Ziel der Entwicklung
In den nach Normaldruck- und Vakuumdestillation von Erdöl anfallenden Fraktionen sind aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe enthalten, die durch thermische oder katalytische Verfahren zu chemischen Rohstoffen oder flüssigen Energieträgern weiter verarbeitet werden können. Die Trennung der nicht mehr destillierbaren Vakuumrückstände aus der Aufarbeitung von Erdöl, Pyrolyseöl oder anderen hochsiedenden Kohlenwasserstofffraktionen erfolgt durch Extraktion mit den Flüssiggasen Propan und Butan. Dabei werden eine aliphatenreiche DAO-Fraktion und eine pitch-Phase erhalten. In der pitch-Phase, die zu Bitumen weiter verarbeitet werden kann, verbleiben die Asphaltene und heteroatomenthaltenden Verbindungen (Resine/Harze) sowie Metalle.
Da die oben genannten hochsiedenden Fraktionen je nach zur Verfügung stehenden Mengen entsprechend in reiner oder in verschnittener Form (Gemische) eingesetzt werden, muss, um eine gleichbleibende Produktqualität der anfallenden DAO- und pitch-Phase zu gewährleisten, der Extraktionsprozess angepasst werden. Um die Prozessparameter vorhersagen zu können, waren umfangreiche Voruntersuchungen notwendig.
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer neuen Methode zur Charakterisierung von hochsiedenden Rohöl- und Pyrolyseölfraktionen, mit der die Ergebnisse einer Extraktion mit Flüssiggasen mit deutlich geringerem Aufwand vorhergesagt werden können. Es wurden Datensätze zur extraktiven Trennung hochsiedender Erdölfraktionen geschaffen, auf deren Basis die technischen Prozesse ausgelegt und durchgeführt werden können.
Als Ergebnis des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens steht eine vereinfachte Methode zur Verfügung, mit der die hochsiedenden Kohlenwasserstofffraktionen charakterisiert und die Prozessbedingungen (Temperatur, Druck, Lösemittelverhältnis) zum Erreichen einer vorgegebenen Produktqualität sicher verhergesagt werden können. Die mehrstufige Vorgehensweise, die u. a. eine HPLC-Analyse beinhaltet, ist wesentlich einfacher als das bisher praktizierte Verfahren auf der Basis einer Testserie von mindestens drei Tests in der Technikumsanlage.
Die Anforderungen an die Produktchargen sind sehr spezifisch und hängen von den nachgeschalteten Prozessen und Anwendungen ab. Für spezifische Produktanforderungen, wie z. B. sehr geringe PAK-Konzentrationen in der DAO-Phase, ist die Kenntnis zum Verbleib der Stoffklasse der unsubstituierten Aromaten im Extraktionsprozess entscheidend. Um solche Fragestellungen untersuchen zu können, wurden spezifische Analysenmethoden mit einer angepassten, diffizilen Probenvorbereitung entwickelt, so dass diese Stoffe (Anthracen, Acenaphthylen, Phenanthren, Fluoren, Pyren etc.) identifiziert und exakt quantifiziert werden können.
Vorteile und Lösungen
Diese im Rahmen des Vorhabens entwickelte Methode zur Charakterisierung von Vakuumrückständen aus der destillativen Aufarbeitung von Erdöl erlaubt eine Vorhersage des Extraktionsprozesses mit Flüssiggasen.
Des Weiteren wurde im Rahmen des Vorhabens eine Analysenmethode zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von PAK in hochsiedenden Kohlenwasserstofffraktionen entwickelt, die trotz der komplexen Matrix relativ schnell eine Aussage über das Vorhandensein dieser problematischen Komponenten erlauben.
Die entwickelte Methode zur Charakterisierung von Vakuumrückständen aus der destillativen Aufarbeitung von Erdöl kann auf andere hochsiedende Rückstände wie z. B. Pyrolyseöl übertragen werden. Aufgrund der Notwendigkeit der nachhaltigen Nutzung von Rohstoffen und der Rückstandsminimierung bzw. Rückstandsvermeidung in der chemischen und erdölverarbeitenden Industrie ergibt sich ein weites Anwendungsfeld für die entwickelte Charakterisierungsmethode.
Eine Vorhersage der Extraktionsergebnisse ist ohne Analysendaten der Vakuumrückstände nicht möglich. Aus speziellen Stoffeigenschaften der Vakuumrückstände konnten bisher nur partiell Extraktionsergebnisse durch hauseigene Modelle der Raffinerie- und Anlagenbetreiber, die auf empirisch ermittelten Werten beruhen, vorhergesagt werden. Eine Vorhersage der Verteilung bestimmter Stoffklassen bzw. Komponenten in den beiden Extraktionsphasen (DAO und pitch) war nahezu unmöglich.
Mit der entwickelten Messmethode ist eine belastbare Vorhersage der Extraktionsergebnisse gut möglich. Aufgrund der Kombination von einzelnen Analysenmethoden sind je nach Fragestellung in der vereinfachten Variante die Prozessparameter oder spezifische Produkteigenschaften für die Weiterverarbeitung (Verteilung bestimmter Stoffklassen in den Phasen DAO und pitch) vorhersagbar.
Eine Analysenmethode zur Bestimmung von PAK und epa-PAK existiert für diese komplex zusammengesetzten Rückstände bisher nicht. Mit der entwickelten Messmethode können PAK in anspruchsvollen organischen Matrices sicher qualitativ und quantitativ bestimmt werden.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die für diese Anwendung speziell entwickelte Methode auf der Basis der HPLC soll entweder an entsprechende Kunden verkauft oder direkt am INC für Auftragsmessungen genutzt werden.
Der Bedarf für die Analyse/Charakterisierung von hochsiedenden Rückständen wird als äußerst umfangreich eingeschätzt.
Die während der Vorhabensbearbeitung generierten Ergebnisse und gesammelten Erfahrungen sollen im Rahmen weiterer Forschungsprojekte angewendet und vertieft werden.