Διυλιστήριο πετρελαίου

Το διυλιστήριο πετρελαίου είναι μια βαριά εγκατάσταση βιομηχανικής επεξεργασίας όπου επεξεργάζεται αργό πετρέλαιο και διυλίζεται σε πιο χρήσιμα προϊόντα όπως νάφθα,  βενζίνη, καύσιμο ντίζελ, άσφαλτος, πετρέλαιο θέρμανσης, κηροζίνη και υγραέριο. Τα διυλιστήρια πετρελαίου είναι τυπικά μεγάλα, εκτεταμένα βιομηχανικά συγκροτήματα με εκτεταμένες σωληνώσεις που μεταφέρουν ρευστά μεταξύ μεγάλων μονάδων χημικής επεξεργασίας. Τα διυλιστήρια πετρελαίου χρησιμοποιούν υψηλή τεχνολογία και μπορούν να θεωρηθούν ως τύποι χημικών εγκαταστάσεων. Η τροφοδοσία του αργού (ακατέργαστου) πετρελαίου επεξεργάζεται τυπικά από μια εγκατάσταση παραγωγής πετρελαίου. Υπάρχει συνήθως μια δεξαμενή καυσίμου στο διυλιστήριο πετρελαίου ή κοντά σε αυτό για αποθήκευση του εισερχομένου αργού πετρελαίου καθώς και των χύμα υγρών προϊόντων.
Ένα διυλιστήριο πετρελαίου θεωρείται ως βασικό τμήμα της καθετοποιημένης πετρελαϊκής βιομηχανίας.

Λειτουργία

Το ακατέργαστο αργό πετρέλαιο δεν είναι γενικά χρήσιμο σε βιομηχανικές εφαρμογές, αν και "ελαφρύ, γλυκό" (με χαμηλό ιξώδες, χαμηλό θείο) αργό πετρέλαιο έχει χρησιμοποιηθεί άμεσα ως καύσιμο για την παραγωγή ατμού για την προώθηση υπερωκεάνιων πλοίων. Τα ελαφρύτερα στοιχεία, όμως, σχηματίζουν εκρηκτικούς ατμούς στις δεξαμενές καυσίμων και είναι συνεπώς επικίνδυνα, ειδικά σε πολεμικά πλοία. Τα εκατοντάδες είδη διαφορετικών ενώσεων υδρογονανθράκων στο αργό πετρέλαιο διαχωρίζονται σε ένα διυλιστήριο σε συστατικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καύσιμα, λιπαντικά και ως πρώτες ύλες για πετροχημικές διεργασίες που παράγουν τέτοια προϊόντα όπως πλαστικά, απορρυπαντικά, διαλύτες, ελαστομερή καθώς και ίνες όπως νάιλον και πολυεστέρες.
Πετρελαϊκά ορυκτά καύσιμα καίγονται σε μηχανές εσωτερικής καύσης για να παράσχουν την απαραίτητη ενέργεια για πλοία, αυτοκίνητα, κινητήρες αεροσκαφών, χορτοκοπτικά, αλυσοπρίονα και άλλα μηχανήματα. Διαφορετικά σημεία βρασμού επιτρέπουν στους υδρογονάνθρακες να διαχωρίζονται με απόσταξη. Επειδή τα ελαφρύτερα υγρά προϊόντα είναι σε μεγάλη ζήτηση για χρήση σε μηχανές εσωτερικής καύσης, ένα σύγχρονο διυλιστήριο μετατρέπει βαρείς υδρογονάνθρακες και ελαφρύτερες αέριες ενώσεις σε αυτά τα υψηλότερες αξίας καύσιμα.
Το πετρέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με διάφορους τρόπους επειδή περιέχει υδρογονάνθρακες ποικίλων σχετικών μοριακών μαζών, μορφών και μεγεθών όπως αλκάνια, αρωματικοί υδρογονάνθρακες, κυκλοαλκάνια (ή ναφθένια), αλκίνια, αλκαδιένια, και αλκίνια. Ενώ τα μόρια στο αργό πετρέλαιο περιλαμβάνουν διάφορα άτομα όπως θείο και άζωτο, οι υδρογονάνθρακες είναι η πιο συνηθισμένη μορφή μορίων, που είναι μόρια ποικίλων μεγεθών και πολυπλοκότητας αποτελούμενα από άτομα  υδρογόνου και άνθρακα. Οι διαφορές στη δομή αυτών των μορίων είναι η αιτία για τις διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες και αυτή η ποικιλία είναι που κάνει το αργό πετρέλαιο χρήσιμο σε μια ευρεία περιοχή διαφόρων εφαρμογών.
Μόλις διαχωριστεί και καθαριστεί από προσμίξεις και ακαθαρσίες, το καύσιμο ή το λιπαντικό μπορεί να πουληθεί χωρίς παραπέρα επεξεργασία. Μικρότερα μόρια όπως ισοβουτάνιο και προπίνιο ή βουτένια μπορούν να ανασυνδυαστούν για να καλύψουν ειδικές απαιτήσεις αριθμού οκτανίου με επεξεργασίες όπως αλκυλίωση, ή λιγότερο συχνά, διμερισμού. Ο αριθμός οκτανίου της βενζίνης μπορεί επίσης να βελτιωθεί με καταλυτική αναμόρφωση, η οποία περιλαμβάνει την αφαίρεση υδρογόνου από υδρογονάνθρακες για την παραγωγή ενώσεων με υψηλότερο αριθμό οκτανίου όπως αρωματικοί υδρογονάνθρακες.  Ενδιάμεσα προϊόντα όπως αεριέλαια μπορούν να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία για να διασπαστεί ένα βαρύ με ενώσεις μεγάλης αλυσίδας πετρέλαιο σε ελαφρύτερο με μικρές αλυσίδες, με διάφορες μορφές πυρόλυσης όπως ρευστή καταλυτική πυρόλυση, θερμική πυρόλυση και υδρογονοπυρόλυση. Το τελικό βήμα στην παραγωγή βενζίνης είναι η ανάμειξη των καυσίμων με διαφορετικό αριθμό οκτανίων, τάση ατμών και άλλων ιδιοτήτων για να καλύπτουν τις προδιαγραφές του προϊόντος.
Τα διυλιστήρια πετρελαίου είναι μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις, που επεξεργάζονται περίπου από 100.000 μέχρι εκατοντάδες χιλιάδες βαρέλια αργού πετρελαίου την ημέρα. Λόγω της υψηλής χωρητικότητας, πολλές από τις μονάδες λειτουργούν συνεχώς, σε σταθερή κατάσταση ή σχεδόν σταθερή κατάσταση για μήνες έως χρόνια. Η υψηλή χωρητικότητα κάνει πολύ επιθυμητή τη βελτιστοποίηση και τον προηγμένο έλεγχο της διεργασίας.

Διάγραμμα ροής τυπικού διυλιστηρίου

Η παρακάτω εικόνα είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ροής επεξεργασίας ενός τυπικού διυλιστηρίου πετρελαίου που δείχνει τις ποικίλες διεργασίες μιας μονάδας χημικής εγκατάστασης και τη ροή των ενδιάμεσων προϊόντων ρευμάτων που συμβαίνει μεταξύ της εισερχόμενης τροφοδοσίας αργού πετρελαίου και των τελικών προϊόντων. Το διάγραμμα απεικονίζει μόνο μία από τις κυριολεκτικά εκατοντάδες διαφορετικές διαμορφώσεις ενός διυλιστηρίου πετρελαίου. Το διάγραμμα επίσης δεν περιλαμβάνει οποιεσδήποτε από τις συνηθισμένες εγκαταστάσεις διυλιστηρίου που παρέχουν άλλες εγκαταστάσεις όπως ατμό, νερό ψύξης και ηλεκτρικό ρεύμα, καθώς και δεξαμενές αποθήκευσης για το τροφοδοτούμενο ακατέργαστο πετρέλαιο, για τα ενδιάμεσα προϊόντα και τα τελικά προϊόντα.
Υπάρχουν πολλές ρυθμίσεις διεργασιών που είναι διαφορετικές από τις απεικονιζόμενες. Παραδείγματος χάριν, η μονάδα απόσταξης σε κενό μπορεί επίσης να παράξει  κλάσματα που μπορούν να εξευγενιστούν σε τελικά προϊόντα όπως: λάδι αξόνων που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία υφασμάτων, ελαφρύ έλαιο μηχανημάτων, λάδι κινητήρων και διάφορους κηρούς.

Η μονάδα απόσταξης του αργού πετρελαίου

Η μονάδα απόσταξης του αργού πετρελαίου (CDU) είναι η πρώτη μονάδα επεξεργασίας ουσιαστικά σε όλα τα διυλιστήρια πετρελαίου. Αυτή αποστάζει το εισερχόμενο αργό πετρέλαιο σε διάφορα κλάσματα διαφορετικών περιοχών βρασμού, που καθεμιά τους επεξεργάζεται παραπέρα σε άλλες μονάδες επεξεργασίας του διυλιστηρίου. Η CDU αναφέρεται συχνά ως η μονάδα ατμοσφαιρικής απόσταξης επειδή λειτουργεί σε ελαφρά μεγαλύτερη πίεση από την ατμοσφαιρική πίεση.
Παρακάτω είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ροής μιας τυπικής μονάδας απόσταξης αργού πετρελαίου. Το εισερχόμενο αργό πετρέλαιο προθερμαίνεται ανταλλάσσοντας θερμότητα με κάποιο από τα θερμά, αποσταγμένα κλάσματα και άλλα ρεύματα. Στη συνέχεια αφαλατώνεται για να αφαιρεθούν τα ανόργανα άλατα (κυρίως το χλωριούχο νάτριο).
Μετά την αφαλάτωση, το αργό πετρέλαιο θερμαίνεται παραπέρα ανταλλάσσοντας θερμότητα με κάποιο θερμό απεσταγμένο κλάσμα και με άλλα ρεύματα. Έπειτα θερμαίνεται σε έναν φούρνο σε μια θερμοκρασία περίπου 398 °C και παροχετεύεται στον πυθμένα της αποστακτικής μονάδας.
Η ψύξη και η συμπύκνωση του πύργου απόσταξης της κορυφής απόσταξης παρέχεται μερικώς με ανταλλαγή θερμότητας με το εισερχόμενο αργό πετρέλαιο και μερικώς από έναν αερόψυκτο ή υδρόψυκτο συμπυκνωτή. Πρόσθετη θερμότητα αφαιρείται από την αποστακτική στήλη με ένα σύστημα άντλησης όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα.
Όπως φαίνεται στο διάγραμμα ροής, το κορυφαίο κλάσμα απόσταξης από την αποστακτική στήλη είναι νάφθα. Τα κλάσματα αφαιρούνται πλευρικά από την στήλη απόσταξης σε διάφορα σημεία μεταξύ της κεφαλής και του πυθμένα της στήλης και λέγονται πλευρικά κλάσματα. Καθένα από τα πλευρικά κλάσματα (δηλαδή, η κηροζίνη, ελαφρύ αεριέλαιο και βαρύ αεριέλαιο) ψύχεται ανταλλάσσοντας θερμότητα με το εισερχόμενο αργό πετρέλαιο. Όλα τα κλάσματα (δηλαδή , η νάφθα κορυφής, τα πλευρικά κλάσματα και το υπόλειμμα του πυθμένα) στέλνονται σε ενδιάμεσες δεξαμενές αποθήκευσης πριν να επεξεργαστούν παραπέρα.

Ασφάλεια και περιβαλλοντικές ανησυχίες

Η επεξεργασία διύλισης απελευθερώνει διάφορα χημικά στην ατμόσφαιρα και μια σημαντική οσμή συνοδεύει την παρουσία ενός διυλιστηρίου. Πέρα από τις επιπτώσεις της ρύπανσης του αέρα, υπάρχουν επίσης  ανησυχίες για τη διάθεση του απόβλητου νερού, για τους κινδύνους βιομηχανικών ατυχημάτων όπως φωτιά και έκρηξη και επιπτώσεις στην υγεία λόγω του βιομηχανικού θορύβου.
Πολλές κυβερνήσεις σε όλον τον κόσμο έχουν νομοθετήσει περιορισμούς στους ρύπους που εκπέμπουν τα διυλιστήρια και τα περισσότερα διυλιστήρια έχουν εγκαταστήσει τον απαιτούμενο εξοπλισμό για να συμμορφώνεται με τις απαιτήσεις των σχετικών περιβαλλοντικών νόμων. Στις ΗΠΑ, υπάρχει ισχυρή πίεση για την αποτροπή ανάπτυξης νέων διυλιστηρίων και κανένα μεγάλο διυλιστήριο δεν έχει κατασκευαστεί από την εγκατάσταση της Marathon Petroleum Company στο Γκάριβιλ της Λουιζιάνας το 1976. Όμως, πολλά υφιστάμενα διυλιστήρια έχουν επεκταθεί στο μεταξύ. Οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί και η πίεση αποτροπής κατασκευής νέων διυλιστηρίων μπορεί να έχει συμβάλλει στην αύξηση των τιμών στις ΗΠΑ. Επιπλέον, αρκετά διυλιστήρια (περισσότερα από 100 από τη δεκαετία του 1980) έχουν κλείσει λόγω της παλαίωσης του εξοπλισμού ή/και των συγχωνεύσεων.
Περιβαλλοντικά θέματα και ανησυχίες ασφάλειας έχουν ως αποτέλεσμα τα διυλιστήρια πετρελαίου, κάποιες φορές, να είναι εγκατεστημένα σε κάποια απόσταση από μεγάλες αστικές περιοχές. Παρόλα αυτά, υπάρχουν περιπτώσεις όπου διυλιστήρια πετρελαίου είναι κοντά σε κατοικημένες περιοχές.

Προβλήματα διάβρωσης και αποτροπή

Τα διυλιστήρια πετρελαίου προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν το κόστος. Ένας κύριος παράγοντας που αυξάνει το κόστος είναι η διάβρωση των μεταλλικών μερών που βρίσκονται σε όλη τη διεργασία διύλισης. Η διάβρωση προκαλεί την αστοχία τμημάτων εξοπλισμού και επιβάλλει τον σχεδιασμό συντήρησης του διυλιστηρίου, κατά την διάρκεια της οποίας τμήμα ή όλο το διυλιστήριο πρέπει να κλείσει. Τα άμεσα κόστη τα σχετικά με τη διάβρωση στην πετρελαϊκή βιομηχανία των ΗΠΑ υπολογίζονται σε US$3,7 δισεκατομμύρια ανά έτος.
Η διάβρωση συμβαίνει σε διάφορες μορφές στην επεξεργασία διύλισης, όπως σημειακή διάβρωση από σταγονίδια νερού, ψαθυροποίηση από υδρογόνο και διάβρωση με μηχανική καταπόνηση από επίθεση σουλφιδίων. Από άποψη υλικών, ο κοινός χάλυβας χρησιμοποιείται σε πάνω από 80% των υλικών του διυλιστηρίου, που είναι χρήσιμο λόγω του χαμηλού του κόστους. Ο κοινός χάλυβας αντιστέκεται στις περισσότερες μορφές διάβρωσης, ειδικά από ακαθαρσίες υδρογονανθράκων σε θερμοκρασίες κάτω από 205 °C, αλλά άλλα διαβρωτικά χημικά και περιβάλλοντα αποτρέπουν τη χρήση του παντού. Συνηθισμένα υλικά αντικατάστασης είναι χαμηλά κράματα χάλυβα που περιέχουν χρώμιο και μολυβδαίνιο, με τους ανοξείδωτους χάλυβες που περιέχουν περισσότερο χρώμιο να αντιμετωπίζουν καλύτερα πιο διαβρωτικά περιβάλλοντα. Πιο δαπανηρά υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι κράματα νικελίου, τιτανίου και χαλκού. Αυτά συνήθως κρατιούνται για τις πιο προβληματικές περιοχές όπου ακραίες υψηλές θερμοκρασίες και/ή πολύ διαβρωτικά χημικά είναι παρόντα.
Η διάβρωση αντιμετωπίζεται με ένα σύνθετο σύστημα παρακολούθησης, προληπτικών επισκευών, και προσεκτικής χρήσης υλικών. Οι μέθοδοι παρακολούθησης περιλαμβάνουν και ελέγχους εκτός λειτουργίας που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια της συντήρησης και παρακολούθηση εν λειτουργία. Οι έλεγχοι εκτός λειτουργίας μετρουν τη διάβρωση αφού έχει συμβεί, λέγοντας στον μηχανικό πότε πρέπει να αντικατασταθεί μια συσκευή με βάση τις πληροφορίες του ιστορικού που έχει συλλέξει. Αυτό αναφέρεται ως προληπτική διαχείριση.
Τα εν λειτουργία συστήματα είναι μια πιο σύγχρονη εξέλιξη και προσεγγίζουν με ριζοσπαστικό τρόπο τη διάβρωση. Υπάρχουν αρκετοί τύποι τεχνολογιών παρακολούθησης της διάβρωσης εν λειτουργία όπως γραμμική αντίσταση πόλωσης, ηλεκτροχημικός θόρυβος και ηλεκτρική αντίσταση. Η παρακολούθηση εν λειτουργία είχε γενικά χαμηλούς ρυθμούς αναφορών στο παρελθόν (λεπτά ή ώρες) και περιοριζόταν από τις συνθήκες της διεργασίας και τις πηγές του σφάλματος, αλλά οι νεότερες τεχνολογίες μπορούν να αναφέρουν ρυθμούς μέχρι δυο φορές το λεπτό με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια (αναφέρεται ως παρακολούθηση πραγματικού χρόνου). Αυτό επιτρέπει στους μηχανικούς της διεργασίας να αντιμετωπίσουν τη διάβρωση ως μια άλλη μεταβλητή της διεργασίας που μπορεί να βελτιστοποιηθεί στο σύστημα. Άμεσες αποκρίσεις σε αλλαγές της διαδικασίας επιτρέπουν τον έλεγχο των μηχανισμών διάβρωσης και έτσι μπορούν να ελαχιστοποιηθούν, ενώ μεγιστοποιείται η έξοδος της παραγωγής. Σε μια ιδανική κατάσταση έχοντας τις πληροφορίες διάβρωσης εν λειτουργία που είναι ακριβείς και σε πραγματικό χρόνο θα επιτρέψει στις συνθήκες που προκαλούν υψηλούς ρυθμούς διάβρωσης να αναγνωριστούν και να μειωθούν. Αυτό είναι γνωστό ως προγνωστική διαχείριση.
Οι μέθοδοι υλικών περιλαμβάνουν την επιλογή του κατάλληλου υλικού για την εφαρμογή. Σε περιοχές ελάχιστης διάβρωσης, προτιμώνται φθηνά υλικά, αλλά όπου μπορεί να συμβεί άσχημη διάβρωση, πρέπει να χρησιμοποιούνται πιο ακριβά υλικά αλλά με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Άλλες μέθοδοι υλικών έρχονται με τη μορφή προστατευτικών εμποδίων μεταξύ διαβρωτικών ουσιών και του μεταλλικού εξοπλισμού. Αυτές μπορεί να είναι είτε μια επένδυση από πυρίμαχο υλικό όπως το τυπικό τσιμέντο Πόρτλαντ ή άλλο ειδικό τσιμέντο με αντοχή στα οξέα που εγχέεται στην εσωτερική επιφάνεια του δοχείου. Διατίθενται επίσης λεπτές στρώσεις πιο ακριβών μετάλλων που προστατεύουν πιο φθηνά μέταλλα κατά της διάβρωσης χωρίς να απαιτείται πολύ υλικό.

Ιστορικό

Το πρώτο διυλιστήριο παγκοσμίως άνοιξε στο Πλοέστι της Ρουμανίας, το 1856-1857, με επένδυση από τις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής. Αφού κατελήφθησαν από τη Ναζιστική Γερμανία, τα διυλιστήρια στο Πλοέστι βομβαρδίστηκαν από τους συμμάχους.
Το διυλιστήριο στο Ρας Τανούρα της Σαουδικής Αραβίας που είναι ιδιοκτησία της Σάουντι Αράμκο ήταν κάποτε το μεγαλύτερο διυλιστήριο στον κόσμο. Για το μεγαλύτερο μέρος του εικοστού αιώνα, το μεγαλύτερο διυλιστήριο ήταν το διυλιστήριο στο Αμπαντάν του Ιράν. Αυτό το διυλιστήριο υπέστη εκτεταμένες ζημιές κατά τη διάρκεια του πολέμου Ιράν-Ιράκ. Το μεγαλύτερο συγκρότημα διυλιστηρίων παγκοσμίως είναι το Τζαμνάγκαρ, που αποτελείται από δύο γειτονικά διυλιστήρια και λειτουργεί από την Reliance Industries Limited στην Ινδία, με συνολική παραγωγική ικανότητα 1.240.000 βαρέλια/ημέρα. Το συγκρότημα Paraguaná Refinery Complex της PDVSA στη Βενεζουέλα με χωρητικότητα 956.000 βαρέλια/ημέρα και το Ulsan της SK Energy στη Νότια Κορέα με 840.000 βαρέλια/ημέρα είναι το δεύτερο και τρίτο μεγαλύτερο διυλιστήριο αντίστοιχα.(Νοέμβριος 2010)