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Partikelcharakterisierung Optimale Partikeleigenschaften für FCC-Katalysatoren

| Autor / Redakteur: Jamie Clayton / M.A. Manja Wühr

Wie effizient Fluid Catalytic Cracking schwere Erdölfraktionen umwandelt, hängt nicht zuletzt von den eingesetzten Katalysatoren ab. Ein gutes Beispiel sind wertvolle Olefine. Welche Partikeleigenschaften dabei zum besten Fließverhalten führen, lässt sich mithilfe des FT4-Pulverrheometer bestimmen.

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Unterschiede im Prozessverhalten besser verstehen: Mit dem FT4-Pulverrheometer lassen sich FCC-Katalysatoren mit unterschiedlichem Feinanteil charakterisieren.
Unterschiede im Prozessverhalten besser verstehen: Mit dem FT4-Pulverrheometer lassen sich FCC-Katalysatoren mit unterschiedlichem Feinanteil charakterisieren.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

In der modernen Erdölraffinerie ist Fluid Catalytic Cracking (FCC) nach wie vor der bedeutendste Schritt bei der Kohlenwasserstoffumwandlung. Das Verfahren ist weit verbreitet, um die hochsiedenden Kohlenwasserstofffraktionen mit ihrem hohem Molekulargewicht von anderen Erdölfraktionen wie Normalgasöl, Vakuumgasöle und Schweröle in wertvollere Benzinarten, Olefine oder andere Produkte umzuwandeln.

Bei diesem Verfahren werden kontinuierlich Umlaufgeschwindigkeiten des eingesetzten Katalysatorpulvers von 5 bis 25 Tonnen pro Minute erreicht. Aus diesem Grund ist es zwingend notwendig, dass der ausgewählte FCC-Katalysator das gewünschte Fließverhalten zeigt.

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FCC-Katalysatoren und ihre gewünschten Eigenschaften

Derzeit sind weltweit rund 350 FCC-Anlagen mit einer Verarbeitungskapazität von insgesamt über 14,7 Millionen Barrel pro Tag in Betrieb. Die Rentabilität einer FCC-Anlage hängt im Wesentlichen von der Art des zugeführten Ausgangsstoffes und dem verwendeten FCC-Katalysator ab, wobei typische Anlagen bis zu 75.000 Barrel pro Tag verarbeiten und über 55.000 Tonnen Katalysator benötigen.

Moderne FCC-Katalysatoren sind feine Pulver mit Schüttdichten von 0,80 bis 0,96 g / cm3 und einer Partikelgrößenverteilung im Bereich von 10 bis 150 µm bei einem Mittelwert von 60 bis 100 µm. Der aktive Hauptbestandteil ist üblicherweise eine stabilisierte Form von Zeolith Y, weitere Bestandteile sind zum Beispiel Ton, Aluminiumoxid und Siliziumdioxid sowie Matrizen, die Schwermetalle aus Rückständen abfangen, welche als Katalysatorgifte wirken können.

Die Komponenten werden in der Regel in einer wässrigen Aufschlämmung gemischt und dann sprühgetrocknet, um weitestgehend einheitliche kugelförmige Teilchen zu erhalten. Während des Crackverfahrens „fluidisieren“ die Kohlenwasserstoffdämpfe den pulverförmigen Katalysator, dann steigt die Mischung aus Kohlenwasserstoffdämpfen und Katalysator nach oben und dringt bei einer Temperatur von etwa 700 ºC und einem Druck von etwa 1,72 bar in den Reaktor ein. Der zurückgewonnene Katalysator wird daraufhin in den Steigrohrreaktor (Riser) zurückgeführt, in dem während der Gasphase das Cracking stattfand.

All dies läuft kontinuierlich mit hohen Umlaufgeschwindigkeiten ab. Daher ist es zwingend notwendig, dass der ausgewählte FCC-Katalysator das gewünschte Fluidisierungsverhalten zeigt. Dies gilt insbesondere für den Katalysatorregenerator, bei dem eine schlechte Fluidisierung zu höheren Temperaturen, geringerer Produktivität und höheren NOx-Emissionen führen kann. Da der Katalysator während des Prozesses einige von Kollisionen erfährt, müssen die Katalysatorteilchen zudem gegen Abrieb widerstandsfähig sein.

Variationen im Prozessverhalten

Für ein besseres Verständnis der beobachteten Unterschiede im Prozessverhalten charakterisiert das FT4-Pulverrheometer die verschiedenen FCC-Katalysatoren mit jeweils unterschiedlichem Feinanteil. Dafür wurden die dynamischen Fließ-, Masse- und Schereigenschaften der Pulver, das Fluidisierungsverhalten und die Permeabilität bestimmt und verglichen. Die zu bestimmenden Pulver hatten folgende Feinanteile, definiert als Partikel <44 µm:

  • Geringer Feinanteil (3%)
  • Mittlere Feinanteil (12%)
  • Hoher Feinanteil (bis zu 100%)

Folgende Parameter wurden mithilfe des FT4-Pulverrheometers ermittelt: Basisströmungsenergie (Basic Flowabiltiy Energy -BFE), spezifische Energie (Specific Engergy - SE), Energie unter Belüftung bei einer Luftgeschwindigkeit von 10 mm/s (Arerated Energy - AE), Permeabilität und Kompressibilität in Prozent bei einem Druck (Stress) von 15 kPA sowie die Kohäsion, die von der Scherzellen Analyse ermittelt wurde.

Zudem wurden die dynamischen Fließergebnisse mithilfe eines definierten Messprinzips bestimmt, das den Widerstand gegen die Bewegung einer sich drehenden Spindel misst. Die Kraft und das Drehmoment, die erforderlich sind, um ein genau definiertes Pulvervolumen zu passieren, werden dabei aufgezeichnet, der Strömungswiderstand wird berechnet und als Strömungsenergie ausgedrückt. Durch den Einsatz einer steuerbaren Gasversorgung kann außerdem das Belüftungs- und Fluidisierungsverhalten ausgewertet werden.

Die resultierenden Daten zeigten deutliche Unterschiede in den dynamischen Fließeigenschaften sowie in den Bulkeigenschaften der Katalysatoren, was erklärt, warum sie sich im Prozess unterschiedlich verhalten. Basierend auf den Ergebnissen können nun Rückschlüsse gezogen werden und die Anforderung für definierte Prozessschemen festlegt werden.

Proben mit hohen Feinanteilen zeigten die niedrigste Basisströmungsenergie (BFE) und die niedrigste Permeabilität sowie den höchsten Prozentsatz der an Kompressibilität, was darauf hinweist, dass der Anteil der mitgeführten Luft höher ist. Diese Eigenschaften weisen typischerweise auf kohäsivere Materialien hin. Es ist demnach wahrscheinlich, dass Lufteinschlüsse im Pulver zu dem geringeren BFE beitragen, da sie dem Durchtritt der Spindel weniger Widerstand entgegensetzen.

Die höhere Kohäsivität wird zudem durch die ermittelten hohen Werte für Kohäsion und Belüftungsenergie (AE) belegt. Diese höhere Belüftungsenergie jedoch bedeutet eine verminderte Empfindlichkeit für die Zufuhr von Luft, was eine höhere Luftgeschwindigkeit erforderlich macht, um einen fluidisierten Zustand zu erreichen.

Es ist normal für kleinere Partikel, sich kohäsiver zu verhalten, da die interpartikulären Kräfte im Vergleich zu der einwirkenden Gravitationskraft, relativ stark sind. Zusätzlich bilden ihre relativ große Oberfläche größere Kontaktflächen zwischen den Partikeln. Ausgehend von dieser Hypothese wäre auch zu erwarten, dass die Probe mit dem geringsten Feinanteil das rieselfähigste Material ist. Dies war jedoch nicht der Fall. Es wurde gezeigt, dass die Probe mit dem mittleren Feinanteil die effizienteste Partikelpackung mit der geringsten Kompressibilität und Kohäsion sowie der höchsten Permeabilität und Empfindlichkeit gegenüber Lufteintritt aufweist. Diese Probe ergab auch den niedrigsten Wert für die spezifische Energie (SE), was auf eine verringerte interpartikuläre Reibung hinweist. In optimalen Mengen kann der Feinanteil als Fließmittel wirken, was das verbesserte Fließverhalten der Probe mit den mittleren Partikelgrößen erklärt.

Die Untersuchungen der Proben geben Aufschluss darüber, warum die Materialien im Prozess eine unterschiedliche Leistung zeigten und wie die Fließeigenschaften durch Erhöhung des Feinanteils verbessert werden können. Katalysatoren, die sich für den FCC Prozess besonders eignen, konnten so identifiziert werden, ohne Versuche mit Originalmengen durchführen zu müssen, was eine erhebliche Material- und Zeitersparnis und somit Kosten einsparte.

* Der Autor ist Operations Manager bei Freeman Technology, Tewkesbury /UK.

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