شکست کاتالیستی سیال-قسمت اول

با توجه به اهمیت استفاده بهینه از منابع هیدروکربنی در بحث انرژی و نقش آن در توسعهٔ صنعتی و اقتصاد کشورها, استفاده هر چه بیشتر از ته مانده‌های سنگین در پالایشگاه‌های نفت و تولید محصولات سبک با ارزش افزوده, مورد توجه روز افزون قرار دارد. در این میان فرآیند شکست کاتالیستی بستر سیال (FCC) جهت شکست مولکولهای سنگین و تولید محصولات با ارزش بعنوان روشی مطمئن با ویژگی‌های خاص از جایگاه مهم برخوردار است.در این مقاله به تشریح این تکنولوژی و بیان معایب و مزایای آن و مقایسه برخی روشهای جدید (FCC) می‌پردازیم.

مقدمه

شکست کاتالیزی در بستر سیال یکی از مهمترین واحدها و فرآیندهای تبدیل کاتالیستی در جهان محسوب می‌شودکه مواد سنگین و کم ارزش نفتی را به مواد سبکتر و با ارزش تر تبدیل می‌کند. امروزه به دلیل افزایش مصرف سوخت در جهان ونیاز به تبدیل مواد سنگین به مواد سوختنی سبک نیاز به این فرآیند بیش از پیش احساس می‌شود. از میان سه نوع واحد شکست کاتالیستی(بستر ثابت, بستر متحرک, بسترسیال) تکنولوژی‌های مبتنی بر بستر سیال از لحاظ عملیاتی پیچیده تر و از مزایای ویژه نسبت به به روشهای بستر ثابت و بستر متحرک برخوردار است. از مزایای روش بستر سیال نسبت به روش بستر ثابت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

- فعالیت یکنواخت کاتالیست‌ها و مداوم بودن عملیات احیاء

- تولید گرمای لازم برای واکنش هیدرو کراکینگ بوسیلهٔ احتراق کک در قسمت محفظه احیاء

- تجهیزات سیالات ساده با تعداد کمی از اجزای متحرک و کنترل مداوم جریان کاتالیست

از زمان تاسیس اولین واحد تجاری FCC این تکنولوژی به عنوان رایج‌ترین تکنولوژی جهت شکست مولکولهای سنگین نفتی و تولید محصولات با ارزش در پالایشگاه‌های دنیا به طور گسترده مورد استفاده قرار دارد.

در این فرآیند برشهای سنگین در مجاورت کاتالیست به محصولات سبک وکک تبدیل می‌شودکه کک موجود بر سطح کاتالیست رسوب کرده و در قسمت احیا سوزانده می‌شودو بخشی از انرژی مورد نیاز فرآیند را تامین می‌کند. در فرآیند FCC علاوه بر بنزین محصولات دیگری نظیر گازهای سبک متان و اتان و همچنین ترکیباتی به سنگینی ماده اولیه پدید می‌آید که میزان تولید هر یک از این محصولات تا حدی بستگی به شرایط عملیاتی دارد(خصوصا درصد تبدیل خوراک) اگر این واحد در درصدهای تبدیل کم کار کند محصولات اصلی آن سوخت دیزل,در درصدهای تبدیل متوسط محصول اصلی آن بنزین و در درصدهای تبدیل بالا محصول اصلی آن گازهای الفینی سبک خواهد بود.

تاریخچه تولید  FCC

اولین واحد شکست کاتالیستی در سال ۱۹۳۶ میلادی توسط Hordry ارائه و ساخته شد. این واحد با بستر ثابت طراحی شده بود. واحدهای بستر سیال از نوع FCC برای اولین بار در سال ۱۹۴۲ توسط شرکت Exxon در طول جنگ جهانی برای تولید بنزین با اکتان بالا و تولید محصولات جانبی نظیر بوتیلن برای فرآیند الکیلاسیون به صورت صنعتی در آمد. از آنجاییکه بنزین تولید شده در این واحد از نظر کیفی و کمی به مراتب بهتر از بنزین تولید شده در واحدهای شکست حرارتی و گازوئیلی بود, این واحدها با استقبال بسیار قابل توجهی روبرو شدند.
پیش از دهه ۸۰ میلادی واحدهای FCC , Hydrocracking از یک طرف و واحدهای Coking و Visbreaking از طرف دیگر از واحدهای مطرح جهت ارتقاء برشهای سنگین نفتی در پالایشگاه‌های نفت به شمار می‌آمدند. بعد از دهه ۸۰ با افزایش قیمت نفت استفاده از واحدهای FCC و Hydrocracking مقرون به صرفه شد. از این زمان واحدهای FCC و Hydrocracking به صورت رقبای سرسختی برای واحدهای Coking و Visbreaking در آمدند و به نظر می‌رسد که واحدهای Coking و Visbreaking نهایتا مغلوب FCC و Hydrocracking شوند. FCC و Hydrocracking هیچ کدام مطلقا نتوانسته‌اند بر هم غالب شوند. در دهه ۸۰ به دلیل اختلاف قیمت شدید gasoline و fuel oil گرایش به Hydrocracking بیشتر بوده زیرا بازدهی محصولات سبک در این واحد بیشتر از FCC بوده‌است.
در حال حاضر با توجه به عدم ثبات قیمت نفت و همچنین هزینه سرمایه گذاری و عملیاتی کمتر و انعطاف پذیری نوع خوراک و محصولات, تمایل بیشتر به ایجاد  اهمیت تکنولوژی FCC برای کشور ایرانwواحد FCC وجود دارد. 

از جمله دلایل استقبال از تکنولوژی FCC در صنعت نفت ایران می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- بنزین از نظر حجم تولید مقام اول را نسبت به سایر محصولات پالایشگاه داراست.

۲- سنگین تر شدن تدریجی نفت خام لزوم استفاده بیشتر از واحدهای شکست FCC را به همراه دارد.

۳- با توجه به عدم ثبات قیمت نفت و همچنین هزینه سرمایه گذاری و عملیاتی کمتر و انعطاف

پذیری نوع خوراک(خصوصا لزوم بر حداکثر تبدیل برش‌ها و باقیمانده‌های سنگین نفتی در پالایشگاه‌های نفت) و محصولات, ایجاد واحد FCCضرورت بیشتری می‌یابد.

شرکت‌های دارنده تکنولوژی یا دانش فنی  FCC

تا کنون بالغ بر ۳۵۰ واحد شکست کاتالیستی بستر سیال در دنیا وجود دارد که طراحی و یا اصلاح اغلب واحدهای FCC موجود بطور عمده توسط شش شرکت صاحب نام به شرح ذیل انجام گرفته‌است: ۱)ABB Lummus Global

۲) Exxon Research and Engineering (ER&E)

۳) Kellogg Brown & Rout-KR (Formaly+ HEM.W. Kellogg Company)

۴) Shell Oil Company

۵) Stone & Webster Engineering Corporation (SWEC)/ IFP

۶) UOP (Universal Oil Products)

هر کدام از شرکت‌ها برای کسب تکنولوژی سالهای زیادی را صرف تحقیق و توسعه نموده‌اند و کماکان تحقیقات و فعالیتهای گسترده‌ای در راستای به روز نگه داشتن تکنولوژی, ایجاد نوآوری در راستای کسب موفقیت جهانی و حفظ موقعیت رقابتی خود انجام می‌دهند.

شرح کلی فرآیند تولید

فرآیند شکستن مولکولها در کاتالیست سیال (Fluid Catalytic Cracking) روشی است برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی نسبتاً سنگین به محصولات سبک تر و با ارزش تر (عمدتاً بنزین با اکتان بالا) این عمل بوسیله برخورد هیدروکربنهای نفتی سنگین با کاتالیست داغی که به شکل پودرمی باشد در شرایط خاصی از دما و فشار و در مدت زمان معینی انجام می‌گیرد. استفاده کردن از کاتالیست باعث می‌شود که واکنشهای شکست مولکولی در فشار پایین انجام پذیرد و محصولاتی با کیفیت بالاتر بدست آید. کاتالیست مورد استفاده پودر دانه دانه و نسبتاً ریزی از سیلیکا، آلومینا (Sio۲ – Al۲o۳) که یک ترکیب صنعتی است، می‌باشد. ترکیبات اصلی کاتالیست همان Al۲o۳ وSio۲ می‌باشند و بطوری سنتزی (مصنوعی) ساخته می‌شود. کاتالیست فوق بصورت طبیعی نیز یافت می‌شود که کیفیت کمتری نسبت به کاتالیست مصنوعی دارد. به علت کوچک و ریز بودن ذرات، کاتالیست دارای دو خاصیت می‌باشد که این دو خاصیت در فرآیند بسیار اهمیت دارند، این دو خاصیت عبارتند از:

۱- وقتی که به توده کاتالیست جریان کمی از گاز یا بخار آب یا هوا تزریق گردد و یا موقعی که توده‌ای از کاتالیست در مسیر جریان گازی با سرعت کم، قرار گیرد، توده کاتالیست به حالت سیال (Fluidize) و روان در می‌آید و از بسیاری جهات مانند یک مایع عمل می‌کند، یعنی کاتالیست سیال شده در لوله‌ها فشار را منتقل نموده و باعث افزایش فشار استاتیکی و جریان در لوله‌ها می‌گردد. نام فرآیند FCC از همین خاصیت کاتالیست گرفته شده‌است.

۲ کاتالیست می‌تواند کلاً بصورت معلق باشد (معلق در گاز و هوا) و یا بوسیله جریانی از گاز باسرعت بالا، در مسیر افقی یا عمودی حمل گردد و جابجا شود. با این نوع جریان، کاتالیست بطور قابل ملاحظه‌ای رقیق (Dilute) می‌شود. این نوع جریان در انتقال کاتالیست از راکتور به احیاء کننده و بالعکس مورد استفاده می‌باشد.