FCC - процесс трансформации в высокооктановый бензин, легкие дистилляты и насыщенные олефинами легкие газы из:
- Газойлей установок первичной переработки нефти:
- атмосферной колонны;
- вакуумной колонны;
2. Атмосферных остатков.
3. Тяжелого сырья, вырабатываемого на других установках НПЗ.
Специфика процесса заключается в:
- достаточно низких капитальных затратах;
- надежности работы на протяжении долгого времени;
- эксплуатационная гибкость, которая позволяет эксплуатанту изменять структуру отбора продуктов за счет простого варьирования эксплуатационными параметрами.
Товарный бензин отличается высоким начальным октановым числом и хорошими общими октановыми характеристиками. С бензином FCC смешивают алкилат, вырабатываемый из газообразных олефиносодержащих продуктов, потому что алкилат имеет высокую октановую характеристику и хорошую чувствительность.
В типовой установке FCC реакции крекинга происходят в реакторе-райзере вертикальной конфигурации, в котором жидкофазное сырьё вступает в контакт с горячим порошковым катализатором. Двигаясь восходящим потоком по лифт-реактору и увлекая за собой катализатор, сырьё переходит в парообразное состояние и крекируется до углеводородов с меньшим числом атомов углерода. Реакции происходят быстро, и чаще всего нужно всего несколько секунд взаимодействия. Вместе с целевыми реакциями на катализаторе происходит коксообразование - отложение углеродистого вещества с низкой пропорцией водород/углерод, снижающего каталитическую активность. Далее дезактивированный катализатор и полученные продукты проходят разделение, и первый подается в отдельный аппарат - регенератор, где кокс выжигается, чтобы восстановить активность катализатора. Отрегенерированный катализатор поступает в основание лифт-реактора, и цикл стартует снова.
Зарождение процесса
После стадии первичной разработки, завершившейся к концу 1930-х гг., в мае 1942 г. в работу ввели первую промышленную установку FCC, получившую название «модель I», за которой скоро последовала «модель II». В совокупности были разработаны проекты и выполнено строительство 31 установки «модели II». Проекты этих установок разрабатывались разными проектировщиками, но отличались схожим принципом функционирования. Главными отличительными особенностями установок «модели II» являлись:
- реактор, расположенный практически на уровне земли;
- регенератор, размещавшийся со смещением в сторону и вверх;
- короткий трубопровод подачи катализатора и углеводородных паров в реактор с плотным слоем;
- применение сдвоенных затворов, позволявших получать регенераторы низкого и более высокого давления;
- малая глубина превращения (от 40 до 55% об.);
- большая часть крекинг-реакций осуществлялась в коротком трубопроводе подачи катализатора и углеводородов.
После войны UOP вводит в эксплуатацию промышленную установку FCC с вертикальной конфигурацией (рисунок ниже), в которой реактор низкого давления устанавливался прямо над регенератором более высокого давления.
акая компоновка стала большим прорывом по направлению от плотной загрузки к псевдоожиженному состоянию катализатора. В середине 1950-х гг. внедряется конструкция с прямоточным реактором - райзером, имеющая также название параллельной (следующий рисунок).
В данной установке регенератор располагался почти на уровня земли, а реактор устанавливали сбоку от него и немного приподнимали. Восстановленный катализатор, поток свежего сырья и рецикл поступали в реактор по длинному прямому райзеру, находившемуся непосредственно под реактором. Отбор продуктов и селективность в сравнении с более ранними компоновками были значительно выше.
Появление цеолитных катализаторов
Появление цеолитных катализаторов во второй половине 1960-х гг. стало решающим прорывом в технологии. Эти катализаторы, которые представляли собой молекулярные сита, по активности, стабильности и селективности по бензину были существенно лучше, использовавшихся в то время, аморфных алюмосиликатных каталитических систем. Большинство технологических новшеств, появившихся в последующие годы, базировался на цеолитных катализаторных системах.
Последовательный ряд разработок, сначала в части повышения каталитической активности, а затем в технологической компоновке процесса, позволил достичь протекания преобладающей доли крекинг-реакций в лифт-реакторе в разбавленной фазе.
В 1971 г. UOP вводит в промышленную эксплуатацию обновленную компоновку, базирующуюся на принципе крекинга в лифт-реакторе и в последствии быстро распространившуюся, став основой для переоснащения действующих установок. Промышленный опыт подтвердил преимущества данной конфигурации в сравнении с ранее внедренными. Крекинг в лифт-реакторе обеспечивал повышение селективности по бензину и снижение отбора газа и кокса, что свидетельствовало об ингибировании вторичных крекинг-реакций, сопровождающихся выработкой нежелательных продуктов.
Такая динамика наблюдалась на протяжении нескольких лет, пока технология процесса сосредотачивалась на повышении селективности по целевым продуктам и сокращении отбора нежелательных. При достаточно умеренных условиях процесса лифт-реакторы с увеличенной длиной и циклоны грубой очистки подтверждали свою применимость.
Ужесточение параметров процесса
Когда параметры реакций стали ужесточаться, в эксплуатацию были внедрены вентилируемые лифт-реакторы с концевым оборудованием, представляющим собой глухо соединенные с ними циклоны. Повышение селективности достигалось предварительной отгонкой, осуществляемой для лучшего удержания углеводородов, которые иначе через погружные стояки циклонов поступали бы в реактор. Одним из вариантов подобной селективной конструкции окончания лифт-реактора является система вихревого разделения (англ, vortex separation system — VSS.). В таких конструкциях по-факту достигается принцип исчерпывающей локализации крекинга в лифт-реакторе, когда практически все реакции происходят в райзере и его концевом оборудовании.
Чтобы улучшить селективность при крекинге в лифт-реакторе особое значение имеет хороший исходный контакт сырья и катализатора. Поэтому на протяжении многих лет большое внимание уделяется оптимизации работы диспергатора сырья, а также его рационального размещения. Были проведены эксперименты по выявлению необходимого количества распределителей и достаточной разности давлений, а также геометрических особенностей различных распределителей для инжекции сырья, которые позволили разработать достаточно успешное устройство диспергирования сырья под названием Optimix.
Форсунки для впрыска сырья - всего лишь один из многих, хоть и существенный, компонент системы диспергирования сырья. Продвижение в вопросе ускорения реакций требует большего акцента на характеристиках систем диспергирования сырья продвинутых установок FCC.
На момент времени внимание исследователей сосредоточено на конструктивных особенностях реактора, значительные коррективы были внесены и в процесс регенерации.
Совершенствование процесса регенерации
На протяжении первых 20 лет существования процесса FCC газы регенерации катализатора содержали существенные объемы окиси (СО) и двуокиси (СО2) углерода. В таком режиме частичного выжига, после восстановления отработанного катализатора в нём сохранялось несколько десятых долей процента углерода. Основным улучшением в технологии FCC стало появление в начале 1970-х гг. катализаторов и аппаратов, которые позволяли в полном объеме производить окисление в регенераторе СО до СО2. В 1973 г. одна из эксплуатирующихся установок FCC подверглась реконструкции с применением новой высокопотенциальной технологии регенерации, позволившей производить полное сжигание СО. В 1974 г. состоялся запуск установки FCC UOP, специально спроектированной на новый процесс регенерации. Итогом разработки новой конфигурации регенератора стали:
- малый выход кокса;
- уменьшенный уровень выбросов СО (соответствующий экологическим нормам);
- улучшенная структура выхода продуктов и лучшее их качество.
Конфигурация типовой установки FCC включает в себя единичный регенератор для выжига кокса с поверхности катализатора. Несмотря на то, что регенератор может функционировать в режиме полного и/или частичного сжигания, в современных установках преобладает полное сжигание, потому что тогда экологического соответствия дымовых газов можно достичь и без котла - утилизатора СО. Подобный котел был бы необходим в режиме частичного сжигания, для снижения уровня выбросов СО до приемлемого.
Переработка тяжелого сырья
Из-за затруднений в поставках нефти в конце 1970-х гг. и ухудшения экономики нефтепереработки, внимание производителей привлекла переработка более высококипящего сырья, особенно остатков атмосферной перегонки. В поисках возможности эффективно перерабатывать сильно загрязненные остатки Ashland Oil и UOP пришли к решению объединения усилий, расставив акцент на создание концепции каткрекинга в псевдоожиженном слое, который позволил бы расширить спектр перерабатываемого сырья. Результатом данного партнерства стала технология трансформации высококипящего сырья, впервые получившего промышленное внедрение в 1983 г. Его инновационными особенностями были:
- двухступенчатый регенератор, эффективнее справляющийся с коксом, отбираемым при переработке остатков в повышенном объеме;
- холодильник катализатора новаторской конструкции, позволяющей лучше контролировать температуру регенерации.
Двухступенчатый регенератор позволял регулировать тепловой баланс установки посредством того, что одна ступень эксплуатировалась в режиме исчерпывающего сжигания, а другая - не полного. Чтобы соблюсти ограничения на выбросы угарного газа, вырабатываемые дымовые газы подавались в котел-утилизатор.
Инновационный холодильник катализатора в плотной фазе не только участвовал в управлении температурой в регенераторе и контроле совокупного теплового баланса, но и сохранял скорость циркулирующего потока катализатора на уровне, который обеспечивал требуемую интенсивность реакций.
Эволюция катализаторов (особенно в части повышения устойчивости к металлам), новаторские особенности конфигурации и дополнительная управляемость теплового баланса холодильником катализатора сделали вохможным переработку некоторых достаточно высококипящих атмосферных остатков. Мощности по переработке остатков последовательно настолько увеличились, что множество старых установок FCC и около 50% новых используют в настоящее время в качестве сырья высококипящие остатки или их преобладающие компоненты. После реконструкции установок достаточно успешно применялись холодильники катализатора, которые нашли широкое применение благодаря способности такого аппарата управлять количеством отводимой теплоты.
Если статья была вам интересной и полезной, ставьте лайк, а если хотите ежедневно получать новые статьи и узнавать больше о нефтепереработке, то подписывайтесь на канал.
