Các quá trình chế biến hóa học dầu thô cho phép tăng hiệu suất sản phẩm sáng (quá trình cốc hóa, cracking xúc tác, hydrocracking); tăng chất lượng sản phẩm (chủ yếu là xăng); sử dụng phân đoạn reforming xúc tác, cracking xúc tác, đồng phân hóa, alkyl hóa làm thành phần cho nhiên liệu và các monomer cho tổng hợp hóa dầu như hydrocarbon thơm và olefin (benzen, toluen, xylen, etylen, propylen…).

Cracking nhiệt dầu thô. Sản phẩm của quá trình cracking nhiệt là nhiên liệu đốt lò. Nguyên liệu của quá trình này là mazut nặng và cặn nhựa trung gian. Độ sâu chuyển hóa cặn nặng bị hạn chế do tạo cốc, cốc tạo thành đáng kể khi hiệu suất xăng là 3-7%. Xăng cracking nhẹ có trị số octan không cao (60 ÷ 65 theo phương pháp môtơ), không bền và cần phải thêm phụ gia chống oxy hóa. Khí cracking nhiệt chứa 15 ÷ 25% hydrocarbon không no và thuộc loại khí khô vì có chứa nhiều metan và phân đoạn etan-etylen. Hiệu suất khí 2 ÷ 5% so với nguyên liệu.

Nhiệt phân dầu thô. Cracking nhiệt dầu thô ở nhiệt độ cao có tên gọi là nhiệt phân (pyrolysis), được ứng dụng để thu olefin khí như etylen, propylen và butadien. Quá trình nhiệt phân phổ biến nhất thường được tiến hành trong lò dạng ống. Nguyên liệu là các hydrocarbon no pha khí (etan, propan, n- butan) và phân đoạn xăng có trị số octan thấp từ quá trình chưng cất trực tiếp, sản phẩn reforming, phân đoạn nhẹ của khí ngưng tụ sẽ cho hiệu suất olefin cao nhất mà vẫn hạn chế được tạo cốc. Nguyên liệu nhiệt phân cũng có thể là các sản phẩm dầu nặng như phân đoạn kerosen - gasoil. Olefin là sản phẩm chính của quá trình nhiệt phân, các quá trình cracking nhiệt và tạo cốc cũng sinh ra olefin nhưng ít hơn so với nhiệt phân.

Cốc hóa dầu nặng là quá trình nhiệt với hai mục đích là nhận cốc và tăng chất lượng sản phẩm sáng. Nguyên liệu để điều chế cốc là dầu lưu huỳnh thấp. Khác với quá trình cracking nhiệt cặn dầu nặng dưới áp suất cao, trong đó cốc là sản phẩm không mong muốn vì nó hạn chế độ sâu chuyển hóa của cracking, cốc hóa cho phép tập trung phần lớn cacbon nguyên liệu vào cốc, nhờ đó nhận được khí và sản phẩm distilat dầu trong phân tử của chúng giàu hydro hơn nguyên liệu. Nguyên liệu của quá trình cốc hóa thường là cặn dầu phân tử lượng lớn - gudron, cặn của quá trình cracking nhiệt cặn nhựa còn lại trong quá trình nhiệt phân, asphaten từ quá trình loại asphaten và hydrocarbon thơm cao (gasoil nặng của quá trình cracking nhiệt và cracking xúc tác). Các nguyên liệu này cho cốc sản phẩm chất lượng cao. Cốc dầu mỏ được sử dụng nhiều trong sản xuất thép, kim loại màu, một số sản phẩm hóa học, sản xuất than chì, làm chất khử trong côngnghiệp.

Cracking xúc tác là quá trình hiện đại, chuyển hóa các phân đoạn dầu nhiệt độ sôi cao thành các thành phần gốc của xăng máy bay và xăng ôtô chất lượng cao (MON = 76 ÷ 82); phân đoạn distilat trung bình - Gasoil và khí có hàm lượng phân đoạn butan - butadien cao được ứng dụng để điều chế phụ gia octan cao cho xăng. Nguyên liệu điển hình cho cracking xúc tác là gasoil chân không, gasoil của quá trình cốc hóa, cặn dầu loại asphanten. Hiệu suất xăng trong cracking xúc tác với xúc tác alumino - silicat vô định hình là 27 ÷ 35%, với alumino - silicat tinh thể là 40 ÷ 50%.

Các quá trình hydro hóa gồm làm sạch bằng hydro và hydrocracking. Quá trình làm sạch bằng hydro là một trong những quá trình phổ biến trong công nghiệp chế biến dầu, đặc biệt là dầu lưu huỳnh và nitơ cao. Mục đích của quá trình này là giảm hàm lượng hợp chất lưu huỳnh, nitơ và hợp chất cơ kim, các hydrocarbon không no và hydro hóa hydrocarbon thơm. Trong trường hợp thứ nhất, quá trình dựa vào sự phân hủy các thành phần không mong muốn thành lưu huỳnh và nitơ nguyên tố và nhận được các sản phẩm dầu chất lượng cao hơn. Các chất không mong muốn, thí dụ, đối với nhiên liệu phản lực và diesel là hợp chất lưu huỳnh, hydrocarbon thơm và parafin mạch thẳng có nhiệt độ đóng rắn cao; còn đối với dầu nhờn là nhựa, hydrocarbon thơm đa vòng có mạch nhánh ngắn và hợp chất lưu huỳnh. Quá trình được tiến hành ở áp suất hydro ôn hòa (30 ÷ 50 atm) và nhiệt độ 360 ÷ 420^oC.

Quá trình làm sạch bằng hydro được tiến hành với xăng, nhiên liệu phản lực và diesel, nhiên liệu cracking xúc tác. Quá trình làm sạch sâu bằng hydro nhiên liệu diesel được tiến hành ở áp suất 100 ÷ 150 atm, với mục đích là giảm hàm lượng hydrocarbon thơm trong distilat diesel của quá trình cracking xúc tác để làm tăng trị số cetan. Trong quá trình này hydrocarbon thơm của nhiên liệu chuyển hóa thành naphten và parafin và trị số cetan có thể tăng 20 ÷ 25 đơn vị. Xúc tác thường được sử dụng cho làm sạch bằng hydro là nhôm – coban - molibden và nhôm – niken - molibden.

Loại asphanten nguyên liệu cặn bằng dung môi. Trong dầu thô lưu huỳnh và nhiều lưu huỳnh có chứa lượng đáng kể các chất asphanten - nhựa. Các chất này làm giảm chất lượng nhiên liệu động cơ và nhiên liệu lò hơi, do đó cần được loại trong quá trình chế biến sâu cặn dầu. Asphanten đặc biệt không mong muốn do nó chuyển hóa 70% thành cốc. Ngoài ra trong asphanten còn chứa nhiều muối, chất tạo tro, hợp chất kim loại nặng ăn mòn, hợp chất nitơ, lưu huỳnh và oxy. Loại asphanten bằng propan hoặc butan cho hiệu suất sản phẩm dầu loại asphanten thấp. Loại asphanten bằng xăng được ứng dụng rộng rãi.

Loại hydrocarbon parafin. Mục đích của quá trình loại parafin là loại bỏ các parafin rắn ra khỏi rafinat sau khi làm sạch lựa chọn, hấp phụ và làm sạch axit - bazơ hoặc axit tiếp xúc. Thông số cơ bản xác định độ sâu loại bỏ parafin là nhiệt độ đông đặc của sản phẩm. Loại parafin thực hiện bằng cách kết tinh dung dịch dầu với dung môi như propan, naphten, hợp chất hydrocarbon chứa clo và phổ biến nhất là hỗn hợp xeton với toluen. Quá trình loại parafin gồm những giai đoạn sau: hòa tan nguyên liệu và xử lý nhiệt dung dịch; làm lạnh dung dịch đến nhiệt độ để loại bỏ phần lớn hydrocarbon thơm; lọc; chưng cất dung môi ra khỏi cặn trên lọc và ra khỏi sản phẩm loại parafin.

Làm sạch và phân tách dầu bằng chất hấp phụ. Chất hấp phụ được sử dụng là đất sét tự nhiên, sét hoạt hóa, alumino - silicat nhân tạo, gel nhôm, oxit nhôm hoạt hóa, than và các chất có khả năng hấp phụ cao khác. Zeolit là chất hấp phụ được quan tâm, có khả năng phân tách các chất theo kích thước phân tử của chúng. Khả năng hấp phụ n-parafin của zeolit được ứng dụng để thu hồi n-parafin từ dầu parafin và tinh chế xăng cất trực tiếp và xăng reforming.

Cracking xúc tác cho phép nhận xăng trị số octan cao, còn reforming xúc tác làm tăng trị số octan của xăng và tổng hợp các hydrocarbon thơm như benzen, toluen, xylen và etylbenzen. Reforming dưới áp suất thấp và kết hợp với chưng tách hoặc chiết bằng dung môi cho phép tổng hợp các hydrocarbon thơm.

Alkyl hóa là quá trình được ứng dụng để điều chế thành phần xăng máy bay và ôtô chất lượng cao. Trong quá trình này parafin kết hợp với olefin để tạo thành hydrocarbon parafin có nhiệt độ sôi cao. Trước đây trong công nghiệp quá trình alkyl hóa chỉ giới hạn trong quá trình alkyl hóa isobutan bằng butilen với xúc tác là axit sulfuric và floric. Thời gian sau này trong điều kiện công nghiệp còn tiến hành alkyl hóa isobutan không chỉ bằng butilen mà cả bằng etylen, propylen, amilen và hỗn hợp các olefin này. Vai trò của alkyl hóa trong chế biến dầu tăng vì nhu cầu xăng ôtô octan cao tăng.

Đồng phân hóa là quá trình chuyển hóa các hydrocarbon n-parafin trị số octan thấp, chủ yếu là C5, C6 và hỗn hợp của chúng thành các isoparafin tương ứng có chỉ số octan cao. Trong công nghiệp có thể nhận được 97 ÷ 99,7% thể tích isoparafin. Isomer hóa diễn ra trong môi trường có hydro.

Polymer hóa là quá trình chuyển hóa propylen và butylen thành sản phẩm oligomer, được sử dụng làm thành phần cho xăng ôtô hoặc làm nguyên liệu cho các quá trình hóa dầu. Phụ thuộc vào nguyên liệu, xúc tác và chế độ công nghệ khối lượng sản phẩm thay đổi trong khoảng rộng.