Raakaöljyn tislaus vs. pyrolyysi: Oikean prosessin valinta syöttöaineelle

Perusperiaatteet: Tislausprosessin fysikaalinen erotus vs. pyrolyysin lämpöjako

Kiehumispisteen erot raaköljyn tislaustehokkuudessa

Prosessi raa'asöljen distillaatio hyödyntää sitä, miten eri hiilivedyt haihtuvat eri lämpötiloissa, jolloin niiden erotus tapahtuu ns. osittaisella tislauskerralla. Kevyet aineet, kuten nafta, haihtuvat yleensä 35–200 celsiusasteen välillä, kun taas raskaammat aineet pysyvät nesteenä, kun lämpötila ylittää noin 550 astetta. Nykyään monet jalostamot käyttävät tyhjiötislauksessa painetta, joka on alle 50 millibaaria. Tämä paineen lasku alentaa kiehumispisteitä noin 300 astetta, mikä puolestaan estää korkean lämmön aiheuttamaa haittaa. Tämän menetelmän tehokkuuden taustalla on se, että erotuksessa saavutetaan noin 95 prosentin puhdaspiito ilman, että eroteltavien komponenttien molekyylirakennetta muutetaan.

Radikaalireaktiot ja sidosten katkaisumekanismit hiilivedyn pyrolyysissä

Pyrolyysi toimii periaatteessa lämmittämällä materiaaleja noin 400–800 celsiusasteen välillä, mikä hajottaa hiili-hiili- ja hiili-vesivety sidoksia näiden radikaaliketjureaktioiden vaikutuksesta. Tämä muuttaa raskaammat aineet kevyemmiksi hiilivetytuotteiksi. Sen erottaa tislaamisesta se, että se muuttaa itse molekyylejä tavalla, jota ei voida kumota. Kun lämpötila nousee noin 750 celsiusasteeseen, etyleenin ja metaanin tuotanto saavuttaa huipunnsa niin kutsutun beetasirron ansiosta. Mutta jos lämpötila nousee yli 1 000 celsiusasteen, tapahtuu jotain muuta – materiaali alkaa muuttua grafiidiksi, mikä tarkoittaa, että lopulta saadaan vähemmän nestemäistä tuotetta. Lämpötilan tarkka säätö on erittäin tärkeää, jotta prosessista saataisiin mahdollisimman hyödyllisiä tuotantotuloksia.

Tapausraportti: Teollisen tislaamon ja jätteen kemikaasiksi muuttavan pyrolyysitoiminnan vertailu

Vuonna 2021 julkaistussa tutkimuskirjassa, joka käsittelee Journal of Petroleum Exploration and Production -lehden artikkeleita, tutkittiin perinteisten ilmanpaineistiltojen toimintaa verrattuna uusiin modulaarisiin pyrolyysijärjestelmiin. Ilmanpaineistiltojen käsittelykapasiteetti oli noin 250 000 tynnyriä päivässä raaköljyä, kun taas pyrolyysijärjestelmien käsiteltävä määrä oli vain 500 tonnia päivässä muovijätettä. Tislauksessa saavutettiin huippu 82 % energiatehokkuus bensiinin valmistuksessa. Toisaalta pyrolyysimenetelmä saavutti vain 58 % tehokkuuden, vaikka sillä oli etuna mahdollisuus käyttää ainoastaan kuluttajan jäljiltä syntyvää muovia. Tämän tutkimuksen kannalta mielenkiintoista on, että jonkin verran hydrotreatment-käsittelyä seuranneet pyrolyysiöljyt soveltuivat hyvin FCC-yksiköihin, joiden sekoitussuhteet olivat 15–20 %. Tämä tarkoittaa, että tehtaat voisivat vähentää raakanaftan tarvetta noin 12 000 kuutiometriä vuodessa, mikä on merkittävä kustannusten säästömahdollisuus jalostamoille, jotka pyrkivät integroimaan kierrätysmateriaaleja toimintaansa.

Raaka-aineen sopivuus: koostumuksen yhdistäminen raakaöljyn tislaamiseen vs. pyrolyysiin

Murtumisominaisuuksiin vaikuttavat keskeiset ominaisuudet lämpökäsittelyssä

Tislausprosessi toimii tehokkaimmin, kun käsitellään raakaöljypohjaisia raaka-aineita, joilla on tasaiset kiehumispisteet ja vähäinen hiilijäännös. Tämä tekee seoksen jakamisesta arvokkaisiin tuotteisiin, kuten nafta, diesel polttoaine ja erilaiset jäännöstuotteet, helpommaksi. Toisaalta pyrolyysitekniikka loistaa erityisesti sellaisten materiaalien käsittelyssä, jotka murtuvat helposti, mikä riippuu suurelta osin molekyylien haaroittumisesta ja niiden vety-hiili-suhteesta. Otetaan esimerkiksi polyolefiinipohjaiset muovit – nämä materiaalit muuntuvat tyypillisesti noin 75–85 prosenttisesti hyödyllisiksi kemikaaleiksi, kuten etyleeniksi ja propyleeniksi, pyrolyysin yhteydessä, kuten NREL:n vuonna 2022 tekemässä tutkimuksessa todettiin. Tämä on itse asiassa parempaa kuin mitä saavutetaan perinteisissä raakaöljylähteissä yleisesti esiintyvillä suoraketjuisilla alkaaneilla.

Haasteet epäpuhtauksien kanssa: rikki, happi ja jäännökset pyrolyysiöljyissä

Jätteistä tai biomassasta saatavat pyrolyysiöljyt sisältävät painoprosentteina 0,5–3,2 % happista ja 0,1–1,8 % rikkiä, mikä edellyttää kalliista hydrokäsittelyä ennen jalostusta. Muoveissa olevat kloorattujen lisäaineet tuottavat syövyttävää HCl:ää, mikä vaatii erityisiä reaktorimateriaaleja ja kaasun puhdistusjärjestelmiä. Rikki raaköljyn tislausprosessissa keskittyy raskaampiin fraktioihin, mikä yksinkertaistaa sen käsittelyä jälkikäsittelyyksiköissä.

Verrannollinen analyysi: raaköläjyt vs. jätteistä saatavat pyrolyysiöljyt

Perinteiset öljypohjaiset raaka-aineet ovat hyvin tasalaatuisia, mikä sopii erinomaisesti tislausprosesseihin. Päinvastoin pyrolyysiöljyt tarjoavat jotain erilaista, sillä ne voivat muuttaa monenlaista sekoitettua jätettä hyödynnettäviksi hiilivetyiksi. Vuonna 2024 julkaistut tutkimukset kartoittivat Fluid Catalytic Cracking -järjestelmiä ja havaitsivat, että kun jalostajat sekoittavat noin 10 % pyrolyysiöljyä tyhjiööljyyn, koken muodostuminen vähenee noin 18 %, mikä on melko vaikuttavaa ottaen huomioon, että hyötysuhde pysyy lähes muuttumattomana. On kuitenkin edelleen ongelma, että pyrolyysiöljyt sisältävät monenlaisia vaihtelevia epäpuhtauksia. Jalostamot on rakennettu käsittelemään stabiileja raakaöljyjä, mutta depolymerointiprosessien jäljiltä jäävät katalysaattorit vaikeuttavat laajaa hyväksymistä nykyisissä laitoksissa.

Prosessin suorituskyky: Hyöty, tehokkuus ja infrastruktuurin yhteensopivuus

Kevyet olefiinituotannot: Nafteeni vs. Pyrolyysiöljy höyrystyskoneissa

Kun höyryhalkeilijat käyttävät naftta-syötteitä, ne tuottavat yleensä noin 25–30 prosenttia kevyitä olefiineja, koska materiaalin koostumus on stabiili ja toiminta tapahtuu hyvin hallituissa olosuhteissa. Tilanne vaikeutuu kuitenkin pyrolyysiöljyjen kohdalla. Vaikka ne olisivat käsitelty hydrotreatment-prosessin kautta, näistä materiaaleista saadaan yleensä vain noin 15–20 prosenttia kevyitä olefiineja. Miksi? Pääasiassa siksi, että niiden molekyylirakenteet vaihtelevat melko paljon, ja niissä on usein epäpuhtauksia, kuten klorideja. Vuoden 2023 Petrochemical Innovation Consortiumin raportti paljasti myös mielenkiintoisen seikan. Saadakseen saman määrän etyleenituotantoa kuin naftasta, pyrolyysiöljyt vaativat halkeilulämpötiloja, jotka ovat noin 10–15 prosenttia korkeampia. Tämä lämpötilaero vaikuttaa merkittävästi monien tehtaiden käyttökustannuksiin ja tehokkuuteen.

Epäpuhtauksien sieto olemassa olevissa halkeilulaitoksissa: tekniset ja käyttörajoitukset

Pyyrolyysiöljyt sisältävät 1–3 % rikkiä ja happiyhdisteitä, mikä on huomattavasti enemmän kuin <0,5 % tislatussa naftassa (NREL, 2022). Nämä epäpuhtaudet nopeuttavat kokiutumista ja korroosiota, jolloin reaktorin käyttöikä lyhenee 40–60 % pilottikokeissa. Uudistaminen edistyneillä rikinpoistimilla ja kaksivaiheisella jäähdytyksellä parantaa siedettävyyttä, mutta koko laitoksen päivitykset ylittävät 18 miljoonan dollarin pääomakustannukset.

Energian syötön ja raaka-aineen hinnan kompromissi pyrolyysioperaatioissa

Polttoainekustannukset pyrolyysiin ovat noin 20–40 dollaria tonnilta, kun käsitellään jätesuorakkeita, mikä on huomattavasti edullisempaa kuin tislattu naftan 600–800 dollarin tonnihinta. Mutta tässä on yksi sudenkuoppa. Itse prosessi kuluttaa 30–50 prosenttia enemmän energiaa tonnia kohti, joten se kannattaa taloudellisesti vain, jos raaka-aineen hinta pysyy alle noin 55 dollarin tonnilla. Energiamuutosinstituutin mallinnusten mukaan biööljyjen sekoittaminen FCC-yksiköihin vähentää kokonaisenergian tarvetta noin 22 prosenttia. Tämä parantaa kustannustehokkuutta ja samalla pitää tuotosmäärät riittävän vakaina useimmille toiminnoille.

Sosiaalinen kestävyys ja kierrätystalouden rooli: Pyrolyysin osuus nykyaikaisissa petrokemiallisissa prosesseissa

Polttoaineiden valmistusprosessi edistää meitä todella kohti kiertotalouden periaatteita, koska se muuttaa näitä hankalia kierrättämättömiä muoveja ja vanhoja kumituotteita uudelleen hyödynnettäväksi raaka-aineeksi – pääasiassa hydrokarboniksi, joiden käsittelyssä tavanomaiset tislausmenetelmät eivät onnistu. Noin 85 % kaikista näistä muovijätemääristä saadaan talteen tämän menetelmän avulla, mikä tarkoittaa selvästi vähemmän kaatopaikkajäätä. Lisäksi tuotetulla öljyllä on melko kohtuullinen energiasisältö, noin 38–45 MJ per kilogramma, mikä vastaa suunnilleen tavanomaisten naftaatusten tuotteiden tasoa. Joitain uusia katalysaattorikehitysalueita on parantanut tilannetta vielä lisää. Materiaalit, kuten punainen savi tai Co/SBA-15 -yhdisteet, auttavat alentamaan rikkipitoisuutta alle 0,5 painoprosenttiin, jolloin niiden käyttö soveltuu huomattavasti paremmin muiden kemiallisten kierrätysprosessien yhteydessä. Olemme nähneet joitain kokeita, joissa lääkinnällisen luokan muovijätettä on muunnettu onnistuneesti, mikä osoittaa, että polttoaineiden valmistusprosessilla voidaan korvata noin 20–30 % perinteisiä fossiilisia polttoaineita FCC-yksiköissä. Silti suurin osa jalostamoista kamppaa edelleen tämän teknologian kanssa. Alle puolet niistä pystyy käsittelemään polttoaineiden valmistusöljyjä tai bioöljyjä yhdessä muiden toimintojen kanssa ilman kalliiden laitteistopäivitysten tarvetta.

Polttoöljyä kestävänä raaka-aineena kemialliseen kierrätukseen

Pyrolyysin öljyn korkea limoneeni- ja BTX-pitoisuus tekee siitä sopivan uusien polymeerien valmistukseen. Yhden tonnin käytetyn renkaan käsittely tuottaa 450–600 kg öljyä, mikä riittää korvaamaan 30 % raakaperäistä raaka-ainetta styreenin valmistuksessa.

Polyolefiinien katalyyttinen pyrolyysi: edistämässä muovijätteen arvokkuutta

Zeoliittipohjaiset katalysaattorit saavuttavat 80 %:n polyolefiinimuunnoksen kevyiksi olefiineiksi 500 °C:ssa, nelinkertaisella saasteen sietokyvyllä verrattuna termiseen pyrolyysiin. Tämä vähentää esikäsittelykustannuksia 40–60 dollaria per tonni, mikä parantaa skaalautuvuutta.

Yhteiskäsittely bioöljyjen ja pyrolyysin öljyjen FCC-yksiköissä: toteutettavuus ja rajoitteet

10 %:n pyrolyysin öljyn sekoittaminen tyhjiööljyyn lisää propyleenin saantoa 12 %. Kuitenkin klooripitoisuudet yli 50 ppm:lla aiheuttavat korroosioriskin, mikä vaatii 2–4 miljoonan dollarin reaktoripäivityksiä turvallista integrointia varten.

Lopputuotteen laatuun vaikuttavat jalostusmenetelmät

Lämpötilan, paineiden ja oleskeluajan vaikutus piroluksin tuotantoon

Tuotteiden jakautuminen piroluksin aikana riippuu kolmesta päätekijästä: lämpötila, joka vaihtelee yleensä noin 450–800 celsiusasteen välillä, paineolosuhteet, jotka voivat vaihdella normaalista ilmanpaineesta kohtalaiseen tyhjiöpaineeseen, ja se, kuinka kauan materiaalit ovat reaktorissa, yleensä puolen sekunnin ja kolmenkymmenen sekunnin välillä. Kun nostamme lämpötilaa, kaasujen tuotanto lisääntyy, erityisesti etyleenin ja propyleenin saanto nousee noin 15–20 prosenttiin. Niille, jotka pyrkivät maksimoimaan nestemäisen öljyn tuotannon, lämpötilat noin 500–650 celsiusasteen välillä toimivat parhaiten. Prosessin nopea eteneminen auttaa säilyttämään raskaampia yhdisteitä, kuten vahakomponentteja, sillä se estää niiden hajoamista edelleen. Mutta jos aineet pysyvät liian kauan prosessissa, monimutkaiset molekyylit hajoavat edelleen pienemmiksi, vähemmän stabiileiksi komponenteiksi, joista ei ole kaupallista hyötyä.

Katalyyttinen ko-pyrolyysi optimoituun öljy- ja paraffiinituotantoon

Katalysaattorit, kuten ZSM-5-zeoliitit tai alumiini-silikaatit, parantavat selektiivisyyttä 15–40 %, ohjaten hajotusta kohti haluttuja tuotteita. Happokatalysaattorit lisäävät kevyiden olefiinien saantoa (65–80 % etyleenin selektiivisyys) ja vähentävät happiyhdisteiden muodostumista biomassasyötöissä. Muovin ja biomassan ko-pyrolyysi vähentää paraffiinin viskositeettia 30 %, parantaen yhteensopivuutta olemassa olevan jalostusinfrastruktuurin kanssa.

Hydroloitettu pyrolyysiöljy vs. tislatut raakamaöljyt: stabiilisuus, puhdasuus ja yhteensopivuus

Hydrotraktausprosessi poistaa noin 90–95 prosenttia pyrolyysiöljyn happi- ja rikkapitoisuudesta, mikä auttaa sen stabiloitumisessa lähes verrannolliseksi raaköljyn tislausfraktioiden tasoon. Mutta tässä on yksi ongelma. Vaikka öljyt käsitellään, niissä on edelleen noin kaksi tai jopa kolme kertaa enemmän aromaattisia yhdisteitä kuin tavallisessa raakanaftassa, joten niitä ei voida käyttää suoraan esimerkiksi polyolefiinien valmistukseen ilman lisäkäsittelyä. Tislatulla raaköljyllä on hyvä yhteensopivuus olemassa olevan infrastruktuurin kanssa, mutta kun tarkastelemme parannettuja pyrolyysiöljyjä, ne tarjoavat jotain erilaista. Niiden molekyylit ovat monipuolisempia, mikä avaa mahdollisuudet erityissovelluksiin, kuten hiilikuituprekuuttoreiden valmistukseen. Tämä monikäyttöisyys tekee niistä mielenkiintoisia, vaikka niiden käytössä liittyy haasteita.

UKK

Mikä on pääasiallinen ero tisauksen ja pyrolyysin välillä?

Tislaus on fysikaalinen erotusprosessi, joka hyödyntää kiehumispisteviitteitä erottamaan hiilivedyt toisistaan, jolloin molekyyli rakenne säilyy muuttumattomana. Päinvastoin, pyrolyysi sisältää lämpömaisen hajottamisen, joka muuttaa molekyylik rakenteita pysyvästi radikaaliketjureaktioiden kautta.

Miksi pyrolyysiä pidetään kestävämpänä?

Pyrolyysi edistää kestävyyttä muuttamalla kierrätyskelvottomat muovit ja jätteet käyttökelpoisiksi hiilivedyiksi, vähentäen näin kaatopaikkajätettä ja tukemalla kierroteconomian periaatteita.

Mikä vaikeuttaa pyrolyysiöljyjen käyttöä tislausjärjestelmissä?

Pyrolyysiöljyt sisältävät vaihtelevia saasteita ja epäpuhtauksia, kuten korkeita rikki- ja kloridipitoisuuksia, mikä tekee niistä vähemmän stabiileja ja vaatii olemassa olevien tislausjärjestelmien kalliin jälkikäsittelyn, jotta nämä epäpuhtaudet voidaan käsitellä tehokkaasti.