Alternative feedstocks in fluid catalytic cracking

Abstract

Fluid catalytic cracking (FCC) ist der wichtigste und am weitest verbreitete Raffinerieprozess um aus schweren Erdölfraktionen hochoktaniges Benzin und gasförmige Olefine zu produzieren. Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene biogene Einsatzstoffe auf ihre Tauglichkeit für den FCC-Prozess, entweder als Beimischung zu Vakuumgasöl oder pur, zu testen. Weiters wurde der Einfluß der Temperatur auf die Produktzusammensetzung und Qualität untersucht. Ein Großteil der Experimente wurde mit dem kommerziellen Katalysator e-Ultima® durchgeführt, zwei Versuchsserien jedoch mit e-Space®. Dies gestaltet den Vergleich der Ergebnisse komplexer.<br />Die untersuchten Einsatzstoffe können in fünf Gruppen unterteilt werden:<br />Lipide (Pflanzenöle, Altspeiseöl und Tierfett), Fettsäuren, Fettsäuremethylester, Pyrolyseöle und auf Tallöl basierte Substanzen.<br />Stoffe der ersten drei Gruppen können ohne Limitierung in allen Mischungsverhältnissen eingesetzt werden. Bei 550°C Cracktemperatur sinkt der Crackgas Anteil und steigt der Benzinanteil mit dem Grad der Unsättigung. Palmitinsäure sticht mit dem höchsten Crackgas Anteil heraus. Pyrolyseöle und Tallöl basierende Einsatzstoffe konnten entweder nur für einen begrenzten Zeitraum pur, oder in Mischungen mit VGO prozessiert werden. Hochsiedende Stoffe neigen zu starker Koksbildung und in weiterer Folge zu Verstopfungen im Reaktor.<br />Die Produktverteilung sowie die Crackgas und Benzinzusammensetzung ändert sich nur in einem eingeschränkten Bereich. Das Benzin ist praktisch sauerstofffrei und zeichnet sich durch hohe Oktanzahlen aus.<br />Aufgrund der chemischen Ähnlichkeit kann FCC Benzin konventionelles Benzin in jedem Verhältnis ersetzen. Neben Treibstoffen werden auch noch große Mengen an gasförmigen Olefinen produziert, die als wertvolle Rohstoffe in der Petrochemie eingesetzt werden. Die Integration von Biomasse Konversionsprozessen in bestehende FCC-Anlagen als so genanntes co-processing ist sehr vielversprechend. Es sind nur geringe Änderungen an den Anlagen nötig, wodurch die damit verbundenen Investitionskosten gering bleiben. Vorteile sind die hohe Effizeinz der Konversion aufgrund der Größe der Anlagen sowie wie Möglichkeit, alle bestehenden Raffinerieprozesse für die Produktaufarbeitung zu verwenden. Alle Experimente wurden in einer vollkontinuierlichen FCC Technikumsanlage mit intern zirkulierender Wirbelschicht durchgeführt.<br />Die kompakten Abmessungen des Systems sind von großem Vorteil. Die gute Wärmekopplung zwischen Regenerator und Riser beschränkt die Flexibilität hinsichtlich der einstellbaren Risertemperaturen. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue Technikumsanlage ausgelegt und aufgebaut. Das Konzept der internen Zirkulation wurde aufrecht erhalten.<br />Die größten Änderungen waren die Vergrößerung des Regenerators sowie der Einbau eines Katalysatorkühlers um Riser und Regenerator thermisch zu entkoppeln.

Fluid catalytic cracking (FCC) is the most important and widespread refinery processes for the production of high octane gasoline and gaseous olefins from heavy oil fractions. The objective of this work was to test the suitability of several different biogenous feedstocks for the process, either in blends with vacuum gas oil (VGO) or pure.<br />Furthermore, the influence of temperature on the distribution and quality of the product was investigated. Most of the experiments were conducted with the commercial catalyst e-Ultima®, but in two series of experiments e-Space® was used, which makes the comparison of the results more difficult. The investigated feeds can be subdivided into five groups: lipids (vegetable oils, waste cooking oils, animal fat), fatty acids, fatty acid methyl ester, pyrolysis oils and tall oil derived material. Feeds of the first three groups could be processed without limitations, in any admixture ratios. At 550°C cracking temperature, cracking gas yields decrease and gasoline yields increase slightly with the degree of unsaturation. Palmitic acid stands out as having the highest cracking gas amount. Pyrolysis oils and tall oil derived feeds could be successfully processed either purely for limited periods of time or in mixtures with VGO. High boiling feeds tend towards severe coking, which results in reactor plugging. Generally, product distributions as well as cracking gas and gasoline composition change in a limited range. Gasoline is practically oxygen free at high octane numbers. Due to chemical resemblance, FCC bio fuels can substitute petroleum derived fuels in any ratio. Besides transportation fuels, large quantities of gaseous olefins are produced which are valuable feedstock for the petrochemical industry. Introducing biomass conversion in existing large-scale FCC plants as so called co-processing is very promising. Very few changes are required to the units thus saving investment costs. The advantages are high conversion efficiency due to the large scale and the possibility to use all downstream refinery processes for product upgrading. All experiments were conducted in a fully continuous small-scale FCC pilot plant with an internal circulating fluidized bed design. The compact dimensions of this system are very beneficial. However, good heat coupling between the riser and regenerator limits flexibility with regards to the cracking temperature. Therefore, a new small-scale pilot plant was designed and constructed within this work. The internal CFB design was maintained. The main changes are a regenerator scale up and the implementation of a catalyst cooler in order to thermally decouple the riser and regenerator.