Optimierung des FCC-Prozesses zur Produktion von Mitteldestillaten

Abstract

Ziel dieser Arbeit war es, die Produktion von Mitteldestillat im FCC-Prozess (Fluid Catalytic Cracking) unter Berücksichtigung von Ausbeute und Qualität zu optimieren. Ein hochwertiges Mitteldestillat ist u.a. gekennzeichnet durch einen geringen Aromaten-, Schwefel- und Sauerstoffgehalt. Es wurden umfangreiche Versuchsreihen zur Bewertung diverser Einflussgrößen auf das Produkt durchgeführt. Die experimentellen Erkenntnisse dienten der Realisierung einer computergestützten Simulation der Versuche. Die experimentellen Versuche wurden mit Hilfe einer kontinuierlichen Pilotanlage mit intern zirkulierender Wirbelschicht durchgeführt. Die untersuchten Parameter umfassten diverse Feeds (unhydr. Vakuumgasöl, Soja-, Raps- und Palmöl), Bettmaterialien (zwei Katalysatoren, Quarzsand) und Prozessgrößen (Cracktemperatur, Feedrate, Katalysator/Öl-Verhältnis). Die erzielbare Qualität des produzierten Mitteldestillates (LCO ¿ light cycle oil) ist bei Einsatz von Vakuumgasöl limitiert. Die Versuche wurden deshalb hauptsächlich mit Pflanzenölen durchgeführt, deren chemische Struktur Potential zur Produktion hochwertiger Mitteldestillate aufweist. Versuche bestätigten, dass die Ausbeute und die Qualität des LCO-Produktes bei milden Prozessbedingungen zunimmt. Die Verwendung von Quarzsand ermöglichte eine Pyrolyse der Einsatzstoffe. Die Pyrolyse von Rapsöl führte bei milden Prozessbedingungen zu hohen Mitteldestillat-Ausbeuten (LCO ~48m%, 450°C). Aufgrund eines hohen Sauerstoffanteils im org. Flüssigprodukt (~9,6m%, 450°C) ist diese Prozessvariante zur Produktion hochwertiger Mitteldestillate nicht geeignet. Der Einsatz von FCC-Katalysatoren bewirkte eine ausgeprägte Abspaltung des Sauerstoffes in Form von Wasser. Dies geschah nahezu unabhängig von Katalysatoraktivität und Cracktemperatur. Ein konditionierter Katalysator mit geringer Aktivität führte zu hohen LCO-Ausbeuten bei geringer Aromatenbildung. Rapsöl erzielte mit diesem Katalysator eine LCO-Ausbeute von 37m% bei einer Cracktemperatur von 430°C. Der Sauerstoffgehalt des org. Flüssigproduktes betrug weniger als 1m%. 74m% des Rapsöls konvertierten zu Gas, Benzin und LCO. Eine bestehende Modellierung der FCC-Pilotanlage wurde derart erweitert, sodass damit katalytisches sowie thermisches Cracken simuliert werden kann. Weiters wurde ein an die Aufgabenstellung angepasstes Reaktionsschema mit 7 Lumps, welche über 8 Reaktionswege miteinander verbunden sind, entwickelt. Ein Programm zur Berechnung der Kinetikparameter aus den Versuchsergebnissen wurde entwickelt und angewandt. Das Reaktionsschema wurde inklusive der Kinetikparameter in das adaptierte Simulationsprogramm implementiert. Die simulierten Ergebnisse zeigten gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Ergebnissen.

The objective of this thesis was to optimize production of middle distillates in the fluid catalytic cracking process (FCC) considering yield and quality. High-quality middle distillates are characterized by a low amount of aromatic, sulfur and oxygen compounds amongst others. Extensive series of experiments were conducted for the evaluation of various influencing parameters on the product. Experimental findings contributed to the realization of a computer-aided simulation of the experiments. Experiments were conducted using a continuous pilot plant with an internal circulating fluidized bed system. Investigated parameters included various feeds (non-hydrogenated vacuum gasoil, soybean-, canola- and palm oil), bed materials (two catalysts, silica sand) and process variables (cracking temperature, feed rate, cat/oil-ratio). The achievable quality of the formed middle distillates (LCO ¿ light cycle oil) is limited when using non-hydrogenated vacuum gasoil. Hence, most experiments were carried out with vegetable oils, whose chemical structure has potential for production of high-quality middle distillates. Experiments confirmed the increase of yield and quality of LCO at mild process conditions. Usage of silica sand enabled a pyrolysis of the feed. The pyrolysis of canola oil led to high yields of middle distillates (LCO ~48wt%, 450°C) at mild process conditions. A high oxygen content of the organic liquid product (~9.6wt%, 450°C) makes this process variant not suitable for the production of high-quality middle distillates. The usage of FCC-catalysts caused a significant cleavage of oxygen in form of water, regardless of catalyst activity or cracking temperature. A conditioned catalyst with low activity led to high yields of LCO, low production of aromatic compounds and low oxygen contents in the organic liquid product. Canola oil and this catalyst yielded 37wt% LCO at a cracking temperature of 430°C. The oxygen content of the organic liquid product was below 1wt%. 74wt% of canola oil was converted to gas, gasoline and LCO. An existing computer-aided model was extended in such a way that catalytic as well as thermal cracking can be simulated. Additionally, a reaction scheme adapted to the aim of this work was developed. It includes 7 lumps, which are interconnected via 8 reaction pathways. A program for calculating kinetic parameters derived from experimental results was developed and applied. The reaction scheme together with the kinetic parameters was implemented in the adapted simulation program. The simulated results presented a strong correlation with experimental data.