מאגר הידע – 

זיקוק

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.

איור 3-1: תזרים סכמתי של המתקנים העיקריים בבתי זיקוק והמוצרים העיקריים

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:

 

השיטה חומרי הגלם מופרדים לפי הבדלים בחומרים המופרדים הערות
זיקוק (Distillation) אורך השרשרת הפחמימנית טווח רתיחה השיטה העיקרית כיום ובעבר
ספיגה (Absorption) אורך השרשרת הפחמימנית או סוג המבנה הכימי מסיסות במסס
מיצוי (Solvent Extract) סוג המבנה הכימי מסיסות בשימוש במרכיב שלישי
גיבוש (Crystallization) אורך השרשרת הפחמימנית או סוג המבנה הכימי טמפרטורות ההתכה/גיבוש
ספיחה (Adsorption) אורך השרשרת הפחמימנית או סוג המבנה הכימי יכולות ספיחה בדומה לשיטות כרומטוגרפיות

 

 

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

תזקיקים שימושים
גזים מתאן ואתאן משמשים כחומרי גלם לדלק או לתעשייה הפטרוכימית; פרופן ובוטן נדחסים לייצור גפ"מ (גז פחמימני מעובה); בוטן לעתים מעורבב ישירות לתוך בנזין רכב.
קלים המרכיבים הקלים יותר בתזקיק משמשים לייצור בנזין רכב או בנזין תעופתי; חומרי גלם משמשים לתעשייה הפטרוכימית; המרכיבים הכבדים יותר בתזקיק משמשים כחומרי גלם לפירום הקטליטי (דלקים המיוצרים בתהליך של Catalytic Reforming); לייצור בנזין גבוה אוקטן וחומרים ארומטיים.
בינוניים יצירת קרוסין וסולר.
כבדים יצירת שמני סיכה, שעוות, ביטומן, סוגים שונים של מזוט וחומרי גלם לתהליכי פיצוח.

 

 

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).

צילום: בז"ן

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.

צילום: בז"ן

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.

צילום: בז"ן

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.

צילום: בז"ן

 

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.

מאמרים נוספים בנושא זיקוק

תחנת תדלוק במימן הראשונה בישראל – סונול יגור

עמיחי ברם – סמנכ"ל תפעול והנדסה סונול בחודש מאי השנה נפתחה לפעילות תחנת תדלוק במימן, הראשונה מסוגה בישראל, בסונול יגור השוכנת סמוך למפרץ חיפה. תחנת המימן הוקמה בשותפות של סונול ובזן על ידי חברת Linde…

מגמות בתעשייה הפטרוכימית

תחזית קודרת לפטרוכימיקלים באירופה עקב הרחבת התפוקה בסין והביקוש החלש אנליסטים באירופה סבורים שהחולשה בייצור צפויה להשפיע על פטרוכימיקלים ונפטא המשמש כחומר גלם באירופה בעתיד הקרוב עקב הרחבת התפוקה בסין. הביקוש לנפטא במדינות ה-OECD באירופה…

שיחת מסדרון – דברים שקרו לפני שבת השחורה

את הכתבה הזאת פרסם מגזין MEES בספטמבר 2023, לפני שמחבלי חמאס ביצעו טבח המוני בעוטף עזה ולמעשה הכניסו את המזרח התיכון כולו לסחרור שמעמיד את הטקטס הזה בסימן שאלה. האינטרסים האיראניים, הבחישה הרוסית, המעורבות הקטארית,…

פייננשיאל טיימס: סין השתלטה על שוק האנרגיות הנקיות

בסוף השנה שעברה בבייג'ינג, גורמים מכמה מסוכנויות הטכנולוגיה, המסחר וההגנה של סין זומנו לסדרת פגישות סודיות במטרה אחת: להגיב למגבלות המקיפות של ארצות הברית על מכירת שבבי מחשב לחברות סיניות. ביולי הכריזה סין על תגובתה:…

שיא הביקוש לדלקים פוסיליים יגיע כבר בעשור הנוכחי

במגזר האנרגיה המסורתי יש טאבו: אסור לומר שהביקוש לדלקים הפוסיליים – נפט, גז ופחם – עלול להיכנס למגמת ירידה קבועה. אף שכבר שנים טוענים שאנחנו קרובים לשיא הביקוש לנפט ולשיא הביקוש לפחם, הביקוש לשני הדלקים…

פגיעה במשק הדלק ובתעשיית הכימיה בישראל – פגיעה אסטרטגית

קבוצות לחץ ופוליטיקאים מסוימים מנסים שוב ושוב לפגוע בתעשיית הדלקים והכימיה בישראל, פגיעה שעלולה לגרום עצירה של פיתוח משק האנרגיה בישראל וזו, מן הסתם, תהיה טעות חמורה ומרה. המגמה העולמית בתעשיית האנרגיה היא העברה של…

מכתב מאיראן: החלומות של טהרן, ההטעיות של מוסקבה

העימות באוקראינה מעמיק את הקרע בין רוסיה למערב, אבל כרגע מחוללת המלחמה שינוי מתחת לפני השטח של המזרח התיכון. לצד ההתקרבות המחודשת והמהוססת אל מועצת שיתוף הפעולה של מדינות המפרץ, איראן מעמיקה את הקשרים הפוליטיים…

מתדלקים את עתיד התעשייה הפטרוכימית

גל של פרויקטים דלי פחמן צובר תאוצה במזרח התיכון, על רקע מאמציהן של חברות כימיקלים ואנרגיה להגשים יעדים של נטרול פליטות עד שנת 2050, יעדים שקבעו ממשלות האזור.את רוב ההתפתחויות של מיזמים דלי פחמן במזה"ת,…

איחוד האמירויות – הדולרים והטכנולוגיות – הכול ירוק

עד לפני חמש שנים, כל ניסיון שיווק של כל אחת ממדינות מועצת שיתוף הפעולה של מדינות המפרץ כיעד לעסקים דלי פחמן נראה מגוחך, אבל איחוד האמירויות פועלת עכשיו בכיוון הזה. המדינה ממצבת את עצמה כיעד…

ים אחד של מכליות נפט ושני תעריפים שונים

ים אחד של מכליות נפט ושני תעריפים שונים ויקי דו וסמיר צ'. מוהינדרו: הפלישה הרוסית לאוקראינה מפלגת את צי המכליות העולמי ומסבכת את העניינים ביבשה ובים Commodity Insights S&P Global / מאי 2023 מלחמת רוסיה-אוקראינה…

מדד האנרגיה לחודש מאי 2023

מדד האנרגיה לחודש מאי 2023 שומר על יציבות יחסית ועולה בכ-0.3% בלבד ל-95.4 נקודות. היציבות נשמרה חרף עלייה של כשני אחוזים בשער הדולר ונובעת בעיקר מהארכת ההנחה במס הבלו על הבנזין לתחבורה. אלמלא אותה הארכה…

תחזית הטווח הקרוב של מנהל המידע של מחלקת האנרגיה, ארה"ב

מנהל המידע של מחלקת האנרגיה של ארה"ב הוא יחידת הסטטיסטיקה של הממשל, יחידה שאוספת נתונים על מלאי האנרגיה, היצור, הצריכה וההפצה, על מחירים, טכנולוגיות וכן על שוקי האנרגיה ברחבי העולם. מנהל המידע עורך גם ניתוחי…

מדד האנרגיה לחודש מרץ 2023

בגלל היחלשות השקל והעלייה בשער החליפין, הדולר התחזק החודש בכ- 6.5% ומחק למעשה את רוב הירידות במחירי התזקיקים. אלמלא ההתחזקות של שער הדולר מחיר הבנזין היה יורד לרמה של 6.63 שקלים לליטר והוצאות האנרגיה של…

גרמניה: המודל שהתקלקל

המטה של BASF בלודוויגסהפן הוא מקום סואן ושוקק חיים. זו תשלובת הכימיקלים הגדולה בעולם, בגודל של עיירה קטנה, עם אחד ממתקני טיהור השפכים הגדולים באירופה, בית חולים ותחנת כיבוי אש משלו. גז טבעי הוא עורק…

תשקיף ל- 2023: ההיצע יתאים את עצמו

השנה האחרונה התאפיינה בתנודתיות משמעותית, כאשר הדיזל – וגרסאותיו, בנזין ונפט לחימום – הם הדוגמאות הבולטות ביותר מבין התזקיקים. במהלך מרץ עד אוקטובר עמדו הפרמיות של נפט גולמי לדיזל בצפון מערב אירופה על 40 דולר…

תחזית ל- 2023: מסעות הדיזל ברחבי העולם

עוד לפני הסנקציות על מוצרי נפט שאמורות להיכנס לתוקף בפברואר 2023, החלו 27 חברות האיחוד האירופי לצמצם את יבוא הדיזל הרוסי. שינוי שהיה צפוי כבר זמן מה. בששת החודשים שאחרי הפלישה הראשונית לאוקראינה, יבוא הסולר…

כיצד יש לטפל בסולר הנמצא במכל שמחובר למערכת לכיבוי אש

גנרטור המחובר למערכת לכיבוי אש עובר, על פי הנוהל, בדיקת תקינות כל כמה שבועות, כאשר הוא מופעל מספר שעות בדרך כלל ללא עומס. אבל תקינותו של הסולר שמזין את הגנרטור לא נבדקת, אף שמדובר במוצר…

כיצד האנרגיה המתחדשת זורה לרוח את המאמצים לבלום את שינויי האקלים

האם הניסיון הכלל-עולמי לבלום את שינויי האקלים, שהוסכם עליו בפריז כעבור עבודה שקדנית, מתחיל כבר עכשיו לרדת מהפסים? על אנרגיה מתחדשת ופשיטת הרגל של האנרגיה הגרעינית בטור מ"הסצנה הכלכלית" של אדוארדו פורטר בניו-יורק טיימס.