Процесс FCC

Процесс FCC (Fluid Catalytic Cracking, флюид-каталитический крекинг) — это технология переработки нефти, один из основных процессов вторичной переработки нефтяного сырья, предназначенный для получения высокооктановых компонентов бензина, легких олефинов (пропилена, бутиленов) и сжиженных углеводородных газов. Процесс основан на расщеплении (крекинге) длинных молекул тяжелых углеводородов (вакуумного газойля, мазута) на более короткие и легкие фракции в присутствии мелкодисперсного катализатора, находящегося в псевдоожиженном (флюидизированном) состоянии.

История

Первые промышленные установки каталитического крекинга появились в 1930-х годах. В 1936 году французский инженер Эжен Гудри (Eugène Houdry) разработал процесс с неподвижным слоем катализатора, который был внедрен компанией Socony-Vacuum Oil (ныне Mobil). Однако этот метод был периодическим: требовал остановки реактора для регенерации катализатора.

В 1942 году компания Standard Oil of New Jersey (ныне ExxonMobil) совместно с MIT и рядом других фирм запустила первую промышленную установку с псевдоожиженным слоем катализатора (FCC). Этот процесс, названный Fluid Catalytic Cracking, стал революционным, так как позволил вести крекинг и регенерацию катализатора непрерывно. Ключевым изобретением стала конструкция лифт-реактора (riser), где сырье и катализатор движутся вверх в потоке пара.

В 1950-х годах в СССР была разработана собственная технология — процесс 43-103, основанная на принципах FCC. В 1960-х годах на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) страны началось строительство крупных установок каталитического крекинга. В 1970-х годах, в связи с ростом спроса на высокооктановый бензин, FCC стал основным процессом углубления переработки нефти.

В 1990-х годах появились модификации, направленные на увеличение выхода пропилена (например, процесс PetroFCC от UOP, технология Indmax от компании Indian Oil). В 2000-х годах началось внедрение катализаторов на основе цеолитов, что повысило селективность и выход целевых продуктов.

Принцип работы

Процесс FCC основан на двух ключевых стадиях: крекинг и регенерация катализатора. Обе стадии протекают в разных аппаратах — реакторе и регенераторе, соединенных между собой транспортными линиями.

Сырье

Основным сырьем для FCC служит вакуумный газойль — фракция, выкипающая в интервале 350–550 °C, получаемая при вакуумной перегонке мазута. В некоторых случаях в сырье добавляют тяжелые газойли коксования, деасфальтизаты, а также остатки атмосферной перегонки (мазуты). Качество сырья (содержание серы, азота, металлов, коксуемость) существенно влияет на работу установки и выбор катализатора.

Реактор

Сырье нагревается до 350–400 °C и подается в нижнюю часть лифт-реактора (riser), куда также поступает горячий регенерированный катализатор (температура 650–750 °C). При контакте с катализатором сырье мгновенно испаряется, и смесь поднимается вверх по реактору. Время контакта составляет 2–5 секунд. За это время происходит крекинг — разрыв углерод-углеродных связей в молекулах углеводородов. Температура в реакторе поддерживается на уровне 500–550 °C.

В результате крекинга образуются:

• газообразные продукты (водород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутаны, бутилены);
• бензиновая фракция (C5–C10);
• легкий газойль (LCO, Light Cycle Oil) — фракция 200–350 °C;
• тяжелый газойль (HCO, Heavy Cycle Oil) — фракция выше 350 °C;
• кокс — твердый углеродистый остаток, откладывающийся на поверхности катализатора.

Регенератор

Катализатор, покрытый коксом, отделяется от продуктов реакции в циклонах и через стриппинг-секцию (отпарку водяным паром) поступает в регенератор. В регенераторе кокс выжигается в токе воздуха при температуре 650–750 °C. Тепло, выделяющееся при сгорании кокса, используется для нагрева катализатора, который затем возвращается в реактор. Регенератор может быть выполнен в виде кипящего слоя или с циркулирующим псевдоожиженным слоем.

Разделение продуктов

Газы и пары, выходящие из реактора, направляются в ректификационную колонну (фракционатор), где разделяются на:

• сухой газ (H2, C1–C2);
• сжиженный газ (C3–C4);
• бензин (стабильный или нестабильный);
• легкий газойль (LCO);
• тяжелый газойль (HCO) и остаток (slurry oil).

Катализаторы

В современных процессах FCC используются катализаторы на основе синтетических цеолитов (например, цеолит Y) в матрице из аморфного алюмосиликата. Цеолиты обеспечивают высокую активность и селективность по бензину. Катализатор имеет форму микросфер диаметром 20–150 мкм.

Основные свойства катализатора:

• активность (способность расщеплять углеводороды);
• селективность (соотношение выхода целевых продуктов и побочных);
• устойчивость к дезактивации (отравлению металлами, закоксовыванию);
• механическая прочность (устойчивость к истиранию).

Катализатор непрерывно циркулирует между реактором и регенератором, теряя активность со временем. Для поддержания активности на установке регулярно добавляют свежий катализатор и выводят отработанный (шлам).

Технологические схемы

Существует несколько основных типов установок FCC:

С кипящим слоем (FCC)

Классическая схема, где реактор и регенератор расположены рядом. Катализатор циркулирует между ними по транспортным линиям. Реактор может быть с восходящим (riser) или нисходящим (downer) потоком сырья.

С регенерацией в двух зонах (RFCC)

Применяется для переработки тяжелого сырья (мазутов, гудронов). В этом случае регенератор разделен на две зоны: первая — для выжига основной части кокса, вторая — для дожигания остатков. Это позволяет снизить температуру в реакторе и уменьшить образование кокса.

С использованием катализатора в псевдоожиженном слое (FCCU)

Современные установки FCCU (FCC Unit) часто включают систему предварительного нагрева сырья, систему рекуперации тепла и блоки для очистки газов от серы и оксидов азота.

Применение и значение

Основное назначение FCC — получение высокооктанового бензина (октановое число 92–95 по исследовательскому методу). Выход бензина составляет 40–60% от массы сырья. Кроме того, FCC является крупнейшим источником пропилена (до 5–8% от сырья) и бутиленов, которые используются в производстве полимеров (полипропилен, полиэтилен), алкилата и МТБЭ.

Процесс FCC играет ключевую роль в углублении переработки нефти. На НПЗ, оснащенных установками FCC, глубина переработки может достигать 85–95%, тогда как без них она ограничена 50–60%. В России FCC является одним из основных процессов на крупных НПЗ (например, на Московском НПЗ, Омском НПЗ, Нижегородском НПЗ).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность (до 10 млн тонн сырья в год на одной установке);
• Непрерывность процесса;
• Возможность переработки широкого спектра сырья (от газойлей до мазутов);
• Высокий выход бензина и ценных газов;
• Возможность регулирования состава продуктов (изменение температуры, времени контакта, активности катализатора).

Недостатки

• Высокие капитальные затраты на строительство установки;
• Сложность эксплуатации и необходимость постоянного контроля;
• Образование большого количества кокса (до 5–10% от сырья), который требует выжигания;
• Выбросы оксидов серы, азота и твердых частиц (требуется газоочистка);
• Чувствительность к качеству сырья (наличие металлов, серы, азота ухудшает работу катализатора).

Экологические аспекты

Современные установки FCC оснащаются системами очистки дымовых газов от регенератора: электрофильтрами, скрубберами, системами селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения выбросов NOx. В России и странах ЕС действуют жесткие нормы по содержанию серы в бензине, что требует дополнительной гидроочистки бензина FCC.

Перспективы развития

Основные направления модернизации FCC:

• увеличение выхода пропилена (до 15–20%) за счет использования специальных катализаторов и режимов;
• переработка тяжелых остатков (RFCC, VCC);
• снижение энергопотребления и выбросов;
• внедрение цифровых систем управления и прогнозирования;
• использование катализаторов с улучшенными экологическими свойствами.

Источники

1. Нефтепереработка: технологические процессы и оборудование / под ред. Г. А. Терентьева. — М.: Химия, 2012.
2. Справочник нефтепереработчика / под ред. Г. А. Терентьева. — Л.: Химия, 1986.
3. Крекинг нефтяных фракций / В. А. Макаров, В. М. Капустин. — М.: Химия, 2005.
4. Fluid Catalytic Cracking Handbook / R. Sadeghbeigi. — 3rd ed. — Elsevier, 2012.
5. Технология переработки нефти и газа / А. И. Ахметов. — Уфа: УГНТУ, 2007.