ऑयल रिफाइनरी कैसे काम करती है

• रिफाइनरी हज़ारों रसायनों के मिश्रण वाले crude oil को distillation, cracking, reforming और treatment प्रक्रियाओं में बाँटकर gasoline, diesel, jet fuel और lubricants जैसे उत्पादों में बदलती है
• पहली और सबसे अहम प्रक्रिया atmospheric distillation है, जो इस गुण का उपयोग करती है कि अलग-अलग molecules के boiling points अलग होते हैं; रिफाइनरी में आए crude oil से पहले नमक हटाया जाता है और फिर उसे लगभग 650~750°F तक गर्म किया जाता है
• भारी fractions को catalytic cracking, vacuum distillation, thermal cracking और coking जैसी प्रक्रियाओं से अधिक हल्के और अधिक मूल्यवान molecules में बदला जाता है, और catalytic reforming, isomerization तथा hydrotreating से उनकी संरचना और गुणवत्ता भी समायोजित की जाती है
• Chevron Richmond रिफाइनरी प्रतिदिन लगभग 2.5 लाख बैरल प्रोसेस कर सकती है और atmospheric distillation, vacuum distillation, catalytic cracking तथा catalytic reforming इकाइयों के संयोजन से कई petroleum products बनाती है
• किसी रिफाइनरी की क्षमता केवल उसके daily throughput से पूरी तरह नहीं समझी जा सकती; Nelson Complexity Index अलग-अलग प्रक्रियाओं की processing capacity और complexity factors के आधार पर दिखाता है कि रिफाइनरी कितने विविध और उन्नत refined products बना सकती है

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पेट्रोलियम और refining की बुनियादी संरचना

• दुनिया हर दिन 10 करोड़ बैरल से अधिक तेल की खपत करती है, और 2023 के अनुसार तेल वैश्विक ऊर्जा उपयोग का 30% हिस्सा था, जो इसे एकल ऊर्जा स्रोतों में सबसे बड़ा बनाता है
• chemical manufacturing में तेल और गैस की हिस्सेदारी और भी अधिक है; रासायनिक feedstocks का 90% तेल या गैस से आता है
• crude oil ज़मीन से निकलते समय हज़ारों रसायनों का एक जटिल मिश्रण होता है, और रिफाइनरी इस मिश्रण को वास्तव में उपयोगी रसायनों और उत्पादों में बदलती है
• बड़ी रिफाइनरियाँ हज़ारों एकड़ में फैली हो सकती हैं, उनकी निर्माण लागत अरबों डॉलर तक पहुँच सकती है, और वे प्रतिदिन लाखों बैरल crude oil प्रोसेस करती हैं
• crude oil मुख्य रूप से ऐसे तरल के रूप में बनता है जो प्राचीन समुद्री तल में जमा plankton और algae जैसे जैविक पदार्थों के तलछट के नीचे दबने के बाद लाखों वर्षों में बदलता है
• crude oil का अधिकांश हिस्सा hydrocarbons से बना होता है, जिनमें propane जैसे सरल molecules से लेकर asphaltene जैसे जटिल molecules तक शामिल हैं, जिनमें हज़ारों atoms हो सकते हैं
• asphaltenes सख्ती से देखें तो hydrocarbons नहीं हैं; इनमें अधिकांश carbon और hydrogen होता है, लेकिन sulfur या heavy metals जैसे अन्य atoms भी हो सकते हैं
• crude oil की संरचना उसके स्रोत के अनुसार अलग होती है; Canada oil sands जैसी जगहों का heavy oil अधिक भारी molecules वाला होता है, जबकि Saudi Arabia के Ghawar field जैसे स्रोतों का light oil अधिक हल्के molecules वाला होता है
• North Sea के Brent field का crude जैसे sweet crude में sulfur कम होता है, जबकि Gulf of Mexico के कुछ crude जैसे sour crude में sulfur अधिक होता है

distillation से crude oil को अलग करने का तरीका

• रिफाइनरी की सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया distillation है, जो crude oil के विभिन्न molecules के अलग-अलग तापमान पर उबलने और फिर तरल के रूप में condense होने के गुण का उपयोग करती है
• छोटे और हल्के molecules कम तापमान पर उबलते और condense होते हैं, जबकि बड़े और भारी molecules अधिक तापमान पर उबलते और condense होते हैं
• crude oil के boiling point range को distillation curve से दिखाया जा सकता है; उदाहरण के तौर पर एक curve में लगभग 350°C पर crude oil का आधा हिस्सा उबल चुका होता है और 525°C पर लगभग 80% उबल जाता है
• gasoline कोई एकल रसायन नहीं है, बल्कि मुख्यतः 4 से 12 carbon atoms वाले hydrocarbons का मिश्रण है
• EIA finished gasoline को ऐसे पदार्थ के रूप में परिभाषित करता है जिसका boiling range 10% recovery point पर 122~158°F और 90% recovery point पर 365~374°F होता है
• recovery point वह तापमान है जिस पर तरल का संबंधित अनुपात vaporize होकर collect किया जाता है
• रिफाइनरी में आया crude oil पहले desalting से गुज़रता है और फिर लगभग 650~750°F तक गर्म किया जाता है, जिससे उसका अधिकांश हिस्सा vapor में बदल जाता है
• यह vapor एक ऊँचे distillation column में प्रवेश करता है, जिसमें अलग-अलग ऊँचाइयों पर trays में liquid मौजूद होता है; ऊपर उठते समय vapor इन trays के liquid से होकर धीरे-धीरे ठंडा होता जाता है
• सबसे भारी molecules column के निचले हिस्से में पहले condense होते हैं, हल्के molecules ऊपर की ओर बाद में condense होते हैं, और सबसे हल्के molecules गैस बने रहकर column के शीर्ष से बाहर निकल जाते हैं
• सबसे भारी molecules शुरू से ही liquid बने रहते हैं और column के bottom से बाहर निकलते हैं; इस तरह अलग-अलग भार वाले molecules को अलग किया जा सकता है
• लगभग सभी रिफाइनरियाँ सबसे पहले crude oil को distillation column में कई fractions में बाँटती हैं, और चूँकि यह पहला चरण atmospheric pressure पर होता है, इसे atmospheric distillation कहा जाता है

प्रमुख refining प्रक्रियाएँ

• gas plant

  • atmospheric distillation column के शीर्ष से निकलने वाली गैस propane, methane, butane, isobutane और अन्य हल्के molecules का मिश्रण होती है
  • रिफाइनरी इस मिश्रण को अलग करने के लिए इसे कई distillation columns वाले gas plant में भेज सकती है
  • उदाहरण के लिए, debutanizing tower butane, propane और उससे भी हल्की गैसों को बाकी मिश्रण से अलग करता है, जबकि depropanizing tower propane को butane से अलग करता है
  • gas plant में भेजी जाने वाली अधिकांश गैसों में double bonds नहीं होते; double bond रहित hydrocarbons hydrogen atoms की अधिकतम मात्रा वाले saturated hydrocarbons होते हैं, इसलिए ऐसी इकाइयों को sats gas plant कहा जाता है

• catalytic cracking

  • distillation column के bottom से भारी liquid निकलता है, और distillation के दौरान कभी vaporize न होने वाले सबसे भारी molecules को residuum कहा जाता है
  • कई भारी molecules अपने आप में बहुत मूल्यवान नहीं होते, इसलिए रिफाइनरी का एक अहम काम heavy fuel oil जैसे भारी fractions को gasoline जैसे अधिक हल्के और अधिक मूल्यवान fractions में तोड़ना, यानी cracking, है
  • cracking 20वीं सदी की शुरुआत में इसलिए विकसित की गई ताकि automobiles के बढ़ते उपयोग से बनी gasoline demand को पूरा करने के लिए crude oil के प्रति बैरल से अधिक gasoline निकाली जा सके
  • आज अधिकांश रिफाइनरियाँ catalytic cracking का उपयोग करती हैं, जिसमें atmospheric distillation से निकले भारी fractions को catalyst के साथ मिलाकर heat और pressure के जरिए भारी molecules को हल्के molecules में तोड़ा जाता है
  • इसके बाद cyclone separators भारी catalyst को मिश्रण से अलग करते हैं ताकि उसे साफ करके दोबारा इस्तेमाल किया जा सके, और cracking के बाद vaporize होने योग्य तेल को फिर distillation column में भेजकर अलग-अलग fractions में बाँटा जाता है
  • अधिकांश catalytic cracking fluid catalytic cracking होती है, जिसमें रेत जैसी catalyst का उपयोग होता है जो भारी fractions के साथ मिलने पर fluid की तरह व्यवहार करती है
  • अलग-अलग कंपनियों ने fluid catalytic cracking की अलग प्रक्रियाएँ विकसित की हैं, और एक ही रिफाइनरी प्रक्रिया के कई बिंदुओं पर कई crackers इस्तेमाल कर सकती है

• vacuum distillation

  • बहुत अधिक तापमान पर distillation column के भीतर भी cracking reactions शुरू हो सकती हैं, लेकिन cracking distillation प्रक्रिया में बाधा डालती है, इसलिए रिफाइनरियाँ atmospheric distillation का तापमान लगभग 650~750°F तक सीमित रखती हैं
  • इस सीमा के कारण column के bottom में बिना उबले भारी hydrocarbons का मिश्रण बच जाता है
  • इस मिश्रण को और अलग करने के लिए तापमान बढ़ाना पड़ेगा, लेकिन तब cracking शुरू हो सकती है, इसलिए atmospheric distillation से इसे संभालना कठिन हो जाता है
  • इसका समाधान है इस मिश्रण को बहुत कम pressure, लगभग vacuum, वाले अलग distillation column में भेजना; इसे vacuum distillation या vacuum flashing कहा जाता है
  • कम pressure पर boiling point भी घट जाता है, इसलिए भारी fractions को cracking शुरू होने लायक तापमान तक गर्म किए बिना distill किया जा सकता है

• thermal cracking और coking

  • vacuum distillation से निकले कुछ भारी fractions को सीधे catalytic cracking unit में भेजकर हल्के molecules में बदला जा सकता है
  • vacuum distillation column के bottom से निकले सबसे भारी molecules में ऐसे heavy metals हो सकते हैं जो catalyst को दूषित करते हैं, या वे ऐसा coke बना सकते हैं जो catalyst को जाम कर देता है, इसलिए वे catalytic cracking के लिए उपयुक्त नहीं होते
  • ऐसे बहुत भारी molecules को तोड़ने के लिए कुछ रिफाइनरियाँ thermal cracking का उपयोग करती हैं, जिसमें heat से molecules तोड़े जाते हैं
  • coker एक thermal cracking unit है जो सबसे भारी molecules को हल्के molecules और coke में तोड़ती है
  • हल्के molecules को distillation column में अलग करने के लिए भेजा जाता है, और coke को ईंधन की तरह जलाया जा सकता है या aluminum smelting electrodes जैसे manufacturing inputs में इस्तेमाल किया जा सकता है
  • visbreaking thermal cracking की एक विधि है जो कुछ molecules को तोड़ती है और बची हुई fraction की viscosity कम करती है

• molecular structure बदलने वाली प्रक्रियाएँ

  • catalytic reforming में लगभग 122°F~400°F boiling range वाले naphtha fraction को catalyst की मौजूदगी में heat और pressure के संपर्क में लाकर reformate नाम का नया chemical mixture बनाया जाता है, जिसका उपयोग gasoline बनाने में होता है
  • isomerization butane जैसे molecules की भौतिक व्यवस्था बदलती है और ऐसे isomers बनाती है जिनका chemical formula समान लेकिन structure अलग होता है
  • hydrotreating में catalyst की मौजूदगी में crude fractions को hydrogen के साथ react कराकर impurities हटाई जाती हैं और गुणवत्ता बढ़ाई जाती है
  • hydrocracking hydrotreating और catalytic cracking को जोड़ती है, जबकि residuum hydroconversion hydrotreating और thermal cracking को जोड़ती है

• storage facilities

  • रिफाइनरियों में विभिन्न प्रक्रियाओं के inputs और outputs को रखने के लिए tank farms होते हैं, जिनमें लाखों gallons तरल संग्रहित किया जा सकता है
  • propane और butane जैसी गैसों को आम तौर पर above-ground tanks, underground caverns और salt domes में compressed liquid के रूप में संग्रहित किया जाता है

Chevron Richmond रिफाइनरी की process layout

• Chevron Richmond रिफाइनरी California के Richmond में स्थित मध्यम से बड़े आकार की रिफाइनरी है, जो प्रतिदिन लगभग 2.5 लाख बैरल crude oil प्रोसेस कर सकती है
• परिसर के दक्षिणी आधे हिस्से में tank farms हैं, जबकि processing area उत्तर और पूर्व की ओर फैला है
• Chevron Richmond के पास लगभग 2 लाख 57 हज़ार बैरल atmospheric distillation, लगभग 1 लाख 23 हज़ार बैरल vacuum distillation, लगभग 90 हज़ार बैरल catalytic cracking, और लगभग 71 हज़ार बैरल catalytic reforming capacity है
• Chevron Richmond में coking capacity नहीं है, लेकिन Los Angeles की Chevron El Segundo रिफाइनरी में coking facilities हैं
• जब Chevron ने अतीत में इस रिफाइनरी का बड़ा modification किया था, तब California environmental quality नियमों के अनुपालन के लिए जमा की गई विस्तृत environmental impact report में process flow diagrams शामिल थे
• refining प्रक्रिया atmospheric distillation से शुरू होती है, लेकिन कुछ heavy gas oil distillation प्रक्रिया को bypass करके भी प्रोसेस किया जाता है
• atmospheric distillation से अलग किए गए fractions को अन्य प्रक्रियाओं में भेजा जाता है; light gases gas plant में जाती हैं, और naphtha hydrotreating, catalytic reforming और isomerization की ओर जाती है
• jet fuel और diesel fuel को उनके-अपने hydrotreating processes में भेजा जाता है, और उससे भारी fractions को कई catalytic cracking processes में भेजा जाता है
• अंतिम outputs में heavy fuel oil, diesel, jet fuel, lubricants और gasoline जैसे कई crude-derived products शामिल हैं

refining capacity और complexity

• अमेरिका में 132 operable रिफाइनरियाँ हैं, और वे मिलकर प्रतिदिन 1.8 करोड़ बैरल से अधिक crude oil refine कर सकती हैं
• अमेरिकी रिफाइनरियाँ Texas और Louisiana के Gulf Coast पर बहुत अधिक केंद्रित हैं, और New Jersey, Midwest तथा California में भी इनके clusters हैं
• Chevron Richmond अमेरिका की बड़ी रिफाइनरियों में से है, लेकिन सबसे बड़ी नहीं; अमेरिका की लगभग पाँचवें हिस्से की रिफाइनरियाँ Chevron Richmond जितनी बड़ी या उससे बड़ी हैं
• अमेरिका में 6 ऐसी रिफाइनरियाँ हैं जो प्रतिदिन 5 लाख बैरल से अधिक refine कर सकती हैं, यानी Chevron Richmond से दोगुने से भी अधिक पैमाने की
• भारत की Jamnagar रिफाइनरी crude processing capacity के आधार पर दुनिया की सबसे बड़ी रिफाइनरी है, जो प्रतिदिन 14 लाख बैरल crude oil refine कर सकती है
• प्रतिदिन प्रोसेस किए जाने वाले बैरल की संख्या मूल रूप से atmospheric distillation capacity को दर्शाती है, इसलिए केवल इस आँकड़े से यह पूरी तरह नहीं समझा जा सकता कि रिफाइनरी वास्तव में कौन-कौन से उत्पाद बना सकती है
• साधारण रिफाइनरियों में केवल atmospheric distillation हो सकती है, जबकि जटिल रिफाइनरियाँ कई उन्नत refined products बनाने के लिए लंबी process chains रखती हैं
• Nelson Complexity Index किसी रिफाइनरी की प्रत्येक प्रक्रिया की processing capacity को उस प्रक्रिया के cost-based complexity factor से गुणा करता है, उसे atmospheric distillation की तुलना में मापता है, और फिर atmospheric distillation capacity से भाग देकर complexity निकालता है
• उदाहरण के लिए, यदि किसी रिफाइनरी में 1 लाख बैरल atmospheric distillation और 50 हज़ार बैरल vacuum distillation हो, और vacuum distillation का complexity factor 2 हो, तो index 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2 होगा
• अगर इसमें complexity factor 6 वाला 25 हज़ार बैरल catalytic cracking भी जोड़ दिया जाए, तो index बढ़कर 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5 हो जाएगा
• अमेरिकी रिफाइनरियाँ सामान्यतः काफी complex हैं; 2014 के अनुसार complexity index 2 या उससे कम वाली रिफाइनरियाँ 3% से भी कम थीं, और औसत complexity index 8.7 था
• 2014 में Chevron Richmond का complexity index 14 था, जो अमेरिकी औसत से अधिक था
• Jamnagar रिफाइनरी केवल दुनिया की सबसे बड़ी ही नहीं है, उसका complexity index 21 भी है, जो उसे व्यवहारतः अमेरिका की लगभग सभी रिफाइनरियों से अधिक complex बनाता है

पैमाने से बनने वाला औद्योगिक महत्व

• refining processes की layout बहुत जटिल हो सकती है, लेकिन कई individual processes वैचारिक रूप से आश्चर्यजनक रूप से सरल हैं
• refining महँगी केवल इसलिए नहीं है कि प्रक्रियाएँ जटिल हैं, बल्कि इसलिए भी कि प्रोसेस की जाने वाली सामग्री की मात्रा अत्यंत विशाल होती है
• Chevron Richmond रिफाइनरी एक छोटे शहर जितनी बड़ी है, और यह एक Very Large Crude Carrier के पूरे crude cargo को एक हफ़्ते से थोड़ा अधिक समय में प्रोसेस कर सकती है
• Chevron Richmond कोई असाधारण रूप से बड़ी रिफाइनरी नहीं है; अमेरिका में 25 रिफाइनरियाँ उसके बराबर या उससे बड़ी हैं, और 6 उससे दोगुनी से भी अधिक बड़ी हैं
• वैश्विक तेल मांग को बनाए रखने के लिए Richmond के आकार की लगभग 400 रिफाइनरियों की आवश्यकता होगी
• अमेरिका प्रतिदिन 2 करोड़ बैरल से अधिक तेल की खपत करता है, और इस खपत को संभव बनाने के लिए विशाल refinery complexes की आवश्यकता होती है