Naftos perdirbimas – tai sudėtingas procesas, kurio metu išgaunami įvairūs produktai: degalai, alyvos, cheminės žaliavos, plastikai ir kt. Dėl didžiulio naftos panaudojimo masto jos perdirbimas tapo strategine pramonės šaka, nuo kurios priklauso daugybė ekonomikos sektorių.
Žaliavinės naftos paruošimas
Naftos perdirbimas visuomet prasideda nuo žaliavos paruošimo, nes iš žemės gelmių ar jūros telkinių išgauta nafta būna skirtingos kokybės ir sudėties. Vienuose telkiniuose galima aptikti didelio klampumo, sieringos naftos, kituose – lengvesnės, turinčios daugiau lengvųjų angliavandenilių. Taip pat nafta gali būti maišoma su smėliu, vandeniu, druskomis bei įvairiais organiniais intarpais.
Pirmoji užduotis – atskirti šias priemaišas, kad jos nepažeistų perdirbimo įrenginių ir nekenktų vėlesnių procesų kokybei. Šiam tikslui naudoja fizinius separavimo metodus: pavyzdžiui, nusodinimą, centrifugavimą, separatorių sistemas, kuriose sunkiosios dalelės iškrenta arba nusistovi. Taip pat būtinas druskų pašalinimas – dažniausiai dideliu slėgiu ir aukšta temperatūra naftą „plauna“ vandens srautai (desalinimo procesas), kad vėliau distiliacijos bokštuose nesusidarytų korozinių junginių. Jei naftoje daug ištirpusių dujų, dalis jų atskiriama dar prieš distiliaciją, kad sistemos nebūtų veikiamos perteklinio slėgio.
Po šių pirminių valymo veiksmų žaliavinė nafta tampa vienalytė ir tinkamesnė tolesnei konversijai į reikalingus produktus.
Distiliacija (frakcinis skaidymas)
Distiliacija – vienas iš pagrindinių ir seniausių naftos perdirbimo etapų, dar vadinamas frakciniu skaidymu. Jis vyksta milžiniškame distiliacijos bokšte, kuriame nafta kaitinama iki aukštos temperatūros (apie 350–400 °C), todėl atskiros jos sudedamosios dalys išgaruoja ir kondensuojasi skirtinguose aukščiuose.
Svarbu suprasti, kad naftą sudaro ištisa „skalė“ angliavandenilių – nuo lengvųjų (tokių kaip propanas ar butanas) iki sunkiųjų (mazutas ir bitumas). Dėl skirtingų virimo temperatūrų šie angliavandeniliai atsiskiria į atskiras frakcijas. Aukščiausiose bokšto dalyse susirenka lengviausi komponentai (panašūs į dujas ir benziną), o apatiniuose – sunkesnieji (dyzelinas, tepalai, mazutas).
Po pirminės distiliacijos gautos frakcijos jau gali būti panaudojamos kaip kuras ar toliau tobulinamos kitose proceso stadijose: pavyzdžiui, benzino frakciją patobulinti katalizinio reformingo metu arba dyzelino frakciją papildomai išvalyti nuo sieros junginių.
- Benzino frakcija (naudojama lengvųjų automobilių degalams).
- Žibalo frakcija (labiau žinoma kaip aviacinis kuras arba buitinis kuras šildymui).
- Dyzelino frakcija (naudojama sunkiajai technikai, laivams, kitam transportui).
- Mazuto frakcija (sunkesnė, likusi apačioje; iš jos toliau gaminamos alyvos, bitumas, krosnių kuras ir kt.).
Po šio proceso kiekviena frakcija tiekiama į atskiras linijas, kur gali būti toliau apdorojama.
Krekingas
Vien pirminė distiliacija neužtikrina, kad pavyktų išgauti pakankamai benzino ar dyzelino – dviejų labiausiai rinkoje pageidaujamų degalų. Čia pasitelkiamas krekingas, kurio esmė – dideles, sunkias angliavandenilių molekules suskaidyti į mažesnes, labiau paklausias degalų frakcijas. Šis procesas gali būti dviejų pagrindinių tipų: terminis ir katalizinis.
- Terminis krekingas vyksta esant itin aukštai temperatūrai (virš 400–500 °C) ir aukštam slėgiui, kartais – trumpą laiko tarpą, kad molekulės skiltų ten, kur yra silpniausios jungtys. Toks metodas gana paprastas, bet ne visada leidžia gauti kokybišką produktą (pvz., benzino su dideliu oktaniniu skaičiumi).
- Tuo tarpu katalizinis krekingas naudoja specialius katalizatorius (dažnai zeolitus), kurie padeda gerokai tiksliau suskaidyti molekules, gaunant daugiau naudingų frakcijų ir mažiau nepageidaujamų sunkiųjų likučių. Katalizinis krekingas taip pat gerina galutinių degalų savybes – jų cheminė sudėtis tampa tinkamesnė šiuolaikiniams varikliams.
Kadangi rinkoje paklausiausias produktas dažnai yra benzinas, dauguma naftos perdirbimo gamyklų siekia iš didelio kiekio sunkesnės žaliavos (pvz., mazuto) išgauti kuo daugiau lengvos frakcijos. Dėl to krekingo procesai nuolat tobulinami ir atliekami grandininiu principu – pirmiausia atskiriamos tinkamos frakcijos, likusios vėl grąžinamos į reaktorius, kad būtų dar kartą suskaidytos.
Kiti kataliziniai procesai
Naftos perdirbimo pramonėje egzistuoja ir daugiau katalizinių procesų, skirtų galutinių produktų kokybei gerinti ar suteikti jiems specifinių savybių. Vienas iš reikšmingiausių – katalizinis reformingas, kurio tikslas – padidinti benzino frakcijos oktaninį skaičių. Reformingo reaktoriuose, esant platinos arba renio katalizatoriams ir kontroliuojamai temperatūrai, iš alkaninių grandinių sukuriami cikliniai arba aromatiniai angliavandeniliai, kurie suteikia benzino degimui didesnę kokybę ir stabilumą. Kartu pašalinamos nepageidaujamos priemaišos, mažinančios variklio efektyvumą ar sukeliančios didesnę taršą.
Dar vienas svarbus katalizinis metodas – hidrinis valymas (hidrotreating). Perdirbant degalus būtina pašalinti sierą, azotą ir kitas junginių priemaišas, nes jos gali daryti neigiamą poveikį aplinkai (pvz., sieros junginiai sukelia daugiau sieros dioksido emisijų). Hidrinio valymo procese naudojamos aukštos temperatūros, katalizatorius ir didelio grynumo vandenilis, kad siera ir kiti teršalai būtų pašalinami ar paverčiami tokiomis medžiagomis, kurias vėliau galima lengviau pašalinti.
Be reformingo ir hidrinio valymo, egzistuoja isomerizacijos procesai, kurie pakeičia molekulės struktūrą (pavyzdžiui, tiesios grandinės angliavandenilius paverčia šakotais, kurie pasižymi geresnėmis degimo savybėmis). Taip pat vykdomas alkilinimas – jo metu lengvosios angliavandenilių dujos (pvz., propenas, butenas) sujungiamos su izobutanu, sukuriant aukštos kokybės benzinui tinkamus komponentus.
Visi šie papildomi kataliziniai procesai leidžia naftos perdirbimo gamykloms gaminti didelį spektrą degalų bei kitų cheminių žaliavų, atitinkančių griežtus aplinkosauginius ir eksploatacinius reikalavimus.
Produktų tobulinimas ir paruošimas
Distiliacijos bei krekingo metu gautos frakcijos nėra galutiniai vartotojams skirti produktai. Prieš patekdamas į rinką, pavyzdžiui, benzinas, turi būti stabilizuotas, papildytas priedais, kurie padeda geriau degti, saugo variklį, sumažina kenksmingų medžiagų išmetimus. Tas pats galioja ir dyzelinui, žibalui bei kitoms naftos frakcijoms. Be to, iš naftos frakcijų gaminami sintetiniai polimerai, plastikai, kaučiukai, tepalai, bitumas keliams – šias gamybos šakas dažnai vienija terminas „petrochemija“.
Naftos perdirbimas – tai daugybę etapų ir technologinių sprendimų apimantis procesas, iš kurio gimsta didžiulė įvairovė mūsų kasdienybę lydinčių produktų. Nors perdirbimas neatsiejamas nuo aplinkosauginių iššūkių, modernios inovacijos ir technologijos padeda gaminti kokybiškus, švaresnius produktus bei efektyviau panaudoti turimus išteklius.