De moderne FCC-enheder er alle kontinuerlige processer, der kører 24 timer i døgnet i op til 3-5 år mellem planlagte nedlukninger til rutinemæssig vedligeholdelse.
Der er udviklet flere forskellige proprietære designs til moderne FCC-enheder. Hvert design er tilgængeligt i henhold til en licens, som skal købes af designudvikleren af ethvert olieraffineringsselskab, der ønsker at opføre og drive et FCC-anlæg af et givet design.
Der findes to forskellige konfigurationer for en FCC-enhed: den “stablede” type, hvor reaktoren og katalysatorregeneratoren er placeret i to separate beholdere, med reaktoren over regeneratoren, med et skørt mellem disse beholdere, så regeneratorens afgasrør kan tilsluttes til toppen af regeneratorbeholderen, og den “side-by-side” type, hvor reaktoren og katalysatorregeneratoren er placeret i to separate beholdere. Den stablede konfiguration optager mindre fysisk plads i raffinaderiområdet. Det drejer sig om de største FCC-designere og licensgivere:
Side-by-side-konfiguration:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – i øjeblikket ejet af Technip
- Universal Oil Products (UOP) – i øjeblikket fuldt ejet datterselskab af Honeywell
Stacked konfiguration:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Hver af licensgiverne hævder, at de har unikke egenskaber og fordele. En fuldstændig diskussion af de relative fordele ved hver af processerne ligger uden for rammerne af denne artikel.
Reaktor og regeneratorRediger
Reaktoren og regeneratoren anses for at være hjertet i den flydende katalytiske krakningsenhed. Det skematiske flowdiagram af en typisk moderne FCC-enhed i figur 1 nedenfor er baseret på en “side-by-side”-konfiguration. Den forvarmede højtkogende råolie (ca. 315-430 °C), der består af langkædede kulbrintemolekyler, kombineres med genanvendt slurryolie fra destillationskolonnens bund og sprøjtes ind i katalysatorforløbet, hvor den fordampes og knækkes til mindre dampmolekyler ved kontakt og blanding med den meget varme pulveriserede katalysator fra regeneratoren. Alle krakningsreaktionerne finder sted i katalysatorriserne inden for en periode på 2-4 sekunder. Kulbrændstofdampene “fluidiserer” den pulveriserede katalysator, og blandingen af kulbrændstofdampe og katalysator strømmer opad og kommer ind i reaktoren ved en temperatur på ca. 535 °C og et tryk på ca. 1,72 bar.
Reaktoren er en beholder, hvori de krakkede produktdampene er: (a) adskilles fra den brugte katalysator ved at strømme gennem et sæt totrinscykloner i reaktoren, og (b) den brugte katalysator strømmer nedad gennem en dampstripningssektion for at fjerne eventuelle kulbrændstofdampe, før den brugte katalysator vender tilbage til katalysatorregeneratoren. Strømmen af brugt katalysator til regeneratoren reguleres af en skydeventil i ledningen til brugt katalysator.
Da krakningsreaktionerne producerer noget kulstofholdigt materiale (benævnt katalysatorkoks), der aflejrer sig på katalysatoren og meget hurtigt reducerer katalysatorens reaktivitet, regenereres katalysatoren ved at brænde den aflejrede koks af med luft, der blæses ind i regeneratoren. Regeneratoren arbejder ved en temperatur på ca. 715 °C og et tryk på ca. 2,41 bar, hvilket betyder, at regeneratoren arbejder ved et ca. 0,7 bar højere tryk end reaktoren. Forbrændingen af koks er exotermisk og producerer en stor mængde varme, som delvis absorberes af den regenererede katalysator og tilfører den varme, der er nødvendig for fordampningen af råmaterialet og de endoterme krakningsreaktioner, der finder sted i katalysatorriserne. Af denne grund betegnes FCC-enheder ofte som værende “varmebalancerede”.
Den varme katalysator (ved ca. 715 °C), der forlader regeneratoren, strømmer ind i en katalysatorudtagningsbrønd, hvor eventuelle medfølgende forbrændingsrøggasser kan slippe ud og strømme tilbage i den øverste del til regeneratoren. Strømmen af regenereret katalysator til indsprøjtningspunktet for råmaterialet under katalysatorforløbet reguleres af en skydeventil i den regenererede katalysatorledning. Den varme røggas forlader regeneratoren efter at have passeret gennem flere sæt af totrinscykloner, der fjerner medfølgende katalysator fra røggassen.
Mængden af katalysator, der cirkulerer mellem regeneratoren og reaktoren, udgør ca. 5 kg pr. kg råmateriale, hvilket svarer til ca. 4,66 kg pr. liter råmateriale. En FCC-enhed, der behandler 75 000 tønder pr. dag (11 900 m3/d), vil således cirkulere ca. 55 900 tons katalysator pr. dag.
HovedkolonneRediger
Dampene fra reaktionsproduktet (ved 535 °C og et tryk på 1.72 bar) strømmer fra toppen af reaktoren til den nederste del af hovedkolonnen (almindeligvis benævnt hovedfraktionatoren, hvor feedsplitning finder sted), hvor de destilleres til FCC- slutprodukterne krakket petroleumnaphtha, fuelolie og offgas. Efter yderligere behandling med henblik på fjernelse af svovlforbindelser bliver den krakkede naphtha til en komponent med høj oktan i raffinaderiets blandede gasoliner.
Den primære fraktioneringsafgasning sendes til en såkaldt gasgenvindingsenhed, hvor den adskilles i butaner og butylener, propan og propylen og gasser med lavere molekylvægt (brint, methan, ethylen og ethan). Nogle FCC-gasgenvindingsenheder kan også udskille noget af ethanen og ethylen.
Og selv om det skematiske flowdiagram ovenfor viser, at hovedfraktionatoren kun har én sidecutstripper og ét brændselsolieprodukt, har mange FCC-hovedfraktionatorer to sidecutstrippere og producerer en let brændselsolie og en tung brændselsolie. Ligeledes producerer mange FCC-hovedfraktioneringsanlæg en let krakket naphtha og en tung krakket naphtha. Terminologien let og tungt henviser i denne sammenhæng til produkternes kogeområder, idet lette produkter har et lavere kogeområde end tunge produkter.
Den nederste produktolie fra hovedfraktionatoren indeholder resterende katalysatorpartikler, som ikke blev fjernet fuldstændigt af cyklonerne i toppen af reaktoren. Af denne grund betegnes bundproduktolien som en slurry-olie. En del af denne slurryolie genanvendes tilbage til hovedfraktionatoren over indgangspunktet for de varme reaktionsproduktdampe for at afkøle og delvis kondensere reaktionsproduktdamperne, når de kommer ind i hovedfraktionatoren. Resten af slurryolien pumpes gennem en slurry settler. Bundolien fra slurryafregneren indeholder de fleste katalysatorpartikler fra slurryolien og genanvendes tilbage i katalysatorriserne ved at blive blandet med FCC-råvareolien. Den klarede slurryolie eller dekanterede olie trækkes fra toppen af slurry settleren til brug andetsteds i raffinaderiet, som en tung brændselsolieblandingskomponent eller som carbon black feedstock.
RegeneratorrøggasRediger
Afhængigt af valget af FCC-konstruktion kan forbrændingen i regeneratoren af koks på den brugte katalysator være fuldstændig forbrænding til kuldioxid CO
2 eller ej. Forbrændingsluftstrømmen styres således, at der opnås det ønskede forhold mellem kulmonoxid (CO) og kuldioxid for hvert enkelt FCC-design.
I det design, der er vist i figur 1, er kokken kun delvist forbrændt til CO
2. Forbrændingsrøggassen (indeholdende CO og CO
2) ved 715 °C og et tryk på 2,41 bar ledes gennem en sekundær katalysatorseparator med hvirvelrør, der er konstrueret til at fjerne 70 til 90 % af partiklerne i røggassen, der forlader regeneratoren. Dette er nødvendigt for at forhindre erosionsskader på bladene i den turboekspander, som røggassen derefter ledes gennem.
Den ekspansion af røggassen gennem en turboekspander giver tilstrækkelig effekt til at drive regeneratorens forbrændingsluftkompressor. Den elektriske motor-generator kan forbruge eller producere elektrisk energi. Hvis ekspansionen af røggassen ikke giver tilstrækkelig energi til at drive luftkompressoren, leverer den elektriske motor/generator den nødvendige ekstra energi. Hvis røggasekspansionen giver mere energi end nødvendigt for at drive luftkompressoren, omdanner den elektriske motor/generator den overskydende energi til elektrisk energi og eksporterer den til raffinaderiets elsystem.
Den ekspanderede røggas ledes derefter gennem en dampproducerende kedel (benævnt CO-kedel), hvor kulilte i røggassen forbrændes som brændsel for at fremskaffe damp til brug i raffinaderiet samt for at overholde eventuelle gældende miljøbestemmelser om kulilteemissioner.
Røggassen behandles endelig gennem en elektrofilter (ESP) for at fjerne resterende partikler for at overholde eventuelle gældende miljøbestemmelser om partikelemissioner. ESP’en fjerner partikler i størrelsesområdet 2 til 20 µm fra røggassen. Partikelfiltersystemer, kendt som fjerde fase-separatorer (FSS), er undertiden nødvendige for at overholde grænseværdierne for partikelemission. Disse kan erstatte ESP’et, når partikelemissioner er det eneste problem.
Dampturbinen i røggasbehandlingssystemet (vist i ovenstående diagram) bruges til at drive regeneratorens forbrændingsluftkompressor under opstart af FCC-enheden, indtil der er tilstrækkeligt med forbrændingsrøggas til at overtage denne opgave.