شرکت پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند به عنوان مدرنترین پالایشگاه کشور، با دارا بودن واحدهای متنوع و پیچیدۀ فرایند کاتالیستی، جزء حساسترین واحدهای صنعتی کشور است، به طوری که تنوع کاتالیست ها و مصرف آن ها در سطح واحدهای پالایشگاه گسترده است که با ظرفیت اسمی تولید ۲۴۹ هزار بشکه در روز، از سال ۷۰ مشغول به فعالیت است.
شرکت پالایش امام خمینی (ره) شازند با دارا بودن واحدهای تصفیۀ باقیمانده های سنگین نفت خام (واحد RCD) و همچنین واحد شکست مولکولی این زنجیره های هیدروکربنی بلند در تولید محصولات با ارزش افزودۀ بالا، نظیر بنزین، گاز مایع، دیزل و به عنوان تنها شرکت پالایشی کشور و با توانایی تولید محصول پروپیلن جزو شرکت هایی است که از درجۀ پیچیدگی بالایی در قیاس با سایر شرکت های پالایشی کشور برخوردار است. به نحوی که با پالایش نفت خام نیمه سنگین و فوق سنگین مطابق طراحی، کمتر از هفت درصد از خوراک به سوخت سنگین تبدیل می شود که از این لحاظ نیز در بین شرکت های پالایشی کشور رتبۀ نخست را دارد. نفت سفید، بنزین، دیزل و پروپیلن از محصولاتی است که مجموعۀ پالایش امام خمینی به تولید میرساند؛ چیزی حدود ۱۷ میلیون لیتر در روز بنزین تولید می کند.
همچنین نفت شازند تنها پالایشگاهی است که قابلیت تولید سوخت کشتیرانی مطابق استاندارد ۲۰۲۰ را دارد که میتواند ناوگان کشتیرانی جمهوری اسلامی ایران را تأمین کند؛ به طوری که حاوی مقدار کمی گوگرد (زیر ۵ هزار ppm) است.
همچنین در آیندۀ نزدیک، کلنگزنی و احداث واحدهای کک سوزنی در پالایشگاه اراک انجام خواهد شد که امکانسنجی و طراحی پایۀ آن با همکاری با پژوهشگاه صنعت نفت در مراحل پایانی خود قرار دارد. گفتنی است طرح تولید کک اسفنجی در مجموعۀ پالایشی بندرعباس نیز در مراحل طراحی پایۀ خود قرار دارد که با توجه به امکان تولید خوراک با کیفیت تولید کک سوزنی، مجموعۀ پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند نسبت به مجموعۀ پالایشی بندرعباس برتری دارد.
این مقدمه بخشی از صحبت های ما با آقای مهندس امیر شرفی، کارشناس ارشد فرایند مجتمع پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند است که در این شماره از فصلنامه دربارۀ کاتالیست های فرایند گاز سنتز با ایشان صحبت کرده ایم که شرح آن در ادامه آمده است:
فرایندهای کاتالیستی تولید هیدروژن از گاز سنتز در واحدهای پالایشگاهی
در واحدهای پالایشگاهی، خوراک اصلی نفت خام است. نفت خام یک برش هیدروکربنی است که در واحدهای پالایشی براساس اختلاف در نقطۀ جوش در واحد تقطیر اتمسفریک و خلأ، تفکیک و محصولات میانی تولید می شود. باقیمانده های سنگین برجهای تقطیر اتمسفریک و خلأ عموماً بیش از ۴۰ درصد خوراک نفت خام را تشکیل می دهند. از این مقدار، بخش عمده در مجموعه های پالایشی کشور بهمنظور تولید سوخت های سنگین با گوگرد بالا مورداستفاده قرار می گیرد و بخش کمی از آن در واحدهای شکست حرارتی (Visbreaker) به تولید محصولاتی نظیر تار و بنزین نامرغوب واحد غلظتشکن می انجامد. معمولاً در واحدهای پالایشگاهی که از تکنولوژی های بالاتر، از قبیل واحد تصفیۀ هیدروژنی باقیمانده های سنگین (RCD) و واحد شکست مولکولی باقیمانده های سنگین در بسترهای سیال کاتالیستی (RFCC و یا FCC) و همچنین واحدهای هیدروکراکر برای تبدیل محصولات نیمه سنگین به محصولات سبک با ارزشافزودۀ بالاتر استفاده می کنند، این مقدار کاهش می یابد؛ به نحوی که مجموعۀ پالایشی نفت امام خمینی (ره) شازند با دارا بودن همزمان این تکنولوژی ها، مقدار سوخت سنگین تولیدی در فرآورده های خود را مطابق طراحی به کمتر از ۷/۶ درصد کاهش داده است.
عملیات هایی که در واحدهای هیدروکراکر اتفاق می افتد، به قصد شکست مولکولی است؛ یعنی در دما و فشار مشخص در حضور کاتالیست، زنجیره های بلند هیدروکربنی را می شکنیم و که با شکسته شدن یک پیوند، باید پیوند جایگزین اتفاق بیفتد. یکی از عناصر فراوان در بحث هیدروکربن ها، هیدروژن است. اگر هیدروژن نباشد، سوختن در دمای بالا و تولید کک و یا تشکیل زنجیره های هیدروکربنی غیراشباع را داریم که البته خیلی مطلوب محیط زیست نیست. علاوه بر این، در واحدهای تصفیۀ هیدروژنی نفتا (NHT)، دیزل (GHT)، بنزین (CGH)، نفت سفید (KHT) و واحد تصفیۀ هیدروژنی، باقیمانده های سنگین (RCD) مولکول هیدروژن استفاده می شود. برای تأمین هیدروژن دو فرایند وجود دارد. فرایند اول این است که از یک شرکت پتروشیمیایی هیدروژن را تأمین کنیم که این مقرون به صرفه نیست و دیگری اینکه خودمان هیدروژن تولید کنیم.
معمولاً در فرایند تولید هیدروژن از گاز طبیعی استفاده می شود که در این فرایند به همراه بخار آب در یک واکنش با حضور کاتالیست هایی که پایۀ طبیعی دارند، در کوره هایی به نام کوره های ریفرمر تغییر و آرایش داده می شود. یعنی اکسیژن متصل به مولکول H2O به سمت مولکول متان میرود و CO را تولید میکند و هیدروژن متان به همراه هیدروژن آب جدا می شود و نتیجۀ این فرایند در واقع گاز هیدروژن را برای ما تولید می کند.
CH۴ + H2O → CO + ۳H2
CH۴ + ۲H2O→ CO2 + ۴H2
H2O + C → CO + H2
H2O + e− → ۱/۲H2 + OH−
با افزایش دما، در فشار مشخص، گاز متان از مجرای تیوب ریفرمرهای واقع شده در کوره های مشخصی عبور می کند که کاتالیست های ریفرمینگ در این تیوب ها قرار دارند. به این شکل که با حضور گاز متان و بخار آب (بخار آب می تواند فشار بالا یا فشار متوسط باشد، که بسته به نوع فرایند در تیوپ های کوره قرار دارد) واکنش انجام می شود. این فرایند که معروف به استیمریفرمینگ است، به تولید گاز هیدروژن می انجامد و این گاز هیدروژن حاوی ترکیبات CO و CO2 است.
در مرحلۀ بعد باز هم در واکنش هایی به نام High- Shift تا جایی که امکان دارد این واکنش را کامل می کنیم. در این فرایند نیز ما از کاتالیست های خاصی استفاده می کنیم که خروجی آن در بخش PSA وارد شده و کار شیرین سازی را انجام می دهد؛ به طوری که در این مرحله هیدروژن با خلوص ۹۹/۹ تولید خواهد شد. در این فرایند، یکی از تولیداتی که خواهیم داشت، بخار است و بخشی هم با عنوان هیدروژن که محصول اصلی است به رینگ پالایشگاه تزریق می شود و در واکنش های هیدروژنی نفت سفید و تصفیۀ نفتا یا بنزین یا کراکینگ به کار می رود.
پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند و تجربۀ استفاده از کاتالیست ایرانی
قبل از اینکه مجموعۀ نفت شازند اقدام به تهیۀ کاتالیست های داخلی کند، کاتالیست های این مجموعه عموماً از کشور هند و انگلیس تأمین می شد. اما باتوجه به سیاست های حمایت از کالای با کیفیت ایرانی که مدیران بخش پالایش و پخش داشتند، شرکت پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند یکی از نخستین شرکت هایی شناخته شد که از کاتالیست های تولیدی شرکت سرو در کورۀ ریفرمر فاز ۲ استفاده کرد. دربارۀ کیفیت عملکردی کاتالیست های شرکت نفت و گاز سرو در مقایسه با نمونه های هندی و انگلیسی می توان اذعان کرد که با گذشت چندین سال از فعالیت این واحد، کاتالیست ایرانی به مراتب قابلیت رقابت را با نمونۀ خارجی دارد، به طوری که در برخی پارامترها حتی عملکرد بهتری از نمونه های قبلی را نیز داشت.
پارامترهای کنترلی در حوزۀ کیفیت کاتالیست
در این بحث، یکی از بزرگترین معیارها مقاومت مکانیکی و توزیع مناسب فلز فعال روی سطح آنهاست که در کاتالیست های ریفرمینگ، متداول ترین فلز، نیکل است. همچنین به جهت ساختاری این موضوع اهمیت دارد که کاتالیست ها به چه شکلی باشند تا مانع افت فشار در تیوپ ها نشوند؛ به عبارت دیگر، جریان GHSV عبوری از تیوب ریفرمرها را با مشکل روبه رو نکنند. اگر در هر یک از این تیوب ها دچار اختلال در افت فشار شویم، مجبوریم کوره را از سرویس خارج کنیم. از این رو هنر تولیدکنندگان کاتالیست باید این باشد که محصولی تولید کنند که تمام این پارامترها در حالت بهینۀ خود و در ارتباط با پارامترهای دیگر باشد (یعنی در عین اینکه کاتالیست استحکام مکانیکی بالایی دارد، سطح ویژۀ BET بالایی نیز داشته باشد و ساختار ظاهری آن نیز طوری باشد که جریان عبوری گاز در تیوب ها و یا رآکتورها را با مشکل روبه رو نکند و از طرفی، قابلیت انجام واکنش ریفرمینگ معمولاً در دمای بین ۷۸۵ تا ۸۶۰ درجه را در سطح بالایی داشته باشد).
غیر فعال شدن کاتالیست
اگر کاتالیست نتواند این واکنش ها را که از نوع گرماگیر هستند به خوبی انجام دهد، دمای موجود در بستر کاتالیست باعث ایجاد نقاط داغی در داخل تیوب و بدنۀ آن می شود که می تواند هم به تیوب ریفرمرها و هم به خود کاتالیست آسیب بزند و پدیدههای Hot Spot یا گردن زرافه ای و زینترینگ را پدید آورد. از این رو استفاده از کاتالیست بیکیفیت هزینه های بسیار سنگینی را به شرکتهای صنعتی وارد میکند.
دانسیتۀ کاتالیست بعد از بارگذاری
یکی از پارامترهای کیفی در حوزۀ خواص فیزیکی کاتالیست، مبحث میزان دانسیتۀ به دست آمدۀ کاتالیست بعد از بارگذاری است، که باید در عین اینکه بیشترین کاتالیست را در معرض واکنش قرار دهد، میزان سرعت جریان گاز عبوری از روی کاتالیست ها را نیز با گذشت زمان با مشکلی روبه رو نکند.
درصد+C1
یکی از این پارامترهای مهم، +C1 یا درصد کربنی است که در حین واکنش ها، واکنش نداده است. این فاکتور خود به چند پارامتر مختلف بستگی دارد، ولی عاملی اصلی نوع و عملکرد کاتالیست است. اگر کاتالیست خوب نباشد و فرایند را تسهیل نکند، درصد +C1 افزایش می یابد و واحدهای بهره برداری در این شرایط یا باید با دمای بالاتری فعالیت کنند، که جدای از بحث انرژی، دمای بالاتر اثر منفی روی استهلاک تجهیزات خواهد گذاشت، و یا می پذیرند که واکنش ها به صورت مناسبی انجام نمی شوند و بهره وری کمتری حاصل می شود.
بنابراین منظور از کیفیت رقابتی کاتالیست ایرانی با نمونۀ خارجی از منظر این پارامترهاست. اگر کاتالیست های خارجی را با ساخت داخل مقایسه کنیم، ملموس است که کاتالیست نمونۀ داخلی واقعاً عملکرد خوبی در این زمینه دارد و تولیدکنندگان ما توانسته اند با نمونه های مشابه خارجی رقابت کنند. از اخبار این شرکت باخبر شدهایم که صادرات این کالای استراتژیک نیز به مجتمع های پتروپالایشی خارج از کشور به همت شرکت نفت و گاز سرو انجام پذیرفته است که جا دارد به مدیریت این مجموعه تبریک عرض کنیم. قطعاً این موفقیت به تمام صنایع کاتالیست، پالایش نفت، پتروشیمی و فولاد کشور تعلق دارد که با کنار هم قرار گرفتن توانستند صنعت نوین و استراتژیک کاتالیست را در کشور بنا نهند و ایران را به یکی از قطب های تولیدکننده و صادرکننده به جهان معرفی کنند.
در پایان از آقای مهندس شرفی دربارۀ ساخت تجهیز کاتالیستی در آن مجتمع توسط تیمی که ایشان نیز عضو آن بودند، سؤالی داشتیم؛ تجهیزی در مقیاس پایلوت برای ارزیابی عملکرد کاتالیست. که پاسخ ایشان در ادامه آمده است.
همانطور که اشاره کردین، دستگاه پایلوت ارزیابی عملکرد کاتالیست برای اولین بار در کشور با استفاده از تجهیزات مستهلک و بهره مندی از امکانات موجود در مجتمع، به همت و کوشش تیمی از متخصصان شرکت پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند، ساخته شد.
طرح اولیۀ دستگاه فوق پس از دریافت نظرات فنی و کارشناسی لازم از ادارات مهندسی عمومی و بازرسی فنی و همچنین انجام هماهنگی های لازم با ادارۀ تعمیرات، برای ساخت به کارگاه مرکزی شرکت ارسال شد و عملیات ساخت آن کلید خورد. بعد از گذشت هشت ماه این دستگاه به سرانجام رسید. آلیاژ به کاررفته و تکنولوژی این تجهیز از ویژگیهای منحصربه فردی برخوردار است که آن را به یکی از برجسته ترین پایلوت های کشور با قابلیت انجام مجموعه ای از فرایندهای کاتالیستی و استخراجی تبدیل کرده است که ازجمله می تواند آزمایش های ارزیابی عملکرد انواع کاتالیست های موجود در پالایشگاه تا دما و فشار بالا را انجام دهد.
از ویژگی های دیگر آن، فرایند استخراج فلزات سنگین از کاتالیست های مستعمل با استفاده از حلال های مناسب و انجام آزمایش های موردنیاز در دما و فشار بالاست. همچنین آزمایش های Steaming با انواع حلالهای مختلف و فشارهای بالا و نیز استفاده از تکنولوژی سیالات فوق بحرانی، نظیر CO2 در دماهای بالا از دیگر ویژگی های این دستگاه محسوب می شود. نکتۀ قابلتوجه این سیستم این است که همۀ آزمایش های گفته شده (مجموعه ای از فرایندهای کاتالیستی) به یکباره با همین یک دستگاه انجام می گیرد، در صورتی که دستگاه های مشابه خارجی، هر یک از آزمایش های فوق را با یک دستگاه مجزا انجام می دهند.