پالایش نفت خام و سوخت های فسیلی

1. پالایش نفت خام و برش‌های نفتی
نفت خام مخلوطی پیچیده از صدها هیدروکربن مختلف است. برای استفاده از این مخلوط، باید اجزای آن را بر اساس تفاوت در نقطه جوش از یکدیگر جدا کرد. این فرآیند «تقطیر جزء به جزء» نامیده می‌شود و در برج تقطیر پالایشگاه‌ها انجام می‌گیرد.
در برج تقطیر، نفت خام حرارت دیده و به صورت بخار وارد برج می‌شود. هرچه به سمت بالای برج می‌رویم، دما کاهش می‌یابد. هیدروکربن‌ها بر اساس نقطه جوش خود در سینی‌های مختلف برج به مایع تبدیل شده و جدا می‌شوند.
برش‌های نفتی از سبک (بالای برج) به سنگین (پایین برج):
1. گازهای پالایشگاهی (برش گازی): حدود \(C_1\) تا \(C_4\). شامل متان تا بوتان است. کاربرد: سوخت گاز شهری، کپسول‌های گاز (LPG) و خوراک پتروشیمی.
2. بنزین: حدود \(C_5\) تا \(C_{12}\). کاربرد: سوخت خودروهای سبک و حلال‌های صنعتی.
3. نفت سفید: حدود \(C_{10}\) تا \(C_{15}\). کاربرد: سوخت هواپیما (سوخت جت)، موتورهای تراکتور و گرمایش.
4. نفت گاز (گازوئیل / دیزل): حدود \(C_{15}\) تا \(C_{25}\). کاربرد: سوخت خودروهای سنگین (کامیون‌ها، اتوبوس‌ها)، قطارها و موتورهای دیزلی.
5. نفت کوره، روغن‌های روان‌کننده و قیر (ته‌مانده‌های برج تقطیر): هیدروکربن‌های با بیش از 25 اتم کربن (\(C>25\)). کاربرد: سوخت کشتی‌ها و نیروگاه‌ها، روغن موتور، آسفالت جاده‌ها و عایق‌کاری.

مقایسه خواص فیزیکی برش‌های نفتی (روند از بالای برج به پایین برج):
با حرکت از برش‌های سبک (بالای برج) به سمت برش‌های سنگین (پایین برج)، تعداد اتم‌های کربن و جرم مولی هیدروکربن‌ها افزایش می‌یابد. این تغییر ساختاری باعث تغییرات زیر در خواص فیزیکی می‌شود:
• تعداد اتم کربن: افزایش می‌یابد.
• نیروهای بین مولکولی (وان دروالس /لندن): قوی‌تر می‌شود.
• نقطه جوش: افزایش می‌یابد (نیاز به گرمای بیشتر برای غلبه بر نیروهای قوی‌تر).

• گرانروی (مقاومت در برابر جاری شدن): افزایش می‌یابد (مولکول‌های بزرگ‌تر و سنگین‌تر در هم گره خورده و سخت‌تر جاری می‌شوند؛ قیر گرانروی بسیار بالایی نسبت به بنزین دارد).
• فراریت (تمایل به بخار شدن): کاهش می‌یابد (مولکول‌های سنگین به سختی بخار می‌شوند).
• قابلیت اشتعال: کاهش می‌یابد (برش‌های سنگین‌تر می‌سوزند و دود بیشتری تولید می‌کنند).

۲. مقایسه زغال‌سنگ در برابر بنزین
با کاهش ذخایر نفتی، زغال‌سنگ به عنوان یک جایگزین مطرح می‌شود، اما مقایسه این دو سوخت نشان‌دهنده تفاوت‌های مهمی است:
• ارزش سوختی: ارزش سوختی مقدار گرمایی است که از سوختن یک گرم از ماده آزاد می‌شود. ارزش سوختی بنزین (حدود \(48 kJ/g\) ) بیشتر از زغال‌سنگ (حدود \(30 kJ/g\) ) است. یعنی برای تولید مقدار مشخصی انرژی، باید جرم بیشتری زغال‌سنگ نسبت به بنزین سوزانده شود.
• نوع آلاینده‌های تولیدی: زغال‌سنگ سوخت بسیار کثیف‌تری است. در ساختار زغال‌سنگ علاوه بر کربن و هیدروژن، مقادیر قابل توجهی گوگرد (S)، نیتروژن (N) و مواد معدنی وجود دارد. سوختن زغال‌سنگ باعث تولید گازهای سمی مانند \(SO_2\) (عامل اصلی باران اسیدی) و \(NOx\)، به همراه مقدار زیادی دوده، خاکستر و فلزات سنگین می‌شود. بنزین خالص آلاینده‌های کمتری دارد و ضمن سوختن \(CO_2\)، \(CO\) و \(H_2O\) تولید میکند.

• مقدار کربن دی‌اکسید \((CO_{2})\) تولیدی: برای تولید مقدار مساوی انرژی، زغال‌سنگ مقدار بسیار بیشتری \(CO_{2}\) نسبت به بنزین (و گاز طبیعی) تولید می‌کند. بنابراین، استفاده از زغال‌سنگ اثرات گلخانه‌ای و گرمایش جهانی را به شدت تشدید می‌کند. 

3. راه‌های بهبود زغال‌سنگ (کاهش آلایندگی)

 برای کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی استفاده از زغال‌سنگ، از روش‌هایی استفاده می‌شود که به آن‌ها «فناوری‌های زغال‌سنگ پاک» می‌گویند:

 1. شستشوی زغال‌سنگ پیش از مصرف: 

قبل از سوزاندن زغال‌سنگ، آن را به روش‌های فیزیکی و شیمیایی شستشو می‌دهند تا ناخالصی‌هایی مانند گوگرد و سایر مواد معدنی تا حد امکان از آن جدا شوند. این کار مقدار خاکستر و گوگرد دی‌اکسید تولیدی هنگام سوختن را کاهش می‌دهد.

2. مهار گاز سمی گوگرد دی‌اکسید\((SO_{2})\) پس از سوختن:

 با وجود شستشو، باز هم مقداری\(SO_{2}\) تولید می‌شود. برای جلوگیری از ورود این گاز اسیدی و سمی به هواکره، گازهای خروجی از دودکش نیروگاه‌ها را از روی مواد بازی (قلیایی) عبور می‌دهند.

 یکی از بهترین مواد برای این کار، کلسیم اکسید \((CaO)\)یا همان آهک زنده است. کلسیم اکسید با گاز اسیدی \(SO_{2}\) واکنش داده و آن را به صورت یک رسوب جامد (کلسیم سولفیت) به دام می‌اندازد: 

\[CaO(s)+SO_{2}(g)→CaSO_{3}(s)\]

 با این روش، گوگرد دی‌اکسید مهار شده و از تشکیل باران‌های اسیدی حاوی سولفوریک اسید جلوگیری می‌شود.