1-تاريخچه
تركيبات گوگرددار يكي از مهمترين آلاينده هاي مواد نفتي و حذف آنها يكي از اهداف مهم پالايش بشمار مي روند فرآيندهاي تصفيه هيدروژني از سال 1933ميلادي در سطح جهان شناخته شده اند و تا كنون تحقيقات گسترده اي روي آن صورت گرفته است. امروزه اكثر سرمايه گذاريهاي كلان اين صنايع، در جهت توليد هر چه بيشتر فراورده هاي ميان تقطير پاكتر ومطابق با استانداردها و قوانين زيست محيطي بر تحقيقات گسترده در اين زمينه استوار مي باشد. از طرف ديگر مسموميت كاتاليست هاي فلزي گرانقيمت مورد استفاده در پالايشگاهها و غير فعال شدن آنها در اثر تماس با اين تركيبات مزاحم نيز يكي از علل لزوم توجه به تصفيه هيدروژني سوخت ها مي باشد. همچنين وجود استانداردهاي سخت گيرانه اي كه هر ساله در كشورها وضع مي شوند، امكان صادرات فرآورده هاي سوختي با آلايندگي بالا را غير ممكن مي سازد.
لازم به ذكر است كه ظرفيت Hydrotreating در سطح جهان حدود 900ميليون تن در سال است.
جدول (1) توزيع كلي اين واحدها را در سطح جهان نشان مي دهد
جدول1- توزيع واحدهاي تصفيه هيدروژني در سطح جهان
تخمين زده ميشود كه بيشتر از يك هزار واحد Hydrotreating در سطح جهان فعال باشند .ميزان مصرف كاتاليست اين واحدها در حدود 30هزار تن در سال است. ارزش كاتاليست هاي مورد استفاده براي يك واحد با ظرفيت 70 هزار بشكه در روز حدود 8/8 ميليون دلار است. بنابراين هم از نظر اقتصادي و هم براي سلامت افراد جامعه، تأمين سوخت هاي استاندارد امري اجتناب ناپذير است.
دياگرام ساده شده براي تصفيه هيدروژني برشهاي نفتي در پالايشگاهها
2. شرح فرآيندHDS :
يكي از آلاينده هاي مهم سوختهاي فسيلي گوگرد مي باشد.تركيبات گوكردي موجود در نفت خام به گروههاي زير تقسيم بندي مي شوند:
1-گوگرد خالص آزاد (Free Elemental Sulfur)
2- مركاپتانها و تيولها (R-SH)
3- سولفيد هيدروژن
4- سولفيدها
5- دي سولفيدها ( R'–S-S-R ) از قبيل دي متيل دي سولفيد ( CH3 -S-S- CH3) و دي اتيل دي سولفيد (S-S-CH2-CH3-CH3-CH2)
6- پلي سولفيدها،R'-Sn-R))
7- تيوفنها و مشتقات آنها كه در تركيبات سنگين تر وجود دارند و داراي نقطه جوش بالايي هستند (بنزوتيوفن (BT) و دي بنزوتيوفن (DBT) و ديگر مشتقات آلكيلي آن)
با بررسيهاي انجام شده روي واكنشهاي گوگردگيري با هيدروژن مشخص شده است كه مركاپتانها ، سولفيدها و دي سولفيدها به سهولت گوگردگيري مي شوند و هيدروكربن هاي مربوطه را به همراه H2S توليد مي كنند ، در حاليكه گوگردگيري از تيوفن ها و بخصوص مشتقات بنزوتيوفني و دي بنزوتيوفني دشوار است.اگر هدف گوگرد زدايي عميق از سوخت ديزل باشد بايد تركيبات بنزوتيوفني و دي بنزوتيوفني را جدا كرد. اكثرروشهاي صنعتي گوگرد گيري با هيدروژن مشابهند و فقط در جزييات طراحي اندكي اختلاف دارند .در واحد تصفيه با هيدروژن دو بخش اصلي وجود دارد :
- بخش واكنشي
- بخش تفكيك
عمليات تصفيه را مي توانيم با برگشت دادن گازهاي توليد شده كه حاوي هيدروژن مازاد ميباشد انجام دهيم. شكل (1) فلوشيت ساده اي ازعمليات تصفيه هيدروژني را نشان ميدهد.
Typical existing HDS unit
3. مزاياي HDS:
1. كاهش گوگرد و نيتروژن به كمتر از 10 ppm
2. زدودن كامل تركيب فلزي از خوراك
3. كاهش تركيبات آلاينده كننده محيط زيست
4. بالا بردن عمر كاتاليست و كاهش مسموميت كاتاليستهاي فلزي گران قيمت
5. كاهش خوردگي اجزاي فرآيندي
6. از لحاظ تصفيه پساب آسان
7. از لحاظ فرآيندي ساده
4. شبيه سازي:
امروزه استفاده از نرم افزارهاي شبيه ساز براي توسعه الگوي طراحي راكتور و افزايش ظرفيت تا مقياس صنعتي مطمئن ترين روش در كاهش هزينه هاي توسعه تكنولوژي ميباشد. با بكارگيري اين نرم افزار ها ميتوان سناريوهاي مختلف فرآيندي را بررسي كرد، افزايش وكاهش ظرفيت واحدهاي عملياتي را مورد مطالعه دقيق قرار داد و واحدهاي عملياتي را طراحي و بهينه كرد. با در اختيار داشتن اين نرم افزار شبيه سازي ميتوان اثرات ابعاد راكتور ، خصوصيات كاتاليست و پارامترهاي مختلف دما، فشار، دبي و درصد تركيبات خوراك را روي فرآيند بررسي كنيم. با توجه به اين موارد و به منظور تهيه نرم افزار گوگرد زدايي عميق از گازوييل(Ultra Deep Hydrodesulfurization) مدلسازي وشبيه سازي اين فرآيند در واحد مدلسازي و كنترل فرآيند پژوهشكده مهندسي فرايند انجام گرديد. از اين نرم افزار ميتوان به سهولت استفاده نمود و با تكرار آن در شرايط مختلف با صرف زمان بسيار كمي ميتوان مجموعه كاملي از عملكرد فرآيند در حالت هاي مختلف را پيش بيني كرده و از اين طريق، ضمن كاهش هزينه هاي اضافي وكاستن از هزينه هاي عملياتي (مصرف آب، انرژي و …)، قابليت انعطاف بيشتري را در طرح فرايند بوجود آورده و نقطه بهينه از لحاظ هزينه ها را بدست آورد. همچنين، از آنجا كه طراحي فرايند از طراحي دستگاه ها و تجهيزات مكانيكي، پايپينگ و ابزار دقيق جدا نيست، از اطلاعات حاصل از شبيه سازي در حالتهاي مختلف ميتوان براي كمك به طراحي اين سيستمها نيز بهره گرفت.
5- مدلسازي راكتور HDS:
مي دانيم كه داشتن يك نرم افزار براي ارتباط بين اطلاعات صنعتي و پايلوت ضروري است ، تا بتوانيم با تغيير شرايط فيزيكي راكتور ، ابعاد راكتور ، خصوصيات كاتاليست و درصد تركيبات اثرات اين پارامترها را بررسي كنيم.از آنجا كه راكتور با بستر قطر ه اي HDS به عنوان قلب فرآيند محسوب ميشود لذا دراين راستا مدلسازي راكتور براي تركيب دي بنزو تيوفن (DBT) موجود در گازوئيل انجام شده است . سپس معادلات مدل از نظر سينتيك ، هيدروديناميك و انتقال جرم و حرارت در راكتور تنظيم شده است و با استفاده از پارامترهاي سينتيكي و خواص فيزيكي فازها به روش عددي Runge - Kutta رتبه چهار حل شده است . همچنين برا ي محاسبه ضريب تاثير ( Effectiveness Factor ) در داخل كاتاليست معادلات موازنه جرم درون كاتاليست نوشته شده اند و از روش تطبيق متعامد ( Orthogonal Collocation ) به كمك روش عددي اصلاح شده Powel–Dogleg براي حل معادلات جبري غير خطي حاصل در داخل دانه هاي كاتاليست استفاده شده است .
6-ديناميك و كنترل فرآيند:
شبيه سازی ديناميک بطور وسيع در مهندسی فرآيندهای شيميايی استفاده می شود تا رفتار ديناميکی فرآيند شيميايی را پيش بينی و آناليز نمايدو ميتواند در طراحي بهتر فرآيند به ما كمك نمايد .
واحدهاي گوگرد زدايي از سوخت ديزل هيچگاه نمي توانند به طور واقعي در حالت پايدار عمل نمايند و همواره طبيعتي ديناميك از خود نشان مي دهند با توجه به اينكه گوگرد زدايي عميق از سوخت ديزل نقش مهمي را در پالايشگاهها ايفاد مي كند. مطالعه مدلسازي و شبيه سازي فرآيند TBR براي HDS تركيبات نفتي در شرايط ديناميك، اهميت زيادي براي مهندسين فرآيند و كنترل از جهات زير دارا مي باشد:
1) اين مدل به عنوان ابزاري براي طراحي واحدهاي جديد به كار مي رود.
2) اتوماسيون و بهينه سازي كنترل فرآيند امكان پذير خواهد بود.
3) بهينه سازي فرآيند با توجه به محدوديتهاي همچون جنس مواد سازنده راكتور، ملاحظات ايمني و غيرفعال شدن كاتاليست با داشتن مدل ديناميك، امكان پذير خواهد بود.
4) هنگاميكه بتوان رفتار ديناميكي راكتور را هنگام شروع (Start-up)، پايان (shut down) يا رويداد اغتشاشات خوراك ورودي پيش بيني نموده، آنگاه طراحي سيستم كنترلي كه مي تواند فرآيند را مطابق با عوامل فوق تنظيم نمايد، ممكن خواهد بود.
5 ) طراحي اصلاحات مورد نياز در فرآيند با تغييراتي كه ممكن است در كيفيت خوراك يا تغيير كيفيت محصول مورد نياز روي دهد.
6) ابزاري براي آموزش پرسنل واحد(Operator Training Simulator)
همچنين به منظور افزايش رقابت در صحنه بين المللي و دقت درتوليد محصول و كاهش هزينه عملياتي ، لازم است كه عمليات فرايند بصورت ديناميك بهينه شود . براي اين منظورميتوان از بهينه سازي همزمان(Real Time Optimization) بر روي كل پلنت استفاده كرد و نرم افزاري براي رسيدن به اين هدف تهيه نمودتا بتوان با ارزيابي و تبديل پيوسته شرايط عملياتي فرايند سودآوري اقتصادي فرايند را افزايش داد. لذا در اين راستا پژوهشگاه صنعت نفت كه مدتها ست در زمينه مدلسازي و كنترل فرآيندهاي مختلف صنعت نفت فعاليت گسترده اي داشته با تکيه بر توانمنديهای پرسنل خود در اين مسير گام نهاده است.
7- سينتيك و غير فعال شوندگي كاتاليست:
از آنجا كه شناخت كامل فرآيند HDS مستلزم تحقيق و بررسي سينتيك واكنش HDS مي باشد و بهينه سازي پارامترهاي طراحي و شرايط عملياتي و عملكرد كاتاليست تنها با داشتن مدل سينتيكي مناسب امكان پذير است. بدين منظور تاكنون كارهاي تحقيقاتي متعددي در پژوهشگاه صنعت نفت براي بررسي سينتيك واكنش HDS انجام شده است.
Set up آزمايشگاهي براي HDS
در اين راستا يك بررسي سيستماتيك جهت تعيين سينتيك واكنش HDS ميعانات گازي و دي بنزوتيوفن با استفاده از يك كاتاليست تجاري CoMo/γ-Al2O3 انجام شد و پارامترهاي عملياتي فرآيند بهينه گرديد. آزمايشات در يك ميكرو رآكتور بستر قطره اي (trickle bed)) انجام گرفت.
در محدوده عملياتي مورد نظر اثرات مقاومت نفوذ حفرهاي و مقاومت فيلمي روي سينتيك واكنش شيميايي ارزيابي گرديد.در نهايت سينتيك واكنش HDS با استفاده از ماده گوگرددار تيوفن و دي بنزو تيوفن بصورت مدل تواني تعيين شد.
غير فعال شوندگي كاتاليست پديده پيچيده اي است . در اثر غير فعال شوندگي كاتاليست ،فعاليت ( activity) و گزينش پذيري (selectivity) كاتاليست با زمان تغيير ميكند. اين امر به علت سه اثر حرارتي، فيزيكي وشيميائي اتفاق ميافتد .عواملي كه باعث غير فعال شوندگي كاتاليست ميشوند در جدول (1) خلاصه شده اند.
حیات در کره زمین که مدام در جنب و جوش و حرکت است، بیشترین انرژی جنبشی، گرمایی و شیمیایی خود را از نفت میگیرد. در واقع به یاری این ماده حیاتی است که کوچکترین موتور ماشین تا غولآساترین ناوگانهای سنگین به حرکت در میآید و هزاران نوع تولیدات و مصنوعات صنایع سنگین و جدید پتروشیمی، کودهای شیمیایی، فرآوردههای دارویی، پارچهها و الیاف مصنوعی، پلاستیکها، چسبها، فرآوردههای بهداشتی و آرایشی و پوششهای استحفاظی ساخته میشود. خوشبختانه کشور ما که در دل خلیج نفت خیز فارس آرمیده است، به عنوان یکی از منابع و معادن بزرگ نفت و گاز جهان به شمار میرود. از همین رو تربیت نیرو انسانی متخصص و کارآمد برای بهرهبرداری درست و بهینه از این سرمایه خداداد و جوابگویی افراد به نیازهای آتی صنعت نفت کشور، بسیار ضروری است. به همین منظور مجموعه کارشناسی مهندسی نفت که دارای چهار گرایش مهندسی اکتشاف نفت، مهندسی استخراج نفت ـ مخازن نفت، مهندسی استخراج نفت ـ حفاری و مهندسی استخراج نفت ـ بهرهبرداری از منابع نفت میباشد، در دانشگاه صنعت نفت از سال 1378 دایر شده است. اساس دروس این رشته در همه گرایشها مبتنی بر مکانیک سیالات، دینامیک گازها، ترمودینامیک سیالات، انتقال جرم و اقتصاد مهندسی است و هدف آن تربیت مهندسین کارآمدی است که بتوانند روشهای بهینه بهرهبرداری از منابع نفت و گاز را طراحی و اجرا کنند.
گرایش مهندسی اکتشاف :
اولین مرحله برای بهرهبرداری یا برداشت نفت، کشف حوزههای نفتی است که این کار توسط لرزه نگاری انجام میگیرد. مهندسین اکتشاف، امواج صوتی را به اعماق زمین فرستاده و سپس امواج برگشتی را اندازهگیری و پردازش میکنند تا به وجود یا عدم وجود نفت در درون زمین پی ببرند. این گرایش ارتباط نزدیکی با زمینشناسی دارد.
درسهای این رشته در طول تحصیل :
دروس مشترک در گرایشهای مختلف مهندسی نفت:
ریاضی عمومی، معادلات دیفرانسیل، ریاضیات مهندسی، شیمی عمومی، شیمی آلی، فیزیک، برنامهنویسی کامپیوتر، زمینشناسی عمومی، موازنه انرژی و مواد، استاتیک و مقاومت مصالح، ترمودینامیک، مکانیک سیالات، انتقال حرارت، کنترل فرآیندها، زمینشناسی نفت ، مبانی فرآیندهای صنایع نفت، خواص سنگهای مخزن، خواص سیالات مخزن، کارگاه عمومی ، کاربرد ریاضیات در مهندسی شیمی، مبانی چاه آزمایی، نمودارگیری چاه ، مهندسی مخازن، زمینشناسی ساختمان.
دروس تخصصی گرایش مهندسی اکتشاف :
ژئوفیزیک، ژئوشیمی آلی (نفت)، تخمین و ارزیابی ذخایر نفتی، زمینشناسی ایران و مناطق همجوار، روشهای افزایش برداشت از مخازن، عملیات زمینشناسی ایران، مهندسی مخازن نفت، میکروپالئونتولوژی، اصول حفاری، گل حفاری و سیمانکاری چاهها، زمینشناسی نفت، چاهنگاری، زمینشناسی مهندسی، زمین ساخت، مکانیک محیطهای ناپیوسته سنگی، زمینشناسی مناطق دریایی، زمینشناسی عمومی، سنگشناسی (رسوبی ـ آذرین و دگرگونی)، کانیشناسی، برداشت زمینشناسی، زمینشناسی ساختمانی، فتوژئولوژی و سنجش از راه دور، پتروفیزیک،مکانیک سیالات، فسیلشناسی(دیرینهشناسی )، رسوبشناسی، چینهشناسی، بررسی فنی ـ اقتصادی، مبانی مهندسی نفت، زمینشناسی زیرزمینی.
گرایش مهندسی حفاری :
طراحی تجهیزات حفاری و انجام عملیات در مناسبترین شرایط و ارزیابی اثرات تکنولوژی حفاری و استخراج بر محیط زیست کشور و ارائه راههای مناسب برای جلوگیری از تخریب آن، جزو فعالیتهای این گرایش است. یک مهندس حفار روشهایی را ارائه میدهد که هزینه حفاری را پایین و راندمان کار را بالا میبرد.
دروس تخصصی گرایش مهندسی حفاری:
مبانی مهندسی برق، دینامیک، مهندسی حفاری ، سیمان حفاری، گل حفاری، مهندسی حفاری پیشرفته ، اسیدکاری در عملیات.
گرایش مهندسی مخازن نفت :
دانش مهندسی مخازن به این میپردازد که ما در یک حوزه نفتی در اعماق زمین مثلاً در عمق 2 یا 3 هزار متری چه مقدار نفت و گاز داریم و چه مقدار از آن قابل دسترسی میباشد و با چه سرعتی میتوان از مخزن مورد نظر برداشت کرد؟ مهندسی نفت گرایش مخازن، نوع مخزن نفت یا گاز و همچنین فشار، دما و عمق آن از سطح زمین را مشخص میکند زیرا موارد فوق در نحوه برداشت و استخراج نفت از مخازن تأثیر دارد.
دروس تخصصی گرایش مهندسی مخازن نفت:
مکانیک سیالات دو فازی، انتقال جرم، ترمودینامیک، مهندسی مخازن، مطالعات مخازن، عملیات بهرهبرداری، روشهای افزایش وبرداشت مخازن، مدیریت و صیانت از مخازن. گرایش مهندسی بهرهبرداری از منابع نفت امروزه اکثر مخازن نفت کشور ما دچار افت فشار شدهاند به همین دلیل نفت به صورت طبیعی به سطح زمین نمیرسد و در نتیجه حضور مهندسین بهرهبرداری از منابع نفت، یک ضرورت اجتناب ناپذیر است. افرادی که با استفاده از روشهای علمی بهتر و اصولیتر، از مخازن نفتی بهرهبرداری میکنند.
دروس تخصصی گرایش مهندسی بهرهبرداری از منابع نفت:
مکانیک سیالات دوفازی، اصول ژئوفیزیک اکتشافی، مهندسی مخازن ، مهندسی حفاری، عملیات بهرهبرداری، روشهای افزایش و برداشت از مخازن، تخمین مخازن در چاههای اکتشافی، آزمایشگاه نفت.
تواناییهای لازم :
علاوه بر دو درس ریاضی و فیزیک که دو درس پایه در تمامی رشتههای مهندسی از جمله رشته مهندسی نفت است، درس زبان انگلیسی نیز در این رشته اهمیت ویژهای دارد. در ضمن به دلیل اینکه نوع کار فارغالتحصیلان این رشته سنگین است و محیط کارشان نیز خارج از شهر است، دانشجویان این دانشگاه از بین داوطلبان مرد انتخاب میشوند. برای مثال یک مهندس حفاری در وزارت نفت باید 15 روز خارج از شهر و دور از خانواده باشد و سپس یک هفته مرخصی دارد.
موقعیت شغلی در ایران :
قطعاً اولین بازار کار موجود برای فارغالتحصیلان این رشته وزارت نفت است اما دانشگاه صنعت نفت در حال حاضر دانشجویان این رشته را بورسیه نمیکند بلکه اگر سطح علمی دانشجویی خوب باشد، در نهایت جذب وزارت نفت میشود. البته در حال حاضر بیش از 70 درصد از دانشجویان جذب وزارت نفت میشوند و مابقی آنها نیز جذب صنایع شیمایی خصوصی میشوند چرا که بیشتر واحدهای رشته مهندسی نفت با رشته مهندسی شیمی مشترک است.
