معرفی انواع وکیوم باتوم و عوامل موثر بر کیفیت آنها

وکیوم باتوم (Vacuum Bottom)، که با نام‌های دیگری چون ته مانده برج تقطیر خلاء (Vacuum Tower Bottoms – VTB) یا ته مانده سنگین خلاء (Heavy Vacuum Residue – HVR) نیز شناخته می‌شود، نماینده سنگین‌ترین و در عین حال پرچالش‌ترین اجزای سازنده نفت خام است. این ماده، که محصول نهایی تقطیر در برج خلاء به شمار می‌رود، شالوده‌ای برای تولید قیر فراهم می‌آورد. وکیوم باتوم، متشکل از هیدروکربن‌هایی با زنجیره‌های بلندتر از 35 اتم کربن، در دمای محیط به حالتی جامد یا نیمه جامد جلوه می‌کند. این ماده، اگرچه در واپسین مراحل پالایش نفت حاصل می‌گردد، اما نقشی اساسی در صنایع مختلف بر عهده دارد.

تولد وکیوم باتوم در دو گام تقطیر اتمسفری و تقطیر در خلاء رقم می‌خورد. در گام نخست، نفت خام پس از گرم شدن، از برج تقطیر اتمسفری عبور می‌کند. در این مرحله، حرارت نفت خام تا حدود 370 درجه سانتیگراد افزایش یافته و اجزای سبک‌تر آن از بدنه اصلی جدا می‌شوند. سنگین‌ترین جزء حاصل از این فرآیند، که با نام “ته وکیوم باتوم” یا وکیوم باتوم شناخته می‌شود، در واحد تقطیر در خلاء تحت فرآوری‌های بیشتری قرار می‌گیرد. در این بخش، با کاهش فشار و کنترل دقیق دما، از شکستن ساختار مولکول‌ها جلوگیری به عمل می‌آید. این تدبیر امکان جداسازی اجزای سنگین‌تر نفت خام را در دماهای پایین‌تر میسر ساخته و از تجزیه حرارتی (Cracking) مولکول‌ها ممانعت می‌کند. تقطیر در خلاء، به مثابه نبض تپنده فرآیند پالایش نفت، امکان تولید فرآورده‌های نفتی از روغن‌های سنگین بازمانده از تقطیر اتمسفری را فراهم می‌آورد. گواه این اهمیت، حضور واحدهای تقطیر در خلاء در حدود 80 درصد از پالایشگاه‌های فعال در ایالات متحده است.

در گذشته وکیوم باتوم به عنوان ماده‌ای زاید و بی‌مصرف در صنعت نفت تلقی می‌شد و در عرصه صنایع جایگاهی نداشت. اما با پیشرفت روزافزون دانش و فناوری، کاربری‌های متنوعی برای آن کشف گردید.

وکیوم باتوم، به عنوان ماده اولیه اصلی در تولید قیر (Bitumen)، در صنایع راه و ساختمان و عایق‌بندی نقش مهمی ایفا می‌کند. همچنین، از این ماده برای تولید روغن‌های پایه (Base Oils) صنعتی و روان‌کننده‌ها بهره گرفته می‌شود. وکیوم باتوم، همچون خمیری انعطاف‌پذیر، می‌تواند به عنوان خوراک برای واحدهای ارتقاء کیفیت نظیر واحد کک‌سازی تاخیری (Delayed Coking) و واحدهای هیدروکراکینگ (Hydrocracking) مورد استفاده قرار گیرد تا به فرآورده‌های ارزشمندتری چون نفتا، گازوئیل و کک نفتی بدل گردد. در برخی از صنایع، وکیوم باتوم به عنوان سوختی جایگزین نفت کوره سنگین (Heavy Fuel Oil)، نیز به کار گرفته می‌شود. حدود 70 درصد از ماده اولیه نفت کوره از وکیوم باتوم شکل گرفته است. تنوع کاربری‌های وکیوم باتوم، نشان دهنده ارزش بالای این ماده به عنوان محصول جانبی پالایش نفت بوده و نقش مهمی در بازرگانی فرآورده‌های نفتی ایفا می‌کند. این ماده، که روزگاری به مثابه چالش در نظر گرفته می‌شد، اکنون به جزئی حیاتی در منظومه جهانی انرژی و تولید بدل گشته است.

ظاهر وکیوم باتوم و ویژگی‌های فنی آن

وکیوم باتوم، مشابه آنچه برای بنزین یا گازوئیل مرسوم است، نمی باشد. با این حال، بسته به نوع نفت خام ورودی، فرآیند پالایش به کار رفته و کاربرد نهایی مدنظر، وکیوم باتوم می‌تواند ویژگی های متفاوتی از خود بروز دهد که به نوعی می‌ توان آن‌ها را به عنوان گونه‌های غیر رسمی تلقی نمود. ویژگی های شیمیایی وکیوم باتوم، تنوع فراوانی دارد و می‌تواند بر اساس منبع نفت خام دستخوش تغییر گردد. برای نمونه، میزان گرانروی و چگالی وکیوم باتوم می‌تواند در گستره‌های متفاوتی قرار گیرد. افزون بر این، از آنجا که وکیوم باتوم اغلب به عنوان ماده‌ای اولیه برای فرآوری‌های آتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ممکن است توجه کمتری به تعیین درجه‌بندی نهایی برای آن معطوف شده باشد.

برخی ممکن است وکیوم باتوم را بر اساس ویژگی‌های کلیدی نظیر گرانروی، چگالی، نقطه اشتعال و میزان نفوذپذیری (Penetration) دسته‌بندی نمایند. این ویژگی‌ها در تعیین میزان تناسب وکیوم باتوم برای کاربردهای ویژه، مانند تولید قیر با درجه نفوذ معین، از اهمیت بسزایی برخوردارند.

کاربری‌های بنیادین وکیوم باتوم در صنایع گوناگون

وکیوم باتوم، می‌تواند به عنوان خوراکی ارزشمند در تولید روغن‌های پایه معدنی به کار گرفته شود. فرآیندهای تولید شامل تقطیر در خلاء، زدودن آسفالتین، حذف موم (Dewaxing)، هیدروتریتینگ و اختلاط (Blending) می‌باشد. کیفیت روغن پایه حاصل از وکیوم باتوم، بسته به فرآیند پالایش و نوع نفت خام اولیه، می‌تواند متغیر بوده و در گروه‌های مختلف API (I، II و III) طبقه‌بندی گردد. تقطیر در خلاء، گامی است در جهت تبدیل یک محصول جانبی به ماده‌ای اولیه و سودمند برای تولید روان‌کننده‌ها. این فرآیند، مولکول‌های نفت خام را بر اساس اندازه تفکیک نموده و برای تولید روغن‌های پایه با گرانروی‌های متفاوت ضروری است. کیفیت نهایی روغن پایه، به فناوری‌های به کار رفته در پالایشگاه وابسته است. پالایشگاه‌ها، با بهره‌گیری از فرآیندهای متنوع، قادر به تولید روغن‌های پایه با سطوح مختلف خلوص و خواص بوده که در صنایع گوناگون مورد نیاز است.

بیشترین سهم کاربری وکیوم باتوم، به عنوان ماده‌ای اولیه، در تولید انواع قیر رقم می‌خورد. وکیوم باتوم، به مثابه خمیرمایه‌ای برای تولید قیر شناخته می‌شود، زیرا ماده اصلی و اولیه در این فرآیند است. قیر حاصل از وکیوم باتوم، از طریق فرآیندهای گوناگونی نظیر هوادهی (Air Blowing)، اختلاط با مواد افزودنی (همچون پلیمرها و قیر طبیعی) و یا استفاده مستقیم (در صورت دارا بودن ویژگی‌های مطلوب) به گریدهای مختلف با خواص متفاوت برای کاربردهای گوناگون (مانند راهسازی، عایق‌بندی و غیره) تبدیل می‌گردد. فرآیند هوادهی، سبب افزایش گرانروی و نقطه نرمی قیر شده و آن را برای کاربردهای ویژه، نظیر قیرهای مورد استفاده در شرایط آب و هوایی گرم، مناسب می‌سازد. همچنین، اختلاط با مواد افزودنی می‌تواند خواص قیر را برای کاربردهای تخصصی بهبود بخشد. وکیوم باتوم، ماده‌ای اولیه بسیار انعطاف‌پذیر برای تولید قیر با خواص سفارشی به شمار می‌رود.

وکیوم باتوم می‌تواند به عنوان خوراکی برای واحدهای کک‌سازی تاخیری به منظور تولید نفتا، گازوئیل و کک نفتی مورد استفاده قرار گیرد. این فرآیند، شامل گرمایش وکیوم باتوم تا دما و فشار بالا بوده که سبب شکستن ساختار آن و تولید محصولات ارزشمند می‌گردد. همچنین، در برخی صنایع پتروشیمی، به عنوان ماده‌ای اولیه برای تولید محصولات شیمیایی خاص و مشتقات هیدروکربنی به کار می‌رود. وکیوم باتوم می‌تواند به عنوان جزئی در تولید نفت کوره سنگین برای مصارف صنعتی، تولید برق و موتورهای دریایی مورد استفاده قرار گیرد. حدود 70 درصد از شالوده نفت کوره از وکیوم باتوم شکل گرفته است. وکیوم باتوم، به دلیل ساختار پیچیده هیدروکربنی خود، ماده‌ای اولیه ارزشمند برای تولید طیف وسیعی از محصولات در صنایع مختلف به شمار می‌رود. این تنوع در کاربری‌ها، نمایانگر اهمیت وکیوم باتوم در اقتصاد جهانی است.

عوامل موثر بر کیفیت گونه‌های وکیوم باتوم

ترکیب شیمیایی و خواص وکیوم باتوم، به شدت تحت تاثیر نوع نفت خام مورد استفاده در پالایشگاه قرار دارد. نفت خام‌های گوناگون، دارای مقادیر متفاوتی از هیدروکربن‌های سنگین، گوگرد، فلزات و آسفالتین‌ها هستند که مستقیماً بر کیفیت وکیوم باتوم نهایی تاثیر می‌گذارد. کیفیت نفت خام می‌تواند بر خواص ته وکیوم باتوم هیدروکراک شده و نحوه اختلاط آن با برش‌های نفتی برای تولید نفت کوره اثرگذار باشد. انتخاب نوع نفت خام مناسب برای پالایشگاه، می‌تواند نقشی کلیدی در تولید وکیوم باتوم با کیفیت مطلوب برای کاربردهای خاص ایفا نماید. پالایشگاه‌ها ممکن است نفت خام‌های مختلف را با یکدیگر مخلوط کنند که این امر می‌تواند منجر به خواص متفاوت در ته وکیوم باتوم هیدروکراک شده گردد.

شرایط عملیاتی واحدهای تقطیر اتمسفری و خلاء (مانند دما، فشار و زمان ماند)، نقشی بسزا در کیفیت و میزان تولید وکیوم باتوم ایفا می‌کنند. تقطیر در خلاء، به منظور جلوگیری از تجزیه حرارتی اجزای خوراک انجام می‌پذیرد. فرآیندهای پیشرفته تقطیر می‌توانند به جداسازی بهتر اجزای مختلف نفت خام و در نتیجه تولید وکیوم باتوم با کیفیت برتر یاری رسانند. استفاده از سیستم‌های خلاء کارآمد در واحدهای تقطیر می‌تواند به افزایش بازیابی محصول و جلوگیری از واکنش‌های ثانویه نامطلوب کمک نماید. بهینه‌سازی فرآیندهای پالایش و تقطیر برای دستیابی به وکیوم باتوم با کیفیت مورد نظر، از اهمیتی زیادی برخوردار است. این امر، شامل کنترل دقیق دما و فشار در برج‌های تقطیر و بهره‌گیری از فناوری‌های مناسب می‌گردد.

حضور ناخالصی‌هایی نظیر گوگرد، فلزات سنگین و آسفالتین‌ها در وکیوم باتوم، می‌تواند بر کیفیت و کاربردهای آن تاثیری ناخوشایند بر جای گذارد. میزان بالای گوگرد، می‌تواند منجر به مشکلات زیست‌محیطی و خوردگی تجهیزات گردد. آسفالتین‌ها، ترکیبات پیچیده با وزن مولکولی بالا هستند که سبب افزایش گرانروی وکیوم باتوم شده و مدیریت آن‌ها در فرآیندهای پالایش و استفاده از وکیوم باتوم را دشوار می‌سازد. غلظت بالای ته مانده برج تقطیر خلاء در خوراک FCC می‌تواند منجر به افزایش میزان آسفالتین‌ها و هترواتم‌ها در روغن اسلاری شود. حذف یا کاهش میزان این ناخالصی‌ها از طریق فرآیندهای پالایش مناسب، برای بهبود کیفیت و گسترش کاربردهای وکیوم باتوم ضروری است. کیفیت بهبود یافته ته وکیوم باتوم می‌تواند از طریق کاهش گرانروی، کاهش چگالی (افزایش درجه API)، کاهش میزان آسفالتین، کاهش میزان کربن، کاهش میزان گوگرد و کاهش رسوبات حاصل گردد.

نقش وکیوم باتوم در عرصه تجارت فرآورده‌های نفتی

وکیوم باتوم، به مثابه کالایی میانی در صنعت نفت، در گستره‌ای بین‌المللی مورد تبادل قرار می‌گیرد، به ویژه به عنوان شالوده‌ای برای تولید قیر و روغن‌های پایه. برخی گزارش‌ها اشاره هایی به تجارت ته مانده‌های نفتی و قیر دارند که وکیوم باتوم رکن اساسی آن‌ها را تشکیل می‌دهد. بازرگانی وکیوم باتوم، به سبب نقش کلیدی آن به عنوان ماده اولیه در تولید محصولات نهایی پرمصرف، از اهمیتی بسزا در تار و پود تجارت جهانی فرآورده‌های نفتی برخوردار است. 

غول‌های پالایش نفت در سراسر جهان، از جمله تامین‌کنندگان اصلی وکیوم باتوم به شمار می‌روند. در ایران نیز، شرکت‌های دولتی نظیر پالایشگاه‌های اصفهان، تهران، شیراز و اراک، از تولیدکنندگان عمده وکیوم باتوم محسوب می‌گردند. شرکت‌های بازرگانی فرآورده‌های نفتی، نقشی واسطه‌ای در فرآیند خرید، فروش و جابجایی وکیوم باتوم در سطح بین‌المللی ایفا می‌کنند. شرکت‌هایی همچون universal trades در تجارت قیر، که عصاره آن از وکیوم باتوم گرفته می‌شود، حضوری فعال دارند. universal trades به عنوان یکی از شرکت های معتبر بازرگانی قیر درآمده است. برخی گزارش‌ها نیز به شرکت‌های فعال در بازار وکیوم باتوم در مناطق خاص، نظیر عراق، اشاره دارند. شرکت‌هایی چون Wataniya Group و Majd al-Iraq در بازار ته وکیوم باتوم عراق فعال هستند. شبکه‌ای پیچیده از تولیدکنندگان (پالایشگاه‌ها)، تامین‌کنندگان و شرکت‌های بازرگانی در بازرگانی جهانی وکیوم باتوم فعال هستند. 

بهای وکیوم باتوم، معمولاً بر پایه قیمت نفت کوره سنگین تعیین می‌گردد و تحت تاثیر عواملی نظیر قیمت جهانی نفت خام، کیفیت محصول و میزان عرضه و تقاضا قرار دارد. فرمول قیمت‌گذاری وکیوم باتوم، عموماً 5 تا 10 درصد پایین‌تر از قیمت قیر است. از آنجایی که وکیوم باتوم، ماده اولیه اصلی در تولید قیر و روغن‌های پایه به شمار می‌رود، تغییرات قیمت آن می‌تواند مستقیماً بر بهای این محصولات نهایی اثر بگذارد. افزایش بهای مواد اولیه، نظیر وکیوم باتوم، می‌تواند به افزایش قیمت نهایی قیر منجر گردد. نوسانات قیمت جهانی نفت خام و تغییرات در میزان عرضه و تقاضای وکیوم باتوم، می‌تواند به بی‌ثباتی در بازار قیر و روغن‌های پایه دامن زند. معامله‌گران و شرکت‌های بازرگانی می‌بایست این عوامل را با دقت رصد نمایند تا بتوانند تصمیماتی آگاهانه اتخاذ کنند.

وکیوم باتوم و سایر فرآورده‌های نفتی

در فرآیند پالایش نفت خام، ابتدا اجزای سبک‌تر، نظیر گازهای نفتی، بنزین و نفتا، در برج تقطیر اتمسفری از یکدیگر جدا می‌شوند. سپس، در دماهای بالاتر، نفت سفید (Kerosene) و گازوئیل (Diesel) تفکیک می‌گردند. ته مانده این برج، که سنگین‌تر است، راهی واحد تقطیر در خلاء (Vacuum Distillation Unit – VDU) می‌گردد. در این واحد، اجزای سنگین‌تر، نظیر روغن‌های سنگین و وکیوم باتوم، جدا می‌شوند. مازوت (Mazut)، که با نام نفت کوره (Fuel Oil) نیز شناخته می‌شود، می‌تواند از ته مانده تقطیر اتمسفری یا از فرآوری بیشتر وکیوم باتوم حاصل آید. در واقع، وکیوم باتوم بیش از 70 درصد از مواد اولیه نفت کوره را تشکیل می‌دهد. وکیوم باتوم، سنگین‌ترین جزء نفت خام به شمار می‌رود و پس از جداسازی فرآورده‌های سبک‌تر (Light Ends) و میان تقطیر (Middle Distillates)، نظیر بنزین، نفت سفید و گازوئیل، به دست می‌آید. این فرآیند جداسازی، بر اساس اختلاف در نقطه جوش اجزای مختلف نفت خام صورت می‌پذیرد.

اگرچه وکیوم باتوم به طور مستقیم در تولید بنزین، نفت سفید و گازوئیل به کار گرفته نمی‌شود، اما می‌تواند به عنوان خوراکی برای واحدهای ارتقاء کیفیت، نظیر هیدروکراکینگ (Hydrocracking) و کک‌سازی (Coking)، مورد استفاده قرار گیرد که نهایتاً می‌تواند منجر به تولید این فرآورده‌های سبک‌تر گردد. واحد کک‌سازی تاخیری، از وکیوم باتوم برای تولید محصولات ارزشمندتری چون بنزین، گازوئیل و نفت گاز بهره می‌گیرد. مازوت (نفت کوره سنگین) می‌تواند مستقیماً از وکیوم باتوم یا از فرآوری آن حاصل شود. وکیوم باتوم، به عنوان منبعی برای تولید نفت کوره سنگین مورد استفاده در صنایع، تولید برق و موتورهای دریایی شناخته می‌شود. وکیوم باتوم، به عنوان جزئی کلیدی در زنجیره ارزش پالایش نفت، به طور غیرمستقیم در تامین فرآورده‌های نفتی مختلف نقش ایفا می‌نماید. فرآیندهای تبدیلی، نظیر هیدروکراکینگ و کک‌سازی، امکان تبدیل اجزای سنگین نفت خام به محصولات سبک‌تر و با ارزش‌تر را فراهم می‌آورند.

فرآیند تولید قیر از وکیوم باتوم و عوامل موثر بر آن

تولید قیر از وکیوم باتوم، معمولاً از طریق فرآیند هوادهی (Air Blowing) صورت می‌پذیرد. در این فرآیند، وکیوم باتوم در واحد تولید قیر (برج تولید قیر)، در دمای 240 تا 320 درجه سانتیگراد تحت جریان ملایم هوا قرار می‌گیرد. عبور هوا در این دما، سبب اکسیداسیون و پلیمریزاسیون مولکول‌های موجود در وکیوم باتوم می‌گردد. به طور خاص، مولکول‌های مالتن به مولکول‌های سنگین‌تر آسفالتین تبدیل می‌شوند که منجر به افزایش گرانروی و نرمی قیر و کاهش درجه نفوذ آن می‌گردد. فرآیند هوادهی می‌تواند به صورت ناپیوسته (Batch Blowing) یا پیوسته (Continuous Blowing) انجام شود و مدت زمان آن، بسته به گرید قیر مورد نظر، می‌تواند بین 3 تا 24 ساعت متغیر باشد. هدف از هوادهی، تولید مولکول‌های آسفالتین است که گرانروی قیر را افزایش می‌دهند. در برخی موارد، اگر وکیوم باتوم دارای خواص مطلوب برای قیر باشد، ممکن است بدون نیاز به فرآیند هوادهی به طور مستقیم مورد استفاده قرار گیرد. روش‌های دیگری نظیر اختلاط (Blending) قیرهای مختلف با یکدیگر و حلال‌زدایی (Solvent Deasphalting) با پروپان یا بوتان نیز برای تولید قیر از وکیوم باتوم وجود دارد.

تامین‌کنندگان قیر، معمولاً پالایشگاه‌هایی هستند که دارای واحدهای تولید قیر از وکیوم باتوم می‌باشند. همچنین، شرکت‌های بازرگانی فرآورده‌های نفتی نیز در تامین و توزیع قیر نقش دارند. برخی شرکت‌ها، نظیر Feedar Esfahan Manufacturing Co. در ایران، برنامه‌هایی برای توسعه واحد فرآوری وکیوم باتوم به منظور تولید قیر دارند. صادرات روغن پایه، که می‌تواند از وکیوم باتوم تولید شود، بازاری مهم در صنعت نفت به شمار می‌رود و کشورهایی نظیر ایالات متحده، کره جنوبی و روسیه از صادرکنندگان بزرگ آن هستند. ایالات متحده در سال 2022 حدود 6 درصد صادرات روغن پایه خود را کاهش داد، اما صادرات به کشورهایی نظیر کلمبیا و شیلی افزایش یافت. ارتباط مستقیمی بین تامین‌کنندگان وکیوم باتوم (که اغلب تامین‌کننده قیر نیز هستند) و بازار صادرات روغن پایه وجود دارد، زیرا هر دو محصول از فرآوری نفت خام به دست می‌آیند. تصمیمات مربوط به تخصیص وکیوم باتوم بین تولید قیر و روغن پایه می‌تواند تحت تاثیر تقاضا و قیمت در هر دو بازار قرار گیرد.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز بازار وکیوم باتوم

وکیوم باتوم، جزئی حیاتی و سنگین در صنعت پالایش نفت به شمار می‌رود که به عنوان ماده اولیه اصلی برای تولید قیر و روغن‌های پایه و همچنین خوراکی برای واحدهای ارتقاء کیفیت مورد استفاده قرار می‌گیرد. کیفیت وکیوم باتوم، تحت تاثیر نوع نفت خام و فرآیندهای پالایش قرار دارد و میزان ناخالصی‌ها نقشی مهم در تعیین کاربرد نهایی آن ایفا می‌کند. بازرگانی وکیوم باتوم در سطح جهانی، به دلیل نقش آن در تولید محصولات پرکاربرد، از اهمیتی شایان برخوردار است و شرکت‌های پالایشگاهی و بازرگانی نقشی کلیدی در این میان دارند. فرآیند تولید قیر از وکیوم باتوم، به ویژه فرآیند هوادهی، نقشی مهم در تعیین خواص و کاربردهای قیر نهایی ایفا می‌نماید.

با توجه به رشد تقاضا برای قیر در کشورهای در حال توسعه، به دلیل توسعه زیرساخت‌ها، و همچنین تقاضای مداوم برای روغن‌های پایه، انتظار می‌رود بازار وکیوم باتوم همچنان پویا باقی بماند. بازار ته وکیوم باتوم در خاورمیانه و شمال آفریقا، پیش‌بینی می‌شود با نرخ رشد سالانه 4.4 درصد بین سال‌های 2024 تا 2032 رشد کند. پیشرفت‌های فناوری در فرآیندهای پالایش و ارتقاء کیفیت می‌تواند منجر به استفاده بهینه‌تر از وکیوم باتوم و تولید محصولات با ارزش افزوده بالاتر گردد. تغییرات در مقررات زیست‌محیطی ممکن است بر فرآیندهای تولید و استفاده از وکیوم باتوم تاثیر بگذارد و نیاز به فناوری‌های جدید برای کاهش آلاینده‌ها را افزایش دهد. بازار وکیوم باتوم، به عنوان جزئی اساسی در صنعت نفت، به تحولات صنعت نفت و تقاضای جهانی وابسته است و انتظار می‌رود با رشد اقتصادی و توسعه زیرساخت‌ها، تقاضا برای آن در بلندمدت افزایش یابد. با این حال، نوسانات قیمت نفت خام و تغییرات در سیاست‌های تولید می‌تواند بر این بازار تاثیرگذار باشد.