الحلقة الأولى: عرض المراحل الصناعية – الجزء الثاني

فهد فلقي

21

تمت الترجمة من قبل موقع الفا بيتا

طرحنا في الجزء الأول من هذه الحلقة في الأسبوع الماضي عرضا لقطاع العمليات الأساسية (upstream) في حين أننا سنتناول في الجزء الثاني من هذه السلسلة قطاع العمليات النهائية (downstream) بقدر من التفاصيل حتى يلم القارئ بالصورة الكاملة عن مختلف مراحل العمليات في صناعة البتروكيماويات.

العمليات النهائية (downstream)

لعل واحد من الأهداف الجوهرية التي تتولاها شركات المصافي على مستوى العالم هو تحويل وقود اللقيم (feedstocks) البديلة إلى منتجات ذات قيمة عالية والتي يتم إنتاجها خلال مراحل العمليات النهائية، ويمكن تعريف "العملية النهائية" في هذا السياق بذلك الجزء من العملية التكريرية التي تقوم بمزيد من المعالجات للغاز الطبيعي والنفط من حقول النفط والغاز.

ويشمل هذا الجزء معالجة الغاز، وعمليات التكرير وإنتاج وقود اللقيم للصناعات المساندة مثل البتروكيماويات والمواد الكيميائية بما فيها التخزين والنقل. أيضا قد يشمل هذا الجزء إنتاج الغاز الطبيعي المسال (LNG ) وتحويل الغاز إلى سوائل (GTL) ووحدات المعالجة. وقد تقع بعض مرافق الخدمة مثل محطات معالجة المياه أو الكهرباء ضمن دائرة العمليات النهائية.

تشمل العمليات النهائية قطاعا واسعا من العمليات المعقدة تعقيدا عاليا ووحدات متنوعة أخرى تهدف إلى القيام بعمليات تحديث متعددة،وقد تتطلب بعض هذه الوحدات تغيير البنية الجزئية للمدخلات إما عن طريق تحفيز التفاعلات الكيميائية أو إدخال المواد الحافزة أو استخدام المعالجة الحرارية.

وبعد استكمال عمليات التكرير الأساسية في التقطير، من الضروري اللجوء  إلى الإجراءات النهائية من أجل معالجة المنتجات ذات الأقل قيمة وتحويلها إلى منتجات أكثر خفة وأعلى قيمة مثل الغازولين والديزل وزيت التدفئة.  ومن الناحية العامة، تعتبر العمليات النهائية هي من أفضل الوسائل لتحويل المنتجات النفطية الثقيلة إلى منتجات كيميائية وبلاستيكيات ذات فائدة.

1. مصافي النفط (Oil Refinery) تقوم عمليات تكرير النفط بتنظيف النفط الخام وتحويله إلى منتجات ومكونات جديدة ومفيدة مثل الوقود وغازات اللقيم لتحويلهاواستخدامها في مصانع  البتروكيماويات والكيماويات، وتأتي أهمية التكرير بسبب أن النفط الخام الصافي – غير المكرر - يحترق بسرعة شديدة كما أنه يترك آثارا غير مرغوبة في البيئة، وبالتالي تصبح عملية التكرير بهذه الأهمية  الكبيرة حيال معالجة الزيت (النفط) قبل استعماله التجاري.

ومن أهم المنتجات الناتجة من مصافي النفط الخام هي الأسفلت وغاز البترول المسال (LPG)، وزيوت التشحيم، ووقود الديزل،والكيروسين،وزيوت الوقود، والغازولين، والبرافين، والشمع، والقطران فضلا عن المنتجات القائمة على صناعة البتروكيماويات والتي أصبحت جزءا لا يتجزأ من حياتنا اليومية. وتدخل تطبيقات هذه المنتجات في العديد من المجالات منها الطيران والإليكترونيات والأدوية والزراعة والنقل ومختلف أنواع الصناعات.

ويتم إنتاج كل هذه المنتجات البترولية (والمنتجات الفرعية) في مصافي النفط عن طريق إضافة مختلف أنواع الوقود (المواد الخام المستخدمة في صناعة منتج معين) وخلطها مع الإضافات المناسبة ووسائط المحفزات.

نظرة عامة على عمليات مصافي التكرير

إن العمليات التي تحدث في أي مصفاة للنفط تأخذ، من الناحية العامة، شكل سلسلة من العمليات الهيدروكربونية الفريدة والمتميزة عبر درجات غليان متدرجة مما يجعلها أن تكون مهيأة  للاستخلاص والفصل خلال عملية التقطير. وعندما يتم تسخين النفط الخام، فإن مختلف العناصر الهيدروكربونية التي يتشكل منها النفط الخام يتم استخلاصها وفصلها عن طريق رفع درجة حرارتها علما أن كل عملية تحوز على خاصية فريدة مما يضفي عليها الجانب العملي والقيمة بطريقة مختلفة.

إن المعالجات الإضافية للنفط الخام من خلال مختلف العمليات والمعالجات مثل المعالجة بالهيدروجين (hydro-treating) والتكسير بالهيدروجين (hydro-cracking) أو تحول الجزئيات (isomerization) أو التكسير بالعامل الحراري (thermal cracking) تؤدي إلى استخلاص أو صناعة منتجات أخرى مشتقة من المادة الأصلية.   (انظر الرسم المرفق). ونرجو الإشارة إلى أن هذا المقال لا  يهدف إلى توفير شرح عميق لمثل هذه العمليات وإنما الهدف إعطاء القارئ فكرة واسعة عن العمليات المضمنة في العمليات النهائية في صناعة النفط.

المنتجات الرئيسية (major products)

لفهم أكمل وأشمل لتعددية العناصر الموجودة في النفط الخام، وأهمية تكرير النفط الخام وقيمته للبشرية، نورد هنا قائمة من المنتجات التي يتم تصنيعها من النفط الخام وعمليات التقطير والمنتجات الفرعية القائمة عليه:

• غاز البترول – وتكمن أهمية هذا الغاز في الإفادة منه في عناصر التدفئة والطاقة الكهربائية والطبخ فضلا عن صناعة منتجات البلاستيكيات والتي عادة يشار إليها بالإيثان والبروبين والبيوتان.

• النافتا – يعتبر منتجا فرعيا وسيطا مما يحتاج إلى معالجات إضافية لإنتاج الغازولين. • الغازولين.

• الكيروسين – ويستخدم بشكل شائع كوقود للطائرات والآليات الزراعية علاوة على استخدامه كقاعدة لتصنيع منتجات أخرى.

• النفط الغازي أو الديزل – ويستخدم بشكل شائع كوقود للسيارات وزيت التدفئة وكحافز لصناعة منتجات أخرى.

• زيوت التشحيم – يستخدم بشكل شائع في صيانة وتشحيم المحركات والماكينات الثقيلة علاوة على إمكانية تحويله إلى شحوم وأنواع أخرى من زيوت التشحيم.

• الغازات الثقيلة وزيوت الوقود – وتعد هذه الأنواع من أكثر فئات الوقود الصناعية استخداما ويمكن استخدامها أيضا كقاعدة لصناعة منتجات أخرى.

• مخلفات المنتجات الفرعية – وهي تشمل كوك البترول، والقطران، والأسفلت والشمع والتي يمكن استخدامها لصناعة منتجات أخرى.

وبعد استكمال عمليات التكرير الأساسية، يتم وضع الوقود الغازية مثل البروبين في صهاريج التخزين أو شحنها على شكل سوائل تحت ضغط عالي جدا مستخدمين في ذلك حاويات وأنظمة نقل خاصة وتوصيلها إلى الموزعين.

إن إنتاج الوقود السائلة المستخدمة في وسائل النقل البرية والجوية، ووقود الديزل، والكيروسين، ووقود محركات الطائرات، يتطلب إضافة بعض المواد الإضافية لهذه المنتجات كي تقوم  بنظافة المحركات وتوفر للمنتجات النهائية  القدرات اللازمة لمقاومة التآكل والفطريات.

وعادة تنقل هذه المنتجات بواسطة السكك الحديدية أو الناقلات عبر المحيطات، وقد يتم نقلها بواسطة أنابيب منصوبة تحت سطح الأرض إلى مراكز الاستخدام النهائية الرئيسية مثل المطارات والموانئ أو ضخها إلى موزعين عبر سلسلة من خطوط الأنابيب القادرة على حمل منتجات متعددة.

يتم أيضا إعداد منتجات التشحيم للتوزيع أوشحنها إلى جهات الاستخدام النهائية أو مصانع البتروكيماويات علما أن هذه المنتجات قد تشمل زيوت تشحيم الماكينات أو زيوت تشحيم محركات الغاز أو الديزل، أو الشحوم، أو شمع البرافين، أو حامض الكبريتيك، أو القطران، أو الأسفلت أو كوك البترول.

يمكن أيضا أن تتعرض منتجات التشحيم إلى مزيد من المعالجات لإخضاعها إلى مختلف عمليات التصنيع لإنتاج منتجات عالية الجودة حيث يسهل استعمالها لمختلف التطبيقات المنزلية والصناعية.

وتوفر السطور التالية خلفية مختصرة للقارئ عن أهم العمليات المرتبطة بصناعة الغاز والنفط وهما عملية تحويل الغاز إلى سائل (GTL) والغاز الطبيعي المسال (LNG).

تحويل الغاز إلى سائل (GTL) إن تحويل الغاز إلى سائل هو عملية تكريرية تستخدم في تحويل الغاز الطبيعي أو الغازات الهيدروكربونية إلى سلسلة طويلة من الهيدروكربونات، فمثلا يتم تحويل الغازات الغنية بالميثان إلى وقود سوائل إما عن طريق التحويل المباشر أو  الغاز المصنع باستخدام تقنية  "فيشر-تروش" او أي تقنية أخرى.

ويمكن القول إن تحويل الغاز الطبيعي إلى وقود سائل هو خيار جاذب للشركات النفطية باعتبار أنه  الوسيلة الأقل تكلفة لجعل استغلال احتياطيات الغاز العالمية الضخمة أكثر فائدة من الناحية التجارية. وعمليا لا يوجد أي حدودفي استخدام تقنية تحويل الغاز إلى سوائل باعتبار أن هذه التقنية توفر طرق بديلة للكشف عن احتياطيات الغاز في المواقع البعيدة والتي من شأنها دعم وتعزيز التقنيات التقليدية الأخرى مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG) وخطوط أنابيب النفط.

تشير التحسينات التقنية والالتزامات الاستثمارية من قبل شركات النفط العالمية الكبيرة إلى أن تقنية تحويل الغاز إلى سائل من المرجح أن تفرض نفسها كمنتج وقود متخصص صغير إلى منتج وقود كبير خلال العقود المقبلة. ومع التوسع في استخدام تقنية تحويل الغاز إلى سائل، من الممكن أن تتحول الصناعة نفسها إلى أكبر مستهلك للغاز الطبيعي مما يضعها في تنافس مباشر مع صناعة الغاز الطبيعي المسال للحصول على إمدادات الغاز الطبيعي، وبالتالي فإن التنافس على إمدادات محدودة من الغاز الطبيعي من شأنه أن يؤدي إلى ارتفاع أسعار الغاز الطبيعي للمستهلكين المحليين في الوقت الذي تتطلع فيه الولايات المتحدة الأمريكية إلى أسواق الغاز الطبيعي المسال العالمية كي تستطيع تلبية طلبها المتنامي على الغاز على مستوي أسواقها الداخلية.

الغاز الطبيعي المسال (LNG) الغاز الطبيعي المسال هو وصف للغاز الطبيعي في حالة السيولة، ويكون الغاز في هذه الحالة في أفضل حالات نقل الغاز الطبيعي وبأحجام كبيرة إلى مسافات  طويلة. وعلميا، يتحول الغاز إلى حالة السيولة عند درجة حرارة – 256F (-160C) ومن ثم يتحول إلى غاز طبيعي مسال علما أن تحويل الغاز الطبيعي إلى غاز طبيعي مسال يقلل حجم الغاز إلى ستمائة مرة من حجمه الطبيعي في الحالات المعيارية وبالتالي يؤدي تخفيض الغاز بهذا المستوى إلى إمكانية نقله إلى مسافات طويلة من خلال ناقلات السفن مما يجعله أقل تكلفة وأجدى من الناحية الاقتصادية.

وتتولى ناقلات الغاز الطبيعي المسال المتخصصة في نقل الغاز الطبيعي على مسافات طويلة، وتشير التقديرات إلى أن ناقلات الغازالحديثة يمكنها ان تنقل نحو 3 مليارات قدم مكعبة من الغاز. ويحتاج الأمر إلى توفر مرافق تخصصية لتخزين وإعادة الغاز إلى الحالة الغازية حتى يمكن إعادته إلى نظام توزيع الغاز مرة أخرى.

2. البتروكيماويات/ الكيماويات

من الناحية العامة، يمكن تعريف البتروكيماويات بذلك الخليط من المنتجات المركبة المصنعة من المواد الهيدروكربونية الناتجة عن عملية تكرير النفط الخام. وإذا كان بعض المركبات الكيميائية الفرعية تستمد أصلها من النفط الخام/البترول أو الناتجة من معالجة الفحم أو الغاز الطبيعي، فإن المصدر الرئيسي لغازات اللقيم للبتروكيماويات في العالم هو البترول بشكل رئيسي.

تستخدم أيضا مصادر أخرى كغاز للقيم مثل الغاز الطبيعي ونتائج تقطير النفط الخام مثل النافتا لصناعة تشكيلة واسعة من منتجات البتروكيماويات والتي تدخل بدورها في صناعة تشكيلية واسعة من السلع الاستهلاكية.

وخلال عمليات تصنيع البتروكيماويات، يتم إنتاج سلسلة من المنتجات الكيميائية بحيث تشمل من الناحية العامة الميثان والأولفينات (الإيثيلين، والبروبين وأولفينات سي4) والعطريات (البنزين، والتولين والإكسليلين).

وعن طريق السماح لهذه المنتجات الكيمائية (التي أسميناها بالأركان السبعة للبتروكيماويات في هذه السلسلة من المقالات) التفاعل مع بعضها البعض ومع المنتجات الكيميائية الأخرى، يمكن إنتاج العديد من المنتجات الوسيطة/المشتقة والنهائية.

الميثان: يعد هذا المنتج أهم مكون للغاز الطبيعي وهو  عبارة عن خليط المعادن الغازية المحتوية على الغازات الهيدروكربونية وغير الهيدروكربونية الموجودة في السطوح التحتية لمكامن الصخور.

الأولفينات: وهي تشمل مجموعة من المكونات منها الإيثيلين والبروبلين وأولفينات سي 4 (التي تشمل بدورها البيوتان والبيوتادين وآيسو بيوتيلينز) والتي تنتمي إجمالا لفئة من المواد الهيدروكربونية الزيتية غير المشبعة التي تأخذ الصيغة الكيميائية العامة التالية CnH2n.وتحتوي الأولفينات وصلة مضاعفة أو أكثر التي تجعلها نشطة من الناحية الكيميائية.

العطريات: التي يشار إليها بمجموعة البنزين والتولين والإكسايلين وهي عبارة عن المواد الهيدروكربونية الحلقية غير المشبعة محتوية على حلقة أو أكثر والتي تأتي تمهيدا لمختلف أنواع المنتجات الكيميائية المزمع نقاشها في الحلقات المقبلة.

وتتم معالجة الكثير من البتروكيماويات وتحويلها إلى البوليمرات لاستخدامها في صناعة البلاستيك والراتنجات والألياف والمطاط ومواد التكسية. أيضا يتم استخدام البتروكيماويات لإنتاج تشكيلة واسعة من المنتجات النهائية مثل مواد التطهير والملصقات والمذيبات والملدنات ومواد التشحيم وغيرها.

ونود أن نشير إلى أن الحلقات التالية من هذه المقالات ستتناول بالتفصيل الأركان السبعة للبتروكيماويات بما فيها مصادرها وتصنيعها ومراحل عملياتها وتراخيصها ومشتقاتها ومنتجاتها النهائية وتطبيقاتها.

وادناة النص الاصلى باللغة الانجليزيه

In the first series (part I) published last week, an overview of the process industry was given and we discussed the upstream segment. In this part (II), downstream segment will be discussed in some details so the reader would able to get the full picture about the various processes involved in the process industry.

Downstream Processes

On of the core objectives of oil refining companies worldwide is to turn alternative feedstocks into high-value productsproduced during the downstream processes. The downstream process is defined here as that part of the refining procedurethat handles and further processes the natural gas and oil from the oil and gas wells. This includes gas treatment and processing, refinery operations and production of feedstocks for ancillary industries such as petrochemical and chemicals including storage and transportation. This may also include natural gas liquids (NGL) and gas to liquids (GTL) processing plants. Utility stations such as desalination and power plants may also be considered as part of the downstream processes.

Downstream processing covers a wide range of highly complex operations and various process units intended for several upgrading processes.  Some of these units require altering the molecular structure of the input either by inducing chemical reactions, the introduction of catalysts or by thermal processing

After the core refining process of distillation, additional downstream procedures are necessary in order to process low-value feedstock products stock and convert them into lighter, higher-value products such as gasoline, diesel, and heating oil. In general, the downstream processes are the default methods for the conversion of oil’s heavy distillates into other useful chemicals and plastics.

1- Oil Refinery The petroleum refining process cleans and converts crude oil into new and useful products and compounds such as fuels and hydrocarbon feedstocks for transfer to chemical and petrochemical plants. Refining is a necessity because pure and raw crude burns very rapidly and at the same time leaves undesirable residues in the environment, making it of significant importance to separate and treat oil before commercial use.

The most important products of crude oil refineries are asphalt, liquefied petroleum gas (LPG), lubricants, diesel fuel, kerosene, fuel oils, gasoline, paraffin, wax and tar.

Further processing results in the production of important petrochemical-based products which have become part of ourdailylives. Application and use of these products encompass the fields of aerospace electronics, medicine, agriculture,transportation and various other industries.

These petroleum products (as well as their by-products) are all produced in oil refineries by blending various feedstocks (raw materials used in the industrial manufacture of a specific product) and mixing them with the appropriate additives and catalyst media.

A Refinery Process Overview Unique and distinctive hydrocarbon chain lengths all have incremental boiling points making them predisposed to recovery andseparation through distillation, processes that generally occur in an oil refinery.

When crude oil is heated,thevarioushydrocarbon chains that compose crude oil are extracted and separated bytheincreasingvaporizationtemperatures.Each unique chain length possesses a different and unique property, rendering it functional and valuable in a different way.

Further processing of crude oil through various operations and processing units such as hydro-treating, hydro-cracking, isomerisation, and thermal cracking result in the recovery and/or manufacture of other derivative products (see below Figure).It is not the intention of this article to provide an in-depth explanation of these operations in depth but simply to providethe reader an idea of a broad idea of what is involved in the downstream segment of oil production.

Common Oil Refining Processes Scheme

Major Products

To fully comprehend the multiplicity of elements present in crude oil, and to fully appreciate the importance of refining crude oil and its value to mankind, the following is a list of products manufactured from crude oil, its distillates and by-products:

• Petroleum Gas – necessary for generation of heat, electricity, cooking, and the manufacture of plastic products and usually referred to as methane, ethane, propane, butane

• Naphtha – intermediary by-products that require further processing to produce gasoline • Gasoline

• Kerosene – commonly used as jet aviation fuel and for agricultural engines and tractors; also used as a base for the manufacture of other products

• Gas Oil or Diesel Distillates – commonly used as automotive fuel and heating oil and as a catalyst for the manufacture of other products

• Lubricating Oil – commonly used for the maintenance and lubrication of motor, heavy equipment and machineries and can be made into grease and other types of lubricants

• Heavy Gas or Fuel Oil – the most common industrial-grade fuel; can also be utilized as a base for the manufacture of other products

• Residual By-Products – these can include petroleum coke, tar, asphalt, and waxes which are utilized as the base for the manufacture of other products

After the fundamental refining processes is completed, gaseous fuel(s) such as  propane are normally placed in storage or shipped in liquid form under very high pressure using specialized containers and transport systems to distributors.

The production of liquid fuels for land and air transport, diesel fuels, kerosene, aviation turbine fuels require the final process of mixing additives that will clean the engines and provide anti-knock and anti-fungal capabilities to the final end-product.

Theyare normally transported overland by rail, or by ocean tankers of behemoth proportions. Liquid fuels may also be shipped via dedicated underground pipelines to end-users such as major transportation hubs (airports and seaports). They can also be piped to distributors through a series of multi-product pipelines.

Lubricants, which include machine lubricating oils, gas and diesel motor and engine oils, and greases, paraffin wax, sulfur and/or sulfuric acid, bulk tar, asphalt and petroleum coke, are either prepared for distribution or shipment to end-users or petrochemical facilities. These can also be processed further in order to undergo a variety of manufacturing procedures to produce and develop equally valuable products for a variety of domestic and industrial applications.

The following lines will provide a brief background regarding other important process industries that are related to oil and gas– GTL and LNG. The reader should be able to acquire some background information on the oil industry as well as other common process industries.

• Gas to Liquid (GTL) Gas to liquids (GTL) is a refinery process employed in the conversion of natural gas and/or other gaseous hydrocarbons into longer-chained hydrocarbons. Methane-rich gases are converted into liquid fuels either by means of direct conversion or by means of syngas as an intermediate, by using the Fischer-Tropsch process or other procedures.

The conversion of natural gas into liquid fuels is an attractive option for oil companies as it allows them a more cost effective method to commercialize the world’s abundant gas reserves. The market for the GTL technology is practically limitless as the technology offers an alternative means to unlock and harness gas reserves in remote locations, allowing the supplementation of other traditional technologies such as Liquefied Natural Gas (LNG) and oil pipelines.

Technological improvements and investment commitments by the world’s largest oil companies suggest that GTL is likely to transform itself from a small, specialized fuel producer to a large-scale fuel producer over the next decade. As the expansion of GTL proceeds, the industry itself could become a major consumer of natural gas, placing it in direct competition with the growing liquefied natural gas (LNG) industry for access to natural gas supply. If competition leads to limited natural gas supplies, the result is likely to be higher prices for domestic natural gas consumers. At the same time, the United States looks to the world’s LNG markets to meet its increasing domestic demand.

• Liquefied Natural Gas (LNG) LNG describes natural gas in its liquid state. For long-distance haulage, LNG carriers are an effective method of transporting large volumes of natural gas. Following some initial processing, gas undergoes a liquefaction process using a certain variation of a cascade cycle. The gas liquefies at a temperature of approximately -256F (-160C) and is converted to LNG. Converting natural gas to LNG reduces the gas volume to one six-hundredth of its original volume at standard conditions. This volumetric reduction enables long distance transportation of LNG via carrier ships to be cost effective and economically viable.

Specialized LNG tanker ships can then transport natural gas over long distances. It is estimated that a typical modern LNG tanker can transport approximately 3 billion cubic feet (BCF) of gas. Specialized storage and re-gasification facilities are then required to reconvert the liquid back to a gas state so that it can then be fed into the gas distribution system.

2- Petrochemicals/Chemicals

Petrochemicals are generally a combination of compound products manufactured from hydrocarbons derived from the refining process of crude oil. Even if some of the crude oil/petroleum by-product chemical compounds are also the by-products from processing coal or natural gas, the main source of petrochemical feedstocks in the world are mainly from petroleum.

Natural gas and crude distillates such as naphtha (a by-product of petroleum refining) are also used as feedstocks to manufacture a wide variety of petrochemicals, which are in turn used for the manufacture of a variety of consumer goods.

In the manufacture of petrochemicals, a number of building block chemicals are initially produced. These generally include methane, olefins (ethylene, propylene and C4 olefins) and aromatics (benzene, toluene and xylenes).

By causing these building blocks (named in this article and in next series of articles as The Seven Pillars of Petrochemicals) to react with each other as well as with other chemicals, a large number of intermediate/derivative and final products can be produced.

Methane is the major component of natural gas that is generally defined as a characteristic mixture of gaseous minerals containing both hydrocarbon and non-hydrocarbon gases found in subsurface rock reservoirs.

Ethylene, propylene and C4 olefin components (butene, butadiene, and iso-butylenes) are collectively called olefins, which belong to a class of unsaturated aliphatic hydrocarbons having the general formula CnH2n. Olefins contain one or more double bonds, which make them chemically reactive.

Benzene, toluene and xylenes are commonly referred to as aromatics. They are unsaturated cyclic hydrocarbons containing one or more rings. They are precursors to a variety of chemical products that will be discussed in next series of articles.

Many petrochemicals are processed into polymers for use in the manufacture of plastics, resins, fibers, rubbers (elastomers) and coatings. Petrochemicals are also used to produce a wide range of end-use products such as detergents, adhesives, solvents, plasticizers, and lubricants among others.

The next series of articles will discuss in detail these basic building blocks – The Seven Pillars of Petrochemicals – including their sources, manufacturing processes, licensors, derivatives, end-products and applications.