Bir petrol rafinerisi nasıl çalışır

• Petrol rafinerileri, binlerce kimyasalın karışımı olan ham petrolü damıtma, parçalama, reforming ve arıtma süreçlerine ayırarak benzin, dizel, jet yakıtı ve madeni yağ gibi ürünlere dönüştürür
• Temel ilk adım olan atmosferik damıtma, moleküllerin farklı kaynama noktalarından yararlanarak ham petrolü çeşitli fraksiyonlara ayırır; rafineriye giren ham petrol, tuzu giderildikten sonra yaklaşık 650~750°F'ye kadar ısıtılır
• Ağır fraksiyonlar katalitik cracking, vakum damıtma, termal cracking ve coking gibi süreçlerden geçerek daha hafif ve daha değerli moleküllere dönüştürülür; katalitik reforming, izomerizasyon ve hidroişleme ile yapı ve kalite de ayarlanır
• Chevron Richmond Rafinerisi, günde yaklaşık 250 bin varil işleyebilir ve atmosferik damıtma, vakum damıtma, katalitik cracking ve katalitik reforming ünitelerini birleştirerek çeşitli petrol ürünleri üretir
• Bir rafinerinin kapasitesi yalnızca günlük işleme miktarıyla tam olarak anlaşılmaz; Nelson Complexity Index, her sürecin işleme kapasitesi ve karmaşıklık katsayısını kullanarak rafinerinin ne kadar çeşitli ve ileri düzey rafine ürünler üretebildiğini gösterir

---

Petrol ve rafinajın temel yapısı

• Dünya günde 100 milyon varilden fazla petrol tüketiyor ve 2023 itibarıyla petrol, küresel enerji kullanımının 30%'unu oluşturarak tekil enerji kaynakları arasında en büyük paya sahip
• Kimyasal üretimde petrol ve gazın payı daha da büyüktür; kimyasal hammaddelerin 90%'ı petrolden ya da gazdan türetilir
• Ham petrol, yer altından çıktığında binlerce kimyasalın karıştığı karmaşık bir karışımdır; rafineriler bu karışımı fiilen kullanılabilir kimyasallara ve ürünlere dönüştürür
• Büyük rafineriler binlerce acre'lık alan kaplar, inşaat maliyetleri milyarlarca dolara ulaşır ve günde yüz binlerce varil ham petrol işler
• Ham petrol, çoğunlukla antik deniz tabanına çöken plankton ve alg gibi organik maddelerin tortularla örtülüp milyonlarca yıl boyunca dönüşmesiyle oluşan bir sıvıdır
• Ham petrol bileşenlerinin çoğu hidrokarbondur; propan gibi basit moleküllerden asfalten gibi binlerce atom içerebilen karmaşık moleküllere kadar uzanır
• Asfaltenler teknik olarak tam anlamıyla hidrokarbon değildir; çoğunlukla karbon ve hidrojenden oluşurlar ama kükürt ya da ağır metaller gibi başka atomlar da içerebilirler
• Ham petrolün bileşimi çıktığı yere göre değişir; Kanada petrol kumları gibi yerlerdeki ağır petrol daha fazla ağır molekül içerirken, Suudi Arabistan'daki Ghawar sahası gibi yerlerden çıkan hafif petrol daha fazla hafif molekül içerir
• Kuzey Denizi Brent sahasından çıkan petrol gibi düşük kükürtlü petrol, düşük kükürt içeriğine sahipken; Meksika Körfezi'ndeki bazı ham petroller gibi yüksek kükürtlü petrol daha yüksek kükürt içeriğine sahiptir

Ham petrolün damıtmayla ayrılması

• Rafinerinin en önemli süreci damıtmadır; ham petrol içindeki farklı moleküllerin farklı sıcaklıklarda kaynayıp yeniden sıvı hâlde yoğunlaşması özelliğinden yararlanır
• Küçük ve hafif moleküller daha düşük sıcaklıklarda kaynar ve yoğunlaşır; büyük ve ağır moleküller ise daha yüksek sıcaklıklarda kaynar ve yoğunlaşır
• Ham petrolün kaynama noktası aralığı bir damıtma eğrisiyle gösterilebilir; örnek bir eğride ham petrolün yaklaşık yarısı 350°C civarında kaynarken, yaklaşık 80%'i 525°C'de kaynar
• Benzin, tek bir kimyasal değil; çoğunlukla 4 ila 12 karbon atomuna sahip hidrokarbonların karışımıdır
• EIA, bitmiş benzini, 10% geri kazanım noktasında 122~158°F ve 90% geri kazanım noktasında 365~374°F kaynama aralığına sahip bir madde olarak tanımlar
• Geri kazanım noktası, sıvının ilgili oranı buharlaştıktan sonra toplanan sıcaklığı ifade eder
• Rafineriye giren ham petrol önce tuzdan arındırılır, ardından yaklaşık 650~750°F'ye kadar ısıtılarak büyük kısmı buhara dönüştürülür
• Buhar, farklı yüksekliklerde sıvı içeren tray'lerin bulunduğu uzun bir damıtma kolonuna girer ve yukarı doğru yükselirken her tray'deki sıvının içinden geçerek yavaş yavaş soğur
• En ağır moleküller damıtma kolonunun alt kısımlarında önce yoğunlaşır, daha hafif moleküller üst kısımlarda daha sonra yoğunlaşır ve en hafif moleküller sonuna kadar gaz olarak kalıp kolonun tepesinden çıkar
• En ağır moleküller ise baştan itibaren sıvı hâlde kalıp damıtma kolonunun dibinden çıkar; bu yöntemle farklı ağırlıktaki moleküller ayrılabilir
• Neredeyse tüm rafineriler önce ham petrolü damıtma kolonunda çeşitli fraksiyonlara ayırır; bu ilk adım atmosfer basıncında gerçekleştiği için atmosferik damıtma olarak adlandırılır

Başlıca rafinaj süreçleri

• Gaz tesisi

  • Atmosferik damıtma kolonunun tepesinden çıkan gaz; propan, metan, bütan, izobütan ve diğer hafif moleküllerin karışımıdır
  • Rafineriler bu karışımı ayırmak için birden fazla damıtma kolonundan oluşan bir gaz tesisine gönderebilir
  • Örneğin debutanizing tower, bütanı, propanı ve daha hafif gazları karışımın geri kalanından ayırır; depropanizing tower ise propanı bütandan ayırır
  • Gaz tesisine gönderilen gazların çoğunda çift bağ yoktur; çift bağı olmayan hidrokarbonlar maksimum hidrojen atomu içerdiği için doymuş hidrokarbon sayılır ve bu yüzden bu tür tesislere sats gas plant denir

• Katalitik cracking

  • Damıtma kolonunun dibinden ağır sıvılar çıkar ve damıtma sırasında hiç buharlaşmamış en ağır moleküller residuum olarak adlandırılır
  • Ağır moleküllerin önemli bir bölümü kendi başına çok değerli değildir; bu yüzden rafinerinin temel işlevlerinden biri, fuel oil gibi ağır fraksiyonları benzin gibi daha hafif ve daha değerli fraksiyonlara ayıran cracking işlemidir
  • Cracking, otomobil kullanımının artmasıyla yükselen benzin talebini karşılamak ve bir varil ham petrolden daha fazla benzin elde etmek için 20. yüzyılın başlarında geliştirildi
  • Günümüzde rafinerilerin çoğu katalitik cracking kullanır; atmosferik damıtmadan çıkan ağır fraksiyonlar katalizörle karıştırılır, ısı ve basınç uygulanarak ağır moleküller daha hafif moleküllere bölünür
  • Ardından siklon ayırıcılarla ağır katalizör karışımdan ayrılır, temizlenip yeniden kullanılır; cracking sonucu buharlaşabilir hâle gelen yağ ise yeniden damıtma kolonuna gönderilerek farklı fraksiyonlara ayrılır
  • Katalitik cracking'in büyük kısmı fluid catalytic cracking türündedir; burada ağır fraksiyonla karıştığında akışkan gibi davranan kum benzeri bir katalizör kullanılır
  • Şirketler farklı fluid catalytic cracking süreçleri geliştirmiştir ve tek bir rafineride sürecin farklı noktalarında birden fazla cracking ünitesi bulunabilir

• Vakum damıtma

  • Yüksek ısıda damıtma kolonu içinde de cracking tepkimeleri başlayabilir; ancak cracking damıtma sürecini bozduğu için rafineriler atmosferik damıtma sıcaklığını yaklaşık 650~750°F ile sınırlar
  • Bu sınırlama nedeniyle damıtma kolonunun dibinde kaynamamış ağır hidrokarbon karışımları kalır
  • Bu karışımı daha fazla ayırmak için sıcaklığı artırmak gerekir; ancak bu durumda cracking başlayabileceğinden atmosferik damıtma ile işlemek zorlaşır
  • Çözüm, karışımı neredeyse vakuma yakın düşük basınçlı ayrı bir damıtma kolonuna gönderen vakum damıtma ya da vacuum flashing işlemidir
  • Düşük basınçta kaynama noktası da düştüğü için ağır fraksiyonlar, cracking başlayacak kadar ısıtılmadan damıtılabilir

• Termal cracking ve coking

  • Vakum damıtmadan çıkan bazı ağır fraksiyonlar, daha hafif moleküllere ayrılmak üzere doğrudan katalitik cracking ünitesine gönderilebilir
  • Vakum damıtma kolonunun dibinden çıkan en ağır moleküller, katalizörü kirleten ağır metaller içerebilir veya katalizörü tıkayan kok oluşturmaya yatkın olabilir; bu yüzden katalitik cracking için uygun değildir
  • Bazı rafineriler bu çok ağır molekülleri parçalamak için, ısı kullanarak molekülleri bölen termal cracking sürecini kullanır
  • Coker, en ağır molekülleri daha hafif moleküllerle koka ayıran bir termal cracking ünitesidir
  • Hafif moleküller ayrıştırılmak üzere damıtma kolonuna gönderilir; kok ise yakıt olarak yakılabilir ya da alüminyum ergitmede kullanılan elektrotlar gibi üretim girdilerinde kullanılabilir
  • Visbreaking, bazı molekülleri parçalayıp geriye kalan fraksiyonun viskozitesini düşüren bir termal cracking yöntemidir

• Moleküler yapıyı değiştiren süreçler

  • Katalitik reforming, kaynama aralığı yaklaşık 122°F~400°F olan nafta fraksiyonunu katalizör varlığında ısı ve basınca maruz bırakarak, benzin üretiminde kullanılan reformate adlı yeni bir kimyasal karışım oluşturur
  • İzomerizasyon, bütan gibi moleküllerin fiziksel dizilişini değiştirerek, aynı kimyasal formüle sahip ama yapısı farklı izomerler üretir
  • Hidroişleme, ham petrol fraksiyonlarını katalizör varlığında hidrojenle tepkimeye sokarak safsızlıkları giderir ve kaliteyi artırır
  • Hidrocracking, hidroişlemeyle katalitik cracking'i birleştirir; residuum hydroconversion ise hidroişlemeyle termal cracking'i birleştirir

• Depolama tesisleri

  • Rafineriler, farklı süreçlerin giriş ve çıkışlarını depolamak için milyonlarca galon sıvı depolayabilen tank farm alanlarına sahiptir
  • Propan ve bütan gibi gazlar genellikle yer üstü tanklarda, yer altı boşluklarında veya tuz kubbelerinde sıkıştırılmış sıvı olarak depolanır

Chevron Richmond Rafinerisi'nin süreç düzeni

• Chevron Richmond Rafinerisi, California'nın Richmond kentinde bulunan orta-büyük ölçekli bir rafineridir ve günde yaklaşık 250 bin varil ham petrol işleyebilir
• Arazinin güney yarısını tank farm alanı kaplar; işleme bölgesi ise kuzey ve doğu tarafını çevreleyecek şekilde yerleşmiştir
• Chevron Richmond, yaklaşık 257 bin varil atmosferik damıtma, yaklaşık 123 bin varil vakum damıtma, yaklaşık 90 bin varil katalitik cracking ve yaklaşık 71 bin varil katalitik reforming kapasitesine sahiptir
• Chevron Richmond'da coking kapasitesi yoktur; ancak Los Angeles'taki Chevron El Segundo Rafinerisi'nde coking ünitesi bulunur
• Chevron'ın geçmişte bu rafineriyi büyük ölçüde yenilerken California çevresel kalite düzenlemelerine uyum için sunduğu ayrıntılı çevresel etki raporu, süreç akış şemasını da içerir
• Rafinaj süreci atmosferik damıtmayla başlar, ancak bazı heavy gas oil akışları damıtma sürecini atlayarak doğrudan işlenir
• Atmosferik damıtmayla ayrılan fraksiyonlar diğer süreçlere gönderilir; hafif gazlar gaz tesisine, nafta ise hidroişleme, katalitik reforming ve izomerizasyona gider
• Jet yakıtı ve dizel yakıtı kendi hidroişleme süreçlerine gönderilir; daha ağır fraksiyonlar ise çeşitli katalitik cracking süreçlerine aktarılır
• Nihai çıktılar arasında fuel oil, dizel, jet yakıtı, madeni yağ ve benzin gibi çeşitli ham petrol ürünleri bulunur

Rafinaj kapasitesi ve karmaşıklık

• ABD'de işletilebilir durumda 132 rafineri vardır ve bunlar toplamda günde 18 milyon varilden fazla ham petrol rafine edebilir
• ABD rafinerileri büyük ölçüde Texas ve Louisiana'nın Körfez Kıyısı'nda yoğunlaşmıştır; ayrıca New Jersey, Ortabatı ve California'da da kümelenmeler bulunur
• Chevron Richmond, ABD içinde büyük sayılabilecek bir tesis olsa da en büyüklerden biri değildir; ABD rafinerilerinin yaklaşık beşte biri Chevron Richmond ile benzer büyüklükte ya da daha büyüktür
• ABD'de günde 500 bin varilden fazla rafinaj yapabilen, yani Chevron Richmond'un iki katından büyük ölçekte 6 rafineri bulunur
• Hindistan'daki Jamnagar Rafinerisi, ham işleme kapasitesine göre dünyanın en büyük rafinerisidir ve günde 1,4 milyon varil ham petrol rafine edebilir
• Günlük işlenen varil sayısı özünde atmosferik damıtma kapasitesini ifade eder; dolayısıyla bir rafinerinin gerçekte hangi ürünleri üretebildiği yalnızca bu sayıdan tam olarak anlaşılamaz
• Basit rafineriler yalnızca atmosferik damıtma ünitesine sahip olabilirken, karmaşık rafineriler daha çeşitli ve ileri düzey rafine ürünler üretmek için uzun süreç zincirleri barındırır
• Nelson Complexity Index, rafinerideki her sürecin işleme kapasitesini o sürecin atmosferik damıtmaya kıyasla maliyetini gösteren karmaşıklık katsayısıyla çarpar, ardından bunu atmosferik damıtma kapasitesine bölerek karmaşıklığı hesaplar
• Örneğin 100 bin varil atmosferik damıtma ve 50 bin varil vakum damıtma kapasitesine sahip bir rafineride, vakum damıtmanın karmaşıklık katsayısı 2 ise endeks 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2 olur
• Buna karmaşıklık katsayısı 6 olan 25 bin varillik katalitik cracking eklendiğinde endeks 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5 seviyesine çıkar
• ABD rafinerileri genel olarak karmaşıktır; 2014 itibarıyla karmaşıklık endeksi 2'nin altında olan rafinerilerin oranı 3%'ten azdı ve ortalama karmaşıklık endeksi 8.7 idi
• 2014'te Chevron Richmond'un karmaşıklık endeksi 14 idi; bu, ABD ortalamasının üzerindeydi
• Jamnagar Rafinerisi yalnızca dünyanın en büyüğü değil, aynı zamanda 21 karmaşıklık endeksiyle fiilen ABD'deki rafinerilerin neredeyse tamamından daha karmaşık bir seviyededir

Ölçeğin yarattığı endüstriyel anlam

• Rafinaj süreçlerinin yerleşimi çok karmaşık olabilir, ancak birçok tekil süreç kavramsal olarak şaşırtıcı derecede basittir
• Rafinajın pahalı olmasının nedeni yalnızca süreçlerin karmaşıklığı değil, işlenmesi gereken malzemenin hacminin son derece büyük olmasıdır
• Chevron Richmond Rafinerisi küçük bir şehir büyüklüğündedir ve bir Very Large Crude Carrier'ın taşıdığı ham petrolün tamamını biraz aşkın bir haftada işleyebilir
• Chevron Richmond özellikle dev bir rafineri değildir; ABD'de onunla aynı büyüklükte ya da daha büyük 25 rafineri ve iki katından büyük 6 rafineri vardır
• Küresel petrol talebini karşılayabilmek için Richmond büyüklüğünde yaklaşık 400 rafineri gerekir
• ABD her gün 20 milyon varilden fazla petrol tüketir ve bu tüketimi mümkün kılmak için dev rafineri komplekslerine ihtiyaç duyar