Die modernen FCC-Anlagen sind allesamt kontinuierliche Prozesse, die zwischen den geplanten Abschaltungen für die Routinewartung 3 bis 5 Jahre lang rund um die Uhr in Betrieb sind.
Es gibt mehrere verschiedene geschützte Konstruktionen, die für moderne FCC-Anlagen entwickelt worden sind. Jedes Design ist im Rahmen einer Lizenz erhältlich, die von jedem Erdölraffinerieunternehmen, das eine FCC-Anlage des jeweiligen Designs bauen und betreiben möchte, vom Entwickler des Designs erworben werden muss.
Es gibt zwei verschiedene Konfigurationen für eine FCC-Anlage: den „gestapelten“ Typ, bei dem der Reaktor und der Katalysatorregenerator in zwei getrennten Behältern untergebracht sind, wobei sich der Reaktor über dem Regenerator befindet und eine Schürze zwischen diesen Behältern den Anschluss der Abgasleitungen des Regenerators an den oberen Teil des Regeneratorbehälters ermöglicht, und den „nebeneinanderliegenden“ Typ, bei dem sich der Reaktor und der Katalysatorregenerator in zwei getrennten Behältern befinden. Die gestapelte Konfiguration beansprucht weniger Platz im Raffineriebereich. Dies sind die wichtigsten FCC-Konstrukteure und Lizenzgeber:
Side-by-Side-Konfiguration:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – derzeit im Besitz von Technip
- Universal Oil Products (UOP) – derzeit hundertprozentige Tochtergesellschaft von Honeywell
Gestapelte Konfiguration:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Jeder der Lizenzgeber für geschützte Konstruktionen behauptet, einzigartige Merkmale und Vorteile zu haben. Eine vollständige Erörterung der relativen Vorteile der einzelnen Verfahren würde den Rahmen dieses Artikels sprengen.
Reaktor und RegeneratorBearbeiten
Der Reaktor und der Regenerator gelten als das Herzstück der katalytischen Wirbelschichtspaltanlage. Das schematische Fließbild einer typischen modernen FCC-Anlage in Abbildung 1 unten basiert auf der „Side-by-Side“-Konfiguration. Das vorgewärmte, hochsiedende Erdöl-Einsatzmaterial (bei etwa 315 bis 430 °C), das aus langkettigen Kohlenwasserstoffmolekülen besteht, wird mit recyceltem Slurry-Öl vom Boden der Destillationskolonne kombiniert und in den Katalysator-Riser eingespritzt, wo es verdampft und durch Kontakt und Vermischung mit dem sehr heißen pulverförmigen Katalysator aus dem Regenerator in kleinere Dampfmoleküle gecrackt wird. Alle Crackreaktionen finden im Katalysator-Riser innerhalb von 2-4 Sekunden statt. Die Kohlenwasserstoffdämpfe „verflüssigen“ den pulverförmigen Katalysator, und das Gemisch aus Kohlenwasserstoffdämpfen und Katalysator strömt nach oben und tritt bei einer Temperatur von etwa 535 °C und einem Druck von etwa 1,72 bar in den Reaktor ein.
Der Reaktor ist ein Behälter, in dem die gecrackten Produktdämpfe: (a) vom verbrauchten Katalysator abgetrennt werden, indem sie durch eine Reihe von zweistufigen Zyklonen innerhalb des Reaktors strömen, und (b) der verbrauchte Katalysator nach unten durch einen Dampfstrippabschnitt strömt, um alle Kohlenwasserstoffdämpfe zu entfernen, bevor der verbrauchte Katalysator zum Katalysatorregenerator zurückkehrt. Der Durchfluss des verbrauchten Katalysators zum Regenerator wird durch einen Schieber in der Leitung für den verbrauchten Katalysator geregelt.
Da bei den Crackreaktionen kohlenstoffhaltiges Material (so genannter Katalysatorkoks) entsteht, das sich auf dem Katalysator ablagert und die Reaktivität des Katalysators sehr schnell verringert, wird der Katalysator regeneriert, indem der abgelagerte Koks mit in den Regenerator eingeblasener Luft abgebrannt wird. Der Regenerator arbeitet bei einer Temperatur von ca. 715 °C und einem Druck von ca. 2,41 bar, d. h. der Regenerator arbeitet mit einem um ca. 0,7 bar höheren Druck als der Reaktor. Die Verbrennung des Koks ist exotherm und erzeugt eine große Wärmemenge, die teilweise vom regenerierten Katalysator absorbiert wird und die Wärme liefert, die für die Verdampfung des Einsatzmaterials und die endothermen Crackreaktionen im Katalysatorsteigrohr benötigt wird. Aus diesem Grund werden FCC-Anlagen oft als „wärmeausgeglichen“ bezeichnet.
Der heiße Katalysator (mit einer Temperatur von etwa 715 °C), der den Regenerator verlässt, fließt in einen Katalysatorentnahmeschacht, aus dem mitgerissene Verbrennungsabgase entweichen und in den oberen Teil des Regenerators zurückströmen können. Der Fluss des regenerierten Katalysators zur Einspeisestelle unterhalb des Katalysatorsteigrohrs wird durch einen Schieber in der Leitung für den regenerierten Katalysator geregelt. Das heiße Rauchgas verlässt den Regenerator, nachdem es mehrere Sätze zweistufiger Zyklone durchlaufen hat, die den mitgerissenen Katalysator aus dem Rauchgas entfernen.
Die Menge des zwischen dem Regenerator und dem Reaktor zirkulierenden Katalysators beträgt etwa 5 kg pro kg Einsatzmaterial, was etwa 4,66 kg pro Liter Einsatzmaterial entspricht. Somit werden in einer FCC-Anlage, die 75.000 Barrel pro Tag (11.900 m3/d) verarbeitet, etwa 55.900 Tonnen Katalysator pro Tag umgewälzt.
HauptkolonneBearbeiten
Die Reaktionsproduktdämpfe (bei 535 °C und einem Druck von 1.72 bar) strömen vom Kopf des Reaktors in den unteren Teil der Hauptkolonne (gemeinhin als Hauptfraktionator bezeichnet, in dem die Aufspaltung der Einspeisung stattfindet), wo sie zu den FCC-Endprodukten gekracktes Erdölnaphtha, Heizöl und Abgas destilliert werden. Nach der weiteren Verarbeitung zur Entfernung von Schwefelverbindungen wird das gekrackte Naphtha zu einem hochoktanigen Bestandteil der Mischbenzine der Raffinerie.
Das Abgas des Hauptfraktionators wird in eine so genannte Gasrückgewinnungsanlage geleitet, wo es in Butane und Butylene, Propan und Propylen sowie Gase mit niedrigerem Molekulargewicht (Wasserstoff, Methan, Ethylen und Ethan) getrennt wird. Einige FCC-Gasrückgewinnungsanlagen können auch einen Teil des Ethans und Ethylens abtrennen.
Obwohl das obige schematische Flussdiagramm den Hauptfraktionator mit nur einem Seitenschnitt-Stripper und einem Heizölprodukt darstellt, haben viele FCC-Hauptfraktionatoren zwei Seitenschnitt-Stripper und produzieren ein leichtes Heizöl und ein schweres Heizöl. Ebenso produzieren viele FCC-Hauptfraktionatoren ein leichtes und ein schweres Crack-Naphtha. Die Begriffe leicht und schwer beziehen sich in diesem Zusammenhang auf die Siedebereiche der Produkte, wobei leichte Produkte einen niedrigeren Siedebereich haben als schwere Produkte.
Das untere Produktöl aus dem Hauptfraktionator enthält restliche Katalysatorpartikel, die von den Zyklonen im oberen Teil des Reaktors nicht vollständig entfernt wurden. Aus diesem Grund wird das untere Produktöl als Slurry-Öl bezeichnet. Ein Teil dieses Slurry-Öls wird oberhalb der Eintrittsstelle der heißen Reaktionsproduktdämpfe in den Hauptfraktionator zurückgeführt, um die Reaktionsproduktdämpfe beim Eintritt in den Hauptfraktionator zu kühlen und teilweise zu kondensieren. Der Rest des Slurry-Öls wird durch einen Slurry-Abscheider gepumpt. Das Bodenöl aus dem Slurry-Abscheider enthält den größten Teil der Slurry-Öl-Katalysatorpartikel und wird in den Katalysator-Riser zurückgeführt, indem es mit dem FCC-Einsatzöl gemischt wird. Das geklärte Slurry-Öl oder Dekantieröl wird am oberen Ende des Slurry-Settlers abgezogen und an anderer Stelle in der Raffinerie, als Schweröl-Mischkomponente oder als Ruß-Einsatzmaterial verwendet.
Regenerator-RauchgasBearbeiten
Abhängig von der gewählten FCC-Konstruktion kann die Verbrennung des Koks auf dem verbrauchten Katalysator im Regenerator eine vollständige Verbrennung zu Kohlendioxid CO
2 sein oder nicht. Der Verbrennungsluftstrom wird so gesteuert, dass das gewünschte Verhältnis von Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid für jede spezifische FCC-Konstruktion erreicht wird.
Bei der in Abbildung 1 dargestellten Konstruktion wurde der Koks nur teilweise zu CO
2 verbrannt. Das Verbrennungsabgas (das CO und CO
2 enthält) wird bei 715 °C und einem Druck von 2,41 bar durch einen sekundären Katalysatorabscheider geleitet, der Drallrohre enthält, die so ausgelegt sind, dass 70 bis 90 Prozent der Partikel im Abgas, das den Regenerator verlässt, entfernt werden. Dies ist erforderlich, um Erosionsschäden an den Schaufeln des Turboexpanders zu vermeiden, durch den das Rauchgas anschließend geleitet wird.
Die Expansion des Rauchgases durch einen Turboexpander liefert ausreichend Energie, um den Verbrennungsluftkompressor des Regenerators anzutreiben. Der Elektromotor-Generator kann elektrische Energie verbrauchen oder erzeugen. Wenn die Expansion des Rauchgases nicht ausreicht, um den Luftkompressor anzutreiben, liefert der Elektromotor/Generator die benötigte zusätzliche Energie. Wenn die Rauchgasexpansion mehr Energie liefert, als für den Antrieb des Luftkompressors benötigt wird, wandelt der Elektromotor/Generator die überschüssige Energie in elektrische Energie um und speist sie in das elektrische System der Raffinerie ein.
Das expandierte Rauchgas wird dann durch einen dampferzeugenden Kessel (einen so genannten CO-Kessel) geleitet, in dem das im Rauchgas enthaltene Kohlenmonoxid als Brennstoff verbrannt wird, um Dampf für die Verwendung in der Raffinerie zu erzeugen und um die geltenden Umweltvorschriften für Kohlenmonoxidemissionen einzuhalten.
Das Rauchgas wird schließlich durch einen Elektrofilter geleitet, um die restlichen Partikel zu entfernen und die geltenden Umweltvorschriften für Partikelemissionen einzuhalten. Der Elektrofilter entfernt Partikel im Größenbereich von 2 bis 20 µm aus dem Rauchgas. Partikelfiltersysteme, so genannte Fourth Stage Separators (FSS), sind manchmal erforderlich, um die Partikelemissionsgrenzwerte einzuhalten. Diese können den E-Filter ersetzen, wenn die Partikelemissionen das einzige Problem darstellen.
Die Dampfturbine im Rauchgasaufbereitungssystem (im obigen Diagramm dargestellt) wird verwendet, um den Verbrennungsluftkompressor des Regenerators während des Anfahrens der FCC-Anlage anzutreiben, bis genügend Verbrennungsrauchgas vorhanden ist, um diese Aufgabe zu übernehmen.