ビスブレーカー

ビスブレーカーは石油精製所の処理装置であり、その目的は原油の蒸留で生成される残留油の量を最小限に抑え、製油所によるより価値の高い中間留分 （暖房用燃料油とディーゼル）の収率を高めることです。ビスブレーカーは炉で加熱して油中の大きな炭化水素分子を熱分解し、粘度を下げて少量の軽質炭化水素（LPGと ガソリン）を生成します。^{[1] [2] [3] 「ビスブレーカー」というプロセス名は、プロセスが残留油の}粘度を下げる（つまり破壊する）という事実を指します。このプロセスは非触媒的です。

ビスブレーキングの目的は次のとおりです。

• 供給ストリームの粘度を下げる: 通常、これは原油の真空蒸留からの残留物ですが、ハイドロスキミング操作からの残留物、地中の浸出液からの天然ビチューメンまたはタールサンド、さらには特定の高粘度原油である場合もあります。
• 製油所で生産される残留燃料油の量を減らす: 残留燃料油は一般に価値の低い製品とみなされています。残留燃料油は、発電所で蒸気を生成するために必要な燃料などの従来の市場で、天然ガスなどのよりクリーンな燃焼の代替燃料 に置き換えられているため、その需要は減少し続けています。
• 製油所の生産量における中間留分の割合を増やす: 中間留分は残留油の希釈剤として使用され、粘度を市場可能なレベルまで下げます。ビスブレーカー内の残留ストリームの粘度を下げることで、より少ない希釈剤で燃料油を製造でき、節約した中間留分はより価値の高いディーゼル油や暖房用オイルの製造に転用できます。

コイル (または炉) ビスブレーキングという用語は、クラッキング プロセスが炉管 (または「コイル」) 内で発生するユニットに適用されます。炉から出た材料は、クラッキング反応を停止するために急冷されます。これは、炉に供給されるバージン材料との熱交換によって達成されることが多く、これはエネルギー効率の良いステップですが、冷たい油 (通常はガス オイル) の流れが同じ効果に使用されることもあります。ガス オイルは回収され、再利用されます。クラッキング反応の程度は、炉管を通るオイルの流速を調整することによって制御されます。急冷されたオイルは、次に分留装置に送られ、そこでクラッキングの生成物 (ガス、LPG、ガソリン、ガス オイル、タール) が分離され、回収されます。

ソーカービスブレーキングでは、分解反応の大部分は炉ではなく、炉の後にあるソーカーと呼ばれるドラムで起こります。ここで、油は所定の時間高温に保たれ、急冷される前に分解が起こります。その後、油は分留装置に送られます。ソーカービスブレーキングでは、コイルビスブレーキングよりも低い温度が使用されます。代わりに、比較的長い分解反応期間が使用されます。

ビスブレーカー タールは、真空精留装置に送ることでさらに精製できます。ここで追加の重質ガス オイルが回収され、製油所の接触分解、水素化分解、または熱分解ユニットに送られます。真空フラッシュ タール (ピッチと呼ばれることもあります) は、次に燃料油ブレンドに送られます。いくつかの製油所では、ビスブレーカー タールは遅延コーカーに送られ、アノード コークスやニードル コークスなどの特定の特殊コークスが生産されます。

収益の観点から見ると、2 つのアプローチのどちらを選ぶかはほとんど、あるいはまったくありません。ただし、特定の状況では、それぞれに大きな利点があります。

• 脱コークス化: 分解反応により、副産物として石油コークスが生成されます。コイル ビスブレーキングでは、これが炉のチューブに堆積し、最終的にはチューブの汚れや詰まりにつながります。ソーカー ビスブレーカーのドラムでも同じことが発生しますが、ソーカー ドラムで使用される温度が低いため、汚れの発生速度ははるかに遅くなります。したがって、コイル ビスブレーカーでは、頻繁な脱コークス化が必要です。これは非常に労働集約的ですが、ビスブレーキング操作を停止せずにチューブを順番に脱コークス化するルーチンに発展させることができます。ソーカー ドラムは、はるかに頻繁な注意を必要としませんが、使用を停止するには通常、操作を完全に停止する必要があります。どちらの作業がより混乱を招くかは、製油所によって異なります。
• 燃料経済性: ソーカー法では温度が低いため、これらのユニットは燃料をあまり使用しません。製油所がプロセス操作をサポートするために燃料を購入する場合、燃料消費の節約は非常に貴重です。このような場合、ソーカービスブレーキングが有利になる可能性があります。

ビスブレーカーに投入される原料の品質は、製油所で処理する原油の種類によって大きく異なります。以下は、アラビアン ライト (サウジアラビア産で、世界中で広く精製されている原油) の真空蒸留残渣の一般的な品質です。

この材料をビスブレーカーに通すと（繰り返しますが、2 つのビスブレーカーがまったく同じ条件下で作動することはない為、ビスブレーカーごとにかなりのばらつきがあります）、粘度は劇的に低下します。

さまざまな炭化水素製品の収率は、油がビスブレーカー炉で加熱される温度によって決まるクラッキング操作の「厳しさ」に依存します。スケールの下限では、炉を 425 °C に加熱すると、クラッキングは軽度にしか起こりませんが、500 °C での操作は非常に厳しさがあると考えられます。アラビアの軽質原油残留物を 450 °C でビスブレーカーすると、約 76% (重量比) のタール、15% の中間留分、6% のガソリン、3% のガスと LPG が生成されます。

ビスブレーカー操作の厳しさは、通常、安定した燃料油を作るために混合できるビスブレーカー タールを生成する必要性によって制限されます。

この場合の安定性とは、燃料油を保管する際に沈殿物を生成する傾向を意味します。これらの沈殿物は、燃料油を移動させるポンプのフィルターをすぐに詰まらせ、時間のかかるメンテナンスが必要になるため、望ましくありません。

ビスブレーカーに供給される真空残渣は、以下の成分から構成されていると考えられます。

• アスファルテン：コロイド状に油中に浮遊する大きな多環式分子
• 樹脂：多環式だが、アスファルテンよりも分子量が低い
• 芳香族炭化水素：ベンゼン、トルエン、キシレンの誘導体
• パラフィン系炭化水素：アルカン

ビスブレーキングは、硫黄含有量が比較的低く、密度が低く、粘度が高い脂肪族化合物を優先的に分解します。脂肪族化合物の除去の効果は、原料と製品の品質の変化に明確に表れます。ビスブレーキング装置での分解が激しすぎると、アスファルテン コロイドが準安定状態になります。その後、完成した燃料油を製造するために希釈剤を加えると、コロイドが分解し、アスファルテンがスラッジとして沈殿することがあります。パラフィン系希釈剤は芳香族系希釈剤よりも沈殿を起こしやすいことがわかっています。燃料油の安定性は、いくつかの独自のテスト (「P」値や SHF テストなど) を使用して評価されます。

粘度の異なる2つ以上の液体の粘度混合は、3つのステップで行われます。最初のステップは、次の式（Refutas式として知られています）を使用して、混合物の各成分の粘度混合指数（VBI）を計算することです。 ^{[2] [4]}

(1)   VBN = 14.534 × ln[ln( v + 0.8)] + 10.975

ここで、vは平方ミリメートル毎秒 (mm²/s) またはセンチストークス (cSt) 単位の粘度、ln は自然対数(log _e )です。ブレンドの各成分の粘度が同じ温度で得られることが重要です。

次のステップでは、次の式を使用してブレンドの VBN を計算します。

（２）   VBN_ブレンド＝[ wA ×VBNA _{] +} [ wB _× VBNB _{] +} ...+[ wX × _VBNX ]

ここで、w はブレンドの各成分の重量分率 (つまり、% ÷ 100) です。

式（2）を使用してブレンドの粘度ブレンド数を計算したら、最後のステップは式（1​​）の逆数を使用してブレンドの粘度を決定することです。

(3)   v = e ^{e (VBN - 10.975) ÷ 14.534} − 0.8

ここで、VBN はブレンドの粘度ブレンド数であり、e は超越数2.71828であり、オイラー数とも呼ばれます。

発電所の燃料など、市場性のある燃料油には、100 °C で 40 センチストークスの粘度が求められる場合があります。これは、前述のバージンまたはビスブレークド残渣と蒸留希釈剤 (「カッターストック」) を組み合わせて作成できます。このようなカッターストックの粘度は、通常、100 °C で 1.3センチストークスです。上記の式 (2) を単純な 2 成分混合物に変形すると、混合物に必要なカッターストックの割合は次の式で求められます。

(4)   %カッターストック = [VBN ₄₀ − VBN_残渣] ÷ [VBN_{カッターストック}− VBN_残渣]

上記の表に記載されているアラブライト原油残留物の粘度を使用し、式（1）に従ってVBNを計算すると、次のようになります。

バージン残渣（すなわち、ビスブレーカーへの未変換原料） の場合：混合物中の27.5％のカッターストック

ビスブレーキング残渣の場合: 混合物中のカッターストック 13.3%。

中間留分は市場で燃料油よりもはるかに高い価値を持っているため、ビスブレーカーを使用すると燃料油製造の経済性が大幅に向上することがわかります。たとえば、カッター ストックの価値が 1 トンあたり 300 ドル、燃料油の価値が 1 トンあたり 150 ドルとすると (石油価格は当然ながら急速に変化しますが、これらの価格、さらに重要なことに、価格間の差は非現実的ではありません)、この例のさまざまな残留物の価値は次のように簡単に計算できます。

バージン残留物: 1 トンあたり 93.1 ドル

ビスブロークン残留物: 1 トンあたり 127.0 ドル

• シェル熱変換
• 燃料油安定性試験