โครงการหน่วยกลั่นแยกน้ำมันดิบแบบบรรยากาศและความดันต่ำกำลังผลิต 100 ตันต่อวัน ประเทศไนจีเรีย 2023

หน่วยกลั่นน้ำมันดิบแบบบรรยากาศและสุญญากาศ: รายละเอียดทางเทคนิคและข้อได้เปรียบในการแข่งขัน

หน่วยกลั่นแบบบรรยากาศและสุญญากาศ (AVDU) คือขั้นตอนแรกพื้นฐานในการกลั่นน้ำมันดิบ มักเรียกกันว่า "หัวใจของโรงกลั่น" หน้าที่หลักคือการแยกส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนที่ซับซ้อนในน้ำมันดิบออกเป็นส่วนต่าง ๆ หรือ "ชิ้นส่วน" ที่มีจุดเดือดแตกต่างกัน การแยกตัวในขั้นต้นนี้จะเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับหน่วยกระบวนการต่อเนื่องทั้งหมด

บทความนี้จะเจาะลึกถึงความซับซ้อนทางเทคนิคและข้อได้เปรียบที่สำคัญของโครงสร้างพื้นฐานโรงกลั่นที่สำคัญชิ้นนี้

ส่วนที่ 1: รายละเอียดทางเทคนิค

กระบวนการทำงานแบ่งออกเป็นสองขั้นตอนอย่างเป็นระบบ ได้แก่ การกลั่นแบบบรรยากาศและการกลั่นแบบสุญญากาศ

1.1 การเตรียมขั้นต้น: การล้างเกลือ

ก่อนที่จะเข้าสู่คอลัมน์กลั่น สิ่งแรกที่ต้องทำคือการกำจัดเกลือออกจากน้ำมันดิบ ซึ่งโดยปกติน้ำมันดิบจะมีน้ำ เกลือแร่ (ส่วนใหญ่เป็นคลอรีดของโซเดียม แคลเซียม และแมกนีเซียม) และตะกอนปนอยู่

ขั้นตอนกระบวนการ: น้ำมันดิบจะถูกให้ความร้อนและผสมกับน้ำสะอาดเพื่อละลายเกลือ จากนั้นนำสารผสมไปยังถังแยกเกลือ (desalter vessel) โดยจะมีการใช้สนามไฟฟ้าสถิตย์แรงสูงเข้าช่วย สนามไฟฟ้านี้จะช่วยให้เกิดการรวมตัวของหยดน้ำเล็กๆ ให้กลายเป็นหยดน้ำใหญ่ ซึ่งจะตกตะกอนลงสู่ก้นถังและถูกระบายน้ำออก

วัตถุประสงค์: การกำจัดเกลือมีความสำคัญอย่างมากเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการอุดตัน การกัดกร่อน และการเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาในหน่วยต่อเนื่อง ซึ่งเกลือสามารถเปลี่ยนเป็นกรดไฮโดรคลอริก (HCl) เมื่อได้รับความร้อน และก่อให้เกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงในระบบ overhead ของคอลัมน์กลั่น

1.2 หน่วยกลั่นบรรยากาศ (Atmospheric Distillation Unit: ADU)

น้ำมันดิบที่ผ่านการกำจัดเกลือแล้วจะถูกให้ความร้อนเพิ่มเติมจนถึงประมาณ 350°C - 380°C โดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหลายขั้นตอน (pre-heat train) และเตาเผาแบบไฟโดยตรง (เรียกว่า pipestill heater หรือเตาเผา)

น้ำมันดิบที่ร้อนและระเหยบางส่วนจะถูกป้อนเข้าไปในคอลัมน์กลั่นบรรยากาศ ซึ่งเป็นภาชนะทรงกระบอกขนาดใหญ่ที่ทำงานภายใต้แรงดันสูงกว่าความดันบรรยากาศเล็กน้อย เพื่อป้องกันไม่ให้อากาศไหลเข้าไปภายใน

โครงสร้างภายใน: คอลัมน์นี้ติดตั้งด้วยถาดแนวนอนหลายชั้นหรือวัสดุบรรจุ เพื่อช่วยในการถ่ายโอนมวลและถ่ายเทความร้อนระหว่างไอน้ำที่ลอยขึ้นกับของเหลวที่ไหลลงมา

การกลั่นแยกส่วน: เมื่อไอน้ำลอยขึ้นด้านบน มันจะเย็นลง ส่วนประกอบที่มีจุดเดือดสูงจะควบแน่นอยู่บนถาดชั้นล่าง ในขณะที่ส่วนประกอบที่เบากว่ายังคงลอยตัวขึ้นไปด้านบนต่อไป มีการดึงเอาส่วนประกอบเฉพาะออกทางด้านข้างที่ระดับความสูงต่าง ๆ เพื่อเก็บเกี่ยวส่วนผสมเฉพาะ

Light Ends: ก๊าซ (C1-C4) และนาฟทาเบาออกจากด้านบนของคอลัมน์

นาฟทาหนัก: ดึงออกใกล้ด้านบน เป็นสารตั้งต้นสำหรับการผลิตแก๊สโซลีน

เชื้อเพลิงเครื่องบิน/เคโรซีน: ดึงออกทางด้านล่าง เป็นส่วนผสมที่มีจุดเดือดปานกลาง

ดีเซล/แก๊สโซฮอล์: ดึงออกทางด้านล่างมากยิ่งขึ้น

รีฟลักซ์: ของเหลวส่วนหนึ่งที่ควบแน่นจากด้านบนของคอลัมน์จะถูกสูบกลับไปยังด้านบนของคอลัมน์อีกครั้งเป็นรีฟลักซ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการควบคุมอุณหภูมิของคอลัมน์และเพิ่มประสิทธิภาพการแยกของผลิตภัณฑ์ที่ด้านบน

ผลิตภัณฑ์จากก้นคอลัมน์: ส่วนที่เหลือทิ้งจากก้นคอลัมน์บรรยากาศ เรียกว่าน้ำมันตกค้างจากคอลัมน์บรรยากาศ หรือ "น้ำมันตกค้างยาว" มีน้ำหนักมากเกินไปจนไม่สามารถกลายเป็นไอได้ภายใต้ความดันบรรยากาศโดยไม่เกิดการแตกตัว (การสลายตัวทางความร้อน) ส่วนที่เหลือทิ้งนี้จะถูกนำไปป้อนยังหน่วยกลั่นสุญญากาศ

1.3 หน่วยกลั่นสุญญากาศ (VDU)

เพื่อให้โมเลกุลที่หนักกว่าระเหยออกจากน้ำมันตกค้างจากคอลัมน์บรรยากาศโดยไม่เกิดการแตกตัว จะต้องลดความดันลงอย่างมาก

กระบวนการทำงาน: น้ำมันตกค้างจากคอลัมน์บรรยากาศจะถูกให้ความร้อนในเตาเผาสุญญากาศจนถึงประมาณ 380°C - 420°C จากนั้นจึงนำไปป้อนเข้าสู่คอลัมน์กลั่นสุญญากาศ คอลัมน์นี้ทำงานภายใต้สุญญากาศสูง (ความดันสัมบูรณ์ 10 ถึง 40 มิลลิเมตรปรอท) ซึ่งช่วยลดจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนอย่างมีนัยสำคัญ

การสร้างสุญญากาศ: สุญญากาศถูกรักษาไว้เป็นหลักโดยชุดของปั๊มดูดแบบสตีม (มักตามมาด้วยปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลว) ปั๊มดูดแบบสตีมใช้หลักการของเอฟเฟกต์เวนทูรีเพื่อดูดก๊าซ (อากาศและไฮโดรคาร์บอนเบาก) ออกจากส่วนยอดของคอลัมน์

โครงสร้างภายใน: เพื่อลดการสูญเสียแรงดันในคอลัมน์ จึงใช้ชุดเติมแบบมีโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อความสูญญากาศต่ำแทนที่จะใช้ถาด ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของคอลัมน์ยังมีขนาดใหญ่กว่าคอลัมน์บรรยากาศอีกด้วย

การแยกส่วน: คอลัมน์แยกสารตกค้างออกเป็น:

น้ำมันก๊าซสุญญากาศ (VGO): ถูกดึงออกมาเป็นกระแสข้าง ซึ่งเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับหน่วยปฏิกิริย์แบบฟลูอิดไครซิ่ง (FCC) และหน่วยไฮโดรครัคเกอร์

น้ำมันตกค้างสุญญากาศ / "น้ำมันตกค้างสั้น": ผลิตภัณฑ์จากก้นคอลัมน์ ซึ่งมักถูกนำไปใช้ในการผลิตแอสฟัลต์ เบลนด์เป็นน้ำมันเตา หรือใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับหน่วยครีบ

ส่วนที่ 2: ข้อได้เปรียบทางเทคนิค

การออกแบบและการดำเนินงานของ AVDU รุ่นใหม่มีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการ:

1. การผสานพลังงานสูงและประสิทธิภาพ

หน่วย AVDUs แบบทันสมัยนั้นถือเป็นตัวอย่างของการผนวกรวมความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ เครือข่ายแลกเปลี่ยนความร้อน (เรียกว่า “pre-heat train”) ที่ครอบคลุมจะใช้กระแสผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิสูงเพื่อทำการอุ่นน้ำมันดิบที่เข้ามาใหม่ให้ร้อนขึ้นก่อน ส่งผลให้การใช้เชื้อเพลิงของเตาเผาลดลงอย่างมาก ช่วยลดต้นทุนในการดำเนินงานและปริมาณคาร์บอนฟุตพรินต์ของโรงกลั่น นอกจากนี้ การใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อส่ง (TLEs) ทันทีหลังเตาเผายังช่วยกักเก็บพลังงานความร้อนระดับสูงได้เพิ่มเติม

2. ความยืดหยุ่นในการดำเนินการ

AVDU ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีสามารถกลั่นน้ำมันดิบได้หลากหลายประเภท (ตั้งแต่น้ำมันดิบเบาหวานไปจนถึงน้ำมันดิบหนักที่มีกำมะถันสูง) ผู้ดำเนินการสามารถปรับค่าพารามิเตอร์สำคัญ เช่น อุณหภูมิทางออกของเตาเผา อัตราการไหลเวียนกลับ (reflux ratios) และอัตราการสกัด (draw rates) เพื่อเพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงที่สุด (เช่น เพิ่มผลผลิตดีเซลแทนน้ำมันเชื้อเพลิง) ตามความต้องการของตลาดและประเภทน้ำมันดิบที่ใช้

3. พื้นฐานสำหรับกระบวนการต่อเนื่อง

AVDU จัดเตรียมวัตถุดิบที่ผ่านการขจัดสิ่งเจือปนและแยกประเภทแล้วสำหรับหน่วยต่อเนื่องเฉพาะทาง:

นาฟทา (Naphtha) นำไปใช้ในหน่วยรีฟอร์เมอร์แบบเร่งปฏิกิริยา (Catalytic Reformers) เพื่อผลิตน้ำมันเบนซินคุณภาพสูงที่มีค่าออกเทนสูง

ก๊าซน้ำมันดิบไปยังหน่วยไฮโดรทรีตเมนต์เพื่อลดปริมาณกำมะถัน

VGO ไปยังหน่วย FCC หรือไฮโดรคราคเกอร์ เพื่อแยกโมเลกุลหนักให้กลายเป็นเบนซินและดีเซล

การแยกสารขั้นต้นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพและความทนทานของหน่วยย่อยขั้นที่สองที่มีความซับซ้อนเหล่านี้

4. การควบคุมกระบวนการขั้นสูง (APC)

หน่วยผลิตสมัยใหม่มักติดตั้งระบบควบคุมแบบกระจายขั้นสูง (DCS) และอัลกอริธึมการควบคุมกระบวนการขั้นสูง APC ซึ่งช่วยให้สามารถ:

ควบคุมคุณภาพได้แม่นยำขึ้น: รักษามาตรฐานของผลิตภัณฑ์ (เช่น จุดวาบไฟ ช่วงอุณหภูมิการกลั่น) ให้คงที่อย่างสม่ำเสมอ

เพิ่มกำลังการผลิตสูงสุด: ใช้ศักยภาพของคอลัมน์การกลั่นอย่างเต็มที่อย่างปลอดภัย เพื่อเพิ่มอัตราการแปรรูปน้ำมันดิบ

ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ: ปรับการดำเนินงานแบบไดนามิกเพื่อให้ใช้พลังงานในราคาต่ำที่สุด

5. เพิ่มผลผลิตและมูลค่าของผลิตภัณฑ์

หน่วยสุญญากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีคุณค่าเพิ่มขึ้นมาก โดยการใช้การกลั่นด้วยสุญญากาศแทนการกลั่นด้วยแรงดันบรรยากาศเพียงอย่างเดียว โรงกลั่นสามารถเปลี่ยนน้ำมันเชื้อเพลิงกากที่มีมูลค่าต่ำให้กลายเป็นน้ำมัน VGO (Vacuum Gas Oil) ที่มีมูลค่าสูง ซึ่งต่อไปสามารถนำไปแปรรูปเพิ่มเติมเป็นเชื้อเพลิงสำหรับการขนส่ง (เช่น น้ำมันเบนซิน น้ำมันดีเซล และน้ำมันเครื่องบินเจ็ท) ได้ สิ่งนี้ช่วยเพิ่มผลผลิตของผลิตภัณฑ์ที่มีคุณค่าโดยรวมจากน้ำมันดิบแต่ละบาร์เรลได้อย่างมาก

6. ความน่าเชื่อถือและการดำเนินการต่อเนื่องยาวนาน

แม้ว่าจะมีโอกาสเกิดการกัดกร่อนและการอุดตัน แต่ AVDU (Atmospheric and Vacuum Distillation Unit) เป็นเทคโนโลยีที่มีความทนทานและได้รับการพิสูจน์แล้วว่าใช้ได้จริง เมื่อเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสม (เช่น ถาดแบบเคลือบเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน) การใช้สารเคมีในการควบคุม (เช่น สารป้องกันการอุดตัน สารป้องกันการกัดกร่อน) อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงการบำรุงรักษาอย่างละเอียด หน่วยเหล่านี้สามารถดำเนินการต่อเนื่องได้เป็นเวลา 3 ถึง 5 ปีระหว่างการหยุดซ่อมบำรุงใหญ่ (Turnarounds) ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงความพร้อมใช้งานของโรงกลั่นในระดับสูง

สรุป

หน่วยกลั่นแยกความดันบรรยากาศและความดันสูญญากาศถือเป็นผลงานชั้นยอดทางวิศวกรรมเคมีที่ผสานหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานเข้ากับเทคโนโลยีขั้นสูง จุดเด่นทางด้านเทคนิคของมันนั้นหลากหลาย ตั้งแต่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เหนือกว่าใคร ความยืดหยุ่นในการดำเนินงาน ไปจนถึงการเป็นพื้นฐานสำคัญของโรงกลั่นยุคใหม่ทั้งระบบ ซึ่งยืนยันถึงบทบาทที่ไม่อาจทดแทนได้ของหน่วยนี้ในการแปรรูปน้ำมันดิบให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์สำคัญที่ขับเคลื่อนเศรษฐกิจโลก การปรับปรุงพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุ อุปกรณ์ควบคุมกระบวนการ และการผนวกรวมพลังงานความร้อน ต่างทำให้มันยังคงเป็นมาตรฐานอ้างอิงด้านประสิทธิภาพและความเชื่อถือได้