اکسیژن، بهعنوان یکی از اصلیترین عناصر سازنده طبیعت، نقشی حیاتی در بسیاری از فرایندهای صنعتی دارد. اگرچه استفاده گسترده از این گاز بیشتر در صنایع پزشکی، فولاد، و شیمیایی شناخته شده است، اما در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی نیز جایگاهی بنیادین دارد. این صنایع بخش عمدهای از زیرساخت انرژی جهانی را تشکیل میدهند و بسیاری از فرایندهای کلیدی آنها به حضور و کنترل دقیق اکسیژن وابستهاند. در واحدهای نفت و گاز، اکسیژن هم به عنوان عامل واکنشدهنده در فرایندهای احتراق و اکسیداسیون و هم بهعنوان منبع تولید گرما یا مواد شیمیایی واسطهای به کار میرود.
این گاز به دلیل واکنشپذیری بالا، باید با کنترل دقیق و استانداردهای ایمنی بسیار سختگیرانه استفاده شود. مقاله حاضر به بررسی جایگاه، کاربردها، مزایا و چالشهای استفاده از اکسیژن در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی میپردازد.
۱. ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی اکسیژن
اکسیژن در دمای معمولی گازی بیرنگ و بیبو است و درصد حجمی آن در هوا حدود ۲۱ درصد میباشد. نقطه جوش آن حدود −183°C و نقطه ذوب −219°C است. این گاز بهشدت واکنشپذیر است و میتواند تقریباً با تمام عناصر (به جز چند گاز نجیب مانند آرگون و هلیوم) ترکیب شود. خاصیت اکسیدکنندگی بالای اکسیژن موجب میشود که در بسیاری از واکنشها بهعنوان عامل اصلی برای تولید حرارت یا ترکیبات شیمیایی استفاده شود.
در صنایع نفت و پتروشیمی، همین ویژگی شیمیایی آن سبب اهمیت دوچندان شده است؛ زیرا اکثر فرایندهای پالایش و تولید محصولات پتروشیمی شامل واکنشهایی هستند که در آنها اکسیداسیون یا احتراق کنترلشده نقش کلیدی دارد.
۲. نقش اکسیژن در صنایع نفت
در پالایشگاههای نفت خام، اصلیترین کاربرد اکسیژن در فرایندهای احتراق و تصفیه مشاهده میشود. برخی از مهمترین نقشها عبارتاند از:
الف) احتراق در کورهها
در واحدهای پالایش مثل تقطیر، شکافت حرارتی (thermal cracking) و ریفورمینگ، از کورهها برای گرم کردن خوراک استفاده میشود. افزودن اکسیژن خالص یا هوای غنیشده از اکسیژن به سوخت ورودی، باعث میشود فرایند احتراق کاملتر، سریعتر و با بازده حرارتی بالاتر انجام گیرد. در نتیجه مصرف سوخت کاهش مییابد و میزان آلایندههای خروجی از دودکش کمتر میشود.
ب) گوگردزدایی (Desulfurization)
در پالایشگاهها، ترکیبات گوگرددار باید حذف شوند تا محصولات نهایی استانداردهای زیستمحیطی را رعایت کنند. در برخی فرایندهای اکسیداسیونی، اکسیژن بهعنوان عامل تبدیل سولفیدها به سولفاتها یا دیاکسید گوگرد (SO₂) به کار میرود که سپس توسط واحدهای بازیابی گوگرد یا تبدیل کاتالیستی جذب میشود.
ج) اکسیداسیون کاتالیستی
در تولید برخی روغنهای صنعتی و افزودنیهای سوخت، واکنشهای کنترلشده اکسیداسیونی به کمک اکسیژن و کاتالیزور انجام میگیرد تا خواص فیزیکی و شیمیایی محصول بهبود یابد.
د) ایمنی و تعمیرات
اکسیژن مایع برای فرآیندهای برش حرارتی و جوشکاری فلزات در خطوط انتقال، مخازن و سازههای پالایشگاهی نیز استفاده میشود.
۳. جایگاه اکسیژن در صنایع گاز طبیعی
در واحدهای گاز، کاربرد اکسیژن بیشتر در فرایندهای تبدیل شیمیایی و کنترل انتشار آلایندهها است. برخی از مصارف مهم عبارتاند از:
الف) تولید سنتزگاز (Syngas)
یکی از مهمترین کاربردهای صنعتی اکسیژن، شرکت در فرایند جزئیسازی یا Partial Oxidation است. در این روش، گاز طبیعی یا هیدروکربن های سنگین بهصورت کنترلشده با مقدار محدود اکسیژن واکنش داده و به ترکیبی از گازهای CO و H₂ تبدیل میشود که به آن سنتزگاز میگویند. سنتزگاز پایه تولید متانول، آمونیاک، و بسیاری از محصولات پتروشیمی است.
معادله کلی واکنش:
در این فرایند، اکسیژن نهتنها منبع انرژی گرمایی بلکه عامل اصلی در تشکیل مواد پایه شیمیایی محسوب میشود.
ب) بازیابی هیدروژن
در برخی واحدها از اکسیژن در واکنشهای اصلاحی با بخار (Steam Reforming) و سپس اکسیداسیون جزئی برای افزایش درصد هیدروژن در گاز استفاده میشود که برای تولید آمونیاک و سوختهای تمیز کاربرد دارد.
ج) کنترل و کاهش آلایندهها
تزریق اکسیژن به واحدهای احتراق گازهای زائد (Flare systems) سبب احتراق کاملتر و کاهش انتشار هیدروکربنهای نسوخته و دوده میشود. این عمل بهویژه در کشورهایی با استانداردهای زیستمحیطی سختگیرانه اهمیت زیادی دارد.
۴. کاربرد اکسیژن در صنایع پتروشیمی
در پتروشیمی، اکسیژن یکی از مواد خام اصلی برای تولید دهها ترکیب شیمیایی پایه است. مهمترین کاربردها شامل موارد زیر هستند:
الف) اکسیداسیون کاتالیستی در مقیاس بزرگ
در تولید اتیلن اکسید (Ethylene Oxide) از اتیلن و اکسیژن استفاده میشود؛ این ماده خود پیشساز تولید اتیلن گلایکولها است که در ساخت ضدیخها، پلیاسترها و رزینها کاربرد دارند.
معادله واکنش:
ب) تولید استالدهید از اتانول
اکسیژن برای تبدیل اتانول به استالدهید از طریق اکسیداسیون کنترلشده استفاده میشود. این واکنش از نظر صنعتی اهمیت زیادی در زنجیره تولید مواد پلاستیکی و رنگ دارد.
ج) تولید متانول
در فرایندهای مبتنی بر سنتزگاز که در بخش قبل شرح داده شد، اکسیژن اولیه در تشکیل گاز سنتز نقش دارد. سپس این گاز در حضور کاتالیزور به متانول تبدیل میشود.
د) اکسیداسیون آمونیاک برای تولید اسید نیتریک
در واحدهای کود شیمیایی، اکسیژن با آمونیاک واکنش داده و طی چند مرحله به اسید نیتریک تبدیل میشود:
۵. مزایای استفاده از اکسیژن خالص بهجای هوا
در بسیاری از این فرایندها میتوان از هوای معمولی استفاده کرد، اما کاربرد اکسیژن خالص یا هوای غنیشده با اکسیژن مزایای قابلتوجهی دارد:
- بازده حرارتی بالاتر: احتراق با اکسیژن خالص گرمای بیشتری آزاد میکند؛ در نتیجه مصرف سوخت کاهش مییابد.
- کاهش حجم گازهای خروجی: در استفاده از هوای معمولی، درصد زیادی نیتروژن وارد چرخه شده و حجم گاز دودکش افزایش مییابد. اکسیژن خالص این مشکل را حذف میکند.
- کیفیت بهتر محصولات شیمیایی: واکنشها سریعتر و دقیقتر انجام میشوند، کنترل ترکیب محصولات سادهتر است.
- کاهش آلایندهها: تولید ترکیبات NOx (ناشی از نیتروژن موجود در هوا) کمتر میشود.
- افزایش راندمان در واحدهای ریفورمینگ: تولید سنتزگاز با اکسیژن خالص کیفیت بهتری دارد و هزینه جداسازی کاهش مییابد.
۶. تولید، ذخیرهسازی و ایمنی اکسیژن
تأمین اکسیژن برای مجتمعهای بزرگ نفت، گاز و پتروشیمی معمولاً به دو روش انجام میشود:
الف) تولید در محل از طریق جداسازی هوا (ASU: Air Separation Unit)
این واحدها با روشهای تقطیر سرمایشی یا جذب غشایی اکسیژن خالص تولید میکنند. واحد تقطیر سرمایشی رایجترین روش برای تولید اکسیژن در مقیاس صنعتی است و قابلیت تأمین هزاران مترمکعب اکسیژن در ساعت را دارد.
ب) حمل اکسیژن مایع (LOX)
در موارد کممصرفتر یا مناطقی که واحد تولید اکسیژن ندارند، اکسیژن مایع با تانکرهای ویژه حمل و در مخازن عایقدار نگهداری میشود.
در مورد ایمنی، نکته بسیار مهم آن است که اکسیژن مادهای غیرقابلاشتعال ولی بیشفعالکننده آتش است؛ در تماس با روغن، چربی یا مواد آلی، خطر انفجار یا اشتعال بسیار بالا میرود. بنابراین تجهیزات باید تمیز از آلودگیهای آلی، مقاوم در برابر فشار و دارای تهویه کافی باشند.