Upload
lucciana-di-pierro
View
6
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Craqueo Catalitico
Citation preview
INTRODUCCIÓN
El petróleo se separa en fracciones por destilación y se somete a pirólisis
catalítica (cracking) en una refinería. La gasolina que se obtiene directamente
del fraccionamiento del petróleo (llamada gasolina de destilación directa)
contiene principalmente hidrocarburos de cadena recta y tiene un índice de
octano alrededor de 50. Este material se somete a un proceso llamado pirólisis
(cracking), que convierte alcanos de cadena recta en otros alcanos ramificados
más deseables. La pirólisis también se emplea para convertir parte de la
fracción menos volátil de queroseno y combustóleo en compuestos de peso
molecular más bajo que son apropiados para usarse como combustible de
automóvil.
En el primero de estos procesos, efectuado con cloruro de aluminio, fue
desplazada por el proceso Houdry, con una primera unidad comercial en 1936,
utilizando arcillas naturales constituidas por montmorilonita tratada con
soluciones ácidas. El sistema de transformación química del proceso involucra
reacciones térmicas de desintegración y reacciones catalíticas en la superficie
del catalizador, donde la función ácida resultó fundamental para promover el
rompimiento de enlaces carbón-carbón, isomerización, deshidrogenación,
condensación y transferencia de hidrógeno y de grupos alquilo, a través de un
mecanismo de iones carbono; e involucra también la eliminación de los
productos polimerizables por adsorción en el propio catalizador en forma de
coque.
Las arcillas naturales se reemplazaron por catalizadores sintéticos de sílice-
alúmina, preparados por coprecipitaciones de ácido ortosilícico e hidróxido de
aluminio. Las características requeridas de catalizador cuyos centros activos
estuvieran en el interior de los poros, condujeron al estudio de materiales
naturales denominados zeolitas, que son silicoaluminatos microporosos
formados por redes cristalinas que limitan el acceso al interior de su estructura
a moléculas de tamaños no superiores al diámetro de poro característico de las
mismas.
Las primeras pruebas, realizadas con una faujasita con bajo contenido de
sodio, mostraron una selectividad muy superior a la de los silicoaluminatos
amorfos. Los nuevos materiales zeolíticos han permitido además reducir el
contenido olefínico de las gasolinas catalíticas, al favorecerse la formación de
isoparafinas y compuestos aromáticos por la mayor actividad en las reacciones
con transferencia de hidrógeno.
CRAQUEO CATALITICO
craqueo catalítico o cracking catalítico es un proceso de la refinación del
petróleo que consiste en la descomposición termal de los componentes del
petróleo en presencia de un catalizador, con el propósito
decraquear hidrocarburos pesados cuyo punto de ebullición es igual o superior
a los 315 °C, y convertirlos en hidrocarburos livianos de cadena corta
cuyo punto de ebullición se encuentra por debajo de los 221 °C. Dichos
catalizadores se presentan en forma granular o microesférica.
El craqueo catalítico produce naftas e hidrocarburos aromáticos de
alto octanaje, como el benceno por medio de la conversión
decicloalcanos y parafinas.
El proceso de craqueo catalítico fluido se basa en la ruptura de cadenas de
hidrocarburos del orden de los 45 átomos de carbono, mediante la acción de un
catalizador que favorece que las reacciones se produzcan a una temperatura
más baja que la necesaria para el craqueo térmico de la misma carga.
Las reacciones producidas son mucho más rápidas y selectivas que las de
craqueo térmico.
Las reacciones generan una cantidad de carbón que se deposita sobre la
superficie del catalizador.
Los procesos se desarrollan en forma continua, mediante una circulación de
catalizador que se contacta íntimamente con la carga. Posteriormente el
catalizador se regenera por medio de la combustión del carbón producido, lo
que produce la energía que requiere el sistema para funcionar.
DIAGRAMA DEL PROCESO DE CRAQUEO CATALITICO
El proceso básico consiste en precalentar la alimentación fresca o reciclada a
través de intercambiadores y/o hornos de fuego directo, luego entera a la base
del tubo elevador del reactor donde es mezclada con el catalizador caliente
proveniente del regenerador (El calor del catalizador vaporiza la alimentación y
la lleva a la temperatura deseada para la reacción). Las reacciones comienzan
al momento de que la alimentación entra en contacto con el catalizador caliente
en el tubo elevador, posteriormente los vapores son separados del catalizador
en el reactor o recipiente de separación. Los vapores de hidrocarburo son
enviados a la fraccionadora para ser separados en productos líquidos y
gaseosos.
En el regenerador la quema de coque es controlada variando el flujo de aire
para mantener la reacción de los gases de combustión. Por el fondo de la
fraccionadora sale el crudo con los componentes que no fueron
separados,realizando una recirculación a la columna a la cual se le podría
aumentar la temperatura de tal manera que los componentes no separados
puedan ser volatilescon dicho aumento de temperatura, de la misma
recirculación se obtiene otra corriente que va a un decantador de lodo
produciendose lodo clarificado.
SECCIÓN DE REACCIÓN
Los equipos de reacción de las unidades de cracking tienen tres partes
fundamentales:
Reactor ( RX )
Regenerador ( RG )
Stripper ( ST )
Reactor
Es el lugar donde se producen las reacciones de craqueo.
Hay distintos tipos de tecnologías. Actualmente operan con tiempo de contacto
(carga: catalizador) muy bajo donde la parte principal del RX es el riser. Este es
el lugar físico donde se producen las reacciones, en tanto que el resto del
equipo es para separar catalizador de los productos.
Las unidades de tecnologías anteriores operan en lecho fluido con tiempos de
contacto mayores y menores rendimientos en LPG y naftas.
La temperatura de operación es de 500 °C - 540 °C.
En el RX existen ciclones que permiten separar catalizador arrastrado de los
productos de la reacción.
Están revestidos con material refractario que impiden la erosión y las altas
temperaturas sobre las paredes metálicas.
Regenerador
Es la parte de la unidad donde se quema el carbón depositado sobre el
catalizador, posee un sistema de distribución del aire necesario para la
combustión provisto por un compresor de aire. Dicho compresor es la máquina
más importante de la unidad ya que si no hay aire para regeneración debe
detenerse la unidad.
Posee ciclones que separan los gases de la combustión del catalizador
arrastrado.
Están revestidos por material refractario que impiden la erosión y protege a las
paredes metálicas de la alta temperatura.
La temperatura de operación de 705 °C - 740 °C.
Estas unidades operan a combustión total (formación de CO2), para lo cual se
adiciona un promotor de combustión.
Stripper
En esta parte del equipo se inyecta vapor para despojar de hidrocarburos del
catalizador agotado. La inyección se realiza a través de un distribuidor.
La función más importante es reducir el contenido de hidrocarburos
depositados sobre el catalizador, disminuyendo la demanda de aire en el
regenerador, aumentando el rendimiento en productos líquidos.
El equipo cuenta con bafles que mejoran el contacto vapor - catalizador.
REACCIONES QUÍMICAS
CATALIZADORES
La circulación del catalizador es un factor preponderante en el funcionamiento
de la unidad.
El pasaje de catalizador del RG al RX se consigue manteniendo un diferencial
de presión positivo en el RG de 200 gr/cm2 controlado automáticamente. La
circulación del RX al RG se establece por el peso de columna de catalizador
más la presión propia del RX.
La circulación incide sobre las siguientes variables:
Relación catalizador / carga
Tiempo de residencia del catalizador en el RG
Velocidad espacial
Selectividad de las reacciones
El catalizador que circula por el riser se contacta con la carga que es inyectada.
Parcialmente vaporizada por picos de alta eficiencia, en ese instante se inician
las reacciones de craqueo.
El catalizador con los productos de la reacción continúan por el riser y
descargan en el recinto del RX, donde caen las partículas de catalizador por
pérdida de velocidad y diferencia de densidad.
Los gases ingresan a los ciclones, que retienen las partículas de catalizador
arrastradas y luego son devueltas al lecho del RX.
Los gases ingresan en la zona flash de la fraccionadora.
El catalizador desciende por el ST y recibe una inyección de vapor que ingresa
por la parte inferior para despojar los hidrocarburos absorbidos sobre la gran
superficie específica del catalizador
A la salida del ST hay una válvula que regula la transferencia de catalizador al
RG.
Los catalizadores usualmente se componen por óxido de silicio (SiO2)
y alúmina (Al2O3).
Su finalidad no es otra que la de obtener la mayor cantidad de hidrocarburos
livianos de gran aprecio para la industria; la mayoría de las cargas a las
unidades de ruptura catalítica la constituyen gasóleos, aceites pesados como el
DMOH y el DMO (aceite de metalizado hidrogenado y aceite de metalizado,
respectivamente).
VARIABLES DEL PROCESO
El proceso de craqueo catalítico es un sistema de equilibrios. Para que la
unidad pueda ser operada en forma continua, deben mantenerse tres balances:
Balance de carbón
Balance de calor
Balance de presión
Balance de calor
El balance de calor liga las variables independientes con las dependientes.
El balance de carbón
Está íntimamente vinculado con el de calor ya que es el que aporta el
combustible que mantiene el balance de calor. La única fuente de calor de la
unidad es la combustión del coque absorbido sobre el catalizador agotado.
Conceptualmente el calor generado por el quemado de coque deberá proveer
el calor necesario para los siguientes requerimientos:
Elevar la temperatura de la carga y productos hasta la temperatura del
RX.
Satisfacer la endotermicidad de las reacciones de craqueo.
Compensar las pérdidas del convertidor.
Elevar la temperatura del aire de combustión y transporte hasta la
temperatura de los efluentes del regenerador.
Producir la desorción de coque del catalizador agotado.
El calor perdido por radiación de las paredes del equipo.
El balance de carbón relaciona todas las fuentes de generación de
carbón de la unidad y está íntimamente vinculado con el balance de
calor.
Balance de presión
El balance de presiones gobierna la circulación del catalizador, Y
permite la operación de la unidad.
Además se debe controlar estrictamente por la seguridad de la
operación, ya que si se produce una inversión de flujo el equipo puede
explotar por ingreso de aire y catalizador Calientes al reactor..
El equilibrio significa mantener un diferencial de presión positivo en el
RG que permita transportar el catalizador hasta el RX.. Venciendo la
presión de RX.
La presión en el RG generada por la descarga de los gases producidos
en la combustión, se controla a través de un controlador diferencial de
presión.
La presión en el RX se controla en el acumulado de cabeza de la torre
fraccionadora.
La gran complejidad de la operación de estas unidades se debe
fundamentalmente a la estrecha interdependencia que poseen las variables del
proceso, esta interdependencia hace casi imposible en términos prácticos
modificar una variable sin tener una inmediata respuesta en el resto del
sistema, estos efectos deben ser manejados en forma continua.
Las modificaciones de variables deben realizarse teniendo en cuenta que se
mantengan en equilibrio los tres balances.
Las variables de operación se dividen en independientes y dependientes
Variables operativas independientes
T° RX
T° precalentamiento de carga
Relación de reciclo
Actividad de catalizador
Modo de combustión
Calidad de la carga
Velocidad espacial
Variables dependientes
T° RG
Velocidad de circulación
Conversión
Requerimiento de aire
C /O
Temperatura de reacción: temperatura de la mezcla catalizador y carga en el
punto donde se considera han finalizado las reacciones
T° precalentamiento de carga: es la temperatura a que se levanta la carga
previamente al ingreso al RX.
Relación de reciclo: es la cantidad de producto ya craqueado (reciclo) que se
incorpora a la carga fresca.
Actividad de catalizador: es la capacidad que tiene el catalizador para convertir
una carga determinada en productos de menor peso molecular.
Modo de combustión: mide el grado de conversión de monóxido de carbono a
dióxido de carbono, y por ende modifica la cantidad calor que se libera en el
regenerador.
Calidad de la carga: de acuerdo a la naturaleza de la carga, serán los
productos a obtener.
Velocidad Espacial: se define como el cociente entre el caudal de carga total y
la cantidad de catalizador existente en el RX.
Temperatura de °RG: es la temperatura existente en el lecho denso del
regenerador.
Velocidad de circulación: se define como el caudal de catalizador que circula
vs. El área media del reactor.
Conversión: es el porcentaje de volumen de carga fresca que se convierte en
nafta (de punto seco predeterminado) y productos más livianos.
Requerimiento de aire: es la cantidad de aire requerida para realizar la
combustión del carbón depositado sobre el catalizador.
Relación catalizador /carga: es la relación entre el régimen de circulación del
catalizador (ton/h) y el de la carga combinada (fresca + reciclo) expresada
también en ton/ h.
REQUERIMIENTO DE COSTO Y SERVICIOS
La carga de la unidad es un producto intermedio de bajo valor.
Puede ser comercializado como fuel oil o carga de FCC.
Mediante este proceso se obtiene:
Mayor expansión volumétrica (110 m3 de productos/ 100 m3 de Carga).
Mayor nivel de conversión a productos de alta demanda y valor
comercial.
La nafta producida aporta el mayor volumen de octanos del pool de
naftas.
Es el proceso de mayor producción de LPG.
Butano como materia prima para la producción de MTBE y Alkilato.
Propileno de alto precio y creciente demanda.
Los costos de la energía y del combustible son la parte principal de los costos
directos del refinado del crudo del petróleo y, como consecuencia del gran
aumento en los precios del crudo del petróleo y del gas natural existen un gran
incentivo en conservar el combustible mediante la utilización eficaz de la
energía de los gases de salida del regenerador del craqueado catalítico.
CONCLUSIONES
El cracking catalítico es un método sumamente importante en cuanto a los
procesos de petroquímica básica se refiere. Gracias a dicho proceso,
obtenemos un sin número de artículos que nos ayudan a satisfacer diversas
necesidades, desde individuales como la gasolina, hasta colectivas, como el
asfalto para las carreteras y otras más.
Los procesos petroquímicos, sobre todo para la obtención de gasolinas, son
cada vez más rigurosos, sobre todo en lo que respecta a la parte ambiental. En
realidad, es realmente alarmante el daño que se ha estado originando al
planeta en lo que a procesos químicos se refiere; por lo que cada vez se busca
generar productos por medio de procedimientos eficaces y amigables con
nuestro ecosistema. Por ejemplo, en la actualidad se emplea el ZSM-5 como
catalizador para el cracking, que es un compuesto estable, bastante selectivo y
que no contamina en exceso en cuanto a las partículas volátiles suspendidas
en el aire.