Fluid Catalytic Cracking Handbook 2nd Ed

Fluid
Catalytic
Cracking
Handbook
SECOND  EDITION

This page intentionally left blank

Fluid
Catalytic

Cracking

Handbook

Handbook Design, Operation  and
Troubleshooting  of
FCC  Facilities

SECOND  EDITION


GP Gulf Professional  Publishing
I'M 

an  imprint  of Butterworth­Heinemann

uid
atalytic
racking
andbook

gn,  Operation,  and
bleshooting  of
  Facilities

OND  EDITION

yright © 2000 by Butterworth­Heinemann.  All rights
rved.  Printed in the United States of America.  This  book,
arts thereof,  may not be reproduced  in any form without
mission of the publisher.


ginally published by Gulf Publishing Company,
ston. TX.

information, please contact:
nager of Special  Sales
erworth­Heinemann
Wildwood Avenue
bum,MA01801–2041
  781­904­2500
:781­904­2620
information on all Butterworth­Heinemann  publications
lable, contact our World Wide Web home page at:
://www.bh.com
9  8  7  6  5  4  3  2

ary of Congress Cataloging­in­Publication  Data

ghbeigi,  Reza.
Fluid  catalytic cracking handbook  / Reza Sadeghbeigi.—2nd  ed.

p.  cm.
Includes bibliographical references  and index.
ISBN  0­88415­289­8 (alk. paper)
1.  Catalytic cracking.  1. Title.
P690.4.S23  2000
65.533  dc2l 
00­035361

ted  in  the  United  States  of  America.

ted  on  acid­free  paper  (°°).

This  book  is  dedicated  to
our  respected  clients  who  have
contributed  to  the  success  of  RMS  Engineering,  Inc.
and  to  the  content  of  this  book

This page intentionally left blank

Contents


cknowledgments 

xi

reface  to  the  Second  Edition 

xii

HAPTER  1

rocess  Description 

1

Feed  Preheat,  6.  Riser—Reactor—Stripper,  7,  Regenerator­
Heat/Catalyst  Recovery,  13. Main  Fractionator,  22.  Gas  Plant,
25.  Treating  Facilities,  31.  Summary,  39.  References,  39.

CC  Feed  Characterization 


40

Hydrocarbon  Classification,  41.  Feedstock  Physical  Properties,
45.  Impurities,  54.  Empirical  Correlations,  68.  Benefits  of
Hydroprocessing,  81.  Summary,  82.  References,  82.

HAPTER  3

CC  Catalysts 

84

Catalyst  Components,  84.  Catalyst  Manufacturing
Techniques,  96.  Fresh  Catalyst  Properties,  99.  Equilibrium
Catalyst  Analysis,  102.  Catalyst  Management,  109.
Catalyst  Evaluation.  115. Additives,  117.  Summary,  123.
References,  124.

HAPTER  4


Chemistry  of  FCC Reactions 
Thermal  Cracking,  126.  Catalytic  Cracking,  128.  Thermo­
dynamic  Aspects,  136.  Summary,  136.  References,  138
References,  134.

125

HAPTER  5

Unit  Monitoring  and  Control 

_.._  139

Material  Balance,  140.  Heat  Balance,  158.  Pressure
Balance,  166.  Process  Control  Instrumentation, 177.
Summary,  180.  References,  181.

HAPTER  6


Products  and  Economics 

182

FCC  Products,  182.  FCC  Economics,  202.  Summary, 205.
References,  205.

HAPTER  7

Project  Management  and
Hardware  Design 

206

Project  Management  Aspects  of  an  FCC  Revamp,  206.
Process  and  Mechanical  Design  Guidelines,  212.
Summary,  232.  References,  232.

HAPTER  8


roubleshooting 

234

Guidelines  for  Effective  Troubleshooting,  235.  Catalyst
Circulation,  236.  Catalyst  Losses,  244.  Coking/Fouling,  248.
Flow  Reversal,  251.  High  Regenerator  Temperature,  256.
Increase  in  Afterburn, 259.  Hydrogen  Blistering,  260.  Hot
Gas  Expanders,  263.  Product  Quantity  and  Quality,  264.
Summary,  275.

HAPTER  9

Debottlenecking  and  Optimization 
Introduction,  276.  Approach  to  Debottlenecking,  277.
Reactor/Regenerator  Structure,  281.  Flue  Gas  System,  296.
FCC  Catalyst,  296.  Instrumentation, 304.  Utilities/Offsites,
305.  Summary,  306.

276


Emerging  Trends  in Fluidized  Catalytic  Cracking _ 

307

Reformulated  Fuels,  308.  Residual  Fluidized  Catalytic
Cracking  (RFCC),  323.  Reducing  FCC  Emissions,  327.
Emerging  Developments  in  Catalysts,  Processes,  and
Hardware,  232.  Summary, 335.  References,  336.

PPENDIX  1

emperature  Variation  of  Liquid  Viscosity 

338

PPENDIX  2

Correction  to  Volumetric  Average  Boiling  Point 


339

PPENDIX  3

OTAL  Correlations 

340

PPENDIX  4

­d­M  Correlations  _.._._  ._.._ __._ 



341

PPENDIX  5

Estimation  of  Molecular  Weight  of
Petroleum  Oils  from  Viscosity  Measurements 


342

PPENDIX  6

Kinematic  Viscosity  to
aybolt  Universal  Viscosity _._ 



344

PPENDIX  7

API  Correlations 

345

PPENDIX  8

Definitions  of  Fluidization  Terms 

_._..._..._  _ 

Conversion  of  ASTM 50%  Point
o  TBP 50%  Point  Temperature 



347

350

PPENDIX  10

Determination  of  TBP Cut
Points  from  ASTM D­86 

351

PPENDIX  11

Nominal  Pipe  Sizes 

Conversion  Factors __ 

Glossary 

ndex 

__._ 


..._... 
....._. 

_._ _ 

About  the  Author 



353
355
357
363

..__ _  ._ 

.__. 369

Acknowledgments

am  grateful  to  the  following individuals who  played key  roles  in  this
ook's  completion:  Warren  Letzsch  of  Stone  &  Webster  Engineer­
ng  Corporation;  Terry  Reid  of  Akzo  Nobel  Chemicals,  Inc.;  Herb
elidetzki  of  KBC Advanced  Technologies,  Inc.;  and  Jack  Olesen  of
Grace/Davison  provided  valuable  input.  My  colleagues  at  RMS
ngineering,  especially  Shari  Gauldin, Larry  Gammon, and Walt Broad
went  the  "extra  mile"  to  ensure  the  book's  accuracy  and  usefulness.

Preface  to  the

Second Edition

The  first  edition  of  this  book  was  published  nearly  five  years  ago.
he  book  was  well  received  and  the  positive  reviews  were  over­
whelming.  My  main  objective  of  writing  this  second  edition  is  to
rovide  a  practical  "transfer  of  experience"  to  the  readers  of  the
nowledge  that  I  have  gained  in  more  than  20  years  of  dealing  with
arious  aspects  of  the  cat  cracking  process.
This  second  edition  fulfills  my  goal  of  discussing  issues  related  to
he  FCC  process  and  provides  practical  and  proven  recommendations
o  improve  the  performance  and  reliability of  the  FCCU  operations.
he  new  chapter  (Chapter  9)  offers  several  "no­to­low" cost  modifica­
ons  that, once  implemented., will  allow debottlenecking and optimiza­
on  of  the  cat  cracker.
I  am  proud  of  this  second  edition.  For  one,  I received  input/feedback
rom  our  valued  clients, industry "FCC  gurus,"  as  well as my  colleagues
t  RMS  Engineering,  Inc.  Each  chapter  was  reviewed  carefully  for
ccuracy  and  completeness.  In  several  areas,  I have provided  additional
iscussions  to  cover  different  FCCU  configurations and  finally,  both
he  metric  and  English  units  have  been  used  to  make  it  easier  for
eaders  who  use  the  metric  system.
Unfortunately,  the  future  of  developing  new  technologies  for  petro­
eum  refining  in  general,  and  cat  cracking  in  particular, is  not  promis­
ng.  The  large,  multinational oil companies  have just  about  abandoned
heir  refining  R&D  programs.  The  refining  industry  is shrinking
apidly.  There  is  no  "farm  system"  to  replace  the  current  crop  of
echnology  experts.  In  cat  cracking, we  begin  to  see  convergence  and
imilarity  in  the  number  of  offered  technologies.  Even  the  FCC
atalyst  suppliers  and  technology  licensers  have  been  relatively  quiet
n  developing "breakthrough"  technologies  since  the  introduction  of

eolite in  the  late  1960s.  More  and  more  companies are  outsourcing
heir  technical  needs.  In  the  next  several  years,  refiners  will  be
pending  much of  their capital  to reduce  sulfur  in  gasoline  and diesel,
n  the  area  of  cat  cracking,  the  emphasis  will  be  on  improving  the
erformance  and  reliability  of  existing  units,  as  well  as  "squeezing"
more  feed  rate  and/or  conversion  without capital  expenditure.  In  light
  these  developments,  this  book  is  needed  more  than  ever.
Reza
Houston,  Texas

This page intentionally left blank

CHAPTER

Process  Description

Fluid  catalytic  cracking  (FCC)  continues  to  play  a  key  role  in  an
ntegrated  refinery  as  the  primary  conversion  process.  For  many
efiners,  the  cat  cracker  is  the  key  to  profitability in that the successful
peration  of  the  unit determines  whether or  not  the  refiner can remain
ompetitive  in  today's  market.
Approximately  350  cat  crackers  are  operating  worldwide,  with  a
otal  processing  capacity  of  over  12.7  million barrels  per  day  [1]. Most
f  the  existing FCC  units have been  designed or  modified by  six  major
chnology  licensers:
1.  ABB  Lummus  Global
2.  Exxon  Research  and  Engineering  (ER&E)
3.  Kellogg  Brown  &  Root—KBR  (formerly  The  M.W.  Kellogg
Company)
4.  Shell  Oil  Company
5.  Stone  &  Webster  Engineering  Corporation  (SWEC)/IFP
6.  UOP  (Universal Oil  Products)

Figures  1­1 through  1­3 contain  sketches  of  typical  unit  configura­
ons  offered  by  some  licensers.  Although the  mechanical  configuration
f  individual  FCC  units  may  differ,  their  common  objective  is  to
pgrade  low­value  feedstock  to  more  valuable  products.  Worldwide,
bout  45%  of  all  gasoline  comes  from  FCC  and  ancillary  units, such
s  the  alkylation  unit.
Since  the  start­up  of  the  first  commercial  FCC  unit in  1942,  many
mprovements  have  been  made.  These  improvements  have  enhanced
e  unit's mechanical  reliability  and  its ability  to crack  heavier,  lower­
alue  feedstocks.  The  FCC  has  a  remarkable  history  of  adapting  to
ontinual  changes  in  market  demands.  Table  1­1 shows  major  develop­
ents  in  the  history  of  the  process.
The  FCC  unit  uses  a  microspheroidal  catalyst,  which  behaves  like
liquid  when  properly  aerated  by  gas.  The  main  purpose  of  the  unit

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook
Products
Regen
Flue
Gas

Transfer
Line
Reactor

Air Blower

Figure  1­1.  Typical  schematic  of  Exxon's  flexicracker,

  to  convert  high­boiling  petroleum  fractions called  gas  oil  to high­
alue,  high­octane  gasoline  and heating  oil.  Gas  oil  is  the  portion of
rude  oil  that  commonly  boils  in  the  650+°F  to  1,050+°F  (330°  to
50°C)  range.  Feedstock  properties  are  discussed  in  Chapter  2.
Before  proceeding,  it is helpful  to examine how a typical cat cracker
ts  into  the  refinery  process.  A  petroleum  refinery  is  composed  of
everal processing units that convert raw crude oil into usable products
uch  as  gasoline,  diesel,  and jet  fuel  (Figure  1­4).
The  crude  unit  is  the  first  unit  in  the  refining  process.  Here,  the
aw  crude  is  distilled  into  several  intermediate  products:  naphtha,
erosene,  diesel,  and  gas  oil.  The  heaviest portion  of  the  crude  oil,
(text  continued  on  page  6)

Process  Description
Flue Gas

To Fractionator

Reactor

^Stripping
Steam

Figure  1­2.  UOP  FCC  (courtesy  of  UOP).

Second stage
regenerator
Riser termination
device

Combustion Air
First stage
regenerator

Combustion
Air
Lift air



Feed Injection

Figure  1­3.  SWEC  stacked  FCC  unit  (courtesy  of  Stone  &  Webster  Engi­
eering  Corporation),

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

915 

936 

938 

942 

943 

947 

948 

950s 
951 
952 
954 
Mid­50s 
956 
961 

964 

972 
974 
975 
981 
983 

985 
994 

996 

Table  1­1
The  Evolution  of  FCC

McAfee of  Gulf  Refining Co.  discovered  that  a  Friedel­Crafts
aluminum  chloride  catalyst  could  catalytically  crack  heavy  oil.
Use  of  natural  clays  as  catalyst  greatly  improved  cracking
efficiency.
Catalyst  Research  Associates  (CRA)  was  formed.  The  original
CRA  members  were:  Standard  of  New  Jersey  (Exxon),  Stan­
dard  of  Indiana  (Amoco), Anglo Iranian  Oil  Company  (BP
Oil),  The  Texas  Company  (Texaco),  Royal  Dutch  Shell,
Universal  Oil  Products  (UOP), The  M.W, Kellogg Company,
and  I.G.  Farben  (dropped  in  1940).
First  commercial  FCC  unit  (Model  I  upflow  design)  started  up
at  Standard  of  New  Jersey's  Baton Rouge,  Louisiana,  refinery.
First  down­flow design  FCC  unit  was  brought  on­line.  First
thermal  catalytic  cracking  (TCC)  brought  on­line.
First  UOP  stacked  FCC  unit  was  built.  Kellogg  introduced  the
Model  III  FCC  unit.
Davison  Division of  W.R.  Grace  &  Co.  developed  micro­
spheroidal  FCC  catalyst.
Evolution  of  bed­cracking  process  designs.
M.W.  Kellogg  introduced  the  Orthoflow  design.
Exxon  introduced  the  Model  IV.
High  alumina  (A12 O2)  catalysts  were  introduced.
UOP introduces  side­by­side  design.
Shell  invented  riser  cracking.
Kellogg  and  Phillips  developed  and  put  the  first  resid  cracker
onstream  at  Borger,  Texas.
Mobil  Oil  developed  USY  and  ReY  FCC  catalyst.  Last  TCC
unit  completed.
Amoco  Oil  invented  high­temperature  regeneration.
Mobil  Oil  introduced  CO  promoter.
Phillips  Petroleum  developed  antimony for  nickel  passivation.
TOTAL  invented  two­stage  regeneration  for  processing  residue,
Mobil  reported  first  commercial  use  of  ZSM­5  octane/olefins
additive  in  FCC
Mobil started  installing closed  cyclone  systems  in  its  FCC units.
Coastal  Corporation  conducted  commercial  test  of  ultrashort
residence  time,  selective  cracking.
ABB  Lummus  Global  acquired  Texaco  FCC  technologies.

GASOLINE

f
•XL

TAR

!j§

I

DELAYED
COKER

HEATING OIL

DECANT OIL
3AS( gasoline to

REFORMER

Figure  1­4.  A typical  high  conversion refinery.

NO. 6 OIL

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

ext  continued  from  page  2)

which  cannot  be distilled  in the  atmospheric  tower,  is heated  and  sent
o the  vacuum tower  where  it is  split  into gas oil  and  tar. The  tar  from
he  vacuum  tower  is  sent  to  be  further  processed  in  a  delayed  coker,
easphalting  unit,  or  visbreaker,  or  is  sold  as  fuel  oil  or  road  asphalt.
The  gas  oil  feed  for  the  conventional  cat  cracker  comes  primarily
om  the  atmospheric  column,  the  vacuum  tower,  and  the  delayed
oker.  In  addition,  a  number  of  refiners  blend  some  atmospheric  or
acuum  resid  into  the  feedstocks  to  be  processed  in  the  FCC  unit.
The FCC  process  is  very  complex.  For  clarity, the  process  descrip­
on  has  been  broken  down  into  six  separate  sections:
•  Feed  Preheat
•  Riser—Reactor—Stripper
«  Regenerator—Heat/Catalyst Recovery
•  Main  Fractionator
•  Gas  Plant
«  Treating Facilities

EED  PREHEAT

Most  refineries  produce  sufficient  gas  oil  to  meet  the  cat  crackers'
emand.  However,  in  those  refineries  in  which  the  gas  oil  produced
oes  not  meet  the  cat  cracker  capacity,  it  may  be  economical  to
upplement  feed  by  purchasing  FCC  feedstocks  or  blending  some
esidue.  The  refinery­produced  gas  oil  and  any  supplemental  FCC
eedstocks  are  generally  combined  and  sent  to  a  surge  dram,  which
rovides  a  steady  flow  of  feed  to  the  charge  pumps.  This  drum  can
lso  separate  any  water  or  vapor  that  may  be  in  the  feedstocks.
From  the  surge  drum,  the  feed  is  normally  heated  to  a  temperature
f  500°F  to  700°F  (260°C  to  370°C).  The  main  fractionator  bottoms
umparound  and/or  fired  heaters  are  the  usual  sources  of  heat.  The
eed  is  first  routed  through  heat  exchangers  using  hot  streams  from
he  main  fractionator.  The  main  fractionator  top  pumparound,  light
ycle  oil  product,  and bottoms  pumparound  are commonly  used  (Fig­
re  1­5).  Removing  heat  from  the  main  fractionator  is  at  least  as
mportant  as  preheating  the  feed.
Most  FCC  units  use  fired  heaters  for  FCC  feed  final  preheat.  The
eed  preheater  provides  control  over  the  catalyst­to­oil  ratio,  a  key
ariable  in  the  process.  In  units  where  the  air  blower  is  constrained.

Process  Description
Vent to Main Column

cSi—^

Slurry

I

Feed Preheater
Figure  1­5.  Typical  feed  preheat  system.

ncreasing  preheat  temperature  allows increased  throughput. The  effects
f  feed  preheat  are  discussed  in  Chapter 6.

RISER—REACTOR—STRIPPER

The reactor­regenerator  is the heart of the FCC process.  In a modern
at  cracker,  virtually  all  the  reactions  occur  in  1.5  to  3.0  seconds
before  the  catalyst  and  the  products  are  separated  in  the  reactor.
From  the  preheater,  the  feed  enters  the riser  near  the  base  where it
ontacts the regenerated  catalyst (see Figure  1­6). The ratio of catalyst­
o­oil  is  normally  in  the  range  of  4:1  to  9:1  by  weight.  The  heat
bsorbed  by  the  catalyst in  the  regenerator  provides  the  energy  to  heat
he  feed  to  its  desired  reactor  temperature.  The  heat  of  the  reaction
ccurring  in  the  riser  is endothermic  (i.e.,  it requires  energy  input). The
irculating catalyst provides  this energy. The typical  regenerated  catalyst
emperature  ranges between  1,250°F  to  1,350°F  (677°C  to 732°C).

Fluid  Catalytic  Cracking Handbook
To Reactor or  Cyclone

Catalyst
From
Regenerator

(Typical for
Multiple Nozzles)

Figure  1­6.  Typical  riser  "Y".

The catalytic  reactions  occur  in the vapor phase.  Cracking  reactions
egin  as  soon  as  the  feed  is  vaporized.  The  expanding volume  of  the
apors  that  are  generated  are  the  main  driving  force  to  carry  the
atalyst  up  the  riser.
Catalyst and products  are quickly separated  in the reactor. However,
ome thermal  and non­selective  catalytic reactions  continue. A number

Process  Description 

9

f  refineries  are  modifying the  riser  termination  devices  to minimize
hese  reactions.
The  riser  is  a  vertical  pipe.  It  usually  has  s 4­  to  5­inch  (10  to  13
m)  thick  refractory  lining  for  insulation  and  abrasion  resistance.
Typical  risers  are  2  to  6  feet  (60  to  180 cm)  in  diameter  and  75  to
120 feet  (25 to  30 meters)  long. The  ideal  riser  simulates  a plug flow
eactor,  where the  catalyst and  the  vapor travel the  length  of  the  riser
with  minimum back  mixing.
Efficient  contacting  of the  feed  and  catalyst  is critical  for achieving
he  desired  cracking  reactions.  Steam  is  commonly  used  to  atomize
he  feed.  Smaller  oil  droplets  increase  the  availability  of  feed  at  the
eactive  acid  sites  on  the  catalyst. With high­activity  zeolite  catalyst,
irtually  all of the cracking reactions take place  in three  seconds or less.
Risers  are  normally  designed  for  an outlet  vapor velocity  of  50  ft/sec
o  75  ft/sec  (15.2  to  22.8  m/sec).  The  average  hydrocarbon  residence
me is about two seconds  (based on outlet conditions). As a consequence
f the cracking  reactions, a hydrogen­deficient  material  called  coke is
eposited  on  the  catalyst, reducing catalyst activity.

Catalyst  Separation

After  exiting  the  riser,  catalyst enters  the  reactor  vessel.  In  today's
CC  operations,  the  reactor  serves  as  a  housing  for  the  cyclones.  In
he  early  application  of  FCC,  the  reactor  vessel  provided  further  bed
racking, as well as being a device used for additional catalyst separation.
Nearly  every  FCC  unit  employs  some  type  of  inertial  separation
evice  connected  on  the  end  of  the  riser  to  separate  the  bulk  of  the
atalyst  from  the  vapors.  A number of  units use  a  deflector  device  to
urn  the  catalyst  direction  downward.  On  some  units,  the  riser  is
irectly  attached  to  a  set  of  cyclones.  The  term  "rough  cut"  cyclones
enerally  refers  to  this  type  of  arrangement.  These  schemes  separate
pproximately  75%  to  99%  of  the  catalyst from  product  vapors.
Most  FCC units employ  either  single  or two­stage cyclones  (Figure
­7)  to  separate  the  remaining  catalyst  particles  from  the  cracked
apors.  The  cyclones  collect  and  return  the  catalyst  to  the  stripper
hrough  the  diplegs  and  flapper/trickle  valves  (See  Figure  1­8).  The
roduct  vapors  exit  the  cyclones  and  flow  to  the  main  fractionator
or  recovery.  The  efficiency  of  a  typical  two­stage  cyclone system
s  99.995+%.



Fluid  Catalytic  Cracking Handbook

igure  1­7.  A two­stage cyclone  system.  (Courtesy of  Bill  Dougherty, BP Oil
efinery,  Marcus  Hook,  Pa.)

It  is important to separate catalyst and vapors  as  soon as  they  enter
he  reactor.  Otherwise,  the  extended  contact  time  of  the  vapors  with
he catalyst in the reactor housing will allow for non­selective  catalytic
ecracking  of  some  of  the  desirable  products.  The  extended  residence
me  also  promotes  thermal cracking  of  the  desirable products.

Process  Description 

11

Pivot
Cyclone Dipleg

Restraint
PLAN

Cyclone Dipleg*

Pivot

Restraint
ELEVATION
Figure  1­8.  Typical  trickle  valve  (courtesy  of  Emtrol  Corporation),

tripping  Section

As  the spent catalyst  falls  into the stripper, hydrocarbons are adsorbed
n  the catalyst  surface,  hydrocarbon  vapors  fill  the catalyst pores,  and
he  vapors  entrained  with  the  catalyst  also  fall  into  the  stripper.
tripping  steam,  at  a  rate  of  2  to  5  Ibs  per  1,000  lbs  (2  kg  to  5  kg
er  1,000  kg,) is primarily  used  to remove  the entrained  hydrocarbons
etween  catalyst  particles.  Stripping  steam  does  not  address  hydro­
arbon  desorption  and  hydrocarbons  filling  the  catalyst  pores.  How­
ver,  reactions  continue  to  occur  in  the  stripper.  These  reactions  are

2

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

riven  by  the  reactor  temperature  and  the  catalyst  residence  time  in
he  stripper.  The  higher  temperature  and  longer  residence  time  allow
onversion  of  adsorbed  hydrocarbons  into  "clean  lighter"  products.
oth  baffled  and  unbaffled  stripper  designs  (Figure  1­9)  are  in  com­
mercial  use.  An  efficient  stripper  design  generates  intimate  contact
etween  the  catalyst  and  steam.  Reactor  strippers  are  commonly
esigned  for  a  steam  superficial  velocity  of  0.75  ft/sec  (0.23  m/sec)
nd  a  catalyst  flux  rate  of  500  to  700  lbs  per  minute  per  square  foot
.4  kg  to  3.4  kg  per  minute  per  square  meter).  At  too  high  a  flux,

UPPER STEAM  DISTRIBUTOR

LOWER STEAM  DISTRIBUTOR

Figure  1­9.  An  example  of  a  two­stage  stripper.

Process  Description 

13

he  falling  catalyst tends  to entrain steam, thus  reducing the  effective–
ess  of  stripping  steam.
It  is  important  to  minimize  the  amount  of  hydrocarbon  vapors
arried  through  to the regenerator,  but  not  all the  hydrocarbon vapors
an  be displaced  from the  catalyst  pores  in  the  stripper. A fraction  of
hem  are  carried  with  the  spent  catalyst  into  the  regenerator.  These
ydrocarbon  vapors/liquid  have a higher hydrogen­to­carbon  ratio  than
he  coke  on  the  catalyst.  The  drawbacks of  allowing these hydrogen­
ch  hydrocarbons  to  enter  the  regenerator  are  as follows:
*  Loss  of  liquid product.  Instead of  the  hydrocarbons burning in  the
regenerator,  they  could  be  recovered  as  liquid products.
«  Loss  of  throughput.  The  combustion  of  hydrogen  to  water  pro­
duces  3.7  times  more  heat  than  the  combustion  of  carbon  to
carbon dioxide.  The increase  in the regenerator  temperature  caused
by  excess  hydrocarbons  could exceed  the  temperature  limit of  the
regenerator  internals  and  force  the  unit  to  a  reduced  feed  rate
mode  of  operation.
*  Loss  of  catalyst  activity.  The  higher  regenerator  temperature
combined  with the  formation  of  steam  in  the  regenerator  reduces
catalyst  activity  by  destroying the  catalyst's  crystalline structure.

The  flow  of  spent catalyst  to  the  regenerator  is  typically controlled
y  a  valve  that  slides  back  and  forth.  This  slide  valve  is  controlled
y  the catalyst level  in the  stripper. The  catalyst  height  in the  stripper
rovides  the  pressure  head,  which  allows  the  catalyst  to flow  into the
egenerator.  The  exposed  surface  of  the  slide  valve  is  usually  lined
with  refractory  to  withstand  erosion.  In  a  number  of  earlier  FCC
esigns,  lift  air  is used  to transport the  spent catalyst into the regener­
tor  (Figure  1­10).

REGENERATOR–HEAT/CATALYST  RECOVERY

The regenerator has  two main functions:  it restores catalyst  activity
nd  supplies  heat  to  crack  the  feed.  The  spent  catalyst  entering  the
egenerator  contains  between  0.4  wt%  and  2.5  wt%  coke,  depending
n  the  quality  of  the  feedstock.  Components  of  coke  are  carbon,
ydrogen,  and  trace  amounts  of  sulfur  and  nitrogen.  These  burn
ccording  to  the  following  reactions.

4

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

Products
Reactor

Regen
Catalyst
Standpipe

LiftAir

Air  Blower

Figure  1­10.  A  typical  Model  II  using  lift  air  to  transfer spent  catalyst.

  +  1/2 CX,
O  +  1/2  02
  +  O2
H2, +  1/2 02
  +  xO
  +  xO

_>
— >
— >
­>
— »
­>

CO
CO2

CO2
H2O

sox

NO y

K  Cal/kg  of
C,  H2,  or  S

BTU/lb  of
C,  H2, or  S

2,200
5,600
7,820
28,900
2,209

3,968
10,100
14,100
52,125
3,983

(1­1)
(1­2)
(1­3)
(1­4)
(1­5)
(1­6)

Process  Description 

15

Air  provides oxygen for  the  combustion of  coke  and  is  supplied by
ne or more air blowers. The  air blower provides  sufficient  air velocity
nd  pressure  to maintain  the catalyst bed in a fluid state. The air enters
he  regenerator  through  an  air  distributor  (Figure  1­11)  located  near
he  bottom  of the  vessel.  The  design  of  an air  distributor  is important
n  achieving efficient and reliable  catalyst  regeneration.  Air  distributors
re  typically  designed  for  a  1.0 psi  to  2.0  psi  (7  to  15 Kpa) pressure
rop  to  ensure  positive  air  flow  through all  nozzles.
There  are  two regions  in  the  regenerator:  the  dense phase  and  the
ilute phase. At velocities  common in the regenerator,  2 ft/sec  to 4  ft/sec
0.6  to  1.2 m/sec),  the  bulk of  catalyst  particles  are  in  the  dense  bed
mmediately  above  the  air  distributor.  The  dilute  phase  is  the  region
bove the dense  phase  up  to the cyclone inlet, and  has a substantially
ower  catalyst concentration.

Standpipe/Slide  Valve

During  regeneration,  the  coke  level  on  the  catalyst  is  typically
educed  to  0.05%.  From  the  regenerator,  the  catalyst  flows  down  a
ransfer  line  commonly  referred  to  as  a  standpipe.  The  standpipe
rovides  the  necessary  pressure  to  circulate  the  catalyst  around  the
nit.  Some  standpipes  extend  into the regenerator, and the top section
s  often  called  a  catalyst  hopper.  The  hopper,  internal  to  the regener­
tor,  is  usually an inverted  cone  design.  In  units  with  "long"  catalyst
tandpipes,  external  withdrawal  hoppers  are  often  used  to  feed  the
tandpipes.  The  hopper  provides  sufficient  time  for  the  regenerated
atalyst  to be  "de­bubbled"  before  entering  the  standpipe.
Standpipes  are  typically  sized  for  a  flux  rate  in  the  range  of  100 to
00 lb/sec/ft2  (500  to  1,500  kg/sec/m2)  of circulating  catalyst.  In most
ases,  sufficient  flue  gas is carried  down with the regenerated  catalyst
o keep  it  fluidized.  However, longer  standpipes  may  require external
eration  to  ensure  that  the  catalyst  remains  fluidized.  A gas medium,
uch  as  air,  steam,  nitrogen,  or  fuel  gas,  is  injected  along  the  length
f  the  standpipe.  The  catalyst density  in  a  well­designed  standpipe  is
n  the  range  of  35  to  45  lb/ft3  (560  to  720  kg/m3).
The  flow  rate  of  the  regenerated  catalyst  to  the  riser  is commonly
egulated  by either  a slide  or plug valve. The  operation  of a slide valve
s  similar to  that  of  a  variable  orifice.  Slide  valve operation  is  often
ontrolled  by  the  reactor  temperature.  Its  main  function  is  to  supply



Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

igure  1­11.  Examples of  air  distributors.  (Top: courtesy of  Enpro Systems,
nc.,  Channelview,  Texas;  bottom:  courtesy  of  VAL­VAMP,  Incorporated,
ouston,  Texas.)  Note:  These  distributors  are  upside  down for  fabrication.

Process  Description 

1?

nough  catalyst  to  heat  the  feed  and  achieve  the  desired  reactor
emperature.  In Exxon Model  IV and  flexicracker  designs  (see  Figure
1­1),  the  regenerated  catalyst  flow  is  mainly  controlled  by  adjusting
he  pressure  differential between  the  reactor  and  regenerator.

Catalyst  Separation

As  flue  gas  leaves  the  dense  phase  of  the  regenerator,  it  entrains
atalyst  particles.  The  amount  of  entrainment  largely  depends  on  the
lue gas  superficial velocity. The  larger catalyst particles,  50}i­90p,  fall
ack  into the dense  bed. The  smaller  particles,  0|J,­50ji,  are  suspended
n  the  dilute phase  and  carried  into the  cyclones.
Most  FCC unit regenerators employ  4 to  16 parallel sets  of  primary
nd  secondary  cyclones.  The cyclones  are designed  to recover catalyst
articles  greater  than  20  microns  diameter.  The  recovered  catalyst
articles  are  returned  to  the  regenerator  via  the  diplegs.
The  distance  above  the  catalyst  bed  at  which the  flue  gas  velocity
as  stabilized is referred  to as the transport  disengaging  height (TDH).
At  this height, the  catalyst concentration  in the flue gas  stays constant;
one  will  fall  back into the bed. The centerline  of the first­stage  cyclone
nlets  should be  at TDH  or higher; otherwise, excessive catalyst entrain­
ment  will  cause  extreme  catalyst  losses.

Flue  Gas Heat  Recovery  Schemes

The  flue  gas  exits  the  cyclones  to  a plenum chamber  in  the  top  of
he  regenerator.  The  hot  flue  gas  holds  an  appreciable  amount  of
nergy. Various heat recovery  schemes  are used  to recover  this energy.
n  some  units,  the  flue  gas  is  sent  to  a  CO  boiler  where  both  the
ensible  and  combustible  heat  are  used  to  generate  high­pressure
team. In  other  units, the  flue  gas  is exchanged  with boiler  feed  water
o  produce  steam  via  the  use  of  a  shell/tube or  box  heat exchanger.
In most units, about two­thirds of the flue gas pressure  is let down via
n  orifice  chamber  or  across  an  orifice chamber. The  orifice chamber is
  vessel  containing  a  series  of perforated  plates  designed  to  maintain a
iven  backpressure  upstream of  the  regenerator  pressure  control  valve.
In  some  larger  units,  a  turbo  expander  is  used  to  recover  this
ressure energy. To protect  the  expander  blades  from  being  eroded  by
atalyst,  flue  gas  is  first  sent  to  a third­stage  separator to  remove  the



Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

ines.  The  third­stage  separator,  which  is  external  to  the  regenerator,
ontains  a  large  number  of  swirl  tubes  designed  to  separate  70%  to
5%  of  the  incoming  particles  from  the  flue  gas.
A  power  recovery  train  (Figure  1­12) employing  a  turbo  expander
sually  consists  of  four  parts:  the  expander,  a motor/generator,  an  air
blower,  and  a  steam  turbine. The  steam  turbine is  primarily  used  for
tart­up  and, often, to  supplement the expander  to  generate  electricity.
The  motor/generator  works as  a  speed  controller  and  flywheel; it can
roduce or consume power.  In some FCC units, the expander  horsepower
xceeds  the  power needed  to  drive the  air  blower and  the excess  power
s output to the  refinery electrical  system. If  the expander  generates  less
ower than what is required  by the blower,  the motor/generator  provides
he  power to hold  the power  train at  the  desired  speed.
From  the  expander,  the  flue  gas  goes  through  a  steam  generator  to
ecover  thermal energy. Depending on local  environmental regulations,
n  electrostatic precipitator  (ESP) or a wet gas  scrubber may be  placed
ownstream  of  the  waste  heat  generator  prior  to  release  of  the  flue
as to the  atmosphere.  Some  units  use an ESP  to remove catalyst  fines
n  the  range  of  5|i­20ji  from  the  flue  gas.  Some  units  employ  a  wet
as  scrubber to remove both catalyst fines  and  sulfur  compounds  from
he  flue  gas  stream.

Partial  versus  Complete  Combustion

Catalyst  can  be  regenerated  over  a  range  of  temperatures  and  flue
as  composition  with  inherent  limitations.  Two  distinctly  different
modes of regeneration are practiced: partial  combustion  and complete
ombustion.  Complete  combustion  generates  more  energy  when  coke
ield  is  increased;  partial  combustion  generates  less  energy  when the
oke  yield  is  increased.  In  complete  combustion,  the  excess  reaction
omponent  is oxygen,  so more  carbon  generates  more  combustion. In
artial  combustion,  the  excess  reaction  component  is  carbon,  all  the
xygen  is consumed, and  an  increase  in coke  yield means  a  shift  from
CO2  to  CO.
FCC  regeneration  can  be  further  subdivided  into low,  intermediate,
nd  high  temperature  regeneration.  In  low  temperature  regeneration
about  1,190°F  or  640°C),  complete  combustion  is  impossible.  One
f  the  characteristics  of low  temperature  regeneration  is that at  1,190°F,
ll  three  components  (O2,  CO,  and  CO2)  are  present  in the  flue  gas at

UE GAS FROM REGENERATOR

ELECTRO
PRECIPIT

C
F

REGENERATOR

Figure  1­12,  A typical  flue gas  power  recovery scheme.

0

Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

ignificant  levels.  Low  temperature  regeneration  was  the  mode  of
peration  that  was  used  in  the  early  implementation of  the  catalytic
racking  process.
In  the  early  1970s,  high  temperature  regeneration  was  developed.
High  temperature regeneration  meant increasing  the  temperature  until
ll  the  oxygen  was  burned.  The  main  result  was  low  carbon  on  the
egenerated  catalyst. This  mode  of  regeneration  required  maintaining
n  the  flue  gas,  either  a  small  amount  of  excess  oxygen  and  no  CO,
r no excess  oxygen and  a variable quantity of CO. If there  was  excess
xygen,  the  operation  was  in  a  full  burn. If  there  was  excess  CO,  the
peration  was  in  partial burn.
With  the  advent  of  combustion  promoter,  the  regeneration  tem­
erature could be reduced  and still maintain full  burn. Thus, intermediate
emperature  regeneration  was developed. Intermediate  regeneration  is
ot  necessarily  stable  unless  combustion  promoter  is used  to  assist  in
he  combustion  of  CO  in  the  dense  phase.  Table  1 ­2  contains  a 2  x  3
matrix  summarizing various  aspects  of  regeneration.
The  following  matrix  of  regeneration  temperatures  and  operating
modes  shows  the  inherent  limitations  of operating regions.  Regenera­
on  is  either  partial  or  complete,  at  low,  intermediate,  or  high  tern­
Table  1­2
A  Matrix of  Regeneration  Characteristics

Operating  Region  Regenerator
Combustion

Partial  Combustion
Mode

Full Combustion
Mode

ow  temperature (nominally
,190°F/640°C)

Stable  (small
afterburning)  O2,
CO,  and  CO2  in
the  flue  gas

Not achievable

ntermediate  temperature
nominally  1,275 °F/690°C)

Stable  (with
combustion
promoter);  tends  to
have  high  carbon
on  regenerated
catalyst

Stable  with
combustion
promoter

igh  temperature  (nominally
,350°F/730°C)

Stable  operation

Stable  operation

Process  Description 

21

eratures. At  low  temperatures,  regeneration  is  always partial,  carbon
n  regenerated  catalyst  is  high,  and  increasing  combustion air results
n  afterburn.  At  intermediate  temperatures,  carbon  on  regenerated
atalyst  is reduced. The three normal "operating  regions"  are indicated
n  Table  1­2.
There  are  some  advantages  and  disadvantages  associated  with  full
nd  partial  combustion:

dvantages  of full  combustion
•  Energy  efficient
•  Heat­balances  at  low  coke  yield
•  Minimum hardware  (no CO boiler)
•  Better yields from  clean  feed

Disadvantages  of full  combustion
•  Narrow  range  of  coke  yields  unless  some  heat  removal  system
is  incorporated
•  Greater  afterburn, particularly  with an uneven air or spent  catalyst
distribution  system
•  Low  cat/oil  ratio

The choice  of partial  versus full  combustion  is dictated  by FCC  feed
uality.  With  "clean  feed,"  full  combustion  is  the  choice.  With  low
uality  feed  or resid,  partial  combustion,  possibly  with  heat  removal,
s  the  choice.

Catalyst  Handling Facilities

Even  with proper  operation  of the reactor  and regenerator  cyclones,
atalyst  particles  smaller  than  20  microns  still  escape  from  both  of
hese  vessels.  The  catalyst fines  from  the  reactor  collect  in  the  frac­
onator bottoms slurry product  storage  tank. The recoverable  catalyst
nes  exiting  the  regenerator  are  removed  by  the  electrostatic  pre­
ipitator  or  lost  to  the  environment. Catalyst  losses  are  related  to:
«  The  design  of  the  cyclones
«  Hydrocarbon vapor  and  flue  gas  velocities
•  The  catalyst's  physical  properties
•  High jet  velocity
•  Catalyst attrition due to the collision  of catalyst particles  with the
vessel  internals  and  other  catalyst  particles



Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

The  activity of  catalyst  degrades  with time.  The  loss  of  activity is
rimarily  due to  impurities in the  FCC  feed,  such as nickel, vanadium,
nd  sodium,  and  to thermal  and  hydrothermal deactivation  mechanisms.
o maintain the  desired  activity, fresh  catalyst  is continually  added  to
he  unit,  Fresh  catalyst  is  stored  in a fresh  catalyst hopper  and, in most
nits,  is  added  automatically  to  the  regenerator  via  a  catalyst  loader.
The  circulating  catalyst  in  the  FCC  unit  is  called  equilibrium
atalyst, or  simply E­cat.  Periodically,  quantities of equilibrium catalyst
re  withdrawn  and  stored  in  the  E­cat  hopper  for  future  disposal.  A
efinery  that  processes  residue feedstocks  can  use  good­quality  E­cat
om  a  refinery  that  processes  light  sweet  feed.  Residue  feedstocks
ontain  large quantities of impurities, such as metals  and requires  high
ates  of  fresh  catalyst.  The  use  of  a  good­quality  E­cat  in  conjunc­
on  with  fresh  catalyst  can  be  cost­effective  in  maintaining low
atalyst  costs.

MAIN  FRACTIONATOR

The  purpose of  the  main  fractionator,  or  main  column  (Figure  1­13),
 to  desuperheat  and recover  liquid products  from  the reactor  vapors.
he hot product  vapors  from  the reactor  flow  into the  main fractionator
ear  the  base.  Fractionation  is  accomplished  by  condensing  and
evaporizing  hydrocarbon  components  as  the  vapor  flows  upward
hrough  trays  in  the  tower.
The  operation  of  the  main  column  is  similar  to  a  crude  tower,  but
with  two differences. First,  the reactor  effluent  vapors  must be  cooled
efore  any fractionation  begins.  Second,  large  quantities  of gases  will
avel  overhead  with  the  unstabilized  gasoline  for  further  separation.
The  bottom  section  of  the  main  column  provides  a  heat  transfer
one.  Shed  decks,  disk/doughnut  trays,  and  grid  packing  are  among
ome  of  the  contacting  devices  used  to  promote  vapor/liquid  contact.
he  overhead  reactor  vapor  is  desuperheated  and  cooled  by  a pump­
round  stream.  The  cooled  pumparound  also  serves  as  a  scrubbing
medium  to  wash  down  catalyst  fines  entrained  in  the  vapors.  Pool
uench  can  be  used  to  maintain  the  fractionator  bottoms  temperature
elow  coking  temperature,  usually  at  about  700°F  (370°C).
The  recovered  heat  from  the  main  column  bottoms  is  commonly
sed to preheat  the fresh  feed, generate  steam, serve as a heating medium
or  the  gas  plant  reboilers,  or  some  combination  of  these  services.

Process  Description

23

Figure  1­13.  A  typical  FCC  main  fractionator  circuit.

The  heaviest  bottoms  product  from  the  main  column  is  commonly
alled  slurry  or  decant  oil.  (In  this  book,  these  terms  are  used  inter­
hangeably.)  The  decant  oil  is  often  used  as  a  "cutter  stock"  with
acuum  bottoms  to make  No.  6  fuel  oil.  High­quality  decant  oil (low
ulfur,  low  metals,  low  ash)  can  be  used  for  carbon  black  feedstocks.
Early  FCC  units  had  soft  catalyst  and  inefficient  cyclones  with
ubstantial  carryover  of  catalyst  to  the  main  column  where  it  was
bsorbed  in  the  bottoms.  Those  FCC  units  controlled  catalyst  losses
wo  ways.  First,  they  used  high  recycle  rates  to  return  slurry  to  the
eactor.  Second,  the  slurry  product  was  routed  through  slurry  settlers.



Fluid  Catalytic  Cracking  Handbook

ither  gravity  or  centrifugal,  to  remove  catalyst  fines.  A slipstream
f  FCC  feed  was  used  as  a  carrier  to  return  the  collected  fines  from
he  separator  to  the  riser.  Since  then,  improvements  in  the  physical
roperties  of  FCC  catalyst  and  in  the  reactor  cyclones  have  lowered
atalyst  carry­over.  Most  units  today  operate  without  separators.  The
ecant  oil is  sent directly  to the storage  tank. Catalyst fines accumulate
n  the  tank,  which  is cleaned  periodically.  Some  units continue to use
ome  form  of  slurry settler  to  minimize  the  ash  content  of  decanted  oil.
Above  the  bottoms  product, the  main  column is  often  designed  for
hree  possible  sidecuts:
*  Heavy  cycle  oil  (HCO)—used  as  a  pumparound  stream,  some­
times  as  recycle  to  the  riser,  but  rarely  as  a  product
*  Light cycle  oil  (LCO)—used  as a pumparound stream,  sometimes
as  absorption  oil  in  the  gas  plant,  and  stripped  as  a  product  for
diesel  blending;  and
*  Heavy  naphtha—used  as  a  pumparound  stream,  sometimes  as
absorption  oil  in  the  gas  plant,  and  possible  blending  in  the
gasoline  pool

In  many  units,  the  light  cycle  oil  (LCO)  is  the  only  sidecut  that
eaves  the  unit  as a product. LCO  is  withdrawn from  the  main column
nd  routed  to  a  side  stripper  for  flash  control.  LCO  is  sometimes
eated  for  sulfur  removal  prior  to  being  blended  into  the  heating  oil
ool. In some  units, a slipstream  of LCO,  either  stripped  or unstripped,
  sent  to  the  sponge  oil  absorber  in  the  gas  plant.  In  other  units,
ponge  oil  is  the  cooled,  unstripped  LCO.
Heavy  cycle  oil,  heavy  naphtha,  and  other  circulating  side  pump­
round  reflux  streams  are  used  to  remove  heat  from  the fractionator.
hey  supply  reboil  heat  to  the  gas  plant  and  generate  steam.  The
mount  of  heat  removed  at  any  pumparound  point  is  set  to  distribute
apor  and  liquid  loads  evenly  throughout  the  column  and  to  provide
he  necessary  internal  reflux.
Unstabilized  gasoline  and  light  gases  pass  up  through  the  main
olumn  and leave  as vapor. The overhead  vapor is cooled  and partially
ondensed  in  the  fractionator  overhead  condensers.  The  stream  flows
o  an  overhead  receiver,  typically  operating  at