تقطير النفط الخام مقابل التحلل الحراري: اختيار العملية المناسبة لمدخلاتك

المبادئ الأساسية: الفصل المادي في التقطير مقابل التحلل الحراري في التحلل الحراري

كيف تُسهم اختلافات درجات الغليان في تحسين كفاءة تقطير النفط الخام

العملية تقطير النفط الخام يستفيد من كيفية غليان الهيدروكربونات المختلفة عند درجات حرارة مختلفة لفصلها باستخدام ما يُعرف بالتقطير الجزئي. المواد الخفيفة مثل النافثا تميل إلى التبخر عند درجات حرارة تتراوح بين 35 وربما 200 درجة مئوية، في حين تظل المواد الأثقل سائلة عندما تتجاوز درجات الحرارة حوالي 550 درجة. في الوقت الحالي، تشغّل العديد من المصافي وحدات التقطير تحت الفراغ بضغوط أقل من 50 مليبار. يؤدي هذا الانخفاض في الضغط إلى خفض درجات الغليان بنحو 300 درجة، مما يساعد على منع الأضرار الناتجة عن الحرارة المفرطة. ما يجعل هذه الطريقة فعّالة للغاية هو قدرتها على إنتاج مقطرات أولية تصل نقاوتها إلى نحو 95 بالمئة، وكل ذلك دون تغيير التركيب الجزيئي الفعلي للمكونات التي يتم فصلها.

التفاعلات الجذرية وآليات تحلل الروابط في تحلل الهيدروكربونات حرارياً

يعمل التحلل الحراري أساساً من خلال تسخين المواد بين 400 إلى 800 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تكسير روابط الكربون-كربون وروابط الكربون-هيدروجين عن طريق هذه التفاعلات الجذرية المتسلسلة. ويحول هذه المواد الثقيلة إلى منتجات هيدروكربونية أخف وزناً. ما يميز التحلل الحراري للتقطير هو أنه يغير الجزيئات نفسها بطريقة لا يمكن التراجع عنها. عندما تصل درجات الحرارة إلى نحو 750 درجة مئوية، نصل إلى ذروة إنتاج الإيثيلين والميثان بفضل ما يُعرف بانقسام بيتا. ولكن إذا ارتفعت درجات الحرارة فوق 1000 درجة، يحدث شيء آخر - تبدأ المواد بالتحول إلى الجرافيت، مما يعني أن المنتج السائل في النهاية سيكون أقل. من المهم جداً ضبط درجة الحرارة بدقة لإنتاج أكبر قدر ممكن من المخرجات المفيدة من هذه العملية.

دراسة حالة: التقطير على نطاق المصفاة مقابل عمليات التحلل الحراري لتحويل النفايات إلى مواد كيميائية

في ورقة بحثية نُشرت عام 2021 في مجلة الاستكشاف والإنتاج البترولي، درس الباحثون كيف تقارن وحدات التقطير الجوي التقليدية التي تعالج حوالي 250,000 برميل يوميًا من النفط الخام، مع أنظمة التحلل الحراري الوحدية الأحدث التي تعالج فقط 500 طن يوميًا من النفايات البلاستيكية. تمكن أسلوب التقطير من تحقيق كفاءة طاقة مذهلة بلغت 82٪ عند إنتاج البنزين. في المقابل، لم تصل طريقة التحلل الحراري إلى أكثر من 58٪ من الكفاءة، على الرغم من أنها كانت لها الميزة المتمثلة في التعامل فقط مع مواد بلاستيكية ما بعد الاستهلاك. ما يجعل هذا الأمر مثيرًا للاهتمام هو أنه وبعد معالجة هيدروجينية إضافية، تبين أن هذه الزيوت الناتجة من التحلل الحراري يمكن مزجها فعليًا في وحدات FCC بمعدلات تتراوح بين 15 و20٪. هذا يعني أن المصانع يمكنها تقليص احتياجها من النفثا الجديدة بما يقارب 12,000 متر مكعب سنويًا، وهو ما يمثل توفيرًا كبيرًا في التكاليف بالنسبة للمصافي التي تسعى لدمج المواد المعاد تدويرها في عملياتها.

ملاءمة المواد الخام: مطابقة التركيب مع تقطير النفط الخام مقابل التحلل الحراري

الخصائص الرئيسية التي تؤثر على قابلية التشقق في المعالجة الحرارية

يعمل عملية التقطير بشكل أكثر فعالية عند التعامل مع مواد خام النفط التي تحتوي على نقاط غليان متسقة ونسبة بقايا كربونية قليلة. هذا يجعل من الأسهل فصل الخليط إلى منتجات ذات قيمة مثل النفتا، والديزل، والعناصر المتبقية المتنوعة. من ناحية أخرى، يبرز التحلل الحراري مع المواد التي يمكن تفكيكها بسهولة، وهو ما يعتمد بشكل كبير على درجة تفرع الجزيئات ونسب الهيدروجين إلى الكربون فيها. خذ على سبيل المثال البلاستيكات القائمة على البولي أوليفين، حيث تتحول هذه المواد عادةً بنسبة تتراوح بين 75 إلى 85 بالمائة إلى مواد كيميائية مفيدة مثل الإيثيلين والبروبلين أثناء عملية التحلل الحراري وفقًا لأبحاث أجرتها NREL في عام 2022. وهذا في الواقع أفضل مما نراه مع الهيدروكربونات الخطية الموجودة بشكل شائع في مصادر النفط الخام التقليدية.

التحديات المتعلقة بالملوثات: الكبريت والكربون والمخلفات في زيوت التحلل الحراري

تحتوي زيوت التحلل الحراري الناتجة عن البلاستيك أو الكتلة الحيوية على 0.5–3.2% أكسجين و0.1–1.8% كبريت حسب الوزن، مما يستدعي معالجة مكلفة باستخدام الهيدروجين قبل التكرير. كما تؤدي الإضافات المكلورة في البلاستيك إلى توليد حمض الهيدروكلوريك (HCl) المسبب للتآكل، مما يتطلب استخدام مواد خاصة في صناعة المفاعلات وأنظمة غسيل الغاز. من ناحية أخرى، يتجمع الكبريت في عمليات تقطير النفط الخام في الفصائل الأثقل، مما يسهل إدارته في الوحدات اللاحقة.

تحليل مقارن: زيوت البترول مقابل زيوت التحلل الحراري الناتجة عن المخلفات

لديها هذه التركيبة المتجانسة حقًا التي تعمل بشكل ممتاز في عمليات التقطير. من ناحية أخرى، تقدم زيوت التحلل الحراري شيئًا مختلفًا نظرًا لإمكانية تحويلها جميع أنواع مواد النفايات المختلطة إلى هيدروكربونات قابلة للاستخدام. أجرت بعض الدراسات الحديثة في عام 2024 مراجعة لأنظمة التكسير الحفزي السوائل واكتشفت أنه عندما يخلط مصانع التكرير حوالي 10٪ من زيت التحلل الحراري مع زيت الغاز تحت الفراغ، فإن ذلك يقلل من تشكيل الكوك بمقدار 18٪ تقريبًا، وهو أمر مثير للإعجاب نظرًا لأن المخرجات تظل كما هي تقريبًا. لا يزال هناك مشكلة مع هذه الزيوت الحرارية التي تحتوي على جميع أنواع الملوثات المتغيرة. تم تصميم المصافي لتتعامل مع مدخلات خام مستقرة، ولكن تلك المحفزات المتبقية المزعجة المتبقية من عمليات التحلل تجعل من الصعب تبني هذه الزيوت على نطاق واسع في معظم المنشآت الحالية.

أداء العملية: المخرجات، الكفاءة، وتوافق البنية التحتية

محصول الإيولفينات الخفيفة: النفط الخام مقابل الزيت الحراري في أفران التكسير البخارية

عندما تعمل أفران التكسير بالبخار مع المواد الخام النفطية، فإنها عمومًا تنتج حوالي 25 إلى 30 بالمائة من الألكينات الخفيفة لأن هذه المواد تمتلك تركيبًا مستقرًا وتعمل تحت ظروف مُحكمة التحكم. تصبح الأمور أكثر تعقيدًا مع زيوت التحلل الحراري (البيروجيني) رغم ذلك. حتى بعد المرور بعمليات المعالجة الهيدروجينية، لا تزال هذه المواد تُنتج عادةً حوالي 15 إلى 20 بالمائة من الألكينات الخفيفة. لماذا؟ ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى أن تركيباتها الجزيئية تختلف بشكل كبير، كما تحتوي غالبًا على شوائب مثل الكلوريدات. كما أظهر تقرير حديث صادر عن منتدى الابتكار البتروكيماوي لعام 2023 أيضًا أمرًا مثيرًا للاهتمام. للحصول على نفس كمية إنتاج الإيثيلين التي تُنتجها المواد النفطية، تحتاج زيوت التحلل الحراري إلى درجات حرارة تكسير أعلى بنسبة تقارب 10 إلى 15 بالمائة. ويُحدث هذا الفرق في درجات الحرارة تأثيرًا حقيقيًا على التكاليف التشغيلية والكفاءة لعديد من المصانع.

تحمل الشوائب في وحدات التكسير الحالية: الحدود التقنية والتشغيلية

تحتوي زيوت التحلل الحراري على 1–3% كبريت ومركبات تحتوية على أكسجين، وهو ما يمثل نسبة أعلى بكثير من <0.5% في النفتا المقطرة (NREL، 2022). تؤدي هذه الشوائب إلى تسريع تكوين الكوك والتأكل، مما يقلل عمر المفاعل بنسبة 40–60% في الاختبارات التجريبية. يُحسّن التطوير باستخدام مرشحات كبريت متقدمة وتبريد على مرحلتين من التحمل، لكن التحديثات الكاملة تتجاوز 18 مليون دولار في تكاليف رأس المال.

مدى تأثير تكلفة الطاقة مقابل تكلفة المواد الخام في عمليات التحلل الحراري

تتراوح تكاليف مواد التغذية لعملية التحلل الحراري بين 20 و40 دولارًا لكل طن عند التعامل مع البلاستيك المستعمل، وهو ما يزال أقل بكثير مقارنةً بسعر 600 إلى 800 دولار لكل طن للكيروسين المقطر. ولكن هناك ملاحظة مهمة في هذا السياق. إن العملية نفسها تستهلك في الواقع 30 إلى 50 بالمائة أكثر من الطاقة لكل طن منتج، لذا فإن الجدوى المالية لذلك تتحقق فقط عندما تظل تكاليف المواد الخام أقل من حوالي 55 دولارًا لكل طن. وبحسب بعض الدراسات النموذجية التي أجراها معهد الانتقال الطاقي، فإن خلط الزيوت الحيوية داخل وحدات FCC يقلل من إجمالي متطلبات الطاقة بنسبة تقارب 22 بالمائة. وهذا يساعد على تحسين المقارنة من حيث التكلفة مع الحفاظ في الوقت نفسه على استقرار الكفاءة بما يكفي لمعظم العمليات.

الاستدامة والاقتصاد الدائري: دور التحلل الحراري في الصناعات البتروكيماوية الحديثة

إن عملية التحلل الحراري تساعدنا حقًا في الاقتراب من مبادئ الاقتصاد الدائري لأنها تحول تلك البلاستيكات العنيدة غير القابلة لإعادة التدوير والمواد المطاطية القديمة إلى شيء مفيد مرة أخرى - في الأساس هيدروكربونات لا تستطيع الطرق التقليدية للتقطير التعامل معها. حوالي 85% من تلك النفايات البلاستيكية يتم استردادها من خلال هذه الطريقة، مما يعني تقليل كبير في كمية النفايات التي تذهب إلى مكبات النفايات. علاوة على ذلك، فإن الزيوت المنتجة تحتوي على محتوى طاقي لائق يتراوح بين 38 إلى 45 ميغاجول لكل كيلوغرام، وهو ما يشبه ما نراه في المنتجات النفطية القياسية مثل النفثا. بعض التطورات الجديدة في مجال المحفزات تجعل الأمور أفضل. مواد مثل الطين الأحمر أو مركبات Co/SBA-15 هذه تساعد في خفض مستويات الكبريت إلى أقل من 0.5% من الوزن، لذلك تعمل بشكل أفضل بكثير عند مزجها مع عمليات أخرى لإعادة التدوير الكيميائي. لقد شهدنا بعض الاختبارات حيث تم تحويل النفايات البلاستيكية الطبية بنجاح، مما يظهر أن التحلل الحراري يمكنه استبدال ما يقارب 20 إلى 30% من الوقود الأحفوري التقليدي في وحدات FCC. ومع ذلك، فإن معظم المصافي تواجه صعوبة في التعامل مع هذه التكنولوجيا. أقل من نصف المصافي تتمكن فعليًا من معالجة زيوت التحلل الحراري أو الزيوت الحيوية جنبًا إلى جنب مع عملياتها العادية دون الحاجة أولًا إلى تحديثات مكلفة في المعدات.

النفط الناتج من التحلل الحراري كمادة خام مستدامة لإعادة التدوير الكيميائي

يحتوي النفط الناتج من التحلل الحراري على نسبة عالية من اللينولين والبنزين والтолوين والزيلين (BTX)، مما يجعله مناسبًا لإنتاج البوليمرات النقية. ينتج عن معالجة طن واحد من الإطارات المستعملة 450–600 كجم من النفط، وهو ما يكفي لاستبدال 30% من المواد الخام المستخلصة من النفط الخام في إنتاج الستايرين.

التحليل الحراري المحفز للبولي أوليفينات: تقدم في استغلال النفايات البلاستيكية

تُحقق المحفزات القائمة على الزيلوليت تحويلًا بنسبة 80% للبولي أوليفينات إلى الأوليفينات الخفيفة عند درجة حرارة 500°م، وتتحمل الشوائب بتركيزات أعلى بأربع مرات مقارنة بالتحليل الحراري دون استخدام محفز. ويقلل ذلك من تكاليف المعالجة الأولية بمقدار 40–60 دولارًا لكل طن، مما يعزز قابلية التوسع.

دمج زيوت الوقود الحيوي وزيوت التحلل الحراري في وحدات التحفيز بالانفصال (FCC): إمكانية التطبيق والقيود

يزيد خلط 10% من زيت التحلل الحراري مع زيت الغاز تحت الفراغ من إنتاج البروبيلين بنسبة 12%. ومع ذلك، فإن مستويات الكلوريد التي تتجاوز 50 جزءًا في المليون تشكل خطر تآكل، مما يتطلب تحديثات في المفاعل تصل تكلفتها إلى 2–4 مليون دولار لضمان الدمج الآمن.

التأثير على العمليات اللاحقة: كيف تؤثر طرق المعالجة على جودة المنتج النهائي

تأثير درجة الحرارة والضغط وزمن الإقامة على إنتاج التحلل الحراري

إن توزيع المنتجات أثناء عملية التحلل الحراري يعتمد بشكل كبير على ثلاثة عوامل رئيسية: درجة الحرارة التي تتراوح عادةً بين 450 و800 درجة مئوية، وظروف الضغط التي يمكن أن تختلف من مستويات الضغط الجوي العادية حتى ضغوط معتدلة تحت الفراغ، ومدة بقاء المواد داخل المفاعل، والتي تكون عادةً بين نصف ثانية وثلاثين ثانية. عندما نزيد درجة الحرارة، نحصل على إنتاج أكبر من الغاز، وخصوصاً ما يقارب 15 إلى 20 بالمئة من إنتاج الإيثلين والبروبلين. أما بالنسبة لأولئك الذين يسعون لزيادة إنتاج الزيت السائل، فإن درجات الحرارة المحيطة بـ 500 إلى 650 درجة مئوية تُظهر أفضل النتائج. تسريع سير العملية يساعد في الحفاظ على المركبات الثقيلة مثل الشموع، لأن ذلك يمنع تحللها أكثر. لكن إذا بقيت المواد لفترة طويلة جداً داخل المفاعل، فإن الجزيئات المعقدة تستمر في التحلل إلى مكونات أصغر وأقل استقراراً، والتي تكون أقل فائدة تجارية.

الانحلال الحراري المشترك باستخدام عامل محفز لإنتاج محسّن من الزيت والشمع

تحسّن العوامل المساعدة مثل زيولايت ZSM-5 أو الألمنيوم السيليكات الاختبارية بنسبة 15–40%، مما يوجه التحلل نحو المنتجات المرغوبة. تزيد العوامل الحفازة الحمضية من إنتاج الإثيلين الخفيف (اختيارية 65–80%) وتقلل من محتوى الأكسيجين في المواد الخام من الكتلة الحيوية. يؤدي الانحلال الحراري المشترك للبلاستيك مع الكتلة الحيوية إلى تقليل لزوجة الشمع بنسبة 30%، مما يحسّن توافقه مع البنية التحتية الحالية في تكرير النفط.

زيت الانحلال الحراري المعالج بالهيدروجين مقابل النفط الخام المقطر: الاستقرار، النقاء، والتوافق

تُزيل عملية الهدرجة حوالي 90 إلى 95 بالمائة من محتوى الأكسجين والكبريت في زيت التحلل الحراري، مما يساعد في تثبيته إلى حد ما ليقترب من ما نراه في المقاطع المقطرة من النفط الخام. ولكن هناك عائق هنا. حتى بعد المعالجة، لا تزال هذه الزيوت تحتوي على ما يقارب ضعف أو حتى ثلاثة أضعاف كمية المركبات العطرية مقارنة بالنفثا virgin العادية، لذلك لا يمكن استخدامها مباشرة في أشياء مثل تصنيع البولي أوليفينات إلا إذا خضعت لمعالجة إضافية. يعمل النفط الخام المقطّر بشكل جيد إلى حد ما مع البنية التحتية الحالية، ولكن عند النظر في زيوت التحلل الحراري المحسّنة، فإنها تقدّم في الواقع شيئًا مختلفًا. جزيئاتها أكثر تنوعًا، مما يفتح إمكانيات لتطبيقات متخصصة مثل إنتاج المركبات الوسيطة اللازمة لتصنيع ألياف الكربون. هذا النوع من المرونة يجعلها مثيرة للاهتمام رغم التحديات المرتبطة بالتعامل معها.

الأسئلة الشائعة

ما هو الاختلاف الرئيسي بين التقطير والتحلل الحراري؟

التبخير هو عملية فصل فيزيائية تستفيد من اختلاف درجات الغليان لفصل الهيدروكربونات، مع بقاء البنية الجزيئية دون تغيير. أما التحلل الحراري، فهو يشمل التحلل الحراري الذي يغير البنية الجزيئية بشكل دائم من خلال تفاعلات سلسلة الجذور الحرة.

لماذا يُعتبر التحلل الحراري أكثر استدامة؟

يساهم التحلل الحراري في الاستدامة من خلال تحويل البلاستيك غير القابل لإعادة التدوير والمواد النفاوية إلى هيدروكربونات قابلة للاستخدام، وبالتالي تقليل النفايات في مكبات النفايات ودعم مبادئ الاقتصاد الدائري.

ما هي التحديات المتعلقة باستخدام زيوت التحلل الحراري في أنظمة التقطير؟

تحتوي زيوت التحلل الحراري على ملوثات وشوائب متغيرة، مثل مستويات عالية من الكبريت والكلوريدات، مما يجعلها أقل استقرارًا ويتطلب تعديلات مكلفة للأنظمة الحالية للتقطير لمعالجة هذه الشوائب بشكل فعال.