بخشی از مقاله
چکیده
در چند دهه اخیر رشد بدون وقفه ی میزان تقاضای نفت و سوخت در جهان و کاهش سریع منابع نفت سبک،موجب ایجاد شکاف بزرگی در ذخایر انرژی در جهان شده است.این مشکل موجب شده است که ارتقاء کیفیت نفت سنگین و فوق سنگین،اهمیت بالایی در صنایع نفت و پتروشیمی پیدا کند.
در حال حاضر,روش های بسیاری برای ارتقاء کیفیت هیدروکربن های سنگین موجود می باشد،اما این روش ها دارای مشکلات متعددی هستند.یکی از بهترین راه حل های حل این مشکلات،استفاده از فناوری نانو در فرایند ها می باشد.نانو کاتالیست ها به علت داشتن خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، موجب افزایش بازده فرایند و تعدیل شرایط عملیاتی می شوند.در این مقاله,مروری بر تعدادی از مهم ترین پژوهش های انجام گرفته در این زمینه شده است.
1 -مقدمه
با توجه به افزایش تقاضا و کاهش منابع نفت سبک، مخازن نفت سنگین و فوق سنگین و پسماندهای برج های تقطیر به عنوان جایگزین برای برای منابع نفت سبک در نظر گرفته شده است و پالایشگاه ها به دنبال راهکارهای مناسبی برای تولید محصولات بارزش و سبک از این منابع می باشند
اصلی ترین تفاوت مخازن نفت سبک و سنگین در این است که منابع نفت سنگین و فوق سنگین نمی توانند در محل طبیعی خود و با استفاده از ابزارهای عمومی تولید، استخراج شوند . همچنین در طی انتقال نیاز به گرم و رقیق شدن دارند که موجب افزایش هزینه های تولید می شود . نکته ی مهم دیگر این است که در مقابل شدت جریان بالا مقاومت نشان می دهند که موجب تاثیر در جریان طبیعی آن ها می شود
هیدروکربن های سنگین دارای درجه API پایین، چگالی بالا، ویسکوزیته بالا و نسبت کربن به هیدروژن پایین هستند و شامل مقادیر زیادی نیتروژن، گوگرد، اکسیژن، فلزات سنگین ، آسفالتن و رزین ها نیز می باشند
در فرایند های ارتقاء کیفیت، ناخالصی های موجود در هیدروکربن های سنگین شامل گوگرد، نیتروژن و فلزات سنگین حذف می شوند . همچنین با شکست مولکول های بزرگ مانند آسفالتن ها و رزین ها، ویسکوزیته کاهش یافته و درصد ترکیبات سبک افزایش می یابد . درنتیجه هیدروکربن ارتقاء یافته دارای ویژگی های مناسب جهت عرضه به بازار را خواهد داشت .
فرایندهای ارتقاء کیفیت بر پایه حذف کربن ، اضافه کردن هیدروژن و یا ترکیبی از این دو انجام می شوند. این فرایند ها را می توان به دو دسته کلاسیک و مدرن تقسیم بندی کرد. در شکل های ٌ و ٍ انواع فرایند های ارتقاء کیفیت با استفاده از این تقسیم بندی نشان داده شده است.
روش های کلاسیک عمدتا فرایندهایی دارای هزینه عملیاتی بالا,تجهیزات زیاد وحجیم و دارای ایمنی پایین هستند که مهم ترین علت آن دما و فشار عملیاتی بالا می باشد. در روش های نوین تلاش شده است که با استفاده از تجهیزات مکانیکی ,امواج مغناطیسی و روش های شیمیایی این مشکلات رفع شود.اما هیچ یک از این راه حل ها و روش ها موفق به رفع کامل مشکلات نشده اند و در عین حال هنوز هیچ روش جدید مناسبی تجاری سازی نشده و جایگزین روش های کلاسیک نگردیده است. اما در سال های اخیر استفاده از فناوری نانو در فرایند های ارتقاء کیفیت توجه محققین و صاحبان صنایع را به خود جلب نموده است، زیرا مواد نانو مقیاس به دلیل داشتن خواص منحصر به فرد فیزیکی و شیمیایی قادر به رفع بسیاری از مشکلات موجود در این زمینه می باشند
- کاربرد نانو کاتالیست ها در ارتقاء کیفیت هیدروکربن های سنگین
نانو کاتالیست ها به دلیل داشتنن ویژگی های منحصر به فرد نظیر دارا بودن حداکثر سطح فعال به ازای واحد جرم و حجم، شکل و اندازه قابل کنترل، گزینش پذیری و ، کاربرد های فراوانی در فرایند های کاتالیستی ارتقاء کیفیت هیدروکربن های سنگین دارا می باشند. در فرایند هیدروکراکینگ از کاتالیستهای آلومینا، زئولیتها، پلاتین استفاده می شود و در کاتالیستهای مربوطه اگر از نانومواد کاتالیستی استفاده شود نتیجه بهتری حاصل می شود . انواع جدیدی از کاتالیستهای هیدروکراکینگ با استفاده از فلزات فعال پلاتین، نیکل، مولیبدن و کبالت میتوانند تولید شوند که در این زمینه میتوان به اختراع کاتالیست پلاتین- نیکل- مولیبدن روی پایه زئولیتی اشاره کرد.
در حال حاضر، از نانو کاتالیست ها برای ارتقاء کیفیت نفت سنگین در مخزن نیز استفاده می شود. با استفاده از نانو ذرات کاتالیستی در مخزن، علاوه بر این که نفت بیشتری برداشت می شود، نفت تولید شده دارای کیفیت مناسبی جهت انتقال به پالایشگاه نیز می باشد. همچنین با استفاده از نانو کاتالیست ها، هزینه های برداشت نیز کاهش می یابند
- مطالعات انجام شده
در این بخش به توضیح برخی از مهم ترین نانو ذرات استفاده شده در فرایند های مختلف ارتقاء کیفیت و تاثیر آن ها بر این فرایند ها می پردازیم .
- فرایند پرتودهی
گرفٌ و همکاران تاثیر کاتالیستی یون های فلزی در مقیاس نانو را، بر روی شکست مولکول های آسفالتن در طی برداشت حرارتی نفت سنگین، بررسی نموده اند. در این آزمایش ها از امواج میکروویو، با استفاده از تشعشع کننده ی استاندارد گیگا هرتز، برای حرارت دهی به نمونه استفاده شده است. استفاده از این روش به این دلیل می باشد که بر خلاف روش های حرارت دهی مرسوم، امواج میکروویو می تواند مواد را از داخل و خارج، به طور همزمان، گرم کند. این مزیت موجب می شود که بتوانیم انرژی را به موادی که این امواج را جذب می کنند، سریعتر و با بازده بالاتری منتقل کنیم.
بر اساس نتایح به دست آمده از آزمایش ها , نانو کاتالیست های فلزی زمانی که به اشعه ی میکروویو افزوده می شوند، در غلظت های پایین موجب کاهش موثر ویسکوزیته نفت سنگین می گردند؛ اما به علت افزایش تبخیر اجزای سبک، احتمالا به دلیل شکست مولکول ها، در غلظت های بالا ویسکوزیته نفت سنگین را افزایش می دهند. البته این موضوع می تواند به عنوان یک ویژگی مثبت استفاده شود، زیرا اجزای تبخیر شده به عنوان گاز قابل استفاده هستند و نسبت به حالتی که در فاز مایع باشند، استخراج آن ها راحتتر است. البته در این آزمایش ها به علت باز بودن سیستم، فاز گاز جمع آوری نشده است؛ بنابراین برای داشتن سیستمی با بازدهی بالاتر بایستی موازنه ی انرژی را با آنالیز گاز و آنالیز پیشرفته تر نفت ترکیب نمود.
نتایج آنالیزها به شرح زیر می باشد :
نانو کاتالیست های نیکل موجب افزایش تاثیر امواج میکروویو در تولید نفت سنگین می شوند . این ذرات باعث سریع تر شدن فرایند برداشت و کاهش مقدار انرژی مصرفی می شوند . این تاثیر قابل توجه است زیرا مستقیما موجب کاهش هزینه های عملیاتی و در عین حال افزایش فاکتور برداشت می گردد . درحالیکه در صورت استفاده از امواج میکروویو به تنهایی، مصرف پایین انرژی موجب برداشت مقدار نفت بسیار کم می شود .
این تاثیرات به دلیل واکنش های کاهش آسفالتن در حضور این کاتالیست ها می باشد، زیرا این مساله موجب برداشت راحت تر نفت سنگین از محیط متخلخل می شود . زمانی که نفت سنگین در حضور نانو ذرات فلزی تحت اشعه میکروویو قرار می گیرد ، بخش قابل توجهی از آن شکسته و تبخیر شده و به صورت گاز از سیستم خارج می شود، بنابراین ویسکوزیته ی نفت تولید شده نیز پایین می باشد - تقریبا cpًٍ در دمای اتاق - ، در نتیجه نه تنها نفت بیشتری برداشت می شود، بلکه نفت تولید شده ارتقاء یافته است
