Les unités modernes de FCC sont toutes des procédés continus qui fonctionnent 24 heures sur 24 pendant une période pouvant aller jusqu’à 3 à 5 ans entre les arrêts prévus pour l’entretien de routine.
Il existe plusieurs conceptions propriétaires différentes qui ont été développées pour les unités modernes de FCC. Chaque conception est disponible sous une licence qui doit être achetée auprès du concepteur de la conception par toute société de raffinage de pétrole souhaitant construire et exploiter un FCC d’une conception donnée.
Il existe deux configurations différentes pour une unité FCC : le type « empilé » où le réacteur et le régénérateur de catalyseur sont contenus dans deux cuves distinctes, le réacteur étant au-dessus du régénérateur, avec une jupe entre ces cuves permettant à la tuyauterie des effluents gazeux du régénérateur de se connecter au sommet de la cuve du régénérateur, et le type « côte à côte » où le réacteur et le régénérateur de catalyseur sont dans deux cuves distinctes. La configuration empilée occupe moins d’espace physique dans la zone de la raffinerie. Voici les principaux concepteurs et donneurs de licence de FCC :
Configuration côte à côte :
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – actuellement détenu par Technip
- Universal Oil Products (UOP) – actuellement filiale à part entière de Honeywell
Configuration empilée :
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Chacun des concédants de licence de conception exclusive prétend avoir des caractéristiques et des avantages uniques. Une discussion complète des avantages relatifs de chacun des procédés dépasse la portée de cet article.
Réacteur et régénérateurEdit
Le réacteur et le régénérateur sont considérés comme le cœur de l’unité de craquage catalytique fluide. L’organigramme schématique d’une unité moderne typique de FCC dans la figure 1 ci-dessous est basé sur la configuration » côte à côte « . La charge pétrolière préchauffée à haut point d’ébullition (entre 315 et 430 °C environ), constituée de molécules d’hydrocarbures à longue chaîne, est combinée avec l’huile de boue recyclée provenant du bas de la colonne de distillation et injectée dans la colonne montante du catalyseur où elle est vaporisée et craquée en molécules de vapeur plus petites par contact et mélange avec le catalyseur en poudre très chaud provenant du régénérateur. Toutes les réactions de craquage ont lieu dans la colonne montante de catalyseur en l’espace de 2 à 4 secondes. Les vapeurs d’hydrocarbures « fluidifient » le catalyseur en poudre et le mélange de vapeurs d’hydrocarbures et de catalyseur s’écoule vers le haut pour entrer dans le réacteur à une température d’environ 535 °C et à une pression d’environ 1,72 bar.
Le réacteur est une cuve dans laquelle les vapeurs de produits craqués sont : (a) séparées du catalyseur usé en s’écoulant à travers un ensemble de cyclones à deux étages à l’intérieur du réacteur et (b) le catalyseur usé s’écoule vers le bas à travers une section de stripping à la vapeur pour éliminer toute vapeur d’hydrocarbure avant que le catalyseur usé ne retourne au régénérateur de catalyseur. Le flux de catalyseur usé vers le régénérateur est régulé par une vanne à tiroir dans la ligne de catalyseur usé.
Puisque les réactions de craquage produisent une certaine matière carbonée (appelée coke de catalyseur) qui se dépose sur le catalyseur et réduit très rapidement la réactivité du catalyseur, le catalyseur est régénéré en brûlant le coke déposé avec de l’air soufflé dans le régénérateur. Le régénérateur fonctionne à une température d’environ 715 °C et à une pression d’environ 2,41 bars, ce qui signifie que le régénérateur fonctionne à une pression supérieure d’environ 0,7 bar à celle du réacteur. La combustion du coke est exothermique et produit une grande quantité de chaleur qui est partiellement absorbée par le catalyseur régénéré et fournit la chaleur nécessaire à la vaporisation de la charge et aux réactions de craquage endothermique qui ont lieu dans la colonne montante du catalyseur. Pour cette raison, les unités FCC sont souvent qualifiées d' »équilibrées sur le plan thermique ».
Le catalyseur chaud (à environ 715 °C) quittant le régénérateur s’écoule dans un puits de retrait du catalyseur où les gaz de combustion entraînés peuvent s’échapper et revenir dans la partie supérieure du régénérateur. Le flux de catalyseur régénéré vers le point d’injection de la charge en dessous de la colonne montante de catalyseur est régulé par une vanne à glissière dans la ligne de catalyseur régénéré. Les gaz de combustion chauds sortent du régénérateur après avoir traversé plusieurs ensembles de cyclones à deux étages qui éliminent le catalyseur entraîné des gaz de combustion.
La quantité de catalyseur circulant entre le régénérateur et le réacteur s’élève à environ 5 kg par kg de charge d’alimentation, ce qui équivaut à environ 4,66 kg par litre de charge d’alimentation. Ainsi, une unité FCC traitant 75 000 barils par jour (11 900 m3/j) fera circuler environ 55 900 tonnes par jour de catalyseur.
Colonne principaleEdit
Les vapeurs du produit de réaction (à 535 °C et à une pression de 1.72 bar) s’écoulent de la partie supérieure du réacteur vers la section inférieure de la colonne principale (communément appelée fractionnement principal où le fractionnement de l’alimentation a lieu) où elles sont distillées dans les produits finaux du FCC, à savoir le naphta de pétrole craqué, le fioul et les effluents gazeux. Après un traitement supplémentaire pour l’élimination des composés de soufre, le naphta craqué devient un composant à indice d’octane élevé des essences mélangées de la raffinerie.
Les effluents gazeux du fractionnement principal sont envoyés vers ce qu’on appelle une unité de récupération des gaz où ils sont séparés en butanes et butylènes, propane et propylène, et en gaz de poids moléculaire inférieur (hydrogène, méthane, éthylène et éthane). Certaines unités de récupération de gaz de FCC peuvent également séparer une partie de l’éthane et de l’éthylène.
Bien que le schéma de flux ci-dessus représente le fractionnement principal comme ayant seulement un strippeur latéral et un produit de fioul, de nombreux fractionnements principaux de FCC ont deux strippeurs latéraux et produisent un fioul léger et un fioul lourd. De même, de nombreux fractionneurs principaux de FCC produisent un naphta de craquage léger et un naphta de craquage lourd. La terminologie léger et lourd dans ce contexte fait référence aux plages d’ébullition des produits, les produits légers ayant une plage d’ébullition inférieure à celle des produits lourds.
L’huile de produit de fond provenant du fractionneur principal contient des particules de catalyseur résiduelles qui n’ont pas été complètement éliminées par les cyclones en haut du réacteur. Pour cette raison, l’huile de produit de fond est appelée huile de boue. Une partie de cette huile en suspension est recyclée dans le fractionneur principal au-dessus du point d’entrée des vapeurs chaudes du produit de réaction afin de refroidir et de condenser partiellement les vapeurs du produit de réaction lorsqu’elles entrent dans le fractionneur principal. Le reste de l’huile de boue est pompé à travers un décanteur de boue. L’huile de fond du décanteur de boue contient la plupart des particules de catalyseur de l’huile de boue et est recyclée dans la colonne montante de catalyseur en la combinant avec l’huile de charge FCC. L’huile de boue clarifiée ou l’huile décantée est retirée du haut du décanteur de boue pour être utilisée ailleurs dans la raffinerie, comme composant de mélange de fioul lourd, ou comme charge d’alimentation de noir de carbone.
Gaz de fumée du régénérateurModification
Selon le choix de la conception du FCC, la combustion dans le régénérateur du coke sur le catalyseur usé peut ou non être une combustion complète en dioxyde de carbone CO
2. Le débit d’air de combustion est contrôlé de manière à fournir le rapport souhaité entre le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone pour chaque conception spécifique du FCC.
Dans la conception illustrée à la figure 1, le coke n’a été que partiellement brûlé en CO
2. Les gaz de combustion (contenant du CO et du CO
2) à 715 °C et à une pression de 2,41 bars sont acheminés à travers un séparateur de catalyseur secondaire contenant des tubes de tourbillonnement conçus pour éliminer 70 à 90 pour cent des particules dans les gaz de combustion quittant le régénérateur. Ceci est nécessaire pour éviter les dommages dus à l’érosion sur les aubes du turbodétendeur par lequel les gaz de combustion sont ensuite acheminés.
L’expansion des gaz de combustion à travers un turbodétendeur fournit une puissance suffisante pour entraîner le compresseur d’air de combustion du régénérateur. Le moteur-générateur électrique peut consommer ou produire de l’énergie électrique. Si la dilatation des gaz de combustion ne fournit pas assez de puissance pour entraîner le compresseur d’air, le moteur/générateur électrique fournit la puissance supplémentaire nécessaire. Si l’expansion des gaz de combustion fournit plus de puissance que nécessaire pour entraîner le compresseur d’air, alors le moteur/générateur électrique convertit la puissance excédentaire en puissance électrique et l’exporte vers le système électrique de la raffinerie.
Les gaz de combustion détendus sont ensuite acheminés à travers une chaudière génératrice de vapeur (appelée chaudière à CO) où le monoxyde de carbone contenu dans les gaz de combustion est brûlé comme combustible pour fournir de la vapeur à utiliser dans la raffinerie ainsi que pour se conformer à toute limite réglementaire environnementale applicable aux émissions de monoxyde de carbone.
Les gaz de combustion sont finalement traités à travers un précipitateur électrostatique (ESP) pour éliminer les particules résiduelles afin de se conformer à toute réglementation environnementale applicable aux émissions de particules. L’ESP élimine les particules d’une taille comprise entre 2 et 20 µm des gaz de combustion. Les systèmes de filtres à particules, appelés séparateurs de quatrième étage (FSS), sont parfois nécessaires pour respecter les limites d’émission de particules. Ceux-ci peuvent remplacer l’ESP lorsque les émissions de particules sont la seule préoccupation.
La turbine à vapeur du système de traitement des gaz de combustion (représentée dans le schéma ci-dessus) est utilisée pour entraîner le compresseur d’air de combustion du régénérateur pendant les démarrages de l’unité FCC jusqu’à ce qu’il y ait suffisamment de gaz de combustion pour assumer cette tâche.