در مواردی برای تصفیه نهایی و خالص سازی به تصفیه پایانی نیازی نیست.
● فرایند مومگیری ایزومری (ISO Dewaxing)
موم گیری ایزومری از کاتالیست های مخصوص با عملکرد دوگانه و با قدرت شکستن برخی از مولکول های موم ها به محصولات سبکتر و ایزومریزاسیون، بخش دیگری از موم ها به ایزوپارافین ها با نقطه ریزش پایین تر هستند، که این امر باعث افزایش میزان بازدهی و شاخص گرانروی (VI) روغن می شود. فرایند مومگیری ایزومری در فشارهای بالاتر از روش موم گیری کاتالیستی که قبلاًً توضیح داده شد، عمل می کنند و کاتالیست های فلزی اصیل و قیمتی مورد استفاده در آنها، کاربرد آنها را برای خوراکهایی که شامل مقدار کمی از مواد قطبی هستند (مثلاً برای روغن های هیدروکراکینگ شده یا رافینیت های به شدت هیدروتریتینگ شده از استخراج با حلال) ، محدود می کنند.
دو مجموعه بسیار مهم که مقوله فرایند موم گیری را پوشش می دهند، شرکت چِوْرن با تکنولوژی موم گیری ایزومری کاتالیستی و شرکت اکسون هستند. شرکت اکسون از کاتالیست MSDW برای این فرایند استفاده می کند.
● معرفی تکنولوژی مومگیری کاتالیستی MSDW
MSDW روغن های مومدار و رافینیت ها را برای تبدیل به روغن های پایه با نقطه ریزش فوق پایین(۴۰- درجه سانتیگراد و پایین تر) پوشش می دهد و یک جهش شدید در شاخص گرانروی روغن (VI) فراهم می کند. در این تکنولوژی مولکول های واکس توسط فرایند ایزومریزاسیون هیدروژنی Hydroisomerization گرفته و دفع می شوند.
برش های گرفته شده از برج خلاء (VGO) به عنوان خوراک، به طور مستقیم به برج LHDC وارد می شوند که در آن میزان سولفور و نیتروژن کاهش یافته وترکیبات آروماتیکی هم اشباع
می شوند. بسته به نوع نفت خام برای میزان متوسط بازدهی عملکرد واحد LHDC بین۶۰ تا۸۰ درصد، حدود۱۶۵ تا۴۱۵ متر مکعب هیدروژن در هر تن متریک از نفت خام لازم است. سپس محصولات شکسته شده وارد واحد MSDW می شود. در این واحد کاتالیستهای MSDW در ابتدا توسط فرایند ایزومریزاسیون نرمال پارافین ها نقطه ریزش روغن را پایین می آورد . میزان هیدروژن مصرفی در این واحد کمتر است و معمولاً بین۲۰ تا۸۰ متر مکعب هیدروژن در هر تن روغن خام است.مرحله نهایی، فرایند تصفیه هیدروژنی روغن به منظور تثبیت رنگ روغن است. بازدهی این فرایند بین۸۵ تا۹۷ درصد است. از مزایای مهم این فرایند این است که در تولید محدوده وسیعی از محصولات روغن پایه گروه۲ یا۳ انعطاف پذیر است. به تازگی شرکت اکسون تکنولوژی کاتالیست MSDW را با تکنولوژی جدید کاتالیست تصفیه هیدروژنی روغن به نام کاتالیست MAXSAT ادغام کرده است. از مزایای مهم این نوع کاتالیست این است که از نظر اقتصادی کاملاً مقرون به صرفه بوده و فعالیت اشباع سازی آن بسیار زیاد است، مقاومت آن برای ترکیبات گوگردی بسیار بالاست و دانسیته آن نیز پایین است که منجر به کاهش قیمت تمام شده کاتالیست ها می شود.از دیگر کاربردهای اخیر تکنولوژی MSDW فرایند (MWI) است که از آن به منظور هیدرو ایزومریزه کردن واکسهای حاوی روغن با۵ تا۲۵ درصد روغن که در آن۷۰ درصد از مقدار موم می تواند به ایزومرهایی با VI های بالا تبدیل شود، برای تولید روغن های پایه با VI بالا مخصوصاً تولید روغن های گروه۳ با+۱۳۰=VI استفاده می شود. اغلب، اندازه پلنت محدود به حجم واکس حاوی روغن در دسترس در هر موقعیت می شود و همچنین قابلیت اقتصادی آن وابسته به مقدار جریان خوراک واکس است. بسته به کیفیت واکس، خواص محصول و بازدهی ها می توانند تغییر کنند، اما در واکس های معمول که حاوی روغن بین۵ تا۲۵ درصد است بیش از۷۰ درصد از ترکیب واکس را می توان به ایزومرهای با VI بالا تبدیل کرد.
● تصفیه پایانی به روش هیدروژنی (هایدرو فینیشینگ)
این فرایند یک نوع فرایند کاتالیستی در شرایط عملیاتی متوسط با هیدروژن است که ترکیبات نامرغوب در مجاورت کاتالیست با هیدروژن ترکیب شده و به ترکیبات مورد نظر تبدیل می شوند. عملیات هیدروژنه کردن در آخرین مراحل و بعد از عملیات استخراج با حلال به منظور حذف ترکیبات نامطلوب و فعال شیمیایی که بر رنگ و پایداری رنگ روغن ها تاثیر منفی می گذارند و به منظور احیای خاصیت ضد امولسیونی در دمای بالا در حضور کاتالیزورهای کبالت- مولیبدن انجام می شود. این فرایند باعث حذف مواد زاید اکسیژنی ترکیبات سولفوردار و نیتروژن دار آلی می شود که بر رنگ و پایداری رنگ روغن ها تاثیر جدی گذاشته اما قادر به حذف مولکول های آروماتیکی نیست. از آنجا که ترکیبات نیتروژنی در فشار معمولی به سختی هیدروژنه می شوند در مقایسه با سایر فرایندهای کاتالیستی، فرایند فوق در فشار معمولی بالاتری انجام می گیرد.
● پرسش های اساسی برای تصمیم گیری در مورد توجیه پذیری اقتصادی سرمایه گذاری فرایندهای جدید
۱) میزان درصد تبدیل براساس نوع خوراک (منبع نفت خام موجود)، چگونه تغییر می کند؟
۲) بازار فروش و قیمت محصولات روغن پایه گروه۱ و۲و۲+ یا روغن های پایه گروه۳ تولیدی چقدر است؟
۳) آیا برای سوخت تولید شده در یک پروژه هایدروکراکینگ، هایدروتریتینگ و هایدرودیواکسینگ با فشار بالا به عنوان محصول جانبی، بازار فروشی وجود دارد؟
۴ ) میزان انرژی مصرفی و هزینه های تولید آن چقدر است؟
۵) مشخصات کاتالیست های فرایندی به تفکیک نوع فرایند به همراه هزینه های تامین و تعویض آنها چقدر است؟
۶) هیدروژن مصرفی چه مشخصاتی دارد و قیمت آن چقدر است؟
۷- چه نوع امکاناتی برای طراحی و ساخت بخش های مختلف این فرایند در داخل کشور مهیا است؟
۸) زمان بازگشت سرمایه چقدر است؟
۹) چه سطحی از سرمایه می تواند توجیه شود؟
پاسخ سئوالات بالا مشخص می کند که آیا نیاز به ارتقای واحد تولید روغن گروه یک احساس می شود یا نه و اگر بلی، چه گزینه ای از گزینه های سه گانه منجر به بیشترین میزان بر گشت سرمایه منجر می شود؟

نشریه روانسازها
مهندس رازی فر، دانشجوی كارشناسی ارشد مهندسی شیمی
منابع در دفتر ماهنامه موجود است.

منبع : ماهنامه نفت پارس