בתי הזיקוק הם מהמתקנים התעשייתיים הגדולים והמורכבים בעולם כיום. מפיקים בהם עשרות סוגי מוצרים מנפט גולמי לשימוש אזרחי, תעשייתי וצבאי.
במתקני בתי הזיקוק מתקיימים תהליכים רבים, המביאים את תוצרי הזיקוק הישירים לרמת האיכות הנדרשת. זיקוק ראשוני, זיקוק בוואקום, פיצוח קטליטי, הדחת גופרית, הדחת מימן, שבירת צמיגות (מש"צ), איזומריזציה, אלקילציה, פיצוח מימני ועוד. סכמה המוצגת באיור 3-1 מתארת את מכלול התהליכים העיקריים בבתי זיקוק.
המשבצות שבתזרים מייצגות מתקנים תעשייתיים מורכבים, הכוללים קילומטרים של צנרת לנפט ומוצריו, קווי קיטור, קווי חשמל וציוד יקר ערך ועתיר אנרגיה. האיזון בין המתקנים השונים שבבתי זיקוק מושפע ישירות מדרישות השוק הקובעות את מבנה בית הזיקוק, ובמידה מרובה, גם את תמהילי הנפט הגולמי. כך למשל, אם יש דרישה גבוהה לבנזין, יזוקק נפט גולמי קל ובבית הזיקוק יהיה פצחן קטליטי. אם יש דרישה גבוהה לדיזל, יהיה בבית הזיקוק פצחן מימני. ואם השוק אינו דורש מזוט, יכיל בית הזיקוק מתקן פיחום (Coker).
כמו כן, בגלל מורכבות השוק וכדי להגיע לניצול מלא ואופטימלי של "החבית", התחזק הקשר בין בתי זיקוק לבין התעשייה הפטרוכימית הצמודה אליהם. תעשייה זו משתמשת בתוצרי הזיקוק כחומרי גלם לייצור מגוון עשיר של חומרים אורגניים (ממסים, פולימרים, פרמצבטיקה, חומרי גלם לתעשייה ועוד), שהם בעלי חשיבות עצומה בחיינו.

תהליכי הפרדה פיזיקליים

תהליך זיקוק של נפט גולמי אינו משנה את המבנה המולקולרי של מרכיבי הנפט ואינו מייצר תרכובות חדשות. הזיקוק הוא למעשה תהליך הפרדה פיזיקלי, אשר מבוצע לפי תחומי הרתיחה הנקבעים על ידי אורך השרשרת וסוג המבנה הכימי של מרכיבי הנפט הגולמי. יש מספר שיטות עיקריות לביצוע הפרדה פיזיקלית:

זיקוק ראשוני

התהליך להפרדת המרכיבים הפחמימניים שבנפט הגולמי הוא זיקוק למקוטעין. מחממים את הנפט הגולמי ומכניסים אותו למגדל הפרדה. המרכיבים מתעבים בגבהים שונים במגדל לפי טווח הרתיחה שלהם. המרכיבים ה"קלים" – בעלי טווח טמפרטורות רתיחה נמוך – יוצאים מראש המגדל, ואילו המרכיבים הכבדים יותר יוצאים מנקודות שונות לאורך המגדל. בתהליך מעורבים שני מגדלי הפרדה. הראשון נקרא "אטמוספרי", כיוון שהלחץ בו קרוב ללחץ האטמוספרי. השני נקרא "ואקום", כיוון שבוואקום מפיקים תזקיק נוסף מן החומר השאריתי של המגדל האטמוספרי.

למעשה, כל מרכיבי הנפט שתוארו באיור 3-1 הופכים למוצרים סופיים או לחומרי גלם לתעשייה. רובם ככולם עוברים תהליכי השבחה נוספים, לשם קבלת מוצרים מוגמרים העומדים בדרישות תקנים שונים המגדירים תכונות ותכולות המוצרים. איור 3-2 מייצג חלוקת תוצרי הזיקוק מ"חבית" נפט בודדת ביחידות של אחוז נפחי. המספרים עשויים, כמובן, להשתנות כתלות בהרכב הנפט הגולמי המוזן והמאפיינים ההנדסיים של מתקני הזיקוק.

זיקוק נפט גולמי

בעבר, הנפט הגולמי זוקק בתהליך הזיקוק הפשוט, ליצירת קרוסין לתאורה ולחימום, אך עם פיתוח מנוע הבעירה הפנימית, עלה הצורך בשיפור ההפרדה של תוצרי הזיקוק. תוצרים אלה אינם, כאמור, חומרים טהורים, אלא מכילים כמעט תמיד מספר סוגי פחמימנים בעלי נקודות רתיחה שונות. ניתן לסווג את התזקיקים הללו לקטגוריות בהתאם לתחום טמפרטורות רתיחתם. הקטגוריות הנהוגות הינן גזים, תזקיקים קלים, תזקיקים בינוניים ומשקע. טבלה 3-3 מתארת את שימושיהם העיקריים של התזקיקים השונים.

טבלה 3-3: שימושים עיקריים לתזקיקי נפט גולמי

תהליכים כימיים בבתי זיקוק

סעיף זה מתבסס על התכנים של הספר נפט גולמי ומוצרי הדלק, שנכתב על ידי נחום פור ז"ל, ויצא בגרסתו האחרונה בשנת 1989, הוצאת המכון הישראלי לאנרגיה ולסביבה.

בעקבות העליות במחירי הנפט הגולמי והמשברים באספקתו (למשל, אלו שהתרחשו בשנים 1971, 1973, 1979, 1990, 2005), נעשה מאמץ להחליף את חומרי הגלם על בסיס הנפט הגולמי בחומרי גלם על בסיס אחר, כמו פחם או גז, בכל מקום שבו ניתן לעשות זאת. שינוי זה האיץ את הנטייה העולמית לדרישה של מוצרי נפט שונים מאלה שהופקו בעבר בתהליך הזיקוק. המוצרים השונים הללו יכולים להתקבל כתוצאה של תהליכי המרה כימיים, שבהם מתרחשים שינויים של גודל השרשרת הפחמימנית או המבנה שלה.

תהליך הפיצוח התרמי

בתהליך הפיצוח התרמי מתקיימות שתי תגובות: בתגובה הראשונה נשבר הקשר בין שני אטומי פחמן, וממולקולה אחת נוצרים שני שברים מולקולריים, או יותר. חלקם מכיל קשרים בלתי רוויים בין אטומי פחמן שכנים. בתגובה השנייה מתפלמרים המרכיבים הפעילים ויוצרים חומרים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר – כלומר, חומרים כבדים יותר.

תהליך הדהידרוגנציה (הדחת מימן,Dehydrogenation )

תהליך הדהידרוגנציה מפיק מימן על ידי "קריעת" אטומי מימן מהמולקולה הפחמימנית בלי שבירת הקשר בין אטומי הפחמן, כגון:

CH3CH2CH3   CH2=CHCH3 + H2

התהליך הזה מתקבל בתנאי לחץ וטמפרטורה מתאימים. על ידי העלאת הטמפרטורה עשויים גם האולפינים להפיק מימן:

CH2=CH2   HCCH + H2

למעשה, גם הארומטיזציה, שהיא אחד השלבים בתהליך הפירום הקטליטי שיתואר בהמשך פרק זה, נחשבת כדהידרוגנציה. במקרה זה מאבדים הנפתנים חלק מהמימנים שלהם ומתקבלים חלקיקים ארומטיים, וכמובן מימן:

תהליך הפירום הקטליטי (Catalytic Reforming)

תהליך הפירום הקטליטי מתבצע באווירת מימן על זרז/קטליזטור פלטינה וכולל את התגובות הבאות:

      ארומטיזציה.

      פיצוח מימני.

      איזומריזציה.

      ציקליזציה.

תהליך הפיצוח המימני

בתהליך הפיצוח המימני נשברת מולקולה פרפינית למספר מולקולות פרפיניות קטנות יותר. התהליך מתבצע בלחץ חלקי גבוה מאוד של מימן על קטליזטור זאוליטי, כאשר התוצרים הבלתי רוויים הופכים רוויים בעזרת המימן הנוכח בתהליך קטליטי זה:

C7H16+H2   C3H8+C4H10

תגובה זו היא אקסותרמית (פולטת חום).

תהליך האיזומריזציה

בתהליך האיזומריזציה מסתדרים אטומי הפחמן ואטומי המימן אשר במולקולה מחדש, תוך הפיכת תצורות שרשרתיות ישרות לתצורות שרשרתיות מסועפות.

תהליך זה חשוב לייצור בנזין, כי התרכובות המסועפות בעלות אוקטן גבוה יותר מהתרכובות הישרות.

תהליך הפולימריזציה

תהליך הפולימריזציה (פילמור) יכול להיות בימולקולרי או פולימולקולרי. במקרה הראשון מפיק המונומר דימר, ובמקרה השני מפיק המונומר פולימר. התגובה מתקיימת בתנאי לחץ וטמפרטורה מסוימים; נוכחות קטליזטור מסייעת לקיום התהליך.

תהליך האלקילציה

בתהליך האלקילציה מתחבר פחמימן איזופרפיני או ארומטי אל אולפינים בנוכחות קטליזטור ובתנאי עבודה מוגדרים.

תהליך הפיצוח הקטליטי

התגובה הראשונית בתהליך הפיצוח הקטליטי היא התהוות מולקולות בעלות מטען חשמלי, יון-קרבוניום, על ידי תגובה בין האולפינים (אשר היו בחומר מלכתחילה או נוצרו בשלב הראשוני של הפיצוח התרמי) לבין יון מימן אשר מסופק על ידי הקטליזטור החומצי.

תהליכי הדחת גופרית

תהליכים קטליטיים רגנרטיביים, כגון תהליך "מרוקס" (MEROX)

התהליכים הרגנרטיביים להדחת מרקפטנים או להפיכת המרקפטנים לדיסולפידים, מבוססים על הגבת סודה קאוסטית עם המרקפטנים אשר במקטע הנפט ויצירת מרקפטיד הנתרן.

תהליכים קטליטיים מימניים

שימוש בתהליכים קטליטיים מימניים להדחת תרכובות גופריתיות ממוצרי דלק תזקיקיים הוא הנפוץ והשימושי ביותר למטרה זו. הקטליזטור מאפשר הגבה של המימן המוזן למערכת עם תרכובות חנקניות וגופריתיות והפיכתן לאמוניה ולמימן גופריתי. למעשה, תהליכים קטליטיים אלה מביאים להדחה כמעט מלאה של התרכובות הגופריתיות: המימן הגופריתי הנוצר עובר למתקני קלאוס שמתבצע בהם חמצון חלקי אשר בו מתקבלת הגופרית האלמנטרית ומופרדת מן המערכת.

לתהליך הידרוגנציה קטליטית יש יתרונות רבים, כמו גם מספר חסרונות.

תהליך הידרוגנציה הוא תהליך יעיל מאוד. הוא ממצה מן הדס"ל גם מרכיבים חשובים לאיכותו שנמצאים בו בכמויות זעירות, כגון אינהיביטורים טבעיים לחמצון, מרכיבים המקנים לדס"ל תכונות סיכות ועוד. על כן הכרחי להחזיר לדס"ל, אשר עבר טיפול מימני, את המרכיבים האלה באופן מלאכותי בצורת תוספים כגון אנטיאוקסידנטים ותוספים משפרי סיכות. גם בסולר תכונת הסיכות עלולה להיפגע. תוסף משפר סיכות מחזיר את הסולר לגבול הקבוע במפרט.

מתקן שבירת צמיגות (מש"ץ)

שארית מגדל הוואקום הינה צמיגה מכדי לעמוד במפרטי המזוט. תהליך נפוץ להורדת הצמיגות הוא פיצוח תרמי עדין. במתקן שבירת הצמיגות השארית עוברת שוק תרמי. מולקולות התערובת  "נשברות" ומתקבל תוצר בעל צמיגות נמוכה בהרבה ביחס לשארית הוואקום. הוספת מדללים מתאימים מביאה את תוצר המש"ץ לגבולות הצמיגות של סוגי המזוט השונים.

ביבליוגרפיה

1. נחום פור, נפט גולמי ומוצרי הדלק, המכון הישראלי לאנרגיה ולסביבה, 1989.
2. Aviation Fuels, Maxwell Smith, G.T. Foulis & Co Ltd, 1970.
3. The Petroleum Handbook, Royal Dutch, Shell Group of Companies, Elsevier, Sixth Edition, 1983.