Development of an FCC riser dynamic model for an OTS

Abstract

Fluid Catalytic Cracking (FCC) is one of the most important secondary process in refineries. It’s based on the principles of catalytic cracking; uses heat, pressure, and catalysts to process heavy feeds and turn them into lighter, more valuable products. Provides refineries with high operational flexibility, maximizing the economically valuable products and allowing to process heavier, cheaper feeds. The FCC process is a high consequence process with a complex process flow and sophisticated control schemes. This requires a deep knowledge of the process and quality training to operate it safely. Simulation based tools have raised to provide high quality training for control room operators: Operator Training Simulators (OTS). They integrate a copy of the plant control system and an emulation of the control panels with a simulation software that contains the dynamic plant model. Having this in mind this project seeks to: • To develop an FCC riser reactor dynamic module model that can be implemented in an FCC unit OTS. • To implement the reactor model into an FCC unit model for an OTS. • To analyse if this model presents any advantages to the most common approaches to model the reaction section in an OTS. The reactor is the heart of FCC, is where the feeds conversion is accomplished. The cracking reactions, or breakage of heavier molecules into lighter ones, happens principally in the riser zone of the reactor, a tube-like vessel, in gas phase and catalysed by a solid. It can be described as a fluidized bed reactor: the catalyst is found as very fine solid particles that exhibit a fluid-like behaviour with the movement of gas among them. Observational studies have explained this intricate solid-gas flow and concentrations gradients distinguishing different behaviours in the radial and axial axis. The FCC feed is a complex mixture of hundreds of different hydrocarbons with a wide range of possible reactions that grow exponentially with the carbon number of the compounds. Because of the inability to list all the multiple possible reactions network reduction techniques, like lumping methods, have been proposed to describe the reactions. Lumping consists in dividing the products into different groups or lumps and assuming this lumps that share similar characteristics react as a group, reducing that way the number of reactions. The proposed model intends to simulate the riser reactor integrating a lumped kinetic model into a network of modular ideal reactors in Aspen HYSYS® that seek to represent the hydrodynamic patterns in the reactor. A 6-lump kinetic model has been selected, representing the feed and main products. The reaction velocity equations consider also the mass of catalyst and coke present in the reactor. For the simulation of the injection zone of the reactor a continuously stirred tank reactor (CSTR) module has been used. Using it as well for the annular zone, for the core a plugged flow reactor (PFR) model has been selected. The dynamic model predicted yields have adjusted to real industrial data with less than a 3% relative error. Finally, to implement the riser model into the OTS plant model a “delumping” of the riser products has been done, as the model needs a higher compositional detail for the rest of separation operations. The detailed composition of each lump has been related to the real temperature boiling point (TBP) curves. The composition of the products of the model with the riser implemented have been able to adjust to the real TBP curves data with less than a 5% error. The proposed riser model can give reliable conversion predictions, while taking into account the main process variables that have the highest impact to the conversion yields: temperature, residence time, catalyst-oil relation and catalyst deactivation. Has been compared to a yield shift reactor to represent the riser and only main advantage that the yield shift approach presents can present in front of the riser FCC model proposed is the fast simulation time with 3 times lower CPU consumption.

El “Fluid Catalytic Cracking” (FCC) és un dels processos secundaris més importants de les refineries. Es basa en els principis del “cracking” catalitzat: utilitza calor, pressió i catalitzadors per transformar fraccions pesades de cru productes mes lleugers i valuosos. Dona un alt grau de flexibilitat a les refineries permetent maximitzar la producció de productes de valor econòmic i processar fraccions pesades de cru de menor cost. És un procés que pot presentar un alt risc amb un flux de procés complex i un esquema de control sofisticat. Demanda un coneixement detallat del procés així com un entrenament de qualitat per poder operar-lo de forma segura. Han aparegut actualment eines basades en la simulació per proporcionar als operadors de sales de control un entrenament d’alta qualitat: “Operator Training Simulators” (OTS). Integren una copia del sistema de control de la planta amb les seves pantalles de control amb un programa de simulació que conte un model dinàmic de la planta. Tenint-ho en compte, el projecte busca: • Desenvolupar un mòdul dinàmic del reactor “riser” del FCC que pugui ser implementat en un OTS d’una unitat FCC. • Implementar el model del reactor en un model d’una unitat FCC per un OTS. • Analitzar si el model presenta alguna avantatja davant d’un model trobat més habitualment en models dinàmics per OTS. El reactor és el cor de l’FCC, és on s’aconsegueix la transformació de l’alimentació. Les reaccions de “cracking”, o trencament de molècules pesades en altres de més lleugeres, esdevé principalment a la zona del “riser” del reactor, un recipient de geometria tubular, en fase gas i catalitzada per un sòlid. Es pot descriure com un reactor de llit fluïditzat: el catalitzador es troba en partícules solides molt fines i exhibeix un comportament anàleg al d’un fluid amb el moviment del gas a traves de les partícules. Estudis observacionals expliquen la relació intricada del flux de gas i sòlid i els seus gradients de concentració diferenciant entre el seu comportament en l’eix axial i radial. La composició de l’alimentació del FCC és complexa i inclou centenars d’hidrocarburs amb un ampli rang de possibles reaccions que creix exponencialment amb el nombre de carbonis que els formen. Davant l’incapacitat de detallar totes les múltiples reaccions s’han proposat tècniques de reducció de xarxes, com el “lumping”, per poder descriure el sistema. El “lumping” consisteix en agrupar compostos en “lumps”, o agregats, assumint que aquests grups comparteixen certes característiques i reaccionen com a grup, reduint així el nombre total de reaccions. El model proposat pretén simular el reactor “riser” integrant un model cinètic “lumped” en una xarxa de mòduls de reactors ideals a Aspen HYSYS®, que busquen a la seva vegada representar els patrons hidrodinàmics del reactor. S’ha seleccionat un model cinètic que conté 6 “lumps”, representant l’alimentació i els productes principals. Les equacions de velocitat de cada reacció tenen en compte la massa de catalitzador i “coke” present en el reactor. Per la simulació de la zona d’injecció del reactor s’ha utilitzat un mòdul de tanc contínuament agitat (CSTR). Utilitzant també un CSTR per la zona anular del reactor, i per al nucli, un reactor de flux pistó (PFR). Els productes de la reacció predits pel model dinàmic del reactor s’ajusten a les dades d’un reactor industrial amb menys d’un 3% d’error relatiu. Finalment, per implementar el model del “riser” al model d’una planta d’un OTS s’ha seguit un procediment de “delumping” dels productes del “riser” ja que el model necessita un nivell de detall de composició més alt. La composició detallada de cada “lump” s’ha relacionat a les corbes punt d’ebullició a temperatura real (TBP). La composició dels productes del model amb el “riser” implementat s’ajusten a las corbes TBP amb menys d’un 5% d’error. El model de “riser” proposat ha demostrat unes prediccions fiables de les conversions, tenint en compte a la vegada les variacions de les variables amb major impacte en els productes: la temperatura, temps de residencia, relació d’alimentació-catalitzador i la desactivació del catalitzador. S’ha comparat amb la utilització d’un reactor “yield shift” i l’única avantatja que presenta davant del model proposat es que el “yield shift” consumeix 3 vegades menys CPU.