Дестилация на суров петрол срещу пиролиза: Избор на правилния процес за вашия суровинен материал

Основни принципи: физическо разделяне при дестилация срещу термично разлагане при пиролиза

Как разликите в точките на кипене определят ефективността на дестилацията на сурова нафта

Процесът На дистилация на суров петрол използва факта, че различните въглеводороди кипят при различни температури, за да бъдат разделени чрез т.нар. фракционна дестилация. Леките вещества като нафта обикновено се превръщат в пара при температура между 35 и около 200 градуса по Целзий, докато по-тежките остават в течна фаза, когато температурата надхвърли около 550 градуса. Всъщност, много рафинерии използват вакуумни дестилационни уредби, работещи при налягане под 50 милибара. Това намаляване на налягането всъщност понижава температурата на кипене с около 300 градуса, което помага да се избегне възможна топлинна деградация. Ефективността на този метод идва от способността му да осигурява първоначални дестилати с чистота, достигаща почти 95 процента, без да се променя молекулният състав на отделените компоненти.

Радикални реакции и механизми на разкъсване на връзки при пиролизата на въглеводороди

Процесът на пиролиза работи основно чрез загреване на материали между около 400 и 800 градуса Целзий, което разрушава въглерод-въглеродните и въглерод-водородните връзки чрез тези радикални верижни реакции. Това преобразува по-тежките вещества в по-леки въглеводородни продукти. Това, което прави пиролизата различна от дестилацията, е че тя действително променя самите молекули по необратим начин. Когато температурите достигнат около 750 градуса Целзий, се наблюдава максимално производство на етилен и метан благодарение на процес, наречен бета скъсване. Но ако температурите надминат 1000 градуса, случва се нещо друго – материала започва да се превръща в графит, което означава, че в края на процеса се получава по-малко течен продукт. Точното регулиране на температурата е от голямо значение за получаването на най-полезните продукти от този процес.

Студия на случай: Дестилация в мащаб на рафинерия срещу пиролиза на отпадъци за производство на химикали

В публикация от 2021 г., публикувана в списание Journal of Petroleum Exploration and Production, изследователи са сравнили традиционните атмосферни дистилационни уредби, които обработват около 250 000 бъчви на ден суров петрол, с нови модулни системи за пиролиза, които обработват само 500 тона на ден пластмасови отпадъци. Дистилационният метод постигнал висока енергийна ефективност от 82% при производството на бензин. Междувременно, методът с пиролиза достигнал само до 58% ефективност, въпреки че имал предимството, че работел изключително с постконсуматорски пластмасови материали. Интересното е, че след допълнителна хидрообработка, тези пиролизни масла се оказали достатъчно добри, за да могат да се смесват в FCC уредбите в пропорции между 15 и 20%. Това означава, че рафинериите могат да намалят нуждите си от свеж нафта с приблизително 12 000 кубически метра годишно, което представлява значителна икономия за рафиньорите, които се стремят да включат рециклирани материали в операциите си.

Приложимост на суровината: Съпоставяне на състава спрямо дестилация на петрола и пиролиза

Основни свойства, които влияят на разцепваемостта при термична обработка

Процесът на дестилация работи най-ефективно, когато се използват петролни суровини със състоятелни точки на кипене и минимален въглероден остатък. Това прави по-лесно разделянето на сместа на ценни продукти като нафта, дизелово гориво и различни остатъчни фракции. От друга страна, технологията на пиролиза се проявява добре при материали, които могат лесно да се разцепят, което зависи предимно от степента на разклоненост на молекулите и съотношението им водород към въглерод. Вземете например пластмаси на база полиолефини – тези материали обикновено се превръщат в полезни химикали като етилен и пропилен при пиролиза с ефективност от около 75 до 85 процента, според проучвания на NREL от 2022 г. Това всъщност е по-добър резултат в сравнение с този при веригите на алканите, често срещани в традиционните петролни суровини.

Проблеми с замърсители: Сярa, Кислород и остатъци в пиролизните масла

Пиролизните масла от отпадъчни пластмаси или биомаса съдържат 0.5–3.2% кислород и 0.1–1.8% сярa по тегло, което изисква скъпо хидрообезсърфичаване преди рафиниране. Хлорираните добавки в пластмасите генерират корозивен HCl, което изисква специални материали за реакторите и системи за промиване на газове. В сравнение, сярата при дестилация на суровата нефта се концентрира в по-тежките фракции, което опростява управлението ѝ в следващите процесни единици.

Сравнителен анализ: Нефтени масла срещу пиролизни масла от отпадъци

Традиционните петролни суровини имат много постоянен състав, който е подходящ за процесите на дестилация. Пиролизните масла от друга страна предлагат нещо различно, тъй като могат да превръщат разнообразни смесени отпадъци в използваеми въглеводороди. Някои проучвания през 2024 г. изследваха каталитичните системи за пълнежно крекиране и установиха, че когато рафинериите смесват около 10% пиролизно масло с вакуумно газово масло, това намалява образуването на кокс с приблизително 18%, което е доста висок резултат, като се има предвид, че добивите остават почти непроменени. Въпреки това все още съществува проблем със съдържанието на разнообразни замърсители в тези пиролизни масла. Рафинериите са проектирани да обработват стабилни суровини, но остатъчните катализатори, останали след процесите на деполимеризация, затрудняват широко прилагането им в повечето съществуващи съоръжения.

Процесна ефективност: добив, ефективност и съвместимост с инфраструктурата

Добив на леки олефини: нафта срещу пиролизно масло в парни крекинг инсталации

Когато парните крекингови инсталации работят с нафтен суровинен материал, те обикновено произведат около 25 до 30 процента леки олефини, защото материала има стабилен състав и работата се извършва при добре контролирани условия. По-сложно става обаче при пиролизните масла. Дори след като минат през процеси на хидроочистване, тези материали обикновено дават около 15 до 20 процента леки олефини. Защо? Основно поради това, че техните молекулни структури се различават значително и често съдържат примеси като хлориди. Показателен е и един доклад от 2023 г. на Петрохимичния иновационен консорциум. За да се получи същото количество етилен, както при нафта, пиролизните масла изискват температура за крекинг, която е с около 10 до 15 процента по-висока. Тази разлика в температурата оказва сериозно влияние върху оперативните разходи и ефективността на много инсталации.

Толерантност към примеси в съществуващите крекингови инсталации: технически и оперативни ограничения

Пиролизираните масла съдържат 13% сяра и оксигени, което е значително по-високо от < 0,5% в дестилираната нафта (NREL, 2022). Тези примеси ускоряват коксирането и корозията, като в пилотните изпитвания съкратяват живота на реактора с 40 - 60%. По-добрият вариант е да се използват модерни сярни пречистватели и двустепенно заглушаване, което подобрява толерантността, но модернизирането на целия комплекс е над 18 милиона долара.

Внос на енергия срещу разходи за суровини в пиролизните операции

Цените за суровини при пиролизата са около 20 до 40 долара за тон, когато се работи с отпадъчни пластмаси, което е значително по-евтино в сравнение с цената от 600 до 800 долара за тон за дестилирана нафта. Но тук има една важна уговорка. Самият процес всъщност изразходва с 30 до 50 процента повече енергия на тон продукт, така че това е рентабелно само ако цената на суровините остане под около 55 долара за тон. Според някои изследвания на Института за енергийен преход, смесването на биооли в FCC инсталациите намалява общите нужди от енергия с около 22%. Това подобрява общата рентабелност, без да се жертва добивът, което го прави стабилен избор за повечето производствени операции.

Устойчивост и кръгова икономика: Ролята на пиролизата в модерната петрохимия

Процесът на пиролиза наистина ни помага да се придвижим към принципите на кръговата икономика, защото превръща онези упорити непрециклируеми пластмаси и старите гуми в нещо полезно отново – основно въглеводороди, с които обикновените методи за дестилация просто не могат да се справят. Около 85% от цялата тази пластмасова употреба се възстановява чрез този метод, което означава много по-малко отпадъци, отивайки на депа. Освен това, произведените масла имат доста добро енергийно съдържание – около 38 до 45 MJ на килограм, което е подобно на това, което се вижда при стандартните нафтенни продукти. Някои нови разработки на катализатори правят нещата още по-добри. Материали като червена тиня или тези Co/SBA-15 съединения помагат да се понижи нивото на сера под 0,5 тегловни процента, така че те работят много по-добре, когато се смесват с други процеси за химично рециклиране. Видяхме някои тестове, при които отпадъци от пластмаси от медицински клас бяха успешно превърнати, което показва, че пиролизата би могла да замени приблизително 20 до 30% от традиционните изкопаеми горива в FCC уредбите. Въпреки това, повечето рафинерии се борят с тази технология. По-малко от половината всъщност успяват да обработят пиролизни масла или биомасла заедно с обичайните си операции, без преди това да се наложи скъпо оборудване да бъде модернизирани.

Пиролизно масло като устойчива суровина за химично рециклиране

Високото съдържание на лимонен и BTX в пиролизното масло го прави подходящо за производство на полимери от първо качество. Преработката на една тон отпадъчни гуми дава 450–600 кг масло, което е достатъчно, за да замени 30% от суровините, получени от петрол, в производството на стирен.

Каталитична пиролиза на полиолефини: напредък в усвояването на отпадъци от пластмаси

Каталитични процеси с цеолитови катализатори постигат 80% конверсия на полиолефините в леки олефини при 500°C, с четири пъти по-голяма толерантност към замърсители в сравнение с термичната пиролиза. Това намалява разходите за предварителна обработка с 40–60 долара на тон и подобрява мащабируемостта.

Съвместна преработка на биомаса и пиролизни масла в FCC инсталации: възможности и ограничения

Смесването на 10% пиролизно масло с вакуумно газово масло увеличава добива на пропилен с 12%. Въпреки това, нивата на хлориди над 50 ppm водят до риск от корозия, което изисква инвестиции от 2–4 милиона долара за модернизация на реакторите, за да се осигури безопасна интеграция.

Влияние върху последните продукти: как методите на преработка засягат качеството на крайния продукт

Влияние на температурата, налягането и времето на престой върху продуктите от пиролиза

Разпределението на продуктите по време на пиролиза зависи предимно от три основни фактора: температура, която обикновено варира между около 450 и 800 градуса по Целзий, налягане, което може да се променя от нормални атмосферни условия до умерен вакуум, и времето, през което материалите остават в реактора, обикновено между половин секунда и тридесет секунди. Когато температурата се повиши, се получава по-голямо количество газове, като етилен и пропилен, с добив от около 15 до 20 процента. За максимално производство на течно масло, температури около 500 до 650 градуса се оказват най-ефективни. Бързото преминаване на процеса помага за запазването на по-тежки съединения, като восъците, тъй като предотвратява допълнителното им разлагане. Но ако материалите останат твърде дълго в реактора, сложните молекули продължават да се разпадат на по-малки и по-нестабилни компоненти, които са по-малко полезни от комерсиална гледна точка.

Каталитично съвместно пиролизиране за оптимизирано производство на масло и восък

Катализатори като цеолити ZSM-5 или алумино-силикати подобряват селективността с 15–40%, насочвайки разлагането към желаните продукти. Кисели катализатори увеличават добива на леки олефини (селективност към етилен 65–80%) и потискат съдържанието на кислородни съединения в биомасовите суровини. Съвместното пиролизиране на пластмаси с биомаса намалява вискозитета на восъка с 30%, което подобрява съвместимостта му с действащата инфраструктура за рафиниране.

Хидроочистено пиролизно масло срещу дестилирана суровина: стабилност, чистота и съвместимост

Хидротретманът отстранява около 90 до 95 процента от съдържанието на кислород и сяра в пиролизното масло, което помага да се стабилизира до ниво, сравнително близко до това на дестилатите от суровата нафта. Но тук има един проблем. Дори след обработка, тези масла все още съдържат около два или дори три пъти повече ароматични съединения в сравнение с обикновената нафта, така че те не могат директно да се използват за производства като полиолефини, освен ако не бъдат подложени на допълнителна обработка. Дестилираната сурова нафта работи добре със съществуващата инфраструктура, но когато се погледне към модифицираните пиролизни масла, те всъщност предлагат нещо различно. Молекулите им са по-разнообразни, което отваря възможности за специфични приложения, например за производството на прекурсори за въглеродни влакна. Това разнообразие ги прави интересни, въпреки предизвикателствата, свързани с използването им.

Често задавани въпроси

Каква е основната разлика между дестилацията и пиролизата?

Дестилацията е физичен процес на сепарация, който използва разликите в точките на кипене, за да разделя хидроуглеродите, като оставя молекулната структура непроменена. Пиролизата, от друга страна, включва термично разлагане, което завинаги променя молекулните структури чрез радикални верижни реакции.

Защо пиролизата се счита за по-устойчива?

Пиролизата допринася за устойчивостта, като превръща непрециклими пластмаси и отпадъчен материал в използваеми хидроуглероди, намалявайки отпадъците в депата и поддържайки принципите на кръговата икономика.

Какви са предизвикателствата при използването на пиролизни масла в дестилационни системи?

Пиролизните масла съдържат различни замърсители и примеси, като високи нива на сяра и хлориди, което ги прави по-малко стабилни и изисква скъпо модернизиране на съществуващите дестилационни системи, за да се справят ефективно с тези примеси.