تجزیه نفت خام در مقابل پیرولیز: انتخاب فرآیند مناسب برای مواد اولیه شما

اصول اساسی: جداسازی فیزیکی در تقطیر در مقابل تجزیه حرارتی در پیرولیز

نحوه تأثیر تفاوت نقطه جوش بر بهره‌وری تقطیر نفت خام

فرآیند تراشیدن نفت خام از تفاوت دمای جوش هیدروکربن‌های مختلف استفاده می‌کند تا آن‌ها را از یکدیگر با استفاده از روش تقطیر جزئی جدا کند. مواد سبک مانند نفتا معمولاً در دمای ۳۵ تا حدود ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد به بخار تبدیل می‌شوند، در حالی که قسمت‌های سنگین‌تر در دمای بالای ۵۵۰ درجه همچنان مایع باقی می‌مانند. امروزه بسیاری از پالایشگاه‌ها واحدهای تقطیر خلا خود را در فشاری کمتر از ۵۰ میلی‌بار به کار می‌گیرند. این کاهش فشار در واقع نقطه جوش مواد را حدود ۳۰۰ درجه کاهش می‌دهد، که به جلوگیری از آسیب‌های ناشی از گرمای بیش از حد کمک می‌کند. عامل اصلی که این روش را بسیار مؤثر می‌کند، تولید تقطیرهای اولیه با درصد خلوصی نزدیک به ۹۵ درصد است، بدون اینکه ساختار مولکولی اجزای جدا شده تغییر کند.

واکنش‌های رادیکالی و مکانیسم‌های شکستن پیوند در پیرولیز هیدروکربن‌ها

فرآیند پیرولیز اساساً با گرم کردن مواد در محدوده دمایی ۴۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند که این امر باعث شکستن پیوندهای کربن-کربن و کربن-هیدروژن از طریق واکنش‌های زنجیره‌ای رادیکالی می‌شود. این فرآیند مواد سنگین‌تر را به محصولات هیدروکربنی سبک‌تر تبدیل می‌کند. تفاوت پیرولیز با تقطیر این است که پیرولیز به‌گونه‌ای مولکول‌ها را تغییر می‌دهد که این تغییر غیرقابل برگشت است. وقتی دما به حدود ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، تولید اتیلن و متان به دلیل پدیده شکست بتا به حداکثر خود می‌رسد. اما اگر دما از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد فراتر رود، اتفاق دیگری می‌افتد - ماده شروع به تبدیل شدن به گرافیت می‌کند، که به معنی تولید محصول مایع کمتر در پایان فرآیند است. تنظیم دقیق دما برای تولید مفیدترین خروجی‌های ممکن از این فرآیند بسیار مهم است.

مطالعه موردی: تقطیر در مقیاس پالایشگاهی در مقابل عملیات پیرولیز شیمیایی از ضایعات

در مقاله‌ای منتشر شده در سال 2021 در مجله اکتشاف و تولید نفت، محققان به مقایسه واحدهای تقطیر اتمسفری سنتی که روزانه حدود 250,000 بشکه نفت خام فرآورش می‌دهند با سیستم‌های پیرولیز ماژولار جدیدی که تنها با 500 تن در روز زباله پلاستیکی کار می‌کنند، پرداختند. روش تقطیر موفق به دستیابی به 82٪ بازدهی انرژی در تولید بنزین شد. در همین حال، روش پیرولیز تنها به 58٪ بازدهی دست یافت، هرچند این مزیت را داشت که فقط با مواد پلاستیکی مصرف‌شده کار می‌کرد. آنچه این موضوع را جالب می‌کند این است که پس از پردازش هیدروتریتمنت، این روغن‌های پیرولیزی به اندازه کافی خوب عمل کردند تا در واحدهای FCC با نرخی بین 15 تا 20 درصد ترکیب شوند. این امر به این معنی است که کارخانه‌ها می‌توانستند نیاز خود به نفتا تازه را به میزان تقریبی 12,000 متر مکعب در سال کاهش دهند، که برای پالایشگرانی که به دنبال استفاده از مواد بازیافتی در عملیات خود هستند، صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه محسوب می‌شود.

مناسبت مواد اولیه: هماهنگی ترکیب با تقطیر نفت خام در مقابل پیرولیز

ویژگی‌های کلیدی موثر بر قابلیت شکستن در فرآیندهای حرارتی

فرآیند تقطیر زمانی بهترین عملکرد را دارد که با مواد اولیه نفت خامی با نقاط جوش یکنواخت و باقیمانده کربنی حداقلی کار کند. این امر باعث می‌شود جداسازی مخلوط به محصولات ارزشمند مانند نفت سفید، سوخت دیزل و فراکسیون‌های باقی‌مانده آسان‌تر شود. از سوی دیگر، فناوری پیرولیز در مورد موادی که به راحتی می‌توانند شکسته شوند، به خوبی عمل می‌کند، که این موضوع بیشتر به میزان شاخه‌دار بودن مولکول‌ها و نسبت هیدروژن به کربن آنها بستگی دارد. به عنوان مثال، پلاستیک‌های مبتنی بر پلی‌اولفین را می‌توان نام برد که طبق تحقیقات انجام شده توسط NREL در سال 2022، معمولاً حدود 75 تا 85 درصد از آنها در فرآیند پیرولیز به مواد شیمیایی مفید مانند اتیلن و پروپیلن تبدیل می‌شوند. این میزان حتی بهتر از آنچه که با آلکان‌های زنجیر مستقیم که معمولاً در منابع سنتی نفت خام یافت می‌شوند، مشاهده می‌شود.

چالش‌های ناشی از آلاینده‌ها: گوگرد، اکسیژن و بقایای موجود در روغن‌های پیرولیزی

روغن‌های پیرولیزی حاصل از پلاستیک‌های زائد یا بیومس دارای 0.5 تا 3.2 درصد اکسیژن و 0.1 تا 1.8 درصد گوگرد به وزن هستند که قبل از تصفیه، نیازمند به هیدروپالایش گران‌قیمت می‌باشند. افزودنی‌های کلردار موجود در پلاستیک‌ها باعث تولید HCl خورنده می‌شوند که استفاده از مواد خاص برای ساخت راکتور و سیستم‌های تمیزکننده گاز را ضروری می‌کند. در مقابل، گوگرد موجود در تقطیر نفت خام در فراکسیون‌های سنگین‌تر متمرکز می‌شود و مدیریت آن را در واحدهای پایین‌دستی ساده‌تر می‌کند.

تحلیل تطبیقی: روغن‌های نفتی در مقابل روغن‌های پیرولیزی حاصل از زباله

مواد خام سنتی نفتی این ساختار واقعاً یکنواختی دارند که برای فرآیندهای تقطیر بسیار مناسب عمل می‌کنند. از سوی دیگر، روغن‌های پیرولیزی چیز متفاوتی به این زمینه می‌آورند، زیرا می‌توانند انواع مختلفی از مواد زائد ترکیبی را به هیدروکربن‌های قابل استفاده تبدیل کنند. برخی تحقیقات اخیر در سال 2024 بر روی سیستم‌های کراکینگ کاتالیزوری سیال (FCC) انجام شد و کشف کردند که وقتی پالایشگاه‌ها حدود 10 درصد روغن پیرولیزی را با نفت گازویی خلاء ترکیب می‌کنند، در واقع تشکیل کُک (کُک زدن) تقریباً 18 درصد کاهش می‌یابد، که با توجه به اینکه بازده تقریباً ثابت می‌ماند، قابل توجه است. با این حال هنوز مشکلی وجود دارد و آن هم متغیر بودن آلاینده‌های موجود در این روغن‌های پیرولیزی است. پالایشگاه‌ها برای کار با ورودی‌های پایدار نفت خام طراحی شده‌اند، اما آن کاتالیزورهای باقی‌مانده سرکش از فرآیندهای دپلیمریزاسیون، انتقال گسترده این فناوری را در بیشتر واحدهای موجود دشوار می‌کنند.

عملکرد فرآیند: بازده، کارایی و سازگاری زیرساختی

بازده اُلفین‌های سبک: نفتا در مقابل روغن پیرولیزی در کراکرهای بخاری

هنگامی که کراکرهای بخار با خوراک نفتا کار می‌کنند، عموماً حدود ۲۵ تا ۳۰ درصد اولفین‌های سبک تولید می‌کنند، زیرا این ماده دارای ترکیب پایداری است و در شرایط کاملاً کنترل‌شده‌ای عمل می‌کند. اما کار با روغن‌های پیرولیز کمی پیچیده‌تر است. حتی پس از گذشت از فرآیندهای هیدروتیمار، این مواد معمولاً تنها حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد اولفین‌های سبک تولید می‌کنند. چرا؟ به طور اصلی به دلیل اینکه ساختار مولکولی آنها بسیار متفاوت است و اغلب ناخالصی‌هایی مانند کلریدها را در خود دارند. یک گزارش اخیر از کنسورسیوم نوآوری پتروشیمی در سال ۲۰۲۳ نیز چیز جالبی نشان داد. برای تولید مقدار یکسانی اتیلن نسبت به نفتا، روغن‌های پیرولیز به دمای کرکینگی نیاز دارند که تقریباً ۱۰ تا ۱۵ درصد بالاتر است. این تفاوت دما تأثیر واقعی‌ای بر هزینه‌ها و کارایی عملیاتی بسیاری از واحدها دارد.

تحمل ناخالصی در واحدهای کرکینگ موجود: محدودیت‌های فنی و عملیاتی

روغن‌های پیرولیز حاوی ۱–۳٪ گوگرد و اکسیژن‌دارها هستند که به طور قابل توجهی بالاتر از ۰٫۵٪ در نفتای تقطیر شده است (NREL، ۲۰۲۲). این ناخالصی‌ها باعث تسریع در تشکیل کُک و خوردگی شده و عمر راکتور را در آزمایش‌های نیمه‌صنعتی ۴۰–۶۰٪ کاهش می‌دهند. بازسازی با دستگاه‌های پیشرفته حذف گوگرد و سیستم‌های خنک‌کننده دو مرحله‌ای می‌تواند تحمل راکتور را بهتر کند، اما بهسازی‌های کامل مقیاس بزرگ نیازمند بیش از ۱۸ میلیون دلار هزینه سرمایه‌ای است.

تعادل بین ورودی انرژی و هزینه مواد اولیه در عملیات پیرولیز

هزینه‌های مواد اولیه پیرولیز در حدود ۲۰ تا ۴۰ دلار در تن است، وقتی که پلاستیک‌های زائد مد نظر باشند، که این قیمت در مقایسه با ۶۰۰ تا ۸۰۰ دلار در تن نفت سفید تقطیر شده بسیار پایین‌تر است. اما نکته‌ای وجود دارد که شایان توجه است. خود فرآیند پیرولیز به طور متوسط ۳۰ تا ۵۰ درصد انرژی بیشتری در تن تولید مصرف می‌کند، بنابراین این فرآیند تنها زمانی از نظر مالی معنادار است که قیمت مواد اولیه زیر حدود ۵۵ دلار در تن باقی بماند. بر اساس برخی مدل‌سازی‌های انجام شده از سوی مؤسسه گذار انرژی، ترکیب روغن‌های زیستی در واحدهای FCC باعث کاهش حدود ۲۲ درصدی نیازهای کلی انرژی می‌شود. این موضوع به بهبود مقایسه هزینه‌ها کمک می‌کند و در عین حال میزان بازدهی را به اندازه‌ای حفظ می‌کند که برای بیشتر عملیات‌ها قابل قبول باشد.

پایداری و اقتصاد دایره‌ای: نقش پیرولیز در صنایع پتروشیمیایی مدرن

فرآیند پیرولیز واقعاً به ما کمک می‌کند تا به سمت اصول اقتصاد دایره‌وار برویم، زیرا این فرآیند پلاستیک‌های سفت و سخت غیرقابل بازیافت و مواد لاستیکی قدیمی را دوباره به چیزی مفید تبدیل می‌کند - در واقع هیدروکربن‌هایی که روش‌های تقطیر معمولی نمی‌توانند با آن‌ها کار کنند. حدود 85 درصد از تمام این زباله‌های پلاستیکی از طریق این روش بازیابی می‌شوند، که یعنی بسیار کمتر به محل‌های دفن زباله می‌روند. علاوه بر این، روغن‌های تولید شده دارای محتوای انرژی قابل قبولی هستند، حدود 38 تا 45 مگاژول بر کیلوگرم، که با محصولات نفتای معمولی قابل مقایسه است. برخی از توسعه‌های جدید در زمینه کاتالیزورها باعث بهبود وضعیت شده‌اند. موادی مانند گل سرخ یا ترکیبات Co/SBA-15 به کاهش سطح گوگرد به زیر 0.5 درصد وزنی کمک می‌کنند، بنابراین زمانی که با سایر فرآیندهای بازیافت شیمیایی ترکیب می‌شوند، عملکرد بهتری دارند. ما شاهد آزمایش‌هایی بوده‌ایم که ضایعات پلاستیکی درجه پزشکی به موفقیت تبدیل شده‌اند، که نشان می‌دهد پیرولیز می‌تواند به طور تقریبی 20 تا 30 درصد از سوخت‌های فسیلی سنتی را در واحدهای FCC جایگزین کند. با این حال، بیشتر تصفیه‌خانه‌ها با این فناوری دچار مشکل هستند. کمتر از نصف آن‌ها قادر به پردازش روغن‌های پیرولیزی یا زیست‌نفت بدون نیاز به ارتقاء گران‌قیمت تجهیزات هستند.

نفت پیرولیز به عنوان یک خوراک پایدار برای بازیافت شیمیایی

محتوای بالای لیمونن و BTX در نفت پیرولیز، آن را مناسب برای تولید پلیمرهای درجه اول می‌کند. پردازش یک تن لاستیک باطله، ۴۵۰ تا ۶۰۰ کیلوگرم نفت تولید می‌کند که می‌تواند ۳۰٪ از خوراک‌های مشتق‌شده از نفت خام را در تولید استایرن جایگزین کند.

پیرولیز کاتالیستی پلی‌اولفین‌ها: پیشرفت در ارزش‌گذاری زباله‌های پلاستیکی

کاتالیست‌های دارای زئولیت در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد به ۸۰٪ تبدیل پلی‌اولفین‌ها به الفین‌های سبک دست می‌یابند، که توانایی تحمل آلاینده‌ها را چهار برابر پیرولیز حرارتی افزایش می‌دهد. این امر باعث کاهش ۴۰ تا ۶۰ دلار در هزینه‌های پیش‌پردازش شده و مقیاس‌پذیری را بهبود می‌بخشد.

هم‌پردازش بیو-نفتها و نفت پیرولیز در واحدهای FCC: امکان‌سنجی و محدودیت‌ها

ترکیب ۱۰٪ نفت پیرولیز با نفت گاز خلاء، باعث افزایش ۱۲٪ در بازدهی پروپیلن می‌شود. با این حال، سطح کلرید بالای ۵۰ قسمت در میلیون خطر خوردگی را ایجاد می‌کند و نیازمند به‌روزرسانی‌هایی به میزان ۲ تا ۴ میلیون دلاری در راکتورها برای ادغام ایمن است.

تأثیرات پسین: نحوه تأثیر روش‌های پردازش بر کیفیت محصول نهایی

تأثیر دما، فشار و زمان ماندگی بر خروجی پیرولیز

توزیع محصولات در طی پیرولیز در واقع به سه عامل اصلی بستگی دارد: دمایی که معمولاً بین 450 تا 800 درجه سانتی‌گراد متغیر است، شرایط فشار که می‌تواند از سطح اتمسفری معمول تا مکش متوسط متفاوت باشد، و مدت زمانی که مواد در راکتور باقی می‌مانند، معمولاً بین نیم ثانیه تا سی ثانیه. وقتی دما را بالا می‌بریم، مقدار گازهای تولید شده افزایش می‌یابد، به‌ویژه حدود 15 تا 20 درصد اتیلن و پروپیلن تولید می‌شود. برای کسانی که به دنبال حداکثر کردن خروجی نفت مایع هستند، دماهای 500 تا 650 درجه سانتی‌گراد بهترین نتیجه را می‌دهند. تسریع در فرآیند به حفظ ترکیبات سنگین‌تر مانند موم‌ها کمک می‌کند، چرا که از تجزیه بیشتر آنها جلوگیری می‌کند. اما اگر مواد خیلی طولانی در آنجا بمانند، مولکول‌های پیچیده به تجزیه بیشتر خود ادامه می‌دهند و تبدیل به ترکیبات کوچک‌تر و کم‌پایدارتری می‌شوند که از نظر تجاری کمتر مفید هستند.

هم‌پیرولیز کاتالیزوری برای بهینه‌سازی تولید نفت و موم

کاتالیزورهایی مانند زئولیت‌های ZSM-5 یا آلومینوسیلیکات‌ها باعث بهبود انتخاب‌پذیری به میزان 15 تا 40 درصد می‌شوند و تجزیه را به سمت محصولات مورد نظر هدایت می‌کنند. کاتالیزورهای اسیدی باعث افزایش بازدهی الفین‌های سبک (65 تا 80 درصد انتخاب‌پذیری اتیلن) می‌شوند و تولید اکسیژن‌دارها را در خوراک‌های زیست‌توده کاهش می‌دهند. هم‌پیرولیز پلاستیک‌ها با زیست‌توده باعث کاهش ویسکوزیته موم به میزان 30 درصد می‌شود و سازگاری آن با زیرساخت‌های موجود در پالایشگاه‌ها را بهبود می‌دهد.

نفت پیرولیز شده با هیدروژن در مقابل نفت خام تقطیری: پایداری، خلوص و سازگاری

فرآیند هیدروتریتمنت حدود 90 تا 95 درصد از محتوای اکسیژن و گوگرد موجود در نفت پیرولیز را حذف می‌کند، که این امر باعث پایداری نسبی آن به میزانی نزدیک به آنچه در فراکسیون‌های خام تقطیر شده مشاهده می‌کنیم، می‌شود. اما نکته‌ای وجود دارد. حتی پس از این تصفیه، این نفتها هنوز دارای حدود دو یا حتی سه برابر ترکیبات آروماتیک بیشتری نسبت به نفت سفید خام معمولی هستند، بنابراین نمی‌توان آنها را به صورت مستقیم برای مواردی مانند تولید پلی‌اولفین‌ها استفاده کرد مگر اینکه تحت فرآیندهای اضافی قرار گیرند. نفت خام تقطیر شده با زیرساخت‌های موجود به خوبی سازگار است، اما در مورد نفتهای پیرولیزی ارتقا یافته، آنها واقعاً چیزی متفاوت ارائه می‌دهند. مولکول‌های آنها متنوع‌تر هستند که این امر امکان استفاده در برخی کاربردهای خاص مانند تولید پیش‌سازهای الیاف کربنی را فراهم می‌کند. این انعطاف‌پذیری باعث می‌شود آنها علیرغم چالش‌های موجود در کار با این مواد، جالب توجه باشند.

‫سوالات متداول‬

تفاوت اصلی بین تقطیر و پیرولیز چیست؟

تقطیر یک فرآیند جداسازی فیزیکی است که از تفاوت در نقاط جوش برای جداسازی هیدروکربن‌ها استفاده می‌کند و ساختار مولکولی را بدون تغییر باقی می‌گذارد. از سوی دیگر، پیرولیز شامل تجزیه حرارتی است و از طریق واکنش‌های زنجیره‌ای رادیکالی، ساختارهای مولکولی را به طور دائمی تغییر می‌دهد.

چرا پیرولیز پایدارتر در نظر گرفته می‌شود؟

پیرولیز به پایداری از طریق تبدیل پلاستیک‌های غیرقابل بازیافت و مواد زائد به هیدروکربن‌های قابل استفاده کمک می‌کند، بدین ترتیب مقدار زباله‌های دفنی را کاهش می‌دهد و اصول اقتصاد دایره‌وار را تقویت می‌کند.

چالش‌های استفاده از روغن‌های پیرولیز در سیستم‌های تقطیر چیست؟

روغن‌های پیرولیز حاوی آلاینده‌ها و ناخالصی‌های متغیری مانند سطوح بالای گوگرد و کلریدها هستند، که باعث کاهش پایداری آن‌ها می‌شود و نیازمند بازسازی گران‌قیمت سیستم‌های تقطیر موجود برای مقابله بهتر با این ناخالصی‌ها می‌باشد.