De moderna FCC-enheterna är alla kontinuerliga processer som drivs 24 timmar om dygnet i så lång tid som 3-5 år mellan schemalagda avstängningar för rutinunderhåll.
Det finns flera olika egenutvecklade konstruktioner som har utvecklats för moderna FCC-enheter. Varje konstruktion är tillgänglig enligt en licens som måste köpas från konstruktionsutvecklaren av varje oljeraffinaderi som vill bygga och driva en FCC av en viss konstruktion.
Det finns två olika konfigurationer för en FCC-enhet: den ”staplade” typen där reaktorn och katalysatorregeneratorn finns i två separata kärl, med reaktorn ovanför regeneratorn, med en skirt mellan dessa kärl som gör det möjligt för regeneratorns avgasledningar att anslutas till toppen av regeneratorkärlet, och den ”side-by-side” typen där reaktorn och katalysatorregeneratorn finns i två separata kärl. Den staplade konfigurationen upptar mindre fysiskt utrymme i raffinaderiet. Dessa är de viktigaste konstruktörerna och licensgivarna av FCC:
Side-by-side-konfiguration:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – ägs för närvarande av Technip
- Universal Oil Products (UOP) – för närvarande ett helägt dotterbolag till Honeywell
Staplad konfiguration:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Var och en av licensgivarna hävdar att de har unika egenskaper och fördelar. En fullständig diskussion om de relativa fördelarna med var och en av processerna ligger utanför ramen för denna artikel.
Reaktor och regeneratorEdit
Reaktorn och regeneratorn anses vara hjärtat i enheten för fluidkatalytisk krackning. Det schematiska flödesdiagrammet för en typisk modern FCC-enhet i figur 1 nedan bygger på ”side-by-side”-konfigurationen. Den förvärmda högkokande petroleumråvaran (vid cirka 315-430 °C) som består av långkedjiga kolvätemolekyler kombineras med återvunnen slurryolja från destillationskolonnens botten och sprutas in i katalysatorns stigrör där den förångas och krackas till mindre ångmolekyler genom att den kommer i kontakt med och blandas med den mycket heta pulverformiga katalysatorn från regeneratorn. Alla krackningsreaktioner äger rum i katalysatorns stigrör inom 2-4 sekunder. Kolväteångorna ”fluidiserar” den pulveriserade katalysatorn och blandningen av kolväteångor och katalysator strömmar uppåt för att komma in i reaktorn vid en temperatur på ca 535 °C och ett tryck på ca 1,72 bar.
Reaktorn är ett kärl i vilket de krackade produktångorna är: (a) separeras från den förbrukade katalysatorn genom att strömma genom en uppsättning tvåstegscykloner i reaktorn och (b) den förbrukade katalysatorn strömmar nedåt genom en ångstrippningssektion för att avlägsna eventuella kolväteångor innan den förbrukade katalysatorn återvänder till katalysatorregeneratorn. Flödet av förbrukad katalysator till regeneratorn regleras av en skjutventil i ledningen för förbrukad katalysator.
Då krackningsreaktionerna ger upphov till en del kolhaltigt material (så kallad katalysatorkoks) som avsätter sig på katalysatorn och mycket snabbt minskar katalysatorns reaktivitet, regenereras katalysatorn genom att den avsatta koksen bränns bort med luft som blåses in i regeneratorn. Regeneratorn arbetar vid en temperatur på ca 715 °C och ett tryck på ca 2,41 bar, vilket innebär att regeneratorn arbetar vid ett ca 0,7 bar högre tryck än reaktorn. Förbränningen av koks är exoterm och producerar en stor mängd värme som delvis absorberas av den regenererade katalysatorn och ger den värme som krävs för förångningen av råvaran och de endoterma krackningsreaktionerna som äger rum i katalysatorns stigare. Av den anledningen kallas FCC-enheter ofta för att vara ”värmebalanserade”.
Den heta katalysatorn (vid cirka 715 °C) som lämnar regeneratorn strömmar in i en katalysatoruttagsbrunn där eventuella medföljande förbränningsrökgaser får komma ut och strömma tillbaka till den övre delen av regeneratorn. Flödet av regenererad katalysator till insprutningspunkten för råmaterialet under katalysatorrören regleras av en skjutventil i ledningen för regenererad katalysator. Den heta rökgasen lämnar regeneratorn efter att ha passerat genom flera uppsättningar av tvåstegscykloner som avlägsnar medrymd katalysator från rökgasen.
Mängden katalysator som cirkulerar mellan regeneratorn och reaktorn uppgår till cirka 5 kg per kg råmaterial, vilket motsvarar cirka 4,66 kg per liter råmaterial. En FCC-enhet som bearbetar 75 000 fat per dag (11 900 m3/d) kommer således att cirkulera cirka 55 900 ton katalysator per dag.
HuvudkolumnRedigera
Reaktionsproduktens ångor (vid 535 °C och ett tryck på 1.72 bar) strömmar från toppen av reaktorn till den nedre delen av huvudkolonnen (vanligen kallad huvudfraktionatorn där uppdelningen av matningen äger rum) där de destilleras till FCC- slutprodukterna krackad petroleumnafta, eldningsolja och avgas. Efter ytterligare behandling för avlägsnande av svavelföreningar blir den krackade naftan en komponent med hög oktanhalt i raffinaderiets blandade bensinoljor.
Avgasen från huvudfraktionatorn skickas till en så kallad gasåtervinningsenhet där den separeras i butaner och butylener, propan och propylen och gaser med lägre molekylvikt (väte, metan, etylen och etan). Vissa FCC-gasåtervinningsenheter kan också separera ut en del av etan och eten.
Och även om det schematiska flödesdiagrammet ovan visar att huvudfraktionatorn endast har en sidecutstrippare och en brännoljeprodukt, har många FCC-huvudfraktionatorer två sidecutstrippare och producerar en lätt brännolja och en tung brännolja. På samma sätt producerar många FCC-huvudfraktioneringsanläggningar en lätt krackad nafta och en tung krackad nafta. Terminologin lätt och tung i detta sammanhang avser produkternas kokområden, där lätta produkter har ett lägre kokområde än tunga produkter.
Den nedre produktoljan från huvudfraktionatorn innehåller rester av katalysatorpartiklar som inte helt avlägsnades av cyklonerna i reaktorns överdel. Av den anledningen kallas den nedre produktoljan för en slurry-olja. En del av denna slurryolja återförs tillbaka till huvudfraktionatorn ovanför de heta reaktionsproduktångornas inträdespunkt för att kyla och delvis kondensera reaktionsproduktångorna när de kommer in i huvudfraktionatorn. Resten av slamoljan pumpas genom en slamavskiljare. Bottenoljan från slamavskiljaren innehåller de flesta av slamoljans katalysatorpartiklar och återförs tillbaka till katalysatorrören genom att kombineras med FCC-råvaruoljan. Den förtydligade slamoljan eller dekanteringsoljan tas ut från toppen av slamavsättaren för användning på annan plats i raffinaderiet, som en komponent för blandning av tung eldningsolja eller som kimrökråvara.
Regeneratorns rökgasRedigera
Avhängigt av valet av FCC-utformning kan förbränningen i regeneratorn av koks på den förbrukade katalysatorn vara en fullständig förbränning till koldioxid CO
2, men det kan också hända att den inte är det. Förbränningsluftflödet styrs så att det ger det önskade förhållandet mellan kolmonoxid (CO) och koldioxid för varje specifik FCC-konstruktion.
I den konstruktion som visas i figur 1 har koks endast delvis förbränts till CO
2. Förbränningsrökgasen (som innehåller CO och CO
2) vid 715 °C och ett tryck på 2,41 bar leds genom en sekundär katalysatoravskiljare som innehåller virvelrör som är utformade för att avlägsna 70 till 90 procent av partiklarna i rökgasen som lämnar regeneratorn. Detta krävs för att förhindra erosionsskador på bladen i den turboexpander som rökgasen sedan leds genom.
Den expanderande rökgasen genom en turboexpander ger tillräckligt med kraft för att driva regeneratorns kompressor för förbränningsluft. Den elektriska motorgeneratorn kan förbruka eller producera elektrisk kraft. Om expansionen av rökgasen inte ger tillräckligt med kraft för att driva luftkompressorn ger elmotorn/generatorn den extra kraft som behövs. Om rökgasens expansion ger mer kraft än vad som behövs för att driva luftkompressorn omvandlar elmotorn/generatorn den överflödiga kraften till elektrisk kraft och exporterar den till raffinaderiets elsystem.
Den expanderade rökgasen leds sedan genom en ånggenereringspanna (kallad CO-panna) där kolmonoxiden i rökgasen förbränns som bränsle för att ge ånga för användning i raffinaderiet samt för att uppfylla eventuella tillämpliga miljörättsliga gränsvärden för utsläpp av kolmonoxid.
Rökgasen bearbetas slutligen genom en elektrofilter (ESP) för att avlägsna kvarvarande partiklar för att uppfylla eventuella tillämpliga miljörättsliga gränsvärden för utsläpp av partiklar. ESP:n avlägsnar partiklar i storleksintervallet 2 till 20 µm från rökgasen. Partikelfiltersystem, så kallade Fourth Stage Separators (FSS), krävs ibland för att uppfylla gränsvärdena för partikelutsläpp. Dessa kan ersätta ESP när partikelutsläpp är det enda problemet.
Dampturbinen i rökgasbehandlingssystemet (som visas i diagrammet ovan) används för att driva regeneratorns kompressor för förbränningsluft vid uppstart av FCC-enheten tills det finns tillräckligt med förbränningsrökgas för att ta över den uppgiften.