COQUIZACIÓN
ÍNDICE
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|Introducción...........................................................................................................|4 |...
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|1.- Antecedentes................................. Antecedentes................................................... ....................................... ..................................... ...............................|5 ...............|5
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|2.-
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|Coquización.............................. |Coquización............................................... ...................................... ............................................ ..................................... .............. |
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|3.- Coquización Retardada.................. Retardada.................................... ............................................ ........................................... .......................... .........
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3.1.- Propósito de la unidad.................... unidad........................................ ............................................... ......................................... ..............
3.2.- Historial de Modificaciones / Actualizaciones en la refinería de Amuay... |
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3.3.- Visión general del proceso.............................. proceso.................................................. ...................................... ........................ ......
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3.4.- Flujo del proceso.................................. proceso...................................................... ......................................... ................................... .............. |10
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3.4.1.- Sistema de alimentación.................... alimentación......................................... ......................................... ............................. .........
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3.4.2.- Ciclo de coquización.............................. coquización.................................................. ..................................... ......................... ........
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3.4.3.- Ciclo de decoquización.......................... decoquización............................................... ....................................... ........................ ......
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| 3.4.5.- Sección de recuperación de vapores................................ vapores.................................................... ....................
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3.4.6.- Sección de livianos....Sisy....................... livianos....Sisy........................................... ....................................... ........................ .....
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3.4.7.- Sistemas de reprocesamiento de Slop........................... Slop............................................... ........................
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3.4.8.- Sistema de cortado de coque......................... coque............................................. ..................................... ...................
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3.4.9.- Sistema de manejo de coque dentro de la unidad................................ unidad................................
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3.4.4.- Sección de fraccionamiento y precalentamiento de la alimentación...
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3.5.- Variables de operación............................... operación.......................................................... ............................................ ...................... .....
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|23
| |22 |
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3.5.1.- Sección de coquización...................... coquización........................................... ......................................... ............................ ........
|
3.5.2.- Sección de fraccionamiento......................... fraccionamiento............................................. ..................................... .................... ...
|
3.5.3.- Sección de livianos............................. livianos.................................................. ........................................ ............................ ......... |27
|
3.5.4.- Sección de recuperación de vapores................................ vapores.................................................... ....................
|4.-
|23 |26
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4.2.- Secciones de la unidad flexicoking..John...................... flexicoking..John........................................... .............................. .........
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4.2.1.- Sección de alimentación, lechada, reactor y depuración..................... depuración..................... |
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4.2.2.- Sección de fraccionamiento......................... fraccionamiento............................................. ..................................... .................... ...
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4.2.3.- Sección de livianos............................. livianos.................................................. ........................................ ............................ ......... |37
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4.2.4.- Calentador, elutriador y manejo de coque......................... coque........................................... ..................
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4.1.- Visión general..................................... general......................................................... ........................................ ..................................... .................|32 |32
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|Flexicoking...................................... |Flexicoking....................................................... ...................................... ............................................ .............................. ....... |
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4.2.5.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|39 ....|39 4.3.- Variables de operación............................... operación.......................................................... ............................................ ...................... ..... 4.3.1.-
|Reactor.................................. |Reactor................................................... ...................................... ............................................ ...........................
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4.3.2.- Calentador.............................. Calentador.................................................. ......................................... ...................................... ....................|41 ...|41
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4.3.3.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|42 ....|42
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4.4.- Química del proceso............................ proceso....................................................... ............................................... ............................. .........
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4.4.1.- Reactor«Daniel..................... Reactor«Daniel....................................... ....................................... ...................................... .................... ...
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4.4.1.1.- Mecanismos de reacción............................. reacción................................................. ................................ ............
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4.4.1.2.- Productos obtenidos según tipo de alimentación........................ alimentación........................
|43
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4.4.2.- Calentador.............................. Calentador.................................................. ......................................... ...................................... ....................|47 ...|47
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4.4.3.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|47 ....|47
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4.5.- Rendimiento típico de productos......................... productos............................................. ....................................... .....................
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3.5.1.- Sección de coquización...................... coquización........................................... ......................................... ............................ ........
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3.5.2.- Sección de fraccionamiento......................... fraccionamiento............................................. ..................................... .................... ...
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3.5.3.- Sección de livianos............................. livianos.................................................. ........................................ ............................ ......... |27
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3.5.4.- Sección de recuperación de vapores................................ vapores.................................................... ....................
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4.2.- Secciones de la unidad flexicoking..John...................... flexicoking..John........................................... .............................. .........
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4.2.1.- Sección de alimentación, lechada, reactor y depuración..................... depuración..................... |
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4.2.2.- Sección de fraccionamiento......................... fraccionamiento............................................. ..................................... .................... ...
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4.2.3.- Sección de livianos............................. livianos.................................................. ........................................ ............................ ......... |37
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4.2.4.- Calentador, elutriador y manejo de coque......................... coque........................................... ..................
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4.1.- Visión general..................................... general......................................................... ........................................ ..................................... .................|32 |32
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|Flexicoking...................................... |Flexicoking....................................................... ...................................... ............................................ .............................. ....... |
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4.2.5.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|39 ....|39 4.3.- Variables de operación............................... operación.......................................................... ............................................ ...................... ..... 4.3.1.-
|Reactor.................................. |Reactor................................................... ...................................... ............................................ ...........................
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4.3.2.- Calentador.............................. Calentador.................................................. ......................................... ...................................... ....................|41 ...|41
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4.3.3.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|42 ....|42
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4.4.- Química del proceso............................ proceso....................................................... ............................................... ............................. .........
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4.4.1.- Reactor«Daniel..................... Reactor«Daniel....................................... ....................................... ...................................... .................... ...
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4.4.1.1.- Mecanismos de reacción............................. reacción................................................. ................................ ............
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4.4.1.2.- Productos obtenidos según tipo de alimentación........................ alimentación........................
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4.4.2.- Calentador.............................. Calentador.................................................. ......................................... ...................................... ....................|47 ...|47
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4.4.3.- Gasificador............................ Gasificador................................................ ......................................... ...................................... .....................|47 ....|47
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4.5.- Rendimiento típico de productos......................... productos............................................. ....................................... .....................
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|5.- Unidades de coquización en Venezuela......................... Venezuela.............................................. ..................................... ................
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|6.- Procesos de coquización alternativos................................ alternativos.................................................... .................................. .............. | |50
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6.1.- Coquización retardada para diferentes alquitranes del petróleo y breas..... |
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6.2.- Coquización retardada retardada simple..................................... simple.......................................................... ................................ ...........
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6.3.- Coquización retardada retardada selectiva............................... selectiva.................................................... ................................... ..............
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6.4.- Coquización opcional que incluye Fluidcoking y Flexicoking...Gabriel.... |
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6.5.- Coquización Lurgi ² Ruhrgas........................ Ruhrgas............................................ ......................................... .......................... .....
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6.6.- Coquización por contacto continuo............................. continuo.................................................. ................................ ...........
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6.7.- Fluidcoquización......................... Fluidcoquización........................................... ....................................... ..................................... ......................... ......... |56
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|7.|Coque..................................................................................................................|
| 7.1.-
|Definición..................................... |Definición....................................................... ....................................... ............................................ .........................
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7.2.- Tipos y características del coque................................. coque..................................................... ................................ ............
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7.3.- Producción de coque......................... coque............................................. .............................................. ...................................... ............
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7.4.- Usos del coque............................ coque.............................................. ............................................. ............................................ .................... ... |59
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|Conclusión.......................Anny..................................................................................|61 |Bibliografía...........................................................................................................|62
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|8.- Importancia de la coquización en Venezuela................. Venezuela...................................... ..................................... ................ | | |
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INTRODUCCIÓN
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|. |
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Recientes investigaciones indican que existe un cuello de botella en la industria de la refinación que está estrangulando al sistema global energético. En los próximos 50 años se modificarán las dietas de consumo del sector transporte hacia gasolinas más limpias, el uso del diesel en su distintas variantes y la digestión de otras fuentes de energía, pero no se modificarán en extremo el uso de las refinerías tal como las conocemos hoy. Actualmente, existe un déficit diario de 4.890.000 barriles en la capacidad de refinación para satisfacer la creciente demanda en el mundo. Uno de los retos que afrontará la industria de la refinación en el futuro es la de continuar incrementando su capacidad de procesamiento diario, además de la modernización hacia patrones ecológicos y el logro de certidumbre en los suministros. Pero la construcción de nuevas refinerías es costosa y está comprobado que su rentabilidad es baja, y a veces nula. Es por ello que siempre se busca como solución a los problemas que se tiene, la creación de nuevas tecnologías y procesos que conviertan al crudo, sus fracciones en mezclas combustibles de mayor valor agregado que cumplan con las características ecológicas que exige cada país. La problemática actual fue prevista desde hace muchos años atrás, y es por ello que se han ido diversificando los procesos de refinación del petróleo. Claro, obviamente el surgimiento de estos procesos no fue solamente a causa de los problemas ambientales y el déficit en el mundo, inicialmente la refinación se vio impulsada por el avance que ha tenido la industria automotriz, la industria de la aviación y maquinaria en general, entre otras. Debido al crecimiento de la demanda de gasolinas, diesel, aceites, etc. la industria de la refinación se ha visto obligada a idear procesos de conversión en los cuales los cortes de las destiladoras que anteriormente no tenían aplicación alguna, ahora son sometidos a estos procesos para sacarle un mayor provecho y satisfacer en cierto modo la demanda global de los combustibles. Uno de los procesos de conversión son los de coquización. Estos involucran el aprovechamiento de los cortes más pesados de la refinería primitiva, cortes de las columnas al vacío, para transformarlos en productos de mayor demanda comercial y coque. Este proceso requiere un alto consumo energéticos, y la producción del coque como subproducto hacía que el proceso no fuese llamativo, pero debido a que actualmente se le ha encontrado aplicaciones al coque, se ha convertido en uno de los más necesarios en la industria de refinación. En este trabajo se presenta los antecedentes de la coquización, los tipos de alimentación, la ubicación dentro de una refinería; una descripción detallada de la coquización retardada y del flexicoking; una breve descripción de otros procesos de coquización; la definición, tipos y características del coque; y la importancia de la coquización en Venezuela.
1.- ANTECENDENTES
Del petróleo crudo, se extrae cuando mucho un 18% de gasolina. El vertiginoso crecimiento de la industria automotriz, para satisfacer las necesidades de la cada vez mayor población, provocó
que las refinerías se orientaran a la obtención de mayores rendimientos de gasolina para motores, lo que hizo necesario que se idearan métodos para satisfacer la demanda en aquel entonces.
A principios del siglo pasado, surge como una alternativa el cracking térmico con la cual se obtienen buenos rendimientos de gasolina. Este se practico hasta los años siguientes al 1930 para la fabricación de aceites lubricantes de la clase conocida como aceites de parafina. Este proceso se usa aún para la preparación de productos de carga destilados para otras operaciones, y ha sido reemplazada por el craking catalítico.
Antes de la introducción de los procesos catalíticos, la unidad de craqueo térmico tipo Dubbs (1924 a 1930) de dos serpentines era lo mas común. Pero este proceso producía una gran cantidad de depósitos indeseables en los calentadores. La evolución gradual de la ciencia fue consiguiendo que los calentadores podían diseñarse para alcanzar temperaturas por encima del punto de coquéo, sin formación significativa de coque en los mismos. Para ello era necesario alta velocidad (tiempos de retención mínimos) en los calentadores. Así, con el paso de los años, surge la coquización como un proceso de craqueo térmico donde se obtenían mayores conversiones de fracciones de petróleo, y se disminuía la presencia de metales pesados en la alimentación del proceso de craqueo catalítico, aumentando así la vida útil del catalizador.
A pesar de la utilidad de la coquización, entre sus desventajas se encontraba la producción de coque que no era el producto deseado, pero gracias a estudios de mejoramiento y los desarrollos paulatinos, se ha hecho posible que este proceso se mantenga vigente y se hayan diseñado una gran variedad de procesos de coquización. Entre ellos la coquización retardada (1940), coquización de contacto continuo y fluidcoquización (1949 a 1955), y más recientemente, la flexicoquización (1974 y 1975).
Todos estos procesos, proveen una gran flexibilidad en el manejo de una gran diversidad de alimentaciones a una alta eficiencia, asegurando a la refinería un retorno óptimo de los productos de fondo durante el proceso.
2.- COQUIZACIÓN
La coquización es un proceso de conversión que se fundamenta en diferentes reacciones de desintegración o craqueo térmico de los compuestos hidrocarburos que constituyen la carga, en condiciones de alta temperatura. El rendimiento de este proceso va a depender del tipo de alimentación; es decir, las características de los productos obtenidos van a depender de las propiedades que tenga la corriente de fondo de la torre de vacío.
[pic]
Saturados
Aromáticos
Resinas
[pic] Asfáltenos
Cuando las alimentaciones son ricas en compuestos aromáticos el coque que se va a producir como subproducto es un coque con bajo contenidos dilatométricos, siendo utilizado principalmente para la generación de electrodos de aluminio. En el caso de que las alimentaciones sean ricas en compuestos asfaltenicos, el coque producido es un coque tipo promedio.
A continuación se puede observar como son las alimentaciones típicas de varios crudos pesados, y extrapesados de varios pozos venezolanos, indicándose así el compuesto que constituye la mayor concentración de estas corrientes
[pic] La coquización es un proceso el cual a pesar de tener como desventaja principal la formación de coque del petróleo, que es considerado como un subproducto indeseado, tiene como gran ventaja brindar la posibilidad de obtener los máximo rendimientos posibles de una corriente de pesados que antes era considerada como desecho, y debido al gran progreso que introdujo en la industria de la refinación es que se desarrollaron dos procesos de coquización considerados como principales como lo son la coquización retardada y la flexicoquización así como varios proceso alternativos de la coquización como lo son:
Coquización retardada
Flexicoking
Coquización retardada para diferentes alquitranes de petróleo y breas alquitranada del carbón.
Coquización retardada simple.
Coquización retardada selectiva.
Coquización opcional que incluye Fluidcoking y Flexicoking.
Coquización Lurgi ² Ruhrgas
Coquización por contacto continuo.
A continuación se muestra un diagrama general de una refinería que ilustra la ubicación de éste proceso dentro de la misma
3.- COQUIZACIÓN RETARDADA
3.1.- Propósito de la Unidad
El propósito de la Unidad de Coquización Retardada (CRAY) es aumentar la producción de destilados, y la corrida de crudos pesados, disminuyendo la producción de residual de alto azufre. La unidad de Coquización Retardada (CRAY) fue diseñada por Foster Wheeler con la finalidad de transformar un hidrocarburo pesado en gas, nafta, gasóleos y coque.
Este es un proceso térmico en el cual el hidrocarburo pesado (brea) se calienta a alta velocidad en un horno y luego se envía a una zona de reacción (tambores de coque) en donde bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura, se craquea térmicamente y se convierte en productos de mayor valor comercial.
Esta unidad entró en servicio en la Refinería de Amuay el 30 de octubre de 1994, sin mayores desviaciones a los procedimientos elaborados por el grupo multidisciplinario de arranque.
La unidad de Coquización Retardada (CRAY), está compuesta por las siguientes secciones:
- Sección de coquización y recuperación de vapores
- Sección de fraccionamiento y precalentamiento de la alimentación.
- Sección de compresión y separación de productos livianos.
- Sección de cortado y manejo de coque.
3.2.- Historial de Modificaciones / Actualizaciones en la Refinería de Amuay.
Durante la etapa de ingeniería, se realizaron modificaciones al diseño original con la intención de poder alcanzar una capacidad de procesamiento en la unidad de 34250 BD de fondos de vacío, con un Concarbon de 24.0% y producir 1898 TMD de coque grado combustible.
Las modificaciones realizadas a la unidad fueron:
- Aumento del diámetro de los tambores de coque: de 21 a 24 pies.
- Aumento de la capacidad de los hornos: de 100 a 129 MM Btu / hr.
- Aumento en la capacidad de los equipos del sistema de recuperación de vapores.
- Aumento del diámetro de las líneas de vapores del tope de los tambores de coque a la torre fraccionadora principal y de los vapores del toque de ésta a la succión del compresor.
- Aumento del cabezal de las bombas de alimentación.
- Cambio de los internos de la torre absorbedora T ² 9303: de platos empaque desordenado.
- Aumento en el diámetro del cabezal de seguridad al mechurrio: de 24 a 36 pulgadas.
La planta de Amuay ha tenido modificaciones desde que entró en servicio, entre las cuales se citan las siguientes:
Para el año de 1995:
Se realizaron paradas de planta para la reparación parcial de la fraccionadota principal, específicamente del plato de retiro del LCGO (Gasóleo Liviano).
Para el año de 1996:
Se realizaron las instalaciones necesarias para enviar agua de caldera en forma controlada a la entrada de la sección de convección de los hornos F ² 9101 / F ² 9102 utilizando las válvulas de control de inyección de agua de caldera a la sección radiante (crossover de los pases), lo cual permitió controlar apropiadamente el flujo de agua de caldera a los pases y tener indicación en el computador para un mejor seguimiento.
Se realizaron las instalaciones para inyectar aceite de lavado en el plato N° 2 de la sección de lavado de la torre fraccionadora principal T ² 9201 del CRAY, con el fin de eliminar la degradación de HCGO a diluente y mejorar la operación de los filtros cíclicos.
Para el año de 1997:
Se realizaron las instalaciones necesarias para reemplazar el agua del TRAY que alimenta al tambor D ² 9201 por agua agria despojada, con el fin de evitar el ensuciamiento con sólidos de los platos superiores del fraccionador.
Se instaló un desvío al intercambiador de calor E ² 9214, lo cual permitió seguir procesando slop en la torre fraccionadota, evitando así el tener que enviar el mismo fuera de la unidad de CRAY (slop diluente).
3.3.- Visión general del proceso
La Unidad de Coquización Retardada (CRAY) está diseñada para transformar hidrocarburos pesados proveniente de los fondos de la torre de destilación al vacío y de las siguientes corrientes: lechada del Flexicoquer, lechada del Flexicraquer filtradas y extracto de lubricantes.
Este es un proceso térmico en el cual el hidrocarburo pesado (brea) se calienta a alta velocidad en un horno y luego se envía a una zona de reacción, conformada por los tambores de coque, en donde bajo condiciones apropiadas de presión y temperatura, se craquean térmicamente y se convierten en productos de mayor valor comercial como son:
- Coque.
- Gas combustible.
- Propanos.
- Butanos
- Nafta Liviana.
- Nafta Pesada
- Gasóleo Liviano.
- Gasóleo Pesado.
Este es un proceso en el cual la alimentación (brea) entra al fondo de la torre fraccionadota, que actúa como recipiente para compensar variaciones de flujo y luego se envía a los hornos de coquización donde ésta se calienta por encima de los 482°C. Luego fluye al fondo de uno de los tambores de coque donde se craquea térmicamente en los productos anteriormente mencionados.
El coque en estado semi ² sólido va llenando gradualmente el tambor en un período usualmente de 24 horas, al tiempo que los productos más livianos en estado gaseoso pasan a la torre fraccionadota para su separación en gas, nafta inestable y gasóleos.
Los gases son enviados al compresor de gas y luego junto con la nafta inestable a torres separadoras donde se recuperan gases, propanos, butanos y nafta estable.
Una vez llenado el primer tambor de coque, se cambia la alimentación al segundo tambor, mientras que éste se somete a un proceso de decoquización, que tome otras 24 horas. El proceso de llenado y vaciado del tambor de coque es lo que se conoce como ciclo de coquización con una duración normal de 48 horas.
El coque producido es transportado vía una correa tubular a un patio de almacenamiento con capacidad para dos meses de operación. Una vez al mes, el coque es transportado al muelle para su exportación a los mercados internacionales.
3.4.- Flujo del proceso.
Para una mejor comprensión de la unidad, se ha subdividido el proceso en sistemas y secciones a saber:
- Sistema de alimentación.
- Sección de coquización.
- Sección de fraccionamiento y precalentamiento de la alimentación.
- Sección de recuperación de vapores.
- Sección de livianos.
- Sistemas de vapor.
- Sistemas de generación de vapor.
- Sistemas de condensado.
- Sistema de reprocesamiento de slop.
- Sistema de cortado de coque.
- Sistema de manejo de coque dentro de la unidad.
- Sistema de manejo de coque fuera de la unidad.
Unidad de coquización retardada
3.4.1.- Sistema de alimentación.
Para la Refinería de Amuay la capacidad de la unidad por diseño, es de 28625 B/D para la operación grado combustible (operación normal) y 23550 B/D para la operación grado ánodo (operación alterna 2).
Durante la etapa de ingeniería, se realizaron modificaciones al diseño original con la intención de poder alcanzar una capacidad de procesamiento en la unidad de 34250 B/D de fondo de vacío con 24% de carbón conradson (operación altera 1)
La operación normal es grado combustible. El grado ánodo es una operación alterna, y se obtiene cuando se envían las lechadas del Flexicoquer y la lechada del Flexicraquer y la línea / tanque para enviar extracto de lubricantes a la unidad de Coquización Retardada.
La unidad puede alimentarse de cualquiera de las torres de vacíos existentes. Adicionalmente, se tiene la flexibilidad para alimentar a la unidad con las corrientes de lechadas de Flexicoquer y Flexicraquer sin filtrar.
La filosofía de control del sistema de alimentación a la unidad se describe a continuación:
- Los fondos de las torres de destilación vacío son enviadas al CRAY bajo control de flujo, determinado por la cantidad de brea disponible en estas unidades.
- Los fondos de las torres de destilación vacío son enviadas al CRAY bajo control de flujo, ajustado por el nivel de fondo de la torre fraccionadota.
- El operador puede seleccionar cual de estas unidades será la que compense las variaciones de nivel de la torre fraccionadora y cuáles operan en control de flujo.
- Para la operación de coque grado ánodo (alterna) se especificó un sistema que permite recibir la producción de lechada del Flexicoquer después de pasar por los hidrociclones y el flujo de lechada del Flexicraquer. Este último será fijado por el control de nivel de la torre fraccionadota y será el que permita compensar las variaciones de este nivel.
- Como parte del sistema de parada de emergencia de la Unidad, está instalado en el fondo de la torre fraccionadora un interruptor independiente de muy alto nivel que permite cortar el flujo proveniente de todas las unidades que estén alimentando el CRAY.
3.4.2.- Ciclo de coquización.
La alimentación fría (fondos de vacío de la torre al vacío) proveniente de las unidades de destilación al vacío existentes, es precalentada antes de entrar al fondo de la torre fraccionadora. Los productos más pesados que se condensan en el fondo de la torre (reciclo), se combinan con la alimentación fresca y reciclo, es enviada a través de las bombas a los hornos, bajo control de flujo.
En los hornos de alimentación se calienta hasta la temperatura deseada antes de ser enviada a los tambores de coque. En cada uno de los cuatros pases del horno, se inyecta agua de
alimentación de calderas bajo control de flujo, para mantener altas velocidades y minimizar la formación de coque en los mismos. La temperatura de salida en cada pase, es ajustada por un controlador de temperatura que regula el flujo de gas combustible a cada pase del horno.
Luego se envía a los tambores de coque donde se tienen condiciones de presión y temperatura deseables para que se de el proceso de coquización durante 24 horas aproximadamente.
3.4.3.- Ciclo de decoquización
La Unidad CRAY consta de dos trenes de coquización, cada uno compuesto por un par de tambores. En cada tren, mientras un tambor está 24 horas en el ciclo de coquización, el otro tambor está 24 horas en el ciclo de decoquización, para un ciclo de operación de 48 horas.
Entre los ciclos de cada tren debe haber desfase de 12 horas, determinado por la capacidad de los sistemas de cortado y recuperación de vapores. La secuencia de operación de cada tambor es la siguiente, comenzando por un tambor lleno de coque:
1. Desplazamiento con vapor hacia el fraccionador principal.
2. Desplazamiento con vapor hacia el sistema de recuperación de vapores.
3. Enfriamiento, llenado y remojo con agua.
4. Drenaje y apertura tope/fondo del reactor
5. Operación de decoquización.
6. Cierre del tambor y prueba de hermeticidad
7. Precalentamiento.
8. Coquización.
3.4.4.- Sección de Fraccionamiento y Precalentamiento de la Alimentación.
Los vapores del tope del tambor de coque, una vez enfriados ligeramente por el HCGO en la línea, fluyen hacia la torre fraccionadora principal y entran por debajo de la sección de bandejas deflectoras (Shed trays). Aquí los vapores son ´lavadosµ por un reflujo inducido y al mismo tiempo parte se condensan, para ser combinados con la alimentación fresca y recirculado a través de los hornos y tambores de coque. El resto de los vapores pasan a través de la zona de lavado, donde se ponen en contacto con HCGO que se recircula (aceite de lavado) para evitar arrastre de coque y material pesado condensable. Estos vapores siguen luego, hacia la sección de rectificación de la torre.
En el fondo de la fraccionadora, existe un colador tipo tubo vertical con ranuras, que evitar que pedazos grandes de coque lleguen a la succión de las bombas de alimentación de los hornos. Adicionalmente, por el fondo de la torre sale otra corriente que se filtra y recircula, con el fin de proveer agitación de las partículas de coque que allí se encuentran. Esta corriente se envía a la succión de la bomba de recirculación del fraccionador a través de los coladores donde las partículas de coque son removidas antes de ingresar al fondo de la torre.
Por encima de la sección de lavado de la torre, el reflujo lateral y el producto de HCGO (gasóleo pesado) son retirados del plato de chimenea. La corriente de reflujo lateral es bombeada. Una parte se regresa a la torre como aceite de lavado, bajo control de flujo fijado por el control de la temperatura de los vapores saliendo de la zona de lavado de la torre fraccionadora y otra parte es usada para enfriar las líneas de tope de los tambores de coque en servicio. El resto de la corriente es utilizada para precalentar la alimentación y para generar vapor de 400 psig en los generadores de vapor.
El gasóleo pesado (HCGO) producto entra a un despojador donde es despojado de componentes livianos usando vapor sobrecalentado de 145 psig proveniente de la sección de convección de los hornos. El gasóleo pesado producido en bombeado bajo control de nivel del despojador hacia el límite de batería, después de ser enfriado generando vapor de 400 y 145 psig y precalentando agua de alimentación a calderas. Posterior al precalentamiento de agua, la corriente entra al sistema de filtrado (filtros cíclicos) de manera de reducir tamaño y cantidad de partículas
de coque. Estos filtros se retrolavan automáticamente por presión diferencial a través de ellos, utilizando como medio de lavado el mismo HCGO ya filtrado.
El gasóleo liviano (LCGO) es retirado del plato 13 de la torre fraccionadora y alimentado al plato superior del despojador bajo control de nivel del despojador. Aquí, el LCGO es despojado de los componentes livianos presentes con vapor sobrecalentado de 145 psig proveniente de la sección de convección de los hornos. El gasóleo liviano producido es bombeado bajo control de flujo hacia el límite de batería, luego de ser enfriado. Este producto puede llevarse a la unidad de Hidrodesulfuración o hacia almacenamiento. Una parte del LCGO que sale de la fraccionadora, es tomado aguas arribas del despojador y bombeado, enfriado y enviado como aceite pobre a la sección de livianos de la unidad.
Los vapores del tope del fraccionador, son enfriados y se condensan parcialmente. Adicionalmente se inyecta agua de lavado a la línea de entrada de los vapores a los enfriadores para disolver y diluir compuestos corrosivos presentes en el sistema. Estos compuestos son reducidos después en el agua agria producida. La mezcla de vapor líquido que sale de los enfriadores es enviada al tambor de cabecera, en donde los gases son separados de la nafta inestable y del agua agria producida.
El agua agria condensada es acumulada en la bota del tambor de cabecera y bombeada bajo control de interfase, hacia la línea de vapores del fraccionador y hacia la sección de livianos, como agua de lavado de los gases de la interetapa y descarga del compresor.
Una parte de la nafta inestable recolectada en el tambor de cabecera es enviada bajo control de nivel, hacia la torre absorbedora primaria en la sección de livianos de la unidad. La otra parte de la nafta es bombeada bajo control de flujo a la succión de las bombas del tambor interetapa del compresor y como reflujo al tope del fraccionador.
Los gases provenientes del tambor de cabecera son enviados directamente a la succión del compresor en la sección de livianos. La presión en el tambor de cabecera de la torre fraccionadora, es controlada variando la velocidad de la turbina del compresor. El compresor está protegido por un sistema de control de oleaje que depende del flujo y de presión diferencial a través de cada etapa del compresor.
3.4.5. Sección de recuperación de vapores.
La sección de recuperación de vapores está diseñada para minimizar las emisiones de contaminantes a la atmósfera, durante la operación de la unidad. Esta sistema consta de una torre recuperadora de vapores, un tambor separador, unos condensadores, un intercambiador, un enfriador de aceite y bombas asociadas al sistema.
Durante las operaciones de inyección de vapor y enfriamiento de los tambores de coque, el vapor de agua y restos de hidrocarburos pesados (parafinas) fluyen a la torre de recuperación de vapores, donde se ponen en contacto en contracorriente, con una corriente de LCGO e hidrocarburos pesados circulante. Esta corriente circulante, condensa y diluye los restos de parafina presentes. El LCGO y los restos de parafina combinados, salen por el fondo de la torre y pasan a través de coladores y las bombas de fondo. Parte de esta corriente es enfriada y recirculada a la torre bajo control de flujo y temperatura, y la otra parte, es enviada al fraccionador principal bajo control de nivel de la torre. El LCGO puede ser enviado como compensación a la torre recuperadora de vapores cuando el nivel en el fondo baja. El intercambiador colocado en el fondo de la torre, mantiene la temperatura del LCGO e hidrocarburos pesados circulante en la torre a 300°F, cuando el sistema de recuperación de vapores no está en servicio. Esta corriente circulante mantiene el sistema caliente y listo para recibir los vapores de los tambores de coque o el efluente de las válvulas de seguridad de los mismos.
El vapor de agua, los hidrocarburos arrastrados y los incondensables, salen por el tope de la torre de recuperación de vapores hacia los condensadores de cabecera, donde los dos primeros son condensados. La mezcla vapor/líquido fluye hacia el tambor separador de cabecera, en donde las trazas de aceite presentes son separadas del agua. El aceite es bombeado por las bombas bajo control de nivel, hacia los tanques de slop húmedo del CRAY o hacia el sistema de slop húmedo de la refinería. Este slop puede ser reprocesado en la torre fraccionadora, después de eliminarse el agua presente en el mismo.
El agua agria que se condensa en el tambor de cabecera es bombeada bajo control de nivel de interfase, hacia le tanque de agua de cortado o hacia el Sistema de Despojamiento de Aguas Agrias de la refinería, dependiendo de la calidad del agua. Se estima que durante los primeros 180 minutos (3 horas), el agua recuperada debe ser enviada al Sistema de Despojamiento de Aguas Agrias de la refinería. Después de este período el agua puede ser recirculada al tanque de agua de cortado.
Finalmente los gases incondensables que salen del tambor separador de cabecera son enviados al mechurrio de Conversión.
3.4.6.- Sección de livianos
Los gases del tambor de cabecera de la fraccionadora, son enviados al compresor de gas de dos etapas. Los gases que salen de la primera etapa del compresor, se mezcla con agua de lavado proveniente de las bombas de agua agria del fraccionador y fluyen hacia e intecambiador de calor interetapa, en donde se enfrían y se condensan parcialmente. La mezcla vapor ² líquido resultante, se envía al tambor separador de la interetapa del compresor. El líquido que se acumula en el tambor es bombeado bajo control de nivel, por las bombas del tambor interetapa hacia la descarga de la segunda etapa del compresor, en donde se mezcla con los vapores del tope de la torre despojadora y con aceite rico del fondo de la torre absorbedora primaria. Estas corrientes mezcladas, entran al intercambiador post . enfriador del compresor donde se enfrían y condensan parcialmente.
El compresor de gas está diseñado para operar a dos presiones de succión diferentes. Durante la operación de coque grado combustible (operación normal), la presión en la succión del compresor es la más baja, aproximadamente 5 psig. Durante la operación de coque grado ánodo (operación alterna), el compresor operará a más baja velocidad debido a la alta presión en la succión. La presión a la descarga del compresor es la misma en ambas operaciones, aproximadamente 205 psig.
La mezcla de gases / hidrocarburos líquidos / agua proveniente del intercambiador, es enviada al tambor de alimentación de las torres absorbedora / despojadora. Los hidrocarburos líquidos son enviados desde este tambor, hacia el plato superior de la torre despojadora bajo control de flujo (ajustado por el control de nivel del tambor), mediante las bombas de alimentación a la despojadora bajo control de alimentación a la despojadora. Los gases presentes en el tambor son enviados al fondo de la torre absorbedora primaria. El agua agria del tambor es enviada bajo control de nivel de interfase, hacia el sistema de despojamiento de esta agua en la refinería.
En la torre despojadora, los hidrocarburos livianos son despojados y el líquido del fondo de la torre es enviado bajo control de flujo (fijado por el control de nivel de fondo de la torre), a la torre debutanizadora. Los gases del tope de la despojadora, son recirculados al post ² enfriador del compresor. La torre despojadora cuenta con dos rehervidores. El rehervidor inferior utiliza la corriente del fondo de la debutanizadora como fuente de calor, mientras que el rehervidor superior, emplea vapor de 400 psig como fuente de calor. El controlador de temperatura en el plato 3 de la despojadora, fija el flujo de vapor en este rehervidor retirando condensado el del mismo.
A la salida del rehervidor superior, está instalado un tambor de recolección de condensado, con el fin de poder medir nivel de condensado dentro del rehervidor (inundación del mismo). En caso de detectarse bajo nivel en el tambor de condensado, cerrando para normalizar la situación, en lugar del controlador de temperatura del plato 3, cuya respuesta es lenta. Esto permitirá evitar que
pase vapor de 400 psig al sistema de condensado y que se pierda la fuente de valor a la torre, por alta velocidad en el rehervidor.
Los gases del tambor de alimentación de las torres absorbedora/despojadora, se envían al fondo de la torre absorbedora primaria. Estos gases se ponen en contacto en contracorriente, con nafta pobre. Esta nafta es una mezcla de nafta inestable del tambor de cabecera de la fraccionadora y nafta debutanizada fría, proveniente del fondo de la torre debutanizadora. La nafta rica sale por el fondo de la absorbedora primaria y se pone en contacto con la descarga del compresor, los vapores de la despojadora y los líquidos provenientes de la interetapa del compresor, con el fin de aumentar la recuperación de livianos.
Los gases provenientes del tope de la torre absorbedora entran al fondo de la siguiente absorbedora en donde se ponen en contacto en contracorriente con aceite pobre (gasóleo liviano LCGO sin despojar). Este aceite proveniente de la fraccionadora, es enfriado con agua salada de los intercambiadores de aceite pobre y enviado bajo control de flujo, a la torre absorbedora. Esta absorbedora permite minimizar el arrastre de nafta hacia el sistema de gas combustible. El aceite rico proveniente del fondo de la absorbedora es recirculado a la fraccionadora bajo control de nivel, después de pasar a través de los intecambiadores de aceite pobre/aceite rico.
El gas proveniente del tope de la absorbedora es enviado al tambor separador de gas situado en la parte inferior de la torre depuradora de gases, con el fin de remover cualquier arrastre de aceite y minimizar los problemas de espuma en el sistema de MEA. Este gas pasa a la torre depuradora de gas, donde se pone en contacto en contracorriente con MEA pobre para la remoción de H2S, antes de ser enviado bajo control de presión al sistema de gas combustible. La MEA rica es recirculada bajo control de nivel, a las Unidades de Regeneración de Aminas de la refinería.
En la torre debutanizadora, se separa el líquido proveniente de la despojadora en dos corrientes:; por el tope sale una corriente de C3/C4 y por el fondo sale nafta debutanizada. Esta torre posee un rehervidor en el fondo, cuya fuente de calor es vapor de 400 psig. El controlador de temperatura en el plato 3 de la debutanizadora, fija el flujo de vapor en este rehervidor retirando condensado del mismo. En caso de detectarse bajo nivel en el tambor de condensado, el controlador de nivel ajustará la posición de la válvula de condensado, en forma análoga a la torre despojadora.
La nafta del fondo de la debutanizadora, es enfriada en el rehervidor inferior de la despojadora y enviada como alimentación a la torre fraccionadora de nafta, bajo control de nivel. Una parte de esta corriente, es enfriada de nuevo en el enfriador de nafta pobre y en el intercambiador de nafta pobre antes de ser bombeada a la adsorbedora primaria. Los gases del tope
de la debutanizadora, son condensados en los condensadores de cabecera y enviados del tambor de cabecera. Parte de líquido acumulado en este tambor, es bombeado bajo control de flujo como reflujo de la debutanizadora. El resto, es bombeado bajo control de flujo por las bombas hacia la torre depuradora de LPG. La presión en el tambor de cabecera de la debutanizadora es controlada en rango dividido, desviando los gases del tope de los condensadores de cabecera y/o enviado en ocasiones, gas al intercambiador de la interetapa del compresor.
La fraccionadora de nafta, separa la nafta proveniente del fondo de la debutanizadora en dos corrientes: Una corriente de nafta liviana por el tope y una de nafta pesada por el fondo. Los vapores de cabecera de la fraccionadora de nafta, son totalmente condensados en los condensadores de cabecera y acumulados en el tambor de cabecera. El control de presión de la torre se ejerce manipulando la válvula de control en la línea de condensado y con una línea de balance entre la entrada de los intercambiadores y del tambor. Parte del líquido acumulado en este tambor, es bombeado bajo control de flujo (que será manipulado por un esquema de control supervisorio de calidades) por las bombas de cabecera, como reflujo de la fraccionadora de nafta. El resto de la nafta liviana, es enviada bajo control de flujo (ajustado por el control de nivel de tambor) hacia la unidad de Hidrodesulfuración de nafta liviana del CRAY para su tratamiento, después de ser enfriada en el intercambiador de nafta liviana. La fuente de calor de la fraccionadora de nafta es el rehervidor, que usa vapor de 400 psig. El control de este rehervidor es idéntico al del rehervidor de la debutanizadora, descrito anteriormente. La nafta pesada es retirada bajo control de flujo (ajustado por el control de nivel del rehervidor de la separadora de nafta), usando las bombas de fondo de la separadora y puede ser enviada a almacenamiento, después de enfriarse en el intercambiador de nafta pesada o hacia la Unidad de Flexicraquer (DCAY). Normalmente esta nafta pesada será enviada hacia la Unidad de Hidrodesulfuración.
La corriente de C3/C4 proveniente del tambor de cabecera de la debutanizadora, es bombeada hacia el depurador e LPG, donde se pone en contacto en contracorriente con MEA pobre con el fin de remover H2S. El producto C3/C4 de tope de esta torre, es enviado bajo control de flujo a la torre separadora del C3/C4, después de precalentarse en el intercambiador alimentación/fondo de la separadora C3/C4. En la corriente de C3 del tope de la torre, es condensada en el condensador de cabecera y acumulada en el tambor de cabecera. El líquido presente en este tambor, es bombeado por las bombas de cabecera y se divide en dos corrientes. Una es enviada como reflujo de la torre bajo control de flujo y la otra hacia el límite de batería del CRAY bajo control de flujo a la Unidad de olefinas existente.
En operación normal (producción de C3 de líquido), la presión del tope de la separadora C3/C4 es controlada variando la inundación de los condensadores de cabecera, los cuales está colocados arriba del tambor de cabecera. Un aumento en la presión del sistema, ocasionará que abra la válvula de control a la salida de los condensadores, reduciendo la inundación de los mismos y permitiendo mayor superficie disponible para la condensación de los vapores de cabecera y por ende, una disminución en la presión del sistema.
Una operación alterna permite que toda o una parte del producto de cabecera rico en C3 sea enviado hacia el sistema de gas de combustible de la refinería, bajo control presión de la separadora de C3/C4. Durante esta operación, la válvula a la salida de los condensadores de cabecera es manipulada por el controlador de nivel del líquido en el tambor de cabecera. Esto permitirá condensar suficiente C3 líquido para cumplir los requerimientos de reflujo a la torre y con un retiro parcial de C3 líquido si se requiere. Para esta operación, el retiro de C3 líquido será bajo control de flujo (sin ajustes por el control de nivel del tambor de cabecera). La presión del sistema de C3/C4 será controlada con la salida de vapores de C3 retirados del sistema. Este control permitirá que la separadora de C3/C4 opere con una producción de vapores de C3 entre 0% y 100%.
La fuente de calor de la separadora de C3/C4 es el rehervidor, que usa vapor de 145 psig. El control de este rehervidor es idéntico al rehervidor de la debutanizadora descrita anteriormente.
El C4 producido por el fondo de la separadora es enviado bajo control de flujo (ajustado por el nivel del rehervidor) hacia la Unidad de Hidrodesulfuración de C4, después de haber sido enfriado en el intercambiador alimentación/fondo de la separadora y en los enfriadores de butano.
En caso de presentarse una rotura en el rehervidor del separador C3/C4, los hidrocarburos pasarán al sistema de condensado. Para detectar esto existe un analizador de hidrocarburos en el condensado que alertará al operador sobre esta condición.
3.4.7.- Sistemas de Reprocesamiento de Slop
El sistema de reprocesamiento de slop en el CRAY, cuenta con dos tanques de 1800 barriles bombeables cada uno para almacenar tres días y medio de producción de slop de CRAY y de los separadores API de conversión. Se estima que el drenaje y certificación del tanque para reprocesamiento requiere un día como máximo. Cada tanque se puede vaciar en dos días. Estos tanques mantiene una atmósfera de nitrógeno y son venteados a un lugar seguro, debido a la posibilidad de encontrarse hidrocarburos livianos presentes en el slop que se recibe de los separadores API de conversión.
Este sistema cuenta con dos bombas de desplazamiento positivo de 85 GPM cada una y que permiten enviar slop desde los tanques y/o slop de lastre proveniente de los tanques (con un contenido menor de 1% BSW), hacia la torre fraccionadora para su reprocesamiento.
Adicionalmente, en este sistema existe un coalescedor especificado con un máximo 10% de contenido de agua en el slop húmedo y una eficiencia de separación del 99%. El objetivo de este coalescedor es minimizar la cantidad de agua presente en el slop a ser reprocesado en la torre fraccionadora.
El slop proveniente del coalescedor, pasa por el intercambiador de slop húmedo para ser calentado hasta 350°F, es decir 25°F por arriba del punto de ebullición del agua a la presión de operación del intercambiador. Este intercambiador tiene suficiente área de transferencia para vaporizar todo el agua presente en la corriente que entra al intercambiador, en caso de presentarse problemas de operación.
Un punto importante a señalar, es que la cantidad de slop a procesarse estará limitada a la cantidad de sal presente en esas corrientes. Cantidades de sal mayores a 10 ² 30 ppm en la alimentación a los hornos, pueden resultar una coquificación prematura en los lo s tubos de los mismos y un aumento en el contenido de ceniza del coque.
3.4.8.- Sistema de Cortado de Coque
El agua utilizada para enfriar y cortar el coque en los tambores, se drena hacia las fosas de coque en donde por gravedad pasa a través de un separador/asentador con tres canales, colocado al final de cada fosa, hasta llegar al sumidero de agua limpia. Las bombas de agua líquida localizadas en estos sumideros, son usadas para enviar el agua al tanque de cortado. Las bombas son contraladas con interruptores de nivel automáticos de arranque y parada. Los finos de coque recolectados en los separadores/asentadores, son recogidos usando una grúa tipo t ipo cucharón.
El coque es removido de los tambores de coque durante la operación de decoquización. Esta operación consiste en hacer un hueco de 3 pies de diámetro aproximadamente, a través del tambor de coque y luego, cortar el coque en sucesivas capas de 12 a 18 pulgadas, comenzando por el tope y usando una herramienta especial de cortado con agua a alta presión. Cada tambor tiene una herramienta de cortado acoplada a un vástago o eje y una base colocada en el tope del tambor y que sirve como guía de la herramienta. El agua de alta presión es enviada a la estructura de coque por las bombas de cortado. Existe una válvula de tres vías a la descarga de la bomba de cortado que puede tener tres posiciones: desvío, prellenado y decoquización (totalmente abierta). Adicionalmente, existen válvulas remotas de bloqueo (válvulas de bolas) en cada unos de los tambores de coque.
3.4.9.- Sistema de Manejo de Coque dentro de la Unidad
El coque cortado sale por el fondo del tambor de coque, pasa a través de un ducto y cae a un tobogán que lo lleva hasta la fosa. El coque es removido de la fosa por una grúa (tipo cucharón). Esta grúa deposita el coque sobre una rejilla inclinada, la cual permite clasificar el coque antes de caer a la tolva. Los pedazos de coque mayores a 10 pulgadas de diámetro caerán de nuevo hacia la fosa, donde el cucharón de la grúa se usa para partir los pedazos grandes de coque. Desde la tolva, el coque pasa al alimentador de coque localizado en el triturador de coque, antes de ir a la banda transportadora que lleva el coque hacia el patio de almacenamiento.
3.5.- Variables de Operación
3.5.1.- Sección de Coquización
Las principales variables de proceso que afectan la operación y el rendimiento de productos en la reacción de coquización retardada son: la composición de la alimentación, la temperatura y tiempo de residencia en el horno, presión y tiempo de residencia en el tambor de coque.
a. Alimentación
La alimentación típica de la Unidad de Coquización Retardada, tiene un contenido de carbón residual (Carbón Conradson) entre 15 ² 25%.
Los rendimientos de coque, gases y productos líquidos son una función directa del contenido de carbón residual en la alimentación. A medida que el contenido de carbón aumenta, disminuye el rendimiento de productos líquidos y aumenta el rendimiento re ndimiento de coque y gases.
Los rendimientos de coque, gases y productos líquidos son una función directa del contenido de carbón residual en la alimentación. A medida que el contenido de carbón aumenta, disminuye el rendimiento de productos líquidos y aumenta el rendimiento de coque y gases.
En el CRAY, para la operación grado combustible, el contenido Conradson de la corriente de fondos de vacío puede variar entre 21.9% - 24% en peso y se obtiene un rendimiento de coque entre 31.5 ² 33.5% en peso. Es decir, el rendimiento de coque es equivalente a aproximadamente 1.4 veces el Concarbon presente en e n la alimentación.
b. Calidad del Coque
La calidad del coque es una función de las propiedades de la alimentación, así como de las condiciones de operación de los tambores de coque. Las diferencias que existen en la estructura del coque, dan lugar a la clasificación de cuatro tipos de coque: esponja, aguja, colmena y perdigón.
El coque sin refinar, es decir, sin calcinar o antes de otro procesamiento, se conoce como coque verde. Este coque se caracteriza por una más alta densidad y VCM (índice del materia volátil) que el coque refinado.
La cantidad de azufre presente en el coque, es función del contenido de azufre en la alimentación, el rendimiento de coque y la calidad del crudo. Típicamente, está en el orden de 40 a 50% más alta que la cantidad de azufre en la alimentación. Para el CRAY, el contenido de azufre del coque es de 28 ² 30% superior al de la alimentación.
c. Temperatura y Diferencial de Presión en los Hornos
Las temperaturas de salida y el diferencial de presión en los pases de los hornos deben ser cuidadosamente cuidadosamente controladas, con el fin de evitar la coquización co quización prematura prematura de los tubos del mismo.
A temperaturas menores de 920°F (operación grado combustible), se producirá un coque blando y con alto contenido de material volátil. Mientras que, a temperaturas superiores, se producirá un coque muy duro y difícil de remover de los tambores de coque con el equipo de cortado. Por otro lado, al operar con una alta temperatura a la salida de los hornos se limitará la corrida de la unidad, debido a la formación de capas de coque dentro de los tubos de los hornos.
El diferencial de presión a través de los hornos debe ser mantenido entre 400 y 500 psig (limitado por la presión de descarga de las bombas de alimentación), mediante la inyección de agua
de alimentación a calderas. Esto permite mantener una alta velocidad másica en los tubos y reducir el tiempo de residencia, con el fin de minimizar la formación de coque en los hornos.
d. Relación de Reciclo.
La relación de reciclo, se define como la relación entre el flujo de alimentación total del fondo del fraccionador principal a los hornos y el flujo de alimentación fresca a la unidad.
Esta relación es usada principalmente, para el control del punto final del gasóleo producido. Un incremento en ella, manteniendo constantes la presión y la temperatura, aumenta la producción de coque y gas a expensas de rendimiento de hidrocarburos líquidos. La unidad está diseñada para una unidad de reciclo de 1.1 en base al volumen.
e. Variable en los tambores de coque
Las reacciones de craqueo/polimerización que ocurren en los tambores de coque, son función de la temperatura, presión y tiempo de residencia a que está sometida la alimentación (fondos de vacío y lechada) proveniente de los hornos. Los fondos de vacío parcialmente craqueados a una temperatura de 920°F a la salida de los hornos, entran en fase mixta a los tambores de coque. El calor presente en el fluido, da lugar a las reacciones endotérmicas de craqueo y polimerización, y hace que la temperatura baje a 820°F en los vapores que salen por el tope del tambor.
- Presión en el tambor de coque
La presión en el tope del tambor de coque afecta la calidad del coque y el rendimiento de productos livianos y gasóleos. Un incremento en la presión del tambor, aumenta la producción de coque y mejora la calidad del mismo en términos de estructura, densidad y contenido de material volátil (VCM), mientras que disminuye el punto final del gasóleo pesado y aumenta la cantidad de C4 y gases más livianos producidos. También al aumentar la presión, disminuyen los rendimientos de pentanos y productos líquidos más pesados.
Puesto que el coque es un sub-producto del proceso, la presión de operación en el tambor de coque debe ser la más baja posible, dentro de las limitaciones de diseño de los equipos, con el fin
de maximizar el rendimiento global de productos líquidos. Esta presión está controlada por la presión en la succión del compresor.
La presión normal de operación en el tope del tambor de coque es de 20 psig para la operación grado combustible y 60 psig para la operación grado ánodo. Debe evitarse en todo momento, disminuciones rápidas o bruscas en la presión de operación del tambor, con el fin de evitar una expansión de la mezcla líquido/espuma presente sobre el lecho de coque y que sería arrastrada hacia el fraccionador.
- Temperatura del tope de tambor.
La temperatura de los vapores saliendo por el tope de los tambores, no puede ser controlada directamente. La misma, es una función del flujo y temperatura del efluente de los hornos entrando a los tambores, presión del tambor, velocidad de la reacción y eficiencia del aislamiento de los tambores.
La temperatura normal de operación de los vapores del tope del tambor de coque es de 820°F a 20 psig. En general, la temperatura de los vapores que salen por el tope de los tambores de coque está 100°F por debajo de la temperatura de salida de los hornos.
La temperatura de los vapores de los tambores de coque se usa como referencia para predecir el contenido de material volátil (VCM) o la dureza del coque. Si esta temperatura se mantiene alta, se producirá un coque con bajo VCM.
Es posible ejercer un control indirecto sobre esta temperatura, variando la temperatura a la salida de los hornos. Sin embargo, existe un límite en la máxima temperatura a la salida de éstos, para minimizar la posibilidad de coquización prematura de los tubos y de la línea de transferencia. Por lo tanto, la temperatura de salida de los hornos y de los vapores de los tambores de coque deben mantenerse en un rango estrecho de operación, es decir, con mínimas variaciones.
- Tiempo de residencia.
El tiempo que permanece el efluente de los hornos en los tambores de coque, determina cuáles son las reacciones de polimerización que pueden llevarse a cabo y la calidad del coque producido.
Los tambores de coque del CRAY, se diseñaron para llenarlos con coque hasta aproximadamente 15 pies de la tangente del tope del tambor. Si los ciclos de llenado son de 24 horas, el efluente del horno tiene un tiempo de residencia de 0 a 24 horas en el tambor, para que ocurran las reacciones de craqueo y polimerización.
Puesto que el tiempo de reacción varía a lo largo del tambor, existe una estratificación de coque de densidades diferentes entre el tope y el fondo del mismo. Por lo tanto, el coque con mayor densidad y tiempo de residencia, estará en el fondo del tambor.
La estructura y el contenido de materia volátil en el coque, también varía a través del tambor como una función del tiempo de residencia. Mejor estructura y menor contenido de materia volátil están asociadas con un tiempo de reacción más largo y una polimerización más completa.
- Inyección de HCGO a la línea de vapores de los tambores de coque.
En la línea de vapores del tope de cada tambor de coque hacia el fraccionador, se inyecta gasóleo pesado (HCGO), con el fin de enfriar los vapores a 800°F y minimizar la formación de coque en estas líneas. El HCGO es inyectado bajo control de diferencial de temperatura entre los vapores saliendo del tope del tambor y los vapores hacia la torre fraccionadora, aguas abajo de la inyección de HCGO. El diferencial de temperatura que se controla está en el rango de 20 ² 30°F, aproximadamente.
La cantidad de HCGO inyectada no debe ser excesiva, ya que al disminuir la temperatura de los vapores entrando a la torre fraccionadora, aumentará la cantidad de reciclo en el fondo de la misma. Un aumento en la relación de reciclo a los hornos, aumentará el rendimiento de gases y coque, y disminuirá el rendimiento de líquidos.
3.5.2.- Sección de Fraccionamiento
Las variables que aparecen a continuación, son los parámetros principales a controlar en la sección de fraccionamiento.
a. Temperatura de vapores del plato de HCGO
La temperatura de los vapores del plato de retiro de HCGO, controla el punto final de ebullición del gasóleo pesado producido (HCGO) y la tasa de reciclo. El reciclo, es definido, como el material presente en los vapores que salen por el tope de los tambores de coque y que tienen un punto final mayor al HCGO producido.
El punto final de ebullición del HCGO es, a presión constante, directamente proporcional a la temperatura de los vapores en equilibrio con el líquido en este plato. Una disminución en esta temperatura, bajará el punto final de ebullición del HCGO y aumentará el reciclo. Esta temperatura es controlada con la inyección de aceite de lavado (HCGO), proveniente de las bombas de reflujo.
Al variar la cantidad de reciclo se obtiene el mismo efecto sobre la distribución de los productos, que al variar la presión en los tambores de coque. Si el reciclo se aumenta, la producción de coque y gases aumenta y el rendimiento de líquidos disminuye. En general, la unidad debe operar a la más baja relación de reciclo posible, fijada por la calidad de los productos y limitaciones en los equipos. En el CRAY, la relación de reciclo es 1.1.
b. Reflujo lateral del HCGO
El principal objetivo del reflujo de HCGO, es remover calor del fraccionador. Con este reflujo se precalienta la alimentación al CRAY y se produce vapor de 400 psig en los generadores.
Este reflujo lateral opera bajo control de temperatura en el intercambiador y generadores de vapor respectivamente y bajo control de flujo que regresa al fraccionador. La interacción entre estos controladores, permite flexibilidad para mantener la temperatura de la corriente de alimentación, así como la cantidad de líquido que regresa a la torre como reflujo.
c. Temperatura del Tope.
El punto final de ebullición de los vapores de cabecera, depende de la temperatura del tope de la torre. Cuando aumenta esta temperatura, aumenta también el contenido de componentes más pesados en el vapor de cabecera, aumentando así el punto final de ebullición de la nafta.
Esta temperatura se controla ajustando el reflujo proveniente del tambor de cabecera de la torre fraccionadora principal.
d. Vapor de Despojamiento.
Se utiliza vapor de despojamiento en los despojadores de LCGO y HCGO, con el fin de remover componentes livianos presentes en estas corrientes y por lo tanto, aumentar el punto de inflamación de estos productos.
Sin embargo, debe evitarse un flujo excesivo de vapor de despojamiento, por cuanto éste aumentará la carga de los condensadores de cabecera, pudiendo afectar la operación de la torre fraccionadora.
3.5.3.- Sección de Livianos.
El objetivo de la sección de livianos es maximizar la recuperación de propano/propileno (C3·s) y butano/butilenos (C4·s) minimizar la cantidad de etano y componentes más livianos en las corrientes de C3·s/C4·s y estabilizar y fraccionar la nafta producida.
Las variables que aparecen a continuación, son los parámetros principales que afectan la operación de la sección de livianos.
a. Presión en la Torre Absorbedora Primaria y en la Absorbedora
La presión en la absorbedora primaria y en la absorbedora están fijadas por el control de presión localizado en la línea de los gases del tope de la torre depuradora de gas. Un aumento en la presión de estas torres, aumenta la recuperación de hidrocarburos, pero disminuye la capacidad del compresor.
Por lo tanto, la presión debe mantenerse lo más baja posible (mínima presión controlable), para minimizar el consumo de energía del compresor. En la medida en que se reduce la presión,
será necesario aumentar el flujo de nafta pobre y aceite pobre, a las torres despojadoras a fin de minimizar las pérdidas de C3+ hacia el gas de combustible.
La presión mínima de operación está determinada, bien sea por las máximas pérdidas aceptables de C3+, por la hidráulica de la unidad.
b. Flujo de nafta pobre
Para absorber principalmente los C3·s y C4·s presentes en el gas rico que pasa a través de la torre absorbedora primaria, se utiliza una mezcla de nafta inestable del tope del tambor de cabecera de la fraccionadora y nafta debutanizada fría, proveniente del fondo de la torre debutanizadora. Esta corriente se conoce con el nombre de corriente pobre.
Un aumento en el flujo de nafta pobre, aumenta la eficiencia de la absorción y por lo tanto, se podrá recuperar más cantidad de C3·s y C4·s. Si la alimentación a la absorbedora primaria aumenta, será necesario aumentar el flujo de nafta pobre para mantener el nivel deseado de recuperación de hidrocarburos.
c. Flujo de Aceite Pobre.
Una corriente de gasóleo liviano sin despojar es usada como aceite pobre en la torre absorbedora para recuperar principalmente la nafta presente en la corriente del tope de la absorbedora primaria, antes de enviar este gas al depurador de gas y después, al sistema de gas combustible de la refinería.
Un aumento en el flujo de aceite pobre, aumenta la eficiencia de la absorción. Si la alimentación a la torre aumenta, será necesario aumentar el flujo de aceite pobre para mantener el nivel deseado de recuperación de hidrocarburos.
d. Temperatura de las Corrientes de Nafta y Aceite Pobre.
Una disminución en la temperatura de las corrientes de nafta y aceite pobre, también aumenta la eficiencia de la absorción.
En esta unidad, la nafta y el aceite pobre intercambian calor con otras corrientes del proceso y luego son enfriadas con aire y agua salada. La temperatura de estas corrientes dependerá de las variaciones de flujo de las mismas y de las temperaturas del agua y aire usados para su enfriamiento.
e. Temperatura del Plato N°3 de la Torre Despojadora.
La función de la torre despojadora, es despojar de etano y componentes más livianos que están presentes en la mezcla de gas/nafta que se alimenta a esta torre.
El control de la temperatura del plato N°3 de la torre, fija el flujo de vapor de 400 psig en el rehervidor superior, retirando condensado del mismo. Esto permite controlar la cantidad de calor suministrado a la torre, para el despojamiento de etano y componentes más livianos del fondo de la misma.
Para lograr este objetivo, el punto de ajuste del control de temperatura es fijado por un esquema de control supervisorio, que además toma en cuenta las variaciones en la carga a la torre, para ajustar el calor requerido. En caso de indisponibilidad del sistema de control supervisorio, el modo de falla provisto permitirá controlar el flujo de vapor en cascada con temperatura.
Un aumento en la temperatura del rehervidor, permitirá obtener un mayor despojamiento. Esta temperatura deberá ser ajustada para cumplir la especificación de etano y más livianos en las corrientes de C3/C4 en los vapores de cabecera de la absorbedora primaria, hacia el sistema de gas de refinería.
f. Temperatura de la Torre Debutanizadora
La función de la torre debutanizadora, es removerlos C3·s y C4·s por el tope como una corriente líquida y estabilizar a corriente de nafta que sale por el fondo.
La temperatura de tope de la debutanizadora, determina el contenido del componente clave (C5+) en el producto de tope. El punto de ajuste del control de la corriente de reflujo a la torre, es fijado por un esquema de control supervisorio, para garantizar esta especificación. En caso de
disponibilidad del sistema de control supervisorio, se controlará el reflujo en cascada con temperatura.
Un aumento en la temperatura del tope, aumenta el contenido de C5·s en la corriente del tope. Una disminución en esta temperatura, disminuye el contenido de C4·s en la misma corriente.
g. Temperatura N° 3 de la Torre Debutanizadora.
El control de temperatura en el plato N°3 de la torre debutanizadora, fija el flujo de vapor de 400 psig en el rehervidor, retirando condensado del mismo. Esto permite controlar la cantidad de calor suministrado a la torre.
Un aumento en la temperatura del rehervidor, disminuye el contenido de C5 en el producto de fondo. Una disminución en esta temperatura, origina un aumento en el contenido de C4·s en la corriente del fondo de la torre.
La temperatura del plato N°3 deberá ser ajustada, para cumplir con la especificación de C4·s en la corriente de nafta estable que sale por el fondo de la debutanizadora. Para lograr este objetivo, el punto de ajuste del control de temperatura es fijado por un esquema de control supervisorio, que además toma en cuenta las variaciones en la carga a la torre, para ajustar el calor requerido. En caso de indisponibilidad del sistema de control supervisorio, se controlará el flujo de vapor en cascada con temperatura.
h. Fraccionadora de nafta.
El objetivo de esta torre es separar la corriente de nafta estable proveniente de la torre debutanizadora, en nafta liviana y nafta pesada.
La temperatura de tope de la fraccionadora de naftas, determina el punto de corte de la nafta liviana (producto de tope). El punto de ajuste del control de la corriente de reflujo a la torre, es fijado por un esquema de control supervisorio, para contribuir a controlar esta especificación. En caso de indisponibilidad del sistema de control supervisorio, se controlará el reflujo en cascada con temperatura.
El control de temperatura del plato N°3 de esta torre, fija el flujo de vapor de 400 psig en el rehervidor, retirando condensado del mismo. Esto permite controlar la cantidad de calor suministrado a la torre.
Normalmente, la torre se mantendrá trabajando bajo las condiciones requeridas para obtener una nafta liviana con un punto final de ebullición en especificación.
i. Torre Separadora C3/C4
El objetivo de esta torre es separar la corriente de C3/C4 proveniente de la torre depuradora de LPG, en una corriente de C3·s por el tope y otra de C4·s por el fondo.
La temperatura de tope de la separadora C3/C4, determina el contenido de componente clave pesado (C4) en el propano (producto de tope). El punto de ajuste del control de la corriente de reflujo a la torre, es fijado por un esquema de control supervisorio, para garantizar esta especificación. En caso de indisponibilidad del sistema de control supervisorio, se controlará el reflujo en cascada con la temperatura.
El control de temperatura del plato N°3 de esta torre, fija el flujo de vapor de 145 psig en el rehervidor, retirando condensado del mismo. Esto permite controlar la cantidad de calor suministrado a la torre.
Si la temperatura en el plato N°3 es muy baja, aumentará el contenido de C3 en el producto de fondo. En caso, contrario, si la temperatura es demasiado alta, se arrastrará más C4 a la cabecera, a menos que se aumente el reflujo de la torre.
La presión del tope es una variable que normalmente no se utiliza como variable de proceso. Sin embargo, su límite inferior está determinado por la presión requerida para mantener la cabecera en fase líquida y evitar la pérdida de C3 hacia el sistema de gas combustible.
j. Torre Depuradora de Gas y Depuradora de LPG
La torre depuradora de gas, tiene como objetivo absorber el H2S presente en la corriente de gas proveniente del tope de la absorbedora, antes de enviarlo al sistema de gas combustible.
La torre depuradora LPG tiene como función absorber el H2S presente en la corriente C3/C4 antes de ser enviada a la torre separadora C3/C4. En ambas torres se utiliza una solución de MEA al 20% en peso, proveniente de las unidades regeneradoras de MEA de la refinería.
La absorción del H2S depende del flujo y del mol/mol de MEA pobre. Al aumentar este flujo, se aumenta la absorción de H2S en la torre. Sin embargo, este flujo está limitado por la hidráulica del depurador y la válvula de control del flujo de MEA pobre al mismo. Si el mol/mol de la MEA pobre excedente el valor típico de 0.05 mol H2S/mol MEA se requerirá aumentar el flujo de MEA pobre a la torre, para poder retirar la misma cantidad de H2S.
Adicionalmente, se requiere operar por encima del flujo mínimo de MEA pobre al depurador, con el fin de no exceder 0.30 mol H2S/mol de MEA en la corriente de MEA rica que sale por el fondo del depurador. Esta corriente es enviada a las unidades de regeneración de MEA de la refinería, y si presenta una relación mol/mol mayor de 0.4 puede generar potenciales problemas de corrosión.
3.5.4.- Sección de Recuperación de Vapores
La principal variable que afecta la operación de la sección de recuperación de vapores es la temperatura de la torre.
La corriente proveniente de los tambores pasa a través de la torre, si la temperatura está por encima de 350°F. Si esta temperatura es menor, se desvía de la torre y se envía directamente a los enfriadores de tope y luego al tambor de cabecera. Esto es con el fin de evitar condensación de agua y formación de una emulsión con aceite dentro de la torre.
En esta torre existe también una recirculación del fondo hacia el tope de la misma. Esta recirculación pasa por un enfriador bajo control de temperatura y es enviada a la torre bajo control de flujo.
4.- FLEXICOKING
El proceso de flexicoking esta basado en la desintegración térmica severa que convierte la fracción más pesada del crudo (fondo de la torre de vacío) en productos de mayor valor comercial (gases, olefinas, nafta, gasóleo, lechada y coque). A diferencia de otros procesos de coquización, el flexicoking gasifica entre 88 ² 92% peso del coque producto del craqueo térmico, obteniéndose el gas de bajo poder calorífico (Flexigas).
Debido a que la única unidad de flexicoking que se encuentra instalada en el país, está ubicada en la refinería de Amuay del Centro Refinador Paraguaná, toda la información ilustrada en las siguientes páginas son referidas a dicha planta.
4.1.- Visión general
La unidad de flexicoking dela refinería de Amuay (FKAY), tiene como finalidad procesar una mezcla de fondos de vacío provenientes de las torres de vacío existentes en la refinería.
En la siguiente figura se muestra un diagrama de flujo simplificado del proceso de flexicoking. La unidad consta de un reactor de lecho fluidizado, un depurador ubicado en el tope del reactor, un calentador, un sistema de cabecera, un gasificador, un sistema de fraccionamiento de los hidrocarburos livianos que salen por el tope del reactor y un sistema de manejo de coque.
Unidad de Flexicoking
El residuo alimentado a 316 ² 327°C es inyectado al reactor donde es térmicamente craqueado, típicamente a 519°C, para obtener productos de mayor valor agregado. El calor sensible, el calor de vaporización y el calor necesario para llevar a cabo la reacción endotérmica de craqueo del residuo alimentado es proporcionado por la corriente de coque caliente que proviene del calentador. Los vapores de hidrocarburos resultantes de las reacciones de craqueo son enfriados en el depurador, las fracciones más pesadas se condensan formando una corriente de hidrocarburos con partículas de coque (lechada). Las fracciones livianas provenientes del depurador son enviadas a un sistema de fraccionamiento donde son separadas para obtener gasóleo pesado, gasóleo liviano, nafta pesada, nafta liviana, olefinas y gases.
Coque fluidizado circula desde el reactor hacia el calentador, donde es calentado por el coque y el gas que provienen del gasificador. Una corriente de coque es enviada desde el
calentador al gasificador donde reacciona a elevadas temperaturas (816 ² 982°C) con aire y vapor para formar una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono, nitrógeno, dióxido de carbono, agua y pequeñas cantidades de sulfuro de carbonilo (COS). Esta mezcla gaseosa de bajo poder calorífico llamada flexigas, se retorna al calentador y es enfriada por coque frío proveniente del reactor, proporcionando de esta manera una porción del requerimiento calórico del reactor. El restante de dicho requerimiento lo entrega una corriente de coque que va desde el gasificador hacia el calentador.
El gas de bajo poder calorífico que sale por el tope del calentador, es usado para generar vapor de alta presión, antes de pasar por el ciclón terciario para remover la partículas de coque arrastradas. Las partículas finas que permanecen en el gas al salir del ciclón terceario son removidas en un depurador venturi, después de una etapa adicional de enfriamiento. El gas libre de sólidos es enviado hacia la unidad de acondicionamiento de flexigas (LFAY) para remover el H2S.
4.2.- Secciones de la unidad flexicoking
4.2.1.- Sección alimentación, lechada, reactor y depuración.
La sección de alimentación y lechada está constituida por un tambor de alimentación , un tren de precalentamiento, (brea/lechada), dos generadores de vapor con lechada y los hidrociclones.
La función primordial es alimentar el fondo de vacío a las condiciones apropiadas de presión y temperatura para obtener una buena atomización y distribución evitando crecimiento acelerados de la pared de coque y aglutinamiento en el reactor.
Además, el enfriamiento de la lechada se logra removiendo el calor utilizando los precalentadores de alimentación, los generadores de vapor de 4238kPa o introduciendo brea fresca al sistema de lechada (operación comb-coquer) permitiendo mantener subenfriada la piscina del depurador, evitando así las reacciones de craqueo indeseadas.
Por último, la depuración de la lechada en los hidrociclones la acondiciona para procesarla en las plantas de destilación al vacío o enviarla al sistema de combustible pesado de alto contenido de azufre (C. P. A. A.).
Es en esta sección donde se definen los diferentes modos de operación de la unidad de flexicoking. Los modos de operación son los siguientes: Modo de un solo paso con hidrociclones: La lechada producto proveniente de la piscina del depurador es procesada en los hidrociclones para la remoción del 90% en peso del coque contenido en la misma. Estos equipos pueden depurar en operación normal 60 ² 80% en volumen de la corriente de lechada retornando el fondo concentrado en sólidos al reactor y enviando la corriente de tope (lechada producto) al sistema de almacenamiento del combustible pesado de alto azufre. Este modo de operación fue instalado en 1990 y permitió que la cantidad de alimentación se incrementara a 64MBD con un carbón conradson de 23.5%.
Modo reciclo total: La lechada proveniente de la piscina del depurador es retornada al reactor para craquearlo térmicamente hasta convertirlo en material más liviano y coque. Este modo de operación permitió procesar una alimentación más pesada que la establecida por diseño. El carbon Conradson de diseño era de 20.5% y una capacidad de 52MBD, con este modo de operación se pudo procesar un residuo de vacío con un carbón Conradson de 23.5%, pero la capacidad de producción se vio disminuida a 44MBD.
Modo integración con plantas de vacío: La lechada depurada en los hidrociclones es enviada a las torres de vacío para extraer los componentes livianos de la misma.
Modo de operación Comb-coquer: Parte de la alimentación fresca se envía directamente al fondo del depurador para enfriar la piscina por contacto directo.
La sección de reacción y depuración constituye la parte primordial del proceso de flexicoking. La alimentación total (fresca y reciclo) es bombeada al reactor, bajo control de presión hasta un sistema de aros donde se atomiza la brea con vapor de 4238kPa a través de las boquillas de alimentación. La alimentación para la unidad de flexicoking se toma de las torres al vacío existente en las instalaciones. Normalmente, consiste en 64MBD con un número de carbón Conradson de 23% en peso.
La alimentación fresca proveniente de las torres de vacío existentes entran a un tambor de alimentación a aproximadamente 515kPa y 204 ² 216°C. De este tambor, los fondos de vacío son enviados a través de bombas de alimentación a los intercambiadores de alimentación / reciclo de lechada, donde la temperatura de alimentación es aumentada entre 321 ² 329°C. La alimentación de reciclo proveniente del depurador se mezcla con la brea proveniente de los intercambiadores en la línea de succión de las bombas de relevo.
La alimentación total del reactor (fresca más reciclo) es bombeada con estas bombas de relevo, bajo control de presión, hasta un sistema de 6 anillos de alimentación del reactor. Se ha incluido un total de 100 boquillas, de las cuales el 50% son auxiliares.
La función del reactor es la de producir el craqueo o rompimiento de las moléculas de hidrocarburos contenidos en la alimentación total para obtener compuestos más livianos y carbón.
El craqueo térmico de la alimentación ocurre en la superficie de las partículas de coque fluido caliente a 518 ² 519°C. Las reacciones de craqueo producen coque que se deposita sobre las partículas de coque e hidrocarburos más livianos, los cuales se vaporizan. Los gases, junto con una cierta cantidad de alimentación vaporizada no craqueada (reciclo), pasan a través de los ciclones del reactor que extraen las partículas de coque arrastrado, antes de que los gases entren al depurador. Coque de abrasión es introducido en la fase diluida para evitar la condensación de los gases de hidrocarburos.
El calor necesario para las reacciones de craqueo y el calor sensible para la alimentación se suministran circulando coque a 621°C entre el calentador y el reactor por la línea de circulación de coque caliente. El coque desciende por el lecho fluido del reactor debido a la reacción de craqueo, la cual hace que se deposite coque adicional sobre las partículas. Los hidrocarburos no craqueados son despojados de las partículas de coque utilizando vapor de agua en la sección de despojamiento del reactor; luego, el coque retorna al calentador por la línea de coque frío. El coque del reactor es fluidizado por la introducción del vapor de despojamiento y los vapores de hidrocarburos producto de la vaporización de la brea y el craqueo térmico.
El coque de abrasión se introduce a la fase diluida para evitar la condensación de los gases de hidrocarburo y la formación de coque de pared de los ciclones. Los gases del reactor entran al depurador a través de un conjunto de cuatro ciclones. En el depurador, los gases del reactor son enfriados hasta 388 ² 393°C, y el reciclo es condensado. Los gases de hidrocarburos pasan luego a través de la sección de lavado de Glitsch, donde son nuevamente enfriados y depurados de toda partícula de coque fino con aceite de lavado proveniente del fondo del fraccionador. El producto de cabecera del depurador es enviado a la sección de fraccionamiento para continuar su procesamiento.
Una corriente de lechada se retira del depurador, es filtrada en unos coladores y bombeada por las bombas de reciclo de lechada. La descarga de estas bombas se divide en dos corrientes; una es dirigida a la alimentación del reactor; y la otra está compuesta por el reciclo lateral que precalienta la alimentación en los intercambiadores alimentación / reciclo de lechada, y genera vapor de 4238kPa en otro intercambiador. El reciclo de lechada retorna al depurador en tres ubicaciones diferentes para controlar la temperatura de la torre.
Desde el punto de vista de proceso, el depurador es la zona de vaporización instantánea y la etapa inicial de reflujo del fraccionador. Las funciones principales de este equipo que se efectúan sobre la corriente de hidrocarburo proveniente del reactor son remoción de calor, fraccionamiento y remoción de partícula.
Por lo tanto, el depurador puede dividirse en cuatro secciones,
Piscina: Lugar donde se almacena y sub-enfría el líquido condensado a una temperatura inferior a los 382°C para evitar el craqueo térmico y la formación de coque.
Espacio vacío: Sección ubicada entre la piscina y los deflectores (sheds) del depurador donde la velocidad de los gases es alta, contribuyendo a la remoción de una gran cantidad del calor total. Sin embargo, la transferencia de masa es pobre debido al poco tiempo de contacto.
Deflectores (Sheds): Está constituido por cinco filas de láminas en ángulo para proveer la superficie de transferencia de calor y mejorar el contacto entre los vapores del reactor y el reflujo de líquido.
Malla de tope: Una sección de lavado es provista en el tope del depurador para una final remoción de sólidos, eliminación de arrastre de líquido y algo de fraccionamiento. Una corriente de reflujo proveniente del fondo del fraccionador es usada como aceite de lavado.
La remoción de calor en el depurador se realiza para enfriar los vapores y terminar las reacciones de craqueo. Los medios utilizados para la remoción de calor en el depurador son:
Precalentamiento de la alimentación y generación de vapor con la lechada reciclada.
Introducción de alimentación fresca directo a la piscina del depurador (operación combcoquer).
Vaporización del aceite de lavado en la malla de tope retornándolo al fraccionador.
A continuación se muestra un diagrama simplificado de esta sección,
Sección de alimentación, lechada y reactor
4.2.2.- Sección de fraccionamiento
La función del fraccionador es separar los productos de la conversión térmica en los cortes deseados para su posterior tratamiento. La operación es comparable a una torre atmosférica, siendo las corrientes recuperadas las siguientes:
Nafta de cabecera, la cual es parcialmente recuperada en el sistema de tope del fraccionador para utilizarla como reflujo a la torre. El producto total de cabecera es procesada en la sección de livianos para obtener gas de refinería, C3 producto, C4 producto, nafta liviana y nafta pesada del flexicoking.
Gasóleo liviano del flexicoking, el cual es enviado para la unidad de hidrotratamiento para desulfuración y estabilización.
Gasóleo pesado del flexicoking, enviado a hidrotratamiento para desulfuración. La fracción pesada de esta corriente debe controlarse para proteger el catalizador de las unidades de hidrotratamiento del mayor contenido de metales y carbón Conradson en estas fracciones.
Aceite de lavado, utilizada como reciclo desde el fondo del fraccionador a la malla ubicada en el tope del depurador.
Sección de fraccionamiento
4.2.3.- Sección de livianos
Esta sección está compuesta por un compresor centrífugo a turbina y ocho columnas de destilación que procesan los productos de cabecera del fraccionador, separándolos en gas combustible, olefinas y productos pesados. Uno de los objetivos del diseño consiste en maximizar la recuperación de C3 y C4, en tanto que simultáneamente se descartan el etano y materiales más livianos hacia el sistema gas combustible. Los materiales más pesados que el butano se separan en dos corrientes:
Nafta pesada del flexicoking, la cual es hidrodesulfurada para luego ser enviada al fraccionador de nafta existente, a fin de continuar su procesamiento.
Nafta liviana del flexicoking, la cual es endulzada por medio del procesamiento Merox, para luego ser enviada al mezclador de gasolina de motor (MOGAS).
Sección de livianos
4.2.4.- Calentador, elutriador y manejo de coque
El calentador opera aproximadamente a 621°C y 335.77kPa. El coque frío proveniente del reactor entra a la fase densa del calentador, donde es calentado por el gas de cabecera caliente del gasificador (flexigas) y por la circulación de coque a 954°C proveniente del mismo recipiente por rebose.
Aunque la función primordial del calentador consiste en actuar como intercambiador de calor y recipiente de compensación, algunas reacciones ocurren en el mismo en mayor o menor grado. Las reacciones en el calentador son de combustión de gas y no de coque. Esto es debido a que las reacciones en la fase gaseosa son más rápidas que las reacciones gas ² sólido. Por esto, el aire caliente en el calentador se consume completamente reaccionando con el flexigas.
El aire del calentador se utiliza para mantener la temperatura en dicho equipo entre 618 ² 621°C. Normalmente, un 10% del aire total usado en la unidad es requerido en el calentador para cumplir con el balance de calor.
El gas de bajo poder calorífico (flexigas) sale del calentador a través de dos etapas de ciclones (ubicados dentro del calentador) que extraen la mayor parte del coque arrastrado. Luego, el gas es enfriado hasta 182°C por medio de la generación de vapor de 4238kPa en los generadores de vapor, y en los precalentadores del agua de alimentación de calderas de 5962kPa (dos corrientes paralelas). Posteriormente las dos corrientes entran al ciclón terciario, el cual cuenta con doce ciclones de una etapa, destinados a recuperar finos de coque adicional. El coque es extraído de este recipiente, bajo control de nivel y es transferido neumáticamente a las torres del sistema de segregación. Las torres pertenecientes al sistema de segregación, cumplen con la función de remover el coque del aire de transporte introduciendo agua y formando una corriente de coque en suspensión que finalmente es enviada al sistema de manejo de coque.
La temperatura de salida de la cabecera del ciclón terciario se mantiene a 182°C, a fin de evitar la condensación del agua y variaciones de presión en la unidad flexicoking. Los finos de coque restantes contenidos en el flexigas se extraen por impacto con agua en los depuradores venturi. El agua con sólidos es separada del flexigas en el fondo del tambor por efecto ciclónico. Tanto el lodo obtenido de los ciclones, como el del despojador, son enviados al sistema de manejo de coque en suspensión para su acondicionamiento en forma de torta o laja para la venta.
El elutriador es el recipiente donde se enfría el coque retirado, por control de nivel, del calentador con agua y vapor. Este enfriamiento por contacto directo acondiciona la temperatura del coque para enviarlo a los silos de lecho por medio de transporte neumático en fase diluida. Posteriormente, estos silos son vaciados alternamente para disponer finalmente el coque en supersacos, para su posterior comercialización y/o almacenamiento en las celdas destinadas para tal fin. La cantidad producida, a 64MBD de alimentación fresca al flexicoking y carbón Conradson entre 23 ² 24% en peso, está entre 300 ² 400 toneladas métricas por día.
Calentador, elutriador y manejo de coque
4.2.5.- Gasificador
Este equipo tiene como función gasificar el coque que proviene del calentador, esto se logra haciendo reaccionar el coque con aire y vapor a elevadas temperaturas (816 ² 982°C) para formar una mezcla de hidrógeno (H2), monóxido de carbono (CO), nitrógeno (N2), dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y pequeñas cantidades de sulfuro de carbonilo (COS). Esta mezcla de bajo poder calorífico es denominada flexigas.
El flexigas proveniente del gasificador a 843°C es distribuido en el calentador a través del Wagon Wheel, el cual posee seis brazos de distribución (Spokes). Además, la corriente de flexigas efluente es depurada del contenido del coque utilizando 20 ciclones primarios y 20 ciclones secundarios los cuales están ubicados en la fase diluida del recipiente.
Una corriente de coque caliente proveniente del gasificador es devuelta al calentador a través de la línea de rebose del gasificador. Esta corriente suministra parte del calor necesario para mantener el balance térmico en el calentador.
Gasificador
4.3.- Variables de operación
Son diversas las variables de operación que afecta el rendimiento de la unidad de flexicoking, ya que para cada recipiente existen múltiples factores que afectan a esa sección en
especial. Sin embargo, se puede citar las variables que tienen mayor efecto sobre el rendimiento de los productos.
Temperatura: Un incremento en la temperatura del reactor aumenta el rendimiento del gas, nafta y coque, pero disminuye la producción de gasóleo. En general, un craqueo térmico muy severo aumenta el contenido de compuestos insaturados en todos los productos y por lo tanto exigen más hidrodesulfuración.
Contenido de Carbón Conradson: Este determina directamente el rendimiento y los costos del proceso, donde un aumento de éste, aumenta la cantidad de gas de coque que se produce y disminuye el rendimiento de líquido, por lo tanto los costos de operación aumentan por un mayor consumo de voltaje para el compresor de aire del proceso.
4.3.1.- Reactor
Temperatura: Un aumento de la temperatura del reactor incrementa el rendimiento del gas, nafta y coque, pero disminuye la producción de gasóleo. La nafta obtenida a alta temperatura es de mayor octanaje pero de menor estabilidad.
Contenido de Carbón Conradson: El incremento provoca el aumento de la cantidad de gas de coque producido y disminuye el rendimiento de líquido. Los costos de operación se elevan debido al mayor consumo de energía que tiene el compresor de aire.
Aglutinamiento: Se refiere al crecimiento del tamaño de las partículas de coque debido a la unión de unas con otras. Este término se utiliza para describir la defluidización del lecho de un reactor de coquización cuando se introduce alimentación a la superficie de las partículas de coque más rápidamente de que puede extraerse por craqueo o vaporización. En pocas palabras, es causado por el caudal excesivo de la alimentación. Si se tiene una elevada temperatura se podrá incrementar dicho caudal, sin embargo esta acción hace que disminuya la temperatura. También se debe tener en cuenta que a mayor carbón Conradson, más limitada es el caudal de alimentación. Por otra parte, a mayor circulación de coque mayor alimentación fresca se podrá introducir.
Tamaño de partícula: Es deseable un diámetro pequeño para ofrecer mayor superficie activa, ya que sobre la superficie de estas partículas es donde ocurre el craqueo térmico.
A continuación se muestra unas tablas que ilustran las condiciones de operación del reactor y el depurador de la unidad de flexicoking,
Tabla N. 4.3.1.1: Reactor
|Característica
|Diseño
|Temperatura de la fase diluida (°C) | |Presión de la fase diluida (kPa) |
|Expansión |527
|527 ² 538
|184.09
|Temperatura del lecho denso (°C) |
|204.77 ² 225.56
|518
|Vapor de despojamiento (kg/h) |
|
|518 ² 519
|27215.54
|27215.54
|Vapor de atomización de la alimentación (kg/h) |
|4182.12
|
|Caudal de circulación de coque frío (TC/min) |
|71.4
|
|Caudal de circulación de coque caliente (TC/min) |
|63.1
|
|6.3
|
|Expansión
|
|Caudal de circulación de coque de abrasión (TC/min) |
Tabla N. 4.3.1.2: Depurador |Característica |Temperatura de cabecera (°C) | |Aceite de lavado del fondo del fraccionador (MBD) 23 |
|Diseño |404
|388 ² 393 |12.79
|20 ²
4.3.2.- Calentador
La variable que más se controla en este equipo es la temperatura, y este control se logra a través de la inyección de aire al mismo. A continuación se presentan unas tablas que ilustran las condiciones de operación del calentador y del elutriador,
Tabla N. 4.3.2.1: Calentador
|Característica
|Diseño
|Temperatura de la fase diluida (°C) | |Presión de la fase diluida (kPa) |
|Expansión
|
|593
|621
|313.71
|335.77
|Caudal de coque al gasificador (TC/min) |
|9.2
|
|Caudal de coque del gasificador (TC/min) |
|4.4
|
Tabla N. 4.3.2.2: Elutriador |Característica
|Diseño
|Temperatura del coque retirado (°C) | |Caudal de coque al sistema de coque sólido (Ton/día) |
|Expansión |177
|
|177 ² 204
|60
|70 ² 90
4.3.3.- Gasificador
Los factores que afectan al gasificador son los siguientes:
Velocidad de gasificación: La velocidad de gasificación del coque se ve afectada por los siguientes factores:
- La gasificación del aire es muy veloz y altamente exotérmica. La reacción genera el calor requerido por las reacciones de coquización. - La gasificación con vapor es lenta, muy endotérmica. El caudal de vapor afecta la dosificación, un aumento del caudal de vapor aumentará la velocidad de reacción. - Un aumento de la temperatura aumentará la velocidad de gasificación del coque. - El contenido metálico del coque aumenta la gasificación, ya que los metales actúan como catalizadores de las reacciones de gasificación, por lo tanto aceleran el proceso.
Balance de calor: El balance de calor de la unidad debe mantenerse para que opere eficientemente y es afectado por:
- Caudal de aire al gasificador: Este genera calor, aumenta la velocidad de gasificación y la temperatura del gasificador. - Caudal de vapor al gasificador: Un aumento del caudal de vapor aumentará la velocidad de gasificación y consumirá calor puesto que las reacciones de gasificación con vapor son endotérmicas.
Balance de coque: Todo cambio en el balance de coque es indicado por un cambio de nivel del calentador, pero este cambio es lento y puede deberse a otros factores tales como un cambio de la velocidad de fluidización en uno de los recipientes.
A continuación se presenta una tabla con las condiciones de operación del gasificador,
Tabla N. 4.3.3.1: Gasificador |Característica |
|Diseño
|Temperatura de la fase diluida (°C) | |Presión de la fase diluida (kPa) | |Vapor de proceso (kg/h) 54431.1 |
|885
|954
|335.77
|370.25
|55791.86
|Caudal de gas de cabecera del gasificador (MMm3/día) |12.686 ² 14.158 | |Aire de proceso (MMm3/día) |
4.4.- Química del proceso
4.4.1.- Reactor
|Expansión
|40823.3 ² |12.686
|8.042
|7.646 ² 9.061
La coquización es un proceso de conversión térmica que permite básicamente convertir una corriente de residuos o fondos de vacío en productos de más alto valor comercial, y en una cierta cantidad de coque en la que se concentran gran parte de los metales y el azufre de la alimentación.
La cantidad de coque producida depende del contenido de carbón Conradson de la alimentación de hidrocarburos.
A nivel molecular, el craqueo térmico implica la descomposición térmica de grandes moléculas (con un punto de ebullición más alto que la gasolina) en moléculas más pequeñas. El flexicoking de fondos de vacío es una versión más severa del proceso de craqueo térmico.
En general, los mecanismos de conversión que se dan dentro del reactor de flexicoking son los mecanismos de craqueo térmico, y los mecanismos de formación de coque. A continuación se describirá brevemente cada uno de ellos.
4.4.1.1.- Mecanismos de reacción
Mecanismo del craqueo térmico
Las reacciones que tienen lugar en un reactor de coque pueden explicarse por el mecanismo de reacción en cadena de radicales libres. Un radical libre es un átomo o grupo de átomos que poseen un electrón libre (no apareado). Los radicales libres de hidrocarburos se forman por la escisión hemolítica de primer orden de un enlace carbono ² carbono o de un enlace carbono ² hidrógeno.
Los enlaces carbono ² hidrógeno son más cortos, y por lo tanto más fuertes, que los enlaces carbono ² carbono. Resulta evidente que un hidrocarburo parafínico experimentará una escisión carbono ² carbono con mucha mayor facilidad que una escisión carbono ² hidrógeno. Además, las distintas energías de enlace carbono ² carbono son lo suficientemente cercanas como para que se observe poca discriminación en la ruptura de los tres tipos de enlace. A las temperaturas tan elevadas a las que opera una unidad de flexicoking, todas las reacciones posibles ocurren en mayor o menor grado.
Las energías de enlace relativas determinarán los enlaces que se rompan. Para los enlaces carbono ² hidrógeno estas energías fueron ilustradas en la figura anterior; para los enlace carbono ² carbono estas energías son:
|Tipo de enlace |
|Estructura
|Energía (kcal/mol)
|Terminal |
|R-CH2-CH3
|79
|Secundario |
|R-CH2-CH3
|75
|Terciario |
| |R-CH-CH2-R
R
|74 |
| |
Dado esto, resulta evidente que un hidrocarburo parafínico experimentará una escisión carbono ² carbono con mucha mayor facilidad que una escisión carbono ² hidrógeno; y esto es debido a que los enlaces carbono ² hidrógeno son más cortos (1.09A) que los enlaces carbono ² carbono (1.54A).
Los radicales libres son altamente reactivos y participan en una serie de reacciones que en gran medida determinan la distribución de productos en el craqueo térmico.
El radical libre puede reaccionar con un hidrocarburo extrayendo un átomo de hidrógeno para producir un radical libre de ese hidrocarburo y un nuevo hidrocarburo correspondiente al radical libre original.
Debido a la menor fuerza del enlace carbono ² hidrógeno secundario, el nuevo radical libre se formará en un átomo de carbono interno.
Un radical libre secundario puede experimentar una escisión beta para producir una olefina alfa y un radical libre primario,
El radical libre primario se degradará a su vez en etileno y otro radical libre primario. La escisión beta explica la gran cantidad de etileno y olefinas alfa producidas por el craqueo térmico de hidrocarburos parafínicos, o de alimentación con un alto contenido de hidrocarburos parafínicos.
Luego, se puede producir la unión de dos radicales libres para dar un hidrocarburo saturado, deteniendo así la reacción en cadena.
Sin embargo, esta última reacción no es demasiado importante puesto que bajo las condiciones de craqueo hay mucho más hidrocarburos saturados que radicales libres. Por lo tanto, la reacción con un hidrocarburo es mucho más probable que la reacción con otro radical libre.
Una característica significativa y propia de los radicales libres de hidrocarburos es su incapacidad de isomerizarse mediante la migración de un grupo alquil. En consecuencia, el craqueo térmico no produce ninguna ramificación que no este ya presente en la alimentación.
En los radicales libres, el electrón no apareado no cambia de un átomo de carbono al siguiente en la cadena. La única migración de un átomo de hidrógeno que ocurre, es el caso en donde los radicales libre primarios son los suficientemente largos que pueden enrollarse y extraer un átomo de hidrógeno para formar radicales libres internos. Este tipo de reacción produce una menor cantidad de etileno y un mayor rendimiento de olefinas con un punto de ebullición ubicado en el rango de la gasolina.
Mecanismo de formación de coque
Los hidrocarburos componentes de un fondo de vacío que reaccionan para formar coque son los asfaltenos, las resinas y los aromáticos.
La fracción de asfaltenos de los fondos de vacío es una sustancia marrón a negra, no volátil, amorfa (no cristalina), presente como un coloide altamente disperso en el aceite. Los asfaltenos precipitan fácilmente al añadir un disolvente como n-hexano o ²pentano. Estos compuestos están formados por carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, azufre, vanadio y níquel. Su peso molecular está entre 3000 y 5000. La concentración de asfaltenos en el fondo de vacío puede variar, y depende de la profundidad con que se corte el fondo.
La fracción resina de los fondos de vacío generalmente tiene un estructura similar a la de los asfaltenos. Las resinas son viscosas, pegajosas, y lo suficientemente volátiles como para ser destiladas con los hidrocarburos. Son solubles en n-pentano, pero insolubles en propano. Se diferencian de los asfaltenos por la presencia de mayores concentraciones de nitrógeno y azufre. El peso molecular promedio de las resinas es inferior al de los asfaltenos.
La desalquilación de un grupo alifático es suficiente para convertir un asfalteno en una resina.
Los aromáticos contenidos en los fondos de vacío tienen una estructura relativamente simple. Estos están compuestos por aromáticos policíclicos de 6 carbonos.
Existe dos mecanismos de reacción diferentes que forman coque bajo las condiciones de operación típicas de los reactores de coque. En un caso, se pierde la sustancia coloidal característica de los compuestos de asfaltenos y resinas, y estos precipitan formando una estructura con una gran cantidad de enlaces cruzados, los compuestos experimentan además una escisión de sus grupos alifáticos de acuerdo a una reacción de primer orden. Esto es puesto en evidencia por una diferencia significativa de la concentración de átomos de hidrógeno entre los compuestos de resina ² asfaltenos de la alimentación y aquella observada en el coque formado. La relación en peso carbono / hidrógeno aumenta desde un rango de 8/10 alimentación a 20/24 en el coque. El coque formado por este mecanismo, comúnmente se le llama coque amorfo o coque esponjoso.
El segundo mecanismo de reacción involucra la polimerización y condensación de aromáticos, los cuales concentran una gran cantidad de estos compuestos hasta el punto que, eventualmente, se forma coque. El coque producido de esta manera contiene menos enlaces entrecruzados, y tiene una apariencia más cristalina que el coque amorfo. El coque producido por este mecanismo recibe el nombre de coque cristalino o coque aguja.
4.4.1.2.- Productos obtenidos según tipo de alimentación
Para permitir predecir los productos obtenidos a partir del craqueo térmico de diversas alimentaciones, pueden hacerse ciertas generalizaciones, Las parafinas normales inicialmente reaccionan polimerizándose en compuestos de alto peso molecular, que posteriormente se degradan en compuestos de menor peso molecular a medida que la reacción progresa.
Las parafinas ramificadas producen altos rendimientos en olefinas. La relación en peso propileno / etileno tiende a ser mucho más alta para las parafinas ramificadas que para las correspondientes parafinas normales.
El anillo aromático es muy refractario.
En general la tendencia al craqueo térmico disminuye de la siguiente manera:
Tipo de componente Parafinas Olefinas de cadena recta
Tendencia al craqueo
Naftenos (cicloparafinas)
decreciente
Ciclo-olefinas Aromáticos
La sensibilidad al craqueo aumenta con el peso molecular y el rango de ebullición.
Algunas reacciones de craqueo térmico típicas, según el tipo de alimentación, son:
|Tipo de alimentación | |Hidrocarburos saturados |
|Tipo de reacción |Calor
|Hidrocarburos no saturados + gas |
|Calor
|Radical libre no saturado |
|Condensación
|Hidrocarburos aromáticos | |Hidrocarburos aromáticos |
|Calor |Calor
|Productos
|Parafina PEMB + Olefinas + gas |Radical libre no saturado + Olefinas PEMB |Aromáticos + Olefinas PEMB + gas |Aromáticos PEMB + Olefinas + gas |Radical libre aromático + Olefinas + gas
|Radical libre aromático |
|Condensación
|Asfaltenos | |Asfaltenos carbón
|Calor |
|Aromáticos PEMA --------- Coque
|Coque + Aromáticos PEMB + Olefinas + gas |Asfaltenos condensados + Coque asfáltico + coque
|
donde, PEMB: Punto de Ebullición Más Bajo PEMA: Punto de Ebullición Más Alto
4.4.2.- Calentador
En el calentador no se produce ninguna reacción significativa ya que su principal función consiste en actuar como intercambiador de calor y recipiente de compensación. Sin embargo, algunas reacciones que ocurren en el calentador en mayor y menor grado son:
Pirólisis del coque para producir metano (CH4) y sulfuro de hidrógeno (H2S). La temperatura de operación del lecho del calentador (593°C) es lo suficientemente alta como para promover esta reacción.
Coque
CH4 + H2S
Combustión del monóxido de carbono, la cual ocurre principalmente en la fase densa del calentador
Combustión del monóxido de carbono, la cual ocurre principalmente en la fase densa del calentador.
2CO + O2
2CO2
Conversión del sulfuro de carbonilo a sulfuro de hidrógeno, o hidrólisis. Bajo las condiciones de operación del calentador, esta reacción se mantiene prácticamente en equilibrio.
Conversión del sulfuro de carbonilo a sulfuro de hidrógeno, o hidrólisis. Bajo las condiciones de operación del calentador, esta reacción se mantiene prácticamente en equilibrio.
COS + H2O
H2S + CO2
Combustión del hidrógeno en agua.
2H2 + O2
2H2O
Reacción de cambio de gas ² agua, la cual se produce en el calentador debido a la menor temperatura y el mayor contenido de vapor de agua en le gas.
CO + H2O
CO2 + H2
4.4.3.- Gasificador
Las partículas de coque reaccionan en este recipiente con aire y vapor a aproximadamente 927°C para producir un gas de bajo poder calorífico. El gasificador puede considerarse como si estuviese compuesto por tres regiones diferentes, las cuales son:
Zona de oxidación
Es la región directamente encima del distribuidor de aire. Se considera que en esta zona el oxígeno reacciona instantáneamente con le coque para formar CO2. Las reacciones en esta zona son exotérmicas y satisface los requisitos de calor del proceso.
Zona de reducción
En esta zona ocurren tres reacciones principales. Estas son: la gasificación con vapor del coque, la reacción Boudouard o gasificación del CO2 y la reacción del CO2, y la reacción de cambio gas ² agua. La hidrólisis del sulfuro de carbonilo y la metanización también ocurre en esta región, aunque en menor medida.
Zona de fase diluida
En esta zona se supone que las reacciones de gasificación del coque con vapor y gasificación del CO2 son despreciables. Sin embargo, puede ocurrir la pirólisis del coque para producir metano.
Gasificador
4.5.- Rendimiento Típico de productos
El proceso de flexicoking tiene un promedio de operación continuo de 16 meses y su costo de mantenimiento es menor que el proceso de coquización retardada.
El rendimiento de este proceso, específicamente el rendimiento de líquido más pesado es de aproximadamente de 86% de la alimentación para aquellos productos que posean un contenido de carbón Conradson como de 13%. Además, este proceso rinde un 3.5% de butano que puede ser usado en el campo de producción como combustible, bien sea para la manufactura de hidrógeno o vendido como LPG, o para la mezcla de gasolina.
El producto gaseoso más ligero que el propano, que representa un 7% de la alimentación, es procesado en una lavadora donde se retira el H2S y el amoníaco.
Este gas se puede usar directamente como combustible de la planta de hidrógeno o después de desulfurar como alimentación de esta misma planta. El gas de coque que consiste en un 7% de la alimentación se puede utilizar como combustible en los hornos de proceso o para generar el vapor o la electricidad que es requerida en el campo de producción.
Rendimiento típicos de productos
5.- UNIDADES DE COQUIZACIÓN EN VENEZUELA
En Venezuela existen varias unidades de coquización retardada, ya que estas son capaces de procesar fondos de vacíos con alto contenido de carbón Conradson, y son capaces de producir gran cantidad de coque para la comercialización. Anteriormente, este tipo de coquización no era muy rentable debido a que el coque era visto como un subproducto no deseado del proceso, en estos días la demanda de coque se ha visto en alza y por consiguiente ha conllevado a los refinadores a reconsiderar la implantación de este tipo de coquización.
Las plantas instaladas de coquización retardada están ubicadas en el estado Falcón y en el oriente del país. En el Centro Refinador Paraguaná, ubicado en el estado Falcón se encuentran ubicadas dos unidades de coquización retardada, específicamente en la refinería de Amuay y en la refinería de Cardón, respectivamente. La unidad de la refinería de Amuay inició sus operaciones en 1994 y tiene una capacidad de 34MBD. La unidad de Cardón inició sus operaciones en 1996 y tiene una capacidad de 60MBD. En el oriente del país, las cuatro empresas mixtas mejoradoras de crudo, Sincor, Ameriven, Petrozuata y Operadora Cerro Negro poseen unidades de coquización retardada.
En este país solo se tiene instalada una unidad de flexicoking. Esta se encuentra ubicada en el Centro Refinador Paraguaná, en la refinería de Amuay. Inició sus operaciones en 1982 y tiene una capacidad de 64MBD.
Unidades de coquización en Venezuela
6.- PROCESOS DE COQUIZACIÒN ALTERNATIVOS
6.1.- Coquización Retardada para diferentes alquitranes del petróleo y breas alquitranadas del carbón
Este proceso se realiza a la conversión de residuos de vacío vírgenes, es decir, que no han sido craqueados o sometidos a cualquier tratamiento que pudiera producir un apreciable cambio químico en sus componentes.
Los productos obtenidos a partir de este proceso son: coque, gas , naftas, LPG y gasóleos.
Descripción del Proceso
La alimentación se calienta previamente con un intercambiador de calor, para luego cargarse directamente al fraccionador, donde se combina con el reciclo. Luego, la mezcla se envía por medio de una bomba, al horno coquizador, donde se calienta hasta las temperaturas de coquización, lo cual origina una vaporización parcial y un craqueo suave. La mezcla vapor ² líquido se envía a uno de los tambores de coque, donde continua el craqueo. Los vapores a la salida del tambor fluyen hacia el fraccionador, donde se separan en gas, naftas, gasóleos livianos y pesados. La corriente que sale del tope del fraccionador se envía a la unidad de recuperación de vapor, donde se separan las corrientes de productos. Se deben instalar por lo menos dos tambores de coquización, para que mientras uno este en funcionamiento, el o los restantes sean decoquizados empleando un sistema hidráulico a alta presión.
Condiciones de Operación |Temperatura de salida del horno (°C) |
|482-510
|Presión del tambor del Horno (psig) |
|15-100
|Relación de reciclo
|0.1-1
|
6.2.- Coquización Retardada Simple
Se aplica a residuos degradados de vacío o materiales aromático pesados, obteniéndose como producto: gas, nafta, gasóleos, y coque que se emplea como combustible o como materia prima en la industria del acero y aluminio.
Descripción del Proceso
El aceite residual caliente se alimenta a la base del fraccionador, para mezclarse con el reciclo condensado. Esta alimentación combinada se calienta en el horno, a la temperatura necesaria para que se inicie la formación de coque en el tambor de coquización. Los vapores que salen por el tope del tambor fluyen al fraccionador donde se separan en: gas húmedo, naftas desestabilizadas, gasóleos livianos y pesados y reciclo. El reciclo condensado se mezcla con la alimentación fresca, tal como se mencionó anteriormente. El gas húmedo y la nafta desestabilizada son enviados a la planta de recuperación de productos finales livianos, para ser separados en: gas combustible, LPG y productos de naftas.
Condiciones de Operación |Temperatura de salida del horno (°C) |
|482-510
|Presión del tambor de coque (psig) | |Relación de reciclo
|20-90 |0-100
|
6.3.- Coquización Retardada Selectiva
Se aplica para fabricar coque aguja o poroso, y degradar los residuos o fracciones de hidrocarburos más livianos.
Descripción del Proceso
Se carga la alimentación directamente al fraccionador, donde se combina con el reciclo y se bombea al horno coquizador, donde se calienta a temperaturas de coquización, lo cual ocasiona la vaporización parcial y el craqueo suave de la mezcla. La mezcla vapor-líquido se envía al tambor de coqueo o donde el vapor se craquea moderadamente y el líquido se craquean sucesivamente, y por medio de las polimerizaciones, se convierte en vapor y coque. Los vapores del tope fluyen al fraccionador, donde se separan las corrientes individuales de productos: gas, naftas, gasóleos livianos y pesados.
6.4.- Coquización opcional que incluye Fluidcoking y Flexicoking
Este proceso permite la conversión del 99% de los residuos de vacío, con altos contenidos metálicos y/o de carbón presentes en combustibles líquidos y gaseosos. Los productos obtenidos a partir de este proceso son lo siguientes: productos combustibles líquidos y gaseosos, los cuales pueden ser mejorados con la utilización de métodos convencionales de tratamiento.
Descripción del Proceso
La alimentación se precalienta en el despojador y se inyecta al reactor, donde ocurre el craqueo y se generan un amplio rango de productos en forma de vapor y coque. Los productos diferentes al coque se enfrían en el despojador con la alimentación, para eliminar el coque que pudiera ser arrastrado. La fracción pesada junto con la alimentación se recircula al reactor con las partículas de coque. Los productos más livianos son fraccionados.
El coque del reactor circula al horno calentador. En la flexicoquización, el vapor de coque se envía al gasificador, donde se gasifica la mayor parte de la alimentación con vapor y aire. El gas de coque caliente que abandona el horno, se emplea para generar vapor de alta presión, pero antes debe pasar por las unidades de remoción de partículas finas de coque y de sulfuro de hidrógeno.
6.5.- Coquización Lurgi-Ruhrgas
Este proceso se le aplica a aceites pesados de coque y residuos pesados. A partir de este proceso se obtienen los siguientes productos: Coque, gas e hidrocarburos líquidos.
Este proceso se basa en una conversión térmica continua de residuos empleando el calor transferido desde la alimentación, debido a la agitación mecánica con partículas de coque caliente recirculadas.
Descripción del Proceso
La alimentación fresca entra en el reactor, donde se pone en contacto con las partículas calientes de coque que proviene del recipiente de colección, por medio de un agitador radial. El tiempo de residencia del vapor es mínimo, menos de 1 segundo, de manera que la producción del producto deseado es alta y la deshidratación es baja. La coquización se verifica en el mezclador y el
tambor. El vapor y el gas producido salen del mezclador por condensación y fraccionamiento. La tubería rígida sirve para recircular algo de coque, el cual suministra el calor de reacción requerido.
Condiciones de Operación |Temperatura del mezclador de coque caliente (°C) |
|700
|Temperatura de la mezcla coque/Alimentación (°C) |
|500-600
6.6.- Coquización por contacto continuo
Este proceso emplea la elevación del flujo másico para brindar una circulación de coque uniforme y continuo. En este proceso se producen: gas, gasolina, gasóleos, y bolitas de coque.
Descripción del Proceso
El residuo de la destilación al vacío se alimenta al fondo del fraccionador, donde se mezcla con la corriente de reciclo, para luego ser precalentada en un horno tubular hasta aproximadamente 700ºF. Luego se mezcla completamente con la corriente de coque caliente. Las porciones livianas de la alimentación se vaporizan y los constituyentes pesados se retienen en las partículas de coque como una película de líquido. A medida que la reacción de coquización procede, la película se convierte en gas, vapores, y coque residual, siendo este último retenido en las partículas de coque. A medida que se incrementa la cantidad de coque depositada, ocurre un incremento gradual del tamaño de la partícula de coque. Las partículas más grandes se retiran continuamente como producto, para mantener aproximadamente una cantidad constante de coque en el sistema. Los vapores del reactor, a 900 o 1000ºF, se enfrían y se envían al fraccionador. Desde el fondo del reactor el coque secado se eleva a un recipiente libre y de allí, fluye por gravedad hacia el calentador, donde se calienta entre 1000 y 1100 ºF mediante el quemado de gas o el quemado de una porción de coque. El coque nuevamente caliente, se descarga intermitentemente por gravedad a un tanque para reiniciar el ciclo en el reactor.
6.7.- Fluidcoquización
En este proceso, cerca del 5% de la producción de coque se quema en un lecho de coque fluidizado, para secar las partículas de coque y para calentarlo (aproximadamente de 1100 a 1200ºF) y ser introducido en la cámara de reacción la cual también se mantiene en un estado fluidizado. El reactor opera de 900 a 1050ºF. Los productos de la reacción se separan en un sistema de fraccionamiento ubicado en la parte superior del reactor. No se requieren paradas periódicas para remover el coque, y el reactor es más pequeño que para la coquización retardada.
Descripción del Proceso
La alimentación se precalienta y se inyecta al lecho de coque caliente fluidizado que se forma en el proceso. Estas partículas de coque presentan una configuración esferoidal, con un tamaño bastante pequeño, lo cual provee una mayor área de contacto por pie cúbico de lecho. Esto favorece una transferencia de calor rápida.
A medida que el coque se inyecta en el reactor, se va calentando rápidamente. A la temperatura del reactor la viscosidad del residuo es tan baja que su distribución a lo largo de las partículas fluidizadas es rápida y uniforme. En la zona de reacción las fracciones pesadas de la alimentación son parcialmente vaporizadas; la mayoría de las reacciones de cracking se dan en la fase líquida. Sin embargo, los productos más volátiles se evaporan rápidamente de la superficie del coque, por lo que los productos obtenidos consisten en vapor de tope seco y coque seco.
Los productos vaporizados del lecho fluido se extraen por el tope y se llevan a un separador de ciclón localizado en la zona superior del recipiente de reacción. La mayoría de los sólidos que entran se separan en este punto y retornan al lecho. Los productos de tope, con pequeñas cantidades de polvo de coque, se pasan por equipos de refinación convencionales; los productos de fondo se recirculan al reactor para recuperar parte del coque que escapa por el ciclón, y para permitir el recraqueo de los productos de fondo y transformarlos al rango de ebullición de los gasóleos.
7.- COQUE
7.1.- Definición
El coque del petróleo es definido como residuos sólidos negros provenientes de la destilación de materiales del petróleo, los cuales poseen un contenido principalmente de carbón (90 a 95 %), un porcentaje de ceniza bajo, y una mayor proporción de los metales, azufres y cualquier otro
material de residuo. Estos son residuos de componentes de cadenas pesadas de petróleo crudo, los cuales son usados como alimentación en procesos de craqueo térmico conocido como coquización, con la finalidad de producir productos más livianos. El coque es calentado entre 475°C a 520°C en un horno, para luego ser descargado en un tambor de coque.
7.2.- Tipos y Características del coque
Coque Aguja
Su nombre deriva de su estructura cristalina alongada. Se produce a partir de las alimentaciones altamente aromáticas y recalcitrantes, cuando las unidades de coquización operan a altas presiones (100 psig) y relaciones de reciclo elevadas (1:1). Este tipo de coque se esta produciendo recientemente en mayores cantidades. Es uno de los más empleados debido a su menor resistividad y a su menor coeficiente de dilatación. Es usado preferiblemente para la fabricación de electrodos.
Coque Esponjosos
Se denomina así debido a su apariencia. Se produce como pedazos sólidos, porosos, irregulares, cuyo tamaño abarca desde las 20 pulgadas hasta polvo fino, con estructura amorfa debido a que contiene gran cantidad de enlaces cruzados. Proviene de alimentaciones asfalténicas y resinas. Representa el coque promedio.
Coque Perdigón
Se conoce por ese nombre debido a las agrupaciones de bolitas del tamaño de un perdigón que lo caracterizan. Es un coque no deseable que se produce involuntariamente, generalmente durante desajustes operacionales, probablemente como resultado de temperaturas bajas en el tambor de coque o de bajas presiones.
De acuerdo con ciertas características presentes en la alimentación de coque podemos identificarlo de acuerdo con su clasificación:
