Le moderne unità FCC sono tutti processi continui che funzionano 24 ore al giorno per 3-5 anni tra arresti programmati per la manutenzione ordinaria.
Ci sono diversi design proprietari che sono stati sviluppati per le moderne unità FCC. Ogni progetto è disponibile sotto una licenza che deve essere acquistata dallo sviluppatore del progetto da qualsiasi società di raffinazione del petrolio che desideri costruire e far funzionare un FCC di un determinato progetto.
Ci sono due diverse configurazioni per un’unità FCC: il tipo “impilato” dove il reattore e il rigeneratore del catalizzatore sono contenuti in due recipienti separati, con il reattore sopra il rigeneratore, con una gonna tra questi recipienti che permette alle tubazioni del gas di scarico del rigeneratore di collegarsi alla parte superiore del recipiente del rigeneratore, e il tipo “side-by-side” dove il reattore e il rigeneratore del catalizzatore sono in due recipienti separati. La configurazione impilata occupa meno spazio fisico dell’area della raffineria. Questi sono i principali progettisti e licenziatari di FCC:
Configurazione side-by-side:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – attualmente di proprietà di Technip
- Universal Oil Products (UOP) – attualmente controllata al 100% da Honeywell
Configurazione impilata:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Ognuno dei licenziatari di design proprietario sostiene di avere caratteristiche e vantaggi unici. Una discussione completa dei vantaggi relativi di ciascuno dei processi va oltre lo scopo di questo articolo.
Reattore e rigeneratoreModifica
Il reattore e il rigeneratore sono considerati il cuore dell’unità di cracking catalitico fluido. Il diagramma di flusso schematico di una tipica unità FCC moderna nella Figura 1 qui sotto è basato sulla configurazione “side-by-side”. La materia prima petrolifera preriscaldata ad alto punto di ebollizione (a circa 315 – 430 °C), che consiste in molecole di idrocarburi a catena lunga, viene combinata con olio di riciclo slurry dal fondo della colonna di distillazione e iniettata nel riser del catalizzatore dove viene vaporizzato e crackato in molecole di vapore più piccole per contatto e miscelazione con il catalizzatore in polvere molto caldo del rigeneratore. Tutte le reazioni di cracking avvengono nel riser del catalizzatore in un periodo di 2-4 secondi. I vapori di idrocarburi “fluidificano” il catalizzatore in polvere e la miscela di vapori di idrocarburi e catalizzatore scorre verso l’alto per entrare nel reattore a una temperatura di circa 535 °C e una pressione di circa 1,72 bar.
Il reattore è un recipiente in cui i vapori del prodotto crackizzato sono: (a) separati dal catalizzatore esaurito scorrendo attraverso una serie di cicloni a due stadi all’interno del reattore e (b) il catalizzatore esaurito scorre verso il basso attraverso una sezione di stripping a vapore per rimuovere eventuali vapori di idrocarburi prima che il catalizzatore esaurito ritorni al rigeneratore del catalizzatore. Il flusso di catalizzatore esaurito verso il rigeneratore è regolato da una valvola a scorrimento nella linea del catalizzatore esaurito.
Poiché le reazioni di cracking producono del materiale carbonioso (chiamato coke del catalizzatore) che si deposita sul catalizzatore e riduce molto rapidamente la reattività del catalizzatore, il catalizzatore viene rigenerato bruciando il coke depositato con aria soffiata nel rigeneratore. Il rigeneratore funziona a una temperatura di circa 715 °C e a una pressione di circa 2,41 bar, quindi il rigeneratore funziona a circa 0,7 bar in più rispetto al reattore. La combustione del coke è esotermica e produce una grande quantità di calore che viene parzialmente assorbita dal catalizzatore rigenerato e fornisce il calore necessario per la vaporizzazione della materia prima e per le reazioni endotermiche di cracking che avvengono nel riser del catalizzatore. Per questo motivo, le unità FCC sono spesso definite “termicamente bilanciate”.
Il catalizzatore caldo (a circa 715 °C) che lascia il rigeneratore fluisce in un pozzo di ritiro del catalizzatore dove i gas di combustione trascinati possono fuoriuscire e rifluire nella parte superiore del rigeneratore. Il flusso di catalizzatore rigenerato al punto di iniezione della materia prima sotto l’alzata del catalizzatore è regolato da una valvola a scorrimento nella linea del catalizzatore rigenerato. Il gas di scarico caldo esce dal rigeneratore dopo essere passato attraverso più serie di cicloni a due stadi che rimuovono il catalizzatore trascinato dal gas di scarico.
La quantità di catalizzatore che circola tra il rigeneratore e il reattore ammonta a circa 5 kg per kg di materia prima, che è equivalente a circa 4,66 kg per litro di materia prima. Così, un’unità FCC che lavora 75.000 barili al giorno (11.900 m3/d) farà circolare circa 55.900 tonnellate al giorno di catalizzatore.
Colonna principaleModifica
I vapori del prodotto di reazione (a 535 °C e una pressione di 1.72 bar) fluiscono dalla parte superiore del reattore alla sezione inferiore della colonna principale (comunemente indicata come il frazionatore principale dove avviene la scissione dell’alimentazione) dove vengono distillati nei prodotti finali FCC di nafta di petrolio crackizzata, olio combustibile e offgas. Dopo un ulteriore trattamento per la rimozione dei composti di zolfo, la nafta crackizzata diventa un componente ad alto numero di ottani delle miscele di benzina della raffineria.
Il gas di scarico del frazionatore principale viene inviato a quella che viene chiamata un’unità di recupero del gas dove viene separato in butani e butileni, propano e propilene, e gas di peso molecolare inferiore (idrogeno, metano, etilene ed etano). Alcune unità di recupero gas FCC possono anche separare parte dell’etano e dell’etilene.
Anche se il diagramma di flusso schematico di cui sopra descrive il frazionatore principale come avente un solo stripper sidecut e un prodotto di olio combustibile, molti frazionatori principali FCC hanno due stripper sidecut e producono un olio combustibile leggero e un olio combustibile pesante. Allo stesso modo, molti frazionatori principali FCC producono una nafta leggera e una nafta pesante. La terminologia leggera e pesante in questo contesto si riferisce alle gamme di ebollizione del prodotto, con i prodotti leggeri che hanno una gamma di ebollizione inferiore rispetto ai prodotti pesanti.
L’olio del prodotto di fondo dal frazionatore principale contiene particelle residue del catalizzatore che non sono state completamente rimosse dai cicloni nella parte superiore del reattore. Per questo motivo, l’olio del prodotto di fondo viene chiamato “slurry oil”. Una parte dell’olio fangoso viene riciclata di nuovo nel frazionatore principale sopra il punto di entrata dei vapori caldi del prodotto di reazione in modo da raffreddare e condensare parzialmente i vapori del prodotto di reazione quando entrano nel frazionatore principale. Il resto dell’olio di slurry viene pompato attraverso un decantatore di slurry. L’olio di fondo dello slurry settler contiene la maggior parte delle particelle del catalizzatore dello slurry oil e viene riciclato nuovamente nel riser del catalizzatore combinandolo con l’olio del feedstock FCC. L’olio chiarificato dello slurry o l’olio decantato è ritirato dalla parte superiore dello slurry settler per l’uso altrove nella raffineria, come componente di miscelazione dell’olio combustibile pesante, o come materia prima del nerofumo.
Gas di scarico del rigeneratoreModifica
A seconda della scelta del design FCC, la combustione nel rigeneratore del coke sul catalizzatore esaurito può o non può essere combustione completa in anidride carbonica CO
2. Il flusso dell’aria di combustione è controllato in modo da fornire il rapporto desiderato di monossido di carbonio (CO) e anidride carbonica per ogni specifico progetto FCC.
Nel progetto mostrato nella Figura 1, il coke è stato solo parzialmente bruciato a CO
2. Il gas di scarico della combustione (contenente CO e CO
2) a 715 °C e a una pressione di 2,41 bar viene fatto passare attraverso un separatore di catalizzatore secondario contenente tubi a vortice progettati per rimuovere dal 70 al 90% del particolato nel gas di scarico in uscita dal rigeneratore. Questo è necessario per prevenire danni da erosione alle pale del turbo-espansore attraverso il quale il gas di scarico viene fatto passare successivamente.
L’espansione del gas di scarico attraverso un turbo-espansore fornisce energia sufficiente per azionare il compressore dell’aria di combustione del rigeneratore. Il motore-generatore elettrico può consumare o produrre energia elettrica. Se l’espansione dei fumi non fornisce abbastanza energia per azionare il compressore d’aria, il motore elettrico/generatore fornisce l’energia supplementare necessaria. Se l’espansione dei fumi fornisce più potenza di quella necessaria per azionare il compressore d’aria, allora il motore elettrico/generatore converte la potenza in eccesso in energia elettrica e la esporta al sistema elettrico della raffineria.
Il gas di scarico espanso viene poi fatto passare attraverso una caldaia che genera vapore (detta caldaia a CO) dove il monossido di carbonio presente nel gas di scarico viene bruciato come combustibile per fornire vapore per l’uso nella raffineria e per rispettare i limiti normativi ambientali applicabili alle emissioni di monossido di carbonio.
Il gas di scarico viene infine trattato attraverso un precipitatore elettrostatico (ESP) per rimuovere il particolato residuo e rispettare le normative ambientali applicabili relative alle emissioni di particolato. L’ESP rimuove il particolato nella gamma di dimensioni da 2 a 20 µm dal gas di scarico. I sistemi di filtraggio del particolato, conosciuti come separatori di quarto stadio (FSS) sono talvolta richiesti per soddisfare i limiti di emissione di particolato. Questi possono sostituire l’ESP quando le emissioni di particolato sono l’unica preoccupazione.
La turbina a vapore nel sistema di trattamento dei fumi (mostrata nel diagramma precedente) è usata per azionare il compressore dell’aria di combustione del rigeneratore durante gli avviamenti dell’unità FCC fino a quando non c’è abbastanza gas di combustione per assumersi questo compito.