Ποιες είναι οι μέθοδοι επεξεργασίας υδρογονανθράκων: Διαχωρισμός, Μετατροπή και Κατεργασία

Ποιες είναι οι μέθοδοι επεξεργασίας υδρογονανθράκων: Διαχωρισμός, Μετατροπή και Καθαρισμός

Στόχος Meta Τίτλος: Μέθοδοι Επεξεργασίας Υδρογονανθράκων: Διαχωρισμός, Μετατροπή & Καθαρισμός

Στόχος Meta Περιγραφή: Η επεξεργασία υδρογονανθράκων χρησιμοποιεί τέσσερις οικογένειες μεθόδων: φυσικός διαχωρισμός, θερμική και καταλυτική μετατροπή, χημικός καθαρισμός και ανάμιξη. Συγκρίνετε διεργασίες, συνθήκες και προϊόντα.

Στόχος Λέξεις-κλειδιά: μέθοδοι επεξεργασίας υδρογονανθράκων, μέθοδοι επεξεργασίας υδρογονανθράκων, διεργασίες διύλισης πετρελαίου, διεργασίες μετατροπής διυλιστηρίου, διεργασίες διαχωρισμού υδρογονανθράκων, διεργασίες καθαρισμού διυλιστηρίου

Απάντηση στην κύρια ερώτηση: Ποιες είναι οι μέθοδοι επεξεργασίας υδρογονανθράκων; Η επεξεργασία υδρογονανθράκων οργανώνεται σε τέσσερις οικογένειες μεθόδων. Ο διαχωρισμός χωρίζει το μείγμα με φυσικά μέσα χωρίς να αλλάζει τα μόρια, κυρίως με απόσταξη σε 1-3 bar σε ατμοσφαιρική στήλη που κορυφώνεται στους 350-400°C, και υπό κενό σε 25-100 mbar για τα βαριά κλάσματα. Η μετατροπή αλλάζει τα ίδια τα μόρια, είτε θερμικά στους 450-540°C στην πειρατοποίηση, το visbreaking και την ατμοπυρόλυση, είτε καταλυτικά στους 350-540°C στην καταλυτική πυρόλυση ρευστοποιημένης κλίνης, την υδροπυρόλυση, την αναμόρφωση, την αλκυλίωση και την ισομερείωση, είτε με υδρογόνο στους 300-450°C και 30-200 bar στην υδροκαθαρισμό και την υδροπυρόλυση. Ο καθαρισμός αφαιρεί τις ακαθαρσίες, χρησιμοποιώντας υδρογόνο, αμίνες, καυστική σόδα και ανάκτηση θείου. Η ανάμιξη και η τελική επεξεργασία συνδυάζουν τις ροές σε πωλήσιμα προϊόντα σύμφωνα με τις προδιαγραφές. Ένα τυπικό διυλιστήριο εφαρμόζει περισσότερες από είκοσι από αυτές τις μεθόδους, και ο συνδυασμός που επιλέγεται καθορίζει αν ένα αργό πετρέλαιο που αποδίδει 20-45% υπόλειμμα γίνεται κυρίως πετρέλαιο θέρμανσης ή κυρίως καύσιμο μεταφοράς.

1. Μέθοδοι Διαχωρισμού

Ο διαχωρισμός εκμεταλλεύεται τις διαφορές στην πτητικότητα, τη διαλυτότητα, την προσροφητικότητα ή το μοριακό μέγεθος, και έρχεται πάντα πρώτος:

• Απόσταξη: Η ραχοκοκαλιά κάθε διυλιστηρίου και μονάδας αερίου. Το αργό πετρέλαιο θερμαίνεται στους 350-400°C σε φούρνο και ατμοποιείται σε ατμοσφαιρική στήλη με 30-60 δίσκους, όπου τα κλάσματα αποσπώνται ανά εύρος βρασμού: LPG, ελαφρύ και βαρύ νάφθα, κηροζίνη, ελαφρύ και βαρύ ντίζελ, και ατμοσφαιρικό υπόλειμμα. Η θερμοκρασία πυθμένα της στήλης περιορίζεται περίπου στους 350-400°C, επειδή η θερμική πυράκτωση και η πειρατοποίηση ξεκινούν πάνω από αυτό, οπότε το υπόλειμμα επαναθερμαίνεται και ατμοποιείται ξανά σε στήλη κενού σε 25-100 mbar, η οποία μειώνει τα σημεία βρασμού κατά 150-200°C και επιτρέπει τον διαχωρισμό του αέριου υπολείμματος κενού και του υπολείμματος κενού χωρίς αποσύνθεση. Η ενεργειακή ενσωμάτωση είναι κεντρική: το αργό πετρέλαιο προθερμαίνεται από τις κυκλοφορούντες αναρροφήσεις και τις ροές προϊόντων, και ένα σύγχρονο σύστημα προθέρμανσης ανακτά το 60-75% της θερμότητας που διαφορετικά θα χανόταν.
• Απορρόφηση, Απογύμνωση και Εκχύλιση: Όταν τα σημεία βρασμού είναι πολύ κοντά για απόσταξη, ή όταν πρέπει να αφαιρεθεί ένα συγκεκριμένο συστατικό, χρησιμοποιούνται άλλες μέθοδοι ισορροπίας. Η απορρόφηση διαλύει ένα συστατικό σε ένα υγρό διαλύτη, όπως σε έναν ελεγκτή αμίνης όπου το υδρόθειο και το διοξείδιο του άνθρακα απορροφώνται από το αέριο στους 35-50°C και αναγεννώνται στους 105-125°C. Η απογύμνωση είναι το αντίστροφο, χρησιμοποιώντας ατμό για την αφαίρεση πτητικών συστατικών, όπως σε έναν απογυμνωτή όξινου νερού ή έναν πλευρικό απογυμνωτή σε μια στήλη αργού πετρελαίου. Η υγρο-υγρή εκχύλιση διαλύει επιλεκτικά μια κατηγορία μορίων από μια άλλη, και χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό αρωματικών από παραφίνες με διαλύτες όπως η σουλφολάνη ή η φουρφουράλη, παράγοντας βενζόλιο, τολουόλιο και ξυλόλιο υψηλής καθαρότητας, και για την εκχύλιση βασικών ελαίων λίπανσης με Ν-μεθυλοπυρρολιδόνη ή φουρφουράλη για τη βελτίωση του δείκτη ιξώδους και της σταθερότητας οξείδωσης.
• Προσρόφηση και Διαχωρισμός με Μεμβράνες: Η προσρόφηση χρησιμοποιεί μια στερεή επιφάνεια με επιλεκτική συγγένεια, και είναι η μέθοδος επιλογής για τα τελικά στάδια στίλβωσης. Οι μοριακοί σίτες στεγνώνουν αέρια και υγρά κάτω από 1 ppm νερού πριν από την κρυογονική επεξεργασία, επειδή στους -100°C οποιοδήποτε υπολειμματικό νερό παγώνει και φράζει τους εναλλάκτες. Επίσης, διαχωρίζουν τις κανονικές παραφίνες από τις ισο-παραφίνες σε μια μονάδα UOP Molex ή Isosiv χρησιμοποιώντας επιλεκτικό μέγεθος πόρων, και διαχωρίζουν την παρα-ξυλόλη σε ένα προσομοιωμένο κινούμενο κρεβάτι. Οι μεμβράνες διαχωρίζουν με τον συνδυασμό διαλυτότητας και διάχυσης μέσω ενός πολυμερούς φιλμ και χρησιμοποιούνται για την αφαίρεση διοξειδίου του άνθρακα από φυσικό αέριο, για την ανάκτηση υδρογόνου από αέρια εξόδου διυλιστηρίου και ροές εξαερισμού υδροπυρόλυσης, και για την ανάκτηση ατμών από τερματικούς σταθμούς φόρτωσης. Οι μεμβράνες δεν έχουν κινούμενα μέρη και μικρό αποτύπωμα, αλλά απαιτούν προεπεξεργασία για να αποφευχθεί η ρύπανση και είναι καλύτερα προσαρμοσμένες για χύδην παρά για βαθύ διαχωρισμό.
• Διαχωρισμός Φάσεων και Έλεγχος Σημείου Δρόσου: Πριν από οποιαδήποτε επεξεργασία, η ροή από το φρεάτ ή η τροφοδοσία πρέπει να χωριστεί σε αέριο, υγρό υδρογονανθράκων και νερό. Οι τριφασικοί διαχωριστές το κάνουν αυτό με βαρύτητα, με μέγεθος βάσει της εξίσωσης Souders-Brown, και ακολουθούνται από ηλεκτροστατικούς συνενωτές και αποαλατωτές που μειώνουν την περιεκτικότητα σε άλατα του αργού πετρελαίου κάτω από 1-3 PTB πριν εισέλθει στην ατμοσφαιρική στήλη, επειδή το άλας υδρολύεται σε υδροχλωρικό οξύ και διαβρώνει το σύστημα υπερκείμενης στήλης. Το αέριο περαιτέρω προετοιμάζεται για να πληροί τις προδιαγραφές του αγωγού, οι οποίες συνήθως απαιτούν σημείο δρόσου υδρογονανθράκων κάτω από περίπου -5 έως 0°C στην πίεση παράδοσης, σημείο δρόσου νερού κάτω από -10°C, υδρόθειο κάτω από 4 ppm, διοξείδιο του άνθρακα κάτω από 2-3%, και απουσία ελεύθερων υγρών, που επιτυγχάνεται μέσω ψύξης, αφυδάτωσης με γλυκόλη και ελέγχου σημείου δρόσου υδρογονανθράκων με ψύξη ή με εκτόνωση Joule-Thomson με διαχωριστή χαμηλής θερμοκρασίας.

2. Μέθοδοι Μετατροπής, Καθαρισμού και Τελικής Επεξεργασίας

Μόλις διαχωριστούν, οι ροές μετατρέπονται σε μόρια υψηλότερης αξίας, καθαρίζονται από ακαθαρσίες και αναμιγνύονται σύμφωνα με τις προδιαγραφές:

• Θερμική Μετατροπή: Η θερμότητα από μόνη της διασπά τους δεσμούς άνθρακα-άνθρακα μέσω ενός μηχανισμού ελεύθερων ριζών. Η καθυστερημένη πειρατοποίηση θερμαίνει το υπόλειμμα κενού στους 480-510°C και το διατηρεί σε δεξαμενές για 12-24 ώρες, παράγοντας αέριο, νάφθα, αέριο λάδι και πετρελαϊκό κωκ. είναι η τυπική μέθοδος για τις βαρύτερες και πιο μολυσμένες τροφοδοσίες, επειδή δεν υπάρχει καταλύτης που να δηλητηριαστεί. Το visbreaking είναι μια ηπιότερη μορφή στους 450-500°C με σύντομο χρόνο παραμονής, μειώνοντας το ιξώδες του υπολείμματος 5-20 φορές, ώστε να μπορεί να αναμιχθεί σε πετρέλαιο θέρμανσης με λιγότερο διαλυτικό. Η ατμοπυρόλυση είναι η θερμότερη από όλες, στους 750-870°C με χρόνο παραμονής κάτω από ένα δευτερόλεπτο, και δεν είναι διεργασία διυλιστηρίου αλλά πετροχημική, παράγοντας αιθυλένιο, προπυλένιο και βουταδιένιο. Το κοινό πρόβλημα σχεδιασμού και στις τρεις είναι η εναπόθεση κωκ στους σωλήνες του φούρνου, η οποία διαχειρίζεται με υψηλή ταχύτητα, έγχυση ατμού και προσεκτικό έλεγχο της θερμοκρασίας του μετάλλου του σωλήνα.
• Καταλυτική Μετατροπή: Οι καταλύτες επιτρέπουν τη μετατροπή σε χαμηλότερη θερμοκρασία με πολύ καλύτερη επιλεκτικότητα. Η καταλυτική πυρόλυση ρευστοποιημένης κλίνης πυρακτώνει αέριο λάδι στους 500-540°C πάνω από καταλύτη ζεόλιθου με χρόνο επαφής 2-5 δευτερόλεπτα, και είναι ο κύριος παραγωγός βενζίνης του διυλιστηρίου. Η υδροπυρόλυση συνδυάζει την πυράκτωση με την υδρογόνωση στους 350-450°C και 100-200 bar, μετατρέποντας το 30-90% του αέριου λαδιού σε ντίζελ και καύσιμο αεροσκαφών υψηλής ποιότητας, ουσιαστικά χωρίς ολεφίνες ή θείο. Η καταλυτική αναμόρφωση αυξάνει τον αριθμό οκτανίου της βαριάς νάφθας από περίπου 40-60 σε 95-105 στους 480-525°C πάνω από πλατίνα-ρήνιο, παράγοντας υδρογόνο ως πολύτιμο συν-προϊόν. Η αλκυλίωση συνδυάζει ελαφρές ολεφίνες με ισοβουτάνιο στους 5-20°C χρησιμοποιώντας θειικό ή υδροφθορικό οξύ για να παράγει αλκυλιωμένο, το υψηλότερου οκτανίου και καθαρότερο συστατικό ανάμιξης βενζίνης. Η ισομερείωση μετατρέπει τις κανονικές παραφίνες σε διακλαδισμένες στους 120-250°C πάνω από καταλύτη χλωριωμένης αλουμίνας ή ζεόλιθου, και η αιθεροποίηση και η πολυμερισμός μετατρέπουν ελαφρές ολεφίνες σε οξυγονωμένες και βενζίνη υψηλού οκτανίου.
• Καθαρισμός και Ανάκτηση Θείου: Σχεδόν κάθε ροή απαιτεί καθαρισμό. Ο υδροκαθαρισμός αφαιρεί θείο, άζωτο, οξυγόνο, μέταλλα και ολεφίνες στους 300-400°C και 30-100 bar πάνω από καταλύτη κοβαλτίου-μολυβδαινίου ή νικελίου-μολυβδαινίου, μετατρέποντάς τα σε υδρόθειο, αμμωνία και νερό. είναι αυτό που επιτρέπει το ντίζελ εξαιρετικά χαμηλού θείου κάτω από 10 ppm. Ο καθαρισμός με αμίνες αφαιρεί υδρόθειο και διοξείδιο του άνθρακα από ροές αερίου χρησιμοποιώντας μονοαιθανολαμίνη, διαιθανολαμίνη ή μεθυλοδιαιθανολαμίνη. Ο καθαρισμός με καυστική σόδα και Merox αφαιρεί μερκαπτάνες από LPG και νάφθα, μετατρέποντάς τις σε δισουλφίδια ή εκχυλίζοντάς τις. Το ανακτηθέν υδρόθειο μετατρέπεται σε στοιχειακό θείο σε μονάδα Claus, με θερμικό στάδιο στους 1.000-1.300°C και καταλυτικά στάδια στους 200-320°C, επιτυγχάνοντας ανάκτηση 95-99,5%, και μονάδα καθαρισμού αερίου ουράς για υψηλότερη επίδοση. Οι απογυμνωτές όξινου νερού αφαιρούν αμμωνία και υδρόθειο από νερό διεργασίας πριν επαναχρησιμοποιηθεί ή απορριφθεί.
• Ανάμιξη, Τελική Επεξεργασία και Έλεγχος Ποιότητας Προϊόντων: Η τελική μέθοδος είναι η ανάμιξη, και είναι εκεί που χάνεται ή κερδίζεται μεγάλο μέρος του κέρδους ενός διυλιστηρίου. Η βενζίνη αναμιγνύεται από αναμορφωμένο, αλκυλιωμένο, ισομερές, νάφθα FCC, ελαφριά νάφθα και οξυγονωμένες για να πληροί ταυτόχρονα τα όρια οκτανίου, πίεσης ατμών Reid, θείου, βενζολίου, αρωματικών και ολεφινών, χρησιμοποιώντας έναν διαδικτυακό βελτιστοποιητή και αναλυτές σε σειρά. Το ντίζελ αναμιγνύεται για αριθμό κετανίου, σημείο θολερότητας, σημείο φραγμού ψυχρού φίλτρου και θείο. Το πετρέλαιο θέρμανσης αναμιγνύεται για ιξώδες και θείο. Τα βασικά έλαια και τα κεριά τελειοποιούνται με υδροφινίρισμα, αποκηρωποίηση με διαλύτη ή καταλυτικές οδούς, και καθαρισμό με άργιλο ή υδροκαθαρισμό για χρώμα και σταθερότητα. Η άσφαλτος παράγεται με εμφύσηση αέρα ή με ανάμιξη υπολείμματος κενού με ροή. Κάθε προϊόν πρέπει να πληροί πολλαπλές προδιαγραφές ταυτόχρονα, γι' αυτό η ανάμιξη είναι ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης παρά μια απλή λειτουργία ανάμιξης.

Πίνακας Σύγκρισης Οικογενειών Μεθόδων Επεξεργασίας Υδρογονανθράκων

Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ διαχωρισμού και μετατροπής στην επεξεργασία υδρογονανθράκων;

Α: Ο διαχωρισμός αλλάζει τη σύνθεση ενός μείγματος χωρίς να αλλάζει κανένα μόριο. Η απόσταξη, η απορρόφηση, η εκχύλιση, η προσρόφηση και οι διεργασίες μεμβρανών ταξινομούν τα υπάρχοντα μόρια σε ομάδες με βάση μια φυσική ιδιότητα, συνήθως το σημείο βρασμού. Η μετατροπή αλλάζει τα ίδια τα μόρια διασπώντας και ανασυνδυάζοντας δεσμούς άνθρακα-άνθρακα και άνθρακα-υδρογόνου, παράγοντας μόρια που δεν υπήρχαν στην τροφοδοσία. Γι' αυτό η μετατροπή είναι εκεί που προστίθεται αξία: ένα βαρέλι υπολείμματος κενού αξίας πολύ μικρότερης από το ντίζελ γίνεται μόρια ντίζελ μόνο μέσω μετατροπής. Γι' αυτό και η μετατροπή κοστίζει περισσότερο, σε ενέργεια, υδρογόνο, καταλύτη και κεφάλαιο, και γι' αυτό ο διαχωρισμός προηγείται πάντα της μετατροπής, καθώς δεν έχει νόημα να υποβληθεί ολόκληρο το αργό πετρέλαιο σε συνθήκες πυράκτωσης όταν μόνο το βαρύ κλάσμα το χρειάζεται.

Ε: Γιατί ένα διυλιστήριο χρειάζεται τόσες πολλές διαφορετικές διεργασίες;

Α: Επειδή το αργό πετρέλαιο είναι ένα μείγμα χιλιάδων ενώσεων που καλύπτουν ένα πολύ ευρύ φάσμα βρασμού, και η αγορά απαιτεί ένα στενό σύνολο προϊόντων σε αναλογίες που ποτέ δεν ταιριάζουν με το αργό πετρέλαιο. Ένα τυπικό αργό πετρέλαιο μπορεί να αποδώσει 20-45% ατμοσφαιρικό και κενικό υπόλειμμα, ενώ η αγορά θέλει κυρίως καύσιμο μεταφοράς, οπότε περίπου το ένα τρίτο του βαρελιού πρέπει να μετατραπεί χημικά. Κάθε διεργασία μετατροπής έχει ένα στενό παράθυρο τροφοδοσίας και προϊόντος: η καταλυτική πυρόλυση ρευστοποιημένης κλίνης χειρίζεται καλά το αέριο λάδι, αλλά δεν μπορεί να δεχτεί μέταλλα και ασφαλτένους, ενώ η καθυστερημένη πειρατοποίηση μπορεί να δεχτεί το υπόλειμμα, αλλά παράγει κωκ και νάφθα χαμηλής αξίας που χρειάζεται περαιτέρω καθαρισμό. Και κάθε προϊόν πρέπει να πληροί πολλαπλές ταυτόχρονες προδιαγραφές, οκτάνιο και πίεση ατμών για τη βενζίνη, κετάνιο και ψυχρή ροή για το ντίζελ, όρια θείου και για τα δύο, οπότε τα στάδια καθαρισμού και ανάμιξης πολλαπλασιάζονται. Το αποτέλεσμα είναι μια μονάδα με είκοσι ή περισσότερες διεργασίες, καθεμία απαραίτητη επειδή καμία μεμονωμένη δεν καλύπτει ολόκληρο το φάσμα.

Ε: Ποιος ρόλος παίζει το υδρογόνο στην επεξεργασία υδρογονανθράκων;

Α: Το υδρογόνο είναι το ενεργοποιητικό αντιδραστήριο της σύγχρονης διύλισης. Αφαιρεί θείο, άζωτο, οξυγόνο και μέταλλα στον υδροκαθαρισμό, μετατρέποντάς τα σε υδρόθειο, αμμωνία και νερό που μπορούν να διαχωριστούν. Κορέζει ολεφίνες και αρωματικά, βελτιώνοντας τον αριθμό κετανίου του ντίζελ, τον δείκτη καπνού του καυσίμου αεροσκαφών και το χρώμα και τη σταθερότητα. Καταστέλλει τον σχηματισμό κωκ στον καταλύτη, γι' αυτό η υδροπυρόλυση μπορεί να επεξεργαστεί τροφοδοσίες που θα απενεργοποιούσαν γρήγορα έναν καταλύτη FCC. Και είναι συν-προϊόν της καταλυτικής αναμόρφωσης, οπότε ένα διυλιστήριο με αναμορφωτή έχει εσωτερική παροχή. Η ζήτηση έχει αυξηθεί σταθερά καθώς τα όρια θείου έχουν γίνει αυστηρότερα, από λίγες εκατοντάδες τυπικά πόδια κυβικά ανά βαρέλι πριν από μια γενιά σε 1.500-3.000 σήμερα για ένα διυλιστήριο βαθιάς μετατροπής, και τα περισσότερα διυλιστήρια τώρα λειτουργούν μια αποκλειστική μονάδα υδρογόνου, συνήθως ατμο-μεθανική αναμόρφωση στους 800-900°C, συν προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης για καθαρισμό πάνω από 99,9%.

Ε: Πώς επιλέγεται μια μέθοδος επεξεργασίας για μια δεδομένη τροφοδοσία;

Α: Τέσσερις ιδιότητες τροφοδοσίας καθοδηγούν την απόφαση. Το εύρος βρασμού καθορίζει αν η ροή μπορεί να αποσταχθεί καθόλου ή χρειάζεται κενό. Η περιεκτικότητα σε ρύπους, ιδιαίτερα θείο, άζωτο, μέταλλα όπως νικέλιο και βανάδιο, και ασφαλτένους, καθορίζει αν ένας καταλύτης μπορεί να επιβιώσει: ο καταλύτης υδροεπεξεργασίας δηλητηριάζεται από μέταλλα και φράζεται από ασφαλτένους, οπότε το υπόλειμμα πηγαίνει σε πειρατοποιητή ή υδροπυρολυτή με ρευστοποιημένη κλίνη αντί για σταθερή κλίνη. Η χημική δομή καθορίζει τη διαδρομή: μια παραφινική τροφοδοσία είναι καλή τροφοδοσία για αναμόρφωση ή ατμοπυρόλυση, μια αρωματική είναι πιο κατάλληλη για υδροπυρόλυση ή εκχύλιση για αρωματικά. Και η διαθεσιμότητα και το κόστος του υδρογόνου καθορίζουν αν μια διαδρομή προσθήκης υδρογόνου ή απόρριψης άνθρακα είναι οικονομική· η απόρριψη άνθρακα, όπως στην πειρατοποίηση, παράγει κωκ χαμηλής αξίας, ενώ η προσθήκη υδρογόνου, όπως στην υδροπυρόλυση, παράγει απόσταγμα υψηλής αξίας αλλά καταναλώνει υδρογόνο με 150-350 Nm3 ανά κυβικό μέτρο τροφοδοσίας. Η επιλεγμένη διαμόρφωση είναι αυτή που μεγιστοποιεί το περιθώριο σε ολόκληρη την παλέτα αργού πετρελαίου, όχι αυτή που είναι καλύτερη για μια μεμονωμένη ροή.