دمولسیفایر (کاربرد تعلیق شکن در صنعت نفت)

دمولسیفایر چیست؟

به لحاظ شیمیایی این ترکیبات به گروه‌های شیمیایی مختلف استرها، اورتان، رزین‌ها، پلی آلکیلن‌ها، گلیکول‌ها، سولفونات‌ها و آمین‌ ها تعلق دارند و غالباً از فرمول‌های شیمیایی ذیل برخوردار هستند: پلی گلیکول‌ها و پلی گلیکول استرها، الکل‌ها و آمین‌های اتوکسیله، رزین‌های اتوکسیله، رزین‌های فنل فرمالدئید اتوکسیله، نونیل فنل‌ های اتوکسیله، الکل‌های چندعاملی، اتیلن اکساید، کوپلیمرهای پروپیلن اکساید با اسیدهای چرب، الکل‌های چرب، آمین‌های چرب و کواترنری آمین‌ها و نمک‌های اسید سولفونیک.

مطالعات صورت‌گرفته در این حوزه نشان داده است که عمده تعلیق شکن‌های شیمیایی که امروزه در صنعت استفاده می‌شوند، به‌صورت پلیمرها یا کوپلیمرهایی با وزن مولکولی بالا هستند که حاوی 5 تا 50 درصد ترکیب پلی‌اتیلن اکسید PEO هستند. پلی‌اتیلن اکسید (پلی‌اتیلن گلیکول) پلیمری از ترکیب اتیلن اکسید با فرمول شیمیایی C2nH4n+2On+1 است.

ترکیبات اتیلن اکسید (EO) و پروپیلن اکسید (PO) از مهم‌ترین پیش‌سازهای ترکیبات تعلیق شکن هستند که به گروه شیمیایی آلکلین اکسیدها تعلق دارند. پلیمرهای این ترکیبات برای ساخت دمولسیفایرهای کوپلیمر بکار می‌روند. در جدول زیرمجموعه‌ای از دمولسیفایرهای شیمیایی معمول مورداستفاده برای شکست امولسیون‌های نفتی آورده شده است.

دمولسیفایرهای شیمیایی رایج برای شکست امولسیون‌های نفتی

روش شیمیایی شکست امولسیون های نفتی

در روش شیمیایی تصفیه نفت خام و شکست امولسیون‌ های نفتی با کمک یکسری مواد شیمیایی شکننده امولسیون تحت عنوان تعلیق شکن یا دمولسیفایر صورت می‌گیرد. این مواد با اسامی تجاری مختلفی در دنیا فروخته می‌شوند. عملکرد این مواد به گونه‌ای است که باعث می‌شوند غشاء نازک اطراف قطرات امولسیونی آب پاره شود و این قطرات به هم متصل شوند.

در واقع تعلیق‌شکن‌ها گروهی از ترکیبات فعال سطحی هستند که می‌توانند سیستم‌های امولسیونی را بشکنند و عوامل امولسیونی را خنثی کنند. البته باید توجه داشت که تزریق بیش از حد این مواد، باعث تولید امولسیون‌های جدیدی می‌شود که بعدها در فرایند تصفیه پساب مشکلات فراوانی ایجاد می‌کند، لذا در تعیین نرخ تزریق این مواد باید محاسبات دقیقی صورت بگیرد.

اگر امولسیون‌های تشکیل شده ضعیف باشند، تنها با نیروهای مکانیکی می‌توان آ نها را خنثی کرد و عمل تفکیک را انجام داد. ولی چنین شرایطی معمولاً به ندرت اتفاق می‌افتد، لذا در اکثر شرایط باید مواد تعلیق شکن را به سیستم تزریق کرد. مقدار تزریق این مواد به نوع نفت و میزان مواد امولسیون ساز مانند آسفالتن‌ها، دما، pH  و غیره بستگی دارد. خواص نفت خام و نوع مواد امولسیونی تأثیر فراوانی بر روی انتخاب نوع مواد تعلیق شکن مصرفی دارد.

به طور معمول، نفت‌های سنگین نسبت به نفت‌های سبک به مواد شیمیایی بیشتری احتیاج دارند؛ چرا که نفت های سنگین دارای میزان آسفالتن و هیدروکربن‌های بیشتری در مقایسه با نفت‌های سبک هستند. املاح، خاک رس و گل های حفاری به راحتی با آب شسته شده و از نفت جدا می‌شوند، ولی مواد پارافینی و آسفالتی برای اینکه سطح امولسیونی آ نها شکسته شود، حتماً به مواد شیمیایی احتیاج دارند.

باید توجه داشت که هرگونه تغییری در فرایند تصفیه مثل تغییر جریان، تغییر شرایط دمایی و فشاری، تغییر فصل و غیره بر روی میزان تزریق این مواد تأثیر می‌گذارد، لذا مقدار تزریق این مواد متناسب با شرایط متغیر خواهد بود. تزریق این مواد قبل از پمپاژ موجب اختلاط بهتر آنها با نفت خام می‌شود و تشکیل امولسیون در پمپ را به حداقل می‌رساند.

در حال حاضر شکست امولسیون‌های نفتی بدون استفاده از این مواد، صرف‌نظر از کلیه تکنولوژی های موجود، غیرممکن است، لذا ابتدا به بررسی این مواد و ساختار شیمیایی آنها پرداخته می‌شود.

همان‌طور که شرایط میدان (field) تغییر می‌کند، الزامات دمولسیفایر نیز تغییر می‌کند. دماهای پایین در زمستان می‌تواند باعث به‌وجودآوردن مشکلات مربوط به wax و دیگر مشکلات شود.

رفتار چاه می‌تواند فرایند تولید کارخانه را مختل نماید. برای مثال، اسیدکاری یک چاه می‌تواند منجر به رسوب آسفالتین شود که ممکن است امولسیون سخت و پایدار تشکیل دهد. به طور مشابه تعمیرات چاه (well workovers) و رفتار و فرایندهای مواد شیمیایی می‌تواند به ایجاد مشکلات مربوط به امولسیون در تأسیسات فرایندی منجر شود.

پیامدهای رفتار چاه و فعالیت‌های دیگر باید در نظر گرفته شود و اگر لازم بود اپراتور باید برای افزایش دوز و مقدار دمولسیفایر آماده باشد. نمی‌توان انتظار داشت که یک دمولسیفایر مشابه با دوز و مقدار مشابه، مشکل امولسیون‌ها را زمانی که شرایط تغییر می‌کند، حل کند.

برای انتخاب یک دمولسیفایر برای یک سیستم مشخص، آزمایش‌ها به‌طورکلی با آزمایش‌ها بطری یا Bottle Tests شروع می‌شود. نمونه‌های امولسیون، گرفته شده و به چندین تیوب سانتریفیوژ منتقل می‌شود. چند دمولسیفایر معمولاً از چند کمپانی فروشنده دمولسیفایر تهیه می‌شوند، در مقادیر مختلف به تیوب‌های سانتریفیوژ اضافه می‌شود و داده‌های خروج آب (water-dropout) به‌منظور تعیین بهترین دمولسیفایر جمع‌آوری و آنالیز می‌شود.

قبل از انجام تست‌ها می‌توان از وندورهای دمولسیفایر به‌منظور فراهم‌سازی یک یا دو نوع از دمولسیفایرهای تولیدی‌شان دعوت کرد. اکثر وندورها تمایل دارند قبل از ارائه بهترین محصول، مواد شیمیایی خود را با امولسیون‌های میدان (field) آزمایش کنند. به‌تازگی یک روش کمی برای آزمایشات دمولسیفایر توسعه داده شده است.

دمولسیفایر نفتی

انتخاب بهترین دمولسیفایر

برای انتخاب بهترین دمولسیفایر، مجموعه‌ای از تست‌ها و آزمایشات در غلظت‌ها، دماها و برش‌های آبی متفاوت ممکن است لازم باشد. مقادیر و دوزهای دمولسیفایر که در آزمایشگاه به‌دست‌آمده‌اند به‌طورکلی بیشتر از آنچه هستند که در شرایط میدانی موردنیاز است. به‌شدت توصیه می‌شود که تست بطری با امولسیون‌هایی که به‌تازگی نمونه‌گیری شده‌اند انجام شود؛ زیرا کهنگی نمونه تأثیر قابل‌توجهی بر دمولسیفایر دارد.

در طول تست‌های بطری عوامل دیگری که باید به آنها توجه کرد عبارت‌اند از:

• رنگ و ظاهر امولسیون
• شفافیت و وضوح آب
• رسوبات موجود در آب
• وجود یک‌لایهٔ فرسوده و کهنه (rag layer)
• مواد جامد آزاد در سطح مشترک

این عوامل می‌توانند اطلاعاتی که ممکن است در انتخاب دمولسیفایر مهم باشد را فراهم کند.

بهبود عملکرد دمولسیفایر و عوامل مؤثر بر آن

برای آنکه دمولسیفایر مؤثر واقع شود، باید با امولسیون به طور کامل مخلوط شود و به فیلم (film) اطراف قطرات آب انتقال یابد. اگر عمل مخلوط‌شدن دمولسیفایر و امولسیون ضعیف باشد، دمولسیفایر غیر مؤثر خواهد بود. در حالت ایده‌آل دمولسیفایر باید در یک جریان مداوم، از داخل و از طریق میکسرهای درونی یا inline که به‌اندازه کافی در بالادست جریان هستند تزریق شود تا دمولسیفایر زمان داشته باشد به طور کامل با امولسیون مخلوط شود. از لخته‌شدن دمولسیفایر (Demulsifier Slugging) باید جلوگیری شود؛ چون در غیر این صورت باعث ایجاد مناطق با غلظت بالا شده و منجر به توسعه دوباره امولسیون می‌شود.

یکی از راه‌های بهبود فرایند mixing این است که دمولسیفایر را با مقادیر کافی از یک ماده رقیق‌کننده که معمولاً یک حلال است، رقیق کرد و مخلوط رقیق شده دمولسیفایر حلال را به داخل امولسیون تزریق کرد. مقادیر بیشتر مخلوط امکان اینکه مواد شیمیایی با امولسیون به طور یکنواخت‌تری مخلوط شوند را فراهم می‌آورد.

از سوی دیگر تلاطم و آشفتگی جریان، انتشار و پراکندگی دمولسیفایر درون امولسیون را بهبود می‌بخشد و احتمال برخورد بین قطرات آب را افزایش می‌دهد. این آشفتگی باید به‌اندازه کافی تداوم داشته باشد تا اجازه دهد که مواد شیمیایی به سطح مشترک بین نفت و آب برسند، اما شدت آن نباید به حدی باشد که موجب سفت‌شدن و بسته‌شدن امولسیون شود.

این سطح از آشفتگی معمولاً توسط جریان طبیعی سیال در قسمت‌های مختلف واحد فرایندی امولسیون ایجاد می‌شود مثل:

• لوله‌ها
• منیفولدها
• شیرها
• تفکیک‌کننده‌ها

هنگامی که نرخ جریان به‌منظور مخلوط‌کردن مواد شیمیایی بیش از حد پایین است، باید توجه خاصی معطوف اختلاط مواد شیمیایی شود. میکسرهای ویژه‌ای برای اطمینان از فرایند مخلوط‌کردن دمولسیفایر می‌تواند نصب شوند که برخی از آنها عبارت‌اند از:

• شیرهای مخلوط‌کننده (Mixing valves)
• کوییل‌های تزریق (Injection quills)
• میکسرهای سینتیک (Kinetic mixers)
• میکسرهای گردابی (Vortex mixers)

نقطه تزریق دمولسیفایر نیز مهم است. به‌طورکلی هرچه دمولسیفایر در فاصله دورتری در بالادست تزریق شود بهتر است. بااین‌حال، اگر آشفتگی و نیروی برش قابل‌توجهی بین نقطه‌ای که دمولسیفایر تزریق می‌شود و نقطه‌ای که آب خارج می‌شود باشد، ممکن است ارزش بازبینی تصمیم را داشته باشد.

مشکل دیگری که با تزریق در نقطه بالادستی بافاصله خیلی زیاد به وجود می‌آید، جداسازی آب در لوله‌هاست که می‌تواند منجر به مشکلات دیگری همچون خوردگی شود. در بسیاری از موارد دمولسیفایر در چندین نقطه تزریق شده تا کارکرد کلی آن را بهینه سازد. بااین‌حال این گزینه ایست برای تأسیسات با حجم بالا و در اینجا نیز نسبت جدایش (split-ratio) دمولسیفایر (بین نقاط مختلف) باید با آزمون‌وخطا بهینه‌سازی شود.

یکی دیگر از مشکلات که گاهی نادیده گرفته می‌شود، مشخصه ته‌نشینی دمولسیفایر است. اجزا و مواد فعال موجود در بعضی از دمولسیفایرها تمایل دارند در کف مخازن به دلایل زیر ته‌نشین شوند:

• انحلال‌ناپذیری
• اختلاط ناقص
• تفاوت‌ها در چگالی

اگر چنین شود، تزریق اجزا فعال سطحی به داخل تأسیسات فرایندی بی‌فایده است. در طی چند روز اول شارژ و تزریق مخزن، دمولسیفایر ممکن است به طور رضایت‌بخشی کار کند، بااین‌وجود عملکرد ثانویه ممکن است با مصرف‌شدن اجزا فعال کیفیت خود را از دست بدهد و تنها حلال حامل تزریق شود.

اگر این چرخه مشاهده شد، علت آن ته‌نشین شدن اجزاء فعال دمولسیفایر داخل مخزن است. مراحل ازبین‌بردن مواد ته‌نشین شده عبارت است از نصب یک مخلوط‌کننده (mixer) در مخزن دمولسیفایر یا تعویض دمولسیفایر.

عملکرد دمولسیفایر

کارکرد دمولسیفایر

مکانیسم‌هایی که برای یک دمولسیفایر شیمیایی در نظر گرفته می‌شوند عبارت‌اند از:

• جاذبه یا کشش قوی نسبت به سطح مشترک آب و نفت: دمولسیفایر باید بتواند به‌سرعت از داخل فاز نفت حرکت کرده و مهاجرت نماید تا بتواند به سطح مشترک قطره، جایی که باید با عامل امولسیون ساز مقابله کند، برسد.
• لخته‌سازی یا :Flocculation دمولسیفایر باید یک جاذبه و کشش برای قطرات آب با بار مشابه داشته باشد و آنها را کنار یکدیگر قرار دهد. به‌این‌ترتیب دسته‌های بزرگ از قطرات آب جمع می‌شود که در زیر میکروسکوپ شبیه به دسته‌هایی از تخم‌های ماهی هستند.
• به‌هم‌پیوستگی :(Coalescence) بعد از flocculation، فیلم امولسفایر به‌صورت پیوسته باقی می‌ماند. اگر امولسفایر ضعیف باشد، نیروی لخته‌سازی یا flocculation force برای ایجاد به‌هم‌پیوستگی ممکن است کافی باشد. بااین‌حال، این مورد معمولاً درست نیست و دمولسیفایر، فرایند به‌هم‌پیوستگی را از طریق خنثی‌سازی امولسفایر و تشدید گسستگی فیلم سطح مشترک قطره فراهم می‌سازد. در امولسیون لخته شده، گسستگی فیلم (film rupture) باعث افزایش اندازه قطره آب می‌شود.
• مرطوب‌سازی جامدات :(Solids wetting) سولفیدهای آهن، خاک‌های رس و گل‌های حفاری می‌توانند water-wet شوند که این باعث می‌شود سطح مشترک را ترک کنند و به قطرات آب نفوذ کرده و پخش شوند. پارافین‌ها و آسفالتین‌ها می‌توانند توسط دمولیسفایر حل شوند یا تغییر یابند تا سبب کاهش چسبندگی و ویسکوزیته فیلم آنها شود، یا آنها می‌توانند oil- wet شوند که در این صورت در نفت پراکنده می‌شوند.

اکثر نفت‌های خام حاوی کلریدهای سدیم و منیزیم، اندکی سولفات، سیلیس و اکسیدهای آهن هستند و حتی اگر در خروج از معادن نیز دارای این ترکیبات نباشند، در طول حمل‌ونقل به‌ویژه با کشتی‌ها، این املاح وارد نفت خام می‌شوند.

کلریدها و سولفات‌ها به حالت محلول در قطره‌های کوچک آب معلق در نفت خام وجود دارند. مقدار این املاح متفاوت است و به طور مثال در نفت‌های خاورمیانه حدود ۱۲ گرم در تن است درحالی‌که در مورد نفت‌های مصر به ۳ کیلوگرم در تن می‌رسد.

چنان چه میزان املاح موجود در نفت خام از ۱۰ پوند (۴٫۵ کیلوگرم) در هزار بشکه تجاوز نماید، باید آن را نمک گیری کرد. بسیاری از پالایشگاه‌ها برای کمتر از این مقدار نیز اقدام به نمک گیری می‌کنند؛ زیرا رسوب نمک باعث جرم‌گرفتگی و خوردگی تأسیسات می‌شود.

شرح فرایند نمک گیری

اساس روش نمک‌گیری انحلال املاح موجود در نفت خام به‌وسیله آب است. دشواری این روش در تهیه مخلوط مؤثر آب و نفت، مرطوب‌سازی ذرات جامد و جداسازی آب شست‌وشو از نفت است. عوامل مؤثر بر بازده نمک گیری عبارت‌اند از pH، چگالی و گرانروی نفت خام و نیز نسبت حجمی آب شست‌وشو به نفت خام.

یکی دیگر از هدف‌های نمک گیری، حذف ذرات جامد معلق (ذرات ماسه، رس، خاک اکسید و سولفید آهن…) در نفت خام است. در این مورد برحسب اندازه ذرات، درصد حذف باید بین ۶۰ تا %۸۰ باشد.

عملیات نمک‌گیری به‌وسیله مخلوط‌کردن نفت خام با ۳ تا ۱۰ درصد حجمی آب در دمای ۹۰ تا ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. درصد آب مصرفی و دمای عملیات بستگی به چگالی نفت خام دارد.

نمک‌ها در آب شست‌وشو حل شده، سپس در مخزن جداکننده، آب و نفت از هم جدا می‌شوند. این جداشدن یا در اثر افزودن مواد شیمیایی شکنندهٔ امولسیون (دمولسیفایر) صورت می‌گیرد و یا با ایجاد یک میدان الکتریکی با پتانسیل بالا به‌منظور تسریع در به هم چسبندگی قطره‌های آب حاوی نمک. در این مورد می‌توان از جریان متناوب و یا مستقیم استفاده کرد. پتانسیل لازم بین ۱۶۰۰۰ تا ۳۵۰۰۰ ولت است.

در واحدهای نمک‌گیری تک‌مرحله‌ای، بازده عملیات می‌تواند به %۹۵ برسد و در واحدهای دومرحله‌ای به %۹۹. در یک فرایند نمک گیری می‌توان از جریان مستقیم و متناوب تواما استفاده نمودتا کارایی افزایش یابد.

نفت‌های خام سنگین نفتنی در مقایسه با سایر نفتن‌ها، امولسیون‌های پایدارتری ایجاد می‌کنند که موجب کاهش کارایی دستگاه‌های نمک گیری می‌شوند. در این حالت باید دما بالاتر از ۱۳۵ درجه سانتیگراد باشد و pH در محدودهٔ ۶-۸ قرار گیرد. تنظیم pH به‌وسیله افزودن اسید به آب ورودی و یا برگشتی انجام می‌شود.

شرکت دکتر کمیکال تأمین‌کننده انواع مواد شیمیایی ضد خوردگی، مواد شیمیایی ضد رسوب و دیسپرسنت موردنیاز صنعت نفت و گاز کشور می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه خرید و فروش مواد شیمیایی و قیمت با کارشناسان بخش فروش در تماس باشید.