Перегонка нефти против пиролиза: выбор правильного процесса для вашей исходной смеси

Основные принципы: разделение веществ при перегонке против термического разложения при пиролизе

Как различие температур кипения повышает эффективность перегонки нефти

Процесс дистилляция сырой нефти использует тот факт, что различные углеводороды закипают при разных температурах, чтобы разделять их посредством фракционной дистилляции. Легкие фракции, такие как нафта, обычно превращаются в пар при температуре от 35 до примерно 200 градусов Цельсия, тогда как более тяжелые фракции остаются жидкими, даже когда температура превышает 550 градусов. В современных нефтеперерабатывающих заводах вакуумные дистилляционные установки часто работают при давлении ниже 50 миллибар. Это снижение давления фактически уменьшает температуру кипения примерно на 300 градусов, что помогает избежать повреждения материалов из-за чрезмерного нагрева. Эффективность этого метода заключается в том, что он позволяет получать дистилляты с начальной степенью чистоты, достигающей почти 95 процентов, без изменения молекулярной структуры разделяемых компонентов.

Радикальные реакции и механизмы разрыва связей при пиролизе углеводородов

Процесс пиролиза работает за счет нагревания материалов между примерно 400 и 800 градусами Цельсия, что приводит к разрушению углерод-углеродных и углерод-водородных связей посредством этих радикальных цепных реакций. Это преобразует более тяжелые вещества в более легкие углеводородные продукты. То, что делает пиролиз отличным от дистилляции, заключается в том, что он фактически изменяет сами молекулы таким образом, который невозможно обратить. Когда температура достигает около 750 градусов Цельсия, наблюдается пиковое производство этилена и метана благодаря так называемому бета-расщеплению. Но если температура поднимается выше 1000 градусов, происходит нечто иное — материал начинает превращаться в графит, что означает, что в конце процесса получается меньше жидких продуктов. Очень важно правильно подобрать температуру для получения максимально полезных выходов из этого процесса.

Исследование случая: Дистилляция на нефтеперерабатывающем заводе против операций пиролиза отходов в химикаты

В статье 2021 года, опубликованной в журнале Journal of Petroleum Exploration and Production, исследователи изучали, как традиционные атмосферные колонны, перерабатывающие около 250 000 баррелей в день сырой нефти, соотносятся с новыми модульными системами пиролиза, перерабатывающими всего 500 тонн в день пластиковых отходов. Метод дистилляции смог достичь впечатляющей энергоэффективности на уровне 82% при производстве бензина. В то же время эффективность пиролиза составила лишь 58%, хотя у него было преимущество — работать исключительно с пластиковыми материалами после потребления. Интересным этот факт делает то, что после гидроочистки полученные пиролизные масла оказались достаточно качественными, чтобы смешивать их в установках FCC в пропорции от 15 до 20%. Это означает, что предприятия могут сократить потребность в свежем нафте на приблизительно 12 000 кубических метров в год, что представляет собой значительную экономию для нефтеперерабатывающих заводов, стремящихся использовать переработанные материалы в своих операциях.

Соответствие сырья: подбор состава под нефтепереработку и пиролиз

Ключевые свойства, влияющие на возможность крекинга при термической обработке

Процесс дистилляции работает наиболее эффективно при использовании нефтяного сырья с постоянной температурой кипения и минимальным содержанием углеродного остатка. Это облегчает разделение смеси на ценные продукты, такие как нафта, дизельное топливо и различные остаточные фракции. В свою очередь, технология пиролиза особенно эффективна с материалами, которые легко подвергаются крекингу, что в значительной степени зависит от степени разветвленности молекул и соотношения водорода и углерода в них. Например, пластмассы на основе полиолефинов, согласно исследованию NREL 2022 года, обычно на 75–85 процентов превращаются в полезные химические вещества, такие как этилен и пропилен во время пиролиза. Это даже лучше, чем показатели прямых алканов, обычно встречающихся в традиционных источниках нефти.

Проблемы с загрязняющими веществами: сера, кислород и остатки в пиролизных маслах

Пиролизные масла, полученные из отходов пластика или биомассы, содержат 0,5–3,2% кислорода и 0,1–1,8% серы по массе, что требует дорогостоящей гидроочистки перед рафинацией. Хлорированные добавки в пластиках образуют коррозионно-активный HCl, что требует использования специальных материалов реакторов и систем очистки газов. В отличие от этого, сера в сырой нефти при дистилляции концентрируется в более тяжелых фракциях, что упрощает ее контроль в последующих установках.

Сравнительный анализ: нефтяные масла и пиролизные масла, полученные из отходов

Традиционные нефтяные сырьевые материалы обладают очень стабильным составом, который отлично подходит для процессов дистилляции. Пиролизные масла, с другой стороны, предлагают нечто иное, поскольку могут превращать различные виды смешанных отходов в используемые углеводороды. Некоторые недавние исследования 2024 года, посвящённые системам каталитического крекинга, показали, что если нефтеперерабатывающие заводы смешивают около 10% пиролизного масла с вакуумным газойлем, то это позволяет сократить образование кокса примерно на 18%, что довольно впечатляет, учитывая, что выходы остаются практически неизменными. Однако остаётся проблема содержания в пиролизных маслах различных загрязняющих веществ. Нефтеперерабатывающие заводы создавались для работы с устойчивыми видами сырья, но оставшиеся после процессов деполимеризации катализаторы затрудняют широкое внедрение пиролизных масел на большинстве действующих предприятий.

Эксплуатационные характеристики: выход, эффективность и совместимость с инфраструктурой

Выход лёгких олефинов: нафта против пиролизного масла в паровых крекинг-печах

Когда паровые крекеры работают с нафтеновыми сырьевыми материалами, они обычно производят около 25–30% легких олефинов, поскольку материал имеет стабильный состав и работает в хорошо контролируемых условиях. Однако с пиролизными маслами дело обстоит сложнее. Даже после гидроочистки эти материалы обычно дают всего около 15–20% легких олефинов. Почему? В основном потому, что их молекулярная структура довольно сильно различается, и они часто содержат примеси, такие как хлориды. Недавний отчет Петрохимического инновационного консорциума в 2023 году также показал кое-что интересное. Чтобы получить такое же количество производства этилена, как и при использовании нафты, для пиролизных масел требуются температуры крекинга, примерно на 10–15% более высокие. Эта разница температур оказывает реальное влияние на эксплуатационные расходы и эффективность для многих заводов.

Допуск примесей в существующих установках крекинга: технические и эксплуатационные ограничения

Масла пиролиза содержат 1–3% серы и оксигенатов, что значительно превышает <0,5% в дистиллированном нафте (NREL, 2022). Эти примеси ускоряют образование кокса и коррозию, сокращая срок службы реактора на 40–60% в ходе пилотных испытаний. Модернизация с использованием современных скрубберов серы и двухступенчатого охлаждения повышает устойчивость, однако полномасштабные обновления требуют капитальных вложений свыше 18 миллионов долларов.

Соотношение энергетических затрат и стоимости сырья в операциях пиролиза

Стоимость сырья для пиролиза составляет около 20–40 долларов США за тонну при переработке пластиковых отходов, что намного дешевле, чем цена на дистиллированный нафта, которая составляет 600–800 долларов за тонну. Однако здесь есть один существенный нюанс. Сам процесс требует на 30–50% больше энергии на тонну продукции, поэтому он экономически оправдан только в том случае, если стоимость сырья остается ниже примерно 55 долларов за тонну. Согласно моделированию, проведенному Институтом энергетического перехода, добавление биомасел в установки каталитического крекинга (FCC) снижает общие энергетические затраты примерно на 22%. Это позволяет улучшить экономические показатели, сохраняя при этом стабильность выхода продукции на уровне, достаточном для большинства производств.

Устойчивость и цикловая экономика: роль пиролиза в современной нефтехимии

Процесс пиролиза действительно помогает приблизиться к принципам циклической экономики, поскольку превращает упрямые неперерабатываемые пластики и старые резиновые материалы снова во что-то полезное — по сути, в углеводороды, с которыми обычные методы дистилляции просто не справляются. Около 85% всего этого пластикового мусора извлекается с помощью этого метода, что означает гораздо меньшее количество отходов, отправляемых на свалки. Помимо этого, получаемые масла обладают довольно высокой энергоемкостью — от 38 до 45 МДж на килограмм, что сопоставимо с показателями стандартных продуктов нафты. Некоторые новые разработки в области катализаторов делают процесс еще более эффективным. Материалы, такие как красный шлам или соединения Co/SBA-15, способствуют снижению содержания серы до менее чем 0,5 весовых процента, что позволяет им намного эффективнее работать в сочетании с другими процессами химической переработки. Были проведены испытания, в ходе которых медицинские пластиковые отходы успешно перерабатывались, что показало, что пиролиз может заменить примерно от 20 до 30% традиционных ископаемых топлив в установках каталитического крекинга. Однако большинству нефтеперерабатывающих заводов до сих пор сложно внедрить эту технологию. Менее половины из них действительно справляются с переработкой масел пиролиза или биомасел одновременно с обычными операциями без предварительных дорогостоящих модернизаций оборудования.

Пиролизное масло как устойчивое сырьё для химической переработки

Высокое содержание лимонена и БТК в пиролизном масле делает его подходящим для производства полимеров первичного качества. Переработка одной тонны отработанных шин даёт 450–600 кг масла, чего достаточно, чтобы заменить 30% сырья, получаемого из нефти, при производстве стирола.

Каталитический пиролиз полиолефинов: развитие переработки пластиковых отходов

Цеолитсодержащие катализаторы обеспечивают переработку полиолефинов на 80% в легкие олефины при температуре 500 °C, с вчетверо большей устойчивостью к загрязнениям по сравнению с термическим пиролизом. Это позволяет снизить затраты на предварительную обработку на 40–60 долларов США на тонну, улучшая масштабируемость.

Совместная переработка биомасел и пиролизных масел в установках каталитического крекинга: осуществимость и ограничения

Смешивание 10% пиролизного масла с вакуумным газойлем увеличивает выход пропилена на 12%. Однако содержание хлора выше 50 ppm создаёт риск коррозии, требуя инвестиций в модернизацию реакторов на сумму 2–4 млн долларов США для безопасной интеграции.

Влияние на конечный продукт: как методы переработки воздействуют на качество готовой продукции

Влияние температуры, давления и времени пребывания на выход пиролиза

Распределение продуктов во время пиролиза действительно зависит от трёх основных факторов: температуры, которая обычно колеблется от примерно 450 до 800 градусов Цельсия, условий давления, которые могут варьироваться от нормального атмосферного уровня до умеренного вакуумного режима, и времени пребывания материалов в реакторе, как правило, от половины секунды до тридцати секунд. Когда мы повышаем температуру, образуется больше газов, в частности, выход этилена и пропилена составляет около 15–20 процентов. Для тех, кто стремится максимизировать выход жидких масел, оптимальной является температура в диапазоне от 500 до 650 градусов. Быстрое проведение процесса помогает сохранить тяжёлые соединения, такие как воски, поскольку оно не даёт им разлагаться дальше. Но если оставить материал в реакторе слишком надолго, сложные молекулы продолжают распадаться на более мелкие и менее стабильные компоненты, которые уже не так полезны с коммерческой точки зрения.

Каталитическая совместная пиролизная установка для оптимизации производства масел и воска

Катализаторы, такие как цеолиты ZSM-5 или алюмосиликаты, повышают селективность на 15–40%, направляя разложение в сторону целевых продуктов. Кислотные катализаторы увеличивают выход легких олефинов (селективность этилена 65–80%) и подавляют образование кислородсодержащих соединений в биомассе. Совместный пиролиз пластика и биомассы снижает вязкость воска на 30%, улучшая его совместимость с существующей нефтеперерабатывающей инфраструктурой.

Гидроочищенное пиролизное масло против дистиллированной нефти: стабильность, чистота и совместимость

Гидроочистка удаляет около 90–95% кислорода и серы из пиролизного масла, что позволяет стабилизировать его до уровня, близкого к дистиллятным фракциям сырой нефти. Но здесь есть проблема. Даже после очистки эти масла содержат в два, а иногда даже в три раза больше ароматических соединений по сравнению с обычной первичной нафты, поэтому их нельзя напрямую использовать, например, для производства полиолефинов без дополнительной обработки. Дистиллятная нефть хорошо подходит для существующей инфраструктуры, однако модифицированные пиролизные масла предлагают нечто иное. Их молекулы более разнообразны, что открывает возможности для специфических применений, таких как производство прекурсоров углеродных волокон. Именно эта гибкость делает их интересными, несмотря на сложности при их использовании.

Часто задаваемые вопросы

В чем основное различие между дистилляцией и пиролизом?

Дистилляция — это физический процесс разделения, который использует различия в температурах кипения для разделения углеводородов, при этом молекулярная структура остается неизменной. Пиролиз, напротив, включает термическое разложение, при котором молекулярные структуры изменяются навсегда посредством радикальных цепных реакций.

Почему пиролиз считается более устойчивым?

Пиролиз способствует устойчивому развитию, превращая неперерабатываемые пластики и отходы в используемые углеводороды, тем самым уменьшая объем отходов на свалках и поддерживая принципы циклической экономики.

Каковы проблемы использования масел пиролиза в дистилляционных системах?

Масла пиролиза содержат различные загрязнители и примеси, такие как высокое содержание серы и хлоридов, что делает их менее стабильными и требует дорогостоящей модернизации существующих дистилляционных систем для эффективного удаления этих примесей.