1. مقدمه

قیمت نفت خام صادراتی وابسته به کیفیت آن است. بعنوان مثال هر پی. پی.ام افزایش آب و رسوبات نمکی موجود در نفت حدود ٠,٨٥ تا ١.٣ دلار کاهش قیمت را در بر خواهد داشت. این میزان به طور مثال بین ٠.١ تا ٣ درصد وزنی یا ١٠ پوند بازای هر ١٠٠٠ بشکه و یا حداکثر مجاز آب ٠.١٥یا ٠.١ تا %١٠ حجمی وحداکثر مجاز نمک ٢٩ گرم در متر مکعب است. بنابراین انجام تحقیقات جهت خالص سازی و افزایش کیفیت نفت خام لازم و ضروری است. دو پارامتر برای مشخص کردن کیفیت نفت وجود دارند، یکی دانسیته نفت خام که وابسته به مقدار پارافین، آسفالتین و دیگر هیدرو کربن های موجود در آن بوده و با واحد استاندارد آمریکایی API نمایش داده میشود که بالاتر بودن آن نشان دهنده سبکتر بودن نفت خام است و پایینتر بودن آن نشان دهنده سنگینتر بودن نفت خام است. پارامتر دیگر درصد رسوبات نمکی و آب همراه نفت است که با پارامتر BS&W مشخص میشود. بیشتر میدانهای نفتی دنیا، نفت تولیدیشان با مقدار قابل توجهی آب نمک همراه است و در حال حاضر در ایران در اغلب چاهها نفت تولیدی، همراه با مقادیری آب نیز است. لازم است به منظور بالا بردن کیفیت نفت خام، آب نمک و در نتیجه نمک را از آن جدا کرد. هر روشی که موجب حذف آب، نمک، شن و ناخالصی های دیگر از نفت خام شود، تصفیه نفت خام نامیده میشود. تمامی روشهای تصفیه نفت دارای یک هدف مشترک است و آن ایجاد شرایط و محیطی مناسب برای جداسازی آب نمک از نفت خام توسط نیروی ثقل است. فرایند نمکزدایی که معمولاً پس از آب زدایی یا شکست امولسیون آب در نفت خام صورت میگیرد شامل مراحل زیر است :
١- اضافه کردن آب رقیق (یا با نمک کمتر) به نفت خام: مخلوط کردن این آب رقیق با نفت خام برای رقیق سازی قطرات آب نمک در نفت خام انجام میگیرد. برای جداسازی آب نمک از نفت خام، آب زدایی (تصفیه یا خارج سازی امولسیونها) رقیق سازی صورت میگیرد. شرح کلی فرایند نمکزدایی به این ترتیب است که قبل از فرایند نمکزدایی ممکن است مخازنی برای گرفتن آب آزاد همراه نفت وجود داشته باشد. این مخازن ممکن است یک تانک ساده یا جدا کننده های سه فازی به صورت افقی یا عمودی باشند. اگر زمان اقامت برای این مخازن به درستی محاسبه گردد، آب آزاد همراه نفت، به راحتی در پایین این مخزن جمع شده و جدا میگردد. همچنین گازهای همراه نفت، از بالای این مخازن خارج میشود. اگر دما و فشار این مخازن به درستی تنظیم شود گاز تشکیل شده به آسانی جدا و خارج میگردد.
٢- استفاده از سیستم گرمایش: در مرحله بعدی، در برخی سیستم ها، نفت را گرم مینمایند. حرارت دادن نفت، در مبدلهای صفحه ای، مبدلهای پوسته لوله ویا کوره ها (مستقیم یا غیرمستقیم) انجام میگیرد. معمولاً نفت را تا دمای حدود ٨٠-٦٠ درجۀ سانتیگراد را گرم میکنند. گرم کردن نفت علاوه بر اینکه اختلاط نفت و آب و انحلال نفت در آب را آسان مینماید، باعث کاهش ویسکوزیته نفت نیز میگردد. در اثر این میزان گرم کردن مقدار ویسکوزیته حدود ٥ سنتی استوک کاهش مییابد. همانطور که قبلاً ذکر شد، نمک های موجود در نفت به دو شکل محلول در آب یا کریستالی وجود دارد. برای اینکه کلیه نمکهای موجود در نفت درون آب محلول گردند نفت را پس از گرم کردن با آب رقیق کننده توسط تجهیزات اختلاط مخلوط مینمایند بدین ترتیب کلیه نمک ها به صورت محلول در نفت در می آید. در واقع با این عمل در صورت حذف کامل آب نمک، نمک موجود در نفت هم حذف خواهد شد.
٣- تزریق مواد شیمیایی: بعد از تزریق آب رقیق کننده، این آب باید با نفت به خوبی مخلوط شود. برای مخلوط کردن نفت و آب معمولاً از یک شیر اختلاط استفاده میشود. با استفاده از این شیر میتوان به راحتی میزان مخلوط شدن آب و نفت را کنترل کرد. قبل از این شیر، مواد شکننده امولسیون به نفت تزریق میگردد. این مواد باعث بهم چسبیدن قطرات بسیار ریز آب معلق در نفت به یکدیگر میشود. در مراحل بعدی، نفت وارد مخازن نمکزدا میشود. بر حسب خواص نفت ممکن است از تکنولوژی متفاوتی استفاده شود.

٢. روشهای ‌صنعتی ‌جداسازی ‌نمک ‌از‌ نفت خام

برای جداسازی آب نمک از نفت خام از ٧ روش کلی استفاده میشود. این روشها عبارتند از: روش ثقلی، روش اضافه کردن آب شیرین به نام ‌آب‌ ‌شستشو، روش حرارتی، استفاده از مواد شیمیایی تعلیق شکن، روش مکانیکی، روش الکتریکی و ‌روش‌ترکیبی واضح است که روشهای ثقلی و حرارتی، نسبت به روشهای دیگر هزینه کمتری دارند. با توجه به ویژگیهایی که نفتهای خام در هر منطقه دارند، برای جداسازی نمک از نفت خام مجموعه ای از روشهای فوق را به کار میگیرند.

٢ . ١. جداسازی‌ آب نمک ‌از نفت ‌خام با ‌روش ‌ثقلی

این روش معمولاً در مخازن ته نشین کننده، تانکهای شستشو و یا در داخل مخازن جدا کننده آب آزاد صورت میگیرد. قطرات آب نمک وقتی درون فاز پیوسته نفت حرکت میکنند، تحت تاثیر نیروی وزن قرار میگیرند. با افزایش قطر ذرات، کاهش ویسکوزیته فاز نفت و افزایش اختلاف دانسیته آب نمک با نفت خام سرعت ته نشینی افزایش مییابد. با پیوستن ذرات ریز آب به هم و تشکیل قطرات بزرگتر، آب سریعتر و راحت تر ته نشین میشود، این عمل را ائتلاف میگویند.

٢ . ٢. جداسازی ‌آب ‌نمک ‌از ‌نفت‌ خام با ‌روش ‌حرارتی

همان طور که در بخش بررسی روش ثقلی گفته شد، حرارت دادن نفت باعث کاهش ویسکوزیته و در نتیجه باعث افزایش سرعت ته نشینی قطرات آب میشود. علاوه بر این مسئله گرم کردن فیلم امولسیونی اطراف قطرات آب را پاره نموده و باعث میشود قطرات آب به یکدیگر بچسبند. باید توجه داشت که اگر نفت خام بیش از اندازه گرم شود، هیدروکربنهای سبک و فرار موجود در نفت، تبخیر شده و از آن خارج میشوند. این کار موجب هدر رفتن ترکیبات مفید نفت خام و کاهش API نفت میشود که نتیجه آن کاهش قیمت نفت است. معمولاً دمای گرم کردن بین C º٨٠-٦٠ میباشد. گرم کردن نفت با استفاده از کوره های مستقیم یا کوره های غیرمستقیم و یا با پیش‌گرمکن های غیرمستقیم انجام میگیرد.

٢ . ٣. نمک‌زدایی‌ به ‌روش ‌اضافه ‌کردن ‌آب ‌شیرین

نمکزدایی و آب زدایی از نفت خام فرایند مهمی است، که طی این فرآیند ترکیبهای نامطلوب نفت قبل از اینکه به واحد اصلی برسند جدا میشوند. مخلوط کردن آب شیرین با نفت خام برای رقیق سازی قطرات آب نمک در نفت خام انجام میگیرد. برای جداسازی آب نمک از نفت خام، آب زدایی ها (تصفیه یا خارج سازی امولسیون) این رقیق سازی صورت میگیرد. شایان ذکر است که بوجود آوردن تغییر در عمل یک سیستم نمک زدا دشوار میباشد و بهتر این است که یک حالت توازن و حد وسط به وجود آید. یک تعادل (توازن) مطلوب باید در مدت زمانی که پارامترهای بهینه سازی انتقال نمک همچون شدت مخلوط شدن، خصوصیات آب شستشو و خوراک امولسین کننده شیمیایی کنترل میشوند، حفظ شود. برای بهینه کردن فرایند نمک زدایی باید به طور پیوسته شرایط متفاوتی اعمال شود. عمل اصلی یک دستگاه نمک زدا جدا کردن نمک و آب نمک از نفت خام میباشد. علاوه بر نمک و آب نمک، دیگر مواد زائد موجود در نفت، همچون گل و لای، زنگ و. .. را نیز باید جدا کرد. چون وقتی این مواد در سطح های انتقال حرارت قرار بگیرند میتوانند باعث خوردگی و خرابی دستگاه ها شوند. همچنین علاوه بر مواد ذکر شده در بالا ممکن است فلزهایی نیز وجود داشته باشد که میتوان از آن ها به عنوان کاتالیزورهای غیرفعال در فرایند تصفیه استفاده کرد.

٢ . ٤. جداسازی‌آب‌نمک‌ از ‌نفت خام با استفاده از‌ مواد تعلیق‌ شکن

برای تصفیه شیمیایی نفت خام از مواد شیمیایی شکننده امولسیون ها استفاده میشود. این مواد تحت عنوان اسامی تجاری مختلفی در دنیا فروخته میشوند. عملکرد این مواد به گونه ای است که باعث میشوند غشاء نازک اطراف قطرات امولسیونی آب پاره شود، در واقع تعلیق شکنها فعال کنندۀ سطح هستند. این مواد عوامل امولسیونی آب را خنثی میکنند. البته باید توجه داشت که تزریق بیش از حد این مواد، باعث تولید مواد امولسیونی جدید 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 آنها را خنثی کرد و عمل ائتلاف را انجام داد. ولی چنین شرایطی معمولاً به ندرت اتفاق می افتد، لذا در اکثر شرایط باید مواد تعلیق شکن را به سیستم تزریق کرد. این مواد در آب نمک نامحلول بوده و در نفت به شدت محلول هستند. به همین دلیل به سرعت میتوانند در فاز نفتی حرکت کنند و به سطح ذرات برسند. با این کار قطرات آب نمک راحت تر بهم چسبیده و تشکیل ذرات بزرگتر را میدهند.

مقدار تزریق این مواد به نوع نفت و میزان مواد امولسیون ساز مانند آسفالتینها، پارافین ها، اسیدهای آلی، نمکهای فلزی و غیره بستگی دارد. خواص نفت خام و نوع مواد امولسیونی تاثیر 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. سولفیدهای آهن، 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 آنها شکسته شود حتما به موادشیمیایی احتیاج دارند. باید توجه داشت که هرگونه تغییری در فرایند نمکزدایی مثل تغییر جریان، تغییر شرایط دمایی و فشاری، تغییر فصل و… بر روی میزان تزریق این مواد تاثیر میگذارد، لذا مقدار تزریق این مواد متناسب با شرایط متغیر خواهد بود. تزریق این مواد قبل از پمپ ها موجب اختلاط بهتر آنها با نفت خام میشود و تشکیل امولسیون در پمپ را به حداقل میرساند. در حال حاضر نمکزدایی از نفت خام بدون استفاده از این مواد، صرف نظر از کلیه تکنولوژی های موجود، غیرممکن است.

٢ . ٥. جداسازی‌آب‌ نمک ‌از نفت ‌خام با‌‌ روشهای مکانیکی

در این روش معمولاً از مخازن ثقلی که داخل آنها صفحات کنگره دار قرار گرفته استفاده میشود وجود این صفحات باعث بالا بردن سطح تماس و تجمع بهتر قطرات آب نمک میشود. در واقع از اختلاف نیروی برشی بین آب و نفت برای جداسازی آب نمک از نفت استفاده میشود. قانون ثقلی استوک را برای زیاد شدن سطح تماس به کار میگیرند. این فرایند به شدت به زمان وابسته است. اگر نوسانات فشار و سرعت از حدی زیادتر شوند، قطرات آب دیگر توانایی ندارند بهم بچسبند و اتصال بین آنها قبل از تکمیل شدن عمل ائتلاف شکسته میشود. در حالت کلی، اگر دو مایع مخلوط نشدنی با هم ترکیب شده باشند، تماس بین ذرات در حالت عادی بندرت موجب به هم پیوستن آنها به یکدیگر میشود.

٢ . ٦. جداسازی ‌آب ‌نمک ‌از نفت ‌خام ‌با‌ روش ‌الکتریکی

یکی از روش ها برای نمکزدایی و دهیدراته کردن، نمکزدایی الکتریکی است. تجهیزات مورد استفاده در این روش شامل یک شیر اختلاط ویژه و مخزن نمک زدا است که تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار دارد. مخزن نمکزدای الکتریکی معمولاً به صورت افقی قرار میگیرد.
در ابتدای فرآیند آب شستشو از یک شیر اختلاط ویژه عبور میکند و ضمن عبور این آب از شیر، آب به صورت قطرات بسیار ریز در آمده و در داخل نفت پخش میشود. این امر باعث کاهش غلظت نمک در آب خواهد شد. در ادامه مخلوط آب و نفت به درون مخزن نمک زدا هدایت میشود. در مخزن نمک زدا یک میدان الکتریکی با ولتاژ بالا وجود دارد. این میدان باعث ترکیب چند قطره آب و تشکیل قطرات بزرگتر و سنگین تری از آب را فراهم می آورد. این قطرات بزرگتر تحت تاثیر نیروی گرانش به سمت پایین حرکت کرده و از سیستم خارج میشوند. از جریان متناوب با ولتاژبالا (AC) یا جریان مستقیم (DC) برای جداسازی قطرات آب نمک از نفت خام استفاده میشود. با اپتیمم سازی فرآیند میتوان زمان انعقاد قطرات را کاهش داد. در یک سیستم فیزیکی از آنجا که مولکولهای آب قطبی هستند، تصفیه کننده های الکتریکی با ایجاد ولتاژ بالا، باعث القاء دو قطبی القائی در این مولکولها شده و در نتیجه این مولکولها سریعتر به هم میچسبند و قطرات آب بزرگتری را تشکیل و که منجر به افزایش سرعت ته نشینی‌ میشود

امروزه استفاده از این نمک گیرهای برقی (نمکزدا یا آبزدا) یکی از بهترین، موثرترین و اقتصادی ترین روشها در جدا کردن آب نمک از نفت میباشد. این مخازن ممکن است با برق متناوب، برق مستقیم و یا برق دوگانه کار کنند. جریان برق ورودی به این دستگاهها توسط یک ترانسفورماتور به برقی با جریان ولتاژ بالا (١٠ هزار تا ٣٥ هزار ولت) تبدیل میشود. در الکترودهایی که برق متناوب دارند، جریان با ولتاژ زیاد به یکی از الکترودها وصل شده و الکترود دیگر به زمین متصل است. ولی در نوع برق مستقیم، جریان متناوب با ولتاژ زیاد با استفاده از دیودها به جریان مستقیم تبدیل میشود. در نمکزدا های برق دو گانه از هر دو جریان متناوب و مستقیم و الکترودهای عمومی استفاده میشود.

٢ . ٧. روش ترکیبی

برای بالا بردن میزان جداسازی، از تلفیق دو یا چند روش بالا (مکانیکی، تعلیق شکن، حرارتی، ته‌نشینی و الکتریکی) استفاده میشود. بعنوان مثال از روش مکانیکی میتوان قبل یا بعد از ترکیبی از چند روش ته‌نشینی و تزریق مواد شیمیایی و نیروی میدان الکتریکی استفاده کرد. چنان که از فیلتراسیون قبل از ورود نفت به نمک‌زدا که ترکیب چند روش فوق الذکر را دارا میباشد میتوان استفاده کرد و یا از دستگاه سانتریفوژ برای بیشتر جداسازی آب و نمک همرا ه با نفت قبل یا بعد از نمک‌زدا استفاده میشود.
تزریق دیمولسیفایر مناسب و مقدار مناسب آن برای تشکیل لایه بین آب و نفت که نیروی الکتریکی بتواند تاثیر خود را داشته باشد از شرایط لازم برای بهتر کار کردن این سیستم (ترکیبی) می‌باشد.
١- اضافه کردن آب رقیق (یا با نمک کمتر) به نفت خام: مخلوط کردن این آب رقیق با نفت خام برای رقیق سازی قطرات آب نمک در نفت خام انجام میگیرد. برای جداسازی آب نمک از نفت خام، آب زدایی (تصفیه یا خارج سازی امولسیونها) رقیق سازی صورت میگیرد. شرح کلی فرایند نمکزدایی به این ترتیب است که قبل از فرایند نمکزدایی ممکن است مخازنی برای گرفتن آب آزاد همراه نفت وجود داشته باشد. این مخازن ممکن است یک تانک ساده یا جدا کننده های سه فازی به صورت افقی یا عمودی باشند. اگر زمان اقامت برای این مخازن به درستی محاسبه گردد، آب آزاد همراه نفت، به راحتی در پایین این مخزن جمع شده و جدا میگردد. همچنین گازهای همراه نفت، از بالای این مخازن خارج میشود. اگر دما و فشار این مخازن به درستی تنظیم شود گاز تشکیل شده به آسانی جدا و خارج میگردد
٢- استفاده از سیستم گرمایش: در مرحله بعدی، در برخی سیستم ها، نفت را گرم مینمایند. حرارت دادن نفت، در مبدلهای صفحه ای، مبدلهای پوسته لوله ویا کوره ها (مستقیم یا غیرمستقیم) انجام میگیرد. معمولاً نفت را تا دمای حدود ٨٠-٦٠ درجۀ سانتیگراد را گرم میکنند. گرم کردن نفت علاوه بر اینکه اختلاط نفت و آب و انحلال نفت در آب را آسان مینماید، باعث کاهش ویسکوزیته نفت نیز میگردد. در اثر این میزان گرم کردن مقدار ویسکوزیته حدود ٥ سنتی استوک کاهش مییابد. همانطور که قبلاً ذکر شد، نمک های موجود در نفت به دو شکل محلول در آب یا کریستالی وجود دارد. برای اینکه کلیه نمکهای موجود در نفت درون آب محلول گردند نفت را پس از گرم کردن با آب رقیق کننده توسط تجهیزات اختلاط مخلوط مینمایند بدین ترتیب کلیه نمک ها به صورت محلول در نفت در می آید. در واقع با این عمل در صورت حذف کامل آب نمک، نمک موجود در نفت هم حذف خواهد شد.
٣- تزریق مواد شیمیایی: بعد از تزریق آب رقیق کننده، این آب باید با نفت به خوبی مخلوط شود. برای مخلوط کردن نفت و آب معمولاً از یک شیر اختلاط استفاده میشود. با استفاده از این شیر میتوان به راحتی میزان مخلوط شدن آب و نفت را کنترل کرد. قبل از این شیر، مواد شکننده امولسیون به نفت تزریق میگردد. این مواد باعث بهم چسبیدن قطرات بسیار ریز آب معلق در نفت به یکدیگر میشود. در مراحل بعدی، نفت وارد مخازن نمکزدا میشود. بر حسب خواص نفت ممکن است از تکنولوژی متفاوتی استفاده شود.