Las unidades modernas de FCC son procesos continuos que funcionan las 24 horas del día durante un período de hasta 3 a 5 años entre paradas programadas para el mantenimiento rutinario.
Hay varios diseños patentados diferentes que se han desarrollado para las unidades modernas de FCC. Cada diseño está disponible bajo una licencia que debe ser adquirida del desarrollador del diseño por cualquier empresa de refinado de petróleo que desee construir y operar un FCC de un diseño determinado.
Hay dos configuraciones diferentes para una unidad de FCC: el tipo «apilado», en el que el reactor y el regenerador de catalizador están contenidos en dos recipientes separados, con el reactor por encima del regenerador, con un faldón entre estos recipientes que permite que la tubería de salida de gases del regenerador se conecte a la parte superior del recipiente del regenerador, y el tipo «lado a lado», en el que el reactor y el regenerador de catalizador están en dos recipientes separados. La configuración apilada ocupa menos espacio físico del área de la refinería. Estos son los principales diseñadores y licenciadores de FCC:
Configuración «side-by-side»:
- CB&I
- ExxonMobil Research and Engineering (EMRE)
- Shell Global Solutions
- Axens / Stone & Webster Process Technology – actualmente propiedad de Technip
- Universal Oil Products (UOP) – actualmente subsidiaria de Honeywell
Configuración apilada:
- Kellogg Brown & Root (KBR)
Cada uno de los licenciantes de diseños propios afirma tener características y ventajas únicas. Una discusión completa de las ventajas relativas de cada uno de los procesos está más allá del alcance de este artículo.
Reactor y regeneradorEditar
El reactor y el regenerador se consideran el corazón de la unidad de craqueo catalítico fluido. El diagrama de flujo esquemático de una unidad moderna típica de FCC que aparece en la figura 1 se basa en la configuración «lado a lado». La materia prima petrolera precalentada y de alto punto de ebullición (a unos 315 a 430 °C), compuesta por moléculas de hidrocarburos de cadena larga, se combina con aceite de lodos reciclados procedentes del fondo de la columna de destilación y se inyecta en el elevador del catalizador, donde se vaporiza y se craquea en moléculas de vapor más pequeñas mediante el contacto y la mezcla con el catalizador en polvo muy caliente procedente del regenerador. Todas las reacciones de craqueo tienen lugar en el elevador del catalizador en un periodo de 2 a 4 segundos. Los vapores de hidrocarburo «fluidifican» el catalizador en polvo y la mezcla de vapores de hidrocarburo y catalizador fluye hacia arriba para entrar en el reactor a una temperatura de unos 535 °C y una presión de unos 1,72 bar.
El reactor es un recipiente en el que los vapores del producto craqueado son: (a) se separan del catalizador gastado fluyendo a través de un conjunto de ciclones de dos etapas dentro del reactor y (b) el catalizador gastado fluye hacia abajo a través de una sección de despojo de vapor para eliminar cualquier vapor de hidrocarburo antes de que el catalizador gastado vuelva al regenerador de catalizador. El flujo de catalizador gastado hacia el regenerador se regula mediante una válvula de corredera en la línea de catalizador gastado.
Como las reacciones de craqueo producen algún material carbonoso (denominado coque de catalizador) que se deposita en el catalizador y reduce muy rápidamente la reactividad del mismo, el catalizador se regenera quemando el coque depositado con aire soplado en el regenerador. El regenerador funciona a una temperatura de unos 715 °C y a una presión de unos 2,41 bares, por lo que el regenerador funciona a unos 0,7 bares más de presión que el reactor. La combustión del coque es exotérmica y produce una gran cantidad de calor que es parcialmente absorbido por el catalizador regenerado y proporciona el calor necesario para la vaporización de la materia prima y las reacciones endotérmicas de craqueo que tienen lugar en el elevador del catalizador. Por esta razón, las unidades de FCC suelen denominarse «equilibradas térmicamente».
El catalizador caliente (a unos 715 °C) que sale del regenerador fluye hacia un pozo de retirada del catalizador, donde se permite que los gases de combustión arrastrados salgan y fluyan de nuevo hacia la parte superior del regenerador. El flujo de catalizador regenerado hacia el punto de inyección de materia prima situado debajo del elevador de catalizador se regula mediante una válvula deslizante en la línea de catalizador regenerado. El gas de combustión caliente sale del regenerador después de pasar por múltiples conjuntos de ciclones de dos etapas que eliminan el catalizador arrastrado del gas de combustión.
La cantidad de catalizador que circula entre el regenerador y el reactor asciende a unos 5 kg por kg de materia prima, lo que equivale a unos 4,66 kg por litro de materia prima. Así, una unidad de FCC que procese 75.000 barriles al día (11.900 m3/d) hará circular unas 55.900 toneladas al día de catalizador.
Columna principalEditar
Los vapores del producto de la reacción (a 535 °C y una presión de 1.72 bar) fluyen desde la parte superior del reactor hasta la sección inferior de la columna principal (comúnmente denominada fraccionador principal, donde tiene lugar la división de la alimentación), donde se destilan para obtener los productos finales de la FCC: nafta de petróleo craqueada, fuel-oil y gas de escape. Tras un procesamiento posterior para eliminar los compuestos de azufre, la nafta craqueada se convierte en un componente de alto octanaje de las gasolinas mezcladas de la refinería.
Los gases de escape del fraccionador principal se envían a lo que se denomina unidad de recuperación de gas, donde se separan en butanos y butilenos, propano y propileno, y gases de menor peso molecular (hidrógeno, metano, etileno y etano). Algunas unidades de recuperación de gas de la FCC también pueden separar parte del etano y el etileno.
Aunque el diagrama de flujo esquemático anterior representa que el fraccionador principal sólo tiene un decapador lateral y un producto de fueloil, muchos fraccionadores principales de la FCC tienen dos decapadores laterales y producen un fueloil ligero y un fueloil pesado. Asimismo, muchos fraccionadores principales de FCC producen una nafta ligera craqueada y una nafta pesada craqueada. La terminología ligera y pesada en este contexto se refiere a los rangos de ebullición de los productos, teniendo los productos ligeros un rango de ebullición más bajo que los productos pesados.
El aceite del producto de fondo del fraccionador principal contiene partículas residuales de catalizador que no fueron eliminadas completamente por los ciclones en la parte superior del reactor. Por esta razón, el aceite del producto de fondo se denomina aceite de lodos. Una parte de ese aceite de lodos se recicla de nuevo en el fraccionador principal por encima del punto de entrada de los vapores del producto de reacción caliente para enfriar y condensar parcialmente los vapores del producto de reacción cuando entran en el fraccionador principal. El resto del aceite de lodos se bombea a través de un sedimentador de lodos. El aceite de fondo del decantador de lodos contiene la mayor parte de las partículas de catalizador del aceite de lodos y se recicla de nuevo en el elevador del catalizador combinándolo con el aceite de alimentación de la FCC. El aceite de lodos clarificado o aceite decantado se extrae de la parte superior del decantador de lodos para utilizarlo en otra parte de la refinería, como componente de mezcla de fuel-oil pesado o como materia prima de negro de humo.
Gases de combustión del regeneradorEditar
Dependiendo de la elección del diseño de la FCC, la combustión en el regenerador del coque sobre el catalizador gastado puede ser o no una combustión completa a dióxido de carbono CO
2. El flujo de aire de combustión se controla para proporcionar la proporción deseada de monóxido de carbono (CO) con respecto al dióxido de carbono para cada diseño específico de FCC.
En el diseño mostrado en la figura 1, el coque sólo se ha quemado parcialmente a CO
2. Los gases de combustión (que contienen CO y CO
2) a 715 °C y a una presión de 2,41 bares se conducen a través de un separador de catalizador secundario que contiene tubos de remolino diseñados para eliminar entre el 70% y el 90% de las partículas de los gases de combustión que salen del regenerador. Esto es necesario para evitar que la erosión dañe los álabes del turboexpansor por el que los gases de combustión pasan a continuación.
La expansión de los gases de combustión a través de un turboexpansor proporciona suficiente energía para accionar el compresor de aire de combustión del regenerador. El motor-generador eléctrico puede consumir o producir energía eléctrica. Si la expansión de los gases de combustión no proporciona suficiente potencia para accionar el compresor de aire, el motor/generador eléctrico proporciona la potencia adicional necesaria. Si la expansión de los gases de combustión proporciona más potencia de la necesaria para accionar el compresor de aire, el motor/generador eléctrico convierte el exceso de potencia en energía eléctrica y la exporta al sistema eléctrico de la refinería.
Los gases de combustión expandidos se conducen entonces a través de una caldera generadora de vapor (denominada caldera de CO) en la que el monóxido de carbono de los gases de combustión se quema como combustible para proporcionar vapor para su uso en la refinería, así como para cumplir con los límites reglamentarios medioambientales aplicables sobre las emisiones de monóxido de carbono.
Los gases de combustión se procesan finalmente a través de un precipitador electrostático (ESP) para eliminar las partículas residuales y cumplir con cualquier normativa medioambiental aplicable relativa a las emisiones de partículas. El precipitador electrostático elimina las partículas de entre 2 y 20 µm de los gases de combustión. Los sistemas de filtrado de partículas, conocidos como Separadores de Cuarta Etapa (FSS), son a veces necesarios para cumplir los límites de emisión de partículas. Éstos pueden sustituir al ESP cuando las emisiones de partículas son la única preocupación.
La turbina de vapor del sistema de procesamiento de gases de combustión (mostrada en el diagrama anterior) se utiliza para accionar el compresor de aire de combustión del regenerador durante los arranques de la unidad FCC hasta que haya suficientes gases de combustión para asumir esa tarea.