یکی از مهم‌ترین گازهای صنعتی به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر‌به‌فرد خود، در صنایع پالایش و نفت نقش مهمی ایفا می‌کند. این ماده با دمای نقطه جوش -۱۸۳ درجه سانتی‌گراد به‌عنوان یک اکسیدکننده قوی شناخته می‌شود که در فرآیندهای پالایشی به افزایش بهره‌وری، بهبود کیفیت محصولات و کاهش آلاینده‌ها کمک می‌کند.
اکسیژن مایع و بهبود فرآیندهای احتراق در پالایشگاه‌ها
احتراق یکی از فرآیندهای اساسی در صنعت پالایش نفت است که برای تولید حرارت و انرژی مورد نیاز در بسیاری از عملیات‌های پالایشگاهی مانند تولید بخار، پخت و تبدیل مواد، و فعالیت‌های تبخیرکننده به کار می‌رود. در این فرآیندها، معمولاً هوا به‌عنوان اکسیدکننده به کار می‌رود، اما برای افزایش کارایی و بهبود عملکرد، استفاده از اکسیژن مایع به‌جای هوا گزینه‌ای عالی است. اکسیژن مایع به دلیل ویژگی‌های خاص خود مانند توان بالا در اکسیداسیون، افزایش دمای احتراق و کاهش آلاینده‌های ناشی از احتراق ناقص، قادر است فرآیندهای احتراق در پالایشگاه‌ها را به‌طور چشمگیری بهینه کند.
مزایای استفاده از اکسیژن مایع در احتراق پالایشی
افزایش دمای احتراق و بهبود بازده انرژی:
در هنگام استفاده از اکسیژن مایع به‌جای هوا، به دلیل افزایش غلظت اکسیژن در محفظه احتراق، دمای احتراق به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. این به معنای استفاده بهتر از انرژی سوخت است، زیرا سوخت‌ها در دمای بالاتر و کامل‌تر می‌سوزند. افزایش دما باعث بیشتر شدن واکنش‌های شیمیایی و در نتیجه افزایش بازده انرژی می‌شود. این افزایش دما در بسیاری از فرآیندهای پالایشگاهی مانند کراکینگ (Cracking) و ریفورمینگ (Reforming) کمک می‌کند تا سوخت‌ها سریع‌تر و کامل‌تر تجزیه شوند.
کاهش مصرف سوخت:
استفاده از اکسیژن مایع به‌طور مستقیم باعث بهبود نرخ احتراق و افزایش کارایی انرژی می‌شود. در نتیجه، برای تولید همان مقدار انرژی و حرارت، نیاز به مصرف سوخت کمتر است. این امر باعث صرفه‌جویی در هزینه‌ها و کاهش مصرف منابع انرژی می‌شود. کاهش مصرف سوخت نه تنها به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند بلکه اثرات زیست‌محیطی کمتری نیز ایجاد می‌کند.
کاهش آلاینده‌های ناشی از احتراق ناقص:
در فرآیندهای احتراق معمولی، هنگامی که اکسیژن موجود در هوا به‌حد کافی نیست، ترکیباتی مانند مونوکسیدکربن (CO) و هیدروکربن‌های نسوخته تولید می‌شوند که علاوه بر ایجاد آلودگی‌های زیست‌محیطی، باعث کاهش کیفیت سوخت و هدر رفت انرژی می‌شوند. با استفاده از اکسیژن مایع که خلوص بالاتری دارد، فرآیند احتراق به‌طور کامل‌تری انجام می‌شود و میزان آلاینده‌ها به‌شدت کاهش می‌یابد. بنابراین، این روش به کاهش CO و NOx کمک می‌کند و پالایشگاه‌ها را قادر می‌سازد تا فرآیندهای پالایشی را با رعایت استانداردهای زیست‌محیطی بهینه کنند.
فرآیند Oxy-fuel Combustion احتراق با اکسیژن خالص
یکی از تکنولوژی‌های نوین در استفاده از اکسیژن مایع برای احتراق در پالایشگاه‌ها، فرآیند Oxy-fuel Combustion است. در این روش، به‌جای استفاده از هوای معمولی، اکسیژن خالص به‌عنوان اکسیدکننده اصلی در فرآیند احتراق استفاده می‌شود. این فرآیند دارای چندین مزیت کلیدی است.
کاهش حجم گازهای خروجی:
زیرا در اکسیژن خالص، درصد نیتروژن که یکی از اجزای اصلی هوای معمولی است، وجود ندارد. این امر باعث می‌شود که حجم گازهای خروجی کمتر شده و دستگاه‌ها و تجهیزات فیلترهای آلاینده و شست‌وشو کارایی بیشتری داشته باشند. دما و فشار بالاتر: با استفاده از اکسیژن، فرآیند احتراق در دمای بالاتر و فشار بالاتری انجام می‌شود. این امر باعث افزایش کارایی و بهبود واکنش‌های شیمیایی در واحدهای پالایشگاهی می‌شود. کاهش اندازه و هزینه تجهیزات: در بسیاری از فرآیندهای Oxy-fuel، به دلیل افزایش دمای احتراق و کاهش حجم گازهای خروجی، حجم و اندازه تجهیزات مانند کوره‌ها و بویلرها کاهش می‌یابد و این امر به کاهش هزینه‌ها و استفاده بهینه از فضا در پالایشگاه کمک می‌کند.
کاربردهای عملی اکسیژن مایع در پالایشگاه‌ها
کراکینگ کاتالیستی سیال بستر:
در این فرآیند که برای تجزیه نفت خام و تولید بنزین و مواد سبک‌تر انجام می‌شود، استفاده از اکسیژن مایع در مرحله ریجنراسیون کاتالیست‌ها باعث احیای کاتالیست‌ها و بهبود واکنش‌های تجزیه هیدروکربن‌ها می‌شود. این باعث افزایش عملکرد کاتالیست و بهبود راندمان فرآیند می‌شود. اصلاح کاتالیستی: در فرآیند اصلاح کاتالیستی که برای تولید بنزین با اکتان بالا از هیدروکربن‌های سنگین استفاده می‌شود، اکسیژن مایع در مرحله اکسیداسیون و بازسازی کاتالیست نقش مهمی ایفا می‌کند. این روش می‌تواند کیفیت فرآورده‌های تولیدی را بهبود دهد و در عین حال مصرف انرژی را کاهش دهد. فرآیند تولید بخار و برق: در پالایشگاه‌ها، بخار مورد نیاز برای بسیاری از فرآیندهای صنعتی از طریق احتراق سوخت‌ها تولید می‌شود. استفاده از اکسیژن مایع در این فرآیندها باعث افزایش کارایی تولید بخار و کاهش هزینه‌های انرژی می‌شود. همچنین این فرآیند به‌دلیل افزایش دما، توانایی تأمین برق مورد نیاز پالایشگاه را نیز بهبود می‌بخشد.
استفاده از اکسیژن مایع در تولید گاز سنتز (Syngas)
گاز سنتز و اهمیت آن در صنعت پالایش:
گاز سنتز (Syngas) ترکیبی از هیدروژن (H₂) و مونوکسیدکربن (CO) است که در تولید هیدروکربن‌های مصنوعی، متانول و فرآیندهای پتروشیمی استفاده می‌شود.
استفاده از اکسیژن مایع در ریفورمینگ با بخار (Steam Reforming):
یکی از روش‌های تولید گاز سنتز، ریفورمینگ با بخار (Steam Methane Reforming – SMR) است که در آن اکسیژن نقش کلیدی دارد. در این روش: گاز طبیعی (CH₄) با بخار آب در حضور کاتالیست واکنش داده و گاز سنتز تولید می‌شود. اکسیژن به‌عنوان اکسیدکننده به کنترل بهتر واکنش و کاهش آلاینده‌ها کمک می‌کند.
اکسیداسیون جزیی (Partial Oxidation – POX)
در برخی موارد، اکسیژن مایع برای اکسیداسیون جزئی سوخت‌های هیدروکربنی استفاده می‌شود تا گاز سنتز با بازده بالا تولید گردد. این روش در صنایعی مانند تولید آمونیاک، متانول و فرآیند Fischer-Tropsch برای تولید سوخت‌های مصنوعی کاربرد دارد.
اکسیژن مایع در فرآیند حذف گوگرد از نفت خام (Desulfurization)
حذف گوگرد از نفت خام یکی از مهم‌ترین مراحل در فرآیند پالایش نفت است. ترکیبات گوگردی در نفت خام، مانند هیدروژن سولفید (H₂S)، مرکاپتان‌ها و سولفیدهای آلی، مشکلات متعددی در پالایشگاه‌ها ایجاد می‌کنند. این ترکیبات نه تنها موجب خوردگی در تجهیزات و لوله‌ها می‌شوند، بلکه آلودگی‌های زیست‌محیطی را نیز افزایش می‌دهند. در نتیجه، حذف گوگرد از محصولات نفتی، به ویژه در استانداردهای یورو ۵ و یورو ۶ برای تولید سوخت‌های پاک‌تر، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.در این راستا، اکسیژن مایع نقش مهمی در فرآیندهای هیدروگوگردزدایی (Hydrodesulfurization – HDS) و اکسیداسیون مستقیم ترکیبات گوگردی ایفا می‌کند. این گاز به عنوان یک اکسیدکننده قوی در فرآیندهای مختلف استفاده می‌شود که باعث کاهش میزان گوگرد در محصولات نهایی می‌شود.
فرآیند هیدروگوگردزدایی (Hydrodesulfurization – HDS):
فرآیند هیدروگوگردزدایی (HDS) یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای حذف ترکیبات گوگردی از نفت خام و محصولات پالایشی است. در این فرآیند: هیدروژن به همراه کاتالیست‌های فلزی (معمولاً کاتالیست‌های پایه نیکل، کبالت، یا مولیبدن) در دمای بالا (بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد) و فشار زیاد (بین ۳۰ تا ۱۲۰ بار) با ترکیبات گوگردی موجود در نفت خام واکنش داده و آنها را به گوگرد (S) و هیدروکربن‌های بدون گوگرد تبدیل می‌کند.
نقش اکسیژن مایع در فرآیند HDS:
اکسیژن مایع در فرآیند HDS معمولاً در تولید هیدروژن مورد نیاز برای واکنش‌های هیدروگوگردزدایی استفاده می‌شود. این گاز به‌عنوان یک اکسیدکننده در فرآیندهایی مانند تولید گاز سنتز (H₂ و CO) به کار می‌رود که برای تولید هیدروژن استفاده می‌شود. در این فرآیند: اکسیژن مایع به گاز سنتز (H₂ + CO) تبدیل می‌شود. گاز سنتز سپس در واحدهای هیدروژن‌سازی برای تولید هیدروژن پاک‌تر و با خلوص بالا به کار می‌رود. این فرآیند می‌تواند میزان تولید هیدروژن را افزایش دهد و به دنبال آن کارایی فرآیند HDS و کاهش بیشتر گوگرد را بهبود بخشد.
فرآیند اکسیداسیون مستقیم (Direct Oxidation):
یکی دیگر از روش‌های مورد استفاده برای حذف گوگرد از نفت خام، فرآیند اکسیداسیون مستقیم است. در این فرآیند: اکسیژن مایع به‌طور مستقیم با ترکیبات گوگردی در نفت خام واکنش داده و آنها را به ترکیبات اکسید شده تبدیل می‌کند. به‌عنوان مثال، هیدروژن سولفید (H₂S) به گوگرد (S) تبدیل می‌شود. این واکنش‌های اکسیداسیونی به‌ویژه در پالایشگاه‌های دارای واحدهای اکسیداسیون گوگرد برای تولید گوگرد خالص و کاهش آلاینده‌ها استفاده می‌شود.
کاربرد اکسیژن مایع در فرآیند اکسیداسیون
اکسیژن مایع در فرآیند اکسیداسیون ترکیبات گوگردی به‌ویژه در دما و فشار پایین‌تر کاربرد دارد. در این فرآیند، گوگرد به‌طور مستقیم به گوگرد معدنی تبدیل می‌شود که به راحتی از سایر مواد جدا می‌شود. این روش به‌ویژه برای پالایشگاه‌هایی که گوگرد زیادی در نفت خام دارند و نیاز به حذف سریع آن دارند، بسیار مؤثر است.
| بیشتر بخوانید: اکسیژن مایع در تولید سوخت پاک |
|
استفاده از اکسیژن مایع در تولید گاز سنتز (Syngas Production)
گاز سنتز (Syngas) ترکیبی از گازهای هیدروژنی (H₂) و کربن مونوکسید (CO) است که در صنایع مختلفی مانند تولید سوخت‌های مایع، تولید مواد شیمیایی، و فرآیندهای پالایشی به‌کار می‌رود. این گاز معمولاً از منابع مختلفی مانند گاز طبیعی، زغال‌سنگ، و بیومس تولید می‌شود. یکی از روش‌های رایج و مهم برای تولید گاز سنتز، گازification یا گازی کردن سوخت‌ها است. در این فرآیند، استفاده از اکسیژن مایع به‌عنوان یک اکسیدکننده قوی نقش اساسی دارد. اکسیژن مایع به‌ویژه در فرآیندهای گازی کردن با دما و فشار بالا برای تولید گاز سنتز به‌طور چشمگیری کارایی و تولید هیدروژن و کربن مونوکسید را افزایش می‌دهد.
فرآیند تولید گاز سنتز:
گازی کردن (Gasification): گازی کردن فرآیندی است که در آن سوخت‌های فسیلی (مانند زغال‌سنگ یا نفت) یا منابع بیولوژیکی (مانند بیومس) تحت دمای بالا و فشار زیاد با استفاده از یک اکسیدکننده، معمولاً اکسیژن، به گاز سنتز تبدیل می‌شوند. در این فرآیند، سوخت‌ها در دماهای بین ۸۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱۰ تا ۳۰ بار واکنش داده و گازهای اصلی مانند کربن مونوکسید (CO)، هیدروژن (H₂) و دی‌اکسیدکربن (CO₂) تولید می‌شود. استفاده از اکسیژن مایع در گازی کردن: اکسیژن مایع به‌عنوان اکسیدکننده اصلی در این فرآیند به کار می‌رود. استفاده از اکسیژن مایع در گازی کردن باعث می‌شود که واکنش‌های اکسیداسیون به‌طور مؤثرتری انجام شوند و دما و فشار فرآیند افزایش یابد. این باعث می‌شود که سوخت‌ها به‌طور کامل‌تری تبدیل به گازهای قابل استفاده شوند و در نهایت گاز سنتز تولید شود.
استفاده از اکسیژن مایع در بهبود فرآیندهای کاتالیستی پالایشگاه
استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهای کاتالیستی پالایشگاه‌ها یکی از جنبه‌های مهم در بهبود کارایی و بهینه‌سازی واکنش‌های شیمیایی است که در فرآیندهای مختلف پالایشی نظیر هیدروکراکینگ (Hydrocracking)، ریفرمینگ (Reforming)، اکسیداسیون کاتالیستی (Catalytic Oxidation) و فرآیندهای گازی کردن (Gasification) به‌کار می‌رود. اکسیژن مایع به عنوان یک اکسیدکننده قوی و پر انرژی می‌تواند بر افزایش سرعت واکنش‌ها، کاهش مصرف سوخت، بهبود انتخاب‌پذیری محصولات و بهینه‌سازی عملکرد کاتالیست‌ها تاثیرگذار باشد.
| بیشتر بخوانید: دی اکسید کربن مایع در سیستم های اطفا حریق |
|
هیدروکراکینگ (Hydrocracking):
فرآیند هیدروکراکینگ، یکی از مهم‌ترین فرآیندهای پالایشی است که در آن هیدروکربن‌های سنگین (مانند نفت خام) در حضور هیدروژن و کاتالیست‌های هیدروکراکینگ شکسته می‌شوند تا محصولات سبک‌تر تولید شوند. این فرآیند نیازمند شرایط خاصی برای فعال‌سازی کاتالیست و تسریع واکنش‌ها است. نقش اکسیژن مایع: در فرآیند هیدروکراکینگ، استفاده از اکسیژن مایع به عنوان یک اکسیدکننده قوی می‌تواند باعث افزایش سرعت واکنش‌ها و تسریع فرآیند تبدیل هیدروکربن‌های سنگین به هیدروکربن‌های سبک‌تر شود. اکسیژن مایع می‌تواند در ابتدای فرآیند برای ایجاد شرایط اکسیداسیونی موثرتر عمل کند که در نتیجه موجب فعال‌سازی سریع‌تر کاتالیست و تسهیل شکستن پیوندهای هیدروکربنی می‌شود. مزایای دیگر: استفاده از اکسیژن مایع باعث کاهش مصرف هیدروژن می‌شود، چرا که برخی از واکنش‌های اکسیداسیونی با اکسیژن مایع می‌توانند جایگزین بخشی از نیاز به هیدروژن شوند. این امر باعث کاهش هزینه‌های عملیات و افزایش بهره‌وری فرآیند می‌شود.
فرآیند ریفرمینگ (Reforming):
ریفرمینگ یکی از فرآیندهای کاتالیستی است که در آن هیدروکربن‌های سنگین (مانند نفتا) در حضور کاتالیست و شرایط دمای بالا به هیدروکربن‌های سبک‌تر و هیدروژن تبدیل می‌شوند. این فرآیند در تولید محصولات مانند بنزین با کیفیت بالا و گاز هیدروژن بسیار اهمیت دارد. نقش اکسیژن مایع:
در فرآیند ریفرمینگ، اکسیژن مایع به‌عنوان یک عامل اکسیدکننده می‌تواند برای کاهش تلفات کاتالیست‌ها و بهبود فعالیت کاتالیستی در طول فرآیند استفاده شود. با اضافه کردن اکسیژن مایع، شرایطی برای افزایش انتخاب‌پذیری هیدروکربن‌ها به سمت تولید هیدروژن ایجاد می‌شود که می‌تواند به‌طور مستقیم بر کیفیت و کارایی محصولات نهایی تاثیر بگذارد. مزایا: این فرآیند باعث افزایش کارایی تولید هیدروژن و کاهش آلاینده‌های تولید شده در حین فرآیند می‌شود. همچنین، استفاده از اکسیژن مایع می‌تواند نیاز به گرمای اضافی را کاهش دهد و فرآیند را بهینه‌سازی کند
فرآیند اکسیداسیون کاتالیستی (Catalytic Oxidation):
در این فرآیند، اکسیژن مایع به‌عنوان اکسیدکننده اصلی برای تبدیل هیدروکربن‌ها و سایر ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود. اکسیداسیون کاتالیستی معمولاً در تولید ترکیبات مختلف شیمیایی مانند اسیدهای آلی، ترکیبات گوگردی، و گازهای سنتز ( CO و H₂ ) به‌کار می‌رود. نقش اکسیژن مایع:
استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهای اکسیداسیونی کاتالیستی می‌تواند به افزایش شدت واکنش‌های اکسیداسیونی کمک کرده و باعث کاهش زمان تماس مواد اولیه با کاتالیست‌ها شود. این امر باعث افزایش انتخاب‌پذیری محصولات و بهبود بازده کلی فرآیند می‌شود. مزایا: استفاده از اکسیژن مایع به‌طور قابل توجهی میزان دی‌اکسیدکربن (CO₂) و دیگر آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد و فرآیند اکسیداسیون را در دما و فشار پایین‌تر بهینه می‌کند. این باعث می‌شود که فرآیند به‌طور اقتصادی‌تر و دوستدار محیط زیست انجام شود.
مزایای استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهای کاتالیستی:
بهبود انتخاب‌پذیری محصولات: با استفاده از اکسیژن مایع به‌عنوان اکسیدکننده، فرآیندهای کاتالیستی می‌توانند بازده بهتری داشته باشند، زیرا میزان واکنش‌های جانبی که منجر به تولید محصولات ناخواسته می‌شوند کاهش می‌یابد. این امر به ویژه در فرآیندهایی مانند اکسیداسیون کاتالیستی که در آن تولید محصولات خاص اهمیت دارد، بسیار مفید است.
کاهش مصرف انرژی:
استفاده از اکسیژن مایع در فرآیندهای کاتالیستی باعث می‌شود که واکنش‌ها سریع‌تر و در دمای پایین‌تری انجام شوند. این امر منجر به کاهش هزینه‌های انرژی می‌شود، زیرا انرژی کمتری برای رسیدن به شرایط واکنش مطلوب نیاز است.
افزایش سرعت واکنش‌ها:
اکسیژن مایع به دلیل غلظت بالای اکسیژن موجود در آن می‌تواند سرعت واکنش‌های شیمیایی را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد. این امر به‌ویژه در فرآیندهای کاتالیستی که در آن سرعت واکنش به شدت به غلظت واکنشگر بستگی دارد، مهم است.
بهینه‌سازی عملکرد کاتالیست‌ها:
استفاده از اکسیژن مایع می‌تواند به پایداری بالاتر کاتالیست‌ها و افزایش عمر مفید کاتالیست‌ها کمک کند. زیرا اکسیژن مایع به جای استفاده از هوا، که شامل نیتروژن غیر واکنشی است، می‌تواند به‌طور مستقیم و مؤثرتر با مواد واکنشگر ارتباط برقرار کرده و آلودگی کاتالیست‌ها را کاهش دهد.
آینده اکسیژن مایع در صنعت پالایشگاه و نفت بسیار روشن به نظر می‌رسد. با توجه به روندهای جهانی در زمینه بهینه‌سازی فرآیندهای تولید انرژی، کاهش آلاینده‌ها و افزایش بهره‌وری، استفاده از اکسیژن مایع در این صنایع رو به گسترش است.
————————————————–
منابع
ScienceDirect. (n.d.). Oxygen in Chemical Engineering: Applications in Refineries and Petrochemical Industries. Retrieved from https://www.sciencedirect.com
SpringerLink. (n.d.). Advances in the Use of Oxygen in Hydrocarbon Processing. Springer. Retrieved from https://link.springer.com
Oil & Gas Journal.