Optimierung der Betriebsweise einer für entschwefeltes VGO ausgelegten FCC durch Zudosierung schwererer Einsätze

Abstract

Bedingt durch den Klimawandel, welcher teilweise durch Emissionen bei der Verwendung von Raffinerieprodukten beschleunigt wird, sinkt die Nachfrage vor allem an schweren Produkten aus der Erdölindustrie. Diese werden daher entweder durch leichtere Komponenten oder aber auch alternative Energieträger wie Strom oder Erdgas ersetzt. So müssen Raffinerien alternative Auslässe für schwerere Komponenten finden um diese möglichst wirtschaftlich einsetzen zu können.Eine bereits bestehende Raffinerie, welche auf eine gewisse Rohöl- und Produktpalette ausgelegt ist, hat nur bedingt Möglichkeiten diese schwereren Komponenten gewinnbringend einzusetzen, wenn sie am Markt nicht mehr benötigt werden. Hydieranlagen weisen hierbei oft nicht die nötige Flexibilität auf und thermische Crackanlagen verursachen zum Teil auch noch schwerere Produkte, die immer mehr Probleme in der Verwendung oder Entsorgung verursachen. Daher wurde die Fluid Catalytic Cracking (FCC)-Anlage als eine der möglichen Verarbeitungswege ausgewählt. Diese Anlage bietet mit einem Katalysator, welcher sich in einer zirkulierenden Wirbelschicht bewegt, eine gute Alternative schwerere Einsätze zu verarbeiten. Eine bestehende Anlage ist allerdings nur bedingt adaptierbar und man kann sich daher nur innerhalb der gegeben Rahmenbedingungen bewegen. Eine theoretische Evaluierung der FCC-Anlage ergab ein Potential einen geringen Prozentsatz eines schwereren Einsatzes gewinnbringend dort zu verarbeiten. Es wurden mittels Prozesssimulationsmodellen und Tests in Kleinstanlagen diverse Evaluierungen durchgeführt. Die vermuteten Auswirkungen waren die Erhöhung des Schwefel- und Stickstoffgehalts in den Produkten, da durch schwerere Einsätze auch höhere Schwefelgehalte in die Anlage eingebracht werden. Es wurde ebenso erwartet, dass sich die Produktstruktur verschlechtert und die Ausbeute der wertvollen Komponente Propylen (Propen) durch den schwereren Einsatz drastisch reduziert wird.Der schwerere Einsatz wurde anfangs in sehr geringen Schritten gesteigert bis eine Zieldosierung von 5 % erreicht wurde. Nach dem geplanten Testlauf wurde die Dosierung in unterschiedlichen Mengen noch weiter fortgesetzt um noch zusätzliche Erkenntnisse gewinnen zu können. Im Testlauf konnten einige der theoretischen Ergebnisse bestätigt werden. So stieg neben der Einsatzdichte auch die Tendenz Koks zu bilden stark an. Ebenso stieg der Schwefelgehalt durch die Zugabe des schwereren Einsatzes. Prozesstechnisch konnten die Auswirkungen vor allem an den steigenden Temperaturen im Regenerator erkannt werden. Durch diesen Anstieg war eine Reduktion des Slurry-Recycles möglich, was sich positiv auf die Gesamtbilanz auswirkt. Zusätzlich konnten auch noch positive Effekte auf die Staubemissionen der FCC-Anlage erkannt werden. Einzig die Emissionen an SOx und NOx stiegen an, blieben aber weit unter den gesetzten Grenzwerten. Wider Erwarten konnten die negativen Einflüsse auf die Ausbeute und die somit produzierten Produkte nicht bestätigt werden. Die Ausbeutestruktur blieb trotz der Dosierung innerhalb der bekannten Schwankungsbreite. Der Schwefelgehalt in den einzelnen Produkten stieg wie vorhergesehen an.Der schwerere Einsatz wirkte sich sogar positiv auf einige Prozessparameter aus und brachte keine Verschlechterung der Ausbeuten bei einer Dosierung von bis zu 5 %. Daher ist die Dosierung des schwereren Einsatzes zu empfehlen, wenn keine alternative wirtschaftliche Verwendung für den schwereren Einsatz möglich ist. Zusätzlich kann der schwere Einsatz eine gewisse Menge des teureren Standardeinsatzes ersetzen und somit ebenfalls die Wirtschaftlichkeit der Anlage steigern.

Climate change is responsible that heavy components produced from crude oil see a declining trend on the market. Most of the time heavy hydrocarbons are replaced by light hydrocarbons or alternative energy sources like natural gas or electricity. Therefor refineries need to find an alternative outlet to use their heavy hydrocarbons in an economical way.Already existing refineries, which have been designed for certain crude oils and a range of products, do only have limited opportunities to find valuable outlets for this heavy components if they are not required on the market any more. Hydrotreating units are often not as flexible to treat heavy feeds and thermal cracking units may lead to the production of even heavier components that can’t be further used or need to be disposed. Therefore the fluid catalytic cracking unit (FCC) with its circulating catalyst, has been identified as a possible candidate for processing heavier feeds. An already existing plant brings some limitations with it as it has not been designed for processing the heavier feeds and therefore the constraints, which already exist, have to be accepted. A theoretical analysis of the unit showed a potential to process some heavier feeds with an economical benefit in the unit. An evaluation with process models and tests in small scale process units gave an indication about the effects on the unit. It was expected that the sulfur and nitrogen content in the products will rise, which is common due to the fact that heavier feeds have higher contents of sulfur and nitrogen that will be brought to the unit. The yields of the unit were expected to show some degradation to heavier fractions and especially the yield of the valuable product propylene (propene) should be reduced significantly. The heavier feed was dosed to the unit in small steps and increased towards 5 % of the total feed rate. After the test run has been carried out, the dosage of the heavier feed stayed in operation for a longer time to gain additional information on the unit operation. During the test run some of the expected results could be observed. The density of the feed increased with the higher dosage rate. Also the tendency to form coke during the reaction increased. Additional higher sulfur content was seen as expected when increasing the dosage rate. The influence of the feed has also been seen in the process parameter of the unit like the increase of the temperature in the regenerator. Due to the rising temperature in the regenerator the slurry recycle to the feed could be reduced, what has a positive influence on the unit Additional a positive effect on the particulate emissions of the unit could be observed. The emissions of SOx and NOx increased but stayed significantly below the limits. A negative effect on the product yields was not observed as it would have been expected from the process simulation. The sulfur content of the products increased as predicted.The heavier feed had some positive effects on the overall unit performance and no impact on the yields of the unit up to a dosage rate of 5 % of the heavier feed.Due to the proofed results it is recommended to continue processing the heavier feed in the unit as it brings economic benefit if the feed can’t be used in any other process or product. Additional the feed costs for the heavier feed are lower compared to the standard feed processed in the unit.