De moderne FCC-eenheden zijn continue processen die 24 uur per dag werken gedurende 3 tot 5 jaar tussen geplande shutdowns voor routineonderhoud.
Er zijn verschillende eigen ontwerpen ontwikkeld voor moderne FCC-eenheden. Elk ontwerp is verkrijgbaar onder een licentie die moet worden gekocht van de ontwikkelaar van het ontwerp door elke aardolieraffinaderij die een FCC van een bepaald ontwerp wil bouwen en exploiteren.
Er zijn twee verschillende configuraties voor een FCC-eenheid: het “gestapelde” type, waarbij de reactor en de katalysatorregenerator zich in twee afzonderlijke vaten bevinden, met de reactor boven de regenerator, met een rok tussen deze vaten waardoor de afgasleidingen van de regenerator op de bovenkant van het regeneratorvat kunnen worden aangesloten, en het “zij-aan-zij”-type, waarbij de reactor en de katalysatorregenerator zich in twee afzonderlijke vaten bevinden. De gestapelde configuratie neemt minder fysieke ruimte van de raffinaderij in beslag. Dit zijn de belangrijkste FCC-ontwerpers en licentiegevers:
Zij-aan-zij-configuratie:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – momenteel eigendom van Technip
- Universal Oil Products (UOP) – momenteel volledige dochteronderneming van Honeywell
Gestapelde configuratie:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Elke licentiegever van een eigen ontwerp beweert unieke kenmerken en voordelen te hebben. Een volledige bespreking van de relatieve voordelen van elk van de processen valt buiten het bestek van dit artikel.
Reactor en regeneratorEdit
De reactor en regenerator worden beschouwd als het hart van de fluid catalytic cracking unit. Het schematische stroomdiagram van een typische moderne FCC-eenheid in figuur 1 hieronder is gebaseerd op de “side-by-side”-configuratie. De voorverhitte hoogkokende aardoliegrondstof (bij ongeveer 315 tot 430 °C), bestaande uit koolwaterstofmoleculen met lange ketens, wordt gecombineerd met recyclingslurryolie uit de bodem van de destillatiekolom en in de katalysatorstijgleiding geïnjecteerd, waar hij wordt verdampt en gekraakt tot kleinere dampmoleculen door contact en vermenging met de zeer hete poederkatalysator uit de regenerator. Alle kraakreacties vinden plaats in de katalysatorstijger binnen een periode van 2-4 seconden. De koolwaterstofdampen “fluïdiseren” de poederkatalysator en het mengsel van koolwaterstofdampen en katalysator stroomt omhoog om de reactor binnen te gaan bij een temperatuur van ongeveer 535 °C en een druk van ongeveer 1,72 bar.
De reactor is een vat waarin de gekraakte productdampen worden: (a) worden gescheiden van de afgewerkte katalysator door door een set cyclonen met twee fasen binnen de reactor te stromen en (b) de afgewerkte katalysator naar beneden stroomt door een stoomstripsectie om eventuele koolwaterstofdampen te verwijderen voordat de afgewerkte katalysator terugkeert naar de katalysatorregenerator. De stroom van afgewerkte katalysator naar de regenerator wordt geregeld door een schuifklep in de leiding voor afgewerkte katalysator.
Omdat de kraakreacties wat koolstofhoudend materiaal produceren (katalysatorcokes genoemd) dat zich op de katalysator afzet en zeer snel de reactiviteit van de katalysator vermindert, wordt de katalysator geregenereerd door de afgezette cokes weg te branden met lucht die in de regenerator wordt geblazen. De regenerator werkt bij een temperatuur van ongeveer 715 °C en een druk van ongeveer 2,41 bar, zodat de regenerator bij ongeveer 0,7 bar hogere druk werkt dan de reactor. De verbranding van de cokes is exotherm en produceert een grote hoeveelheid warmte die gedeeltelijk wordt geabsorbeerd door de geregenereerde katalysator en de warmte levert die nodig is voor de verdamping van de grondstof en de endotherme krakingreacties die plaatsvinden in de katalysatorstijger. Daarom worden FCC-eenheden vaak “warmtegebalanceerd” genoemd.
De hete katalysator (van ongeveer 715 °C) die de regenerator verlaat, stroomt in een katalysatorafvoerput waar eventuele meegevoerde verbrandingsgassen kunnen ontsnappen en terugstromen naar het bovenste deel van de regenerator. De stroom van geregenereerde katalysator naar het voedingsstofinjectiepunt onder de katalysatorstijger wordt geregeld door een schuifafsluiter in de leiding voor geregenereerde katalysator. De hoeveelheid katalysator die tussen de regenerator en de reactor circuleert, bedraagt ongeveer 5 kg per kg grondstof, wat overeenkomt met ongeveer 4,66 kg per liter grondstof. Een FCC-eenheid die 75.000 vaten per dag (11.900 m3/d) verwerkt, zal dus ongeveer 55.900 ton katalysator per dag laten circuleren.
HoofdkolomEdit
De dampen van het reactieproduct (bij 535 °C en een druk van 1.72 bar) stromen van de top van de reactor naar het onderste deel van de hoofdkolom (gewoonlijk de hoofdfractionator genoemd, waar de splitsing van de toevoer plaatsvindt), waar zij worden gedestilleerd tot de FCC-eindproducten gekraakte petroleumnafta, stookolie en afgas. Na verdere verwerking voor verwijdering van zwavelverbindingen wordt de gekraakte nafta een bestanddeel met een hoog octaangehalte van de door de raffinaderij gemengde gasolines.
Het offgas van de hoofdfractionator wordt naar een zogenaamde gasherwinningseenheid gestuurd, waar het wordt gescheiden in butanen en butylenen, propaan en propyleen, en gassen met een lager moleculair gewicht (waterstof, methaan, ethyleen en ethaan). Sommige FCC-gasrecuperatie-eenheden kunnen ook een deel van het ethaan en ethyleen afscheiden.
Hoewel het bovenstaande schematische stroomdiagram de hoofdfractionator afbeeldt als hebbend slechts één sidecut stripper en één stookolieproduct, hebben veel FCC-hoofdfractionators twee sidecut strippers en produceren een lichte stookolie en een zware stookolie. Evenzo produceren veel FCC-hoofdfractioneringsinstallaties een lichte gekraakte nafta en een zware gekraakte nafta. De terminologie licht en zwaar verwijst in deze context naar de kooktrajecten van de producten, waarbij lichte producten een lager kooktraject hebben dan zware producten.
De onderste productolie van de hoofdfractionator bevat resterende katalysatordeeltjes die niet volledig werden verwijderd door de cyclonen bovenin de reactor. Om die reden wordt de olie van het onderste product een slurryolie genoemd. Een deel van die slurryolie wordt teruggevoerd naar de hoofdfractionator boven het ingangspunt van de hete reactieproductdampen om de reactieproductdampen af te koelen en gedeeltelijk te laten condenseren wanneer ze de hoofdfractionator binnenkomen. De rest van de slurryolie wordt door een slurrybezinker gepompt. De bodemolie uit de slurrybezinker bevat de meeste katalysatordeeltjes van de slurryolie en wordt teruggevoerd naar de katalysatorstijgleiding door deze te mengen met de FCC-grondstofolie. De geklaarde slurryolie of decanteerolie wordt teruggetrokken van de bovenkant van de slurrybezinker voor gebruik elders in de raffinaderij, als bestanddeel voor het mengen van zware stookolie, of als grondstof voor roet.
Rookgas van de regeneratorEdit
Afhankelijk van de keuze van het FCC-ontwerp kan de verbranding in de regenerator van de cokes op de afgewerkte katalysator al dan niet een volledige verbranding tot kooldioxide CO
2 zijn. De verbrandingsluchtstroom wordt zodanig geregeld dat voor elk specifiek FCC-ontwerp de gewenste verhouding tussen koolmonoxide (CO) en kooldioxide wordt verkregen.
In het ontwerp dat in figuur 1 is afgebeeld, is de cokes slechts gedeeltelijk verbrand tot CO
2. Het verbrandingsgas (met CO en CO
2) bij 715 °C en een druk van 2,41 bar wordt door een secundaire katalysatorafscheider geleid met wervelbuizen die zijn ontworpen om 70 tot 90 procent van de deeltjes in het rookgas dat de regenerator verlaat, te verwijderen. Dit is nodig om erosieschade te voorkomen aan de schoepen in de turbo-expander waar het rookgas vervolgens doorheen wordt geleid.
De expansie van rookgas door een turbo-expander levert voldoende vermogen om de verbrandingsluchtcompressor van de regenerator aan te drijven. De elektromotor-generator kan elektrische energie verbruiken of produceren. Als de expansie van het rookgas niet genoeg vermogen levert om de luchtcompressor aan te drijven, levert de elektromotor-generator het benodigde extra vermogen. Als de rookgasexpansie meer vermogen levert dan nodig is om de luchtcompressor aan te drijven, dan zet de elektromotor/generator het teveel aan vermogen om in elektrisch vermogen en voert dit uit naar het elektrische systeem van de raffinaderij.
Het geëxpandeerde rookgas wordt vervolgens door een stoomgenererende ketel geleid (aangeduid als een CO-ketel) waar het koolmonoxide in het rookgas als brandstof wordt verbrand om stoom te leveren voor gebruik in de raffinaderij en om te voldoen aan alle toepasselijke milieuregelgeving inzake koolmonoxide-emissies.
Het rookgas wordt ten slotte verwerkt door een elektrostatische precipitator (ESP) om resterende deeltjes te verwijderen om te voldoen aan alle toepasselijke milieuregelgeving inzake deeltjesuitstoot. De ESP verwijdert deeltjes in het groottebereik van 2 tot 20 µm uit het rookgas. Deeltjesfiltersystemen, bekend als Fourth Stage Separators (FSS), zijn soms vereist om aan de grenswaarden voor deeltjesemissies te voldoen. Deze kunnen de ESP vervangen wanneer deeltjesemissies de enige zorg zijn.
De stoomturbine in het rookgasverwerkingssysteem (weergegeven in bovenstaand schema) wordt gebruikt om de verbrandingsluchtcompressor van de regenerator aan te drijven tijdens het opstarten van de FCC-eenheid totdat er voldoende verbrandingsrookgas is om die taak over te nemen.