فیلتراسیون در فرایند تولید اتیلن

چکیده

اولویت در صنعت پتروشیمی ارائه مداوم محصولات با کیفیت بالا است، بنابراین کنترل آلودگی در فرایندها از جمله تولید اتیلن بسیار مهم است. آلاینده‌ها در جریان‌های فرایندی می‌توانند تولید را مختل کنند، عملکرد تجهیزات اصلی را دچار مشکل کنند و باعث توقف‌های غیرمنتظره شوند. حذف آلاینده‌ها در مراحل اولیه فرایند به کاهش مشکلات مربوط به گرفتگی در واحدهای فرایندی پایین‌دستی کمک می‌کند.

راه‌حل‌های فیلتراسیون و جداسازی می‌توانند برای کمک به حذف آلاینده‌ها در سراسر فرایند تولید اتیلن، شامل بخش گرم و بخش سرد این فرایند، مورد استفاده قرار گیرند. کاربردهای بالقوه حذف آلاینده‌ها شامل تصفیه خوراک، آب کوئنچ (quench)، تصفیه کاستیک، مبدل‌های استیلن و سیستم‌های گاز سوختی است. استفاده از اقدامات کاهش آلاینده‌ها می‌تواند عمر مفید کراکر بخار را افزایش دهد، گرفتگی در نوارهای بنزن و مبدل‌های حرارتی را کاهش دهد و دوره‌های بین احیا در خشک‌کن‌های مولکولارسیو را طولانی‌تر کند.

مقدمه

نفت خام و گاز طبیعی که به ترتیب در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های پردازش گاز پردازش می‌شوند، خوراکی برای صنایع پایین‌دستی پتروشیمی ایجاد می‌کنند که یک واسطه حیاتی در تولید محصولات نهایی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و سایر ترکیبات کلیدی برای بسیاری از محصولات نهایی رایج است. جداسازی و فیلتراسیون مؤثر و قابل اعتماد مواد خام پتروشیمی، محصولات میانی و مایعات فرایندی، در نقاط مختلف فرایندهای پتروشیمی، برای بهبود کیفیت محصول نهایی و همچنین افزایش عمر تجهیزات سرمایه‌ای و کاهش زمان خرابی‌های گران‌قیمت بسیار ضروری است.

اتیلن یکی از مهم‌ترین محصولات شیمیایی پایه است که در صنایع مختلف، به‌ویژه در صنایع پتروشیمی، کاربرد فراوانی دارد. این ترکیب هیدروکربنی به‌عنوان ماده اولیه برای تولید انواع پلیمرها نظیر پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن و پلی‌استایرن استفاده می‌شود و همچنین در تولید مواد شیمیایی مختلف مانند اتیلن اکساید، اتیلن گلایکول و وینیل کلراید کاربرد دارد. تولید اتیلن عمدتاً از طریق فرایندهای کراکینگ بخار و کراکینگ کاتالیزوری انجام می‌شود که در هر دو فرایند، نیاز به کنترل دقیق آلاینده‌ها و ذرات معلق در جریان‌های گازی و مایع وجود دارد.

فرایندهای تولید اتیلن معمولاً در دما و فشار بسیار بالا انجام می‌شوند که در این شرایط، احتمال تولید آلاینده‌های مختلف و ایجاد مشکلات در عملکرد سیستم‌های مختلف افزایش می‌یابد. در این میان، فیلتراسیون به‌عنوان یکی از ابزارهای اصلی در این فرایندها شناخته می‌شود. این تکنیک، با هدف حذف ذرات معلق، کربن‌های سیاه، آلاینده‌های گازی و مواد آلی که در فرایندهای کراکینگ به‌وجود می‌آیند، نقش مهمی در افزایش کارایی سیستم‌ها و حفاظت از تجهیزات ایفا می‌کند. به‌ویژه در سیستم‌های کاتالیزوری، که حساسیت بالایی نسبت به آلودگی‌ها دارند، فیلتراسیون از گرفتگی کاتالیست‌ها و کاهش کارایی آن‌ها جلوگیری می‌کند.

همچنین، فیلتراسیون مؤثر می‌تواند تأثیر زیادی در کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات، بهبود کیفیت محصولات نهایی و کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی داشته باشد. از آنجا که تولید اتیلن به‌طور گسترده در صنایع پتروشیمی در حال انجام است، توجه به سیستم‌های فیلتراسیون و انتخاب صحیح فیلترها برای حذف آلاینده‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

این مقاله به بررسی فرایندهای مختلف تولید اتیلن و نقشی که فیلتراسیون در بهبود عملکرد این فرایندها ایفا می‌کند، می‌پردازد. در این راستا، انواع فیلترهای مورد استفاده در این فرایندها، اصول طراحی آن‌ها، و چالش‌های مرتبط با انتخاب و استفاده از فیلترها مورد تحلیل قرار می‌گیرد. هدف از این مقاله ارائه راهکارهای علمی و فنی برای بهبود سیستم‌های فیلتراسیون در واحدهای تولید اتیلن و افزایش بهره‌وری و کارایی فرایندهای پتروشیمی است.

فرایند تولید اتیلن از طریق کراکینگ (cracking) بخار

فرایند کراکینگ بخار برای تولید اتیلن از مخلوط اتان-پروپان یا خوراک مایع مانند نفتا یا گازوئیل به سه بخش اصلی تقسیم می‌شود: (۱) کراکینگ و خنک‌سازی سریع، (۲) فشرده‌سازی و خشک کردن و (۳) جداسازی.

کراکینگ و خنک‌سازی سریع

ابتدا مخلوط اتان-پروپان یا خوراک مایع مانند نفتا یا گازوئیل به کوره‌ها وارد می‌شود. در این کوره‌ها، تحت شرایط دمای بالا (~۸۰۰ درجه سانتی‌گراد)، مواد خوراک کراک شده و اتیلن، پروپیلن و سایر محصولات جانبی تشکیل می‌شوند. بخار رقیق‌کننده به کوره تزریق می‌شود تا فشار جزئی هیدروکربن‌ها کاهش یابد، که این امر تولید اتیلن را تسهیل می‌کند و تشکیل کک را کاهش می‌دهد.

گرمای شدید در کوره باعث می‌شود که هیدروکربن‌ها دچار واکنش‌های شیمیایی متعددی شوند. جریان خروجی از کوره سپس به یک سیستم خنک‌کننده مبتنی بر آب هدایت می‌شود و به سرعت خنک می‌شود تا از ادامه واکنش‌ها و تشکیل محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری شود. گاز کراک‌شده پس از خنک‌سازی به مرحله فشرده‌سازی و جداسازی هدایت می‌شود. سپس با کوئنچ کردن، کک، جامدات و پایگس (pyrolysis gasoline (pygas)) جدا می‌شوند

فشرده‌سازی و خشک کردن

در ادامه، گاز فشرده شده و شستشو داده می‌شود تا گازهای اسیدی CO_۲) و (H_۲S حذف سوند. فشرده‌سازی گاز کراک‌شده طی پنج مرحله انجام می‌شود. پس از مرحله سوم فشرده‌سازی، دی‌اکسید کربن و گوگرد با استفاده از شستشو با سود سوزآور و آب در یک اسکرابر (scrubber) قلیایی از گاز کراک‌شده حذف می‌شوند. سپس گاز فشرده‌شده خنک و توسط مولکولارسیو خشک می‌شود که عمده آب موجود را حذف می‌کنند.

جداسازی

در بخش خالص‌سازی، گاز کراک‌شده خشک شده به یک کلد باکس (cold box) وارد می‌شود تا هیدروژن و هیدروکربن‌های سبک (متان، اتیلن، پروپیلن، بوتادین) حذف شوند، در حالی که اتلاف اتیلن به حداقل می‌رسد. در این مرحله، کندانس‌های حاصل از فرایند سردسازی به مجموعه‌ای از ستون‌های تفکیک (تقطیر) هدایت می‌شوند. پس از عبور از این ستون‌ها، اتیلن به عنوان محصول نهایی به دست می‌آید.

آلاینده‌های فرایند تولید اتیلن

خوراک: مواد اولیه هیدروکربنی معمولاً حاوی مقادیر قابل توجهی از محصولات ناشی از خوردگی، آب و نمک‌ها هستند. اکسیدهای سدیم و آهن به عنوان عوامل تسریع‌کننده تشکیل کک شناخته می‌شوند و حضور آن‌ها می‌تواند زمان کارکرد کوره‌های اتیلن را قبل از نیاز به پاک‌سازی کک (decoking) کاهش دهد. در برخی موارد، این مواد می‌توانند عمر لوله‌های کوره را تا یک‌سوم کاهش دهند. چرخه‌های پاک‌سازی برنامه‌ریزی نشده یا مکرر منجر به کاهش تولید اتیلن، کاهش عمر لوله‌های کوره و افزایش هزینه‌های نگهداری می‌شوند.

گاز سوخت: انسداد نوک مشعل یکی از نگرانی‌های اصلی در عملکرد و نگهداری کوره است که نیاز به فیلتراسیون گاز سوخت را ایجاب می‌کند. توصیه می‌شود از فیلتر/کوالسر گاز سوخت استفاده شود تا ذرات، زنگ‌زدگی و مایعات متراکم‌شده در سوخت‌ها حذف شوند.

آب “فرایندی” کوئنچ: آبی که از برج آب کوئنچ خارج می‌شود، به عنوان آب “فرایندی” کوئنچ شناخته می‌شود. این آب حاوی مقداری روغن‌های C5/C6  و ذرات کک است. در یک واحد تولید اتیلن، گرفتگی در مبدل حرارتی سیستم بخار رقیق‌کننده می‌تواند منبعی از هزینه‌های بالای نگهداری و عملیاتی باشد. مشکلات رایج شامل موارد زیر است:

• افزایش مصرف انرژی به دلیل افزایش استفاده از بخار
• زمان خرابی و هزینه‌های نگهداری بالا
• کاهش کارایی به دلیل گرفتگی سیستم بازیافت حرارت

بنزین پیرولیز :(Pyrolysis Gasoline/PyGas) بنزین پیرولیز (پای گس) یکی از محصولات جانبی فرایند کراکینگ است که به عنوان یک عامل ترکیب‌کننده در مخلوط بنزین استفاده می‌شود. به همین دلیل، لازم است این محصول تمیز بوده و عاری از هرگونه ذرات جامد، کک و آب باشد تا کیفیت محصول نهایی تضمین شود.

فیلتراسیون گاز کراک‌شده در ورودی و خروجی کمپرسور

ورودی کمپرسور: گاز کراک‌شده از برج کوئنچ ممکن است حاوی ذرات جامد و آلاینده‌های آئروسل مایع باشد که می‌توانند باعث خرابی‌های مکانیکی در کمپرسورهای رفت‌وبرگشتی (reciprocating) و سانتریفیوژ شوند.

خروجی کمپرسور: روغن روانکاری کمپرسورها منبع آلودگی مایع است که می‌تواند نازل‌های تجهیزات پایین‌دستی، شیرها، ابزارها، جریان‌های فرایندی و مبدل‌های حرارتی را دچار گرفتگی و آلودگی کند.

حفاظت از بستر مولکولارسیو: کندانس‌های هیدروکربنی و/یا روغن‌های روانکار از کمپرسور می‌توانند به طور چشمگیری عملکرد و عمر بستر جاذب مولکولارسیو را کاهش دهند. مشکلات رایج عبارت‌اند از:

• چرخه‌های مکرر احیا
• کاهش عملکرد جذب
• تعویض زودهنگام مواد مولکولارسیو به دلیل فرسایش

تصفیه گاز احیا مصرف‌شده برای حفاظت از مشعل: گاز احیا مصرف‌شده، در صورت عدم تصفیه، می‌تواند باعث انسداد مشعل‌های  Low Nox  شود.

شستشوی قلیایی و تصفیه پساب قلیایی: حضور آلاینده‌هایی مانند روغن یا بنزین بر عملکرد راکتور اکسیداسیون مرطوب (WAO) تأثیر می‌گذارد. تشکیل پلیمر متداول‌ترین علت گرفتگی در برج‌های قلیایی است. روغن‌های معلق، که از پلیمریزاسیون تشکیل می‌شوند، می‌توانند عملکرد راکتور WAO را مختل کنند.

حذف روغن سبز :(Green Oil) حمل‌ونقل روغن سبز همراه با گاز می‌تواند مشکلات زیر را ایجاد کند:

• گرفتگی بسترهای راکتور
• گرفتگی مبدل‌های حرارتی، بسترهای خشک‌کننده و برج‌های تقطیر
• آلودگی گاز احیا، که منجر به انسداد نوک مشعل کوره می‌شود.

۴- راه حل های نوآورانه برای جداسازی و فیلتراسیون در تولید اتیلن

وقتی فرایندهای پتروشیمی چالش‌های پیچیده‌ای را ارائه می‌دهند، صنعت فیلتراسیون با مجموعه گسترده‌ای از راه‌کارها در صنعت نفت و گاز، راه‌حل‌هایی را در پاسخ به نیازهای این صنایع ارائه می‌دهد. این راه‌حل‌ها شامل فیلتراسیون نوآورانه و خاص برای هر کاربرد است تا از یکپارچگی و خلوص در سراسر فرایندهای پایین‌دستی اطمینان حاصل شود. از آنجایی که رشد صنعت استانداردهای جدید را به پیش می‌برد، پیشرفت‌ها در فناوری فیلتراسیون و کوالسر با موفقیت در کارخانه‌های اتیلن اعمال شده است. برخی از راه حل های فیلتراسیون و جداسازی که برای افزایش تولید اتیلن ارائه می‌شود عبارتند از:

فیلترهای ذرات: حذف ذرات جامد از جریان مایع با فیلترهای یکبار مصرف امکان پذیر است.

کوالسرهای مایع/مایع: سیستم های کوالسر مایع/ مایع با راندمان بالا می‌توانند غلظت فاز ناپیوسته ورودی را تا ۱۰ درصد پردازش کنند. این واحدها می توانند به طور موثر امولسیون هایی که جداسازی آنها دشوار است را با کشش های سطحی تا ۰.۵ dynes/cm  تصفیه کنند. این کوالسرها در حضور سورفکتانت‌ها خلع سلاح نمی‌شوند و می‌توانند مجموعه ای از کاربردهای شیمیایی تهاجمی را در طیف وسیعی از دماها تحمل کنند.

کوالسرهای مایع/ گاز: فناوری ترکیب کننده گاز مایع با راندمان بالا  در تولید اتیلن می‌تواند آئروسل‌های مایع را از جریان گاز حذف کند. اینها می‌توانند قطرات بسیار ریز را که اغلب از تراکم منشأ می‌گیرند حذف کنند.

تصفیه کننده روغن: تصفیه روغن‌های روان کننده برای کمپرسورهای گاز و سایر تجهیزات دوار هنگام حفظ عملکرد بهینه بسیار مهم است. آب، ذرات جامد و حتی گازها می‌توانند در روغن روغن جمع شوند و اثرات مضری ایجاد کنند. آلاینده‌های بیش از حد می‌تواند منجر به خاموش شدن برنامه‌ریزی نشده، تعمیر و نگهداری بالا و هزینه‌ها شود. تصفیه کننده روغن یک روش مقرون به صرفه برای کاهش خطر مشکلات روغن روغن است.

۵- سیستم‌های فیلتراسیون در تولید اتیلن

راه‌های زیادی وجود دارد که کارخانه‌های شیمیایی که به فیلتراسیون وابسته هستند، می‌توانند واکنش یا جداسازی مورد نظر را انجام دهند. چه از طریق تصفیه مواد اولیه، حذف امولسیون‌ها از مواد شیمیایی، فیلتراسیون برای استفاده مجدد از سیالات فرایندی، یا تصفیه نهایی تولید، نیاز به سیستم‌های فیلتراسیون کارآمد در بسیاری از کاربردها مطرح است. اپراتورهای کارخانه‌های شیمیایی تمایل دارند آلودگی‌ها را به‌صورت کارآمد و قابل‌اعتماد از طیف وسیعی از جریان‌های فرایند و محصول فیلتر کنند، زیرا این آلودگی‌ها می‌توانند مشکلات عملیاتی پرهزینه و مسائل مربوط به کیفیت سیالات را ایجاد کنند.

سیستم فیلتراسیون شماره ۱: فیلتراسیون خوراک  (FEED FILTRATION)

الف. خوراک گازی (اتان، مخلوط اتان-پروپان):

یکی از کاربردهای حیاتی در فرایند تولید اتیلن، تصفیه خوراک است. خوراک‌های گازی یا مایع آلوده می‌توانند منجر به هزینه‌های بالای تعمیرات کوره و افزایش انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی شوند. تأثیرات معمول تصفیه خوراک شامل حفاظت از لوله‌های کوره در برابر پیش‌سازهای کک (آهن، نمک‌ها و غیره) و گرفتگی، افزایش مدت زمان کار کوره، افزایش تولید کلی (کاهش زمان توقف)، کاهش هزینه‌های نگهداری و صرفه‌جویی در انرژی است.

این تأثیرات مثبت باعث شده است که برخی از تولیدکنندگان اتیلن، سیستم‌های فیلتر خوراک و کوالسسرها را در عملیات خود، هم برای خوراک‌های گازی و هم مایع، گنجانده باشند. تعدادی از کارخانه‌های تولید اتیلن مشاهده کرده‌اند که آلودگی خوراک تأثیرات منفی بر زمان‌های عملیاتی کوره‌های آن‌ها دارد (کاهش تا ۷۰٪ مشاهده شده است)، همچنین تأثیرات مثبت تصفیه خوراک را نیز مشاهده کرده‌اند. بهبودهای فرایندی معمولاً از بهینه‌سازی چندین پارامتر به دست می‌آید، که اندازه‌گیری تأثیر دقیق هر کدام از آن‌ها را دشوار می‌کند.

فیلترکوالسر گاز

این کوالسر با دقت ۰.۳ میکرون قادر به حذف آلاینده‌های جامد و مایع موجود در خوراک گازی می‌باشد. حذف این آلاینده‌ها به ویژه از ایجاد گرفتگی در لوله‌های کوره جلوگیری کرده و به حفظ عملکرد بهینه تجهیزات کمک می‌کند.

ب. خوراک مایع (نفتا، گازوئیل):

فیلتر مایع (پیش‌فیلتر):

استفاده از فیلتر مایع یا پیش‌فیلتر برای حذف محصولات ناشی از خوردگی و ذرات معلق بسیار حیاتی است. این فیلترها به‌طور مؤثر ذرات آلاینده و مواد حاصل از خوردگی را از بین می‌برند و از ایجاد گرفتگی در لوله‌های کوره جلوگیری می‌کنند. این عمل نه تنها به بهبود کارایی کوره کمک می‌کند، بلکه از رسوب ذرات در کراکر بخار نیز جلوگیری می‌کند. معمولاً یک پیش‌فیلتر با دقت ۱۰ میکرون برای حفاظت از کوالسر استفاده می‌شود.

کوالسر فاز مایع-مایع:

کوالسر فاز مایع-مایع نقش مهمی در حفاظت از کوره‌ها در برابر گرفتگی در ناحیه همرفت ایفا می‌کند. این کوالسر با حذف آب تا سطح ۸-۱۰ ppmv، از تجمع آب در سیستم جلوگیری کرده و مانع از بروز مشکلاتی نظیر گرفتگی لوله‌ها و کاهش کارایی کوره می‌شود.

این سیستم فیلتراسیون دارای کارایی اثبات شده‌ای در حذف آلاینده‌های جامد و مایع از خوراک‌های کوره است. این کار منجر به استفاده کارآمدتر از کوره‌ها با کاهش تعداد دوره‌های کک‌زدایی و افزایش تولید در حجم بالا می‌شود و اپراتور از بهبود قابل توجهی در راندمان کوره و کاهش هزینه‌های نگهداری بهره‌مند می‌شود.

این فناوری همچنین به کارخانه‌های تولید اتیلن این امکان را می‌دهد که از خوراک‌های آلوده و جایگزین بیشتری مانند نفتا که از طریق حمل و نقل دریایی وارد می‌شود یا نفتای سبک (LCN / FCC gasoline) که از پالایشگاه‌ها می‌آید، استفاده کنند.

بازخوردهای مثبت زیادی از سوی استفاده کنندگان از این سیستم‌های فیلتراسیون، افزایش ۳۳% در زمان عملکرد کوره پس از نصب پیش‌فیلترها و کوالسرهای مایع/مایع، کاهش هزینه‌های نگهداری، تشکیل CO، انتشار CO_۲ و مصرف سوخت، کنترل بهتر نسبت نفتا/بخار را نشان می‌دهد.

سیستم فیلتراسیون شماره ۲: فیلتراسیون گاز سوخت   (FUEL GAS FILTRATION)

فیلتر-کوالسر گاز:

برای افزایش کیفیت گاز سوخت، از فیلتر-کوالسر گاز با کارایی بالا (۰.۳ میکرون) استفاده می‌شود. این کوالسر قادر است آلاینده‌های جامد و مایع موجود در گاز سوختی را به‌طور مؤثر حذف کند. با حذف این آلاینده‌ها، از آسیب به نوک مشعل‌ها جلوگیری می‌شود و عملکرد مشعل‌ها بهینه باقی می‌ماند.