Ruwe olie destillatie versus pyrolyse: het kiezen van het juiste proces voor uw feedstock

Belangrijkste Principe: Fysische Scheiding bij Destillatie versus Thermische Ontleding bij Pyrolyse

Hoe Kookpuntverschillen de Efficiëntie van Ruwe Oliedestillatie Bepalen

Het proces van ruwe olie destillatie maakt gebruik van het feit dat verschillende koolwaterstoffen bij verschillende temperaturen koken om ze van elkaar te scheiden via zogenaamde fractionele destillatie. Lichte stoffen zoals nafta verdampen meestal rond 35 tot ongeveer 200 graden Celsius, terwijl de zwaardere fracties vloeibaar blijven als de temperatuur boven de 550 graden komt. Tegenwoordig werken veel raffinaderijen met vacuümdestillatie-eenheden onder drukken lager dan 50 millibar. Deze drukverlaging verlaagt het kookpunt daadwerkelijk met ongeveer 300 graden, wat helpt schade door extreme hitte te voorkomen. Wat deze methode zo effectief maakt, is dat ze al bijna 95 procent zuivere destillaten kan opleveren, zonder dat de moleculaire samenstelling van de gescheiden componenten daarbij verandert.

Radicalaire Reacties en Bindingssplitsingsmechanismen in Koolwaterstofpyrolyse

Het pyrolyseproces werkt in wezen door materialen te verhitten tussen ongeveer 400 en 800 graden Celsius, waardoor die koolstof-koolstof- en koolstof-waterstofbindingen worden afgebroken via deze radicalenkettingreacties. Dit zwaardere stoffen worden omgezet in lichtere koolwaterstofproducten. Wat pyrolyse anders maakt dan destillatie is dat het de moleculen zelf verandert op een manier die niet ongedaan kan worden gemaakt. Wanneer de temperatuur rond de 750 graden Celsius komt, zien we de piekproductie van ethyleen en methaan dankzij wat men beta-scissie noemt. Maar als de temperaturen boven de 1.000 graden Celsius komen, gebeurt er iets anders - het materiaal begint zich in grafiet te veranderen, wat betekent dat er minder vloeibaar product overblijft aan het einde. Het precies goed instellen van de temperatuur is erg belangrijk om de meest bruikbare producten mogelijk uit dit proces te verkrijgen.

Casus: Raffinaderij-schaal Destillatie versus Afval-naar-chemicaliën Pyrolyse Operaties

In een in 2021 gepubliceerd artikel in het Journal of Petroleum Exploration and Production bestudeerden onderzoekers hoe traditionele atmosferische destillatie-eenheden die ongeveer 250.000 vaten per dag rauwe olie verwerken, zich verhouden tot nieuwere modulaire pyrolysesystemen die slechts 500 ton per dag plastic afval verwerken. De destillatiemethode behaalde een indrukwekkende energie-efficiëntie van 82% bij de productie van benzine. De pyrolysemethode bereikte ondertussen slechts 58% efficiëntie, hoewel deze het voordeel had dat hij uitsluitend werkte met post-consumentenplasticmaterialen. Wat dit interessant maakt, is dat deze pyrolyse-oliën na enige hydrotreatering goed genoeg werkten om te mengen in FCC-eenheden met percentages tussen 15 en 20%. Dit betekent dat installaties hun behoefte aan verse nafta konden verminderen met ongeveer 12.000 kubieke meter per jaar, wat een aanzienlijke kostenbesparing betekent voor raffinaderijen die op zoek zijn naar het integreren van gerecyclede materialen in hun bedrijfsvoering.

Geschiktheid van grondstof: afstemmen van samenstelling op destillatie van ruwe olie versus pyrolyse

Belangrijke eigenschappen die de craakbaarheid beïnvloeden bij thermische verwerking

Het destillatieproces werkt het meest effectief wanneer grondstoffen van ruwe olie worden gebruikt met consistente kookpunten en minimaal koolstofresidu. Dit maakt het makkelijker om het mengsel te scheiden in waardevolle producten zoals nafta, dieselbrandstof en diverse residufracties. Pyrolysetechnologie daarentegen toont haar waarde met materialen die gemakkelijk kunnen worden gekraakt, wat grotendeels afhangt van de mate van vertakking van de moleculen en hun waterstof-koolstofverhouding. Neem als voorbeeld polyolefine-based kunststoffen; deze materialen worden volgens onderzoek van NREL uit 2022 doorgaans voor 75 tot 85 procent omgezet in bruikbare chemicaliën zoals ethyleen en propyleen tijdens pyrolyse. Dat is eigenlijk beter dan wat we zien bij de lineaire alkanen die doorgaans voorkomen in traditionele ruwe oliebronnen.

Problemen met Verontreinigingen: Zwavel, Zuurstof en Residuen in Pyrolyse Olieën

Pyrolyse-oliën uit afvalplastics of biomassa bevatten 0,5–3,2% zuurstof en 0,1–1,8% zwavel op gewichtsbasis, wat kostbare hydrotreatering vereist vóór raffinage. Chloride-additieven in plastics genereren corrosief HCl, wat speciale reactor materialen en gaswassystemen vereist. In tegenstelling daarmee concentreert zwavel in ruwe olie destillatie zich in zwaardere fracties, waardoor het beheer in downstream units vereenvoudigd wordt.

Vergelijkende Analyse: Petroleumoliën versus Afvalafgeleide Pyrolyse Olieën

Traditionele petroleumfracties hebben een zeer consistente samenstelling die uitstekend werkt voor destillatieprocessen. Pyrolyse-oliën brengen daarentegen iets anders op tafel, omdat ze allerlei gemengde afvalmaterialen kunnen omzetten in bruikbare koolwaterstoffen. Enig recent onderzoek uit 2024 heeft gekeken naar Fluid Catalytic Cracking-systemen en ontdekt dat wanneer raffinaderijen ongeveer 10% pyrolyse-olie mengen met vacuüm gasolie, dit de vorming van cokes daadwerkelijk vermindert met ongeveer 18%, wat vrij indrukwekkend is, gezien de opbrengst ongeveer gelijk blijft. Er blijft echter wel een probleem bestaan met deze pyrolyse-oliën die allerlei variabele verontreinigingen bevatten. Raffinaderijen zijn ontworpen om stabiele ruwe oliën te verwerken, maar die vervelende restkatalysatoren die overblijven na depolymerisatieprocessen maken wijdverspreide toepassing lastig voor de meeste bestaande installaties.

Procesprestaties: Opbrengst, Efficiëntie en Infrastructuurcompatibiliteit

Lichte Olefinen Opbrengst: Nafta versus Pyrolyse-olie in Steam Crackers

Wanneer stoomcrackeen werken met nafta-feedstocks, produceren ze doorgaans 25 tot 30 procent lichte olefinen, omdat het materiaal een stabiele samenstelling heeft en werkt onder goed gereguleerde omstandigheden. Met pyrolyse-oliën wordt het lastiger. Zelfs na hydrotreatingsprocessen leveren deze materialen meestal slechts ongeveer 15 tot 20 procent lichte olefinen op. Waarom? Voornamelijk omdat hun moleculaire structuren behoorlijk variëren en ze vaak onzuiverheden bevatten, zoals chloorverbindingen. Ook toonde een recent rapport van het Petrochemical Innovation Consortium uit 2023 iets interessants aan. Om dezelfde hoeveelheid ethyleenproductie te behalen als met nafta, zijn voor pyrolyse-oliën cracketemperaturen nodig die ongeveer 10 tot 15 procent hoger liggen. Dit temperatuurverschil heeft een aanzienlijke impact op de operationele kosten en efficiëntie van veel installaties.

Tolerantie voor onzuiverheden in bestaande crackerinstallaties: technische en operationele limieten

Pyrolyse-oliën bevatten 1–3% zwavel en zuurstofhoudende stoffen, aanzienlijk hoger dan de <0,5% in gedestilleerde nafta (NREL, 2022). Deze onzuiverheden versnellen koken en corrosie, waardoor de levensduur van reactoren in proefprojecten met 40–60% afneemt. Het moderniseren met geavanceerde zwavelwassers en tweetrapskwensystemen verbetert de tolerantie, maar volledige modernisatie kost meer dan 18 miljoen dollar aan investeringen.

Energie-invoer versus grondstofkosten in pyrolyseprocessen

De kosten voor pyrolyse-grondstoffen liggen rond de 20 tot 40 dollar per ton bij het verwerken van afvalplastics, wat veel goedkoper is vergeleken met de prijs van 600 tot 800 dollar per ton voor gedestilleerde nafta. Maar er zit wel een addertje onder het gras. Het proces zelf verbruikt namelijk 30 tot 50 procent meer energie per ton geproduceerd product, waardoor het economisch alleen maar rendabel is zolang de grondstofprijs onder de ongeveer 55 dollar per ton blijft. Volgens een modeleringsstudie van het Energy Transition Institute leidt het mengen van bio-oliën in FCC-installaties tot een reductie van de totale energiebehoefte met ongeveer 22 procent. Dit helpt de kosten-batenverhouding te verbeteren, terwijl de opbrengsten stabiel genoeg blijven voor de meeste operaties.

Duurzaamheid en circulaire economie: De rol van pyrolyse in moderne petrochemie

Het pyrolyseproces helpt ons echt in de richting van circulaire economieprincipes, omdat het die hardnekkige niet-recyclebare kunststoffen en oud rubber in iets bruikbaars omzet - namelijk koolwaterstoffen die reguliere destillatiemethoden gewoon niet aankunnen. Ongeveer 85% van al die plastic afval wordt via deze methode herwonnen, wat betekent dat er veel minder naar stortplaatsen gaat. Bovendien hebben de geproduceerde oliën een vrij behoorlijke energiedichtheid van ongeveer 38 tot 45 MJ per kilogram, vergelijkbaar met wat we zien bij standaard nafta-producten. Sommige nieuwe ontwikkelingen op het gebied van katalysatoren maken het proces nog efficiënter. Materialen zoals rood slijk of deze Co/SBA-15 verbindingen helpen het zwavelgehalte onder de 0,5 gewichtsprocent te brengen, waardoor ze veel beter functioneren wanneer ze worden gecombineerd met andere chemische recyclageprocessen. Er zijn al enkele tests uitgevoerd waarbij medisch plastic afval succesvol werd omgezet, wat aantoont dat pyrolyse ongeveer 20 tot 30% van traditionele fossiele brandstoffen in FCC-installaties zou kunnen vervangen. Toch worstelen de meeste raffinaderijen nog met deze technologie. Minder dan de helft van de raffinaderijen kan momenteel pyrolyse-oliën of bio-oliën verwerken naast hun reguliere operaties zonder eerst kostbare upgrades aan hun installaties te moeten uitvoeren.

Pyrolyse-olie als duurzame grondstof voor chemische recycling

Het hoge limonene- en BTX-gehalte in pyrolyse-olie maakt deze geschikt voor de productie van polymere grondstoffen van vaste kwaliteit. De verwerking van één ton bandenafval levert 450–600 kg olie op, voldoende om 30% van de uit aardolie afgeleide grondstoffen te vervangen in de styreenproductie.

Catalytische pyrolyse van polyolefinen: vooruitgang in de waardebepaling van plastic afval

Zeolietgebaseerde katalysatoren bereiken een omzetting van 80% van polyolefinen naar lichte olefinen bij 500°C, met een vier keer grotere tolerantie voor verontreinigingen dan thermische pyrolyse. Dit leidt tot kostenbesparing van 40–60 dollar per ton in de voorbewerking en verbetert de schaalbaarheid.

Co-verwerking van bio-oliën en pyrolyse-oliën in FCC-installaties: haalbaarheid en beperkingen

Het mengen van 10% pyrolyse-olie met vacuüm gasolie verhoogt de propyleenopbrengst met 12%. Echter, chloorgehaltes boven de 50 ppm vormen een corrosierisico, wat vereist upgrades van 2–4 miljoen dollar aan de reactorinstallaties voor veilge integratie.

Invloed op de afwatering: hoe verwerkingsmethoden de kwaliteit van het eindproduct beïnvloeden

Invloed van temperatuur, druk en verblijftijd op de pyrolyse-output

De manier waarop producten zich gedurende de pyrolyse verdelen, hangt sterk af van drie belangrijke factoren: temperatuur, die meestal varieert tussen circa 450 en 800 graden Celsius, drukomstandigheden die variëren van normaal atmosferisch niveau tot matige vacuümniveaus, en de tijd die de materialen in de reactor blijven, meestal tussen een halve seconde en dertig seconden. Wanneer we de temperatuur verhogen, ontstaat er meer gas, met name een opbrengst van circa 15 tot 20 procent ethyleen en propyleen. Voor hen die de productie van vloeibare olie willen maximaliseren, werken temperaturen rond 500 tot 650 graden het beste. Het proces snel laten verlopen zorgt ervoor dat zwaardere verbindingen, zoals was, behouden blijven omdat verdere afbraak wordt tegengegaan. Houd de stoffen echter te lang in de reactor en de complexe moleculen blijven uiteenvallen tot kleinere, minder stabiele componenten die commercieel minder nuttig zijn.

Catalytische co-pyrolyse voor geoptimaliseerde olie- en wasproductie

Katalysatoren zoals ZSM-5 zeolieten of alumina-silicaten verbeteren de selectiviteit met 15–40%, waarbij de decompositie richting gewenste producten wordt gestuurd. Zuurkatalysatoren verhogen het rendement aan lichte olefinen (65–80% ethyleenselectiviteit) en onderdrukken zuurstofhoudende stoffen in biomassa-inputs. Het co-pyrolyseren van kunststoffen met biomassa vermindert de viscositeit van was met 30%, wat de compatibiliteit verbetert met bestaande raffinage-infrastructuren.

Hydrogebehandelde pyrolyseolie versus gedestilleerde ruwe olie: stabiliteit, zuiverheid en compatibiliteit

Het hydrobehandelingsproces verwijdert ongeveer 90 tot 95 procent van de zuurstof- en zwavelgehaltes in pyrolyseolie, wat helpt om de olie enigszins te stabiliseren, vergelijkbaar met wat we zien in destillaat van ruwe olie. Maar er zit wel een addertje onder het gras. Zelfs na behandeling bevatten deze oliën nog steeds ongeveer twee of zelfs drie keer zoveel aromatische stoffen als reguliere nafta, waardoor ze niet direct gebruikt kunnen worden voor dingen zoals de productie van polyolefinen, tenzij ze aanvullende bewerking ondergaan. Destillaat van ruwe olie werkt vrij goed met de bestaande infrastructuur, maar als we kijken naar geüpgrade pyrolyseoliën, brengen zij eigenlijk iets nieuws. Hun moleculen zijn gevarieerder, wat mogelijkheden opent voor niche-applicaties zoals het maken van grondstoffen voor koolstofvezels. Deze veelzijdigheid maakt ze ondanks de uitdagingen interessant om mee te werken.

Veelgestelde vragen

Wat is het grootste verschil tussen destillatie en pyrolyse?

Destillatie is een fysisch scheidingsproces dat het verschil in kookpunt gebruikt om koolwaterstoffen te scheiden, waarbij de moleculaire structuur onveranderd blijft. Pyrolyse daarentegen houdt thermische ontleding in, waardoor de moleculaire structuren permanent worden veranderd via radicale kettingreacties.

Waarom wordt pyrolyse als duurzamer beschouwd?

Pyrolyse draagt bij aan duurzaamheid doordat niet-recycleerbare kunststoffen en afvalmateriaal worden omgezet in bruikbare koolwaterstoffen. Hierdoor wordt het stortafval verminderd en worden principes van een circulaire economie ondersteund.

Wat zijn de uitdagingen bij het gebruik van pyrolyse-oliën in destillatiesystemen?

Pyrolyse-oliën bevatten variabele contaminanten en onzuiverheden, zoals hoge gehaltes aan zwavel en chloorverbindingen, waardoor ze minder stabiel zijn. Daardoor is kostbare aanpassing van bestaande destillatiesystemen nodig om deze onzuiverheden effectief te kunnen verwerken.