Kőolajipari technológiák

A kőolaj általános jellemzői Világossárgától a kékesfeketéig terjedő színű, viszkózus folyadék A víznél kisebb sűrűségű 700-1000 kg/m3 Különböző szénhidrogének keveréke (telített nyíltláncú, telített gyűrűs, telítetlen nyíltláncú) + S, O és N tartalmú vegyületeket is tartalmaz

Felfedezése, elterjedése - Régóta ismert anyag, felszíni kiszivárgások formájában mindig jelen volt. Már az ókori egyiptomiak is használták hajóik vízhatlanná tételére. 1556-ban Georgius Agricola német mineralógus leírja, hogyan lehet a kőolajat a szivárgási helyen lefölözni, hevítéssel besűríteni és belőle hajók tömítéséhez való anyagot előállítani. 1650 körül először desztillálják a kőolajat és kocsikenőcsöt, festék-kötőanyagokat és lámpaolajat állítanak elő belőle.

- Energiahordozóvá csak 1857 után vált, miután Pennsylvániában és Romániában megindult iparszerű kitermelése. - Mint energiahordozó, először nem bírt jelentőséggel, kezdetben csak világítási célokra használták - 1900 után a belsőégésű motorok elterjedésével vált nélkülözhetetlen alapanyaggá

Oil Creek, Titusville, Pennsylvánia 1859. augusztus 8. Edwin Laurentine Drake ezredes elvégzi az első olajfúrást. A fúrás mélysége 22 m. Fúrótornya 20 m magas, faborítású. Egy gőzgép dolgozik benne, amely a közepén forgatható módon elhelyezkedő gerendát mozgat. A gerenda egyik végére fúrórudazat van felszerelve, amelynek alján a fúrószerszám fel- és leirányuló mozgással fúrja be magát a talajba

Drake faborítású fúrótornya

A kőolaj előnyei a többi energiahordozóval szemben Nagyobb fűtőérték (50%-al nagyobb mint a széné) Szállítása, tárolása és elosztása egyszerűbb Egyenletesebb a minősége Automatizált gyártási folyamat Hátrány: Véges kőolajkészletek (Egyes kutatók szerint 2020-ra a jelenlegi kőolajtelepek kimerülnek)

Az első kőolajvezeték megépítése az amerikai Samuel van Sycle nevéhez fűződik. 1865-ben az egyesült államokbeli Pithole és egy közeli farm között lefekteti és sikeresen üzemelteti az első kőolajszállításra tervezett csővezetéket, mivel a gazdaságos felhasználás egyik alapfeltétele a veszteségmentes szállítás.

Tartálykocsi az 1900-as évek elejéről

A kőolaj keletkezése Szerves eredetű, 150-400 millió évvel ezelőtt élt tengeri növények és állatok elhalt, leülepedett és újabb talajrétegekkel befedett anyagából levegőtől elzárt bomlással képződött, nyugodt vizű tengeröblökben. Az egyes földtani rétegek elmozdulása miatt a beléjük zárt kőolaj és földgáz is gyakran elmozdul keletkezési helyéről. (Migráció) Másodlagos keletkezése ott várható, ahol a vízzáró boltozat megállítja a migrációt, és a kőolaj a vízzáró boltozat alatt gyűlik össze. (olajcsapda) Előfordulása földrajzilag meglehetősen koncentrált.

Olajcsapda

Kőolajtermelő térségek Észak- és Közép-Amerika (Mexikó, Texas,Kanada és Alaszka) Dél-Amerika (Karib-tenger térsége, Venezuela) Afrika (Szahara, Algéria, Tunézia, Gabon) Az Északi-tenger öblei (Norvégia) Közel- és Közép-kelet (Szaúd-Arábia,Kuvait, Irak, Irán Omán, Bahrein) Távol-kelet ( Szumátra, Borneó) Közép-Ázsia (Oroszország, Azerbajdzsán,)

A kőolaj kitermelése Felderítés Fúrás Kitermelés Stabilizálás

Felderítés A természetes olajmező kialakulásához három dolog szükséges: Üledékes kőzet, melyből az olaj képződik Porózus kőzet amely tárolja Fedőréteg amely fogvatartja A felderítés során olyan helyeket keresnek, ahol ez a három típusú kőzet egyszerre van jelen. A keresést mágneses illetve gravitációs terepfelméréssel végzik.

Mágneses terepfelmérés Ennek során repülőgépen elhelyezett magnetométerek segítségével pásztázzák a területet. A mágnesesség változásait leolvasva, feltérképezhető a föld szerkezete Gravitációs felmérés Az eljárás a felszín alatti kőzetek sűrűségének a mérésén alapszik. A gravitométer a föld gravitációs mezőjében századmilliomodnyi változást is képes kimutatni. A begyűjtött adatokat számítógépekkel elemzik és értelmezik.

Ígéretes eredmények esetén további szeizmikus vizsgálatokat végeznek, melynek során felszíni robbantásokkal lökéshullámokat idéznek elő a földben. Ha a hullámok két különböző kőzet határára érkeznek, visszaverődnek és újra a felszínre jutnak. Ezeket mikrofonokkal és regisztráló berendezésekkel felfogják. A kőzetrétegek helyzete kiszámítható abból az időből, amely alatt a hullámok visszaérkeznek a felszínre. Ezekből az adatokból megrajzolják a terület részletes keresztmetszetét.

A kőolaj kitermelése Rotary-fúrórendszeres fúrás

Rotary fúrófej

Fúrási folyamat Az olajkutakat speciális fúrófejjel fúrják, amely körbe forogva szilánkokká aprítja a kőzetet. A fúrófej anyaga acél vagy gyémánt. A fúrás előrehaladtával a rudazatot folyamatosan toldják egy 9 m-es darabbal. A fúrólyukat béléscsövezik annak érdekében, hogy ne dőljön be. A fúrás közben keletkező törmeléket bentonit tartalmú iszap cirkuláltatásával hozzák felszínre. A fúrófejeket a terep keménységének a függvényében cserélik. Ez történhet óránként esetleg naponként. A csere akár 10 órán át is eltarthat, ez az idő függ a rudazat hosszától. A fúrási sebesség függ a kőzet keménységétől, kemény kőzetnél 300 mm/h, homokos kőzetnél 60 m/h. A fúrólyuk teljes béléscsövezése után a csöveket átlövik, hogy a kőolaj a nyílásokon keresztül a felszínre áramolhasson. A fúrásokat függőlegesen végzik, ahol erre nincs mód, ott ún. terelt fúrásokat végeznek.( település, kemény földtani réteg jelenléte.

Terelt fúrások

Kitermelés Felszálló, másnéven szabadonfolyó kitermelés Segédgázas kitermelés Mélyszivattyúzásos kitermelés

A telepben a kőolaj a földgáz és a víz nyomása alatt áll A telepben a kőolaj a földgáz és a víz nyomása alatt áll. Ez adja azt az energiát ami az olajat a kút talpához hajtja és a felszínre emeli. Bőséges rétegenergia esetén az olaj és a földgázkeverék magától szökik a felszínre. Ez az időszak meghosszabbítható a kitermelt földgáz telepbe történő visszanyomásával, vagy az olajtest alá több vizet nyomnak a felszínről, mint a kitermelt olaj mennyisége. Ennek ellenére a rétegenergia folyamatosan csökken. Ekkor gázt adagolnak az olajoszlopba, hogy a rendelkezésre álló rétegnyomás a folyadékoszlopot képes legyen ismét a felszínre hozni. Ha ez sem segít, az olajat bonyolult és költséges mélyszivattyúzással hozzák a felszínre. Ezekkel a módszerekkel a telepben tárolódó olajnak mintegy 40%-a termelhető ki, a többi a telepben marad.

Fúrótorony az Északi- tengeren

A kőolaj stabilizálása Mivel a kútfolyadék igen sok szennyeződést tartalmaz, azokat a feldolgozás előtt el kell távolítani. Ezek a szennyeződések többnyire vízben oldott ásványi sók, mechanikai szennyeződések, kísérő gáz. A stabilizálási eljárás első állomása a szeparátor. Itt kerül leválasztásra a kútfolyadékban jelenlévő földgáz és a mechanikai szennyeződések. Második állomás a kőolaj- és földgáz előkészítő üzem. Itt vonják ki a maradék földgázt és a könnyű benzinrészeket.

Az eljárás során a kőolajat felmelegítik 120-150 celsius fokosra és az ún. stabilizáló toronyba vezetik. A toronyban 0.6-0.8MPa nyomáson a kőolajból kiválnak a könnyű benzinrészek és a gázok és a torony csúcsán távozva a kondenzátorba lépnek. A kondenzátorban a benzinrészek cseppfolyósodnak, a gáz pedig felül távozik. A cseppfolyósodott termék a gázbenzin, vagy gazolin, melyet a későbbiekben a benzinhez kevernek oktánszám-növelés céljából. A víz emulzió formájában van jelen a kőolajban. Ezt elektromos emulzióbontással távolítják el. Az eljárás során az emulziót magas feszültségű elektromos téren vezetik keresztül, melynek hatására a mikroszkópikus méretű vízcseppek egyesülnek és kiülepednek az olajban. A vízben lévő sók (CaCl, NaCl) a stabilizációs eljárás magas hőmérsékletén a keletkező vízgőzzel sósavat alkotnak és eltávolításra kerülnek.

A kőolaj lepárlása A kőolaj feldolgozásának következő lépése a desztilláció vagy lepárlás. A desztilláció lényege, hogy valamilyen cseppfolyós anyagot felmelegítünk annyira, hogy gáz halmazállapotú legyen, majd a gőzöket elvezetve, hűtéssel újra cseppfolyósítjuk.

Mivel a desztilláció során az anyag szerkezetében kémiai változás nem következik be, csupán halmazállapot-változás, megállapítható, hogy a desztilláció fizikai folyamat. A víz desztillálása során, azt melegítve akkor kezd el forrni, mikor a folyadékfázisból eltávozó gőzök nyomása eléri a külső légtér nyomását. Ez 1 bar légköri nyomáson 100 fokon következik be. A folyadékfázis hőmérséklete mindaddig 100 fok marad, amíg teljes egészében gőz halmazállapotba kerül.

A kőolaj desztillációja során több eltérést figyelhetünk meg. Az első, hogy a hűtő végén lényegesen előbb jelenik meg az első párlatcsepp. A második, hogy a hőmérséklet nem állandó, hanem folyamatosan emelkedik. Ez amiatt van, hogy mivel a kőolaj több kémiai vegyület keveréke, így a forráspontjuk, molekulatömegük, sűrűségük is különböző. Az illékonyabb részek előbb hagyják el a folyadékfázist. Éppen illékonyságuk alapján csoportosíthatjuk az egyes kőolajpárlatokat.

A kőolaj atmoszférikus desztillációja A kőolaj desztillációja során folyamatos hőmérséklet-emelkedés közben a hűtő végén kezdetben a benzin, majd a petróleum végül pedig a gázolaj csapódik le. Ha ezeket a párlatokat külön gyűjtjük össze, akkor ún. frakciókat kapunk. A desztillációnak ezt a módját pedig szakaszos, vagy frakcionált desztillációnak hívjuk.

A frakcionált desztilláció önmagában még nem biztosítja a párlatok éles szétválasztását. Azok szűkítését, töményítését csak ismételt frakcionált desztillációval oldhatnánk meg, ami nem gazdaságos. A kőolaj melegítése során hőenergiát fektettünk be, hogy a kőolaj cseppfolyós halmazállapotból gőzhalmazállapotba kerüljön. Ez a hő némi veszteségtől eltekintve visszanyerhető akkor, amikor a gőzök ismét cseppfolyósodnak (kondenzációs hő). Az így felszabaduló hő újabb cseppfolyós szénhidrogén-molekulák elgőzölögtetésére lehet alkalmas. Ebben az energiacserében igen jelentős szerepet kap a deflegmáció és a rektifikáció elve.

A deflegmáció lényege, hogy a fölfelé haladó gőzelegy a berendezés hidegebb falán részben cseppfolyósodik, a visszafolyó elegy mindig a magasabb forráspontú komponensekben dúsabb, míg a továbbhaladó gőzök az alacsonyabb forráspontúakban dúsulnak. A hideg felületek növelésével az egyes frakciók szétválasztása élesebbé tehető. A rektifikáció még élesebb szétválasztást eredményez. Lényege, hogy a fölfelé haladó gőzök folyadékzáron kénytelenek átbuborékolni. A gőzökből a magasabb forráspontúak kondenzálódnak a folyadékba, a felszabaduló kondenzációs hő pedig a folyadékzárból elpárologtatja a könnyebben illó, alacsonyabb forráspontú részeket. A továbbhaladó gőzök feldúsulnak az alacsonyabb forráspontú komponensekben, míg a folyadékzár a magasabb forráspontú komponensekben.

Atmoszférikus desztilláció

A kőolajat a csőkemencében a desztillációs hőmérsékletig melegítik (350-380 fok). A kőolaj illékonyabb részei már jóval a véghőmérséklet elérése előtt felveszik a gőzfázisba jutáshoz szükséges hőenergiát,azonban nem juthatnak a desztillációs toronyba mindaddig, amíg az egész anyag el nem éri a kívánt hőmérsékletet és gőzhalmazállapotba nem kerül. Innen a gőz-folyadék elegy a torony alsó harmadában elhelyezkedő evaporációs berendezésbe kerül. Itt szétválik a folyadék és a gőzfázis. A folyadékfázis, a pakura a torony fenekére folyik, ahonnan hőcserélőkön keresztül a vákuumdesztillációs üzembe kerül. A gőzfázis- benzin, petróleum, gázolaj elegye felfelé haladva a toronyban elhelyezett hideg tányérokon kondenzálódik. Ezeken a tányérokon játszódik le a deflegmáció és a rektifikáció, emiatt ezeket deflegmációs tányéroknak hívják.

A tányérokon összegyűlt folyadék a torony oldalfalán megfelelő magasságban elhelyezett megcsapoló vezetékeken keresztül hőcserélőkön és hűtőkön keresztül gyűjtőtartályokba kerül. A torony tetejére csak a benzingőzök jutnak el. Innen a benzin még mindig gőz halmazállapotban a páravezetéken keresztül távozik, és a hűtőrendszerben cseppfolyósodva a refluxtartályba folyik. A torony legfelső tányérjára az alacsony hőmérséklet biztosítására a lecsapódott benzin egy részét visszavezetik. Ez a folyamat a reflux. A torony 10 m magas és kb. 1 m átmérőjű. A toronyban egymástól kb. 50 cm távolságra helyezkednek el a deflegmációs tányérok. Az atm.desztilláció fenéktermékét nem lehet atmoszférikus nyomáson desztillálni, mert a termék forráspontján hőbomlás, krakkolódás következne be. Mivel a forráspont alacsonyabb nyomáson csökken, a pakura desztillálását vákuumban végzik.

A pakura vákuumdesztillációja A pakurát csőkemencében 400 fokra hevítik, majd a vákuumtorony elgőzölögtető berendezésébe kerül. A toronyban egyáltalán le nem csapódott gőzöket, (többnyire vízgőz) a barometrikus kondenzátorba vezetik, ahol a gőz nagy felületen érintkezik hideg vízpermettel és kondenzálódik. Ezáltal térfogatcsökkenés és légritkulás következik be. Elsősorban ez biztosítja toronyban a vákuumot. A nem kondenzált gázokat az ún. vákuumszivattyú vezeti el. A vákuumdesztilláció berendezései megegyeznek az atmoszférikus desztilláció berendezéseivel, de a torony átmérője nagyobb. Kevesebb deflegmációs tányért alkalmaznak, mivel alacsonyabb nyomáson élesebb a szétválasztás. Emiatt a torony magassága is kisebb.A vákuumdesztilláció fejterméke a vákuumgázolaj, fenékterméke a nyersbitumen, másnéven gudron.

Vákuumdesztilláció

A lepárlási termékek átalakításának folyamatai Benzinreformálás Katalitikus krakkolás Hidrogén-fluoridos alkilálás

Miért van szükség átalakításra? A szabványokban meghatározott szigorú minőségi követelmények biztosításához Mert a hajtóanyagok a kőolajfeldolgozás kisebb hányadát alkotják és a közlekedés egyre több hajtóanyagot igényel Mert a termékek minőségét elsősorban szénhidrogén-összetételük határozza meg. A benzinhozam növelése miatt.

Benzinreformálás Célja: Az atmoszférikus desztilláció során előállított alapbenzin oktánszámának növelése,valamint aromás szénhidrogének előállítása Reformálás során katalizátor jelenlétében az alacsony oktánszámú normálláncú paraffinokból ciklizálódás, izomerizálódás, aromatizálódás útján magas oktánszámú cikloalkánok, izomer paraffinok illetve aromás szénhidrogének képződnek. Az aromástartalom visszaszorítása érdekében a keletkező reformált benzint hidrogénezik.

A reformálás során lejátszódó folyamatok Ciklizálódás:a normálláncú szénhidrogénekből gyűrűs telített szénhidrogének, vagyis cikloalkánok, másnéven naftének képződnek.

Izomerizáció: a normálláncú paraffinokból elágazó láncú (izomer) paraffinok képződnek

Aromatizálódás: a normálláncú paraffinokból aromás gyűrűk képződnek, a molekula hidrogént veszít.

Hidrogénezés: az aromás vegyületek hidrogén-felvétellel nafténekké, vagyis cikloalkánokká alakulnak, telítődnek.

A benzin minőségjavítása (benzinreformálás) 450-550 0C, katalizátor BTX-aromások Reformált benzin H2-gáz Ciklizálódás Izomerizáció Aromatizálódás Hidrogénezés

Katalitikus krakkolás Célja: Hajtóanyagok előállítása a pakura vákuumdesztillációja során nyert párlatokból. A katalitikus krakkolás lényege, hogy a vákuumgázolajból és a könnyű paraffinos olajból katalizátor jelenlétében, 400-500 fokon, kisebb szénatomszámú, elágazó láncú szénhidrogének keletkeznek, amelyek már alkalmasak motorhajtó anyagként való felhasználásra. A katalitikus krakkolás főterméke a főleg közepes szénatomszámú paraffinokat tartalmazó krakkbenzin,ami jó minőségű (95-98 oktánszámú) motorbenzin. A folyamat mellékterméke a kis szénatomszámú olefinekből álló krakkgáz,ami további nyersanyagot jelent a további motorbenzin előállításához.

A benzinhozam növelése I. (katalitikus krakkolás) Vákuumgázolaj Könnyű paraffinos olaj 400-500 0C Krakkbenzin Krakkgázolaj Krakkgázok katalizátor Krakkolódás Izomerizáció

Hidrogén-fluoridos alkilálás Célja: a benzinhozam további növelése, a katalitikus krakkolás melléktermékéből, a krakkgázból. Az eljárás lényege, hhogy a krakkgáz nagy mennyiségben tartalmaz izobutánt, butént és egyéb kis szénatomszámú olefint. Az olefinmolekulák erős sav jelenlétében (HF) protonálódnak, karbokationok képződnek belőlük. A karbokationok az olefinekkel és az izobutánnal is reakcióba léphetnek és ionos láncreakció jöhet létre, melynek során nagyobb szénatomszámú(C7-C10) izomer paraffinok képződnek, melyek már jó minőségű motorhajtó anyagok. *A proton pozitív töltésű atomi részecske. Ha egy szénhidrogén-molekula valamely szénatomjához proton kapcsolódik, akkor pozitív töltésű ion, ún. karbokation képződik.Ez a folyamat a protonálódás.

A reakció végtermékeként képződő alkilátbenzin oktánszáma 96-98, és a reakció igen kedvező hőmérsékleten (38 fok) játszódik le, ami az eljárás költségeit csökkenti.

A benzinhozam növelése II. (Hidrogén-fluoridos alkilálás) HF, 38 0C Krakkgázok (C4-frakció) Alkilátbenzin 6-10 szénatomszámú izomer szénhidrogének Bután Izobután Butén Izobutén

A kőolajfeldolgozás folyamatábrája

A motorhajtó benzinek oktánszáma A motorhajtó benzinek kompressziótűrését az oktánszámmal fejezik ki. Az oktánszám annak az izooktán-n-heptán keveréknek az izooktán tartalma térfogat %-ban, melynek kompressziótűrése megegyezik a vizsgált benzinével. Az izooktán kompressziótűrése jó, ezért oktánszámát 100-nak fogadják el. A n-heptán kompressziótűrése rossz, ezért oktánszámát 0-nak tekintik. Jó komressziótűrésű szénhidrogénnek számítanak az aromások, az izomer paraffinok és az olefinek. Közepesek a naftének, és igen rosszak a normálláncú paraffinok.