REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA NUCLEO SAN TOME EXTENSION PUERTO PIRITU
PROCESO DE CRAQUEO 20/07/2011
Ingeniería Petroquímica
9º Semestre-Nocturno. Semestre-Nocturno. Sección ≠ 2 Diseño de Reactores
Facilitador: Ing. Braulio Gonzales
Realizado por: José Rojas 16.909.380 Luis Peña 20.503.591 Nolasco Guevara 16.115.831
CATALÍTICO FLUIDIZADO
PROCESO
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDIZADO .
DE
El proceso FCC es la operación central de las refinerías en donde se usa un catalizado catalizadorr para convertir convertir fracciones fracciones pesadas pesadas de petróleo petróleo y de bajo valor comercial en productos de alta calidad, como la gasolina de alto octano y las olef olefin inas as.. El proc proces eso o cons consis iste te de varia varias s etap etapas as:: prec precal alen enta tami mien ento to de la alimentación, vaporización de la alimentación, reacción de desintegración, la separación de los productos del catalizador y regeneración del catalizador. En este proceso, la alimentación, comúnmente conocida como gasóleo, proviene de la destilación atmosférica o de vacío, la cual se inyecta en el fondo del riser y
se vapo vapori riza za al pone poners rse e en cont contac acto to con con el cata catali liza zado dorr rege regene nera rado do,,
posteriormente se llevan a cabo las reacciones de desintegración catalítica en flujo ascendente. El calor de reacción total de este sistema reaccionante es de tipo endotérmico. Después Después de la reacción, reacción, la corriente corriente que sale del riser se transfiere transfiere a uno o más ciclones para separar los productos del catalizador. Los productos son son envi enviad ados os a una una torre torre de dest destil ilac ació ión n y, el cata catali liza zado dorr con con aque aquello llos s hidrocarburos que aún se encuentran atrapados sobre la superficie catalítica son tratados con vapor en la unidad conocida como agotador. El coque es una espe especi cie e que que care carece ce de hidr hidróg ógen eno o y se depos deposit ita a sobr sobre e la supe superf rfic icie ie del del catalizador disminuyendo su actividad. Por ello, es necesaria la combustión del coqu coque e
para para
rest restau aura rarr
la
acti activi vida dad d
cata catalí líti tica ca..
Este Este
fenó fenóme meno no elev eleva a
substancialmente la temperatura del regenerador y este calor es aprovechado para la desintegración catalítica catalítica en el riser. Una unidad típica donde donde se lleva a cabo el proceso de desintegración se muestra en la Fig.
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Alimentación Comúnmente para el proceso de desintegración catalítica las refinerías utiliz utilizan an gasóleo gasóleo para produci producirr gasoli gasolina, na, pero cuando cuando
no logran logran cubrir cubrir la
demanda, elaboran una mezcla con otros residuos que han sido tratados en un tambor donde separan el agua y vapor contenidos y darle cierta estabilidad a la alimentación. Características del Reactor. En el conjunto reactor–regenerador reactor–regenerador se desarrolla el objetivo principal del proceso FCC, cuando el gasóleo es transformado a gasolina y LPG (olefinas, propileno propileno y butileno) butileno) mediante reacciones reacciones de craquín craquín en la superficie superficie del catalizador fluidizado. En la mezcla resultante se obtienen subproductos como LCO, LCO, HCO HCO y coqu coque e debi debido do a la desi desint nteg egra raci ción ón térm térmic ica a (Tab (Tabla la 1) en los los produc productos tos que han sido sido previa previame mente nte transf transform ormado ados s por las reacci reaccione ones s de desintegración catalítica (selectivas, Tabla 2).
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Reacciones efectuadas por desintegración catalítica
Reacciones efectuadas por desintegración térmica.
El proceso inicia con la alimentación de la mezcla catalizador-vapor al tubo elevador, cuando se pone en contacto con una distribución de gotas de gasóleo espreadas mediante las boquillas de inyección. Las gotas se evaporan y reaccionan reaccionan en forma selectiva selectiva en la superficie del catalizador catalizador agrupado agrupado en cúmulos. El aumento de volumen del gas (vapor-gasóleo evaporado) por la evaporaci evaporación ón de las gotas causa una transición transición gradual gradual de una región densa a una diluida diluida que que no solame solamente nte propicia propicia la la acelerac aceleración ión del flujo sino también también una evidente distribución hueca axial en forma de S, típica del régimen de fluidización rápida.
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Características típicas de operación del reactor FCC.
Separación del Producto/ Catalizador Catalizador en los ciclones. ciclones. Para un buen funcionamiento del reactor, la rapidez y la eficiencia de separación del catalizador en los ciclones es muy importante, debido a que en la parte superior superior del tubo elevador elevador las reacciones reacciones de desintegrac desintegración ión térmica térmica ocurren ocurren con mayor frecuencia frecuencia que las catalítica catalíticas, s, afectando afectando la eficiencia eficiencia de producción de la gasolina por la formación de compuestos secundarios. Para reducir la desintegración térmica, se emplean ciclones de uno o dos etapas etapas,, donde donde la eficie eficienci ncia a del 99.995 99.995% %
hace hace de este este sistema sistema el más más
eficiente en reducir el tiempo de residencia del producto (de 30 a 2s). En estos ciclones ciclones pueden pueden ser utilizados utilizados métodos métodos para cerrar el acoplamie acoplamiento nto como el sistema de presión negativa que remueve el gas del regenerador al paso del aire por el ciclón primario (que cambia el balance de presión de positiva a negativa) negativa) y el de presión positiva positiva que preserva preserva la característ característica ica en el ciclón primario, donde el aire pasa al gas regenerado entre el primero y segundo ciclón.
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Regeneración El rege regene nera rado dorr
rest restau aura ra la acti activi vida dad d
del del
catal ataliz izad ador or que que
entr entra a
desactivado por el depósito de coque en su superficie (0.8 al 2.5%) debido a componentes como carbón, hidrógeno, trazas de azufre y nitrógeno que lo forman. Las dos regiones del regenerador se ubican según la densidad de la fase, así así el lecho denso está encima encima del distribuidor (velocidad (velocidad de 0.61-1.22 m/s), mientras mientras que la fase diluida diluida se localiza encima encima de la región densa densa con una concentración de catalizador sustancialmente baja.
Problemática en los reactores FCC. Los problemas que se generan durante el proceso de desintegración catalítica en el reactor FCC son diversos como diversas son sus causas, que pueden pueden considerar considerar desde desde la manipulación manipulación de las
condicion condiciones es de operación operación
hasta los procesos promovidos por la naturaleza del sistema. Dentro de los más comunes se encuentran: a) Inyección de gasóleo La inyección del gasóleo en el reactor se hace a través de unas boquillas de inyección que se localizan a una altura entre 3 y 10 m que varía en función del tamaño del reactor. reactor. Dependiendo de la forma y su inclinación se desarrolla una distribución de tamaños de gotas de gasóleo que determina la velocidad de evaporación, y la ocurrencia de las reacciones de desintegración catalítica en el catalizador (poroso), que se encuentra agregado en forma de cúmulos que no promovería formación de productos primarios. Para mejorar estos efectos y dirigir la selectividad hacia la formación de productos primarios se puede considerar el análisis de los ángulos del cono de la dispersión dispersión de los inyectores inyectores ó la disminuci disminución ón
del diámetro diámetro de las gotas
(80-40 micras) ya que se obtiene una mayor selectividad por este medio, medio, así de acuerdo al tipo de distribución que que se estudie (monodispersa o polidispersa) será será la posi posibi bili lida dad d de mejor ejorar ar
el tiem tiempo po de resi reside denc ncia ia de la gota gota y la
selectividad para la formación formación de productos primarios. primarios.
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b)
Dec Decaimi aimien ento to en
la efic eficie ien ncia cia
de
recu recup pera eració ción
debid ebido o
a
heterogeneidad en la fracción de sólidos en el lecho. En el sistema existe una transición gradual de una región diluida de partículas suspendidas en el gas a una región densa formada por los cúmulos. Este tipo de estructu estructuras ras debido debido a su
naturaleza naturaleza agregat agregativa iva promueve promueve en el
reactor puntos calientes cuando el gasóleo evaporado se pone en contacto con los cúmulos (de diferente tamaño) provocando en los grandes y densos una reacción más rápida que en los menores, de tal manera que la diferencia de temperatura entre ellos trae consigo una desintegración catalítica y térmica que afecta la eficiencia de producción de gasolina por la formación de compuestos indeseados. c) Separación del producto en los ciclones. La función de los ciclones es separar en el menor tiempo el producto para evitar reacciones post-lecho debidas a la desintegración térmica pues el catalizador envenenado con coque impide cualquier reacción, por lo tanto las posibilidades de mejora están alrededor del tiempo y velocidad de separación de los ciclones ciclones que se ve afectada afectada por el ángulo de inclinación inclinación de una parte parte del reactor que los une con ellos y la configuración mecánica propia del ciclón. d) Regeneración del catalizador. En la regeneración del catalizador catalizador el coque coque es eliminado y recupera el el calor necesario para el craqueo, para ello se alimenta aire como fuente de oxígeno (para su combustión) a través de un distribuidor localizado cerca del fondo fondo (del (del regene regenerad rador) or).. El diseño diseño del distri distribui buidor dor es import important ante e para para una una eficiente recuperación del catalizador así como el ventilador, mediante el cual se logr logra a un cont contro roll de la temp temper erat atur ura a de rege regene nera raci ción ón para para evit evitar ar su sinter sinteriza izació ción. n. Como Como el sistem sistema a está está situad situado o en un régime régimen n de fluidi fluidizac zación ión rápida en la siguiente sección se describen sus fundamentos. Química del craqueo catalítico La reac reacci ción ón clav clave e en el craq craque ueo o cata catalí lític tico o es la adic adició ión n de H+ al hidr hidroc ocar arbu buro ro para para form formar ar un ion ion carg cargad ado o posi positi tiva vame ment nte e - bajo bajo las las condicion condiciones es de catalísis, catalísis, los catalizad catalizadores ores usados son ácidos ácidos muy fuertes.
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Las múltiples rutas por las cuales el hidrocarburo cargado positivamente (carbocatión)
puede
perder
su
carga
a
menudo
conducen
a
su
descomposición. Ataque a un alqueno por el catalizador:
El ataque de un alcano por el catalizador:
La descomposición de las especies cargadas:
Cualquier ácido podría hacerlo, pero en una reacción convencional de hidrocarburos con un ácido fuerte (por ejemplo H2SO4), podría ser difícil separarlos afuera y evitar corrosión en los reactores. El catalizador usado son sólido sólidos s con con superf superfici icies es acídic acídicas, as, los cuales cuales perma permanec necen en donde donde son colocados. Catalizadores Usados en el Proceso: Un catalizador es una especie que acelera la velocidad de una reacción químic química, a, pero pero no es consu consumid mida a en la reacc reacción ión mism misma. a. Los cataliz catalizado adores res usados en craqueo catalítico son usualmente zeolitas, compuestos de aluminio,
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silicio, y oxígeno conteniendo sitios fuertemente ácidos. Además, las zeolitas tienen un área de superficie sumamente alta, lo cual provee muchos sitios donde pueden ocurrir las reacciones. Las zeolitas X e Y son los principales catalizadores usados en el craqueo catalítico. Estas tienen fórmulas que pueden aparecer inusuales, ya que estas son minerales, antes que compuestos químicos bien definidos que los químicos están acostumbrados a usar:[Na pAl p g H2O, donde p donde p = pSi192- p pO384.g H 96-74 (x) o 74-48 (y) y g es g es 270-250, decrece mayormente con aluminio. Los iones de sodio son típicamente intercambiados con otros cationes para dar zeolitas con diferentes propiedades catalíticas].
Caso Refinería Puerto la Cruz: La carga fresca de la unidad FCC se encuentra almacenada en los tanques tanques 104, 105 y 106; 106; al tanque 106 llega llega residual residual del Chaure (mezclado (mezclado con VGO) y del tanque 104 se envía gaseolo de la DA-1 hacia el tanque 105. La carga combinada es calentada en tren de intercambiadores de calor hasta 420 °F, posteriormente es enviada al tambor de compensación compensación F-60 y al horno B-51, el cual eleva la temperatura temperatura entre 490 y 535 °F, para luego ser inyectada al reac reacto torr “ris “riser er”, ”, en dond donde e entr entra a en cont contac acto to con con un fluj flujo o de cata catali liza zado dor r circulante proveniente del regenerador regenerador a una temperatura aproximada aproximada de 1240 1240 °F. En ese momento la carga se vaporiza y ocurren las reaciones endotérmicas de craqueo catalítico. El catalizador gastado es regenerado empleando una corriente de aire en la sección de regeneración. Como se puede observar en la figura siguiente:
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