蒸気割れ

蒸気分解では、ナフサ、液化石油ガス（LPG）、エタンなどの気体または液体の炭化水素原料を非常に高温の蒸気と混合し、酸素のない状態で炉内で短時間加熱します。^{[ 3 ]}反応温度は850℃前後と非常に高く、 炭化水素は小さなオレフィンや水素などのより小さな分子に分解されます。反応は急速に進行し、滞留時間はミリ秒単位です。流量は音速に近づきます。分解温度に達した後、ガスは移送ラインの熱交換器または「クエンチングヘッダー」内でクエンチオイルを使用して急速に冷却され、炭素や水素への分解などのさらなる反応を防ぎます。^{[ 2 ]}

反応で生成される生成物は、原料の組成、炭化水素と水蒸気の比率、分解温度、炉内滞留時間によって異なります。エタン、LPG、軽質ナフサなどの軽質炭化水素原料からは、エチレン、プロピレン、ブタジエンなどの軽質アルケンが主に生成されます。重質炭化水素（全留分および重質ナフサ、その他の精製製品）原料からは、これらの生成物の一部に加え、芳香族炭化水素やガソリンまたは燃料油への配合に適した炭化水素が豊富に含まれている生成物も生成されます。

クラッキング温度（厳しさとも呼ばれる）が高いほど、エテンとベンゼンの生成が促進される一方、厳しさが低いほど、プロペン、C4炭化水素、および液体生成物の生成量が多くなります。このプロセスでは、反応器壁に炭素の一種であるコークスがゆっくりと堆積します。これにより反応器の効率が低下するため、反応条件はこれを最小限に抑えるように設計されています。しかしながら、蒸気分解炉は通常、脱コークスの間隔を空けて数ヶ月しか稼働できません。脱コークスには、炉をプロセスから隔離し、蒸気または蒸気/空気混合ガスを炉のコイルに通す必要があります。これにより、硬い固体炭素層が一酸化炭素と二酸化炭素に変換されます。この反応が完了すると、炉は再び稼働できます。

エチレン製造プラントの構成要素は以下のとおりです。

1. 蒸気分解炉：
2. 一次および二次熱回収と急冷。
3. 炉と焼入れシステムの間にある希釈蒸気リサイクルシステム。
4. 分解ガスの一次圧縮（3段階の圧縮）
5. 硫化水素および二酸化炭素の除去（酸性ガスの除去）
6. 二次圧迫（1段階または2段階）
7. 分解ガスの乾燥。
8. 極低温処理
9. 低温で分解されたガス流はすべて脱メタン塔に送られます。脱メタン塔からの塔頂流は、分解ガス流に含まれていた水素とメタンをすべて含んでいます。この塔頂流を極低温（ -157  ℃）で処理することにより、水素とメタンが分離されます。メタンの回収は、エチレンプラントの経済的な操業にとって非常に重要です。
10. 脱メタン塔の底部の流れは脱エタン塔に送られます。脱エタン塔の頂部の流れは、分解ガス流に含まれていたすべてのC2で構成されます。C2の流れにはアセチレンが含まれており、アセチレンは200 kPa (29 psi) を超えると爆発性があります。アセチレンの分圧がこれらの値を超えることが予想される場合、C2の流れは部分的に水素化されます。その後、C2はC2スプリッターに進みます。生成物であるエチレンは塔の頂部から取り出され、スプリッターの底部から来るエタンは炉にリサイクルされて再び分解されます。
11. 脱エタン塔の底部流は脱プロパン塔へ送られます。脱プロパン塔の頂部流は、分解ガス流に含まれていたすべてのC3化合物で構成されています。C3化合物をC3分離器に供給する前に、この流は水素化されてメチルアセチレンとプロパジエン（アレン）の混合物に変換されます。その後、この流はC3分離器に送られます。C3分離器の頂部流はプロピレン、底部流はプロパンであり、プロパンは分解のために炉に戻されるか、燃料として使用されます。
12. 脱プロパン塔の底部流は脱ブタン塔に送られます。脱ブタン塔の頂部流は、分解ガス流に含まれていたC4化合物すべてです。脱ブタン塔の底部流（軽質熱分解ガソリン）は、分解ガス流に含まれるC5以上の化合物すべてです。

エチレン製造はエネルギー集約型であるため、炉から排出されるガスから熱を回収することに多大な努力が注がれてきました。分解ガスから回収されたエネルギーの大部分は、高圧（1200 psig（8300 kPa））蒸気の生成に使用されます。この蒸気は、分解ガス圧縮用タービン、プロピレン冷凍コンプレッサー、およびエチレン冷凍コンプレッサーの駆動に使用されます。エチレンプラントは、一度稼働すれば、蒸気タービンを駆動するための蒸気を外部から輸入する必要はありません。世界規模の典型的なエチレンプラント（年間約15億ポンド（680 KTA）のエチレン生産量）では、45,000馬力（34,000  kW）の分解ガス圧縮機、30,000  hp（22,000  kW）のプロピレン圧縮機、および15,000  hp（11,000  kW）のエチレン圧縮機が使用されます。

蒸気分解プラントでは徹底的なエネルギー統合が行われているにもかかわらず、このプロセスでは膨大な量の二酸化炭素が発生します。エチレン1トンあたり、1 ～ 1.6トンの二酸化炭素（原料によって異なります）が生成されます。^{[ 4 ]}その結果、年間3億トンを超える二酸化炭素が大気中に放出され、その70 ～ 90%は化石燃料の燃焼に直接起因しています。過去数十年間、蒸気分解技術のエネルギー効率を高めるために、いくつかの進歩が実施されてきました。これらの変化には、酸素燃焼、新しいバーナー技術、3Dリアクター形状の使用が含まれます。^{[ 4 ]}しかし、成熟した技術ではよくあることですが、これらの変化はエネルギー効率のわずかな向上にしかつながりませんでした。蒸気分解の温室効果ガス排出量を大幅に抑制するには、電化が解決策となります。再生可能電力は、抵抗加熱や誘導加熱などによって直接熱に変換できます。^{[ 4 ]}その結果、複数の石油化学企業が協力し、ナフサやガス蒸気分解装置を化石燃料の燃焼ではなく再生可能電力で運転する方法を調査するための研究開発努力を統合する複数の共同協定が策定された。^{[ 5 ] [ 6 ]}