فيسبريكر

يُطلق مصطلح التكسير الحراري في الأفران (أو الملفات ) على الوحدات التي تتم فيها عملية التكسير داخل أنابيب الفرن (أو "الملفات"). تُبرّد المادة الخارجة من الفرن لإيقاف تفاعلات التكسير، ويتم ذلك غالبًا عن طريق التبادل الحراري مع المادة الخام المُغذّاة للفرن، مما يُعدّ خطوة فعّالة لترشيد استهلاك الطاقة، ولكن في بعض الأحيان يُستخدم تيار من الزيت البارد (عادةً زيت الغاز) لتحقيق نفس الغرض. يُستعاد زيت الغاز ويُعاد استخدامه. يُتحكّم في مدى تفاعل التكسير من خلال تنظيم سرعة تدفق الزيت عبر أنابيب الفرن. ثم ينتقل الزيت المُبرّد إلى وحدة التقطير حيث تُفصل منتجات التكسير (الغاز، وغاز البترول المسال، والبنزين، وزيت الغاز، والقطران) وتُستعاد.

في عملية التكسير الحراري بالنقع، لا يحدث الجزء الأكبر من تفاعل التكسير في الفرن، بل في خزان يقع بعد الفرن يُسمى خزان النقع. يُحفظ الزيت هنا عند درجة حرارة مرتفعة لفترة زمنية محددة مسبقًا للسماح بحدوث التكسير قبل تبريده فجأة. ثم يُنقل الزيت إلى وحدة التقطير . في عملية التكسير الحراري بالنقع، تُستخدم درجات حرارة أقل من تلك المستخدمة في عملية التكسير الحراري باللفائف، ويُستفاد من المدة الطويلة نسبيًا لتفاعل التكسير.

يمكن تكرير قطران مُكسِّر اللزوجة بشكل إضافي عن طريق تغذيته إلى وحدة التقطير الفراغي . هنا، يمكن استخلاص المزيد من زيت الغاز الثقيل وتوجيهه إما إلى وحدات التكسير التحفيزي أو التكسير الهيدروجيني أو التكسير الحراري في المصفاة. ثم يُوجَّه القطران المُجفَّف فراغيًا (والذي يُشار إليه أحيانًا باسم القار ) إلى مزج زيت الوقود. في بعض مواقع التكرير، يُوجَّه قطران مُكسِّر اللزوجة إلى وحدة التكسير المتأخر لإنتاج أنواع معينة من فحم الكوك المتخصص، مثل فحم الكوك الأنودي أو فحم الكوك الإبري .

من منظور الإنتاجية، لا يوجد فرق يُذكر بين النهجين. ومع ذلك، يقدم كل منهما مزايا كبيرة في حالات معينة.

• إزالة الفحم : ينتج عن تفاعل التكسير فحم الكوك البترولي كمنتج ثانوي. في عملية تكسير اللزوجة باستخدام الملفات، يترسب هذا الفحم في أنابيب الفرن، مما يؤدي في النهاية إلى انسدادها. يحدث الشيء نفسه في أسطوانة التكسير بالنقع، إلا أن درجات الحرارة المنخفضة المستخدمة في أسطوانة النقع تؤدي إلى تراكم الرواسب بمعدل أبطأ بكثير. لذلك، تتطلب عمليات تكسير اللزوجة باستخدام الملفات إزالة الفحم بشكل متكرر. هذه العملية كثيفة العمالة، ولكن يمكن تطويرها لتصبح إجراءً روتينيًا تتم فيه إزالة الفحم من الأنابيب بالتتابع دون الحاجة إلى إيقاف عملية التكسير. تتطلب أسطوانات النقع عناية أقل تكرارًا، ولكن إخراجها من الخدمة يتطلب عادةً توقفًا تامًا للعملية. يختلف أي العمليتين أكثر تعطيلًا من مصفاة إلى أخرى.
• توفير الوقود : انخفاض درجات الحرارة المستخدمة في تقنية التكسير الحراري يعني أن هذه الوحدات تستهلك وقودًا أقل. في حال شراء المصفاة للوقود لدعم عملياتها، فإن أي توفير في استهلاك الوقود يُعدّ ذا قيمة بالغة. في مثل هذه الحالات، قد يكون التكسير الحراري بتقنية التكسير الحراري مفيدًا.

تختلف جودة المواد الخام الداخلة إلى وحدة تكسير اللزوجة اختلافًا كبيرًا باختلاف نوع النفط الخام الذي تعالجه المصفاة. فيما يلي جودة نموذجية لمخلفات التقطير الفراغي للنفط العربي الخفيف (وهو نفط خام من المملكة العربية السعودية ويُكرر على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم):

بمجرد تمرير هذه المادة عبر جهاز تكسير اللزوجة (ومرة أخرى، سيكون هناك اختلاف كبير من جهاز تكسير لزوجة إلى آخر حيث لا يوجد جهازان يعملان في ظل نفس الظروف تمامًا) يكون انخفاض اللزوجة كبيرًا:

تعتمد كميات منتجات الهيدروكربونات المختلفة على شدة عملية التكسير، والتي تُحدد بدرجة حرارة تسخين النفط في فرن التكسير. ففي أدنى درجات الحرارة،  يؤدي تسخين الفرن إلى 425 درجة مئوية إلى تكسير طفيف، بينما  تُعتبر العمليات عند 500 درجة مئوية شديدة للغاية. عند تكسير مخلفات النفط الخام العربي الخفيف عند 450  درجة مئوية، ينتج عنها حوالي 76% (وزنًا) من القطران، و15% من المقطرات المتوسطة، و6% من البنزين، و3% من الغاز وغاز البترول المسال.

عادة ما تكون شدة عملية تكسير اللزوجة محدودة بالحاجة إلى إنتاج قطران تكسير اللزوجة الذي يمكن مزجه لصنع زيت وقود مستقر.

يُقصد بالاستقرار في هذه الحالة ميل زيت الوقود إلى تكوين رواسب عند تخزينه. هذه الرواسب غير مرغوب فيها لأنها قد تتسبب في انسداد سريع لمرشحات المضخات المستخدمة لنقل الزيت، مما يستلزم صيانة تستغرق وقتًا طويلاً.

يمكن اعتبار أن مخلفات التفريغ التي يتم تغذيتها إلى جهاز تكسير اللزوجة تتكون مما يلي:

• الأسفلتينات : جزيئات كبيرة متعددة الحلقات معلقة في الزيت في شكل غرواني
• الراتنجات : هي أيضاً متعددة الحلقات ولكن بوزن جزيئي أقل من الأسفلتين.
• الهيدروكربونات العطرية : مشتقات البنزين والتولوين والزيلين
• الهيدروكربونات البارافينية : الألكانات

تعمل عملية التكسير الحراري بشكل انتقائي على تكسير المركبات الأليفاتية ذات المحتوى الكبريتي المنخفض والكثافة المنخفضة واللزوجة العالية، ويمكن ملاحظة تأثير إزالتها بوضوح في تغير الجودة بين المادة الخام والمنتج النهائي. يؤدي التكسير المفرط في جهاز التكسير الحراري إلى جعل غرواني الأسفلتين غير مستقر. ويمكن أن تؤدي إضافة مخفف لاحق لتصنيع زيت الوقود النهائي إلى تفكك الغرواني، مما يؤدي إلى ترسب الأسفلتين على شكل رواسب. وقد لوحظ أن المخفف البارافيني أكثر عرضة للتسبب في الترسيب من المخفف العطري. ويتم تقييم استقرار زيت الوقود باستخدام عدد من الاختبارات الخاصة (مثل اختبار قيمة "P" واختبار SHF).

يُعدّ مزج لزوجة سائلين أو أكثر، ذات لزوجات مختلفة، إجراءً من ثلاث خطوات. الخطوة الأولى هي حساب مؤشر مزج اللزوجة (VBI) لكل مكون من مكونات المزيج باستخدام المعادلة التالية (المعروفة بمعادلة ريفوتاس): ^{[ 2 ] [ 4 ]}

(1) VBN = 14.534 × ln[ln( v + 0.8)] + 10.975 

حيث v هي اللزوجة بوحدة المليمتر المربع في الثانية (مم²/ث) أو السنتيستوكس (سنتستوكس)، و ln هو اللوغاريتم الطبيعي (log _e ). من المهم قياس لزوجة كل مكون من مكونات المزيج عند نفس درجة الحرارة.

الخطوة التالية هي حساب VBN للمزيج، باستخدام هذه المعادلة:

(2) _مزيج VBN = [ w _A × VBN _A ] + [ w _B × VBN _B ] + ... + [ w _X × VBN _X ] 

حيث w هي النسبة الوزنية (أي  % ÷ 100) لكل مكون من مكونات المزيج.

بمجرد حساب رقم مزج اللزوجة للمزيج باستخدام المعادلة (2)، فإن الخطوة الأخيرة هي تحديد لزوجة المزيج باستخدام معكوس المعادلة (1):

(3) v = e ^{e (VBN - 10.975) ÷ 14.534} - 0.8 

حيث VBN هو رقم مزج اللزوجة للمزيج و e هو الرقم المتسامي 2.71828، والمعروف أيضًا باسم رقم أويلر .

قد يتطلب زيت الوقود القابل للتسويق، مثل زيت محطات توليد الطاقة، لزوجة تبلغ 40 سنتستوك عند 100  درجة مئوية. ويمكن تحضيره باستخدام إما المتبقي الخام أو المتبقي بعد تكسيره المذكور أعلاه، مع إضافة مخفف تقطير ("مخفف التقطير"). عادةً ما تكون لزوجة مخفف التقطير 1.3 سنتستوك  عند 100 درجة مئوية . بإعادة ترتيب المعادلة (2) أعلاه لمزيج بسيط من مكونين، يتضح أن النسبة المئوية لمخفف التقطير المطلوبة في المزيج تُحسب كما يلي:

(4) % مخزون القاطع = [VBN _{40 − بقايا} VBN ] ÷ [ _{مخزون قاطع} VBN − _بقايا VBN ] 

باستخدام قيم اللزوجة المذكورة في الجداول أعلاه لمخلفات النفط الخام العربي الخفيف وحساب VBN وفقًا للمعادلة (1) نحصل على:

بالنسبة للمخلفات الخام (أي المادة الخام غير المحولة التي تدخل إلى جهاز تكسير اللزوجة): 27.5% من مادة التقطيع في الخليط

بالنسبة للمخلفات المتكسرة : 13.3% من مخزون القطع في المزيج.

بما أن قيمة المقطرات الوسطى في السوق أعلى بكثير من قيمة زيوت الوقود، يتضح أن استخدام جهاز تكسير اللزوجة سيُحسّن بشكل ملحوظ من اقتصاديات إنتاج زيت الوقود. على سبيل المثال، إذا افترضنا أن قيمة مخزون التقطير تبلغ 300 دولار للطن، وقيمة زيت الوقود 150 دولارًا للطن (تتغير أسعار النفط بسرعة بطبيعة الحال، ولكن هذه الأسعار، والأهم من ذلك الفروقات بينها، ليست بعيدة عن الواقع)، فمن السهل حساب قيمة المخلفات المختلفة في هذا المثال كما يلي:

البقايا العذراء: 93.1 دولار للطن

بقايا Visbroken: 127.0 دولارًا للطن