INTRODUCCIÓN

El petróleo se separa en fracciones por destilación y se somete a pirólisis

catalítica (cracking) en una refinería. La gasolina que se obtiene directamente

del fraccionamiento del petróleo (llamada gasolina de destilación directa)

contiene principalmente hidrocarburos de cadena recta y tiene un índice de

octano alrededor de 50. Este material se somete a un proceso llamado pirólisis

(cracking), que convierte alcanos de cadena recta en otros alcanos ramificados

más deseables. La pirólisis también se emplea para convertir parte de la

fracción menos volátil de queroseno y combustóleo en compuestos de peso

molecular más bajo que son apropiados para usarse como combustible de

automóvil.

En el primero de estos procesos, efectuado con cloruro de aluminio, fue

desplazada por el proceso Houdry, con una primera unidad comercial en 1936,

utilizando arcillas naturales constituidas por montmorilonita tratada con

soluciones ácidas. El sistema de transformación química del proceso involucra

reacciones térmicas de desintegración y reacciones catalíticas en la superficie

del catalizador, donde la función ácida resultó fundamental para promover el

rompimiento de enlaces carbón-carbón, isomerización, deshidrogenación,

condensación y transferencia de hidrógeno y de grupos alquilo, a través de un

mecanismo de iones carbono; e involucra también la eliminación de los

productos polimerizables por adsorción en el propio catalizador en forma de

coque.

Las arcillas naturales se reemplazaron por catalizadores sintéticos de sílice-

alúmina, preparados por coprecipitaciones de ácido ortosilícico e hidróxido de

aluminio. Las características requeridas de catalizador cuyos centros activos

estuvieran en el interior de los poros, condujeron al estudio de materiales

naturales denominados zeolitas, que son silicoaluminatos microporosos

formados por redes cristalinas que limitan el acceso al interior de su estructura

a moléculas de tamaños no superiores al diámetro de poro característico de las

mismas.

Las primeras pruebas, realizadas con una faujasita con bajo contenido de

sodio, mostraron una selectividad muy superior a la de los silicoaluminatos

amorfos. Los nuevos materiales zeolíticos han permitido además reducir el

contenido olefínico de las gasolinas catalíticas, al favorecerse la formación de

isoparafinas y compuestos aromáticos por la mayor actividad en las reacciones

con transferencia de hidrógeno.

CRAQUEO CATALITICO

craqueo catalítico o cracking catalítico es un proceso de la refinación del

petróleo que consiste en la descomposición termal de los componentes del

petróleo en presencia de un catalizador, con el propósito

decraquear hidrocarburos pesados cuyo punto de ebullición es igual o superior

a los 315 °C, y convertirlos en hidrocarburos livianos de cadena corta

cuyo punto de ebullición se encuentra por debajo de los 221 °C. Dichos

catalizadores se presentan en forma granular o microesférica.

El craqueo catalítico produce naftas e hidrocarburos aromáticos de

alto octanaje, como el benceno por medio de la conversión

decicloalcanos y parafinas.

El proceso de craqueo catalítico fluido se basa en la ruptura de cadenas de

hidrocarburos del orden de los 45 átomos de carbono, mediante la acción de un

catalizador que favorece que las reacciones se produzcan a una temperatura

más baja que la necesaria para el craqueo térmico de la misma carga.

Las reacciones producidas son mucho más rápidas y selectivas que las de

craqueo térmico.

Las reacciones generan una cantidad de carbón que se deposita sobre la

superficie del catalizador.

Los procesos se desarrollan en forma continua, mediante una circulación de

catalizador que se contacta íntimamente con la carga. Posteriormente el

catalizador se regenera por medio de la combustión del carbón producido, lo

que produce la energía que requiere el sistema para funcionar.

DIAGRAMA DEL PROCESO DE CRAQUEO CATALITICO

El proceso básico consiste en precalentar la alimentación fresca o reciclada a

través de intercambiadores y/o hornos de fuego directo, luego entera a la base

del tubo elevador del reactor donde es mezclada con el catalizador caliente

proveniente del regenerador (El calor del catalizador vaporiza la alimentación y

la lleva a la temperatura deseada para la reacción). Las reacciones comienzan

al momento de que la alimentación entra en contacto con el catalizador caliente

en el tubo elevador, posteriormente los vapores son separados del catalizador

en el reactor o recipiente de separación. Los vapores de hidrocarburo son

enviados a la fraccionadora para ser separados en productos líquidos y

gaseosos.

En el regenerador la quema de coque es controlada variando el flujo de aire

para mantener la reacción de los gases de combustión. Por el fondo de la

fraccionadora sale el crudo con los componentes que no fueron

separados,realizando una recirculación a la columna a la cual se le podría

aumentar la temperatura de tal manera que los componentes no separados

puedan ser volatilescon dicho aumento de temperatura, de la misma

recirculación se obtiene otra corriente que va a un decantador de lodo

produciendose lodo clarificado.

SECCIÓN DE REACCIÓN

Los equipos de reacción de las unidades de cracking tienen tres partes

fundamentales:

Reactor ( RX )

Regenerador ( RG )

Stripper ( ST )

Reactor 

Es el lugar donde se producen las reacciones de craqueo.

Hay distintos tipos de tecnologías. Actualmente operan con tiempo de contacto

(carga: catalizador) muy bajo donde la parte principal del RX es el riser. Este es

el lugar físico donde se producen las reacciones, en tanto que el resto del

equipo es para separar catalizador de los productos.

Las unidades de tecnologías anteriores operan en lecho fluido con tiempos de

contacto mayores y menores rendimientos en LPG y naftas.

La temperatura de operación es de 500 °C - 540 °C.

En el RX existen ciclones que permiten separar catalizador arrastrado de los

productos de la reacción.

Están revestidos con material refractario que impiden la erosión y las altas

temperaturas sobre las paredes metálicas.

Regenerador

Es la parte de la unidad donde se quema el carbón depositado sobre el

catalizador, posee un sistema de distribución del aire necesario para la

combustión provisto por un compresor de aire. Dicho compresor es la máquina

más importante de la unidad ya que si no hay aire para regeneración debe

detenerse la unidad.

Posee ciclones que separan los gases de la combustión del catalizador

arrastrado.

Están revestidos por material refractario que impiden la erosión y protege a las

paredes metálicas de la alta temperatura.

La temperatura de operación de 705 °C - 740 °C.

Estas unidades operan a combustión total (formación de CO2), para lo cual se

adiciona un promotor de combustión.

Stripper

En esta parte del equipo se inyecta vapor para despojar de hidrocarburos del

catalizador agotado. La inyección se realiza a través de un distribuidor.

La función más importante es reducir el contenido de hidrocarburos

depositados sobre el catalizador, disminuyendo la demanda de aire en el

regenerador, aumentando el rendimiento en productos líquidos.

El equipo cuenta con bafles que mejoran el contacto vapor - catalizador.

REACCIONES QUÍMICAS

CATALIZADORES

La circulación del catalizador es un factor preponderante en el funcionamiento

de la unidad.

El pasaje de catalizador del RG al RX se consigue manteniendo un diferencial

de presión positivo en el RG de 200 gr/cm2 controlado automáticamente. La

circulación del RX al RG se establece por el peso de columna de catalizador

más la presión propia del RX.

La circulación incide sobre las siguientes variables:

Relación catalizador / carga

Tiempo de residencia del catalizador en el RG

Velocidad espacial

Selectividad de las reacciones

El catalizador que circula por el riser se contacta con la carga que es inyectada.

Parcialmente vaporizada por picos de alta eficiencia, en ese instante se inician

las reacciones de craqueo.

El catalizador con los productos de la reacción continúan por el riser y

descargan en el recinto del RX, donde caen las partículas de catalizador por

pérdida de velocidad y diferencia de densidad.

Los gases ingresan a los ciclones, que retienen las partículas de catalizador

arrastradas y luego son devueltas al lecho del RX.

Los gases ingresan en la zona flash de la fraccionadora.

El catalizador desciende por el ST y recibe una inyección de vapor que ingresa

por la parte inferior para despojar los hidrocarburos absorbidos sobre la gran

superficie específica del catalizador

A la salida del ST hay una válvula que regula la transferencia de catalizador al

RG.

Los catalizadores usualmente se componen por óxido de silicio (SiO2)

y alúmina (Al2O3). 

Su finalidad no es otra que la de obtener la mayor cantidad de hidrocarburos

livianos de gran aprecio para la industria; la mayoría de las cargas a las

unidades de ruptura catalítica la constituyen gasóleos, aceites pesados como el

DMOH y el DMO (aceite de metalizado hidrogenado y aceite de metalizado,

respectivamente).

VARIABLES DEL PROCESO

El proceso de craqueo catalítico es un sistema de equilibrios. Para que la

unidad pueda ser operada en forma continua, deben mantenerse tres balances:

Balance de carbón

Balance de calor

Balance de presión

Balance de calor 

El balance de calor liga las variables independientes con las dependientes.

El balance de carbón

Está íntimamente vinculado con el de calor ya que es el que aporta el

combustible que mantiene el balance de calor. La única fuente de calor de la

unidad es la combustión del coque absorbido sobre el catalizador agotado.

Conceptualmente el calor generado por el quemado de coque deberá proveer

el calor necesario para los siguientes requerimientos:

Elevar la temperatura de la carga y productos hasta la temperatura del

RX.

Satisfacer la endotermicidad de las reacciones de craqueo.

Compensar las pérdidas del convertidor.

Elevar la temperatura del aire de combustión y transporte hasta la

temperatura de los efluentes del regenerador.

Producir la desorción de coque del catalizador agotado.

El calor perdido por radiación de las paredes del equipo.

El balance de carbón relaciona todas las fuentes de generación de

carbón de la unidad y está íntimamente vinculado con el balance de

calor.

Balance de presión

El balance de presiones gobierna la circulación del catalizador, Y

permite la operación de la unidad.

Además se debe controlar estrictamente por la seguridad de la

operación, ya que si se produce una inversión de flujo el equipo puede

explotar por ingreso de aire y catalizador Calientes al reactor..

El equilibrio significa mantener un diferencial de presión positivo en el

RG que permita transportar el catalizador hasta el RX.. Venciendo la

presión de RX.

La presión en el RG generada por la descarga de los gases producidos

en la combustión, se controla a través de un controlador diferencial de

presión.

La presión en el RX se controla en el acumulado de cabeza de la torre

fraccionadora.

La gran complejidad de la operación de estas unidades se debe

fundamentalmente a la estrecha interdependencia que poseen las variables del

proceso, esta interdependencia hace casi imposible en términos prácticos

modificar una variable sin tener una inmediata respuesta en el resto del

sistema, estos efectos deben ser manejados en forma continua.

Las modificaciones de variables deben realizarse teniendo en cuenta que se

mantengan en equilibrio los tres balances.

Las variables de operación se dividen en independientes y dependientes

Variables operativas independientes

T° RX

T° precalentamiento de carga

Relación de reciclo

Actividad de catalizador

Modo de combustión

Calidad de la carga

Velocidad espacial

Variables dependientes

T° RG

Velocidad de circulación

Conversión

Requerimiento de aire

C /O

Temperatura de reacción: temperatura de la mezcla catalizador y carga en el

punto donde se considera han finalizado las reacciones

T° precalentamiento de carga: es la temperatura a que se levanta la carga

previamente al ingreso al RX.

Relación de reciclo: es la cantidad de producto ya craqueado (reciclo) que se

incorpora a la carga fresca.

Actividad de catalizador: es la capacidad que tiene el catalizador para convertir

una carga determinada en productos de menor peso molecular.

Modo de combustión: mide el grado de conversión de monóxido de carbono a

dióxido de carbono, y por ende modifica la cantidad calor que se libera en el

regenerador.

Calidad de la carga: de acuerdo a la naturaleza de la carga, serán los

productos a obtener.

Velocidad Espacial: se define como el cociente entre el caudal de carga total y

la cantidad de catalizador existente en el RX.

Temperatura de °RG: es la temperatura existente en el lecho denso del

regenerador.

Velocidad de circulación: se define como el caudal de catalizador que circula

vs. El área media del reactor.

Conversión: es el porcentaje de volumen de carga fresca que se convierte en

nafta (de punto seco predeterminado) y productos más livianos.

Requerimiento de aire: es la cantidad de aire requerida para realizar la

combustión del carbón depositado sobre el catalizador.

Relación catalizador /carga: es la relación entre el régimen de circulación del

catalizador (ton/h) y el de la carga combinada (fresca + reciclo) expresada

también en ton/ h.

REQUERIMIENTO DE COSTO Y SERVICIOS

La carga de la unidad es un producto intermedio de bajo valor.

Puede ser comercializado como fuel oil o carga de FCC.

Mediante este proceso se obtiene:

Mayor expansión volumétrica (110 m3 de productos/ 100 m3 de Carga).

Mayor nivel de conversión a productos de alta demanda y valor

comercial.

La nafta producida aporta el mayor volumen de octanos del pool de

naftas.

Es el proceso de mayor producción de LPG.

Butano como materia prima para la producción de MTBE y Alkilato.

Propileno de alto precio y creciente demanda.

Los costos de la energía y del combustible son la parte principal de los costos

directos del refinado del crudo del petróleo y, como consecuencia del gran

aumento en los precios del crudo del petróleo y del gas natural existen un gran

incentivo en conservar el combustible mediante la utilización eficaz de la

energía de los gases de salida del regenerador del craqueado catalítico.

CONCLUSIONES

El cracking catalítico es un método sumamente importante en cuanto a los

procesos de petroquímica básica se refiere. Gracias a dicho proceso,

obtenemos un sin número de artículos que nos ayudan a satisfacer diversas

necesidades, desde individuales como la gasolina, hasta colectivas, como el

asfalto para las carreteras y otras más.

Los procesos petroquímicos, sobre todo para la obtención de gasolinas, son

cada vez más rigurosos, sobre todo en lo que respecta a la parte ambiental. En

realidad, es realmente alarmante el daño que se ha estado originando al

planeta en lo que a procesos químicos se refiere; por lo que cada vez se busca

generar productos por medio de procedimientos eficaces y amigables con

nuestro ecosistema. Por ejemplo, en la actualidad se emplea el ZSM-5 como

catalizador para el cracking, que es un compuesto estable, bastante selectivo y

que no contamina en exceso en cuanto a las partículas volátiles suspendidas

en el aire.