Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου

Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου
Τα προϊόντα της κλασματικής απόσταξης του πετρελαίου δεν είναι έτοιμα προς πώληση εκτός ίσως μόνο των αερίων. Έτσι λοιπόν για να είναι εμπορεύσιμα τα κλάσματα ή αποστάγματα πρέπει να υποστούν συγκεκριμένες κατεργασίες. Αναμόρφωση (των ελαφρών και βαρέων κλασμάτων βενζίνης ή νάφθα, reforming). Πρόκειται για θερμική κατεργασία που κύριο σκοπό έχει την χημική μετατροπή των υδρογονανθράκων προς άλλους με πολύ καλύτερες ιδιότητες και κυρίως καλύτερο αριθμό οκτανίων, άρα και καλύτερη ποιότητα καύσης. Κατά την διαδικασία αυτή πραγματοποιείται θέρμανση της βενζίνης σε υψηλές θερμοκρασίες ( C) και σχετικά υψηλές πιέσεις (~15-20 Atm), παρουσία καταλυτικών συστημάτων επιτυγχάνοντας με τον τρόπο αυτό την αύξηση της απόδοσης της αντίδρασης αναμόρφωσης.

Τα καταλυτικά συστήματα που χρησιμοποιούνται είναι ο λευκόχρυσος, το παλλάδιο και το νικέλιο καθώς και ορισμένα μεταλλικά οξείδια όπως τριοξείδιο του χρωμίου (Cr2O3), πεντοξείδιο του βαναδίου (V2O5), τριοξείδιο του αργιλίου (Al2O3) και αργιλοπυριτικά άλατα. Στην αναμόρφωση πραγματοποιούνται αντιδράσεις υδρογόνωσης, αφυδρογόνωσης, οξείδωσης, ισομερισμού και αλκυλίωσης. Οι καταλύτες μπορούν και αναγεννιούνται και χρησιμοποιούνται συνεχώς με κατάλληλες διεργασίες.

Πυρόλυση (cracking), πρόκειται για θερμική ή καταλυτική κατεργασία που κύριο σκοπό έχει την μετατροπή μεγάλων υδρογονανθράκων σε άλλους μικρότερους. Επομένως με την τεχνική αυτή αυξάνεται η ποσότητα και βελτιώνεται η ποιότητα των ελαφρύτερων κλασμάτων του πετρελαίου. Βασικός της στόχος η μετατροπή του πετρελαίου θέρμανσης και του πετρελαίου Diesel σε βενζίνη. Κατά την θερμική πυρόλυση χρησιμοποιείται το πετρέλαιο Diesel ή μαζούτ και μετατρέπεται σε βενζίνη με απόδοση έως και 50%. Το υπόλοιπο ποσοστό αντιστοιχεί σε αέρια και κυρίως σε μεθάνιο, αιθάνιο και προπάνιο, των οποίων ο σχηματισμός καταναλώνει σημαντική ποσότητα υδρογόνου μειώνοντας έτσι σε μεγάλο βαθμό το ποσοστό απόδοσης σε βενζίνη και γενικότερα σε ελαφρά κλάσματα υγρών καυσίμων. Ουσιαστικά μειώνεται το ιξώδες των κλασμάτων που υποβάλλονται σε πυρόλυση, μειώνοντας με τον τρόπο αυτό τα κλάσματα που απαιτούνται για την διαμόρφωση του πετρελαίου θέρμανσης. Με την κατεργασία αυτή περιορίζεται το σχηματιζόμενο υπόλειμμα ενώ αυξάνεται η απόδοση σε υγρά κλάσματα. Στην διαδικασία αυτή γίνεται και εξανθράκωση, όπου το ατμοσφαιρικό υπόλειμμα ή άλλες πρώτες ύλες μετατρέπεται σε στερεό υπόλειμμα, μεσαία κλάσματα, βενζίνη και αέρια.

Κατά την καταλυτική πυρόλυση η μόνη ουσιαστική διαφορά από την θερμική πυρόλυση είναι η προσθήκη καταλυτικών συστημάτων και κυρίως αργιλοπυριτικών ενώσεων. Οι ενώσεις αυτές υποβοηθούν στην επίτευξη μεγαλύτερου ποσοστού ελαφρών κλασμάτων χωρίς να συμμετέχουν στην πορεία της αντίδρασης, οπότε η διαδικασία της πυρόλυσης γίνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και με αρκετά μεγαλύτερη απόδοση. Τέτοια καταλυτικά συστήματα είναι ο μοντμοριλονίτης {Al2(OH)2[Si4O10].nH2O}, που ανήκει στην κατηγορία των φυσικών αργίλων. Πρόκειται για καταλύτη που σήμερα δεν χρησιμοποιείται λόγω περιορισμένης αντοχής σε υψηλές σχετικά θερμοκρασίες. Κυρίως γίνεται χρήση των κρυσταλλικών συνθετικών αργιλοπυριτικών ενώσεων (ζεολίθων, που παρασκευάζονται από υδατικά διαλύματα NaOH, Na2SiO3 και Na3AlO3 σε ισχυρό αλκαλικό περιβάλλον, θέρμανση και κρυστάλλωση των σχηματιζόμενων αλάτων με νάτριο) και των άμορφων συνθετικών αργιλοπυριτικών ενώσεων (που παρασκευάζονται από υδατικά διαλύματα Na2SiO3, Al2(SO4)3 και NH3 σε όξινο περιβάλλον). Μεταξύ των δύο τελευταίων ενώσεων οι ζεόλιθοι υπερέχουν εξαιτίας της ποιότητας και της ποσότητας της βενζίνης που τελικά παράγεται.

Παράδειγμα αντίδρασης πυρόλυσης: Κατεργασία των αερίων, προς σχηματισμό είτε μίγματος αερίων υδρογονανθρακών με ένα ή δύο άτομα άνθρακα, είτε υγραερίων (προπάνιο και βουτάνιο). Τα υγραέρια χρησιμοποιούνται και για την σύνθεση της βενζίνης, οπότε ακολουθείται μία διαδικασία αντίθετη από αυτή την πυρόλυσης. Ζητείται δηλαδή από μικρότερους υδρογονάνθρακες να σχηματιστούν μεγαλύτεροι και κυρίως εκείνοι με οκτώ άτομα άνθρακα στον συντακτικό τους τύπο. Αυτό επιτυγχάνεται είτε μέσω της τεχνικής της αλκυλίωσης, όπου σχηματίζεται ισο-οκτάνιο από υδρογονάνθρακες με 4 άτομα άνθρακα, είτε μέσω της τεχνικής του πολυμερισμού, όπου παρουσία καταλυτών από υδρογονάνθρακες με 4 άτομα άνθρακα προκύπτουν μεγαλύτεροι με 8 και 12 άτομα άνθρακα.

Βενζίνη και Βασικά Χαρακτηριστικά της
Η βενζίνη όπως είναι ευρέως γνωστό αποτελεί το σημαντικότερο υγρό καύσιμο για την κίνηση των μέσων μεταφοράς που φέρουν βενζινοκινητήρες ως μηχανές εσωτερικής καύσης. Η ποιότητα και οι ιδιότητες της βενζίνης επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από διάφορους παράγοντες, όπως: διαθεσιμότητα βενζίνης, διαφοροποίηση και εξελιξιμότητα των βενζινοκινητήρων, περιβαλλοντικές εξελίξεις κλπ. Οι κυριότερες ιδιότητες της βενζίνης είναι: η πτητικότητα, η ποιότητα καύσης (αριθμός οκτανίου) και η καθαρότητα

Πτητικότητα Βενζίνης Η πτητικότητα είναι η ιδιότητα που αποδεικνύει πόσο εύκολα ή δύσκολα εξατμίζεται η βενζίνη υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις. Εάν η βενζίνη είναι χαμηλής πτητικότητας τότε εμφανίζονται οι ακόλουθες συνέπειες: Δυσκολία στην εκκίνηση του βενζινοκινητήρα Μειωμένη επιτάχυνση Ρύπανση των λιπαντικών από την βενζίνη Κακή διανομή της βενζίνης στους κυλίνδρους, άρα πολύ κακή λειτουργία και φθορά του κινητήρα. Και η υψηλή πτητικότητα στην βενζίνη είναι μη επιθυμητή αφού οδηγεί σε μειονεκτήματα όπως “μπούκωμα” του κινητήρα και απώλειες λόγω εξαερώσεως.

Ποιότητα Καύσης της Βενζίνης Η ποιότητα καύσης της βενζίνης σχετίζεται με την αντοχή της στην συμπίεση, δηλαδή με την αντικροτική της ικανότητα. Όσο χαμηλότερη η αντικροτική ικανότητα τόσο πιο χαμηλό είναι το κτύπημα στον κινητήρα. Η αντικροτική ικανότητα μετράται με μία κλίμακα που αποκαλείται κλίμακα αριθμού οκτανίου. Το μηδέν στην κλίμακα αυτή αντιστοιχεί σε 100% κανονικό επτάνιο και το 100 σε 100% ισο-οκτάνιο. Επομένως βενζίνη με αριθμό οκτανίων 95 σημαίνει ότι εμφανίζει παρόμοια αντικροτική ικανότητα με εκείνη που εμφανίζεται σε μείγμα των δύο παραπάνω υδρογονανθράκων (κανονικό επτάνιο και ισο-οκτάνιο) όπου το 95% είναι το ισο-οκτάνιο και το 5% είναι κανονικό επτάνιο. Να σημειωθεί ότι η βενζίνη δεν είναι απαραίτητο να έχει αυτούς τους υδρογονάνθρακες καθόλου αρκεί να περιέχει άλλους που στο σύνολο εμφανίζουν την ίδια αντικροτική ικανότητα.

Ποιότητα Καύσης της Βενζίνης Στην Ελλάδα η βενζίνη διατίθεται στους εξής τύπους: Απλή αμόλυβδη με ελάχιστο αριθμό οκτανίων 95. Super αμόλυβδη βενζίνη με αριθμό οκτανίων 98 (πχ. Shell V-power). Super αμόλυβδη βενζίνη με αριθμό οκτανίων 100 (πχ. Shell V-power racing, BP Ultimate, EKO Kinitron κλπ.). Super βενζίνη με μόλυβδο με ελάχιστο αριθμό οκτανίων 96 (για τα αυτοκίνητα παλαιότερης τεχνολογίας). Παλαιότερα για να αυξηθεί ο αριθμός οκτανίου στην βενζίνη χρησιμοποιούνταν ο τετρααιθυλιούχος και ο τετραμεθυλιούχος μόλυβδος σαν αντικροτικά προσθετικά μέσα. Οι ενώσεις αυτές ήταν ιδιαίτερα τοξικές και για τον λόγο αυτό απαγορεύτηκε η χρήση τους. Άλλα αντικροτικά είναι το βενζόλιο, το τολουόλιο, το ισο-οκτάνιο κλπ.

Κλίμακα Αριθμού Οκτανίου Το 0 στην κλίμακα αυτή αντιστοιχεί σε 100% κανονικό επτάνιο το 100 σε 100% ισο-οκτάνιο Ο τρόπος με τον οποίο ελέγχεται ο αριθμός οκτανίου σε μία βενζίνη είναι μέσω της χρήσης κατάλληλου μονοκύλινδρου βενζονικινητήρα που λειτουργεί πάντα υπό τις ίδιες συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση, αριθμός στροφών) και εμφανίζει συγκεκριμένες διαστάσεις. Στον κινητήρα αυτό καθορίζεται η ένδειξη του 0 με χρήση καθαρού n-επτανίου και το 100 με χρήση καθαρού ισοοκτανίου. Επίσης για έλεγχο της σωστής λειτουργίας του κινητήρα αυτού παρασκευάζονται και διάφορα μίγματα n-επτανίου/ισοοκτανίου. Η προς εξέταση βενζίνη εισάγεται σε κατάλληλο υποδοχέα και ελέγχεται η μέτρηση.

Παλαιότερα για να αυξηθεί ο αριθμός οκτανίου στην βενζίνη χρησιμοποιούνταν ο τετρααιθυλιούχος και ο τετραμεθυλιούχος μόλυβδος σαν αντικροτικά προσθετικά μέσα. Οι ενώσεις αυτές ήταν ιδιαίτερα τοξικές και για τον λόγο αυτό απαγορεύτηκε η χρήση τους. Άλλα αντικροτικά είναι το βενζόλιο, το τολουόλιο, το ισοοκτάνιο κλπ. Η ποιότητα της βενζίνης κάθε φορά, επομένως και ο αριθμός οκτανίου είναι κατανοητό ότι εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος των υδρογονανθράκων που εμπεριέχει. Γενικά μεγάλη αντικροτική ικανότητα εμφανίζουν οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες (βενζόλιο, ναφθαλίνιο) και οι ισοπαραφίνες (ισοεπτάνιο και ισοοκτάνιο) και χαμηλή τα αλκένια (ολεφίνες) και τα αλκάνια (παραφίνες). Το βενζόλιο είναι ιδιαίτερα καρκινογόνο και για τον λόγο αυτό είναι επιθυμητή η μείωσή του σε χαμηλά ποσοστά (<3%).

Άμεση συσχέτιση με την ποιότητα της βενζίνης έχει και η καθαρότητά της. Η καθαρότητα σχετίζεται με την περιορισμένη ύπαρξη θειούχων ενώσεων και κομμιωδών ουσιών. Το θείο πρέπει να βρίσκεται σε αρκετά περιορισμένα ποσοστά ώστε να αποφεύγεται ο σχηματισμός του SO2 και τελικά θειικού οξέος που μπορεί να καταστρέψει εντελώς λόγω διάβρωσης τον κινητήρα. Το SO2 αποτελεί και σημαντικό ρύπο καυσαερίων όπως έχει ήδη προαναφερθεί στο προηγούμενο κεφάλαιο. Οι κομμιώδεις ουσίες προκύπτουν από την οξείδωση ακόρεστων υδρογονανθράκων που προκαλείται όταν η βενζίνη παραμένει για μεγάλο χρονικό διάστημα σε δεξαμενές. Είναι διαλυτές στην βενζίνη και παρατηρούνται μόνο ως υπόλειμμα κατόπιν εξάτμισης της.

Είναι δυνατή με χρήση οργανικής χημείας η σύνθεση της βενζίνης οδηγώντας στην συνθετική βενζίνη. Έχουν αναφερθεί στην βιβλιογραφία δύο τρόποι: Μέθοδος Fischer-Tropsch και η μέθοδος υδρογόνωσης του άνθρακα. Χρησιμοποιείται μίγμα μονοξείδιου του άνθρακα (CO) και υδρογόνου παρουσία κατάλληλων καταλυτών κοβαλτίου ή νικελίου, όπου με θέρμανση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες συντίθενται διάφορα οργανικά μόρια, όπως: υδρογονάνθρακες, αλκοόλες κλπ. Το είδος του τελικού προϊόντος και η απόδοση εξαρτώνται από αρκετές παραμέτρους, όπως: τη θερμοκρασία (πόσο χαμηλή ή υψηλή αυτή είναι), το είδος του καταλύτη που θα χρησιμοποιηθεί, την αναλογία των αντιδρώντων (περίσσεια ενός από τα δύο είναι γνωστό ότι αυξάνει την απόδοση σε τελικό προϊόν) κλπ. Πέραν των οργανικών μορίων που προκύπτουν σχηματίζονται και μικρά μόρια όπως νερό και διοξείδιο του άνθρακα.

Με την μέθοδο αυτή άνθρακας υπό μορφή σκόνης αναμιγνύεται με υδρογόνο και υπό υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, παρουσία και πάλι κατάλληλων καταλυτών, προκύπτουν μίγματα υδρογονανθράκων, από τα οποία με κλασματική απόσταξη προκύπτει το μίγμα που εμφανίζει αριθμό ατόμων άνθρακα από 4 έως 12 που αντιστοιχεί στην βενζίνη. Δυστυχώς με την μέθοδο αυτή η απόδοση είναι αρκετά χαμηλή και δεν υπερβαίνει το 10%.

Πετρέλαιο Κίνησης (Diesel) και Βασικά Χαρακτηριστικά του
Το πετρέλαιο αυτό αποτελεί το τελευταίο υγρό κλάσμα του φυσικού πετρελαίου με άνω όριο σημείου ζέσης τους 3600C και χρησιμοποιείται απευθείας χωρίς περαιτέρω επεξεργασία αντίθετα απ’ ότι συμβαίνει στην περίπτωση της βενζίνης. Χρησιμοποιείται κατά αποκλειστικότητα στους πετρελαιοκινητήρες όπου απαιτούνται συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η χαμηλή ιπποδύναμη και η μεγάλη ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Το ιξώδες αποτελεί μία πολύ σημαντική ιδιότητα του πετρελαίου κίνησης και πρέπει να ανταποκρίνεται σε συγκεκριμένα όρια. Αν το ιξώδες είναι μικρότερο από το επιθυμητό δεν επιτελείται σωστή καύση (ατελής καύση) με αποτέλεσμα εμφανή προβλήματα όπως έξοδος μαύρου καπνού από την εξάτμιση, μειωμένη απόδοση, ρύπανση των κυλίνδρων, περιορισμός του χρόνου ζωής του πετρελαιοκινητήρα (που είναι θεωρητικά πολύ μεγάλος). Αυξημένο ιξώδες πέρα των επιθυμητών ορίων οδηγεί και πάλι σε ατελή καύση (αύξηση του μεγέθους των σταγονιδίων κατά την έγχυση, δυσκολία στην ροή στα μέρη του κινητήρα) με παρόμοια αποτελέσματα με εκείνα της περίπτωσης του χαμηλού ιξώδους.

Η ανάφλεξη του καυσίμου στους πετρελαιοκινητήρες γίνεται χωρίς την δημιουργία σπινθήρα (σημαντική αντίθεση από τους βενζινοκινητήρες), έχουμε δηλαδή την αυτανάφλεξη. Για να πραγματοποιηθεί αυτή πρέπει να ικανοποιούνται πολλαπλές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και πρέπει να τονιστεί ότι η ανάφλεξη δεν είναι άμεση. Το καύσιμο είναι σε υγρή κατάσταση (υπό μορφή σταγόνων) οπότε πρέπει πριν να γίνουν ορισμένες διεργασίες ώστε τελικά να καεί όλο το μίγμα. Ανάμιξη των σταγόνων με τον αέρα και εξαέρωσή τους Ανάμιξη των ατμών του καυσίμου με τον αέρα Οξείδωση του καυσίμου και ανάφλεξη.

Σημαντικό ρόλο και εδώ παίζει η ποιότητα του καυσίμου δηλαδή από ποιους υδρογονάνθρακες αποτελείται το καύσιμο. Συνήθως περιέχονται υδρογονάνθρακες με 12 έως 20 άτομα άνθρακα. Ο τρόπος ελέγχου της ποιότητας γίνεται μέσω του αριθμού κετανίου κατά αντιστοιχία με τον αριθμό οκτανίου που προσδιορίζει την αντικροτικότητα της βενζίνης. Στην κλίμακα του αριθμού κετανίου δίνεται το 0 στην α-μεθυλοναφθαλίνη (C11H10), υδρογονάνθρακας που εμφανίζει χαμηλή έγχυση του καυσίμου μέχρι την ανάφλεξή του, και το 100 αποδίδεται στο n-δεκαεξάνιο (C16H34) που αποκαλείται και κετάνιο. Πρόκειται για κορεσμένο υδρογονάνθρακα που δεν παρουσιάζει καθόλου μειωμένη έγχυση του καυσίμου μέχρι την ανάφλεξη του.

Για να γίνει απόλυτα κατανοητό το φαινόμενο αναφέρονται επιγραμματικά τα στάδια καύσης σε πετρελαιοκινητήρες. Το αρχικό στάδιο είναι ο χρόνος που μεσολαβεί από την έγχυση του καυσίμου μέχρι την ανάφλεξή του. Πρέπει να είναι αρκετά μικρός, διότι αύξηση του άκαυστου πετρελαίου οδηγεί τελικά σε χτύπημα του κινητήρα. Το επόμενο στάδιο είναι της ταχείας καύσης του καυσίμου που έχει συγκεντρωθεί στον θάλαμο καύσης και ακολουθεί το τρίτο στάδιο της ομαλής καύσης, όπου το καύσιμο που ψεκάζεται καίγεται ομαλά λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που έχει αναπτυχθεί προηγουμένως. Το τελευταίο στάδιο είναι εκείνο όπου συνεχίζεται η καύση και μετά την ολοκλήρωση της έγχυσης. Στο στάδιο αυτό καίγονται τα βαρύτερα κλάσματα λόγω χαμηλότερης πτητικότητας και επομένως απαιτείται περαιτέρω χρόνος για την καύση τους.

Να τονιστεί ότι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες χωρίς διακλαδώσεις που μειώνουν σε μεγάλο βαθμό τον αριθμό οκτανίου της βενζίνης, λόγω περιορισμένης αντικροτικής ικανότητας, αυξάνου τον αριθμό κετανίου στο πετρέλαιο κίνησης. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι αναφλέγονται πολύ πιο εύκολα (μεγάλος αριθμός κετανίου) ενώ οι διακλαδισμένοι υδρογονάνθρακες καθυστερούν ως προς την ανάφλεξή τους (άρα χαμηλός αριθμός κετανίου). Ο αριθμός κετανίου αυξάνεται με προσθήκη διαφόρων χημικών ενώσεων [νιτρικό αιθύλιο (CH3CH2NO3), νιτρικό ισοπροπύλιο (CH3CH(CH3)NO3), κλπ.], που δεν έχουν εφαρμοστεί ιδιαίτερα λόγω της υψηλής τοξικότητας και πιθανής έκρηξης που εμφανίζουν.

Άλλες ιδιότητες που παρουσιάζουν ενδιαφέρον και επηρεάζουν την συμπεριφορά του πετρελαίου κίνησης είναι: η πτητικότητα (που μετράται με βάση το ειδικό του βάρους που κυμαίνεται μεταξύ των ορίων 0.80 έως 0.87, το ειδικό βάρος για την βενζίνη κυμαίνεται μεταξύ των ορίων 0.70 έως 0.75) η συγκέντρωση των θειούχων ενώσεων, το σημείο ανάφλεξης (κατώτερο όριο θερμοκρασίας όπου οι ατμοί του πετρελαίου αναφλέγονται) καθαρότητα (το πετρέλαιο κίνησης αποτελεί το τελευταίο υγρό απόσταγμα του πετρελαίου με αποτέλεσμα να εμφανίζει υψηλή καθαρότητα) το σημείο ροής

Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Επεξεργασία Φυσικού Πετρελαίου"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια