Cracking (hóa học)

Trong hóa dầu, địa chất dầu khí và hóa hữu cơ, cracking là quá trình trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp như kerogen hoặc các hydrocarbon cấu trúc lớn bị phá vỡ thành các hợp chất đơn giản hơn như là các hydrocarbon nhẹ hơn, bằng cách bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử carbon trong các hợp chất trên. Tốc độ phản ứng của cracking và các sản phẩm cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và sự có mặt của các chất xúc tác. Cracking phá vỡ các alkan lớn thành các alken nhỏ hơn, hữu dụng hơn. Quá trình này có thể đòi hỏi nhiệt độ cao và áp suất cao.
Bên ngoài lĩnh vực hóa dầu, thuật ngữ "cracking" được sử dụng để mô tả bất kỳ loại phân chia các phân tử nào dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, chất xúc tác và dung môi, chẳng hạn như trong các quá trình chưng cất huỷ hoại hoặc chưng khô.
Cracking dùng xúc tác chất lỏng tạo ra số lượng lớn các loại xăng và LPG, trong khi hydrocracking tạo ra số lượng lớn xăng cho máy bay, dầu diesel, naphtha, và LPG.

Lịch sử và bản quyền phát minh

Vladimir Shukhov, một kỹ sư Nga, đã phát minh ra và cấp bằng sáng chế cho một số phương pháp khác nhau của phương pháp cracking nhiệt (được gọi là "quá trình cracking của Shukhov", "quá trình cracking Burton", "quá trình cracking của Burton-Humphreys" và quá trình cracking "Dubbs") lần đầu tiên vào năm 1891 (Đế chế Nga, bằng sáng chế số 12926, ngày 7 tháng 11 năm 1891). Một bản quyền phát minh đã được sử dụng ở một mức độ hạn chế ở Nga, nhưng sự phát triển của phát minh này không được theo dõi bản quyền. Trong thập kỷ đầu của thế kỷ 20 các kỹ sư người Mỹ William Merriam Burton và Robert E. Humphreys phát triển độc lập và được cấp bằng sáng chế một quy trình tương tự với bằng sáng chế số 1.049.667 của Hoa Kỳ vào ngày 8 tháng 6 năm 1908. Một số ưu điểm của nó là cả bình ngưng và nồi hơi đều được giữ dưới áp suất cao.
Tuy nhiên, trong các phiên bản trước đó, nó là một quá trình xảy ra theo lô, chứ không phải là liên tục, và nhiều bằng sáng chế được ghi nhận ở Mỹ và Châu Âu, mặc dù không phải tất cả đều có khả năng thực hiện trên thực tế. Năm 1924, một phái đoàn từ Tập đoàn Dầu mỏ Sinclair của Hoa Kỳ đã đến thăm Shukhov. Sinclair Oil dường như muốn đề nghị rằng bằng sáng chế của Burton và Humphreys, được sử dụng bởi Standard Oil, được lấy từ bằng sáng chế của Shukhov về việc cracking dầu mỏ, như được mô tả trong bằng sáng chế của Nga. Nếu việc có thể được thực hiện, nó có thể tăng cường quyền lực của các công ty đối thủ của Mỹ muốn làm mất hiệu lực bằng sáng chế Burton-Humphreys. Trong trường hợp Shukhov hài lòng với người Mỹ về nguyên tắc, phương pháp của Burton giống với bằng sáng chế 1891 của ông, mặc dù quan tâm của ông về vấn đề này chủ yếu là để xác định rằng "ngành công nghiệp dầu mỏ của Nga có thể dễ dàng chế tạo một bộ máy cho phép cracking theo bất kỳ hệ thống mô tả nào mà không bị buộc tội bởi người Mỹ về việc mượn bằng sáng chế miễn phí".

Hóa học

Một số lượng lớn các phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình cracking, hầu hết chúng dựa trên các gốc tự do. Mô phỏng máy tính nhằm mô hình hoá những gì xảy ra trong quá trình cracking hơi đã bao gồm hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn phản ứng trong mô hình của chúng. Các phản ứng chính xảy ra bao gồm:

Các phương pháp dùng nhiệt

Cracking nhiệt là loại cracking của hydrocarbon được phát triển đầu tiên. Cracking nhiệt là một ví dụ về một phản ứng mà năng lượng của nó bị chi phối bởi entropy (∆S°) chứ không phải bởi enthalpy (∆H°) trong phương trình năng lượng tự do Gibbs ∆G°=∆H°-T∆S°. Mặc dù năng lượng phân ly D đối với một liên kết carbon-carbon là tương đối cao (khoảng 375 kJ/mol) và cracking là cực kỳ hấp thụ nhiệt, sự thay đổi entropy lớn do phân mảnh của một phân tử lớn thành nhiều phân tử nhỏ hơn, cùng với nhiệt độ rất cao, làm T∆S° lớn hơn rất nhiều so với ∆H°, do vậy thúc đẩy phản ứng cracking.

Cracking nhiệt

Cracking nhiệt độ cao hiện đại hoạt động ở áp suất tuyệt đối khoảng 7.000 kPa. Một quá trình tổng thể về sự không cân xứng có thể được quan sát, trong đó các sản phẩm giàu hiđrô "nhẹ" được hình thành; đổi lại các phân tử nặng hơn ngưng tụ và cạn kiệt hyđrô. Phản ứng thực tế được gọi là đồng ly và tạo ra các anken, đó là cơ sở để sản xuất các sản phẩm kinh tế quan trọng polymer.
Việc cracking bằng nhiệt hiện nay được sử dụng để "nâng cấp" các phân tử rất nặng hoặc để tạo ra các phân tử hoặc chiết xuất nhẹ hơn, nhiên liệu đốt và/hoặc than cốc dầu mỏ. Hai điểm cực đoan của cracking nhiệt về mặt phạm vi sản phẩm được thể hiện bằng quá trình nhiệt độ cao được gọi là "cracking hơi" hoặc chưng khô (khoảng 750 °C tới 900 °C hoặc cao hơn) mà tạo ra etylen và các sản phẩm có giá trị khác cho ngành công nghiệp hóa dầu, và than cốc chậm trễ (khoảng 500 °C) mà có thể sản xuất, dưới những điều kiện thích hợp, than cốc dầu mỏ kim có giá trị, một loại than cốc dầu mỏ tinh thể cao được sử dụng trong sản xuất điện cực trong các ngành công nghiệp sản xuất thép và nhôm.