炭化水素処理の方法：分離、転換、精製

炭化水素処理の方法：分離、転換、処理

ターゲットメタタイトル：炭化水素処理方法：分離、転換、処理

ターゲットメタディスクリプション：炭化水素処理は、物理的分離、熱および触媒転換、化学処理、ブレンドの4つの方法ファミリーを使用します。プロセス、条件、製品を比較します。

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コアの質問に答える：炭化水素処理の方法は何ですか？炭化水素処理は4つの方法ファミリーに組織化されています。分離は、分子を変えずに物理的な手段で混合物を分割します。主に大気圧カラムでの蒸留で、1〜3 bar、350〜400℃でトップアウトし、重質留分は真空で25〜100 mbarで行われます。転換は、コッキング、ビスブレーク、スチームクラッキングで450〜540℃の熱的、または流動接触分解、水素化分解、改質、アルキル化、異性化で350〜540℃の触媒的、または水素化処理と水素化分解で300〜450℃、30〜200 barの水素で行われます。処理は、水素、アミン、苛性ソーダ、硫黄回収を使用して不純物を除去します。ブレンドと仕上げは、ストリームを販売可能な製品に仕様に合わせて組み合わせます。典型的な精製所では、これらの方法の20以上が適用され、選択された組み合わせによって、20〜45％の残渣を産出する原油が主に燃料油になるか、主に輸送燃料になるかが決まります。

1. 分離方法

分離は、揮発性、溶解性、吸着性、または分子サイズの差を利用し、常に最初に行われます。

• 蒸留：すべての精製所とガスプラントのバックボーンです。原油は、火炉で350〜400℃に加熱され、30〜60段の常圧蒸留塔に導入され、沸点範囲ごとに留分が引き出されます：LPG、軽質および重質ナフサ、灯油、軽質および重質ディーゼル、常圧残渣。熱分解とコッキングはそれ以上で始まるため、塔底温度は約350〜400℃に制限されています。そのため、残渣は再加熱され、真空蒸留塔で25〜100 mbarで再度フラッシュされます。これにより沸点が150〜200℃低下し、分解なしで真空ガスオイルと真空残渣を分離できます。エネルギー統合が中心です。原油は循環リフラックスと製品ストリームによって予熱され、最新の予熱トレインは失われる熱の60〜75％を回収します。
• 吸収、ストリッピング、抽出：蒸留では沸点が近すぎる場合や、特定の成分を除去する必要がある場合は、他の平衡方法が使用されます。吸収は、液体溶媒に成分を溶解します。アミンコンタクタでは、35〜50℃でガスから硫化水素と二酸化炭素が吸収され、105〜125℃で再生されます。ストリッピングはその逆で、蒸気を使用して揮発性成分を除去します。酸性水ストリッパーや原油塔のサイドストリッパーなどです。液液抽出は、分子の一種を別の種類から選択的に溶解し、スルホランやフルフラールなどの溶媒を使用して芳香族炭化水素をパラフィンから分離し、高純度のベンゼン、トルエン、キシレンを生成します。また、N-メチルピロリドンまたはフルフラールを使用して潤滑油基油を抽出し、粘度指数と酸化安定性を向上させます。
• 吸着と膜分離：吸着は、選択的な親和性を持つ固体表面を使用し、最終的な仕上げ工程の選択方法です。分子ふるいは、極低温処理の前にガスと液体を1 ppm未満の水に乾燥させます。なぜなら、-100℃では残留水が凍結して熱交換器を詰まらせるからです。また、UOP MolexまたはIsosivユニットで、選択的な細孔サイズを使用してノルマルパラフィンをイソパラフィンから分離し、シミュレートされた移動床でパラキシレンを分離します。膜は、ポリマー膜を介した溶解性と拡散性の組み合わせによって分離し、天然ガスからの二酸化炭素除去、精製所オフガスおよび水素化分解器パージストリームからの水素回収、積込みターミナルからの蒸気回収に使用されます。膜には可動部品がなく、設置面積も小さいですが、ファウリングを避けるために前処理が必要であり、バルク分離よりも深い分離に適しています。
• 相分離と露点制御：処理の前に、ウェルストリームまたはフィードをガス、炭化水素液体、水に分割する必要があります。三相分離器は重力によってこれを行い、Souders-Brownの式でサイズが決定されます。その後、静電合体器と脱塩器が続き、塩分含有量を大気圧蒸留塔に入る前に1〜3 PTB未満に低減します。なぜなら、塩は塩酸に加水分解してオーバーヘッドシステムを腐食させるからです。ガスは、パイプライン仕様を満たすようにさらに処理されます。通常、供給圧力で-5〜0℃未満の炭化水素露点、-10℃未満の水露点、4 ppm未満の硫化水素、2〜3％未満の二酸化炭素、遊離液体がないことが要求されます。これは、冷却、グリコール脱水、冷凍またはジュール・トムソン膨張と低温分離器による炭化水素露点制御によって達成されます。

2. 転換、処理、仕上げ方法

分離された後、ストリームは高価値分子に転換され、不純物が除去され、仕様に合わせてブレンドされます。

• 熱転換：熱のみが、ラジカル機構によって炭素-炭素結合を切断します。遅延コッキングは、真空残渣を480〜510℃に加熱し、ドラムに12〜24時間保持して、ガス、ナフサ、ガスオイル、石油コークスを生成します。触媒が毒されることがないため、最も重質で最も汚染されたフィードの標準的な方法です。ビスブレークは、450〜500℃で短時間滞留するより穏やかな形態であり、残渣の粘度を5〜20倍低減するため、希釈剤を少なくして燃料油にブレンドできます。スチームクラッキングは、750〜870℃で1秒未満の滞留時間で、すべての中で最も高温であり、精製プロセスではなく石油化学プロセスであり、エチレン、プロピレン、ブタジエンを製造します。3つすべてに共通する設計上の問題は、加熱管内のコーク堆積であり、高速度、蒸気注入、慎重な管金属温度制御によって管理されます。
• 触媒転換：触媒は、より低い温度でより優れた選択性で転換を可能にします。流動接触分解は、ゼオライト触媒上で500〜540℃でガスオイルを2〜5秒の接触時間で分解し、精製所の主要なガソリン生産者です。水素化分解は、350〜450℃、100〜200 barで分解と水素化を組み合わせ、ガスオイルの30〜90％をオレフィンや硫黄を実質的に含まない高品質のディーゼルおよびジェット燃料に転換します。触媒改質は、白金-レニウム触媒上で480〜525℃で重質ナフサのオクタン価を約40〜60から95〜105に上げ、水素を価値のある副生成物として生成します。アルキル化は、硫酸またはフッ化水素酸を使用して5〜20℃で軽質オレフィンとイソブタンを組み合わせてアルキレートを製造します。これは、最もオクタン価が高くクリーンなガソリンブレンド成分です。異性化は、塩化アルミナまたはゼオライト触媒上で120〜250℃でノルマルパラフィンを分岐パラフィンに転換し、エーテル化と重合は軽質オレフィンを高オクタン価の酸素化剤とガソリンに転換します。
• 処理と硫黄回収：ほぼすべてのストリームで処理が必要です。水素化処理は、300〜400℃、30〜100 barでコバルト-モリブデンまたはニッケル-モリブデン触媒上で硫黄、窒素、酸素、金属、オレフィンを除去し、それらを硫化水素、アンモニア、水に転換します。これは、10 ppm未満の超低硫黄ディーゼルを可能にするものです。アミン処理は、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、またはメチルジエタノールアミンを使用して、ガスストリームから硫化水素と二酸化炭素を除去します。苛性ソーダ処理とMerox処理は、LPGとナフサからメルカプタンを除去し、それらをジスルフィドに転換するか、抽出します。回収された硫化水素は、1,000〜1,300℃の熱段階と200〜320℃の触媒段階を持つクラウスプラントで元素硫黄に転換され、95〜99.5％の回収率を達成し、テールガス処理ユニットでさらに高くなります。酸性水ストリッパーは、プロセス水が再利用または排出される前に、アンモニアと硫化水素を除去します。
• ブレンド、仕上げ、製品品質管理：最後の方法はブレンドであり、精製所の利益の多くが作られたり失われたりする場所です。ガソリンは、オクタン価、蒸気圧、硫黄、ベンゼン、芳香族炭化水素、オレフィン制限を同時に満たすために、リフォーメート、アルキレート、異性化生成物、FCCナフサ、軽質ナフサ、酸素化剤をブレンドします。オンラインオプティマイザーとインラインアナライザーを使用します。ディーゼルは、セタン価、曇点、コールドフィルター閉塞点、硫黄のためにブレンドされます。燃料油は、粘度と硫黄のためにブレンドされます。基油とワックスは、水素化仕上げ、溶媒または触媒経路によるワックス除去、色と安定性のためのクレイまたは水素化処理によって仕上げられます。アスファルトは、空気吹き込みまたは真空残渣とフラックスのブレンドによって製造されます。各製品は同時に複数の仕様を満たす必要があるため、ブレンドは単純な混合操作ではなく最適化問題です。

炭化水素処理方法ファミリー比較マトリックス

よくある質問（FAQ）

Q: 炭化水素処理における分離と転換の違いは何ですか？

A: 分離は、分子を変えずに混合物の組成を変更します。蒸留、吸収、抽出、吸着、膜プロセスはすべて、物理的特性、通常は沸点によって既存の分子をグループに分類します。転換は、炭素-炭素結合と炭素-水素結合を切断および再形成することによって分子自体を変更し、フィードに存在しなかった分子を生成します。これが、転換が価値が付加される場所である理由です。ディーゼルよりもはるかに価値の低い真空残渣の1バレルが、転換によってのみディーゼル分子になるのです。また、転換にはエネルギー、水素、触媒、資本がかかる理由でもあり、分離が常に転換に先行する理由でもあります。なぜなら、重質留分だけが必要な場合に、原油全体を分解条件にさらすことは意味がないからです。

Q: 精製所がこれほど多くの異なるプロセスを必要とするのはなぜですか？

A: 原油は、非常に広い沸点範囲にわたる数千の化合物の混合物であり、市場は、原油の比率と決して一致しない狭い範囲の製品を要求するためです。典型的な原油は、常圧および真空残渣を20〜45％産出する可能性がありますが、市場は主に輸送燃料を求めているため、バレルのおよそ3分の1は化学的に転換する必要があります。各転換プロセスには、狭いフィードと製品のウィンドウがあります。流動接触分解はガスオイルをうまく処理できますが、金属やアスファルテンを受け入れることはできません。一方、遅延コッキングは残渣を受け入れることができますが、さらに処理が必要なコークスと低価値のナフサを生成します。そして、すべての製品は、ガソリンのオクタン価と蒸気圧、ディーゼルのセタン価と低温流動性、両方の硫黄制限など、複数の同時仕様を満たす必要があるため、処理およびブレンド段階が複数になります。その結果、20以上のプロセスを持つプラントになり、それぞれが単一のプロセスでは全体をカバーできないため必要です。

Q: 炭化水素処理における水素の役割は何ですか？

A: 水素は、現代の精製を可能にする試薬です。水素化処理で硫黄、窒素、酸素、金属を除去し、それらを分離可能な硫化水素、アンモニア、水に転換します。オレフィンと芳香族炭化水素を飽和させ、ディーゼルのセタン価、ジェット燃料の煙点、色と安定性を向上させます。触媒上のコーク形成を抑制します。これが、水素化分解がFCC触媒を急速に失活させるフィードを処理できる理由です。また、触媒改質の副生成物であるため、改質装置を備えた精製所は内部供給を持っています。硫黄制限が厳しくなるにつれて需要は着実に増加しており、一世代前の1バレルあたり数百立方フィートから、深い転換精製所では現在1,500〜3,000立方フィートになっています。そして、ほとんどの精製所は現在、専用の水素プラントを稼働させています。通常は800〜900℃のスチームメタン改質と、99.9％以上の精製のための圧力スイング吸着です。

Q: 特定のフィードに対して処理方法がどのように選択されますか？

A: 4つのフィード特性が決定を左右します。沸点範囲は、ストリームが蒸留可能かどうか、または真空サービスが必要かどうかを決定します。硫黄、窒素、ニッケルやバナジウムなどの金属、アスファルテンなどの汚染物質の含有量は、触媒が生き残れるかどうかを決定します。水素化処理触媒は金属によって毒され、アスファルテンによって詰まるため、残渣は固定床ではなくコッカーまたは流動床水素化分解器に送られます。化学構造はルートを決定します。パラフィン系フィードは、良い改質またはスチームクラッキングフィードであり、芳香族系フィードは、水素化分解または芳香族抽出に適しています。そして、水素の入手可能性とコストは、水素添加ルートまたは炭素除去ルートのどちらが経済的かを決定します。炭素除去（コッキングなど）は低価値のコークスを生成しますが、水素添加（水素化分解など）は高価値の留分を生成しますが、フィード1立方メートルあたり150〜350 Nm3の水素を消費します。選択された構成は、単一のストリームに最適なものではなく、原油全体のスレートにわたるマージンを最大化するものです。