Cracking Catalítico Fluido (FCC)
El proceso de craqueo catalítico fluido se basa en la ruptura de cadenas de hidrocarburos del orden de los 45 átomos de carbono, mediante la acción de un catalizador que favorece que las reacciones se produzcan a una temperatura más baja. Es utilizado para la conversión de cortes pesados en naftas de mayor valor agregado y productos de bajo peso molecular (como gases). La simple destilación del petróleo no produce (ni en cantidad ni en calidad) todos los productos que el mercado necesita; normalmente se obtiene mayor cantidad de productos pesados y menor cantidad de livianos, por lo que el objetivo principal del craqueo es transformar esos cortes pesados (que puede ser un crudo reducido o un gas oil pesado) en otros más livianos. Calidad de la Carga:
Los aspectos más importantes de calidad de la carga son los siguientes: -
Contenido de carbón conradson : mide el potencial de generación de carbón de la carga.
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Nivel de contaminantes: en especial níquel y vanadio que son venenos permanentes del catalizador.
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Composición química de la carga: las especies químicas predominantes definen la calidad de los productos resultantes y la cantidad de carbón producido.
Principales Reacciones de Craqueo
Los productos formados en el craqueo catalítico son el resultado de una serie de reacciones primarias como secundarias. Se designan como reacciones primarias aquéllas que implican la ruptura inicial del enlace carbono-carbono y la inmediata neutralización del ion carbonio. Las reacciones primarias se pueden representar asi:
parafina ----- parafina + olefína alquil nafteno ---- nafteno + olefina alquil aromático ---- aromático + olefina
Unidades Básicas del CCF:
Existen 2 tipos de Unidades Básicas de CCF que se utilizan hoy en día, una son las del tipo "lado a lado", donde el reactor y el separador son adyacentes uno con otro, y las del tipo Orthoflow o apilado, donde el reactor se monta sobre la parte superior del regenerador.
Características de las Unidades de FCC:
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Son las productoras de naftas por excelencia, en calidad y cantidad. Producen menor cantidad de gas residual que el Cracking Térmico. Producen alta calidad de propano y propileno, butilenos, isobutanos y butanos. Estas corrientes son la materia prima para los procesos Petroquimicos.
Catalizadores de Craqueo
Los catalizadores comerciales que se utilizan en el craqueo catalítico pueden dividirse en tres clases: 1. Alumino silicatos naturales. 2. Combinaciones de alúmina-silicio sintéticas amorfas. 3. Catalizadores de alúmina-silicio sintéticos cristalinos llamados zeolitas o tamices moleculares. La mayoría de los catalizadores utilizados en las unidades comerciales hoy en día son catalizadores de la clase (3) o mezclas de las clases (2) y (3). Las ventajas de los catalizadores de zeolita son: -
Actividad más alta Rendimientos en nafta mayores para una conversión dada. Producción de naftas conteniendo un mayor porcentaje de hidrocarburos parafínicos y aromáticos. Producción menor de coque (y por consiguiente un mayor rendimiento, normalmente, para un nivel de conversión dado). Producción de isobutano incrementada. Posibilidad de conseguir conversiones más altas por paso sin craqueo excesivo.
La actividad catalítica se produce porque los centros activos de las zeolitas son promotores de iones carbonios, responsables del inicio de las reacciones de craqueo.
Sección de Reacción
Los equipos de reacción de las unidades de cracking tienen tres partes fundamentales
Reactor ( RX ) Regenerador ( RG ) Stripper ( ST )
Reactor (RX)
Es el lugar donde se producen las reacciones de craqueo. Se opera con tiempo de contacto (carga: catalizador) muy bajo donde la parte principal del RX es el riser. Este es el lugar físico donde se producen las reacciones, en tanto que el resto del equipo es para separar catalizador de los productos. La temperatura de operación es de 500 °C - 540 °C. En el RX existen ciclones que permiten separar el catalizador arrastrado de los productos de la reacción. Están revestidos con material refractario que impiden la erosión y las altas temperaturas sobre las paredes metálicas. Regenerador (RG)
Es la parte de la unidad donde se quema el carbón depositado sobre el catalizador, posee un sistema de distribución del aire necesario para la combustión provisto por un compresor de aire. Dicho compresor es la máquina más importante de la unidad ya que si no hay aire para regeneración debe detenerse la unidad. Posee ciclones que separan los gases de la combustión del catalizador arrastrado.
Están revestidos por material refractario que impiden la erosión y protege a las paredes metálicas de la alta temperatura. La temperatura de operación de 705 °C - 740 °C. Stripper (ST)
En esta parte del equipo se inyecta vapor para despojar de hidrocarburos al catalizador agotado. La función más importante es reducir el contenido de hidrocarburos depositados sobre el catalizador, disminuyendo el aire en el regenerador por ende aumentando el rendimiento en productos líquidos.
Etapas de Proceso
Siempre se presentan 4 etapas que son las siguientes: 1. Craqueo catalítico de la alimentación con la rápida desactivación del catalizador por la deposición de coque sobre este y una capa de productos líquidos pesados. 2.
Separación de los productos formados y el catalizador. Después del proceso de separación, el catalizador se lo lava con vapor de agua para eliminar todos los productos líquidos que hayan quedado depositados sobre él. El vapor de agua mezclado con esos productos sale junto con los productos f ormados en el reactor y se envían a una columna de destilación. El cata lizador es enviado al regenerador.
3.
En el regenerador se quema el coque depositado sobre el catalizador con aire.
4.
El catalizador una vez regenerado, se envía nuevamente al reactor, completando el circuito. Antes de que entre al reactor, se lo lava nuevamente con vapor de agua para eliminar cualquier vestigio de aire que pudiera haber quedado ocluido, ya que, si esto ocurriera, se podría produc ir una combustión al ponerse en contacto con la alimentación caliente
La Unidada de FCC convierte Gasoleos, productos intermedios que se obtienen en las unidades de destilación atmosferica y de fraccionamiento al vacio en combustibles de mayor valor.
Esto ocurre por que los gasoleos se precalientan en un horno he ingresan al reactor de esta unidad, el mismo que contiene un catalizador zeolitico, que es un mineral poroso que provoca que el gasoleo se convierta en gasolinas de alto octano , gas licuado de petróleo, y aceites ciclicos utilizados como diluyentes en la preparaciíon de Fuel Oil # 4 y # 6. La transformación en el reactor se produce de entre 500 ° C a 700 °C, el catalizador una vez que ha cumplido con su función, sale del Reactor hacia el otro equipo de mayor volumen en la Unidada FCC llamado regenerador donde se recupera la actividad del catalizador con la quema del carbono y se lo recircula otra vez al Reactor. Balance de Procesos
El proceso de craqueo catalítico es un sistema de equilibrios. Para que la unidad pueda ser operada en forma continua, deben mantenerse tres balances:
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Balance de calor Balance de carbón Balance de presión
Balance de Calor
El balance de calor liga las variables independientes con las dependientes. El balance de carbón está íntimamente vinculado con el de calor ya que es el que aporta el combustible que mantiene el balance de calor. La única fuente de calor de la unidad es la combustión del coque absorbido sobre el catalizador agotado. Conceptualmente el calor generado por el quemado de coque deberá proveer el calor necesario para los siguientes requerimientos:
Elevar la temperatura de la carga y productos hasta la temperatura del RX. Satisfacer la endotermicidad de las reacciones de craqueo. Compensar las pérdidas del convertidor. Elevar la temperatura del aire de combustión y transporte hasta la temperatura de los efluentes del regenerador. Producir la desorción de coque del catalizador agotado. El calor perdido por radiación de las paredes del equipo.
Balance de Carbón
El balance de carbón relaciona todas las fuentes de generación de carbón de la unidad y esta íntimamente vinculado con el balance de calor. El carbón formado en el proceso responde a la siguiente ecuación:
C t = coque total formado Ccat = coque producido por las reacciones de cracking. Ccarga = coque residual debido a la naturaleza de la carga. C circulación = coque de circulación función del régimen de circulación C contaminante = coque producido por la presencia de contaminantes en la carga.
Balance de Presión
El balance de presiones gobierna la circulación del catalizador, Y permite la operación de la unidad. Además se debe controlar estrictamente por la seguridad de la operación, ya que si se produce una inversión de flujo el equipo puede explotar por ingreso de aire y catalizador calientes al reactor. El equilibrio significa mantener un diferencial de presión positivo en el RG que permita transportar el catalizador hasta el RX. Venciendo la presión de RX. La presión en el RG generada por la descarga de los gases producidos en la combustión se controla a través de un controlador diferencial de presión. La presión en el RX se controla en el acumulador de cabeza de la torre fraccionadora.
Variables del proceso
Además de la naturaleza de la carga, las principales variables de operación que afectan a la conversión y la distribución de los productos son: Variables operativas independientes
T° RX T° precalentamiento de carga Relación de reciclo Actividad de catalizador Modo de combustión Calidad de la carga Velocidad espacial Variables dependientes
T° RG Velocidad de circulación Conversión Requerimiento de aire C/O Las modificaciones de variables deben realizarse teniendo en cuenta que se mantengan en equilibrio los tres balances. Descripción de las variables
Temperatura de reacción: temperatura de la mezcla catalizador y carga en el punto donde se considera han finalizado las reacciones. T° precalentamiento de carga: es la temperatura a que se levanta la carga previamente al ingreso al RX. Relación de reciclo: es la cantidad de producto ya craqueado (reciclo) que se incorpora a la carga fresca. Actividad de catalizador: es la capacidad que tiene el catalizador para convertir una carga determinada en productos de menor peso molecular. Modo de combustión: mide el grado de conversión de monóxido de carbono a dióxido de carbono, y por ende modifica la cantidad calor que se libera en el regenerador. Calidad de la carga: de acuerdo a la naturaleza de la carga, serán los productos a obtener. Velocidad Espacial: se define como el cociente entre el caudal de carga total y la cantidad de catalizador existente en el RX.
Temperatura de RG: es la temperatura existente en el lecho denso del regenerador. Velocidad de circulación: se define como el caudal de catalizador que circula vs. el área media del reactor. Conversión: es el porcentaje de volumen de carga fresca que se convierte en nafta (de punto seco predeterminado) y productos más livianos. Requerimiento de aire: es la cantidad de aire requerida para realizar la combustión del carbón depositado sobre el catalizador. Relación catalizador /carga: es la relación entre el régimen de circulación del catalizador (ton/h ) y el de la carga combinada ( fresca + reciclo ) expresada también en ton/ h.
