CRAQUEO CATALITICO
A principios del siglo XX se observó que cuando pasaban las fracciones de crudo por arcillas (a fin de retirar las olefinas) a temperaturas superiores a los 400°C, aumentaban las fracciones ligeras y ennegrecían las arcillas. Esto era debido a que las arcillas actuaban como catalizadores.
El craqueo catalítico se utilizó por primera vez en 1937 y fue en 1942 cuando se instala la primera unidad en EE.UU. Su desarrollo más importante se alcanzó en plena segunda guerra mundial debido a las necesidades de cubrir las necesidades de la armada. El craqueo catalítico sustituyó al craqueo térmico ya que mediante este proceso se obtienen mayores rendimientos en las fracciones tipo nafta para la obtención de gasolinas. Además, las fracciones obtenidas son de elevado índice de octanos.
La aparición de coque desactiva el catalizador rápidamente. Este hecho hace que el catalizador haya que regenerarlo continuamente. En la década de los 60 y 70 se desarrolló un sistema para posibilitar el movimiento del catalizador del reactor al regenerador y viceversa. Este reactor se conoce como FCC y consiste en un reactor de lecho fluidizado. A partir de los años 60 se decidió sustituir las arcillas por catalizadores más eficientes como son las zeolitas.
Reacciones
Las diferencias observadas en el resultado de un craqueo catalítico respecto al térmico pone de manifiesto la existencia de mecanismos diferentes de reacción. Se admite que el craqueo catalítico es un proceso iónico donde tienen lugar muchas reacciones, simultaneas y consecutivas. En este proceso participan activamente los carbocationes.
Los carbocationes se forman por acción del catalizador sobre el hidrocarburo por 2 mecanismos:
- Separación de un ion hidruro
- Adición de un protón a una olefina
A continuación se recogen algunas de las reacciones más importantes que tienen lugar en el reactor:
- Reacciones de isomerización: la presencia del catalizador reduce la energía de activación para que los carbocationes primarios se isomericen a secundarios y estos a terciarios, obteniéndose hidrocarburos ramificados.
- Reacción de fisión β: el enlace β se debilita por efecto del carbocatión, y se obtienen así un nuevo carbocatión y una olefina.
- Reacciones de ciclación: si el hidrocarburo tiene un doble enlace en la posición adecuada se forma el ciclo. A partir de él se pueden generar anillos aromáticos.
- Reacciones de transferencia de protones: un carbocatión cede un protón a una olefina para formar una olefina interior. A partir de esta reacción los naftenos se insaturan.
Como resultado se obtienen hidrocarburos ramificados y con una mayor proporción de aromáticos (lo que conlleva un elevado índice de octanos).
Reactor
La carga al reactor suele ser gasoil de vacío y atmosférica y puede recibir gasoils de visbreaking o coking en pequeñas cantidades.
En la actualidad todas las unidades de crackers disponen de reactores y regeneradores donde el catalizador se mantiene fluidizado, realizándose la transferencia mediante el flujo arrastrado. En las unidades FCC se separan tres secciones:
- Conversión
- Fraccionamiento
- Estabilización
En la siguiente figura se recoge el esquema de un cracker catalítico:
La sección de conversión incluye:
- El reactor, donde tiene lugar el craqueo catalítico de los hidrocarburos
- El stripper, para eliminar con arrastre por vapor los hidrocarburos ligeros adsorbidos en el catalizador.
- El regenerador, donde se quema el coque depositado sobre el catalizador con aire. Adicionalmente, se produce el calor necesario para el craqueo, con el catalizador como medio de transmisión.
El esquema general de funcionamiento de un reactor FCC es el siguiente:
En el riser se mezclan el catalizador a 600°C con la alimentación precalentada en un horno a 350°C, resultando la mezcla a unos 500°C (la temperatura del craqueo). La reacción tiene lugar a lo largo del riser. A la salida, un ciclón separa el catalizador de los vapores de hidrocarburos.
Tras ello, el catalizador pasa por el stripper, un lecho fluidizado con vapor, para recuperar los hidrocarburos adsorbidos. El catalizador cae por gravedad al regenerador, un lecho fluidizado con aire, donde se da la combustión de coque y, a su vez, se calienta el catalizador. El catalizador se envía al comienzo del riser, reiniciando el proceso.
Los vapores que salen de la sección de craqueo son enfriados con una fracción pesada procedente del fraccionamiento, para que no continúe el craqueo. En el fraccionamiento hay las siguientes corrientes de salida:
- Gases y nafta por cabeza: separados en la unidad de ligeros.
- Aceite
- Aceite decantado por el fondo: contiene el catalizador arrastrado de la sección de conversión, separado por decantación.
Productos
Los productos obtenidos en porcentaje a la salida del FCC son los siguientes:
- H2-C1-C2 : 4,5%
- C3: 6%
- C4: 10%
- Gasolina: 47%
- Aceite cíclico: 17%
- Aceite decantado: 10%
- Coque: 5%
En caso de haber un coker los aceites se alimentan a esa unidad.
Control del FCC
La operación estable del FCC requiere equilibrio entre los balances de masa y energía. El balance de masa consiste en lo siguiente: todo el coque debe ser quemado en la regeneración. El balance de energía: el catalizador en circulación debe aportar la energía necesaria para la reacción.
Si sube en exceso la temperatura del regenerador, se cambia la relación catalizador-alimentación. La combustión también se puede dirigir a la obtención de CO o CO2 según las necesidades de temperatura variando la alimentación de aire.
