مواصفات البروبان والبيوتان التجاريين  

 2. البنزين:

 يظهر مسحِ معهد البترول الأميريكي بأنّ40  نوع مِنْ أنواعِ البنزين يتم تصنيعه في معامل التكرير (المصافي)، وان 90 % من الكمية الكلية للبنزين المنتج. في الولايات المتّحدةِ قد استعملتُ كوقود للسياراتِ. وتنتج أكثر المصافي بنزيناً في إثنان أو ثلاث درجاتِ، العادي الخالي من الرّصاص،المحسن، والممتاز ،اضافة الى انتاج وتجهيز البنزين العادي لتَلْبِية حاجاتِ المعدات الحقليةِ والسيارات المصنعه قَبْلَ العام  .1972

 إنّ الاختلاف الرئيسَي بين البنزين العادي والمحسن هو الأداءُ المضِادُّ للقرقعة في داخل المحرك.
 في العام1999 كان الرقم الأوكتاني المعلن (PON) للبنزين العادي الخالي من الرصاص حوالي 87 وحسب طريقة (PON) لقياس الرقم الأوكتاني وللبنزين المحسنِ يتَراوحَ مابين 89 إلى 93. أما البنزين العادي الخالي من الرصاص فكان المعدل 88.
 وبالنسبة لكافة انواع البنزين للمناطق المرتفعة فان معدل الرقم الأوكتاني المعلن يَنخفض درجتين عنه في المناطق الأخرى, ان الرقم الأوكتاني المعلن هو معدل حسابي لمجموع الرقم الأوكتاني الحركي (للمحركات (MON) والرقم الأوكتاني المختبري (RON) وهو يقل بمقدار اربعة الى ستة درجات عن الرقم الأوكتيني المختبري.

 ان البنزين عبارة عن خلطاتَ معقّدةَ مِنْ الهيدروكربوناتِ لها مديات غليان مثاليةُ مِنْ 100 إلى 400 درجة فهرنهايت أو ما يقابل 38 إلى 205 مئوية كما تم تحديدها من قبل الجمعية الأمريكية لاختبارات المواد (ASTM) وحيث يتم مزج مكونات البنزين لانتاج نوعية: عالية المقاومة للطقطقة (داخل المحرك)، سهولة الاشـتغال، سريع الإحماء، ميل منخفض إلى الغلق البخاريِ، ونسـبة ترسبات منخفضة في المحرّكِ.
 قدم كروز وستيفنسن حساب شامل جداً لمواصفات البنزين وكيفية واسلوب تأثر هذه المواصفات بمكوّناتِ المَزْج.

 لأغراضِ التصميمِ التمهيديِ لمعامل التكرير (المصافي)، وفي كل الأحوال، فان المكوّنات المستعملة في مَزْج بنزين المحرّكات ِ يُمْكِنُ أَنْ تُحدّدَ بـالبنزين الخفيف المستقطر مباشرة, (LSR) أو ناتج عملية الأزمرة , تحسين البنزين المُحَفَّزبالعامل المساعد، البنزين المحسن بعملية التكسـير , البنزين المحسن بعملية التكسـير بوجود الهيدروجين البنزين المبلمر, الكيلات, البيوتان الطبيعي, مع محسنات مماثلة كالـ (بيوتل أثيرالمثيل الثلاثي) (MTBE) والـ (بيوتل أثيرالأثيل الثلاثي) (ETBE)( أثير ميثيلِ أميلِ الثلاثيِ( TAME) ) والميثانول أما المحسنات الأخرى، على سبيل المثال، مانعات تأكسد، مخمدات معدنية، وعوامل مضادة للتوقف الفجائي) الانهيار)، لاتؤخذ بنظر الاعتبار بشكل منفرد حاليا، ولكن تضاف الى كلفةِ المواد الكيمياويةِ المضِادة للطقطقة المضافة للخليط واْن كمية عوامل الارتباط ضِدِّ الطقطقة المضافة، وكلفهم، يجب أنْ تقدر باجراء حسابات مزج الاوكتان.

 يتكون البنزين الخفيف المستقطر مباشرة من تجزئة C5 في درجة 199 ف أو 88 م للنفثا المستقطعة من التقطير الجوي للنفط الخام.
 ان تجزئة C5 في درجة 199 ف تعْني بأنّ البنتينات مُتضمّنة في التقطيعِ لكن الـ (C₄) والمركّبات ذات درجات الغليان الواطئة مستثناة ونقطة النهاية (TBP) تعادل 190ف تقريبا. وكنتيجة، يتم تصنيعه بصورة منفصلة مِنْ تجزئة البنزين الثقيل المستقطر مباشرة (HSR) ويَتطلّبُ غسل بمادة كاويَة فقط، المعالجة الخفيفة بوجود الهيدروجين، أَما إذا كان المطلوب أوكتان عالي, فان عملية الأزمرة تستهدف إنْتاج خليط البنزين للحصول على أعلى اوكتان بدون إضافةِ مركبات الرصاص،كما ركّبَ بَعْض اصحاب معامل التكرير وحداتَ أزمرة لمُعَالَجَة البنزين الخفيف المستقطر مباشرة وتركيبُ أوكتان معلن محسن بمقدار مِنْ 13 إلى 20 عددِ أوكتانِ اعلى من البنزين الخفيف المستقطر مباشرة. ان تحسين البنزين في وحدة تحسين البنزين (بواسطة العامل المساعد) هو منتج البنزين (C5+) وهو المنتوج المحسن.

 يستخدم البنزين الثقيل مباشر التقطير والبنزين المستخرج من وحدة التكويك كمادة أولية لتغذية وحدة تحسين البنزين، وعندما نحتاج اوكتان اعلى يتطلب وحدة لتحسين البنزين، التكسير بوجودالهيدروجين للبنزين ذو مدى الغليان المماثل الذي يمكن انتاجه في هذه الوحدة لزيَاْدَة مستويات الأوكتانِ.
 إنّ شروطَ عمليات تحسين البنزين مسيطر عليها لإعْطاء المُنتَوجِ المطلوبِ مواصفات ضِدَّ القرقعةَ في مدى 90 إلى 104 رقم اوكتاني مختبري 85 إلى 98 رقم اوكتاني معلن وخالي من الرصاص.

إنّ البنزين المحسن بواسطة التكسير بوجود عامل مساعد والبنزين المعامل بالهيدروجين يَستعملُ مباشرة كبنزين مخلوط للخزين, ولكن في بَعْض الحالاتِ يتم فصلها إلى منتوجات خفيفةِ وثقيلةِ ويتم تحسين المنتوجات الثقيلة بوجود عامل مساعد قبل أن يُمْزَجَ مع بنزين المحرّكِات. ويمكن تحقيق هذا في الحالات التي يكون فيها البنزين المستخدم خالي من الرّصاصُ كما أن الرقم الأوكتاني الآن أعلى بعدة أرقام مما كان عليه عندما كان استخدام مركبات الرصاص كمحسن للبنزين مسموحا. ومن الطبيعي ان يتم ارسال المنتجات الثقيلة المعاملة بالهيدروجين الى وحدة تحسين البنزين لزيادة الرقم الأوكتاني.
 في وحدة تحسين البنزين يتم زيادة مقدار الرقم الأوكتيني بتَحويل الأوكتانِ المنخفضِ البرافين (الشمع المعدني) إلى مركبات عطرية (أروماتية) عالية الأوكتانِ. بالرغم من أن بعض المركبات العطرية لها معدل تفاعل عالي مع الأوزون مما يسبب تَشكيل ملوثات بصرية في الهواءِ كما أن البعضِ منها عليها محاذير من قبل منظمات حماية البيئة. لذلك فان القيود المفروضة على المركبات العطريةِ مِنْ وقودِ المحركات سَيكونُ لها تأثيراتَ متزايدةَ على عمليات التصفية بسبب زيادة حدتها. مما ستسبب تحديد شدَّةَ تحسين البنزين بالعامل المساعد وسيتطلب من اصحاب المصافي استعمال طرق أخرى لزيادة الرقم الأوكتاني للبنزين وذلك بدَمْج مركبات مشبعة بالأوكسجين بصورة اكبر في الخليط.

 ان البنزين المُبَلْمَر يمكن تصنيعه بواسطة بلمرة الهيدروكربونِات الأوليفينية لانتاج اوليفينات ذات وزن جزيئي أعلى في مدى غليان البنزين. وفي تكنولوجيا تكرير النفط الخام تفضل عمليات الألكلة عوضا عن البلمرة لسببين:- الأول يمكن انتاج كميات كبيرة من المنتوجات ذات الرقم الأوكتاني العالي من الأوليفينات الخفيفة المتوفرة, والأخر هو أنّ مُنتَوجِ الألكلة بارافيني بدلاً مِنْ كونه أوليفينيي, وذلك لأن الأوليفينات تتفاعل ضوئيا إلى حدٍ كبير وتُساهمُ في تلوثِ الهواء بصورة واضحة للعيان وإنتاجِ الأوزونِ. ان بنزين الألكلة ناتج تفاعل الأيزوبيوتين مَع البروبلين والبيوتلين أو البنتلين لإنْتاج هيدروكربونِات مُتَفَرّعِة في مدى الغليان للبنزين.
 ان ألكلة كمية مُعينة من الأوليفينات تُنتجُ حجمَ مضاعف من وقودِ المحركات (البنزين) ذو الرقم الأوكتاني العاليِ بنفس الطريقة التي يُمْكِنُ أَنْ ينتَجَ منها بواسطة عملية البلمرة. إضافة الى ان الرقم الأوكتاني المعلن الناتج من الألكلة لخليط الأوكتان أعلى وذو حسّاسيةُ أوطأُ بدرجة كبيرة مِنْ بنزين البلمرة كما يتم خلط البيوتان الطبيعي مع البنزين للحصول على ضغطَ بخارِ معين مطلوب.

 ان ضغط البخارَ المسمى بـ (ضغط بخارِ رَيد) للبنزين هو موالفة مابين ضغط بخار ريد العالي لغرض تَحْسين المواصفات الإقتصاديِة وبداية تشغيل المحرّكِ وبين ضغط بخار ريد المنخفض لمنع قفل التبخرِ وتقليل خسائرَ التبخرِ وهو في حد ذاته، يَتغيّرُ مَع تغير فصول السّنة ويَتفاوتُ مابين 7.2 با/عقدة مربعة في الصيفِ و 13.5 با/عقدة مربعة في الشتاءِ. وللبيوتان رقم أوكتاني عالي عند الخلط وهو مركب مرغوب به في خليط البنزين, ويقوم أصحاب معامل التكرير باضافة أكبر كمية ممكنة منه الى خليط البنزين بقدر ما يسمح به ضغط البخار.
  يُمْكِنُ أَنْ يُستَعملَ الآيزوبيوتين لهذا الغرضِ لَكنَّه غيرمرغوبَ به لأن ضغط بخاره العالي لايسمح الا لكمية قليلة منه بالاندماج مع البنزين مقارنة بالبيوتان الطبيعي. أن القلق من تأثيراتِ استخدام وقودِ الهيدروكربونِ على البيئةِ سبّبتْ التغييراتَ في التعليماتِ البيئيةِ التي تُؤثّرُ على تراكيبِ وقود الديزلَ والبنزين.

 أن القيودُ الرئيسيةُ المفروضة على تصنيع وقود الديزلِ تحدد نسبةالكبريتَ والمركبات العطرية, أما القيود المفروضة على البنزين َ فهي اضافة الى تحديد نسبة الكبريت والمركبات العطرية فهي تحدد محتويات المركّبَ المعيّن أيضاً (مثل البنزين العطري)، تحدد بَعْض أنواعِ المُركّبِ (مثل الاوليفينات)، أقصى ضغط بخار رَيد، كذلك ادنى محتويات أوكسجين للمناطق التي تعاني من مشاكلِ أوّل أكسيد الكاربونِ.كل هذا أدّى إلى مفهومِ "البنزين المُحسن".
 أن مواصفات البنزين المحسن تُصمّمُ لإنْتاج وقود لمحرّكاتِ الاحتراق الداخلي والذي يعتبرعلى الأقل وقود نظيف كما هو الوقود عالي نسبة الميثانول. وكلما زادت المعرفة حول العلاقةِ بين الوقودِ والبيئةِ، فان مواصفات الوقودِ تتعرض للتغييرِ. وهنا، مصادر القلق الرئيسية مِنْ المفردات التي يتم مُنَاقَشتها سويّة مع التأثيراتِ النسبيةِ على البيئةِ. للمواصفاتِ الحاليةِ مِنْ الوقودِ تَرى مواصفاتَ الحمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) وحسب الرغبة للوقودِ المطلوب. 

مصادرِ الكبريتِ في البنزين

 أظهر الإختبارُ الحقلِي بأنّه من المرغوبُ أَنْ تكُونَ محتويات الكبريتِ في البنزين أقل مِنْ (300 ppm) جزء من المليون ما يعادل نسبة (0.03%) من الوزن. وكما يظهر في الجدول 4، فان النفثا التي يتم تكسيرها بوجود العوامل المساعدة المسيلة هي المصدرُ الرئيسيُ للكبريتِ في بنزينِ مصافي النفط, ولمصفاةِ نفط خامِّ مُعينةِ، ولغرض الوصول الى مواصفات بنزين بكمية كبريت اقل من 300 ppm، وبدون اختلاف في الأوكتانِ، من الضروريُ معالجة النفثا التي تم تكسيرها بوجود العوامل المساعدة المسيلة بواسطة الهيدروجين لتَخفيض مستوى الكبريتَ بما فيه الكفاية لإنْتاج نفثا بمحتويات كبريتِ مقبولةِ. إنّ البديلَ هو معالجة النفثا التي يتم تكسيرها بوجود العوامل المساعدة المسيلة بواسطة الهيدروجين، ولكن هذا يُشبعُ الأوليفينات في النفثا مما يُؤدّي إلى تخفيضِ في خليط ألاوكتانِ مِنْ إثنان إلى ثلاثة أرقامِ كما ان بعضُ الأرومات وأكثر الأوليفينات تتفاعل مع مكوّناتِ الجوِّ مما يسبب تلوث الهواء.
 إنّ نشاطاتَ مكوّناتِ البنزينِ هذه يمكن التعبير عنها بقابليتها على التفاعل مَع أيون الهيروكسيد (OH) الموجود في الجو. إنّ الجدولين التاليين تظهر المصادرَ وقابلية التفاعل لبعض مِنْ مكوّناتِ البنزينِ وبصورة خاصة الزيلينولات (مركب البنزين الهيدروكسيلي الثنائي المثيل) والاوليفينات الأكثر تفاعلاً وقَدْ يَكُون من الضروريَ وَضْع قيود على هذه الموادِ.

 العطريات (الآرومات) والأوليفينات في البنزين

التفاعلية وضغط بخار ريد (RVP) مكونات البنزين

  التفاعلية مَع أيون الهيدروكسيد الحر في الجوِّ  

أن انتاج وقود سيارات أقل تأثيرا على البيئة سَيَتطلّبُ إضافة أجهزةِ للمصافي اضافة إلى التغييراتِ في نوعية العوامل المساعدة المستعملة لتحسين الوقود وتقنياتِ التشغيل والانتاج.
ومنذ الأربعيناتِ، فان انتاج بنزين المحرّكات كَانَ المُنتَجَ الرئيسيَ للمصافي، وفي 1998 ، كان إنتاج البنزين يحتل النسبة الأكبرَ مِنْ منتجات الصناعات الأساسيةِ في الولايات المتّحدةِ. وكانت الـ 400 مليون طن المنتجة مِنْ البنزينِ في ذلك العام تتجاوز ناتجَ الفولاذِ، الواح الخشب، ومُنتَجات أخرى عملاقة وقد استعمل 90% من هذا الإنتاجِ، في الشاحناتِ والسياراتِ. إنّ سوقَ وقود الطيرانَ صغير نسبياً وتُشكّلُ أقلّ من 3% مِنْ سوقِ البنزينَ. ولهذا السبب، فانه لايؤخذ بنظر الاعتبار في تصميمِ المصفاةِ التمهيديِ.

3.  مواصفاتِ البنزين:

 بالرغم من أن هناك عِدّة مواصفات مهمة للبنزين، الا ان للبنزين ثلاثة مواصفات لها التأثيراتُ الأعظمُ على أداءِ المحرّكِ وهي ضغطَ بخارِ رَيد، مدى الغليان، وخصائص ضِدّ القرقعة. ضغط بخارِ رَيد ومدى غليان البنزينِ يتحكم بسهولةَ تشغيل المحركات، إحماء المحرك، معدل التعجيلِ، الفقدان الناتج من تخفيفِ حاوية المرافق، الإقتصاد بالاستهلاك للمسافة المقطوعة (كم أو ميل)، والمَيل نحو قفلِ التبخرِ. إحماء المحرّكِ الوقت يتأثّر ُبنسبة التقطير في درجة حرارة  158ف -  70 م . و90 %  درجة حرارة التقطير ِحسب معيار الـجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM)
الإحماء يُعبر عنه بالمسافةِ التي يشتغل خلالها المحرك لحين الوصول الى الطاقة القصوى بدون إستعمالِ مفرطِ لصمام الخنق. أي إثنان إلى أربعة أميال إحماء يُعتَبرُ مقنعاً كما أن العلاقةَ مابين درجةِ الحرارة الخارجية ونسبة التقطّيرَ لإعْطاء مواصفات الإحماءِ المقبولةِ كما يلي:  

  يمكن السيطرة على الفقدان الناتج من تخفيفِ حاوية المرافق، بواسطة 90 % درجة حرارة التقطيرِ حسب معيار الـجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM).اضافة الى درجةِ الحرارة الخارجية. ولإبْقاء الفقدان الناتج من تخفيفِ حاوية المرافق ضمن حدودِ مقبولةِ، فان قابلية التطاير يَجِبُ أَنْ تكُونَ كما يلي:  

الميل إلى قفلِ التبخيرِ يُتعلّقُ مباشرة بضغط بخار ريد للبنزين .ولغرض السيطرة على التبخيرِ، فان ضغط بخارَ البنزينِ يَجِبُ أَنْ لا يتجاوزَ الحدودَ التاليةَ:   

 إنّ ضغطَ بخارِ رَيد يساوي تقريباً ضغطُ بخارَ البنزينِ في  1000ف 38 م  في الوحداتِ المُطلقةِ حسب معيار ASTM  يُؤثّرُ الإرتفاعُ على عِدّة مواصفات للبنزين، من أهمها خسائرَ التبخير ومتطلباتِ الرقم الأوكتاني, ان متطلبات الرقم الأوكتانيِ تتأثر كثيراً بالإرتفاعِ عن مستوى سطح البحر، ولتقدّم شرارةِ محرك ثابتِ، يكون الرقم الأوكتاني حوالي ثلاث أرقام أقل لكل 1000 قدم (305 m) مِنْ الإرتفاعِ. عملياً، تُقدم شرارة ُالمحرك في الإرتفاعاتِ الأعلى لتحسّينَ أداءَ المحرّكِ ويكون التأثيرِ الصافيِ هو تقليل الرقم الأوكتاني المعلن للبنزينِ المسوق بحوالي رقمان لكل 5000 قدم ( 1524م) زيادة في الإرتفاعِ. 

متطلبات الرقم الأوكتانيِ لنفس نموذجِ المحرّكِ سَتتفاوتُ مابين 7 إلى 12 رقم اوكتاني مختبري بسبب الإختلافاتِ في دقة الضبطِ للمحرك، رواسب المحرّك ، والسماحات في المحرك. أما الجدول التالي فيوضح بَعْض التأثيراتِ المثاليةِ للمتغيّراتِ على متطلباتِ الرقم الأوكتانيِ للمحرّكِ.

هناك عِدّة أنواع من الرقم الأوكتانِي لمحرّكاتِ إيقادِ الشرارةِ, الطريقتان المُحدَّدتان بإلاختباراتِ المختبرِية إعتبرتَا الأكثر شيوعاً: تلك المُحدَّدِة بواسطة "طريقة المحرك (الرقم الأوكتاني الحركي) وتلك المُحدَّدةِ بطريقةِ البحث الرقم الأوكتاني المختبري) كلتا الطريقتين تعتمدان نفس النوعَ الأساسيَ مِنْ محرّكِ الإختبارِ ولكن تحت ظروف تشغيلية مختلفةِ. الرقم الاوكتاني المختبري حسب معيار الجمعية الأمريكية لاختبار المواد ( ASTM D-908) يُمثّلُ الأداءَ أثناء قيادة سيارة في داخل المدينةِ عندما يكون التعجيلِ متكرّرُ نسبياً، والرقم الاوكتاني للمحرك حسب معيار (ASTM D-357) هو دليل على أداءِ المحرّكِ على الطريق السريعِ أَو تحت ظروف تشغيلية صعبة.

 إنّ الإختلافَ ما بين الرقم الأوكتانِي المختبري والرقم الأوكتاني الحركي هو مؤشرُ لحسّاسيةِ أداءِ الوقودِ في كلا نوعي ظروف القيادة ويمكن أن يرمز لها بـ"حسّاسيةِ" الوقودِ, ومن الواضح، أن السائق يوَدُّ أن يكون إداء الوقود جيدا على حد سواء  في داخل المدينةِ وعلى الطريق السريعِ، لذا فان الوقود قليل الحساسية يعتبر الأفضل بالنسبة له. ومنذ إعلان الرقم الأوكتانِي على مضخّاتِ محطةَ الوقود في الولايات المتّحدةِ، أصبح الرقم الأوكتانِي المُعلن الأكثر شهرةً ومعرفة مِن قِبل السائقِ النموذجيِ. ويعتبر الرقم الأوكتاني المعلن المعدلُ الحسابيُ للرقم الأوكتاني المختبري + الحركي بعد القسمة على 2 .

 مقتبس بتصرف من موقع العلوم والتكنلوجيا