مزيل الأملاح الكهروستاتيكي

تُعد إزالة أملاح النفط الخام ونزع الماء بالطرق الكهروستاتيكية عملية تمهيدية أساسية لكنها بالغة الأهمية في تكرير النفط. وهدفها الجوهري ليس «إزالة الملح مباشرة من النفط»، بل فصل الماء الموجود داخل النفط الخام، بحيث تُطرح الأملاح غير العضوية المذابة في الماء مع الطور المائي.

أثناء إنتاج النفط الخام وتجميعه ونقله وتخزينه، يحمل النفط الخام في الغالب قدرا من الماء المالح. ولا يكون هذا الماء المالح على شكل حبيبات ملح صلبة، بل يوجد على هيئة قطيرات ماء دقيقة للغاية مشتتة داخل الطور النفطي، مكوِّنا نظام مستحلب نفط–ماء مستقرا نسبيا. وهذه الحالة المشتتة تحديدا هي ما يجعل الفصل الفعال بالترسيب الجاذبي وحده أمرا صعبا في ظروف التشغيل العملية.

إذا جرى إدخال النفط الخام الذي لم يخضع لإزالة الأملاح ونزع الماء مباشرة إلى وحدات التقطير الجوي والفراغي، ففي ظروف درجات الحرارة المرتفعة قد تتحلل الأملاح وتُولِّد أوساطا تآكلية، مسببة تآكلا شديدا للمبادلات الحرارية والأبراج وخطوط الأنابيب، كما تؤدي إلى الترسّب والانسداد. وتقصّر هذه المشكلات بشكل ملحوظ دورة تشغيل الوحدة. لذلك، في عمليات التكرير الحديثة تُركَّب وحدات إزالة الأملاح الكهروستاتيكية عادة قبل تقطير النفط الخام باعتبارها خطوة تمهيدية أساسية لا غنى عنها.

لا تعتمد إزالة أملاح النفط الخام ونزع الماء على طريقة واحدة فقط. فقد استخدمت التركيبات المبكرة أو الأبسط سابقا الترسيب بالجاذبية، أو كسر الاستحلاب بالمواد الكيميائية، أو المعالجة الحرارية البحتة. لكن عند التعامل مع نفوط خام عالية الملوحة أو مستحلبات شديدة الاستقرار، غالبا ما تكون كفاءة هذه الطرق محدودة واستقرارها التشغيلي ضعيفا.

جوهر عملية إزالة الأملاح الكهروستاتيكية هو تعزيز فصل النفط–الماء بالاعتماد على مبادئ الفصل التقليدية. وفي مزيل الأملاح الكهروستاتيكي لا تعمل حقن المياه والتسخين وكسر الاستحلاب وتأثير المجال الكهربائي بشكل منفصل، بل تعمل كنظام عمليات متكامل ذي تأثيرات تآزرية قوية:

• يوفر حقن المياه طورا مائيا قابلا للانتقال يحمل الأملاح خارج النفط الخام؛
• يقلل التسخين لزوجة النفط الخام، ما يحسن حركة قطيرات الماء وظروف الترسيب؛
• يُعد المجال الكهربائي آلية التعزيز الأهم في كامل عملية إزالة الأملاح الكهروستاتيكية؛

وبفضل مزاياها الواضحة في كفاءة الفصل، وقدرتها على التكيف مع تغير خصائص النفط الخام، والتشغيل المستمر والمستقر، تُعتمد إزالة الأملاح الكهروستاتيكية على نطاق واسع في المصافي الحديثة بوصفها الطريقة الأساسية للمعالجة التمهيدية للنفط الخام. وبحسب خصائص النفط الخام، يتم اختيار تكوين مجال كهربائي AC أو DC أو مزيج AC/DC.

1. آلية اندماج قطيرات الماء (تأثير المجال الكهربائي)

من منظور فيزيائي، تعتمد إزالة أملاح النفط الخام بالطرق الكهروستاتيكية على سلوك فصل نظام الطورين النفط–الماء تحت تأثير مجال كهربائي. ففي النفط الخام يوجد الماء على هيئة مستحلب، بحجم قطيرات صغير وتشتت قوي، ما يجعل الفصل السريع صعبا عند الاعتماد على الجاذبية وحدها.

بعد دخول النفط الخام إلى مزيل الأملاح الكهروستاتيكي، تتعرض قطيرات الماء المشتتة في الطور النفطي للحث والاستقطاب الكهروستاتيكي تحت مجال كهربائي عالي الجهد. وتولّد القطيرات المستقطبة قوى تجاذب متبادلة داخل المجال، ما يسمح للقطيرات الدقيقة المشتتة أصلا بالتصادم بسهولة أكبر والاندماج تدريجيا إلى قطيرات أكبر.

يمكن التعبير عن قوة اندماج قطيرات الماء كما يلي:

• F: قوة الاندماج بين قطيرات الماء؛
• K: ثابت مرتبط بخواص الوسط؛
• E: شدة المجال الكهربائي؛
• r: نصف قطر قطيرة الماء؛
• L: المسافة من مركز إلى مركز بين قطيرات الماء؛

كما يتضح من العلاقة أعلاه، تتناسب قوة اندماج قطيرات الماء طرديا مع مربع شدة المجال الكهربائي، وهي شديدة الحساسية لحجم القطيرات والمسافة الفاصلة بينها. وهذا يشكل الأساس النظري لتعزيز اندماج القطيرات بشكل كبير عبر المجالات الكهربائية في وحدات إزالة الأملاح الكهروستاتيكية.

2. آلية ترسيب قطيرات الماء (قانون ستوكس)

بعد أن تندمج قطيرات الماء تدريجيا وتنمو تحت تأثير المجال الكهربائي، فإن فصلها الفعال عن الطور النفطي يعتمد في النهاية على سرعة الترسيب. ويمكن تقريب سلوك ترسيب قطيرات الماء المشتتة في الطور النفطي عموما باستخدام قانون ستوكس للترسيب:

• u: سرعة ترسيب قطيرة الماء (م/ث)؛
• d: قطر قطيرة الماء (م)؛
• ρ1, ρ2: كثافة الماء وكثافة النفط على التوالي (كغ/م³)؛
• ν: اللزوجة الحركية للنفط (م²/ث)؛
• g: تسارع الجاذبية (م/ث²)؛

تشير هذه العلاقة إلى أن الطرق الأساسية لزيادة سرعة ترسيب قطيرات الماء تشمل زيادة قطر القطيرات، وتقليل لزوجة الطور النفطي، وزيادة فرق الكثافة بين النفط والماء.

وهذا هو بالضبط الأساس الفيزيائي لتحسين كفاءة إزالة الأملاح ونزع الماء في عمليات إزالة الأملاح الكهروستاتيكية عبر التسخين لتقليل اللزوجة وتعزيز اندماج قطيرات الماء.

3. الاختيار الرشيد لشدة المجال الكهربائي

ينبغي التنبيه إلى أن مفتاح إزالة الأملاح الكهروستاتيكية ليس ببساطة «كلما ارتفع الجهد كان أفضل».

فعلى الرغم من أن زيادة شدة المجال الكهربائي تفيد اندماج قطيرات الماء، إلا أنها قد تعزز تشتت القطيرات أيضا في ظروف معينة. كما أن كفاءة إزالة الأملاح لا تزداد خطيا مع شدة المجال. وبعد نطاق معين، تؤدي الزيادات الإضافية في الجهد إلى تحسن محدود في أداء إزالة الأملاح.

لذلك، في التطبيقات الهندسية العملية يُركَّز بدرجة أكبر على الملاءمة الصحيحة لمعاملات المجال الكهربائي مع خصائص النفط الخام ودرجة الحرارة ومعدل حقن مياه الغسل وزمن المكوث، لتحقيق أداء إزالة أملاح ونزع ماء مستقر وقابل للتحكم.

في الممارسة الهندسية، تُشغَّل إزالة أملاح النفط الخام بالطرق الكهروستاتيكية عادة وفقا لتدفق عملية ثابت نسبيا.

يُسخَّن النفط الخام أولا عبر المبادلات الحرارية أو الفرن لتقليل اللزوجة وتحسين ظروف فصل النفط–الماء. ثم يُحقن جزء محدد من مياه الغسل، مما يسمح بنقل الأملاح الموجودة في النفط الخام بالكامل إلى الطور المائي.

بعد ذلك يدخل خليط النفط الخام إلى وعاء مزيل الأملاح الكهروستاتيكي، حيث يكتمل اندماج قطيرات الماء وفصلها بالترسيب تحت تأثير مجال كهربائي عالي الجهد. وتُصرَّف مياه الصرف المالحة المفصولة بشكل مستمر من أسفل الوعاء، بينما يُسحب النفط منزوع الأملاح من الأعلى ويُرسل إلى وحدات التقطير الجوي والفراغي اللاحقة.

وعلى الرغم من أن العملية تبدو بسيطة من حيث الشكل، فإن أداءها يعتمد بدرجة كبيرة على التحكم السليم في معلمات التشغيل. يجب الحفاظ على توازن ديناميكي بين درجة الحرارة وشدة المجال الكهربائي ومعدل حقن مياه الغسل وزمن المكوث داخل وعاء إزالة الأملاح. وأي انحراف لأي معلمة عن نطاقها الأمثل سينعكس مباشرة في تقلبات أداء إزالة الأملاح.