اگر بخواهیم خیلی خلاصه بگوییم، بدون مبدلهای حرارتی پالایش نفت خام عملاً غیرممکن است. از لحظهای که نفت خام از مخزن بیرون میآید تا زمانی که تبدیل به بنزین، دیزل و سوخت جت میشود، دهها و گاهی صدها مبدل حرارتی در پالایشگاه در حال کارند؛ نفت خام را پیشگرم میکنند، آب شور را خنک میکنند، بخار را چگال میکنند، محصولات را تا دمای ذخیرهسازی پایین میآورند و انرژی را بین جریانهای مختلف رد و بدل میکنند تا مصرف سوخت و هزینهها کم شود.
در ادامه، مرحلهبهمرحله مسیر نفت خام را در پالایشگاه دنبال میکنیم و میبینیم در هر گام، چه نوع مبدل حرارتی چه خدمتی به فرایند میکند.
چرا مبدل حرارتی در پالایش نفت «غیرقابلحذف» است؟
پالایشگاه نفت خام یک کارخانه معمولی نیست؛ با شبکهای از برجهای تقطیر دمای بالا، راکتورهای کاتالیستی، مخازن عظیم و جریانهای داغ و سرد سر و کار داریم. در چنین محیطی:
-
باید دمای هر جریان را دقیقاً در یک بازه مشخص نگه داشت؛ نه آنقدر کم که واکنش انجام نشود، نه آنقدر زیاد که کاتالیست بسوزد.
-
حجم عظیمی از انرژی در جریانهای داغ هدر میرود، مگر اینکه آن را به کمک مبدلهای حرارتی بازیافت کنیم.
-
هر درجه صرفهجویی در سوخت کورهها، مستقیم روی حاشیه سود پالایشگاه و میزان انتشار CO₂ اثر میگذارد.
مبدل حرارتی دقیقاً وسط این داستان میایستد: دمای سیالها را بدون تماس مستقیم عوض میکند و اجازه میدهد انرژی از یک بخش فرایند به بخش دیگر منتقل شود، بدون آنکه سیالها با هم قاطی شوند.
نمکزدایی نفت خام؛ اولین ایستگاه جدی برای مبدلها
نفت خامی که از چاه میآید پر است از نمک، آب و ذرات معلق. اگر این ناخالصیها را همان اول راه نگیریم، در مراحل بعدی باعث خوردگی، رسوبگذاری و مسمومیت کاتالیست میشوند.
در واحد نمکزدایی، مبدلهای حرارتی چند کار کلیدی انجام میدهند:
-
نفت خام را قبل از مخلوط شدن با آب شستوشو، گرم میکنند تا ویسکوزیته کم شود و نمکها راحتتر به فاز آبی بروند.
-
آب شور خروجی را خنک میکنند تا بتوان بدون رسوبگذاری و آسیب، آن را وارد واحد تصفیه آب کرد.
-
نفت نمکزدایی شده را برای مراحل بعدی تا دمای مناسب پایین میآورند یا بخشی از حرارتش را برای پیشگرم آب تازه بازیافت میکنند.
در یک جمعبندی روشن از نقش مبدلها در همین مرحله، در مقالهی فارسی سایت AgenSanat درباره پالایش نفت خام آمده است که :
«مبدلهای حرارتی در نمکزدایی، هم برای گرمکردن نفت خام و کاهش ویسکوزیته، هم برای خنککردن آب شور و هم برای پیشگرم آب ورودی و محصول نمکزداییشده استفاده میشوند و به دلیل خورندگی آب شور، به آلیاژهای مقاوم و طراحی قابلتمیزکاری نیاز دارند.»
نتیجه این است که اگر مبدلهای نمکزدایی درست انتخاب نشوند، اولین خوردگی جدی در همین نقطه اتفاق میافتد و هزینهاش را در تمام عمر پالایشگاه میپردازید.
قطار پیشگرم و برج تقطیر؛ بزرگترین «سینک انرژی» پالایشگاه
بزرگترین مصرفکننده انرژی در پالایش نفت خام، واحد تقطیر اتمسفریک و وکیوم است. برای اینکه نفت خام بتواند در برج تقطیر بر اساس نقطه جوش جداسازی شود، باید تا حدود ۳۶۰–۳۸۰ درجه سانتیگراد پیشگرم شود.
اما هیچ پالایشگاهی عاقل نیست که تمام این گرما را فقط با کوره تأمین کند. راهحل، شبکهای از مبدلهای حرارتی است که به آن قطار پیشگرم (Preheat Train) میگویند: نفت خام سرد قبل از رسیدن به کوره، از کنار محصولات داغ خروجی برج عبور میکند و از آنها گرما میگیرد.
به نقل از وبسایت علمی ScienceDirect در بخش «تقطیر نفت خام» آمده است:
«پیش از آنکه نفت خام وارد برج تقطیر شود، در یک شبکه مبدل حرارتی موسوم به قطار پیشگرم، با استفاده از جریانهای داغ پاییندست، تا دمایی در حدود ۳۶۰ تا ۳۸۰ درجه سانتیگراد پیشگرم میشود تا مصرف انرژی کوره به حداقل برسد.»
مبدلهای حرارتی در برج تقطیر: پیشگرمکن، ریبویلر، کندانسور و خنککننده
وقتی نفت خام وارد برج تقطیر شد، هنوز نقش مبدلها تمام نشده است. در اطراف همین برج، چهار خانواده مهم مبدل داریم:
-
پیشگرمکن و اکونومایزر
محصولات داغ خروجی از برج، در مبدلها بخشی از گرمای خود را به نفت خام ورودی میدهند؛ این همان جایی است که قطار پیشگرم تکمیل میشود. -
ریبویلر (Reboiler)
برای اینکه لایههای پایین برج همیشه در حال جوش باشند و تفکیک براساس نقطه جوش انجام شود، از ریبویلرها استفاده میشود؛ اغلب پوستهولوله کِتل یا مبدل صفحهوپوسته. -
کندانسورها
بخارهای خروجی از بالای برج، در مبدلهای حرارتی خنک شده و چگال میشوند تا به محصولات مایع تبدیل شوند. -
خنککنندههای نهایی محصول
بنزین، دیزل و نفت سفید بعد از بازیافت حرارت، باید تا دمای مناسب برای ذخیرهسازی و انتقال خنک شوند که این کار نیز با مبدلهای پوستهولوله، صفحهای یا هواخنک انجام میشود.
برای درک سریعتر، جدول زیر خلاصهای از نقش مبدلها در اطراف برج تقطیر ارائه میدهد.
جدول ۱ – نقشهای اصلی مبدل حرارتی در واحد تقطیر نفت خام
| موقعیت در فرایند | کارکرد اصلی مبدل حرارتی | نوعهای رایج مبدل |
|---|---|---|
| قبل از برج (قطار پیشگرم) | بازیافت حرارت از محصولات و پیشگرم خوراک | پوستهولوله، صفحهای بلاک، اسپیرال |
| پای برج (ریبویلر) | تأمین جوشش لایههای پایینی برج | پوستهولوله کِتل، صفحهوپوسته |
| بالای برج (کندانسور) | چگالش بخار خروجی برج | پوستهولوله، هواخنک، صفحهای |
| خروجی محصولات خطوط جانبی | خنک کردن نهایی قبل از مخازن | پوستهولوله، صفحهای، هواخنک |
فرایندهای تبدیل: وقتی مبدل حرارتی، دمای راکتور را مهار میکند
بعد از تقطیر، جریانهای مختلف نفتی وارد واحدهای تبدیل میشوند تا محصولات با ارزشتری مثل بنزین با اکتان بالا، سوخت جت و سوختهای سبک تولید شود. در اینجا مبدلهای حرارتی نقشی بسیار حساس دارند، چون باید هم دمای راکتور را در بازه باریک طراحی نگه دارند و هم انرژی را بین خوراک و محصول بازیافت کنند.
نگاه یک سازنده خارجی به کاربرد مبدلها در پالایشگاه
در یکی از مقالات فنی شرکت آلمانی GESMEX درباره کاربرد مبدلهای صفحهای در پالایشگاهها، بهطور خلاصه به همین تنوع نقش اشاره شده است.
به نقل از وبسایت GESMEX آمده است:
«در پالایشگاهها از مبدلهای حرارتی برای تقطیر نفت خام و تمام مراحل بعدی پالایش استفاده میشود؛ این مبدلها بهعنوان پیشگرمکن، ریبویلر، کندانسور، اکونومایزر و خنککننده محصولات پالایششده به کار میروند و نقش اصلی را در بازیافت حرارت و کنترل دما بر عهده دارند.»
این نقل قول بهخوبی نشان میدهد که یک مبدل در پالایشگاه فقط «یک کولر یا هیتر» نیست؛ بلکه بسته به محل نصب، میتواند چند نقش همزمان داشته باشد.
فرایندهای تصفیه؛ کنترل دقیق دما برای حذف گوگرد و ناخالصیها
محصولاتی که از واحدهای تبدیل خارج میشوند، هنوز تمیز نیستند؛ ترکیبات گوگردی، نیتروژنی و اکسیژنی در آنها وجود دارد که هم کیفیت سوخت را پایین میآورد و هم استانداردهای زیستمحیطی را زیر سؤال میبرد.
در واحدهای هیدروتریتینگ، شیرینسازی و پلیمریزاسیون:
-
خوراک قبل از تماس با کاتالیست باید تا دمای مشخصی پیشگرم شود.
-
گرمای شدید واکنش باید توسط مبدلهای بینمداری گرفته شود تا دما از حد مجاز بالاتر نرود.
-
محصولات نهایی بعد از خروج از راکتور به کمک مبدلها خنک میشوند تا بتوان آنها را بهصورت ایمن ذخیره و منتقل کرد.
بدون این کنترل حرارتی، یا واکنش بهطور کامل انجام نمیشود و گوگرد در سوخت باقی میماند، یا کاتالیست میسوزد و واحد باید برای تعویض کاتالیست متوقف شود.
نگاهی از بیرون به شبکه مبدلها در پالایشگاه
در یک مقاله تحلیلی درباره مبدلهای پالایشگاهی، تصویر کلی خوبی از نقش این تجهیزات در کل پالایشگاه ارائه شده است.
به نقل از وبسایت Icarus HEX Group آمده است:
«در پالایشگاه، مبدلهای حرارتی در تمام مسیر، از گرمکردن اولیه نفت خام در واحد تقطیر اتمسفریک تا آخرین مراحل خنککردن محصولات نهایی به کار گرفته میشوند و با انتقال گرما از جریانهای داغ به جریانهای سرد، چرخهای کارآمد از انرژی ایجاد میکنند.»
این تصویر نشان میدهد که اگر نقشه فرایندی پالایشگاه را روی دیوار بزنید، تقریباً در تمام آن، آیکونهای مبدل حرارتی دیده میشود؛ چیزی شبیه ستون فقرات سیستم.
جمعبندی کاربردها در یک نگاه
برای جمعبندی، جدول زیر مهمترین واحدهای پالایش نفت خام و نقش مبدلهای حرارتی در هر واحد را کنار هم نشان میدهد.
جدول ۲ – مهمترین کاربردهای مبدل حرارتی در واحدهای اصلی پالایشگاه نفت خام
| واحد فرایندی | نقش کلیدی مبدل حرارتی | نوعهای متداول |
|---|---|---|
| نمکزدایی نفت خام | گرمکردن خوراک، خنککردن آب شور و محصول نمکزداییشده | پوستهولوله، اسپیرال، بلاک |
| قطار پیشگرم و برج تقطیر | پیشگرم خوراک، ریبویلر، کندانسور، خنککننده محصولات | پوستهولوله، صفحهای، صفحهوپوسته |
| واحدهای تبدیل (FCC، هیدروکراکینگ و …) | پیشگرم خوراک، خنککردن محصولات و بازیافت حرارت | پوستهولوله فشارقوی، بلاک |
| واحدهای تصفیه (هیدروتریتینگ، شیرینسازی) | کنترل دمای واکنش و خنککردن محصولات تصفیهشده | پوستهولوله، صفحهای بلاک |
| مخازن و واحدهای جانبی | گرمایش مخازن سنگین، خنککاری آب کولینگ و خطوط اختلاط | پیلوپلیت، کویل، هواخنک |
نتیجهگیری؛ مبدل حرارتی، «سوپاپ اطمینان انرژی» در پالایشگاه
وقتی از بیرون به پالایشگاه نگاه میکنیم، شاید فقط دودکشها و برجهای بلند دیده شود؛ اما در لایهی زیرین این تصویر، شبکهای عظیم از مبدلهای حرارتی است که دمای هر جریان را تنظیم و انرژی را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل میکند.
اگر این شبکه درست طراحی شود:
-
مصرف سوخت کورهها کاهش مییابد؛
-
ظرفیت واحد تقطیر و تبدیل افزایش پیدا میکند؛
-
کاتالیستها عمر بیشتری میکنند؛
-
و در نهایت، پالایشگاه با همان خوراک، سود بیشتری تولید میکند و ردپای کربنی کمتری دارد.
بنابراین، «کاربرد مبدل حرارتی در پالایش نفت خام» فقط یک تیتر در کتاب ترمودینامیک نیست؛ موضوعی استراتژیک برای رقابتپذیری، ایمنی و پایداری هر پالایشگاه مدرن.