Všechny moderní jednotky FCC jsou kontinuální procesy, které pracují 24 hodin denně po dobu až 3 až 5 let mezi plánovanými odstávkami pro běžnou údržbu.
Existuje několik různých patentovaných konstrukcí, které byly vyvinuty pro moderní jednotky FCC. Každá konstrukce je k dispozici na základě licence, kterou musí od vývojáře konstrukce zakoupit každá rafinérská společnost, která si přeje postavit a provozovat FCC dané konstrukce.
Existují dvě různé konfigurace jednotky FCC: „stohovaný“ typ, kde jsou reaktor a regenerátor katalyzátoru umístěny ve dvou oddělených nádobách, přičemž reaktor je nad regenerátorem a mezi těmito nádobami je přepážka umožňující napojení potrubí odváděného plynu z regenerátoru na horní část nádoby regenerátoru, a typ „side-by-side“, kde jsou reaktor a regenerátor katalyzátoru ve dvou oddělených nádobách. Konfigurace „na sobě“ zabírá méně fyzického prostoru v prostoru rafinerie. Jedná se o hlavní konstruktéry a poskytovatele licence FCC:
Konfigurace „side-by-side“:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – v současnosti vlastněná společností Technip
- Universal Oil Products (UOP) – v současnosti plně vlastněná dceřinou společností Honeywell
Stacked configuration:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Každý z poskytovatelů licence na patentovaný design tvrdí, že má jedinečné vlastnosti a výhody. Úplná diskuse o relativních výhodách každého z procesů přesahuje rámec tohoto článku.
Reaktor a regenerátorRedaktor
Reaktor a regenerátor jsou považovány za srdce jednotky fluidního katalytického krakování. Schéma typické moderní jednotky FCC na obrázku 1 níže vychází z konfigurace „side-by-side“. Předehřátá vysoce vroucí ropná surovina (o teplotě přibližně 315 až 430 °C) sestávající z uhlovodíkových molekul s dlouhým řetězcem se kombinuje s recyklovaným kalovým olejem ze spodní části destilační kolony a vstřikuje se do stoupačky katalyzátoru, kde se odpařuje a krakuje na menší molekuly par kontaktem a mícháním s velmi horkým práškovým katalyzátorem z regenerátoru. Všechny reakce krakování probíhají ve stoupačce katalyzátoru během 2 až 4 sekund. Uhlovodíkové páry „ztekucují“ práškový katalyzátor a směs uhlovodíkových par a katalyzátoru proudí vzhůru a vstupuje do reaktoru při teplotě asi 535 °C a tlaku asi 1,72 bar.
Reaktor je nádoba, ve které jsou páry krakování produktu: (a) oddělí se od vyhořelého katalyzátoru prouděním přes sadu dvoustupňových cyklonů uvnitř reaktoru a b) vyhořelý katalyzátor proudí směrem dolů přes sekci odstraňování páry, aby se odstranily veškeré uhlovodíkové páry, než se vyhořelý katalyzátor vrátí do regenerátoru katalyzátoru. Průtok vyhořelého katalyzátoru do regenerátoru je regulován šoupátkem v potrubí vyhořelého katalyzátoru.
Protože při reakcích krakování vzniká určitý uhlíkatý materiál (označovaný jako katalytický koks), který se usazuje na katalyzátoru a velmi rychle snižuje reaktivitu katalyzátoru, katalyzátor se regeneruje spalováním usazeného koksu vzduchem vháněným do regenerátoru. Regenerátor pracuje při teplotě asi 715 °C a tlaku asi 2,41 bar, regenerátor tedy pracuje při tlaku asi o 0,7 bar vyšším než reaktor. Spalování koksu je exotermické a produkuje velké množství tepla, které je částečně absorbováno regenerovaným katalyzátorem a poskytuje teplo potřebné pro odpařování vstupní suroviny a endotermické reakce krakování, které probíhají ve stoupačce katalyzátoru. Z tohoto důvodu se o jednotkách FCC často hovoří jako o „tepelně vyvážených“.
Horký katalyzátor (o teplotě přibližně 715 °C) opouštějící regenerátor proudí do jímky pro stažení katalyzátoru, odkud mohou unikat veškeré zachycené spaliny a vracet se zpět do horní části do regenerátoru. Průtok regenerovaného katalyzátoru do místa vstřikování vstupní suroviny pod stoupačkou katalyzátoru je regulován šoupátkem v potrubí regenerovaného katalyzátoru. Horké spaliny vystupují z regenerátoru po průchodu několika sadami dvoustupňových cyklonů, které ze spalin odstraňují zachycený katalyzátor.
Množství katalyzátoru cirkulujícího mezi regenerátorem a reaktorem činí přibližně 5 kg na kg vstupní suroviny, což odpovídá přibližně 4,66 kg na litr vstupní suroviny. V jednotce FCC zpracovávající 75 000 barelů denně (11 900 m3/d) tedy bude denně cirkulovat přibližně 55 900 tun katalyzátoru.
Hlavní kolonaEdit
Páry reakčního produktu (při teplotě 535 °C a tlaku 1.72 bar) proudí z horní části reaktoru do spodní části hlavní kolony (běžně označované jako hlavní frakcionátor, kde dochází ke štěpení suroviny), kde se destilují na konečné produkty FCC – krakovaný ropný benzin, topný olej a odpadní plyn. Po dalším zpracování za účelem odstranění sloučenin síry se z krakované nafty stává vysokooktanová složka rafinérských směsných benzinů.
Plyn z hlavního frakcionátoru se posílá do tzv. jednotky rekuperace plynu, kde se rozděluje na butany a butylen, propan a propylen a plyny s nižší molekulovou hmotností (vodík, metan, etylen a etan). Některé jednotky rekuperace plynu FCC mohou také oddělovat část ethanu a ethylenu.
Ačkoli výše uvedené schéma toku znázorňuje hlavní frakcionační zařízení jako zařízení s pouze jedním bočním striperem a jedním produktem topného oleje, mnoho hlavních frakcionačních zařízení FCC má dva boční stripery a vyrábí lehký topný olej a těžký topný olej. Podobně mnoho hlavních frakcionačních zařízení FCC vyrábí lehkou krakovanou naftu a těžkou krakovanou naftu. Terminologie lehký a těžký v tomto kontextu odkazuje na rozsahy varu produktů, přičemž lehké produkty mají nižší rozsah varu než těžké produkty.
Dolní produktový olej z hlavního frakcionátoru obsahuje zbytkové částice katalyzátoru, které nebyly zcela odstraněny cyklony v horní části reaktoru. Z tohoto důvodu se spodní produktový olej označuje jako kalový olej. Část tohoto kalového oleje se recykluje zpět do hlavního frakcionátoru nad místem vstupu horkých par reakčního produktu, aby se páry reakčního produktu při vstupu do hlavního frakcionátoru ochladily a částečně zkondenzovaly. Zbytek kalového oleje se čerpá přes usazovač kalu. Spodní olej z kalového usazovače obsahuje většinu částic katalyzátoru kalového oleje a je recyklován zpět do stoupačky katalyzátoru spojením se vstupním olejem FCC. Vyčištěný kalový olej nebo dekantovaný olej se odebírá z horní části kalového usazovače pro použití jinde v rafinérii, jako složka směsi těžkého topného oleje nebo jako surovina pro výrobu sazí.
Spaliny z regenerátoruEdit
V závislosti na zvolené konstrukci FCC může, ale nemusí dojít k úplnému spálení koksu na vyčerpaném katalyzátoru na oxid uhličitý CO
2. Průtok spalovacího vzduchu se řídí tak, aby byl zajištěn požadovaný poměr oxidu uhelnatého (CO) k oxidu uhličitému pro každou konkrétní konstrukci FCC.
V konstrukci znázorněné na obrázku 1 byl koks spálen pouze částečně na CO
2. Spaliny (obsahující CO a CO
2) o teplotě 715 °C a tlaku 2,41 baru jsou vedeny přes sekundární odlučovač katalyzátoru obsahující vířivé trubice určené k odstranění 70 až 90 % pevných částic ve spalinách opouštějících regenerátor. To je nutné, aby se zabránilo eroznímu poškození lopatek v turboexpandéru, kterým jsou spaliny dále vedeny.
Expanze spalin přes turboexpandér poskytuje dostatečný výkon pro pohon kompresoru spalovacího vzduchu regenerátoru. Elektrický motor-generátor může spotřebovávat nebo vyrábět elektrickou energii. Pokud expanze spalin neposkytuje dostatečný výkon pro pohon vzduchového kompresoru, elektromotor/generátor dodá potřebný dodatečný výkon. Pokud expanze spalin poskytuje více energie, než je potřeba k pohonu vzduchového kompresoru, pak elektromotor/generátor přemění přebytečnou energii na elektrickou energii a exportuje ji do elektrického systému rafinerie.
Expanzní spaliny jsou pak vedeny přes kotel vyrábějící páru (označovaný jako kotel CO), kde se oxid uhelnatý ve spalinách spaluje jako palivo pro výrobu páry pro použití v rafinérii a také pro splnění všech platných ekologických předpisů týkajících se emisí oxidu uhelnatého.
Spaliny jsou nakonec zpracovány přes elektrostatický odlučovač (ESP), aby se odstranily zbytkové částice a splnily se všechny platné ekologické předpisy týkající se emisí částic. ESP odstraňuje ze spalin částice o velikosti 2 až 20 µm. Ke splnění emisních limitů pevných částic se někdy vyžadují systémy filtrů pevných částic, známé jako odlučovače čtvrtého stupně (FSS). Ty mohou nahradit ESP, pokud jsou jediným problémem emise částic.
Parní turbína v systému zpracování spalin (znázorněná na výše uvedeném schématu) se používá k pohonu kompresoru spalovacího vzduchu regenerátoru během spouštění jednotky FCC, dokud není k dispozici dostatek spalin pro převzetí tohoto úkolu.
.