Chưng cất dầu thô và nhiệt phân: Làm thế nào để chọn quy trình phù hợp với nguyên liệu của bạn

Nguyên lý cốt lõi: Tách biệt vật lý trong chưng cất so với Phân hủy nhiệt trong phân hủy nhiệt

Cách sự khác biệt về điểm sôi thúc đẩy hiệu suất chưng cất dầu thô

Quy trình của chất thải dầu thô tận dụng việc các hydrocarbon khác nhau sôi ở những nhiệt độ khác nhau để tách chúng ra bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Các thành phần nhẹ như naphta thường hóa hơi ở khoảng 35 đến có thể là 200 độ Celsius, trong khi các thành phần nặng hơn vẫn tồn tại dưới dạng lỏng khi nhiệt độ vượt quá khoảng 550 độ. Ngày nay, nhiều nhà máy lọc dầu vận hành các đơn vị chưng cất chân không của họ ở áp suất thấp hơn 50 milibar. Việc giảm áp suất này thực tế làm hạ điểm sôi khoảng 300 độ, giúp tránh hư hại do nhiệt độ quá cao. Điều khiến phương pháp này hiệu quả là khả năng tạo ra các sản phẩm chưng cất ban đầu với độ tinh khiết lên tới gần 95 phần trăm, mà không làm thay đổi thành phần phân tử thực tế của các chất được tách ra.

Phản ứng Mạnh và Cơ chế Phá vỡ Liên kết trong Pyrolysis của Hidrocacbon

Quy trình pyrolysis cơ bản hoạt động bằng cách đun nóng vật liệu ở mức khoảng từ 400 đến 800 độ Celsius, điều này phá vỡ các liên kết carbon-carbon và carbon-hydrogen thông qua các phản ứng dây chuyền gốc tự do. Điều này chuyển đổi các chất nặng thành các sản phẩm hidrocacbon nhẹ hơn. Điều khiến pyrolysis khác biệt với chưng cất là nó thực sự thay đổi các phân tử ở cấp độ không thể đảo ngược. Khi nhiệt độ đạt mức khoảng 750 độ Celsius, sản lượng ethylene và methane đạt đỉnh nhờ vào hiện tượng gọi là beta scission (phân cắt beta). Tuy nhiên, nếu nhiệt độ vượt quá 1.000 độ, một hiện tượng khác xảy ra - vật liệu bắt đầu chuyển hóa thành graphite, đồng nghĩa với việc sản lượng sản phẩm lỏng thu được vào cuối quá trình sẽ giảm. Việc kiểm soát chính xác nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng để đạt được các sản phẩm hữu ích nhất từ quy trình này.

Nghiên cứu điển hình: Chưng cất quy mô nhà máy lọc dầu so với Quy trình Pyrolysis chuyển chất thải thành hóa chất

Trong một bài báo năm 2021 được công bố trên Tạp chí Khai thác và Sản xuất Dầu khí, các nhà nghiên cứu đã xem xét cách thức các đơn vị chưng cất khí quyển truyền thống xử lý khoảng 250.000 thùng dầu thô mỗi ngày so với các hệ thống pyrolysis mô-đun mới hơn xử lý chỉ 500 tấn chất thải nhựa mỗi ngày. Phương pháp chưng cất đạt mức hiệu suất năng lượng ấn tượng là 82% khi sản xuất xăng. Trong khi đó, phương pháp pyrolysis chỉ đạt hiệu suất 58%, mặc dù nó có ưu điểm là chỉ làm việc với vật liệu nhựa từ người tiêu dùng sau khi sử dụng. Điều khiến điều này trở nên thú vị là sau một số quá trình xử lý hydro, các loại dầu pyrolysis này thực sự hoạt động đủ tốt để pha trộn vào các đơn vị FCC ở mức từ 15 đến 20%. Điều này có nghĩa là các nhà máy có thể giảm nhu cầu naphta mới khoảng 12.000 mét khối mỗi năm, đại diện cho một khoản tiết kiệm chi phí đáng kể đối với các nhà lọc hóa dầu đang tìm cách đưa vật liệu tái chế vào hoạt động của họ.

Khả Năng Phù Hợp Của Nguyên Liệu: Phù Hợp Thành Phần Với Chưng Cất Dầu Thô và Thủy Phân Nhiệt

Các Tính Chất Chính Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Cracking Trong Xử Lý Nhiệt

Quá trình chưng cất hoạt động hiệu quả nhất khi xử lý nguyên liệu dầu thô có điểm sôi đồng nhất và cặn carbon tối thiểu. Điều này giúp dễ dàng tách hỗn hợp thành các sản phẩm có giá trị như naphta, nhiên liệu diesel và nhiều phân đoạn cặn khác nhau. Mặt khác, công nghệ thủy phân nhiệt thực sự phát huy hiệu quả với các vật liệu dễ cracking, điều này phụ thuộc chủ yếu vào mức độ phân nhánh của phân tử và tỷ lệ hydro trên carbon của chúng. Lấy ví dụ về các loại nhựa dựa trên polyolefin, các vật liệu này thường chuyển hóa khoảng 75 đến 85 phần trăm thành các hóa chất hữu ích như ethylene và propylene trong quá trình thủy phân nhiệt, theo nghiên cứu của NREL năm 2022. Thực tế, hiệu suất này còn tốt hơn so với những ankan mạch thẳng thường thấy trong các nguồn dầu thô truyền thống.

Thách thức liên quan đến Chất gây nhiễm bẩn: Lưu huỳnh, Oxy và Cặn trong Dầu Pyrolysis

Dầu Pyrolysis từ nhựa phế thải hoặc sinh khối chứa 0,5–3,2% oxy và 0,1–1,8% lưu huỳnh theo trọng lượng, đòi hỏi quá trình xử lý hydro tốn kém trước khi tinh chế. Các chất phụ gia clo hóa trong nhựa tạo ra HCl có tính ăn mòn, yêu cầu vật liệu đặc biệt cho phản ứng và hệ thống xử lý khí. Trái lại, lưu huỳnh trong chưng cất dầu thô tập trung ở các phân đoạn nặng hơn, giúp đơn giản hóa việc quản lý tại các đơn vị phía sau.

Phân tích So sánh: Dầu Mỏ và Dầu Pyrolysis từ Chất thải

Các nguồn nguyên liệu dầu mỏ truyền thống có thành phần rất ổn định, rất phù hợp với các quy trình chưng cất. Ngược lại, dầu pyrolysis mang đến một cái gì đó khác biệt hơn khi có khả năng chuyển đổi nhiều loại chất thải hỗn hợp thành hydrocarbon có thể sử dụng được. Một số nghiên cứu gần đây vào năm 2024 đã xem xét các hệ thống Cracking xúc tác lưu chất và phát hiện ra rằng khi các nhà máy lọc dầu pha trộn khoảng 10% dầu pyrolysis cùng với dầu khí vacuum (VGO), thực tế lượng cặn than (coke) được giảm xuống khoảng 18%, một con số khá ấn tượng nếu xét đến việc năng suất gần như không thay đổi. Tuy nhiên vẫn còn vấn đề là các loại dầu pyrolysis này chứa rất nhiều chất gây nhiễm bẩn biến đổi không đồng nhất. Các nhà máy lọc dầu được thiết kế để xử lý nguồn dầu thô ổn định, nhưng các chất xúc tác dư thừa khó chịu còn sót lại từ các quá trình phân hủy polymer khiến việc áp dụng rộng rãi trở nên phức tạp đối với hầu hết các cơ sở hiện có.

Hiệu Suất Quá Trình: Năng Suất, Hiệu Quả Và Tính Tương Thích Với Cơ Sở Hạ Tầng

Năng Suất Olefin Nhẹ: So Sánh Naphtha và Dầu Pyrolysis Trong Các Lò Cracking Hơi Nước

Khi các nhà máy crackers làm việc với nguồn nguyên liệu naphta, chúng thường sản xuất khoảng 25 đến 30 phần trăm olefin nhẹ vì vật liệu này có thành phần ổn định và hoạt động trong điều kiện được kiểm soát tốt. Tuy nhiên, mọi việc trở nên phức tạp hơn với dầu pyrolysis. Ngay cả sau khi trải qua quá trình xử lý hydro, các vật liệu này thường chỉ mang lại khoảng 15 đến 20 phần trăm olefin nhẹ. Tại sao lại như vậy? Chủ yếu là do cấu trúc phân tử của chúng biến đổi khá nhiều và thường chứa các tạp chất như chloride. Một báo cáo gần đây của Hiệp hội Đổi mới Hóa dầu năm 2023 cũng chỉ ra một điều thú vị. Để đạt được lượng sản xuất ethylene tương đương với naphta, dầu pyrolysis đòi hỏi nhiệt độ cracking cao hơn khoảng 10 đến 15 phần trăm. Sự chênh lệch nhiệt độ này thực sự ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành và hiệu suất của nhiều nhà máy.

Khả năng chịu tạp chất trong các đơn vị cracking hiện có: Giới hạn kỹ thuật và vận hành

Dầu pyrolysis chứa 1–3% lưu huỳnh và các hợp chất oxy, cao hơn đáng kể so với mức <0,5% trong nafta chưng cất (NREL, 2022). Các tạp chất này làm tăng tốc độ đóng cặn và ăn mòn, rút ngắn tuổi thọ của reactor từ 40–60% trong các thử nghiệm pilot. Việc nâng cấp bằng các hệ thống khử lưu huỳnh tiên tiến và làm nguội hai giai đoạn có cải thiện khả năng chịu đựng, nhưng chi phí nâng cấp quy mô lớn vượt quá 18 triệu USD.

Mối quan hệ giữa Năng lượng Đầu vào và Chi phí Nguyên liệu trong Vận hành Pyrolysis

Chi phí cho nguyên liệu pyrolysis dao động khoảng từ 20 đến 40 USD mỗi tấn khi xử lý nhựa phế thải, điều này rẻ hơn đáng kể so với mức giá 600 đến 800 USD mỗi tấn của naphta chưng cất. Tuy nhiên, có một điểm cần lưu ý ở đây. Bản thân quy trình này thực tế tiêu thụ nhiều hơn từ 30 đến 50 phần trăm năng lượng trên mỗi tấn sản phẩm tạo ra, vì vậy nó chỉ có hiệu quả về mặt chi phí khi giá nguyên liệu đầu vào duy trì dưới khoảng 55 USD mỗi tấn. Theo một số nghiên cứu mô hình hóa từ Viện Chuyển đổi Năng lượng, việc đưa dầu sinh học vào các đơn vị FCC giúp giảm nhu cầu năng lượng tổng thể khoảng 22%. Điều này hỗ trợ cải thiện hiệu quả về chi phí trong khi vẫn duy trì mức sản lượng ổn định đủ cho hầu hết các hoạt động sản xuất.

Bền vững và Nền kinh tế tuần hoàn: Vai trò của Pyrolysis trong ngành Hóa dầu Hiện đại

Quy trình nhiệt phân thực sự giúp chúng ta tiến gần hơn tới các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn, bởi vì nó biến đổi các loại nhựa khó tái chế và các vật liệu cao su cũ thành những thứ hữu ích - cụ thể là các hợp chất hydrocarbon mà các phương pháp chưng cất thông thường không thể xử lý được. Khoảng 85% lượng rác thải nhựa này có thể được thu hồi thông qua phương pháp này, nghĩa là lượng chất thải đổ vào các bãi rác giảm đáng kể. Ngoài ra, các loại dầu thu được có mức năng lượng khá cao, khoảng từ 38 đến 45 MJ mỗi kilogram, tương đương với các sản phẩm naphta tiêu chuẩn. Một số phát triển mới về chất xúc tác đang làm cải thiện hiệu quả hơn nữa. Các vật liệu như bùn đỏ hoặc các hợp chất Co/SBA-15 giúp giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống dưới 0,5% theo trọng lượng, nhờ đó hoạt động hiệu quả hơn khi kết hợp với các quy trình tái chế hóa học khác. Chúng tôi đã ghi nhận một số thử nghiệm thành công trong việc chuyển đổi chất thải nhựa y tế thành nhiên liệu, cho thấy rằng nhiệt phân có thể thay thế khoảng 20 đến 30% nhiên liệu hóa thạch truyền thống trong các đơn vị FCC. Tuy nhiên, phần lớn các nhà máy lọc dầu vẫn gặp khó khăn với công nghệ này. Ít hơn một nửa trong số họ thực sự có khả năng xử lý dầu nhiệt phân hoặc dầu sinh học cùng với các hoạt động thông thường, mà không cần nâng cấp thiết bị đắt tiền trước đó.

Dầu Pyrolysis làm nguyên liệu bền vững cho tái chế hóa chất

Hàm lượng limonene và BTX cao trong dầu pyrolysis khiến nó phù hợp để sản xuất polymer đạt tiêu chuẩn nguyên sinh. Xử lý một tấn lốp phế liệu thu được 450–600 kg dầu, đủ để thay thế 30% nguyên liệu từ dầu mỏ trong sản xuất styrene.

Pyrolysis xúc tác của polyolefin: Tiến bộ trong việc gia tăng giá trị chất thải nhựa

Chất xúc tác dựa trên zeolite đạt mức chuyển hóa 80% polyolefin thành olefin nhẹ ở 500°C, khả năng chịu nhiễm bẩn gấp 4 lần so với pyrolysis nhiệt. Điều này giúp giảm chi phí tiền xử lý từ 40–60 USD mỗi tấn, cải thiện khả năng mở rộng quy mô.

Kết hợp xử lý bio-oil và dầu pyrolysis trong các đơn vị FCC: Tính khả thi và những hạn chế

Pha trộn 10% dầu pyrolysis với dầu khí chân không làm tăng sản lượng propylene lên 12%. Tuy nhiên, mức clo trên 50 ppm gây rủi ro ăn mòn, đòi hỏi đầu tư nâng cấp thiết bị phản ứng từ 2–4 triệu USD để tích hợp an toàn.

Tác động đầu ra: Các phương pháp xử lý ảnh hưởng thế nào đến chất lượng sản phẩm cuối cùng

Ảnh hưởng của Nhiệt độ, Áp suất và Thời gian Lưu trên Đầu ra của Quá trình Pyrolysis

Cách phân bố sản phẩm trong quá trình pyrolysis thực sự phụ thuộc vào ba yếu tố chính: nhiệt độ thường dao động từ khoảng 450 đến 800 độ Celsius, điều kiện áp suất có thể thay đổi từ mức áp suất khí quyển bình thường xuống đến môi trường chân không vừa phải, và thời gian lưu vật liệu trong buồng phản ứng, thường dao động từ nửa giây đến ba mươi giây. Khi chúng ta tăng nhiệt độ lên, lượng khí thu được sẽ nhiều hơn, đặc biệt là sản lượng ethylene và propylene đạt khoảng từ 15 đến 20 phần trăm. Đối với những ai muốn tối đa hóa sản lượng dầu lỏng, nhiệt độ trong khoảng từ 500 đến 650 độ Celsius dường như là hiệu quả nhất. Việc đẩy nhanh tiến độ quy trình sẽ giúp bảo toàn các hợp chất nặng hơn như sáp vì nó ngăn không cho chúng tiếp tục phân hủy. Tuy nhiên, nếu để vật liệu lưu lại quá lâu, các phân tử phức tạp sẽ tiếp tục bị phá vỡ thành các thành phần nhỏ hơn, kém ổn định và ít có giá trị thương mại hơn.

Đồng nhiệt phân xúc tác để tối ưu hóa sản lượng dầu và sáp

Các chất xúc tác như zeolit ZSM-5 hoặc aluminosilicat cải thiện độ chọn lọc từ 15–40%, định hướng quá trình phân hủy về phía các sản phẩm mong muốn. Chất xúc tác axit làm tăng năng suất olefin nhẹ (độ chọn lọc etylen đạt 65–80%) và hạn chế các hợp chất oxy trong nguyên liệu sinh khối. Việc đồng nhiệt phân nhựa với sinh khối làm giảm độ nhớt của sáp tới 30%, cải thiện tính tương thích với cơ sở hạ tầng lọc dầu hiện có.

Dầu nhiệt phân hydro hóa so với dầu thô chưng cất: Độ ổn định, Độ tinh khiết và Tính tương thích

Quy trình xử lý bằng hydro sẽ loại bỏ khoảng 90 đến 95 phần trăm lượng oxy và lưu huỳnh trong dầu pyrolysis, giúp ổn định nó ở mức tương đối gần với những gì chúng ta thấy ở các phân đoạn dầu thô chưng cất. Nhưng vẫn có một trở ngại ở đây. Ngay cả sau khi xử lý, các loại dầu này vẫn chứa lượng hợp chất thơm gấp khoảng hai hoặc thậm chí ba lần so với nafta nguyên chất thông thường, vì vậy chúng không thể được sử dụng trực tiếp cho các mục đích như sản xuất polyolefin trừ khi trải qua thêm các công đoạn xử lý khác. Dầu thô chưng cất làm việc khá hiệu quả với cơ sở hạ tầng hiện có, nhưng khi nói đến các loại dầu pyrolysis đã được nâng cấp, chúng thực sự mang lại điều gì đó khác biệt. Các phân tử của chúng đa dạng hơn, mở ra khả năng cho một số ứng dụng đặc thù như sản xuất nguyên liệu cho sợi carbon. Chính sự linh hoạt này khiến chúng trở nên thú vị bất chấp những thách thức liên quan đến việc sử dụng chúng.

Câu hỏi thường gặp

Sự khác biệt chính giữa chưng cất và pyrolysis là gì?

Chưng cất là một quá trình tách vật lý sử dụng sự khác biệt về điểm sôi để tách các hydrocarbon, trong đó cấu trúc phân tử không thay đổi. Trong khi đó, quá trình nhiệt phân bao gồm việc phân hủy nhiệt, làm thay đổi cấu trúc phân tử một cách vĩnh viễn thông qua các phản ứng chuỗi gốc tự do.

Tại sao nhiệt phân được coi là bền vững hơn?

Nhiệt phân đóng góp vào tính bền vững bằng cách chuyển đổi nhựa không thể tái chế và vật liệu phế thải thành hydrocarbon có thể sử dụng được, từ đó giảm lượng rác chôn lấp và hỗ trợ các nguyên tắc của nền kinh tế tuần hoàn.

Những thách thức khi sử dụng dầu nhiệt phân trong hệ thống chưng cất là gì?

Dầu nhiệt phân chứa các chất gây nhiễm tạp và tạp chất biến đổi, như hàm lượng lưu huỳnh và chloride cao, khiến chúng kém ổn định hơn và đòi hỏi việc cải tạo tốn kém các hệ thống chưng cất hiện có để có thể xử lý hiệu quả các tạp chất này.