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Erdöl-Aufarbeitung

Katalytisches Spalten (Cracken)

Im Gegensatz zum thermischen Cracken werden wesentlich bessere Umsetzungsergebnisse bei deutlich niedigeren Temperaturen erreicht. Des Weiteren kann etwa bei Atmosphärendruck und mit niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden.

Folgende katalytische Cracker werden eingesetzt:

  • katalytischer Fließbett-Cracker
  • katalytischer Festbett-Cracker (Hydrocracker)

Film: Einsatz und gebildete Produkte

Katalytischer Fließbett-Cracker

Abb.1

Beim Fließbett-Cracking wird ein staubförmiger Katalysator verwendet (FCC, fluid catalytic cracking). Der heiße, von der Regenerierung kommende Katalysator (600-750 °C) wird mit dem Einsatzstoff vermischt und über das Steigrohr (Riser) zum Reaktor geleitet. Die Reaktion findet sowohl im Riser als auch im Reaktor statt. Da das Cracken eine endotherme Reaktion ist, kühlt sich der Katalysator auf 480 und 540 °C ab. Gleichzeitig wird der Katalysator durch Koksablagerungen desaktiviert. Die Spaltreaktion kommt zum Erliegen. Am Kopf verlassen die Produkte den Reaktor über Zyklone, in denen der mitgerissene Katalysatorabrieb abgeschieden wird. Die gebildeten Produkte werden anschließend destillativ getrennt. Der abgetrennte Katalysator fließt nun über eine Fallleitung in den Regenerator, wo der Koks mit eingeblasener Luft abgebrannt wird.

Die ersten Crackkatalysatoren waren natürlich vorkommende Alumosilikate. In modernen FCC-Katalysatoren sind u.a. synthetische, seltenerdenhaltige Zeolithe enthalten.

Vorteile:

  • hohe Reaktionsgeschwindigkeiten
  • hoher Anteil von C3/C4-Kohlenwasserstoffen im Crackgas
  • Die katalytische Reaktion läuft über einen Carbeniumionen-Mechanismus, weswegen man einen hohen Anteil an verzweigten Kohlenwasserstoffen erhält (Stichwort: Oktanzahl), die für Kraftstoffe hervorragend geeignet sind.

Nachteile:

  • Das Einsatzprodukt darf keine Metalle enthalten, da diese den Katalysator desaktivieren würden. Daher kommen als Einsatzprodukte keine Rückstände in Frage.
  • Die Produkte müssen in Abhängigkeit vom Anwendungsziel noch hydriert werden.
  • Der Katalysator wird ausgetragen.

Merkmale:

  • Reaktortyp: Fließbettreaktor
  • Katalysator: Alumosilikate, ZeolitheKatalysatorgröße: 60 bis 70 µm
  • Druck: Normaldruck
  • Katalysatortemperatur: 600 bis 750 °C Edukttemperatur: 350 bis 500 °C
  • Verweilzeit: kurz; ca. 0,1-5 s
  • Einsatzprodukte: Vakuumdestillate (Vakuumgasöl (VGO), Wachse)

Vertiefung: Funktionsweise eines Zyklons

Anschauliches: Mechanismus der Crackreaktion

Hydrospalten

Abb.2

Beim Hydrocracken werden die Kohlenwasserstoffe gecrackt und gleichzeitig die dabei entstehenden Alkene zu Alkanen hydriert. Durch den hohen Wasserstoffdruck wird die Koksbildung verzögert.

Abb.3

Schematischer Gang: Zunächst wird der entschwefelte Einsatzrohstoff mit Wasserstoff (Druck etwa 10-20 MPa) versetzt, erhitzt und durch den mit dem Katalysator (Nickel/Molybdän) versehenen Reaktor 1 geleitet. Dann gelangt der Gasstrom in einen Abscheider, wo der überschüssige Wasserstoff abgetrennt und in den Kreislauf zurückgeführt wird. Danach werden die Gase in einer Kolonne (Stripper) abgetrennt. Nun wiederholt sich der Prozess in einer 2. Stufe. Am Ende werden die erzeugten Produkte destillativ getrennt. Nicht umgesetzte schwere Rückstände werden im Kreislauf gefahren, so dass sie in einem späteren Umlauf reagieren. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sich, je nach den Betriebsbedingungen, die erwünschte Produktausbeute steuern lässt. Die flexible Fahrweise gestattet es, fast ausschließlich Benzin oder überwiegend Diesel/leichtes Heizöl bei gleichzeitig geringem Benzinanteil zu gewinnen.

Vorteile:

  • flexible Fahrweise je nach Marktlage

Nachteile:

  • hoher Wasserstoffbedarf (teuer), ein Wasserstoffmolekül pro gespaltener C-C-Bindung
  • hohe Investitionskosten aufgrund der hohen Drücke (15-20 cm starke Reaktorwände)

Merkmale:

  • Reaktortyp: Festbettreaktor (teilweise auch Bewegtbettreaktoren)
  • Katalysator: bifunktionell; Zeolithe mit aufgetragenen Hydrierkomponenten (Ni, Co, Mo, W)
  • Druck: 100 bis 200 bar (10-20 MPa)
  • Temperatur: 300 bis 450 °C
  • Wasserstoffverbrauch: 2,9 bis 3,9 Gew.-% des Einsatzstoffes (je nach Einsatzstoff)
  • Einsatzprodukte: Vakuumdestillate

Anschauliches: Bild eines realen Hydrocrackers

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