رفع مشکلات عملیاتی در واحدهای نمکزدایی صنعت نفت تا مرز خودکفایی

واحدهای نمکزدایی در فرآورش نفت خام اهمیت بالایی دارند چراکه طبق استانداردها، مقدار آب و نمک موجود در نفت خام، دو عامل تعیین کننده کیفیت نفت خام تولیدی محسوب می شوند؛ از این رو انجام مناسب این فرآیند از بروز معضلاتی مانند خوردگی خطوط لوله و تجهیزات پایین دستی پیشگیری و با تضمین کیفیت نفت خام صادراتی مانع از افت قیمت آن می شود.«مهدی محمدی» فارغ التحصیل دکترای مهندسی شیمی از دانشگاه علم و صنعت و عضو هیات علمی پژوهشگاه صنعت نفت رباره طرح توسعه فناوری نمک زدایی نفت خام می گوید: نفت استخراج شده از چاه های نفت به دلیل همراه داشتن مقدار زیادی گاز و ناخالصی هایی مانند آب شور، قبل از ارسال به محل مصرف (پالایشگاه ها و پایانه‎های صادرات) باید در تأسیسات روزمینی (گاززدایی، شیرین‎سازی، آبزدایی و نمکزدایی) فرآورش شود.
بخشی از آب شور به روش ثقلی قابل جداسازی است، اما شکستن امولسیون قطرات کوچک آب باقیمانده در نفت، تنها با استفاده از روش الکترواستاتیک قابل انجام است، از این رو کیفیت مورد نظر از طریق فرآورش نفت خام در واحد نمکزدایی قابل دستیابی است.

سوال: این فرآیند از چه زمانی در کشور فعال شده است؟
محمدی: آغاز استفاده از واحدهای نمکزدای الکترواستاتیک نفت خام در صنعت نفت کشور به چند دهه گذشته بازمی گردد. در آغاز بسیاری از واحدهای بهره برداری بدون نیاز به واحد نمکزدایی تأسیس شدند، ولی به دلیل بالارفتن عمر مخازن، تولید نفت خام به سمت نمکی شدن پیش رفت و احداث واحدهای جدید نمکزدایی در دستورکار شرکت ها قرار گرفت. همچنین در واحدهای قدیمی که نمکزدایی تک مرحله ای وجود داشت، این واحدها برای تبدیل به حالت دو مرحله ای تبدیل شده یا درحال اصلاح هستند.
در حال حاضر طراحی مفهومی نمکزدا، ساخت و تأمین قطعات داخلی و کلیدی آن توسط برخی شرکت های خارجی انجام می شود. به دلیل اهمیت این فناوری و جایگاه آن در فرآورش نفت خام و با توجه به نیاز کشور به احداث و راهبری واحدهای نمکزدایی در حوزه صنایع بهره برداری نفت، دستیابی به این دانش فنی از اهمیت قابل توجهی برخوردار است.

سوال: پژوهشگاه صنعت نفت تاکنون چه اقدام هایی در این زمینه انجام داده است؟
محمدی: پژوهشگاه برای رفع این نیاز صنعت نفت، در سال 1390 پیشنهاد طرح پژوهشی توسعه دانش فنی فرآیند نمکزدایی به مناطق نفت خیز جنوب را ارائه کرده است. پس از طی مراحل مختلف، این طرح در فهرست طرح های پژوهشی مصوب معاونت پژوهش و فناوری وزارت نفت قرار گرفت، ولی متأسفانه قرارداد این طرح به پژوهشگاه ابلاغ نشد؛ از اینرو طرح با حمایت های پژوهشکده پالایش و معاونت فناوری پژوهشگاه به صورت داخلی اجرا شد.
ابتدا مطالعات کتابخانه ای، سپس مطالعات میدانی از طریق بازدید و بررسی عملکرد واحدهای نمکزدایی موجود در صنعت نفت انجام شد. در این مراحل اصول پایه های حاکم بر فرآیند و بخش های کلیدی فناوری شناسایی شدند. پس از آن، به منظور بررسی مکانیزم عملکرد نمکزدا در مقیاس میکرو (تجمیع الکتریکی قطرات آب در فاز نفتی) یک سامانه آزمایشی طراحی شد و دستگاه های آزمایشگاهی تخصصی ولتاژ بالا با مشخصات ویژه مورد نیاز به صورت داخلی طراحی و ساخته شدند.
سرانجام با استفاده از این تجهیزات آزمایشگاهی و با انجام آزمایشات دقیق، مکانیزم عملکرد نمکزدا با موفقیت مورد مطالعه قرار گرفت. لازم به ذکر است که این سطح از پژوهش های بنیادی با رویکرد کاربرد صنعتی در فناوری نمکزدایی در حال حاضر تنها توسط چند شرکت محدود اروپایی انجام می شود.

سوال: هدف از بومی سازی این فرآیند توسط پژوهشگاه چیست؟
محمدی: یکی از اهداف پژوهشگاه در بومی سازی فناوری نمکزدا، شناسایی گلوگاه های فناوری و تلاش در جهت دستیابی به دانش مربوط به ساخت آنها است. قطعه بوشینگ ورودی ولتاژ بالا به مخزن نمکزدا از مهمترین بخش های این فناوری به شمار می آید.
طراحی و ساخت این قطعه حیاتی (در ابعاد صنعتی) در پژوهشگاه انجام و عملکرد آن نیز با موفقیت تست شده و مورد تأیید قرار گرفته است. ثبت اختراع مربوط به ساخت بوشینگ ولتاژ بالا که به تأیید سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران رسیده، حاصل تلاش محققان پژوهشگاه در این مسیر است.

سوال: آیا این طرح در مرحله ساخت پایلوت هم پیشرفت داشته است؟
محمدی: بله. در بخش پایلوت برای اولین بار در کشور یک واحد نیمه صنعتی نمکزدای الکترواستاتیک نفت خام در پژوهشگاه صنعت نفت طراحی و ساخته شد. این پایلوت برای جریان پیوسته به ظرفیت 20 بشکه در روز به گونه ای طراحی شده که قابلیت تغییر پارامترهای عملیاتی در یک دامنه وسیع را دارد.
در این پایلوت، تمامی ملزومات واحد صنعتی طراحی و ساخته شده اند. پس از انجام تست های اولیه (پیش راه اندازی) و ارائه عملکرد موفق، پایلوت راه اندازی شد و به مدت سه ماه برای انواع نفت خام با اعمال شرایط عملیاتی مختلف در عملیات پیوسته (شبانه روزی) قرار گرفت.
نتایج حاصل از این داده گیری ها از یک سو عملکرد موفق پایلوت با راندمان جداسازی بسیار بالا را تأیید کرد و از سوی دیگر با توجه به بررسی تأثیر شرایط عملیاتی مختلف و نوع نفت خام، منجر به ایجاد دانش فنی این فرآیند در مقیاس نیمه صنعتی شد.

سوال: روند ساخت این پایلوت در این مجموعه به چه صورت بوده است؟
محمدی: ما در پژوهشگاه به منظور ساخت این پایلوت، با تمام صورت مساله های ساخت یک واحد صنعتی روبه رو بودیم؛ چرا که تمام المان های یک واحد نمکزدا در صنعت به صورت کوچکتر در واحد پایلوت نیز مورد نیاز است. ساخت و راه اندازی این پایلوت به دلیل ناشناخته بودن جزئیات فرآیند، ریسک بالایی داشت زیرا نخستین بار بود که با دانش داخلی یک ترانس ولتاژ بالا به داخل مخزنی که حاوی آب و نفت خام است، متصل می شد.
پژوهشگاه صنعت نفت از تمام مواردی که ناشناخته بود، عبور کرد و به نقطه ای رسید که موفق شد پایلوت نمکزدا را به صورت کاملا داخلی بسازد، سپس آن را با موفقیت راه اندازی کرده، به منظور داده گیری به مدت سه ماه آن را تحت عملیات پیوسته (شبانه روزی) قرار دهد.

سوال: این پایلوت از چه ویژگی های شاخصی برخوردار است؟
محمدی: یکی از ویژگی های بارز این پایلوت این است که می تواند کاربردها و قابلیت های مختلفی برای صنعت داشته باشد؛ از جمله می توان از آن برای تست عملکرد شرایط عملیاتی برای انواع نفت خام و انتخاب شرایط عملیاتی بهینه یا برای بررسی عملکرد و انتخاب ماده شیمیایی مصرفی دمولسیفایر استفاده کرد.
در حال حاضر، سالانه واحدهای نمکزدا تحت تست های میدانی انتخاب دمولسیفایر قرار می گیرند و این ریسک وجود دارد که نفت خام خروجی از واحد، کیفیت صادرات و انتقال را نداشته باشد. اما این پایلوت این امکان را می دهد تا به جای آنکه خود واحد صنعتی را در معرض این تست های مخاطره آمیز قرار دهیم، انواع دمولسیفایرهای پیشنهادی شرکت ها در پایلوت تزریق و کارآیی آنها را با یکدیگر مقایسه و بهترین را انتخاب کرد.
پژوهشگاه همچنین ساخت یک واحد پرتابل با مقیاس بزرگتر از پایلوت کنونی را به صنعت نفت پیشنهاد داده است که قادر است در کنار واحدهای عملیاتی و بهره برداری قرار بگیرد و با اتصال یک انشعاب از خوراک واحد اصلی به منظور تست میدانی انتخاب دمولسیفایر مورد استفاده قرار گیرد.

سوال: آیا در بخش نرم افزاری نیز موفقیت هایی به دست آمده است؟
محمدی: بله دقیقا این اتفاق رخ داده است. در بخش نرم افزاری، نتایج و توابع ریاضی منطبق با داده های پایلوتی به منظور تهیه یک نرم افزار تخصصی مورد استفاده قرار گرفت و در نهایت نرم افزاری توسعه یافت که قادر است میزان آب و نمک همراه نفت خام محصول را با توجه به نوع نفت خام و شرایط عملیاتی پیش بینی کند.
همچنین این نرم افزار در حالت بهینه سازی قادر است شرایط عملیاتی بهینه را تعیین کند. این نرم افزار در کشور منحصر به فرد است و در هیچ یک از نرم افزارهای تجاری شبیه ساز فرآیند، برنامه ای که بتواند عملیات نمکزدایی را شبیه سازی کند، وجود ندارد؛ بنابراین دستیابی به این نرم افزار گام بزرگی برای بومی سازی این فناوری محسوب می شود.
تخصص و مهارت بالای برنامه نویسی همکاران بنده در پژوهشکده پالایش کمک شایانی در انجام این بخش از طرح کرد.
شناسایی رفتار دقیق هیدرودینامیکی نمکزدای الکتروستاتیک از طریق شبیه سازی CFD، می تواند نقش موثری در طراحی بهینه این تجهیزات و بهبود عملکرد آنها داشته باشد.
از آنجا که پارامترهای مؤثر بر عملکرد نمکزدا متعدد است، تعیین اثر هر یک از این عوامل بر راندمان جداسازی نقش بسزایی در تعیین ابعاد و شرایط بهینه عملیاتی نمکزدا خواهد داشت. برای این منظور ابتدا مکانیزم نمکزدایی در مقیاس دوقطرهای از طریق شبیه سازی CFD مورد مطالعه قرار گرفت.
سپس با توسعه معادلات موازنه جمعیتی با توجه به تأثیر همزمان هیدرودینامیک و الکتروستاتیک بر معادلات تجمیع قطرات، شبیه سازی سیستم نمکزدا انجام شد. با این کار توانستیم هیدرودینامیک داخل مخزن نمکزدا، توزیع اندازه قطرات، پروفایل توزیع فازها و نحوه رشد قطرات و جداسازی را در داخل مخزن نمکزدا پیش بینی کنیم.
بی شک یکی از مهمترین بخش های فناوری نمکزدایی منبع الکتریکی، ولتاژ بالای اختصاصی مورد استفاده در دستگاه است. این منبع الکتریکی که به دلیل ماهیت ویژه عملیاتی برای شرایط اتصال کوتاه طراحی می شود، همواره در تغییر نسل های مختلف فناوری نقشی پیشتاز داشته است.
از سوی دیگر با توجه به پیوند خوردن دو موضوع فرآیند و برق، نکات خاصی در طراحی آن وجود دارد؛ از این رو در این طرح با مطالعات فراوان توانستیم مفاهیم پایه ای این بخش از دانش را نیز شناسایی کنیم.
سپس با ایجاد یک مدل جامع که دو بخش منبع الکتریکی بیرونی (ترانس) و مصرف کننده داخلی مخزن (میدان الکتریکی) را همزمان شبیه سازی می کند، به توانمندی لازم برای طراحی آنها دست یافتیم.
از آنجا که در این مدل پارامترهایی نظیر افت ولتاژ مؤثر، فرکانس و پروفایل رسانایی سیال درون مخزن همگی مورد توجه قرار گرفته اند، دستیابی به نسل جدید فناوری در دسترس پژوهشگاه قرار گرفته است.

سوال: مهمترین دستاوردهای این طرح پژوهشی برای صنعت نفت چیست؟
محمدی: پژوهشگاه صنعت نفت با توجه به تجربیاتی که تاکنون در بخش های مختلف سخت افزاری و نرم افزاری این فناوری و از جمله در ساخت پایلوت نمکزدا کسب کرده، قادر است برای تأمین این فناوری در صنعت نفت کشور و رفع مشکلات عملیاتی در واحدهای نمکزدایی موجود در خدمت صنعت باشد.
هم اکنون در پروژه های احداث واحدهای نمک زدایی، بخش عمده ای از هزینه شرکت های خارجی مربوط به دانش فنی است، درصورتی که اگر این پروژه ها به صورت داخلی انجام شوند، هزینه های صنعت نفت در این بخش بسیار پایین می آید و ضمن صرفه جویی ارزی قابل توجه، ارزش افزوده بالایی نیز برای کشور خواهد داشت.

سوال: ویژگی های این طرح در مقایسه با نمونه های داخلی و خارجی را در چه می بینید؟
محمدی: در حال حاضر پیمانکاران داخلی، ساخت بخش های حجیم نظیر مخازن را به وسیله شرکت های داخلی انجام می دهند، ولی از نگاه فناورانه در تمام این پروژه ها، شرکت های خارجی، طراحی و تأمین اجزای مهم این فناوری را به عهده دارند.
ویژگی طرح پژوهشگاه در مقایسه با پیمانکاران داخلی در آن است که به طراحی و ساخت تمام اجزای کلیدی فناوری توجه شده و تأمین آنها از طریق خرید خارجی را نفی می کند.
همچنین در مقایسه با شرکت های خارجی (فعال در ایران)، پژوهشگاه توسعه فناوری را از اولین حلقه های علمی آغاز کرده و آن را تا مقیاس نیمه صنعتی توسعه داده است، در حالی که شرکت های مزبور از زاویه اجرای پروژه به این موضوع می نگرند و اجزای اصلی فناوری را از سایر شرکت های خارجی خریداری و تأمین می کنند.

سوال: این طرح در حوزه اقتصاد مقاومتی چه کارآیی داشته است؟
محمدی: از آنجا که کشور ما از منابع سرشار نفت و گاز برخوردار و همچنان در حال گسترش صنایع مربوط به بهره برداری از این منابع است، نیاز به احداث واحدهای جدید نمکزدا همواره در این صنایع وجود خواهد داشت. در حال حاضر طراحی نمکزدا و تأمین قطعات داخلی آن به وسیله شرکت های خارجی انجام می شود.
از طرفی بر اساس برآورد برخی شرکت های داخلی، در پروژه های احداث واحدهای نمکزدایی حدود نیمی از هزینه پرداخت شده مربوط به حق دانش فنی است. به دلیل اهمیت فراوان این فناوری و جایگاه آن در فرآورش نفت خام و با توجه به نیاز کشور به احداث و راهبری واحدهای جدید در حوزه صنایع بهره برداری نفت، دستیابی به دانش فنی و فناوری نمکزدایی الکترواستاتیک نفت خام می تواند ضمن کاهش وابستگی و صرفه جویی ارزی، امکان بهینه سازی عملکرد این واحدها را نیز فراهم آورد.
با آنکه این طرح بدون حمایت صنعت انجام شد، ولی پژوهشگاه با دعوت از همه شرکت های نفتی و خصوصی که به نحوی با این موضوع در ارتباط هستند، اقدام به برگزاری همایش نمکزدا در سال 94 کرد و ضمن اطلاع رسانی از اقدام های انجام شده، با برگزاری پرسش و پاسخ توانمندی خود را در معرض چالش از سوی صاحبنظران این حوزه قرار داد.