کاربرد طیف سنجی در صنایع پتروشیمی و پالایش

مقدمه:

طیف سنجی ابزاری اثبات شده در صنعت پتروشیمی برای نظارت بر زمان واقعی شرایط واکنش و درجه بندی بعدی محصولات پتروشیمی تمام شده در یک پالایشگاه است. طیف سنجی NIR و UV-Vis برای اندازه گیری های درون خطی و خطی استفاده می شوند.

 برای پایدار ماندن در بازار امروز، پالایشگاه ها به طور فعال در جستجوی بهترین و ارزان ترین روش برای تولیدات محصولات خود هستند. یک نمونه از این چالش ها، چالش تبدیل مستقیم نفت خام به محصولات شیمیایی است که در آن ترکیبات هیدروکربن اضافی با وزن متوسط مانند Naptha (پس از تصفیه) دوباره در قالب پلیمرها و سایر ترکیبات مفید پتروشیمی در معرض فروش قرار می گیرند. برای رصد دقیق این فرآیند جدید، آنالیزور باید سریعاً به مجموعه مناسب کالیبراسیون ها بپردازد. توانایی طیف سنجی NIR برای تشخیص کالیبراسیون های شیمیایی، آن را به یک انتخاب برتر در صنعت تبدیل نفت خام به محصولات شیمی تبدیل می کند.

طیف سنجی NIR در صنعت پتروشیمی در چه مواردی مورد استفاده قرار می گیرد؟

از طیف سنجی NIR برای نظارت بر ترکیب هیدروکربن جریان های مختلف در صنایع پتروشیمی و پالایش استفاده می شود. در هر مرحله از پالایشگاه، از طیف سنجی NIR برای نظارت بر ویژگی های خاص مانند رتبه بندی اکتان، محتوای بنزن و محتوای بوتان استفاده می شود.

چرا می توان ترکیب سوخت را با طیف سنجی NIR کنترل کرد؟

طیف سنجی مادون قرمز نزدیک سال هاست که با موفقیت در پالایشگاه های نفت مورد استفاده قرار می گیرد. از طیف سنجی NIR می توان در چند ثانیه چندین پارامتر مورد نیاز را تشخیص داد. اطلاعات در زمان واقعی با نظارت بر فرآیند ترکیب سوخت با NIR موجب صرفه جویی زیادی در هزینه های تصفیه خانه ها می شود. از مزایای دیگر استفاده از طیف سنجی NIR، نظارت بر اختلاط سوخت در زمان واقعی عبارتند از:

1. زمان پاسخ کوتاه و کنترل سریع کیفیت
2. افزایش کیفیت محصول و بهینه سازی فرآیند
3. کاهش هزینه های سرمایه گذاری، تجزیه و تحلیل و نگهداری
4. نتایج دقیق و دقیق اندازه گیری
5. هزینه کمتر از هر نقطه نمونه نسبت به FT-NIR

چه پارامترهای فرآیند ترکیب سوخت را می توان در یک زمان واقعی با یک طیف سنج NIR اندازه گیری کرد؟

طیف سنجی NIR می تواند به طور همزمان تعداد اکتان، نوسانات (RVP، نسبت بخار به مایع)، محتوای معطر، الفین، اکسیژن، بنزن، پارامترهای تقطیر، اتانول،MTBE، ETBE و سایر خصوصیات را در پالایشگاه اندازه گیری کند. روش های زیادی برای اندازه گیری این پارامترها وجود دارد اما این روش ها وقت گیر، گران و دست و پا گیر هستند. همچنین طیف سنجی یک راه حل مقرون به صرفه تر از کروماتوگرافی گازی ارائه می دهد.

عدد اکتان یک بنزین نشانه عملکرد بنزین در شرایط مختلف موتور است. دو رتبه بندی مختلف برای عدد اکتان در استانداردها در نظر گرفته شده است: شماره اکتان تحقیق (Research Octane Number (RON)) و شماره اکتان موتور (Motor Octane Number (MON)). بنزین تمام شده باید دارای مشخصات خاصی از اکتان باشد؛ بنابراین پالایشگاه ها در هنگام تولید محصولات این پارامتر را کنترل می کنند و باید تأیید کنند که بنزین قبل از آزاد شدن مشخصات آن را برآورده می کند. طیف سنجی NIR می تواند با جلوگیری از تأخیر در تست ضربه موتور، از میزان مناسب اوکتان اطمینان حاصل کند.

بنزن یک ترکیب طبیعی است که در روغن خام وجود دارد. با این حال، بنزن برای کاهش فرآیند تصفیه هدف قرار گرفته است زیرا بسیار سمّی است و هدف تنظیم کننده بسیاری از استانداردهای انتشار است. از طیف سنج نزدیک مادون قرمز می توان برای نظارت بر سطح بنزن در هنگام ترکیب یا در Reformater بدون نیاز به تهویه نمونه به دستگاه کروماتوگراف گازی استفاده کرد.

چرا باید از NIR برای نظارت داخلی Reformate بعد از شکستن کاتالیزوری استفاده کرد؟

Naptha و سایر محصولات سنگین پتروشیمی را می توان با عبور از یک سری Cracker به تغییرات هیدروکربن سبک تر یا کوتاهتر تقسیم کرد. در طی این فرآیند، از طیف سنجی NIR می توان برای نظارت بر محتوای PIONA (پارافین ها، ایزوپارافین ها، الفین ها، ناپتن ها و مواد معطر) اصلاح شده استفاده کرد. برای مخلوط های پیچیده، فقط می توان PONA را با NIR که غلظت کل پارافین ها، الفین ها، ناپتن ها و مواد معطر را در نظر می گیرد، کنترل کرد.

شکل ۱: ساختار پارافین، ایزوپارافین، ناپتن و مواد معطر

چرا از طیف سنجی NIR برای نظارت بر روی واحد ایزومریزاسیون استفاده می شود؟

ایزومریزاسیون از آنجا که مولکول های هیدروکربن مرتب شده هستند، مشابه اصلاح کاتالیستی است، اما بر خلاف اصلاح کاتالیزوری، ایزومریزاسیون در درجه اول برای تبدیل پارافین های نرمال به ایزوپارافین ها در یک فرآیند عبور واحد استفاده می شود. در واقع هدف افزایش عدد اکتان است. طیف سنجی مادون قرمز را می توان در طول تبدیل برای نظارت بر کارایی کاتالیزور و اطمینان از محدود شدن روند استفاده کرد. همچنین، از واحد ایزومریزاسیون برای تبدیل n-بوتان خطی به ایزو بوتان برای استفاده در واحد آلکی به کار می برند.

چرا از NIR برای نظارت بر خواص بیودیزل استفاده می شود؟

ویژگی مهم تجزیه و تحلیل مواد اولیه روغن چرب مقدار ید (IV) است. طیف سنجی NIR می تواند میزان اسیدهای چرب اشباع نشده را که نشانگر سهولت اکسیداسیون یا ظرفیت خشک شدن محصول نهایی است، اندازه گیری کند.

تعداد Cetane از خصوصیات احتراق سوخت دیزل و یکی از مشخصات مهمی است که باید در طول تولید سوخت رعایت شود. روش آزمایشگاهی سنتی برای تعیین عدد Cetane، روش موتور ضربه ای است که در آن سوخت می‌سوزد و مشخصات احتراق آن در مقایسه با استاندارد های شناخته، به دست می آید. این روش زمان بر است و هیچ توانایی برای کنترل زمان واقعی تولید را فراهم نمی کند. از طیف سنجی NIR می توان برای نظارت بر خط زمان واقعی تعداد Cetane استفاده کرد.

Cloud Point سوخت دیزل دمایی است که در زیر آن دما، موم تشکیل می شود. با شروع متراکم شدن موم از محلول، میزان تیرگی سوخت کاهش یافته و شروع به کدر شدن می کند. Cloud Point یک پارامتر مهم برای مشتریان نهایی است زیرا وجود موم های جامد باعث مسدود شدن فیلترهای سوخت و تأثیر منفی بر عملکرد موتور در خودروهای آن ها می شود. طیف سنجی NIR می تواند به عنوان یک گزینه جایگزین خطی برای روش های سنتی، استفاده شود.

از طیف سنجی UV-Vis در صنعت پتروشیمی چه استفاده ای می شود؟

رنگ سوخت برای شناسایی و اهداف مالیاتی به طور معمول با طیف سنجی UV / VIS اندازه گیری می شود.

مقیاس رنگ سوخت APHA از APHA گاهی اوقات به عنوان مقیاس پلاتین- کبالت (Pt – Co) یا Hazen یاد می‌شود. مقیاس رنگی APHA یک روش معمول برای مقایسه شدت نمونه های زرد رنگ برای ارزیابی کیفیت مایعات است که رنگ آن ها شفاف تا زرد است. APHA می تواند به عنوان شاخص زردی نیز شناخته شود. با استفاده از طیف سنج NIR بر رنگ APHA در زمان واقعی نظارت می کنند.

شکل ۲: مقیاس رنگ APHA

مقیاس رنگ سوخت ASTM

مقیاس رنگ ASTM، روش اندازه گیری رنگ برای سوخت ها از جمله روغن های روانکاری، روغن های حرارتی، سوخت های دیزلی و واکس های نفتی را توصیف می کند. کمترین مقدار ۰.۵ زرد روشن، ۲ زرد، ۵ نارنجی و ۸ قرمز عمیق است. مقیاس رنگ ASTM اندازه گیری شده توسط طیف سنج، یک اندازه گیری مهم برای فرآورده نفتی پالایشگاه ها و پتروشیمی است.

شکل ۳: مقیاس رنگ ASTM و Saybolt

مقیاس رنگ سوخت Saybolt

رنگ سایبولت در درجه اول در توصیف سوخت ها از جمله بنزین اتومبیل و هواپیما، سوخت جت، سوخت دیزل و سایر فرآورده های نفتی استفاده می شود. مقیاس رنگی سایبولت از رنگ بی رنگ (۳۰) تا زرد تیره (۱۶-) متفاوت است (شکل ۳). در کنار اندازه گیری رنگ، کدر بودن رنگ سوخت نیز یکی از ویژگی های مهم برای نظارت بر کیفیت سوخت است. این دو ویژگی به آسانی از طریق طیف سنجی قابل اندازه گیری است.

طبق مطالبی که در بالا ذکر شد، می توان نتیجه گرفت که طیف سنجی NIR در تعیین کیفیت فراورده های نفتی نقش بسیار مهمی دارد. همچنین پارامترهای مهم با استفاده از این نوع طیف سنجی به راحتی قابل اندازه گیری هستند. این پارامترها و ویژگی ها را با استفاده از روش های سنتی نیز می توان به دست آورد ولی این روش ها مقرون به صرفه نیستند و هزینه های فراوانی برای پالایشگاه ها دربردارند. علاوه بر این بسیار زمان بر و دست گیر هستند؛ بنابراین طیف سنج NIR‌ جایگزین خوبی برای روش های سنتی به شمار می رود.