فرآیند کراکینگ بخار نه‌ تنها از نظر حجمی، بلکه از نظر فنی نیز یکی از پیشرفته‌ترین فرآیندهای صنعتی در دنیاست که ترکیبی از ترمودینامیک، سینتیک واکنش، مهندسی حرارتی و طراحی کوره را در دل خود جای داده است. بررسی دقیق این فرآیند می‌تواند در ارتقاء بهره‌ وری، کاهش مصرف انرژی، و بهینه‌ سازی ترکیب محصولات خروجی تأثیر بسزایی داشته باشد.

جایگاه راهبردی کراکینگ بخار در زنجیره تولید الفین‌ها

کراکینگ بخار فرآیندی است که طی آن هیدروکربن‌های سنگین‌تر (مانند اتان، پروپان، نفتا یا حتی گازوئیل) در دمای بالا و در حضور بخار آب بدون حضور کاتالیزور به اجزای سبک‌تر شکسته می‌شوند. این فرآیند عمدتاً برای تولید الفین‌ ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌ویژه اتیلن که بیشترین حجم تولید را دارد.

اتیلن، خود ماده اولیه ساخت پلی‌اتیلن، اتیلن‌گلایکول، وینیل کلراید و بسیاری از ترکیبات دیگر است. از سوی دیگر، پروپیلن نیز در تولید پلی‌پروپیلن و آکریلونیتریل به‌کار می‌رود. به همین دلیل، تقاضای جهانی برای این دو الفین، به‌صورت مستقیم بر طراحی، بهره‌ برداری و سرمایه‌گذاری در واحدهای کراکینگ تأثیرگذار است.

مکانیسم‌های شیمیایی حاکم بر کراکینگ بخار

کراکینگ بخار یک فرآیند رادیکالی محسوب می‌شود که در دمایی حدود ۷۵۰ تا ۸۵۰ درجه سلسیوس انجام می‌شود. در این دما، پیوندهای C–C و C–H هیدروکربن‌ها شکسته شده و مجموعه‌ای از رادیکال‌های آزاد تولید می‌شود که در ادامه وارد زنجیره‌های واکنشی شده و ترکیبات سبک‌تر تولید می‌کنند.

به‌طور معمول، ابتدا رادیکال‌های اولیه از شکستن مولکول خوراک ایجاد می‌شوند. این رادیکال‌ها سپس وارد واکنش‌های جانبی و زنجیره‌ای می‌شوند و در نهایت، فرآورده‌هایی نظیر اتیلن، متان، پروپیلن و دی‌هیدروژن شکل می‌گیرند. به دلیل ماهیت واکنش‌ها، مدت زمان اقامت گازها در منطقه واکنش باید بسیار کوتاه باشد (کمتر از ۰.۵ ثانیه)، تا از تشکیل بیش از حد دوده یا محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری شود.

تأثیر نوع خوراک بر محصولات خروجی

نوع خوراک ورودی نقش تعیین‌کننده‌ای در ترکیب محصولات خروجی دارد. برای مثال، کراکینگ گاز اتان منجر به تولید درصد بالایی از اتیلن می‌شود (بالای ۸۰٪)، در حالی که خوراک نفتا، طیف وسیعی از محصولات از جمله اتیلن، پروپیلن، بوتادین و آروماتیک‌ها را به‌همراه دارد.

در مناطق دارای منابع غنی گاز طبیعی نظیر ایالات متحده، ایران، قطر و روسیه، بیشتر واحدهای کراکینگ از اتان یا سایر ترکیبات سبک گازی استفاده می‌کنند. این رویکرد هم به‌دلیل هزینه پایین خوراک و هم برای دستیابی به راندمان بالاتر اتیلن مرسوم است. اما در مناطقی که نفتا به‌راحتی در دسترس است (مانند ژاپن و برخی کشورهای اروپایی)، کراکینگ نفتا رایج‌تر است، چراکه تنوع محصولات خروجی مطلوب‌تر است.

نقش بخار آب در کنترل فرآیند

اگرچه اصطلاح “کراکینگ بخار” ممکن است به‌ اشتباه حضور فعال بخار در شکستن مولکول‌ ها را تداعی کند، اما نقش بخار در این فرآیند عمدتاً فیزیکی است. بخار باعث رقیق‌ سازی خوراک می‌شود، که به کنترل دمای شعله، جلوگیری از تشکیل دوده، و کاهش احتمال تشکیل محصولات جانبی کمک می‌کند.

نسبت بخار به خوراک یکی از متغیرهای کلیدی طراحی است. افزایش این نسبت موجب کاهش سرعت واکنش‌های ثانویه و افزایش انتخاب‌پذیری به سمت الفین‌ ها می‌شود. البته، افزایش بیش از حد بخار به معنای افزایش بار حرارتی و مصرف انرژی خواهد بود، لذا یک نقطه بهینه در هر واحد طراحی می‌شود.

طراحی کوره‌های کراکینگ: قلب فرایند

کوره کراکینگ مهم‌ترین و پرهزینه‌ترین بخش یک واحد الفین محسوب می‌شود. طراحی دقیق آن بر اساس شبیه‌سازی حرارتی و دینامیک سیالات انجام می‌شود. هر کوره شامل چندین کویل افقی یا عمودی است که خوراک از آن‌ها عبور کرده و به‌سرعت تا دمای مورد نظر گرم می‌شود.

دمای دیواره داخلی این کویل‌ها به بیش از ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، در حالی که گاز داخل کویل‌ها باید در کمتر از نیم ثانیه حرارت ببیند و از واکنش عبور کند. چالش اصلی در طراحی کوره، کنترل یکنواختی دما، جلوگیری از دوده‌نشینی، و افزایش طول عمر تجهیزات است.

امروزه شرکت‌هایی مانند Technip و Lummus در زمینه طراحی کوره‌های کراکینگ پیشتاز هستند و نوآوری‌هایی در زمینه بازیابی گرمای اتلافی، بهینه‌سازی مسیرهای گاز، و استفاده از فناوری‌های دیجیتال برای پایش کوره‌ها ارائه داده‌اند.

بهره‌برداری و کنترل فرآیند در کراکینگ بخار

عملیات بهره‌برداری از واحد کراکینگ مستلزم دقت بالا در کنترل شرایط فرآیند است. کوچک‌ترین نوسان در دما، فشار یا ترکیب خوراک می‌تواند ترکیب محصولات را به‌صورت چشم‌گیری تغییر دهد. بنابراین، سیستم‌های کنترلی پیشرفته از جمله DCS و APC برای تنظیم نقطه بهینه‌ی عملکرد به‌کار می‌روند.

یکی از مهم‌ترین پارامترها، دمای انتهایی خروجی از کویل است که مستقیماً بر میزان تبدیل و انتخاب‌پذیری به الفین‌ها اثر دارد. همچنین، پاک‌سازی دوره‌ای کویل‌ها از دوده تشکیل شده (Decoking) یکی از الزامات بهره‌برداری بلندمدت و مداوم محسوب می‌شود.

نوآوری‌های اخیر در کراکینگ بخار

در سال‌های اخیر، شرکت‌های بزرگ پتروشیمی به سمت توسعه فناوری‌های جدیدتر در فرآیند کراکینگ گام برداشته‌اند. یکی از این روندها، استفاده از گرمایش الکتریکی به‌جای مشعل‌های سنتی است که در کاهش انتشار CO₂ و بهبود کنترل حرارت نقش مهمی دارد.

همچنین، کاربرد یادگیری ماشین و آنالیز داده در پیش‌بینی زمان بهینه Decoking، کاهش مصرف سوخت، و افزایش عمر تجهیزات، به یکی از محورهای تحول دیجیتال در این صنعت تبدیل شده است.

برخی از شرکت‌ ها نیز به‌دنبال تلفیق کراکینگ بخار با سایر فناوری‌ها هستند، مانند کراکینگ کاتالیستی سبک (SCC)، تا فرآیندهایی با انرژی کمتر و راندمان بالاتر طراحی کنند.

آینده فرآیند کراکینگ بخار در مسیر گذار انرژی

با توجه به فشارهای جهانی برای کاهش اثرات زیست‌محیطی و حرکت به‌سمت اقتصاد کم‌کربن، آینده کراکینگ بخار با چالش‌هایی همراه خواهد بود. این فرآیند به‌دلیل مصرف بالای انرژی، یکی از منابع اصلی انتشار CO₂ در زنجیره پتروشیمی است. بنابراین، توسعه راهکارهای کربن‌زدایی، بازیافت حرارتی، جایگزینی سوخت‌های فسیلی با منابع پاک، و تغییر در طراحی کوره‌ها اهمیت خواهد یافت.

در همین راستا، برخی پروژه‌های آزمایشی با گرمایش الکتریکی از منابع تجدیدپذیر، یا بهره‌گیری از هیدروژن به‌عنوان سوخت پاک در مشعل‌ ها، در حال اجرا هستند. از طرفی، مطالعاتی برای جایگزینی فرآیندهای شیمیایی کم‌انرژی‌تر نیز در جریان است.