Rooli katalytic cracking modernissa refining

Katalytiikka krakkaus on yksi tärkeimmistä muunnoksista öljynjalostuksen. Se muuntaa raskaat, vähäarvoiset hiilivedyt kevyemmiksi, korkealaatuisiksi tuotteiksi, erityisesti korkeaoktaanisen bensiinin sekoituskomponentteja. Murtamalla suuria molekyylejä katalyytin yli korkeassa lämpötilassa, prosessi tuottaa sekä taloudellista arvoa että polttoaineen laatua tarvitaan nykyaikaisiin polttomoottoreihin. Ilman katalyyttistä krakkausta puhdistajat kamppailisivat täyttääkseen nykyisen ajoneuvokannan oktaanivaatimukset ja tuottaa paljon vähemmän bensiiniä raakaöljytynnyriä kohti.

Mitä on Catalytic Cracking?

Katalytiikka krakkaus on kemiallinen prosessi, jossa raskaat hiilivetyfraktiot raakaöljyn tislauksesta. Kuten kaasuöljy tai jäännös. Katalyytti muuttaa kevyemmät molekyylit kuuman katalyytin kanssa kosketuksiin. Katalyytti alentaa aktivointienergiaa bond-breaking reaktioita, jolloin prosessi tapahtuu noin 480.1550 °C sen sijaan, että paljon korkeampi lämpötila tarvitaan lämpökrakkaus. Tämä valikoivuus tuottaa suuremman osan toivottuja tuotteita, kuten bensiini, diesel, ja olefinejä, samalla minimoi ei-toivottuja sivutuotteita kuten koksi ja raskas jäännös.

Termi "katalyyttinen" erottaa sen vanhemmista lämpökrakkausmenetelmistä, jotka perustuvat yksinomaan lämpöön ja paineeseen. Katalysaattoria ei kuluteta reaktiossa; se voidaan regeneroida polttamalla pois talletettu koksi ja käyttää uudelleen monta kertaa. Tämä tekee prosessista erittäin tehokkaan ja taloudellisesti houkuttelevan.

Nestekatalysoiva krakkausprosessi (FCC)

Yleisimmin käytetty katalyyttinen krakkausteknologia on nestekatalyyttinen krakkausyksikkö tai FCC-yksikkö. FCC-yksikössä hienoksi jauhettu katalyytti käyttäytyy kuin neste hiilihapotettuna, jolloin reaktorin ja regeneraattorin välinen jatkuva kierto on mahdollista.

  • Ennakkolämmitys:[] Raskas kaasuöljy tai tyhjökaasuöljy lämmitetään noin 350.400 °C:seen ennen reaktoriin tuloa.
  • Reaktiivisuus:[] Kuumasyöttö sekoittuu regeneroituun katalysaattoriin 650.7550 °C:ssa nousu-osassa. Murtaminen tapahtuu lähes välittömästi, jolloin höyryt poistuvat reaktorista entreated catalystin avulla.
  • Erittyminen:[ Syklonit erottavat katalyyttihiukkaset tuotehöyryistä. Katalysaattori putoaa strippausjaksoon, jossa höyry poistaa jäännöshiilivetyjä.
  • Regenerointi:[ Käytetty katalyytti, joka on nyt koksin peitossa, virtaa regeneraattoriin. Ilma puhalletaan sisään koksin polttamiseksi, katalysaattorin toiminnan palauttamiseksi ja katalyytin sängyn lämmittämiseksi noin 700 °C:een.
  • Tuotteen talteenotto:[] Murtuneet höyryt lähetetään jakostimeen, jossa ne erotetaan kaasuiksi, bensiiniksi, kevytkiertoöljyksi ja raskaaksi sykliöljyksi.

Nykyaikaiset FCC-yksiköt on suunniteltu maksimoimaan bensiinin tuotto samalla kun ne ohjaavat koksin laskeumaa. Käyttöolosuhteet. Kuten lämpötila, katalyytin ja öljyn suhde ja oleskeluaika on huolellisesti viritetty tasapainottamaan muuntamista, valikoivuutta ja katalyytin elinaikaa.

Katalyyttisten krakkausten kemia

Reaktiopolut

Kun hiilivetymolekyyli koskettaa katalysaattorin happokohtaa, se voi muodostaa karbokaation, joka sitten tapahtuu β-sisinaatiolla (hiili-hiili-sidos kahden position murtaminen veloituksen ulkopuolella), isomerointilla, pyöräilyllä tai vedynsiirrolla. Nämä reaktiot johtavat monenlaisiin tuotteisiin, jotka ovat peräisin kevyistä kaasuista (C1[]]-C[]4[[]]]) bensiinin kantaman hiilivetyihin (C[]]5[[]][[]]]]]12[[[]]]]) ja raskaampiin keskitisleisiin.

Keskeisiä reaktiotyyppejä ovat:

  • Korkeat molekyylit murtuvat kahteen pienempään molekyyliin, tyypillisesti olefiiniin ja parafiiniin.
  • Isomeerisaatio:[] Lineaariset hiilivedyt ryhmittyvät haarautuneiksi rakenteiksi, joiden oktaaniluku on suurempi.
  • Syklisointi ja tuoksu:[] Suoraketjuiset molekyylit muodostavat renkaita, jotka lopulta tuottavat aromaattisia hiilivetyjä, jotka lisäävät oktaania entisestään.
  • Hydrogeenin siirto:[] Vetyatomit liikkuvat molekyylien välillä, tyydyttävät olefiinit ja vähentävät koksin lähtöaineita.

Katalysaattorin happamuus ja huokosrakenne määrittävät mitkä reaktiot hallitsevat. Zeoliittipohjaiset katalysaattorit tarjoavat ihanteellisen tasapainon vahvojen happopaikkojen ja huokosverkon, joka valikoivasti myöntää bensiinin kokoisia molekyylejä.

Korkea-oktaanin bensiinikomponenttien tuottaminen

Ensisijainen syy katalyyttinen krakkaus on niin arvokas on sen kyky tuottaa bensiinin sekoittaminen komponentteja tutkimusoktaanilukuja (RON) tyypillisesti välillä 90.

  • Värilliset parafiinit (isoparafiinit):[] Muodostetaan isomeerisaatiolla halkeamisen aikana.
  • Aromaattisilla hiilivedyillä:[ tuotettu syklistymisen ja vedynsiirron avulla. Aromaattiset aineet, kuten tolueeni ja ksyleenit, ovat erinomaisia oktaaniominaisuuksia.
  • Olefiinit:[] Tyydyttymättömissä molekyyleissä, kuten propyleenissä ja butyleenissä, on kohtalainen oktaani ja niitä voidaan edelleen parantaa alkylointi- tai eetterisaatioyksiköissä.

Oktaanin sekoituksen arvo

Bensiini on sekoitus kymmeniä eri jalostamoyksiköistä peräisin olevia komponentteja. Katalysoitu bensiini (FCC-bensiini) muodostaa tyypillisesti 30.50% lopullisesta bensiinipoolista. Sen korkeaoktaaninen mahdollistaa puhdistamojen sekoittumisen muiden prosessien (kuten suorajuoksutetun teollisuusbensiinin) alempioktaanikomponentteihin uhraamatta oktaanien kokonaismäärää. Nykyaikaiset moottorit vaativat oktaaniluokitusta 91...98 (RON) palkkiolaatujen osalta, ja FCC-bensiini on näiden tavoitteiden saavuttamisen kannalta välttämätöntä.

Miksi korkea-oktaaninen bensiini asioita

Korkeaoktaanisten polttoaineiden avulla moottorit voivat toimia suuremmilla painesuhteilla ilman koputusta (detonointia). Koputus tapahtuu, kun ilma-polttoaineseos syttyy ennenaikaisesti, jolloin painepiikit voivat vahingoittaa männiä ja laakereita. Käyttämällä polttoainetta, joka vastustaa itsesyttymistä, insinöörit voivat suunnitella moottoreita, joissa on enemmän lämpötehokkuutta. Tästä syystä automatiikka on yhä enemmän erittelemässä bensaa turboahdetuille ja suorituskykyisille moottoreille.

Katalyytti, jota käytetään katalyytissä

Katalysaattorin sydän on katalysaattori. Nykyaikaiset FCC-katalysaattorit ovat komposiittimateriaaleja, jotka sisältävät:

  • Zeoliitit:[] Kristallialumiinisilikaatit, tyypillisesti zeolite Y, jotka tarjoavat vahvat happopaikat ja muodon-selektiiviset huokoset. Ne ovat ensisijainen aktiivinen komponentti.
  • Matrix:[] Amorfinen sideaine (esim. alumiinioksidi tai piidioksidi-alumiini), joka antaa mekaanisen lujuuden ja jonkin verran katalyyttistä aktiivisuutta, erityisesti suuremmille molekyyleille, jotka eivät pääse zeoliittihuokosiin.
  • Lisäaineet:[] Metallit, kuten vanadiini tai nikkeli, voidaan lisätä rikkin talteenottoon, oktaanin parantamiseen tai koksin muodostumisen vähentämiseen. Muut lisäaineet auttavat kontrolloimaan regeneraattorin SO[x[] ja NO[]x[[]]] päästöjä.

Katalyyttihiukkaset ovat tyypillisesti 60.100 mikrometriä halkaisijaltaan. Ajan myötä ne deaktivoituvat koksideposition ja metallien (nikkeli, vanadiini) tallentamana rehusta. Regeneraattori polttaa pois koksi, mutta metallit kerääntyvät, pakottaa puhdistamot vuotamaan säännöllisesti osan kiertävästä katalyytistä ja lisätä tuore meikki.

Ympäristö- ja taloudelliset hyödyt

Ympäristöhyödyt

Katalyyttinen halkeaminen edistää polttoaineen tuotantoa monella tavalla:

  • Paljon puhtaampien tuotteiden tuotto: Muuttamalla raskasjäännökset, jotka muutoin poltettaisiin vähäarvoisena polttoöljynä, prosessi vähentää rikki- ja metallipitoisuutta jäännöspolttoaineissa.
  • Päästönvalvonta:[] Nykyaikaiset FCC-yksiköt on varustettu savukaasun puhdistuslaitteilla, jotka poistavat SO[x], NO[[]], ja hiukkasilla, jotka ovat peräisin uudelleengeneraattoreista pakokaasuista ja noudattavat tiukkoja ympäristömääräyksiä.
  • Kirjan hyötysuhde:] FCC-yksiköiden lämpötehokkuus (yhdistettynä regeneraattorin höyryn yhteistuotantoon) pienentää kokonaisjalostamon CO2] päästöjä verrattuna vanhempiin lämpökrakkausprosesseihin.

Taloudelliset vaikutukset

Taloudellisesta näkökulmasta katalyyttinen krakkaus tuo merkittävää arvoa raakaöljytynnyrille. Ilman sitä tyypillinen tynnyri tuottaa noin 25% bensiiniä suoraan raakaöljystä (suorajuoksutettu teollisuusbensiini). FCC:n avulla bensiinin tuotto voi ylittää 50% muuntamalla kaasuöljyjä ja jäämiä. Tämä lisämäärä yhdistettynä korkeaan oktaaniarvoon tekee FCC:stä yhden jalostusteollisuuden kannattavimmista yksiköistä.

FCC:n maailmanlaajuisten katalysaattorimarkkinoiden arvo on vuosittain useita miljardeja dollareita, ja käynnissä on tutkimus, jolla pyritään parantamaan katalyyttien valikoivuutta, vähentämään koksin tuottoa sekä käsittelemään raskaampia ja happamia rehuja. Prosessi tuottaa myös arvokkaita sivutuotteita, kuten propyleeniä ja butyyliä, jotka ovat petrokemian ja alkylaatin tuotannon raaka-aineita.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Vaikka katalyyttinen krakkaus on kypsää, sillä on edessään kehittyviä haasteita:

  • Raskaiden, hapanrehujen käsittelyn:[] Kevyen makean raaka-aineen niukkenemisen myötä puhdistamojen on käsiteltävä raskaampaa raakaa korkealla rikki-, metalli- ja asfalttipitoisuudella, joka myrkyttää katalyyttejä ja lisää koksia.
  • Hiilinpoistopaine:[ Siirtyminen sähköajoneuvoihin ja uusiutuviin polttoaineisiin voi vähentää bensiinin kysyntää pitkällä aikavälillä. FCC-yksiköitä voidaan mukauttaa tuottamaan enemmän petrokemian raaka-aineita tai biogeenisiä rehuja.
  • Katalyst-innovaatio:[] Tutkimus jatkuu uusien zeoliittirakenteiden (esim. ZSM-5, zeoliittibeta) ja mesoporoisten materiaalien osalta valikoivuuden parantamiseksi ja bioöljyjen käsittelyn mahdollistamiseksi.

Yksi lupaava ala on bioperäisten öljyjen (esim. kasviöljyjen ja eläinrasvojen) rinnakkaiskäsittely FCC-yksiköissä uusiutuvan bensiinin ja dieselin komponenttien tuottamiseksi.

Päätelmät

Katalytiikka halkeaminen on edelleen kulmakivi nykyaikaisessa maaöljyn jalostus. Muuttamalla raskaat hiilivedyt korkeaoktaanisiksi bensiinin komponenteiksi se mahdollistaa tehokkaat, suorituskykyiset moottorit, jotka käyttävät ajoneuvojamme ja teollisuus. Prosessi on voitto kemian suunnittelu: jatkuva, kiertävä reaktorijärjestelmä, joka muuntaa vähäarvoiset rehut yhdeksi maailman arvokkaimmista raaka-aineista. Energiamaiseman kehittyessä katalyyttinen krakkaus mukautuu .

Lisätietoja saa ]Wikipedia-artikkelista, joka koskee nestekatalyyttistä krakkausta[, ]U.S. Energy Information Administration -katsaus puhdistukseen ja -sivulta [.TiedeDirect-sivulta .