Olieraffinaderijen verschillen in capaciteit en complexiteit. Een zeer kleine raffinaderij verwerkt 2.000 ton ruwe olie per dag, terwijl de grootste raffinaderijen ter wereld 80.000 ton ruwe olie per dag kunnen verwerken. Met de grootte van een raffinaderij neemt meestal ook de complexiteit toe. Bij een toenemende complexiteit kan de werking van de raffinaderij beter worden afgestemd op de beschikbare mix ruwe olies en de gevraagde mix van producten. De verhoogde kosten van de complexere raffinaderij leiden echter pas bij grotere capaciteit tot economisch rendabele operatie ('economy-of-scale').
Hieronder wordt eerst een kleine, eenvoudige raffinaderij besproken. Merk op dat in een grote, meer complexe raffinaderij deze processtappen óók aanwezig zijn.
Een eenvoudige, kleine raffinaderij produceert gassen, nafta, kerosine, diesel, en zware brandstoffen. Ruwe olie wordt gedestilleerd tot gasvormige koolwaterstoffen. Dieselbrandstof en zware brandstof komen (bij geschikte ruwe olie) kant en klaar uit de raffinage. Het systeemdiagram van deze raffinaderij ziet er als volgt uit:
Figuur 21. Complexer schema van een eenvoudige raffinaderij
Een eenvoudige raffinaderij bevat de volgende onderdelen:
destillatietoren
nafta stabiliser
hydrotreater
katalytische reformer
mengunit voor benzine
kerosine/diesel ontzwaveling
De processen die hiermee plaats vinden zijn hier beschreven.
In de primaire destillatie wordt de ruwe olie gescheiden in mengsels van stoffen met (ongeveer) een gelijk kookpunt. Zie voor een verdere beschrijving over kookpunten bij het onderdeel kookpuntsfracties.
Lichte nafta wordt gestabiliseerd in een 'debutaniser'. Zowel in een aardolieraffinaderij als in de petrochemie vinden we verschillende typen 'stabilisers'. Deze zijn bedoeld om productmengsels van een chemische reactor of eerste destillatie te stabiliseren: in raffinage en petrochemie ontstaan fracties, mengsels. Als de kookpunten te ver uiteen lopen, levert dat problemen op voor conversie-installaties. Daarom worden de voornamelijk gasvormige stoffen gescheiden van vloeistoffen. Het gaat daarbij om methaan, ethaan, propaan, butaan, en pentaan, alsmede koolmonoxide en waterstof.
Een van de belangrijkste verontreinigingen in ruwe olie is zwavel. Daarom wordt gebruik gemaakt van zwavelverwijdering.
Vroeger werden 'sweetening units' toegepast om stinkende zwavelhoudende verbindingen in de nafta om te zetten in disulfides. Deze stinken minder en zijn minder corrosief voor de installatie. Omdat sweetening de zwavel niet verwijdert, wordt dit proces tegenwoordig niet meer toegepast vanwege de strenge zwaveleisen (zie collegesheets). Tegenwoordig wordt in een 'hydrotreater' de zware nafta volledig ontzwaveld. Hydrotreating is een ontzwavelingsproces bij relatief milde condities. De druk en temperatuur zijn niet heel hoog. Hydrotreating wordt om drie redenen toegepast:
ter bescherming van de katalysator in de reformer,
het halen van de zwaveleisen in de brandstof,
het voorkomen van polymerisatiereacties in de benzine.
Figuur 22. Schema van een reformproces
De nafta die hieruit voorkomt heeft een octaangetal van ongeveer 40 RON. Zoals wellicht bekend heeft de benzine bij het pompstation octaangetal 95 ('Euro') tot 98 RON ('Super'). Met behulp van de katalytische reformer wordt het octaangetal verhoogd. In de katalytische reformer vindt dehydrogenatie (afsplitsen van waterstof) en cyclisatie (ringsluiting) plaats. Bij beide reacties ontstaat waterstof. Normaliter wordt in de 'hydroskimming' raffinaderij de katalytische reformer zo ontworpen dat ze èn het gewenste octaangetal haalt èn voldoende waterstof 'skimmed' voor de voeding van de processen in de raffinaderij die waterstof vragen: hydrotreating en hydrodesulphyrisatie. De naam van de 'hydroskimming' raffinaderij komt van dit proces.
Omdat in de katalytische reformer wederom lichte gassen worden gevormd als bijproduct, wordt hierna weer een 'debutaniser' geplaatst.
Om tenslotte goede benzine te produceren is het nodig een aantal ingrediënten, geproduceerd in de raffinaderij te combineren. Tegenwoordig zijn vanwege de verscherpte zwaveleisen en de relatief hoge kosten van zwavelarme ruwe olie de meeste hydroskimming raffinaderijen ook uitgerust met kerosine en diesel desulphurisation units.
Vanwege het beperkt aantal systeemelementen is de flexibiliteit met een 'hydroskimming' raffinaderij relatief laag. Daarom kan een beperkt aantal ruwe olies gebruikt worden. Daarnaast is de fractie zware brandstof die geproduceerd wordt groot (25 - 50%). Deze brandstof levert minder op dan bijvoorbeeld benzine, waardoor dit economisch minder aantrekkelijk is.
Een grote, 'integrated' raffinaderij heeft een veel groter scala aan producten dan de 'hydroskimming' raffinaderij. Er kunnen meer dan 1000 verschillende typen aardolieproducten worden geproduceerd. Een uitgebreide beschrijving van deze producten is te vinden op de pagina consumptie. Naast de productencategorieën die ook met een hydroskimming raffinaderij kunnen worden geproduceerd zijn dit LPG, bitumen, aromaten, reformaten, wax, zwavel, coke en 'short-residues'.
Het systeemdiagram van zo'n raffinaderij ziet er als volgt uit:
Figuur 23. Complex schema van een 'Integrated Refinery'
Een geavanceerde raffinaderij bevat naast de onderdelen van een eenvoudige raffinaderij de volgende onderdelen:
hoge vacuüm destillatie
vacuüm flashed destillatie
HYdroCONversie van residuen (HYCON)
visbreaker
flexicoker
Na de scheiding met de primaire destillatiekolom blijft een groot gedeelte achter als residu. Met de vacuüm destillatie en de flashed destillatie wordt dit gedeelte verder gescheiden. Bij vacuüm destillatie wordt gebruik gemaakt van een lage druk en een lage temperatuur. Daarom is het mogelijk om fracties te maken zonder waardevolle stoffen te kraken. Vacuüm flashed destillatie is nog een methode om de lange residuen verder te behandelen.
In figuur 24 staan diverse conversiemethoden weergegeven die gebruik maken van waterstof als hulpstof. In figuur 25 staan conversiemethoden die gebruik maken van warmte. De betreffende systemen worden in de aardolieraffinage gebruikt enerzijds voor het voldoen aan milieueisen en anderzijds ter verhoging van de winstgevendheid.
De systemen zijn gerangschikt naar de zwaarte van de omstandigheden waarbij de conversie wordt uitgevoerd. De zwaarte van de ingevoerde aardoliefracties staat op de horizontale as. Dit illustreert het verband tussen de verwerkingskracht die nodig is (verkregen door een hoge temperatuur en druk) en de zwaarte (gemiddelde C-keten) van de te converteren fractie.
Figuur 24. Conversiemethoden op basis van waterstof
Figuur 25. Thermische conversiemethoden