Nowoczesne jednostki FCC są procesami ciągłymi, które działają 24 godziny na dobę przez okres od 3 do 5 lat pomiędzy planowanymi wyłączeniami w celu rutynowej konserwacji.
Istnieje kilka różnych zastrzeżonych projektów, które zostały opracowane dla nowoczesnych jednostek FCC. Każdy projekt jest dostępny na podstawie licencji, która musi być zakupiona od twórcy projektu przez każdą spółkę rafinacji ropy naftowej pragnącą zbudować i obsługiwać FCC o danym projekcie.
Istnieją dwie różne konfiguracje jednostki FCC: typ „piętrowy”, w którym reaktor i regenerator katalizatora znajdują się w dwóch oddzielnych zbiornikach, przy czym reaktor znajduje się nad regeneratorem, a między tymi zbiornikami znajduje się przegroda umożliwiająca podłączenie rurociągu gazów odlotowych z regeneratora do górnej części zbiornika regeneratora, oraz typ „boczny”, w którym reaktor i regenerator katalizatora znajdują się w dwóch oddzielnych zbiornikach. Konfiguracja piętrowa zajmuje mniejszą przestrzeń fizyczną na terenie rafinerii. Oto główni projektanci i licencjodawcy FCC:
Konfiguracja typu „side-by-side”:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – obecnie własność Technip
- Universal Oil Products (UOP) – obecnie spółka zależna będąca w pełni własnością Honeywell
Konfiguracja piętrowa:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Każdy z licencjodawców projektów zastrzeżonych twierdzi, że posiada unikalne cechy i zalety. Pełna dyskusja na temat względnych zalet każdego z procesów wykracza poza zakres niniejszego artykułu.
Reaktor i regeneratorEdit
Reaktor i regenerator są uważane za serce jednostki fluidalnego krakingu katalitycznego. Schemat przepływu typowej nowoczesnej jednostki FCC na rysunku 1 poniżej jest oparty na konfiguracji „side-by-side”. Wstępnie podgrzany, wysokowrzący materiał wsadowy z ropy naftowej (o temperaturze około 315 do 430 °C), składający się z długołańcuchowych cząsteczek węglowodorów, jest łączony z recyrkulowanym olejem zawiesinowym z dna kolumny destylacyjnej i wstrzykiwany do pionu katalizatora, gdzie jest odparowywany i rozbijany na mniejsze cząsteczki pary w wyniku kontaktu i mieszania z bardzo gorącym sproszkowanym katalizatorem z regeneratora. Wszystkie reakcje krakingu zachodzą w pionie katalizatora w ciągu 2-4 sekund. Opary węglowodorów „fluidyzują” sproszkowany katalizator, a mieszanina oparów węglowodorów i katalizatora płynie w górę, aby wejść do reaktora w temperaturze około 535 °C i pod ciśnieniem około 1,72 bara.
Reaktor jest naczyniem, w którym pary produktów krakingu są: (a) oddzielane od zużytego katalizatora przez przepływ przez zestaw dwustopniowych cyklonów wewnątrz reaktora i (b) zużyty katalizator przepływa w dół przez sekcję odpędzania pary w celu usunięcia wszelkich oparów węglowodorów, zanim zużyty katalizator powróci do regeneratora katalizatora. Przepływ zużytego katalizatora do regeneratora jest regulowany za pomocą zaworu suwakowego w linii zużytego katalizatora.
Ponieważ w wyniku reakcji krakingu powstaje pewien materiał węglowy (zwany koksem z katalizatora), który osadza się na katalizatorze i bardzo szybko zmniejsza jego reaktywność, katalizator jest regenerowany przez spalenie osadzonego koksu powietrzem wdmuchiwanym do regeneratora. Regenerator pracuje w temperaturze ok. 715 °C i pod ciśnieniem ok. 2,41 bara, a więc regenerator pracuje pod ciśnieniem o ok. 0,7 bara wyższym niż reaktor. Spalanie koksu jest egzotermiczne i wytwarza dużą ilość ciepła, które jest częściowo absorbowane przez zregenerowany katalizator i dostarcza ciepła niezbędnego do odparowania materiału wsadowego oraz endotermicznych reakcji krakingu, które zachodzą w pionie katalizatora. Z tego powodu jednostki FCC są często określane jako „zrównoważone cieplnie”.
Gorący katalizator (o temperaturze około 715 °C) opuszczający regenerator przepływa do studni wycofania katalizatora, gdzie wszelkie porwane spaliny mogą się ulotnić i przepłynąć z powrotem do górnej części regeneratora. Przepływ zregenerowanego katalizatora do punktu wtrysku substratów poniżej pionu katalizatora jest regulowany za pomocą zaworu suwakowego w przewodzie regenerowanego katalizatora. Gorące spaliny opuszczają regenerator po przejściu przez wiele zestawów dwustopniowych cyklonów, które usuwają porwany katalizator ze spalin.
Ilość katalizatora krążącego między regeneratorem a reaktorem wynosi około 5 kg na kg materiału wsadowego, co odpowiada około 4,66 kg na litr materiału wsadowego. Tak więc w jednostce FCC przetwarzającej 75 000 baryłek dziennie (11 900 m3/d) będzie krążyć około 55 900 ton katalizatora dziennie.
Główna kolumnaEdit
Opary produktów reakcji (w temperaturze 535 °C i pod ciśnieniem 1.72 bar) przepływają z górnej części reaktora do dolnej części kolumny głównej (powszechnie określanej jako główny frakcjonator, w którym następuje rozdzielanie nadawy), gdzie są destylowane do produktów końcowych FCC w postaci krakowanej benzyny, oleju opałowego i gazu odlotowego. Po dalszym przetwarzaniu w celu usunięcia związków siarki, krakowana benzyna staje się wysokooktanowym składnikiem mieszanych benzyn rafinerii.
Główny gaz odlotowy z frakcjonatora jest przesyłany do tak zwanej jednostki odzysku gazu, gdzie jest rozdzielany na butany i butyleny, propan i propylen oraz gazy o niższej masie cząsteczkowej (wodór, metan, etylen i etan). Niektóre jednostki odzyskiwania gazu FCC mogą również oddzielać niektóre etany i etyleny.
Mimo że powyższy schemat przepływu przedstawia główny frakcjonator jako posiadający tylko jeden boczny striper i jeden produkt oleju opałowego, wiele głównych frakcjonatorów FCC ma dwa boczne stripery i wytwarza lekki olej opałowy i ciężki olej opałowy. Podobnie, wiele głównych frakcjonatorów FCC wytwarza lekką benzynę krakingową i ciężką benzynę krakingową. Terminologia lekki i ciężki w tym kontekście odnosi się do zakresów wrzenia produktów, przy czym produkty lekkie mają niższy zakres wrzenia niż produkty ciężkie.
Dolny olej produktowy z głównego frakcjonatora zawiera szczątkowe cząstki katalizatora, które nie zostały całkowicie usunięte przez cyklony w górnej części reaktora. Z tego powodu dolny olej produktowy jest określany jako olej zawiesinowy. Część tego oleju zawiesinowego jest zawracana do głównego frakcjonatora powyżej punktu wejścia gorących oparów produktów reakcji, tak aby schłodzić i częściowo skroplić opary produktów reakcji, gdy wchodzą do głównego frakcjonatora. Pozostała część oleju zawiesinowego jest pompowana przez osadnik zawiesinowy. Olej na dnie osadnika zawiesin zawiera większość cząstek katalizatora i jest zawracany z powrotem do pionu katalizatora przez połączenie go z olejem wsadowym FCC. Sklarowany olej zawiesinowy lub zdekantowany olej jest wycofywany z górnej części osadnika zawiesinowego do wykorzystania w innym miejscu rafinerii, jako składnik mieszanki ciężkiego oleju opałowego lub jako wsad sadzy.
Spaliny z regeneratoraEdit
Zależnie od wyboru projektu FCC, spalanie w regeneratorze koksu na zużytym katalizatorze może być lub nie być całkowitym spalaniem do dwutlenku węgla CO
2. Przepływ powietrza do spalania jest kontrolowany tak, aby zapewnić pożądany stosunek tlenku węgla (CO) do ditlenku węgla dla każdego konkretnego projektu FCC.
W projekcie przedstawionym na rysunku 1, koks został tylko częściowo spalony do CO
2. Spaliny ze spalania (zawierające CO i CO
2) o temperaturze 715 °C i ciśnieniu 2,41 bara są kierowane przez wtórny separator katalizatorów zawierający rury wirowe zaprojektowane do usuwania 70-90% cząstek stałych w spalinach opuszczających regenerator. Jest to wymagane, aby zapobiec uszkodzeniu erozyjnemu łopatek w turbo-ekspanderze, przez który spaliny są następnie kierowane.
Rozprężanie spalin przez turbo-ekspander dostarcza wystarczającej mocy do napędzania sprężarki powietrza do spalania w regeneratorze. Silnik elektryczny-generator może zużywać lub wytwarzać energię elektryczną. Jeśli rozprężanie spalin nie zapewnia wystarczającej mocy do napędzania sprężarki powietrza, silnik elektryczny/generator dostarcza potrzebnej dodatkowej mocy. Jeżeli rozprężanie gazów spalinowych dostarcza więcej mocy niż potrzeba do napędu sprężarki powietrza, wówczas silnik elektryczny/generator przekształca nadmiar mocy w energię elektryczną i przekazuje ją do systemu elektrycznego rafinerii.
Spaliny są ostatecznie przetwarzane przez elektrofiltr (ESP) w celu usunięcia pozostałości cząstek stałych, aby spełnić wszelkie obowiązujące przepisy środowiskowe dotyczące emisji cząstek stałych. ESP usuwa z gazu spalinowego cząstki stałe w zakresie wielkości od 2 do 20 µm. Systemy filtrów cząstek stałych, znane jako Separatory Czwartego Etapu (FSS) są czasami wymagane do spełnienia limitów emisji cząstek stałych. Mogą one zastąpić ESP, gdy emisje cząstek stałych są jedynym problemem.
Turbina parowa w układzie przetwarzania spalin (pokazana na powyższym schemacie) jest używana do napędzania sprężarki powietrza do spalania regeneratora podczas rozruchu jednostki FCC, dopóki nie ma wystarczającej ilości spalin do przejęcia tego zadania.
.