Escuela Superior Politécnica del Litoral ESPOL

Trabajo de investigación: Cracking Catalítico

Termodinámica II

Profesor: Ing. Eduardo Rivadeneira

Estudiante: Maria Jose Albuja Ayala

I Término 2015-2016

Fecha: 31de Agosto del 2015

Craqueo catalítico El craqueo catalítico es un proceso que se lleva a cabo en la refinería de petróleo con el fin

de obtener una gasolina de mayor octanaje. El principal subproducto que se obtiene de este

proceso consiste en materias primas para la industria petroquímica. La materia prima

requerida para este proceso consiste principalmente de gasóleo y del destilado de coque.

El proceso de craqueo catalítico tiene tres partes fundamentales: la reacción con los

catalizadores para efectuar el craqueo de las moléculas, la regeneración del catalizador y la

separación de las diferentes fracciones de hidrocarburos producidas.

Existen tres tipos básicos de craqueo catalítico: el craqueo catalítico de líquidos, el craqueo

catalítico de lecho móvil y el craqueo catalítico termofor. La diferencia entre estos procesos

consiste básicamente en la forma del catalizador y en la manera que este ingresa al reactor.

Introducción

En materia de refinación de petróleo, el craqueo se refiere al rompimiento de moléculas de

hidrocarburos de cadena larga en hidrocarburos livianos de cadena más corta que son de

mayor interés y valor para la industria.

En los procesos de craqueo catalítico se emplean catalizadores para acelerar el proceso y

para trabajar en condiciones menos severas que en algunos otros procesos. Los

catalizadores son sustancias que promueven una reacción sin estar directamente

involucradas en ellas. La gran ventaja del uso de catalizadores es que como estos no se

consumen en la reacción, pueden ser regenerados y reutilizados en el proceso, sin embargo

esto conlleva a una desventaja que es el costo económico de la regeneración del catalizador.

En el presente trabajo se presenta una descripción del proceso y de los diferentes tipos de

procesos de craqueo catalítico que existen. Además del diagrama de flujo del proceso se

muestra la ubicación del mismo dentro del diagrama de flujo general de la refinación de

petróleo, indicando tanto las materias primas como los productos principales y

subproductos del proceso.

Descripción del proceso de craqueo catalítico

En el proceso de craqueo catalítico los hidrocarburos complejos son descompuestos en

moléculas más simples para aumentar tanto la calidad como la cantidad de productos más

livianos así como para disminuir la cantidad de residuos en el proceso de refinado de

petróleo. Los productos de conversión del craqueo son altamente olefínicos en las

fracciones ligeras y muy aromáticos en las fracciones pesadas.

Figura 1. Ubicación del craqueo catalítico dentro del proceso de refinación de petróleo [OSHA, 1996]

En este proceso, la estructura molecular de los hidrocarburos sufre un reacomodo para

convertir la materia prima pesada en fracciones más livianas como el queroseno, gasolina,

LPG, aceite de calefacción y materias primas para la industria petroquímica.

Uso de catalizadores

Los catalizadores son aquellas sustancias que promueven una reacción sin tomar parte en

ella y en este proceso se utilizan para facilitar la conversión de las moléculas pesadas en

productos más livianos. El uso de catalizadores aumenta la conversión de productos

permitiendo condiciones de operación mucho menos severas que en otros procesos como el

craqueo térmico. Se trabaja con temperaturas de 850 – 950 ºF a presiones entre 10 y 20 psi.

Los catalizadores más utilizados en estos procesos son principalmente sólidos como la

zeolita, hidrosilicato de aluminio, tierra de fuller, bentonita, bauxita, entre otros. La

elección del catalizador depende de una combinación de la mayor reactividad posible con la

máxima resistencia al desgaste.

Los tres pasos principales durante el proceso del craqueo catalítico son: la reacción con la

materia prima para producir los diferentes productos hidrocarbonados, la regeneración del

catalizador mediante la quema del coque y la separación de los diferentes productos

obtenidos mediante el fraccionamiento. El proceso de craqueo catalítico es muy flexible, y

los parámetros de operación se pueden ajustar para satisfacer la cambiante demanda de

productos.

Diagrama del proceso

Los equipos de reacción de las unidades de craqueo catalítico tienen tres partes

fundamentales: reactor, regenerador y stripper. En el reactor es donde ocurren las

reacciones de craqueo. Operan con un tiempo de contacto muy bajo, la parte principal del

reactor es el elevador, que es donde se producen las reacciones. El resto del equipo es para

separar el catalizador de los productos. Dentro del reactor existen ciclones que permiten

separar el catalizador arrastrado con los productos de la reacción. En el regenerador es

donde se quema el carbón depositado sobre el catalizador; cuenta con un compresor de aire

que provee el aire necesario para la combustión. En la última parte del equipo se inyecta

vapor para reducir el contenido de hidrocarburos depositados sobre el catalizado.

Figura 2. Diagrama del proceso de craqueo catalítico [OSHA, 1996]

Tipos de craqueo catalítico

Existen tres tipos básicos de procesos de craqueo catalítico: el craqueo catalítico de

líquidos, el craqueo catalítico de lecho móvil y el craqueo catalítico termofor.

El craqueo catalítico de líquidos se realiza en unidades que cuentan con una sección de

catálisis (elevador, reactor y generador) y una sección de fraccionamiento trabajando de

manera conjunta. Se utiliza un catalizador finamente pulverizado, suspendido en vapor o

gas de petróleo, que actúa como un líquido. El craqueo tiene lugar en la tubería de

alimentación (elevador), por la que la mezcla de catalizador e hidrocarburos fluye a través

del reactor. La carga de hidrocarburos es precalentada en el elevador mediante el

catalizador regenerado caliente y se mezcla con el aceite reciclado hasta que alcanza la

temperatura del reactor. Mientras la carga asciende por el reactor, se craquea a baja presión

y el proceso continúa hasta que los vapores de petróleo se separan del catalizador.

La corriente de producto resultante entra en una columna donde se separa en fracciones,

parte del aceite pesado se recicla y vuelve al elevador. El catalizador utilizado durante la

reacción se puede regenerar separando el coque que se acumula en este durante el proceso.

Para esto el catalizador circula por la torre rectificadora de catalizador hacia el

regenerador, donde se mezcla con aire precalentado y se queman la mayor parte de

los depósitos del coque.

El craqueo catalítico de lecho móvil es similar al craqueo catalítico de líquidos,

pero el catalizador se encuentra en forma de pastillas en lugar de polvo fino. Las

pastillas se transfieren continuamente mediante una cinta transportadora o tubos

elevadores neumáticos a una tolva de almacenamiento situada en la parte superior de la

unidad, y después desciende por gravedad a través del reactor hasta un regenerador. El

regenerador y la tolva están separados del reactor mediante sellos de vapor. El

producto craqueado se separa en gas reciclado, aceite, aceite clarificado, destilado,

nafta y gas húmedo.

En el craqueo catalítico termofor, la carga precalentada circula por gravedad por el

lecho del reactor catalítico. Los vapores se separan del catalizador y se envían a una

torre de fraccionamiento. El catalizador agotado se regenera, enfría y recicla. El gas de

chimenea de la regeneración se envía a una caldera de monóxido de carbono para

recuperar calor.

Proceso de Combustión

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera controladamente parte de la energía interna del combustible. Una parte de esa energía se va a manifestar en forma de calor y es la que a nosotros nos interesa.

La reacción de un elemento químico con el oxígeno se llama oxidación. La combustión no es más que una reacción de oxidación, en la que normalmente se va a liberar una gran cantidad de calor.

Los combustibles tienen en su composición unos elementos principales, combustibles (C, H, S) y otros no combustibles, como el V, Ni, Na, Si,…

El comburente más habitual usado en la combustión es el aire (21% O, 73% N2 (inerte)).

Se llama calor de combustión a la disminución de entalpía de un cuerpo en C/N de presión y a una temperatura definida. Será entonces el calor que se libera cuando el combustible arde en una llama o cuando los componentes principales reaccionan con el oxígeno. En la combustión, cada uno de los componentes combustibles del combustible va a sufrir la reacción de oxidación correspondiente.

Reacción de combustión

Se trata de una reacción de oxidación con la particularidad de que se realiza muy rápidamente, es exotérmica. Esta reacción se produce entre los elementos combustibles de un combustible y el oxígeno del comburente. Para que un combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de ignición. Se define el punto de ignición de un combustible como la temperatura a la cual, una vez iniciada la llama, esta ya no se extingue. Es esta temperatura de 20 a 60ºC más alta que la temperatura de inflamación.

En una reacción de oxidación tendremos

Combustible + comburente Gases de combustión + calor

Combustible: Toda sustancia capaz de arder

Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible sufra oxidación

Los combustibles industriales suelen estar constituidos por mezclas de pocos elementos, ya que esto simplifica en gran medida el proceso. Los componentes de un combustible se pueden clasificar en:

Combustibles Inertes. Estos hay que eliminarlos y por lo tanto resultan perjudicialeas.

Fases de la reacción de combustión

Se pueden distinguir tres fases en la reacción de combustión:

Fase de pre reacción. Los compuestos hidrocarbonados se descomponen dando lugar a la formación de radicales, que son unos compuestos intermedios inestables y muy activos, para que de este modo el carbono y el hidrógeno puedan reaccionar con el oxígeno.

Fase de Oxidación: En esta fase se produce la combinación entre los elementos y el oxígeno. Es una fase muy exotérmica y es cuando tiene lugar la propagación de la llama.

Fase de Terminación: Aquí es cuando se forman los compuestos estables. El conjunto de estos compuestos es lo que llamamos gases de combustión.

Es necesario que se produzca una gran coordinación entre la 1ª y la 2ª fase, ya que si no podría llegar a producirse una explosión, por acumulación de radicales. La explosión es la onda que se produce y transmite por la masa reaccionante a una velocidad de 1500-2500 m/s, pudiendo producirse más de una detonación si después de la primera queda producto que aún pueda reaccionar violentamente.

Clases de reacciones de combustión Las reacciones se pueden clasificar según el modo en el cual transcurran de la siguiente manera:

Combustión NEUTRA o estequiometrica Combustión INCOMPLETA o imperfecta Combustión COMPLETA

Combustión neutra

Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporta la cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos de transformen en productos. Para que la estequiometria se cumpla, hay que considerar TODOS los elementos que sufren la reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, que se transformarán en productos correspondientes que irán en los gases de combustión. Como inertes aparecerá, por lo menos, el nitrógeno.

A veces, a los gases de combustión se les llama poder fumígeno. Se define éste como los gases húmedos totales procedentes de una combustión neutra o estequiométrica (de todos los elementos combustibles e inertes también)

Combustión incompleta

Es aquélla en la que por defecto en el suministro de aire no hay oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto de combustión de CO. Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados también se pueden producir por defecto en el aparato quemador. Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases:

Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de combustión

Gaseosos: CO, H2

Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se deberían tomar medidas de algún tipo para mejorarla.

Combustión completa

Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles sufran la oxidación (tanto el C como el O ó el H). En este caso no se van a producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que

aportar para que se realice la combustión completa del combustible.

Productos resultantes de la reacción de combustión

En general, los productos de combustión se llaman humos. Se definen éstos como la masa de compuestos que resultan de un proceso de combustión. Mayoritariamente están formados por óxidos de los elementos combustibles de un combustible, además de por los elementos del combustible que no sufren reacción, donde hay que incluir el N2 del aire que no va a reaccionar con el oxígeno.

Otros elementos que pueden aparecer en los humos pueden ser pequeñas proporciones de elementos en suspensión, como carbón u hollín (que se define como una sustancia alquitranosa de coquización).

Temperatura de ignición

Es la temperatura mínima que debe alcanzarse para que pueda iniciarse y propagarse la combustión en un punto de una mezcla inflamable de aire y gas. El auto-encendido de una mezcla de gas natural y aire, comprendida dentro de los límites de inflamabilidad, tiene lugar a una temperatura del orden de 650-750°C. [4]

BIBLIOGRAFÍA

[1]Gary, J y Handwerk, G. (1980) Refino de petróleo, tecnología y economía.

Barcelona: editorial Reverté, S. A.

[2]Kraus, R. (s. f.) Petróleo y gas natural. Extraído el 19 de setiembre de 2009 desde

http://www.insht.es/InshtWeb/Contenidos/Documentacion/TextosOnline/

EnciclopediaOIT/ tomo3/78.pdf

[3]Occupational Health & Safety Administration. (1996). OSHA Technical Manual,

Section IV, Chapter 2: Petroleum Refining Processes.

[4]E. Borrás Brucart (1987) Gas Natural características, distribución y aplicaciones

industriales. Barcelona: editorial Técnicos asociados S.A.