O echipă de chimişti şi fizicieni din China a redus cu 90% consumul de energie la rafinarea produselor petroliere, dezvoltând o nouă metodă genială

În ultimii ani, pare să se uite periodic că marile salturi în dezvoltarea unor ţări vin din ştiinţă şi educaţie profundă, care face ca această ştiinţă să poată progresa. Pentru că adeseori nu creşterile la bursă, ci banalele materii precum chimia, fizica sau matematica sunt cele care impulsionează salturile. De curând, o echipă de chimiştii şi fizicieni din China, de la Institutul Dalian de Fizică a Elementelor Chimice, parte din Academia de Ştiinţe a Chinei, a dezvoltat o nouă metodă de rafinare a produselor petroliere, care ar reduce consumul de energie cu 90% şi ar reduce astfel considerabil costurile de procesare a ţiţeiului şi transformare a lui în carburanţi, materiale plastice şi alte componente utile.

Petrolul brut extras din pământ e o sumă de hidrocarburi de facturi foarte variate, iar rafinăriile au rolul de a distila această materie primă în multiple etape, producând materiile finite dorite.

În prezent, cea mai mare parte a acestor procese de separare a diverselor hidrocarburi se bazează pe distilare — un proces care se bazează pe diferenţele mici în temperaturile de fierbere a diferitor componente, iar încălzirea întregii mase până la un punct necesar face ca acea substanţă se transforme în vapori, separându-se de restul, după care se condensează şi astfel e separată individual de restul masei. Iar ulterior toată acea materie primă trece prin alte şi alte procese similare, mărind punctul de fierbere pentru următorul component necesar, şi separând astfel pas cu pas toate hidrocarburile dorite.

Foto: Turnuri de distilare dintr-o rafinărie

Desigur, fiecare din ele trece ulterior prin alte procese industriale, inclusiv reamestecare cu alte hidrocarburi, pentru a obţine produsul final dorit, dar acest principiu de rafinare presupune un consum de energie deloc neglijabil pentru a asigura temperaturile necesare acestor procese, de ordinul megawaţilor-oră pentru procesarea unei tone de petrol brut.

Chinezii, însă, au devenit excepţional de buni în ultimii ani în ingineria chimică. Ştii jocurile alea din copilărie, în care multe obiecte erau aranjate într-o cameră, astfel încât primul impuls declanşat să dea un efect de domino, în care fiecare obiect următor va determina o schimbare de poziţie a celui ce-l urmează şi în final se va obţine tabloul dorit? Exact asta fac chinezii în ultimii ani în ingineria chimică, atât la bateriile maşinilor electrice, cât şi în asemenea cazuri precum cel despre care vorbim azi, proiectând componente pentru care planifică din timp schimbări în lanţ care trebuie să aibă loc la nivel chimic, astfel încât moleculele finale să determine forme şi dimensiuni dorite, iar materia rezultată să îndeplinească exact funcţia dorită. Aşa îşi proiectează acum catozii bateriilor, spre exemplu, are formează reţeaua cristalină corect abia după fabricare, la prima încărcare în uzină, iar acea reţea are spaţii exact de dimensiunea necesară pentru a permite trecerea rapidă a electronilor, fără a crea obstrucţionări şi rezistenţe.

Exact asta a făcut şi echipa de chimişti şi fizicieni despre care vorbim azi. Au conceput o serie de membrane organice, care să asigure filtrarea mecanică a hidrocarburilor, fără distilare în cea mai mare parte a proceselor.

Doar prima distilare a petrolului brut rămâne necesară, unde se obţine nafta uşoară. Mai departe, procesul de rafinare e gândit ca unul ce operează într-o cascadă de membrane separatoare, prin care hidrocarburile sunt separate treptat pur mecanic, moleculele lor fiind filtrare după dimensiunea fizică. Ne putem imagina o sită, prin care se filtrează prima hidrocarbură, după care materialul rezultat merge în următoarea sită şi tot aşa până se asigură toate etapele necesare.

Sună genial de simplu şi am putea să ne întrebăm de ce nu i-a venit nimănui această idee până acum? Dar adevărul e că i-a venit. Multor oameni de ştiinţă le-a venit şi au tot studiat şi încercat să facă asta. Doar că e aproape imposibil dintr-un motiv de nedepăşit — majoritatea hidrocarburilor utile din petrol au dimensiuni aproape identice ale moleculelor — hexanul are 0,43 nm, 2-metlpentanul are 0,50 nm, 2,3-dimetilbutanul are 0,58 nm, benzenul are 0,59 nm, iar ciclohexanul are 0,60 nm. Putem observa deci, că între toate acestea există diferenţe mai mici de 0,1 nm, iar unele au chiar diferenţe de 0,01 nm. E imposibil în mod realist să proiecteze o „sită” care să filtreze molecule cu o asemenea precizie.

Însă acum acest fapt a devenit posibil, datorită acelei inginerii chimice, despre care am vorbim mai sus. Ei au creat, spre exemplu, prima membrană cu un material pe care-l numesc CuBTC, denumit în lucrările lor ştiinţifice şi cu numele HKUST-1, care are pori triunghiulari de 0,46 nm pe orientare cristalină relevantă. În mod normal s-ar putea crede că molecula de hexan, de 0,43 nm, va trece prin ea şi astfel problema e rezolvată. În practică, însă, se generează obstrucţionări foarte rapide în acest proces şi el nu mai e viabil. Membrana a fost tratată cu acid tanic, încă, pentru care facilitează şi poziţionarea moleculelor în apropiere de porii triunghiulari, pentru a trece mai uşor, fără a genera obstrucţionări.

La următoarele etape rolul acidului tanic din tratamentul iniţial devine şi mai important. Mai simplu vorbind, moleculele se aliniază rapid interacţionând cu cuprul din membrană, astfel încât filtrarea lor mecanică să aibă loc mai eficient, în mod continuu. Deci e fizică la nivel molecular şi chimie la nivel de inginerie fizică în acelaşi timp.

Iar rezultatul e formidabil. Echipa a modelat şi testat procesul şi în instalaţii industriale de tipul celor din rafinării, la o capacitate de 8.000 tone pe an şi 1 tonă pe oră. În varianta convenţională prin distilare, material primă trebuia încălzită până la 161°C în acest procese, iar consumul de energie a fost de 4,44 GJ/tonă, sau 1.233,33 kWh/tonă.

În varianta cu folosirea metodei lor noi de rafinare, materia primă trebuie încălzită la doar 60°C, iar consumul de energie a fost de 0,385 GJ/tonă sau 106,95 kWh/tonă. Reducerea consumului de energie a fost de peste 91%, deci.

Chinezii amintesc că această reducere e valabilă pentru etapele de rafinare relevante, nu pentru tot e consumă rafinăria, întrucât etapa iniţială şi cele finale de amestecuri rămân similare, dar la nivel de rafinărie, în funcţie de produs, se poate obţine 80-87% reducere în consum energetic. Iar în mod practic asta înseamnă că o cotă mult mai mică de energie, preponderent sub formă de gaz, va fi necesară în procesul de rafinare, reducând costurile finale.

Desigur, noua metodă va mai avea nevoie de ceva timp pentru a fi aplicată pe larg la rafinăriile chinezeşti sau din alte regiuni ale lumii, de faptul că ea a fost deja testată atât de avansat o duce dincolo de o descoperire şi un experiment de laborator, către un produs gata de scalara industrială. Iar o economie de 80-85% în acest cost important poate determina sute de milioane sau miliarde de dolari economisiţi anual. Tocmai astfel se impulsionează ceea ce numim apoi competitivitate economică.