Einfluss von Katalysator und Risertemperatur auf das Produktspektrum einer FCC-Pilotanlage sowie Evaluierung von Kosmetikwachs und Pyrolyseöl als Co-Feeds

Abstract

Der Fluid Catalytic Cracking (FCC)-Prozess ist einer der vielversprechendsten Prozesse um auf die steigende Nachfrage nach petrochemischen Grundstoffen wie Olefinen zu reagieren und steht im Mittelpunkt von Bestrebungen, nicht-fossile Kohlenstoffquellen zu erschließen. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Versuchsteile an der FCC-Pilotanlage der TU-Wien durchgeführt. Die Anlage mit einer Höhe von 3,2 m verfügt über eine intern zirkulierende Wirbelschicht und wurde mit einer Feedrate von ca. 2,5 kg/h betrieben. Im ersten Versuchsteil wurde untersucht, wie sich das Produktspektrum durch verschiedene Katalysatoren und Risertemperaturen beeinflussen lässt. Es wurde Vakuumgasöl (VGO) bei Risertemperaturen von 530 °C und 550 °C umgesetzt, einmal mit einem Zeolith Y-Katalysator mit Multi-Stage Reaction Catalyst (MSRC)-Technologie der auf hohe Benzinausbeute aus Resids optimiert ist und einmal mit einem auf Zeolite Socony Mobil (ZSM)-5 basierenden Katalysator welcher auf Propylenausbeute optimiert ist. Unabhängig von der Temperatur war der größte Produktlump des Zeolith Y-Katalysators der Benzinlump und beim ZSM-5-Katalysator der Gaslump. Beide Katalysatoren wiesen bei 550 °C einen größeren Gaslump im Produkt auf als bei 530 °C; in etwas geringeren Ausmaß stieg auch die Konversion an. Die Olefinausbeute lies sich in beiden Fällen durch Erhöhung der Temperatur erhöhen und stieg beim Zeolith Y-Katalysator von 14,0 w% auf 16,3 w%, sowie beim ZSM-5-Katalysator von 23,9 w% auf 26,8 w%. Im zweiten Versuchsteil wurden zwei alternative Einsatzstoffe als Co-Feeds getestet. Beim Einsatz von Kosmetikwachsen konnte für kurze Zeit ein stationärer Betrieb erreicht werden, bevor die Anlage aufgrund von Ascheablagerungen verstopfte. Bei der Analyse des Produkts zeigte sich, dass bei einer Beimischung von 10 % Kosmetikwachsen in VGO der Gaslump in etwa dem selben Ausmaß zunahm, und zwar von 40,7 w% auf 44,8 w% bei leichter Abnahme der Konversion. Dabei stieg auch die Olefinausbeute von 27,9 w% auf 31,0 w%. Beim Einsatz eines Bioöls, welches in einem Fast Pyrolysis-Prozess aus Lignocellulose (Kiefernholzspäne) hergestellt wurde, konnte kein stationärer Betrieb erreicht werden. Da das Pyrolyseöl mit VGO nicht mischbar war, wurde das Pyrolyseöl über einen separaten Feedstrang in die Anlage geführt. Trotz erhöhter Stützfluidisierung, bzw. leichter Absenkung der Feedeinleittemperatur, konnte die Polymerisation von Kohlehydraten und damit Verstopfungen im Feedeinleitsystem nicht verhindert werden.

The Fluid Catalytic Cracking (FCC)-process is one of the most promising processes to answer the rising demand in petrochemicals like olefins and is currently the focus of efforts to make non-fossil carbon sources available. For this thesis experiments were conducted in two parts using the FCC pilot plant of TU Wien. The plant of 3.2 m hight operates with an internally circulating fluidized bed and was run at a feed rate of about 2.5 kg/h. In the first part it was investigated how the product spectrum can be influenced by different catalysts and riser temperatures. Vacuum gas oil (VGO) was processed at riser temperatures of 530 °C and 550 °C. One time a zeolite Y-catalyst was used which utilizes the Multi-Stage Reaction Catalyst (MSRC) technology and is optimized for high yield of gasoline from resids. The other time a zeolite Socony Mobil (ZSM)-5 based catalyst was used which is optimized for high propylene yield. For both catalysts the biggest product lump was independent of riser temperature, with the gasoline lump beeing the biggest for the zeolite Y-catalyst and the gas lump beeing the biggest for the ZSM-5-catalyst. Both catalysts had a bigger gas lump at 550 °C compared to 530 °C, as was total fuel yield albeit to a smaller degree. In both cases olefin yield could be increased by raising the temperature. For the zeolite Y-catalyst it increased from 14.0 w% to 16.3 w% and for the ZSM-5-catalyst from 23.9 w% to 26.8 w% In the second part two alternative feedstocks where used at the pilot plant. While utilizing cosmetics wax as co-feed a stationary operation was maintained for a short time before the plant became congested due to ash deposits. Analysis of the product showed that an addition of 10 w% cosmetics wax to VGO led to roughly the same increase of the gas lump namely from 40.7 w% to 44.8 w% with a slight decrease of total fuel yield. Meanwhile yield of olefins rose from 27.9 w% to 31.0 w%. When using a biooil as a co-feed, which was produced via the fast pyrolysis process from lignocellulose (pine wood chips), no stationary mode of operation could be accomplished. Due to the pyrolysis oil and VGO not being miscible the pyrolysis oil had to be fed to the plant via a separate feed-inlet-stream. Despite increased support fluidisation and slightly decreased feed inlet temperature, polymerisation of carbohydrates and thereby congestions in the feed inlet system could not be prevented.