نحوه تولید روغن پایه مینرال

با درود بیکران بر تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

موضوع این پست به نحوه تولید و پالایش روغن های پایه مینرال از نفت خام اختصاص دارد. قبلا در پستی با عنوان «انواع روغن های پایه» در همین وبلاگ، شرح مختصری بر انواع روغن های پایه و ترکیبات و دسته بندی آنها براساس استاندارد API 1509 ارائه شده است. در آن پست، روغن های پایه به پنج گروه تقسیم شده بودند که سه گروه اول آنها را روغن های مینرال تشکیل می دادند. در این پست، قصد بر آن است که فرآیند پالایش و نحوه تولید این سه گروه از روغن های پایه از نفت خام را مورد بررسی قرار دهیم.

بیش از 95 درصد روغن های موجود در بازار جهانی از روغن های پایه مینرال تشکیل شده اند. اکثر ما می دانیم که این روغن ها حاصل فرآوری و پالایش نفت خام هستند. اما، بیشتر ما از جزییات این فرآوری و پالایش ناآگاهیم. نفت خامی که از چاه بیرون کشیده می شود، پس از پالایش و تبدیل به روغن، به شکل های گوناگونی در زندگی روزمره دیده می شود: از روغن های سنگین و تیره با زنجیره های هیدروکربنی بلند گرفته تا روغن هایی به رنگ های روشن و سبک با زنجیره های هیدروکربنی کوتاه و برش خورده که براحتی جاری می شوند. نفت خام، در واقع، ملغمه ای از ترکیبات حاوی هیدروژن و کربن است. این ترکیبات، بعضا، پیچیده و بسیار متفاوت از هم که اصطلاحا هیدروکربن نامیده می شوند، از نظر پیچیدگی ساختاری می توانند از متان (متشکل از یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن) تا ساختار های بسیار پیچیده ای متشکل از 60 (یا بیشتر) اتم کربن در ترکیب نفت خام حضور داشته باشند (بعنوان مقایسه، ساختار بیشتر روغن های مینرال از 20 تا 40 اتم کربن تشکیل شده است). بدین ترتیب، و بمنظور استحصال سیستم شیمیایی یکنواخت تری که بعنوان روغن صنعتی مینرال شناخته می شود، نفت خام را باید به پالایشگاه فرستاد. پالایشگاه، نفت خام را بعنوان ماده اولیه ای تحویل می گیرد که در ساختار آن ترکیبات بسیار متفاوتی وجود دارد و از این رو می توان مواد بسیار متفاوتی را از آن استخراج کرد. از بنزین گرفته تا تا قیر. در این میان، ترکیبات شیمیایی که ملکول های پیچیده و سنگین تری داشته باشند، برای تولید روغن جداسازی شده و ترکیباتی که از ملکول های ساده تر و سبکتری تشکیل شده باشند، برای تولید بنزین، نفت سفید، و... بکار خواهند رفت.

کاری که پالایشگاه می کند، بزبان ساده، عبارتست از مرتب کردن این ترکیبات شیمیایی براساس اندازه، وزن ملکولی، و پیچیدگی ساختاری، و سپس فیلتر کردن ناخالصی های ذاتی و طبیعی همراه این ترکیبات.

این عمل مستلزم گذراندن مراحلی فرآیندی روی نفت خام است که شامل نمک زدایی، حرارت دهی بمنظور تبخیر موضعی، و در نهایت، ورود به برج تقطیر است. این برج در فشاری کمی بالاتر از فشار عادی اتمسفر کار کرده و هدف از آن جداسازی هیدروکربن های مختلف براساس نقطه جوش آنها (بعنوان مهمترین مشخصه فیزیکی مرتبط با پیچیدگی زنجیره ملکولی هر ترکیب شیمیایی) است. باز هم به زبان ساده، شرح کار در برج تقطیر بدین صورت است که گرما از پایین این برج به محتویات داخل آن وارد شده و موجب تبخیر هیدروکربن های درون آن می شود. با حرکت این بخارات به سمت بالای برج، به تدریج و در اثر تبرید و چگالش طبیعی این بخارات، هر یک از بخش های این مخلوط با توجه به نقطه جوش و سایر خواص فیزیکی متفاوت خود، در بخش جداگانه ای از برج به حالت مایع باز می گردند. بدین ترتیب، در هر یک از طبقات برج تقطیر، مایعی داریم که خواص متفاوتی از سایر طبقات داشته و می تواند از هر یک از بخش های برج استخراج شود. بدین صورت که هیدروکربن های سبکی مانند بنزین که از 5 تا 10 اتم کربن تشکیل شده اند در طبقات فوقانی برج ساکن شده و هیدروکربن هایی متوسطی مانند نفت سفید و بنزین هواپیما که از 11 تا 13 اتم کربن در ساختار خود برخوردارند در طبقات ماقبل فوقانی برج توقف کرده و طبقات پایینتر از آنها هیدروکربن های سنگین تری را در خود جای می دهند که بین 14 تا 25 اتم کربن را در خود جای داده و محصولاتی مانند گازوییل و مازوت از آن جمله اند. طبقات پایینتر از این مورد نظر این پست است! بمنظور قرار گیری در این طبقات از برج تقطیر به داشتن حداقل 26 تا 40 اتم کربن در زنجیره ملکولی هیدروکربنیک نیاز بوده و مایعاتی که در این طبقات جای می گیرند، به تولید انواع روغن های صنعتی اختصاص دارند. طبقات پایینتر، پیچیده ترین ساختار های شیمیایی و طویلترین زنجیره های ملکولی هیدروکربنی را با بیش از 40 اتم کربن در خود جای می دهند که از جمله بارزترین مثال این بخش از برج تقطیر می توان به انواع قیر و محصولات آسفالتیک اشاره کرد.

شکل 1: نمای شماتیکی از برج تقطیر و محتویات طبقات مختلف آن

فرآیند تقطیر پایان راه نیست (!) و بمنظور استحصال کیفیت تجاری روغن های پایه، باید آنها را پس از خروج از برج تقطیر در معرض فرآیند های تکمیلی قرار داد تا خواص تجاری مناسبی به این روغن های پایه افزوده شود؛ مانند مقاومت به پیرسازی در هوا (اکسیداسیون)، یا تمایل به حفظ ویسکوزیته دینامیک در یک بازه خاص دمایی. وصول این امر از دو طریق ممکن است:

الف) روش اول بر فرآیند جداسازی شیمیایی (Extraction Process) تاکید دارد که طی آن دو نوع محصول تولید می شود که شامل روغن پایه (مطلوب نظر) و محصولات جانبی (نامطلوب) است؛ و

ب) روش دوم که اخیرا محبوبیت و رواج بیشتری یافته است، چیزی نیست جز یک فرآیند استحاله شیمیایی (Conversion Process) که طی آن ساختار های ملکولی نامطلوبی که بالاتر اشاره شد با توسل به هیدروژن، حرارت، و فشار به ساختار های شیمیایی مطلوب تبدیل می شوند.

در ذیل به شرح این دو مجموعه فرآیندی پرداخته ایم:

1. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق جداسازی شیمیایی (Extraction Process):

گفتیم که بمنظور استحصال روغن پایه از نفت خام، فرآیند تقطیر مورد استفاده قرار می گیرد. اما، تقطیر منجر به تولید یک محصول تجاری و قابل عرضه به بازار نمی شود! از این رو، بمنظور تکمیل محصول و دستیابی به سطح قابل قبولی از کیفیت، روغن پایه بعنوان محصول نیمه آماده باید فرآیند های دیگری را در روش جداسازی شیمیایی نیز بگذراند. زنجیره ای ساده شده از این فرآیند ها در شکل 2 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش جداسازی شیمیایی می شناسند.

شکل 2: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به جداسازی شیمیایی

این مجموعه فرآیندی که بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، قرار دارند عبارتند از:

1.1 آسفالت زدایی (Deasphalting): هدف از این فرآیند جداسازی بقایای آسفالت های پروپانی از ساختار شیمیایی روغن خروجی از فرآیند تقطیر است که به پایینترین طبقات برج تقطیر تعلق داشته و از بیشترین دانسیته و پیچیده ترین زنجیره های ملکولی برخوردار بوده و بیشتر بعنوان ناخالصی شیمیایی در ساختار روغن پایه شناخته می شوند. فرآیند آسفالت زدایی منجر به جداسازی دو گروه ماده از روغن پایه می شود: قطران و کامپاند هایی با ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی بسیار شبیه به روغن پایه، اما با نقطه جوشی اغلب بالاتر از آن. تکلیف قطران که معلوم است! اما، کامپاند هایی که گفته شد دوباره با روش هایی که در بالا گفته شد پالایش شده و بعنوان محصولات روانکاری سنگینتر و برخی از ادتیو ها به بازار عرضه می شوند.

1.2 حلال زدایی (Solvent Extraction): هدف از این فرآیند تصفیه کلیه ترکیبات آروماتیک و سایر حلال های مضر از ترکیب روغن نیمه آماده با توسل به روش استخراج فاز مایع است. حلال هایی که معمولا در این مرحله از ترکیب روغن جدا می شوند حاوی فنول، فورفورال، و دی اکسید سولفور می باشند. در انتهای این فرآیند، دو محصول وجود دارد: یکی، روغن پایه ای است که در واقع چیزی جز یک رافینیت نیست و در ادبیات پالایشگاهی با عنوان آشناتر «روغن خنثی» شناخته می شود. محصول دیگر نیز شامل محلولی غلیظ از ترکیبات آروماتیک است که در تولید گازوییل و برخی دیگر از انواع ادتیو های سوخت کاربرد وسیعی دارد.

1.3 واکس زدایی (Dewaxing): روغن خنثی پس از حلال زدایی و بمنظور بهبود توانایی روانی در دما های پایین باید از وجود ترکیبات واکسی پارافینیک نیز زدوده شود. واکس زدایی، مجددا، منجر به تولید دو محصول می گردد: توده ای از واکس پارافینیک بعنوان محصول جانبی این فرآیند که کاربرد های خاص خود را در صنایع پزشکی، اسباب بازی، شمع سازی، لوازم خانگی، و صنایع غذایی داشته و روغنی بدون واکس که مخلوطی از پارافین ها، نفتِن ها، و برخی ترکیبات آروماتیک است. این روغن پایه اکنون می تواند برای تولید بسیاری از روغن های صنعتی بعنوان روغن پایه بکار رود. اما، برخی روغنساز ها، بمنظور دستیابی به کیفیت بالاتر در برخی از محصولات خود، سفارش یک فرآیند تکمیلی دیگر را نیز علاوه بر این زنجیره فرآیندی می دهند. این حلقه تکمیلی را اصطلاحا فینیشینگ یا هیدروفینیشینگ می نامند.

1.4 هیدروفینیشینگ (Hydro-finishing): هدف از این فرآیند، ایجاد تغییر و یکنواخت سازی رفتار کامپاند های قطبی حاضر در ترکیب روغن پایه با توسل به زنجیره ای از واکنش های شیمیایی با استفاده از اتم هیدروژن و البته چاشنی حرارت و فشار است. روغن پایه ای که این فرآیند را از سر می گذراند، ظاهری شفافتر و رفتار شیمیایی پایدارتری خواهد داشت. کیفیت روغنی که از این فرآیند بدست می آید به پیچیدگی هیدروفینیشینگ، سطح فناوری بکار رفته در طراحی این فرآیند، و کیفیت توزیع و اعمال حرارت و فشاری است که به روغن پایه طی این فرآیند وارد می شود.

2. مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه از طریق استحاله شیمیایی (Conversion Process):

این روش اخیرا مورد توجه شرکت های پیشرو در حوزه تولید روغن های پایه قرار گرفته و شامل زنجیره ای متفاوت از ایستگاه های فرآیندی نسبت به روش جداسازی شیمیایی است. نمایی ساده شده از این زنجیره در شکل 3 نشان داده شده است. این زنجیره فرآیندی را اصطلاحا با عنوان مجموعه فرآیند های استحصال روغن پایه به روش استحاله شیمیایی می شناسند.

شکل 3: نمای ساده شده ای از زنجیره فرآیندی موسوم به استحاله شیمیایی

این روش که مجموعه ای از فرآیند های بین دو ایستگاه فرآیندی تولید روغن پایه از نفت خام، یعنی تقطیر و محصول نهایی، را تشکیل می دهد عبارتست از:

2.1 شکست هیدروژنی (Hydro-Cracking): هدف از این فرآیند پالایشی، شکستن پیوند های شیمیایی حاضر در ترکیب روغن تقطیر شده از نفت خام است. برای این منظور از کاتالیسیتی با دمای 420 درجه سلسیوس و فشار 3000 پی اس آی می باشند. طی این فرآیند، حلقه های نفتن و آروماتیک شکسته شده و کامپاند های شیمیایی حاصله با استفاده از اتم های آزاد هیدروژن مجددا به یکدیگر پیوسته و تشکیل یک ساختار ایزوپارافینیک می دهند. بدین ترتیب، روغن از ساختاری یکدست برخوردار شده و در عین حال، ترکیبات نامطلوبی مانند آب، آمونیا، و سولفید هیدروژن نیز از ساختار آن زدوده می شوند.

2.2 واکس زدایی هیدروژنی (Hydro-dewaxing): مانند شکست هیدورژنی، واکس زدایی هیدروژنی نیز سعی در تبدیل کامپاند های واکسی پارافینیک به ساختار های ایزوپارافینیک با توسل به اعمال فشار و حرارت طی عبور از یک کاتالیست است. بدین ترتیب، ساختار شیمیایی روغن پایه نفتی که تا این مرحله از پالایش را از سر گذرانده است، یکنواختی بیشتری خواهد یافت. شکل 4 نمای شماتیکی از پیچیدگی ساختاری نفتن ها و آروماتیک ها را در برابر ساختار های پارافینیک و ایزوپارافین نشان می دهد.

شکل 4: نمای شماتیکی از ساختارهای شیمیایی حاضر در روغن های پایه نفتی (مینرال)

2.3 یکنواخت سازی هیدروژنی (Hydro-treating): از آنجا که طی دو ایستگاه فرآیندی قبلی، پیوند های شیمیایی بین دو اتم کربن نیز به وفور اتفاق می افتد، ملکول های اشباع نشده فراوانی در ساختار روغن حضور خواهند داشت و این منجر به ناپایداری شدیدی در رفتار شیمایی و فیزیکی روغن می گردد. از این رو، لازم است با معرفی هیدروژن، این ملکول های اشباع نشده را به کامپاند های اشباع شده، پایدار، و هیدراته تبدیل نمود تا رفتار روغن در برابر اکسیداسیون و نیتراسیون بهبود یابد.

اکنون که به تشریح این دو روش در تولید روغن های پایه از نفت خام پرداختیم، ممکن است این سوال برای خواننده این پست مطرح شود که تفاوت محصول خروجی از این دو روش در روغنسازی چیست؟ آیا کیفیت روغن پایه مینرال حاصل از روش استحاله شیمیایی از روش جداسازی بالاتر است؟ پاسخ در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1: تفاوت خواص روغن حاصله از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی

بارزترین اختلاف در روغن پایه حاصل از نفت خام به روش استحاله شیمیایی نسبت به جداسازی را می توان در حضور کامپاند های آروماتیک در ساختار محصول رخ می نماید. استحاله شیمیایی روغنی را بدست می دهد که کمتر از 0.5 درصد کامپاند های آروماتیک داشته باشد. این در حالی است که روغن پایه حاصل از روش جداسازی میزبان معمولا بین 15 تا 20 درصد کامپاند های آروماتیک در ساختار خود است. از آنجا که دانسیته روغن ارتباط مستقیمی با میزان حضور کامپاند های آروماتیک دارد، بنابراین می توان نتیجه گرفت که روغن های پایه حاصل از روش جداسازی شیمیایی ازدانسیته بالاتری برخوردارند. این بدان معنی است که ویسکوزیته سینماتیک این روغن ها در قیاس با روغن های پایه ای که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند بسیار کمتر است که می تواند در خواص مکانیکی آنها از جمله قابلیت پمپاژ در دما های مختلف تاثیر شدیدی بگذارد. در عین حال، حضور کامپاند های آروماتیک در مقاومت به اکسیداسیون تاثیر منفی دارد. از این رو، روغن های پایه گروه I، II، و III که از روش استحاله شیمیایی بدست می آیند ذاتا از مقاومت بیشتری در برابر اکسیداسیون برخوردارند.

این تنها یک نمونه از اختلافات فاحشی بود که بین خواص عملکردی روغن های پایه حاصل از دو روش جداسازی و استحاله شیمیایی مشاهده شده است. از دیدگاه اقتصادی، اما، روغن های پایه مینرال حاصل از استحاله شیمیایی قیمتی بالاتر (حدود 80 درصد) از همتایان حاصل از روش جداسازی شیمیایی دارند.