Hidrokarbon İşleme Yöntemleri: Ayırma, Dönüştürme ve Arıtma

Hidrokarbon İşleme Yöntemleri: Ayırma, Dönüştürme ve Arıtma

Hedef Meta Başlık: Hidrokarbon İşleme Yöntemleri: Ayırma, Dönüştürme ve Arıtma

Hedef Meta Açıklama: Hidrokarbon işleme dört yöntem ailesini kullanır: fiziksel ayırma, termal ve katalitik dönüştürme, kimyasal arıtma ve harmanlama. Süreçleri, koşulları ve ürünleri karşılaştırın.

Hedef Anahtar Kelimeler: hidrokarbon işleme yöntemleri, hidrokarbon işleme yöntemleri, petrol rafineri süreçleri, dönüştürme süreçleri rafineri, ayırma süreçleri hidrokarbon, arıtma süreçleri rafineri

Temel soruyu yanıtlama: Hidrokarbon işleme yöntemleri nelerdir? Hidrokarbon işleme dört yöntem ailesi halinde düzenlenmiştir. Ayırma, molekülleri değiştirmeden fiziksel yollarla karışımı böler, başlıca 1-3 bar basınçta atmosferik bir kolonda 350-400°C'de tepeden çıkan ve ağır kesimler için 25-100 mbar'da vakum altında yapılan damıtma ile. Dönüştürme, moleküllerin kendilerini değiştirir, ya termal olarak 450-540°C'de koklaştırma, visbreaking ve buharlı çatlatma işlemlerinde, ya da katalitik olarak 350-540°C'de akışkan katalitik çatlatma, hidroçatlatma, reformlama, alkilasyon ve izomerizasyon işlemlerinde, ya da hidroişleme ve hidroçatlatma işlemlerinde 300-450°C ve 30-200 bar basınçta hidrojen ile. Arıtma, hidrojen, aminler, kostik ve kükürt geri kazanımı kullanarak safsızlıkları giderir. Harmanlama ve sonlandırma, akışları satışa uygun ürünlere özelliklere göre birleştirir. Tipik bir rafineri, bu yöntemlerden yirmiden fazlasını uygular ve seçilen kombinasyon, %20-45 oranında kalıntı veren bir ham petrolün çoğunlukla fuel oil mi yoksa çoğunlukla taşıma yakıtı mı olacağını belirler.

1. Ayırma Yöntemleri

Ayırma, uçuculuk, çözünürlük, adsorptiflik veya molekül boyutundaki farklılıklardan yararlanır ve her zaman ilk sırada yer alır:

• Damıtma: Her rafineri ve gaz tesisinin bel kemiği. Ham petrol, bir ateşli ısıtıcıda 350-400°C'ye ısıtılır ve 30-60 tepsi bulunan atmosferik bir kolona buharlaştırılır, burada kaynama aralığına göre kesitler çekilir: LPG, hafif ve ağır nafta, gazyağı, hafif ve ağır dizel ve atmosferik kalıntı. Kolonun dip sıcaklığı yaklaşık 350-400°C ile sınırlıdır, çünkü bu sıcaklığın üzerinde termal çatlatma ve koklaşma başlar, bu nedenle kalıntı yeniden ısıtılır ve 25-100 mbar'da bir vakum kolonunda tekrar buharlaştırılır, bu da kaynama noktalarını 150-200°C düşürür ve vakum gaz yağı ile vakum kalıntısının ayrışma olmadan ayrılmasını sağlar. Enerji entegrasyonu merkezidir: ham petrol, dolaşan geri akışlar ve ürün akışları ile ön ısıtılır ve modern bir ön ısıtma treni, aksi takdirde kaybolacak ısının %60-75'ini geri kazanır.
• Absorpsiyon, Stripping ve Ekstraksiyon: Damıtmanın yetersiz kaldığı veya belirli bir bileşenin çıkarılması gerektiği durumlarda, diğer denge yöntemleri kullanılır. Absorpsiyon, bir bileşeni sıvı bir çözücüde çözer, örneğin bir amin temaslayıcısında, hidrojen sülfür ve karbondioksitin gazdan 35-50°C'de emildiği ve 105-125°C'de yeniden üretildiği yerde. Stripping bunun tersidir, buhar kullanarak uçucu bileşenleri çıkarır, örneğin bir ham petrol kolonundaki ekşi su stripperinde veya yan stripperinde. Sıvı-sıvı ekstraksiyonu, bir molekül sınıfını diğerinden seçici olarak çözer ve sülfolan veya furfural gibi çözücülerle aromatikleri parafinlerden ayırmak için kullanılır, yüksek saflıkta benzen, toluen ve ksilen üretir ve viskozite indeksi ve oksidasyon stabilitesini iyileştirmek için N-metilpirolidon veya furfural ile yağ baz stoklarını çıkarmak için kullanılır.
• Adsorpsiyon ve Membran Ayırma: Adsorpsiyon, seçici bir afiniteye sahip katı bir yüzey kullanır ve son parlatma adımları için tercih edilen yöntemdir. Moleküler elekler, kriyojenik işlemden önce gaz ve sıvıları 1 ppm su altına kurutur, çünkü -100°C'de kalan su donar ve eşanjörleri tıkar. Ayrıca, seçici gözenek boyutu kullanarak bir UOP Molex veya Isosiv ünitesinde normal parafinleri izoparafinlerden ayırır ve simüle edilmiş hareketli yatakta para-ksileni ayırır. Membranlar, bir polimer film aracılığıyla çözünürlük ve difüzyon kombinasyonu ile ayırır ve doğal gazdan karbondioksit giderme, rafineri atık gazından ve hidroçatlatıcı temizleme akışlarından hidrojen geri kazanımı ve yükleme terminallerinden buhar geri kazanımı için kullanılır. Membranların hareketli parçası yoktur ve küçük bir ayak izine sahiptir, ancak kirlenmeyi önlemek için ön işlem gerektirir ve toplu ayırma için derin ayırmadan daha uygundur.
• Faz Ayırma ve Çiğlenme Noktası Kontrolü: Herhangi bir işlemden önce, kuyu akışı veya besleme gaz, hidrokarbon sıvı ve suya ayrılmalıdır. Üç fazlı ayırıcılar bunu yerçekimi ile yapar, Souders-Brown denklemi ile boyutlandırılır ve elektrostatik birleştiriciler ve tuz giderme cihazları tarafından takip edilir, bu da ham petrolün tuz içeriğini atmosferik kolona girmeden önce 1-3 PTB altına düşürür, çünkü tuz hidroklorik aside hidrolize olur ve üst sistemde korozyona neden olur. Gaz, boru hattı spesifikasyonunu karşılamak için daha da şartlandırılır, bu da tipik olarak teslimat basıncında yaklaşık -5 ila 0°C'nin altında bir hidrokarbon çiğlenme noktası, -10°C'nin altında bir su çiğlenme noktası, 4 ppm'in altında hidrojen sülfür, %2-3'ün altında karbondioksit ve serbest sıvı olmaması gerektirir, bu da soğutma, glikol dehidrasyonu ve soğutma veya Joule-Thomson genleşmesi ve düşük sıcaklık ayırıcısı ile hidrokarbon çiğlenme noktası kontrolü ile elde edilir.

2. Dönüştürme, Arıtma ve Sonlandırma Yöntemleri

Ayrıldıktan sonra, akışlar daha değerli moleküllere dönüştürülür, safsızlıklardan temizlenir ve özelliklere göre harmanlanır:

• Termal Dönüştürme: Sadece ısı, serbest radikal mekanizmasıyla karbon-karbon bağlarını kırar. Gecikmeli koklaştırma, vakum kalıntısını 480-510°C'ye ısıtır ve 12-24 saat boyunca varillerde tutar, gaz, nafta, gaz yağı ve petrol kok üretir; en ağır ve en kirli beslemeler için standart yöntemdir, çünkü zehirlenecek bir katalizör yoktur. Visbreaking, 450-500°C'de kısa kalış süresiyle daha hafif bir formdur, kalıntı viskozitesini 5-20 kat azaltır, böylece daha az seyreltici ile fuel oil'e karıştırılabilir. Buharlı çatlatma, hepsinin en sıcak olanıdır, 750-870°C'de bir saniyenin altında kalış süresiyle ve bir rafineri işlemi değil, petrokimya işlemidir, etilen, propilen ve bütadien üretir. Üçünde de ortak tasarım sorunu, ısıtıcı tüplerinde kok birikimidir, bu da yüksek hız, buhar enjeksiyonu ve dikkatli tüp metal sıcaklığı kontrolü ile yönetilir.
• Katalitik Dönüştürme: Katalizörler, daha düşük sıcaklıkta çok daha iyi seçicilikle dönüştürmeye izin verir. Akışkan katalitik çatlatma, 500-540°C'de bir zeolit katalizörü üzerinde 2-5 saniye temas süresiyle gaz yağını çatlatır ve rafinerinin ana benzin üreticisidir. Hidroçatlatma, 350-450°C ve 100-200 bar'da çatlatmayı hidrojenasyon ile birleştirir, gaz yağının %30-90'ını yüksek kaliteli dizel ve jet yakıtına neredeyse hiç olefin veya kükürt olmadan dönüştürür. Katalitik reformlama, yaklaşık 40-60'tan 95-105'e ağır naftanın oktanını 480-525°C'de platin-rhenium üzerinde yükseltir, değerli bir yan ürün olarak hidrojen üretir. Alkilasyon, sülfürik veya hidroflorik asit kullanarak 5-20°C'de hafif olefinleri izobütan ile birleştirerek en yüksek oktanlı ve en temiz benzin harman bileşeni olan alkilatı üretir. İzomerizasyon, 120-250°C'de klorlanmış alümina veya zeolitik bir katalizör üzerinde normal parafinleri dallanmış olanlara dönüştürür ve eterifikasyon ve polimerizasyon hafif olefinleri yüksek oktanlı oksijenli bileşiklere ve benzine dönüştürür.
• Arıtma ve Kükürt Geri Kazanımı: Neredeyse her akış arıtma gerektirir. Hidroişleme, 300-400°C ve 30-100 bar'da kobalt-molibden veya nikel-molibden katalizörü üzerinde kükürt, azot, oksijen, metaller ve olefinleri giderir, bunları hidrojen sülfür, amonyak ve suya dönüştürür; bu, 10 ppm'in altında ultra düşük kükürtlü dizel elde edilmesini sağlar. Amin arıtma, monoetanolamin, dietanolamin veya metil dietanolamin kullanarak gaz akışlarından hidrojen sülfür ve karbondioksiti giderir. Kostik ve Merox arıtma, LPG ve naftadan merkaptanları giderir, bunları disülfürlere dönüştürür veya çıkarır. Geri kazanılan hidrojen sülfür, 1.000-1.300°C'de bir termal aşama ve 200-320°C'de katalitik aşamalarla bir Claus tesisinde elementel kükürte dönüştürülür, %95-99,5 geri kazanım sağlar ve daha yüksek seviyelere ulaşmak için bir kuyruk gazı arıtma ünitesi bulunur. Ekşi su stripperleri, işlem suyunu yeniden kullanılmadan veya deşarj edilmeden önce amonyak ve hidrojen sülfürden arındırır.
• Harmanlama, Sonlandırma ve Ürün Kalite Kontrolü: Son yöntem harmanlamadır ve bir rafinerinin karının büyük bir kısmının kazanıldığı veya kaybedildiği yer burasıdır. Benzin, oktan, Reid buhar basıncı, kükürt, benzen, aromatik ve olefin limitlerini aynı anda karşılamak için reformat, alkilat, izomerat, FCC nafta, hafif nafta ve oksijenli bileşiklerden harmanlanır, çevrimiçi bir optimize edici ve hat içi analizörler kullanılarak. Dizel, setan sayısı, bulutlanma noktası, soğuk filtre tıkanma noktası ve kükürt için harmanlanır. Fuel oil, viskozite ve kükürt için harmanlanır. Baz yağlar ve mumlar, hidrofinishing, solvent veya katalitik rotalarla dewaxing ve renk ve stabilite için kil veya hidroişleme ile sonlandırılır. Asfalt, hava üfleyerek veya vakum kalıntısını bir akı ile harmanlayarak üretilir. Her ürün aynı anda birden fazla spesifikasyonu karşılamalıdır, bu nedenle harmanlama basit bir karıştırma işlemi yerine bir optimizasyon problemidir.

Hidrokarbon İşleme Yöntem Aileleri Karşılaştırma Matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (SSS)

S: Hidrokarbon işlemede ayırma ve dönüştürme arasındaki fark nedir?

C: Ayırma, herhangi bir molekülü değiştirmeden bir karışımın bileşimini değiştirir. Damıtma, absorpsiyon, ekstraksiyon, adsorpsiyon ve membran süreçleri, mevcut molekülleri fiziksel bir özelliğe, genellikle kaynama noktasına göre gruplara ayırır. Dönüştürme, karbon-karbon ve karbon-hidrojen bağlarını kırıp yeniden oluşturarak molekülleri değiştirir, beslemede bulunmayan moleküller üretir. Bu nedenle dönüştürme, değerin eklendiği yerdir: dizelden çok daha az değerli bir varil vakum kalıntısı, yalnızca dönüştürme yoluyla dizel moleküllerine dönüşür. Bu aynı zamanda dönüştürmenin neden daha pahalı olduğunu da açıklar: enerji, hidrojen, katalizör ve sermaye açısından ve neden ayırmanın her zaman dönüştürmeden önce geldiğini, çünkü yalnızca ağır kesimin ihtiyaç duyduğu bir durumda tüm ham petrolü çatlatma koşullarına maruz bırakmanın mantıklı olmadığını açıklar.

S: Bir rafinerinin neden bu kadar çok farklı işleme ihtiyacı var?

C: Ham petrol, çok geniş bir kaynama aralığına yayılan binlerce bileşiğin bir karışımıdır ve pazar, ham petrole asla uymayan oranlarda dar bir ürün seti talep eder. Tipik bir ham petrol, %20-45 atmosferik ve vakum kalıntısı verebilirken, pazar çoğunlukla taşıma yakıtı ister, bu nedenle varilin yaklaşık üçte biri kimyasal olarak dönüştürülmelidir. Her dönüştürme işleminin dar bir besleme ve ürün penceresi vardır: akışkan katalitik çatlatma gaz yağını iyi işler ancak metalleri ve asfaltenleri alamazken, gecikmeli koklaştırma kalıntıyı alabilir ancak daha fazla arıtma gerektiren kok ve düşük değerli nafta üretir. Ve her ürün aynı anda birden fazla spesifikasyonu karşılamalıdır: benzin için oktan ve buhar basıncı, dizel için setan ve soğuk akış, her ikisi için de kükürt limitleri, bu nedenle arıtma ve harmanlama aşamaları çoğalır. Sonuç, yirmi veya daha fazla işlemden oluşan bir tesistir, her biri gereklidir çünkü hiçbiri tüm aralığı kapsamaz.

S: Hidrojen, hidrokarbon işlemede ne rol oynar?

C: Hidrojen, modern rafinerinin temel reaktifidir. Hidroişlemede kükürt, azot, oksijen ve metalleri giderir, bunları ayrılabilen hidrojen sülfür, amonyak ve suya dönüştürür. Olefinleri ve aromatikleri doyurur, dizel setanını, jet yakıtı duman noktasını ve rengini ve stabilitesini iyileştirir. Katalizör üzerinde kok oluşumunu bastırır, bu nedenle hidroçatlatma, FCC katalizörünü hızla devre dışı bırakacak beslemeleri işleyebilir. Ve katalitik reformlamanın bir yan ürünüdür, bu nedenle reformeri olan bir rafinerinin dahili bir kaynağı vardır. Kükürt limitlerinin sıkılaşmasıyla talep sürekli artmıştır, bir nesil önce varil başına birkaç yüz standart fit küpten, derin dönüştürme rafinerisi için bugün 1.500-3.000'e kadar ve çoğu rafineri artık tipik olarak 800-900°C'de buharlı metan reformasyonu ve ardından %99,9'un üzerinde saflaştırma için basınç salınımlı adsorpsiyon ile özel bir hidrojen tesisi işletmektedir.

S: Belirli bir besleme için bir işleme yöntemi nasıl seçilir?

C: Dört besleme özelliği kararı yönlendirir. Kaynama aralığı, akışın hiç damıtılıp damıtılamayacağını veya vakum hizmeti gerektirip gerektirmediğini belirler. Kirlilik içeriği, özellikle kükürt, azot, nikel ve vanadyum gibi metaller ve asfaltenler, bir katalizörün hayatta kalıp kalamayacağını belirler: hidroişleme katalizörü metaller tarafından zehirlenir ve asfaltenler tarafından tıkanır, bu nedenle kalıntı, sabit yatak yerine bir koklaştırma veya bir ebulliye yataklı hidroçatlatıcıya gider. Kimyasal yapı rotayı belirler: parafinik bir besleme iyi bir reformlama veya buharlı çatlatma beslemesidir, aromatik bir besleme hidroçatlatma veya aromatikler için ekstraksiyon için daha uygundur. Ve hidrojen mevcudiyeti ve maliyeti, bir hidrojen ekleme veya bir karbon reddetme rotasının ekonomik olup olmadığını belirler; koklaştırma gibi karbon reddetme, düşük değerli kok üretir, oysa hidroçatlatma gibi hidrojen ekleme, yüksek değerli distilat üretir ancak besleme metreküpü başına 150-350 Nm³ hidrojen tüketir. Seçilen konfigürasyon, tek bir akış için en iyisi değil, tüm ham petrol yelpazesinde marjı maksimize eden konfigürasyondur.