Tb craqueo catalitico de fluidos
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CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO
(FCC)
INTEGRANTES:
CHAMOCHUMBE CASTILLO, MARCIA U201322474
PARDO VILLAVICENCIO, LUCIA U201111886
RAMOS GÓMEZ, JOCELYNE U201011217
ZARATE PAIVA, ROXANA U201020103
2014
TECNOLOGÍA Y
AUTOMATIZACIÓN
INDUSTRIAL
UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
PROFESOR: NIKOLAI VINCES RAMOS
TECNOLOGÍA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
2
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
ÍNDICE
1. Introducción ............................................................................................................................. 4
2. Descripción general del sector en el Perú (importancia, demanda, importaciones, productos
sustitutos, disponibilidad de materias primas) ............................................................................. 5
3. Diagramas de flujo de bloques y de proceso ........................................................................... 6
3.1 Diagrama de flujo del proceso ............................................................................................ 6
3.2 Diagrama de flujo de bloques ............................................................................................. 7
3.3 Diagrama de operaciones ............................................................................................... 10
4. Descripción detallada del proceso o sub-proceso a ser automatizado ................................. 11
4.1. Etapa de reacción ........................................................................................................... 12
4.1.1. Precalentamiento de la carga ................................................................................. 12
4.1.1.1. Características de la carga .............................................................................. 13
4.1.2. Sistema reactor ....................................................................................................... 14
4.2.1.1. Características del catalizador ........................................................................ 16
4.2. Etapa de regeneración ................................................................................................... 16
4.3. Etapa de fraccionamiento .............................................................................................. 19
4.3.1. Características de productos y subproductos ........................................................ 20
5. Análisis de lazos de control, variables medidas y manipuladas ............................................. 22
6. Bibliografía ............................................................................................................................. 25
TECNOLOGÍA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama de flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido I 6
Figura 2. Diagrama de flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido II 6
Figura3. Diagrama de bloques de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido 7
Figura 4. Diagrama del flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido 8
Figura 5. Diagrama del flujo de proceso del Refinamiento de Petróleo 9
Figura 6. Diagrama de flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido 10
Figura 7. Detalles del proceso de craqueo catalítico fluido. 12
Figura 8. Ejemplo de convertidor catalítico y accesorios de Orthoflow de Kellog Company (Austin, 1988) 13
Figura 9. Ejemplo de Reactor-Regenerador de Orthoflow (Exxon Mobil) 15
Figura 10. Ejemplo de regenerador de Orthoflow (Exxon Mobil) 19
Figura 11. Diagrama de lazos de control de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido 22
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de variables de Entrada 23
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CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
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1. Introducción Desde inicios del siglo XIX el petróleo se ha vuelto la energía más importante
del mundo, de tal forma que la gran mayoría de las actividades principales,
económicas del mundo están orientadas a su producción, pues cubre
aproximadamente el 40% de las necesidades energéticas mundiales. Además
ha sido el responsable de conflictos bélicos en algunas partes del mundo
(Oriente Medio Es por ello que es importante el estudio de su proceso de
producción y su constante mejora continua durante su extracción, ya que este
es un recurso natural no renovable y su agotamiento ocasionaría una
verdadera catástrofe, pues no solo los aviones, automóviles, autobuses entre
otros medios de transportes dejarían de funcionar sino también los países
depende dientes de este entrarían en bancarrota y las economías y las
economías se vendrían abajo.
En esta oportunidad nosotros estudiaremos el método más eficiente para la
transformación de este mineral en gasolina, gas olefinicos entre otros
productos, usados en nuestra vida cotidiana.
El proceso de craqueo catalítico de fluido de transformación es el más
importante dentro de todos los que se utilizan en las refinerías de petróleo, el
proceso tiene como finalidad romper las cadenas de los hidrocarburos del
orden de los 45 átomos de carbono, convirtiendo así los aceites crudos de
petróleo a la gasolina, gases olefínicos y otros productos. Otros métodos como
el craqueo térmico ha sido totalmente reemplazado por este ya que se obtiene
más gasolina con mayor octanaje entre gases con más olefínico, es decir
productos más valiosos. Otras características de este proceso es que son
reacciones mucho más rápidas y selectivas a comparación de los otros
métodos, se dan en forma continua mediante un contacto entre el catalizador y
la carga , regenerándose posteriormente mediante la combustión del carbón
que se ha producido, obteniéndose así la energía que requiere el sistema para
su funcionamiento.
Este proceso es comúnmente usado por las refinerías para lograr un equilibrio
entre la demanda actual del mercado hacia la gasolina y otros productos
pesados.
En la actualidad existen aproximadamente 400 refinerías de petróleo en todo
el mundo y al mendo un tercio de estas utilizan el método de FCC para obtener
gasolina de alto octanaje y aceites combustibles
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2. Descripción general del sector en el Perú
(importancia, demanda, importaciones, productos
sustitutos, disponibilidad de materias primas)
El Perú tiene una larga tradición en operaciones petrolíferas, pues tuvo un lugar muy
importante en las actividades de extracción dentro de todo Iberoamérica, en la
actualidad se encuentran operando alrededor de siete compañías petroleras y existen
ocho que han firmado contratos con nuestro gobierno para la exploración y formación
de programas de hidrocarburos.
En el Perú durante el siglo XX se inauguró la primera refinería de crudo del país en el
departamento de Piura, en la ciudad de Talara, pues aquí yace una especie de brea
llamada “copé”, la cual es el centro de explotación más importante en el país.
Otras refinerías existentes pero con menor predominancia que la mencionada son las
de Conchan ubicada en el departamento de Lima, Iquitos en el departamento de
Loreto, y el Milagro en el Amazonas. Hoy en día se refina aproximadamente más de
85 mil barriles diarios usándose los procesos de craqueo catalítico para la producción
de las gasolinas, gas licuados, turbo combustible para la aviación, diésel querosene,
petróleos industriales y asfaltos, entre otros productos derivados.
Teniendo como principal función la de desarrollar actividades de refinación y
comercialización de hidrocarburos en los mercados nacionales e internacionales,
utilizándose procesos no solo eficientes durante la producción sino también procesos
modernos que proveerán combustibles más limpios para el país.
En el Perú el complejo de craqueo catalítico fue instalado en el 1974 bajo el diseño
mecánico y construcción de la firma Japan Gasolina Co. (JGC), utiliza la tecnología
Universal Oil Products (UOP).
Este complejo tiene las siguientes plantas:
Unidad de Destilación al Vacío
Unidad de Craqueo Catalítico
Unidad de Recuperación de Gases
Unidad Meros
Siendo los productos principales: GLP, nafta craqueada y material de corte.
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3. Diagramas de flujo de bloques y de proceso
3.1 Diagrama de flujo del proceso
Figura 1. Diagrama de flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido I
Figura 2. Diagrama de flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido II
Regenerador
Reactor o
recipiente de
separación
Decantador
de lodo
Fraccionador
Elevador(Riser)
Gas (C4 + más ligero)
Gasolina
Gasóleo Ligero
Gasóleo pesado
Lodo clarificado
Aire
Cambio de petróleo crudo
Gas de chimenea
Hacia eliminación
de partículas y
recuperación de
energía
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3.2 Diagrama de flujo de bloques
Figura3. Diagrama de bloques de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido
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REFINAMIENTO DE PETROLEO
Eliminar contaminantes del petróleo crudo
(desalinización)
El petróleo crudo desalinizado se dirige ala
torre de Destilación atmosférica
Separación del hidrocarburo
Separación del hidrocarburo
Se dirige a la ruptura de viscosidad
Gasóleo (producto) se dirige a la
siguiente unidad
El residuo (producto) se dirige a la torre de vacío
CRAQUEO CATALITICO DE FLUIDOS
Los Gasóleos (producto) se dirige a la siguiente unidad
Se produce residuos
Se dirige al desasfaltado
Se dirige a la coquización
Eliminación de asfalto
Aceite lubricante pesado se dirige a la siguiente unidad
Se descompone reduciendo la
viscosidad
Se descompones convirtiendo
residuos de vacío
Gasóleo se dirige a la siguiente unida
Destilado ligero se dirige a la
siguiente unidad
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Figura 4. Diagrama del flujo de proceso del Refinamiento de Petróleo
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CRAQUEO CATALITICO DE FLUIDOS
Calentar hidrocarburo
procediente de la anterior unidad
¿El catalizador es regenerado?
Circular hacia el regenerador
Mezclar con aire precalentado y
aceite
Añadir catalizador fresco
Extraer catalizador agotado y los gases
de chimenea
Mezclar catalizador regenerado con el
hidrocarburo
Combinar carga con aceite reciclado
Conducir hidrocarburo al
elevador
Dirigir hacia reactor o recipiente de
separación
Calentar mezcla hasta la evaporación (aprox. temperatura
del reactor)
¿Mezcla asciende por el reactor?
NO
Orientar los vapores del petróleo hacia el
fraccionador
Se dirige catalizador hacia eliminador de
catalizador
SI
SI
NO
Separar en fracciones el
producto obtenido
Residuo (Aceite pesado) se dirige al decantador de lodo
Gas, Gasolina, GOP, GOL se dirige a las
siguientes unidades
FIN
Figura 5. Diagrama del flujo de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido
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3.3 Diagrama de operaciones
2
3
Mezclado(elevador)
MP: Hidrocarburo precalentado(GOP)
Catalizador
Calentado (Reactor)
Separado(Fraccionador)5
VAPORES DE PETROLEO
Catalizador agotado
PF: Gasóleo Ligero/Pesado, Gasolina, Gas, Residuo
Aire precalentado y coque
1Quemado
(Regenerador)
Catalizador frescoCatalizador agotado
CATALIZADOR REGENERADO
4 Vaporizado
Aceite
Figura 6. Diagrama de Operaciones de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido
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4. Descripción detallada del proceso o sub-proceso a ser
automatizado
El proceso FCC es considerado relevante en la rentabilidad del proceso de refinación
del petróleo y determina la competitividad de las refinerías dentro del mercado actual.
Este se encarga de la conversión de fracciones pesadas de petróleo, cuyo propósito se
basa en descomponer los hidrocarburos complejos en moléculas más simples, para
convertir estas fracciones de productos de bajo valor comercial en productos de alta
calidad y reducir la cantidad de residuos.
Los hidrocarburos pesados se exponen a alta temperatura y baja presión, a partir del
uso de catalizadores que dependen de una combinación de la mayor reactividad
posible como la máxima resistencia al desgaste, estas favorecen las reacciones
químicas que normalmente son catalizadores sólidos (zeolita, hidrosilicato de aluminio,
arcilla bentónica tratada, tierra de batán, bauxita y alumina-sílice) en forma de polvos,
gránulos o materiales perfilados denominados pastillas extruidas. Este proceso
reorganiza la estructura molecular, convirtiendo las cargas de hidrocarburos pesados
en fracciones más ligeras, como queroseno, gasolina de alto octanaje, GLP, gasóleo
para calefacción y cargas petroquímicas; además, como subproductos se obtienen
aceites pesados y gases ligeros que son utilizados como combustible dentro y fuera de
la refinería.
En todo proceso de craqueo catalítico hay tres secciones básicas:
Reacción: la carga reacciona con el catalizador y se descompone en diferentes
hidrocarburos.
Regeneración: el catalizador se reactiva quemando el coque.
Fraccionamiento: la corriente de hidrocarburos craqueados se separa en
diversos productos.
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Figura 7. Detalles del proceso de craqueo catalítico fluido.
4.1. Etapa de reacción
4.1.1. Precalentamiento de la carga
La carga o alimentación FCC es generalmente una porción de crudo que consiste en la
mezcla de parafinas, aromáticos, naftenos y, en ciertos casos, olefinas. Las
propiedades de la carga FCC dependen tanto del origen del crudo del cual provienen
como del proceso de refinación previo. Esta carga puede ser gasóleo proveniente de la
destilación atmosférica, torre de vacío o coquizadora, o también una mezcla de estas
corrientes con residuos atmosféricos o de vacío. La carga se calienta entre 400 y 630 K
(127 – 357 °C) usando como fuentes de calor un sistema de intercambiadores de calor
Aire procesado
Gas de combustión
Vapor
Agua de alimentación
hervida
Recuperación
de energía
Aire procesado
Reacción de
catalizador
Regeneración
de catalizador
Regenerador
catalítico
Vapor de reactor
Vapor Aceite
crudo
Reactor
FCC
Columna de
destilación o
Fraccionadora
Gases de combustión
Aceite
combustible
Aceite ligero
Nafta
pesada
Gas tratado
LPG
Gasolina
Concentración
de gases
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con los fondos de la columna de destilación fraccionada o con hornos directos, figura 2.
Esta temperatura puede usarse como perturbación del sistema regulando el flujo de
combustible al horno o el flujo de los fondos en el intercambiador según sea el caso, el
cual provee una herramienta para modificar fácilmente la relación catalizador/aceite.
Figura 8. Ejemplo de convertidor catalítico y accesorios de Orthoflow de Kellog Company
(Austin, 1988)
4.1.1.1. Características de la carga
Entre las principales propiedades que debe poseer la carga es importante conocer el
tipo de familias químicas que la constituyen, así como las impurezas que afectan la
calidad de la misma. La clasificación de los hidrocarburos se divide en parafinas,
olefinas, naftenos y aromáticos.
Las parafinas o alcanos son hidrocarburos de cadena lineal o ramificada con
fórmula CnH2n+2. La carga FCC es mayormente parafínica (del 50 al 65% en peso
de la alimentación), ya que son fáciles de desintegrar produciendo mayores
rendimientos cuya mayor proporción es gasolina.
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Las olefinas o alquenos son hidrocarburos insaturados con fórmula CnH2n, son
inestables y pueden reaccionar entre ellos o con otros componentes como el
oxígeno y el bromo en solución, no existen naturalmente sino que aparecen
como resultado del reprocesamiento de la carga; los cuales incluyen la
desintegración térmica y otras operaciones de desintegración catalítica. Las
olefinas producen compuestos indeseables como el coque. Se encuentra en
baja proporción (5% en peso de la carga).
Los naftenos o cicloalcanos son compuesto saturado y cíclico formulado igual
que la olefina pero con características diferentes y son más importantes porque
producen gasolina de alto octano. La gasolina proveniente de naftenos es más
pesada y con más aromáticos que aquélla proveniente de parafinas.
Los aromáticos con fórmula CnH2n-6, son parecidos a los naftenos pero con un
anillo insaturado estable. Los aromáticos contienen al menos un anillo
bencénico y son indeseables porque la mayoría no se pueden desintegrar. En
comparación con las parafinas, los aromáticos producen poca gasolina con
menos ganancia del volumen de los productos y gasolina de alto octano.
4.1.2. Sistema reactor
Las reacciones se llevan a cabo totalmente en el riser, con un tiempo de contacto corto
antes de que el catalizador y los productos sean separados aunque pudieran ocurrir
posteriormente algunas reacciones térmicas indeseables. El riser tiene dos funciones:
proporciona espacio para la separación del catalizador y los productos FCC a través de
separadores tipo ciclón y sirve durante la etapa de agotamiento.
Cuando el ciclo comienza se alimenta el combustible precalentado de bajo valor y se
mezcla con vapor para después ser inyectado en el riser del reactor, inmediatamente
la carga entra en la base del riser poniéndose en contacto con el catalizador caliente
regenerado. La relación en peso catalizador/aceite varía de 4 a 9. Este catalizador
caliente proveerá calor sensible, calor de vaporización y calor de reacción los cuales
son necesarios para la separación endotérmica siendo la principal fuente de energía
necesaria para la reacción.
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Como resultado de la reacción de separación un material de carbono (coque) se
depositan sobre las superficies del catalizador, este coque genera que el catalizador se
desactive con lo cual será necesario regenerar continuamente dicho catalizador. El
catalizador utilizado pasa a través de una zona de recuperación que ocurre durante
una fase de vapor por lo que es necesaria la atomización de la carga a la entrada del
riser. Esta atomización se obtiene con ayuda de vapor de agua con el objetivo de
remover y evitar con ello que el hidrocarburo llegue a los sitios ácidos del catalizador y
se depositen. La expansión de los vapores del hidrocarburo provoca la elevación del
catalizador a través del riser.
Después de la separación inercial, el catalizador contiene aún hidrocarburos atrapados
en su superficie. Estos hidrocarburos se separan en el agotador usando vapor de agua
cuyo contacto con el catalizador es en contracorriente con una velocidad del vapor de
0.25 m/s y un flujo de catalizador de 40 a 60 kg/s m2.
Figura 9. Ejemplo de Reactor-Regenerador de Orthoflow (Exxon Mobil)
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4.2.1.1. Características del catalizador
Un catalizador es una sustancia que acelera o reduce la velocidad de una reacción. De
las propiedades del catalizador depende la selectividad y el rendimiento de productos
involucrando directamente en la rentabilidad económica de las plantas de proceso.
Para el proceso FCC el catalizador se formula con materiales como: componente
activo, matriz y aditivos. La proporción de estos componentes depende de los
objetivos de operación tales como maximizar el índice de octano de las gasolinas o
minimizar la producción de coque.
Los aditivos del catalizador son materiales agregados con el propósito de mejorar el
comportamiento de la unidad y tienen diferentes funciones como promover la
combustión de coque en el regenerador, mejorar el octano de la gasolina, maximizar el
rendimiento de olefinas, reducir los gases sulfurados en los gases de combustión y así
evitar que se disminuya irreparablemente la actividad del catalizador.
4.2. Etapa de regeneración
Una parte de los hidrocarburos se deposita en los poros del catalizador y es
irremediablemente quemado en el regenerador trayendo como consecuencia una
pérdida de productos, un incremento en la temperatura del regenerador debido a la
combustión de hidrógeno, y una pérdida de actividad ya que la combinación de
temperaturas altas con la formación de vapor destruye la estructura cristalina del
catalizador.
El regenerador tiene dos funciones:
Restaurar la actividad del catalizador
Suministrar el calor para la desintegración
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El catalizador pierde su actividad debido a que, como consecuencia de la
desintegración catalítica, el coque se deposita sobre su superficie. El catalizador entra
al regenerador con 0.8 a 2.5% de coque dependiendo del tipo de carga. El compresor
de aire, siendo la fuente de oxígeno para la combustión del coque, posee una
velocidad y presión tal que mantiene un estado fluidizado al lecho catalítico para
recuperar su actividad. El aire entra al regenerador por un distribuidor localizado
ubicado al fondo y cuyo diseño es tal que permite un suministro uniforme.
Desde el punto de vista de la densidad de partículas catalíticas existen dos regiones en
el regenerador, además se usa un conjunto de ciclones en serie (de 6 a 16, primarios y
secundarios) diseñados para retener partículas menores de 20µ.
El lecho denso está situado encima del distribuidor donde el gas de
combustión acarrea pequeñas porciones de catalizador, partículas entre 50 a
90µ hasta que lo abandona.
El lecho diluido que está situado en la entrada de los ciclones y que contiene
menos cantidad de catalizador. Esta cantidad depende de la velocidad de
salida de los gases estas son pequeñas (0 a 50µ) y son suspendidas
constituyendo este lecho.
La distancia encima del lecho, donde la velocidad de este gas es constante, se llama
altura de separación de transporte (TDH). A esta distancia el catalizador ya no cae
hacia el lecho por la acción gravitatoria, por lo que la entrada a la primera etapa de los
ciclones debe estar a un TDH mayor. En caso contrario podrían perderse grandes
cantidades de catalizador. De esta manera el catalizador recuperado retorna al
regenerador y el gas de combustión sale de los ciclones dirigiéndose a un precipitador
electrostático para la remoción de partículas contaminantes y finalmente enviado a un
sistema de recuperación de energía.
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Existen dos formas de operar al regenerador:
La combustión parcial implica que el coque no es convertido totalmente a CO2
y la temperatura en el regenerador se mantiene en intervalos moderados
permitiendo manejar cargas más pesadas que produzcan más coque. La
oxidación de CO a CO2 produce 2.5 veces más calor que de C a CO por lo que, al
no existir una conversión total a CO2, la temperatura del regenerador se
mantiene a niveles bajos.
La combustión total usa un exceso de O2 para quemar todo el CO
disminuyendo el contenido de coque en el catalizador a menos de 0.1% en
peso, aumentando la actividad y la selectividad. Esta puede conseguirse
térmicamente con un diseño apropiado del regenerador o, si las condiciones
ideales no son alcanzadas, a través de un generador de combustión que
contenga trazas de platino, paladio u osmio. Finalmente, dada la conversión
total del coque en CO2, la temperatura del regenerador aumenta
considerablemente por lo que el flujo de aire es usado para mantener a ésta en
límites aceptables. .
Los flujos del catalizador agotado y regenerado se regulan automáticamente a través
de válvulas de deslizamiento semejantes a placas de orificio variable cuyo objetivo
depende de su ubicación. La válvula de deslizamiento para catalizador agotado regula
la cantidad de catalizador que ingresa al regenerador. Por su parte, la válvula de
deslizamiento del catalizador regenerado se encarga de suministrar suficiente
catalizador para calentar la carga y alcanzar la temperatura deseada en el riser.
Además de estas válvulas, existen diversas válvulas que regulan otros flujos que entran
y salen de la unidad tales como gasóleo, aire, gases de combustión y productos FCC.
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Figura 10. Ejemplo de regenerador de Orthoflow (Exxon Mobil)
4.3. Etapa de fraccionamiento
La fraccionadora tiene como principal función condensar y separar los productos de
reacción por destilación de cadenas largas de hidrocarburos en unos con cadenas más
cortas generando así, nuevos productos. El fraccionamiento implica la condensación y
revaporización de los compuestos de hidrocarburos mientras el vapor fluye
ascendentemente a través de los platos y empaque de la torre de absorción y una
columna de destilación fraccionada. La columna de destilación fraccionada es conocida
como fraccionador principal cuya función es separar físicamente a los productos FCC
de acuerdo a sus puntos de ebullición para que, posteriormente, sean trasladados a
otras partes de la refinería para su uso interno o hacia otra etapa para que los
productos alcancen las características necesarias para su comercialización.
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4.3.1. Características de productos y subproductos
Los productos más importantes en el proceso FCC son las olefinas y la gasolina debido
a su alto valor comercial a nivel mundial. Actualmente, las olefinas son la materia
prima en petroquímica para la generación de polímeros y otros derivados, mientras
que la gasolina constituye el combustible de transporte más usado en el mundo.
Además de estos productos, se obtienen subproductos con menor valor comercial,
entre estos:
La gasolina es el producto más importante de la desintegración catalítica y su
calidad, medida en números de octano que indica la calidad y capacidad
antidetonante de las gasolinas para evitar las detonaciones y explosiones en las
máquinas de combustión interna, de tal manera que se canalice esta energía en
la generación de energía útil para el motor; también depende de las
condiciones de operación y del tipo de catalizador usado. Las gasolinas pueden
clasificarse de acuerdo a su origen y procesamiento en:
a) Gasolina de destilación primaria, la cual es originalmente de un bajo
octanaje por lo que es enviada a hidrotratamiento y reformación.
b) Gasolina hidrodesulfurada, es sometida a algún proceso de hidrotratamiento
para la eliminación de azufre y nitrógeno.
c) Gasolina reformada, se encarga de elevar sustancialmente el octanaje de las
gasolinas primarias desde 60 hasta 100 octanos.
d) Gasolina catalítica, resultado del proceso de desintegración catalítica en el
proceso FCC.
El gas (C2 y más ligeros) que quedan en la torre de absorción es gas seco y
contiene hidrógeno, metano, etano, etileno y trazas de H2S. Este es tratado con
aminas para remover el H2S y otros gases ácidos y posteriormente es enviado al
sistema de gas combustible de la refinería. Se usa normalmente en el
hidrotratamiento.
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El vapor de salida del desbutanizador o estabilizador, usualmente referido
como GLP, es rico en propileno y butileno los cuales son útiles en la producción
de gasolina reformulada. Además, los butilenos y pentenos son utilizados en la
fabricación de aditivos para la gasolina.
Los aceites cíclicos:
a) El aceite cíclico ligero (ACL) se usa como especie de licuefacción en aceite
caliente y diesel.
b) El aceite cíclico pesado (ACP) ebulle entre el ACL y el aceite decantado, se
usa para transferir calor a la alimentación o al desbutanizador, y es
procesado en el hidrotratador o mezclado con el aceite decantado.
El aceite decantado, es el más pesado y barato de los productos FCC, se vende
como carbón negro o se recicla para su desintegración.
El coque es un conjunto de componentes de C, H y trazas de N y S que es en
realidad necesario en la operación del proceso FCC pues su combustión
compensa la pérdida de calor en el riser.
a) Coque catalítico, producido de la desintegración de la carga FCC a productos
más ligeros.
b) Coque contaminante, producido por la presencia de metales como el níquel
y vanadio, depositados en el catalizador.
c) Coque en la carga, proviene de la carga.
d) Coque de circulación. Es un coque rico en hidrógeno y proviene de la etapa
de agotamiento.
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5. Análisis de lazos de control, variables medidas y
manipuladas Para el debido de análisis de los lazos de control del proceso de Craqueo Catalítico de Fluidos se utilizó el Esquema de la FCC del modelo F Kellog Orthoflow ya que ha llegado a ser un estándar para la validación de las estructuras de control de las FCC en las refinerías de Petroleo.
Figura11. Diagrama de lazos de control de proceso del Craqueo Catalítico de Fluido
PC
PdC
PC
LC
FC
GAS
COMBUSTIBLE
PC
TC
FC F
C
PRODUCTO (GAS CRAQUEADO)
REACTOR
REGENERADOR
VERTICAL
SOPLADOR DE
AIRE DE
COMBUSTIÓN HORNO
AIRE
TURBINA
ALTA PRESIÓN DE
GAS
COMPRESOR
DE GAS
HUMEDO TURBINA
ALTA PRESIÓN DE
GAS
VAPOR
FRACCIONADOR
PRINCIPAL VAPOR
GAS DE
COMBUSTIÓN
u2
u4 u3
u1
u7
u6
u5
y7
y2 y1
y6
y9
y8
y4 y5
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Como podemos ver en el esquema, se estan definiendo los lazos de control pero para
poder desarrolarlos tenemos que tener en cuenta las entradas o variables manipuladas
del proceso serán: u0, u2, u3 y u8. Las salidas o variables controladas del sistema serán
y0, y1, y2 y y3.
Tabla 1. Tabla de variables de Entrada
Variables Manipuladas:
Tasa de flujo total de aire de combustión (u0). El aire es usado para la
combustión del coque formado en las reacciones de craqueo, el cual se
deposita sobre la superficie del catalítico gastado desactivándolo. El coque será
removido con el fin de reactivar el catalítico. La energía de combustión ayuda a
mantener la alta temperatura del regenerador, supliendo así el calor requerido
para la reacción de craqueo en el riser. En el modo de combustión parcial, una
gran cantidad de flujo de aire dentro del regenerador genera más energía,
incremente la temperatura de sí mismo, lo cual permite que se incremente la
temperatura del riser [3].
Variables de entrada
Tasa de flujo total de aire de combustión u0
Posición de la válvula de catalítico regenerado u1
Tasa de flujo total de petróleo alimentado (Diesel + Petroleo pesado) u2
Temperatura de la tasa de flujo total de petróleo u3
Posición de la válvula del flujo de gas combustible u4
Posición de la válvula de catalítico gastado u5
Flujo de vapor a la posición de la válvula de la turbina de compresión de gas u6
Temperatura del aire de combustión u7
Primer etapa/razón de alimentación de flujo de aire u8
Variables de salida
Temperatura del regenerador 1ª etapa de la fase densa y0
Temperatura del regenerador 2ª etapa de la fase densa y1
Severidad estimada de la reacción de craqueo y2
Temperatura del Riser (reactor) y3
Diferencial de presión entre el reactor y el regenerador y4
Catalítico inventado en el reactor y5
Presión de succión del compresor de gas húmedo y6
Temperatura del regenerador 1ª etapa de la fase diluida y7
Temperatura del regenerador general de la fase diluida y8
TECNOLOGÍA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
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Tasa de flujo total de petróleo alimentado dentro del riser (u2), está definida
por la demanda del mercado y la planificación de la producción sin embargo,
esta variable puede ser usada para atenuar perturbaciones transitorias. Una
larga cantidad de flujo introducido decrementa la proporción del catalítico del
flujo de petróleo alimentado, decrementa la temperatura del riser, decrementa
el ritmo de conversión de los productos alimentados y así, reduce la formación
de coque [3].
Temperatura de la tasa de flujo total de petróleo (u3). Esta entrada es usada
para cerrar el balance de control en el proceso. Las más altas temperaturas de
la alimentación introducen más energía en el sistema global de la FCC,
incrementando así todas las temperaturas del mismo [3].
Primer etapa/razón de alimentación de flujo de aire (u8). Esta es la ultima
variable que manipularemos en el proceso con el fin de completar así las
estructura de control en el sistema de FCC que intentamos controlar.
Salidas o variables controladas del proceso:
Las temperaturas de la fase densa del regenerador del primero y segundo
estado (y0 y y1) son usados para estabilizar la operación del FCC. En esta es
importante controlar esas variables para proveer suficiente calor para la
alimentación de la vaporización y el craqueo, evitar la desactivación irreversible
del catalítico y administrar los ciclones en el regenerador además, minimiza la
concentración del coque sobre el catalítico regenerado [3].
Severidad estimada de la reacción de craqueo (y2). Esta es una variable
estimada y es bastante relacionada a la tasa de conversión de los productos
realimentados [3]
Temperatura del riser (y3), deberá ser controlada para estabilizar las reacciones
de craqueo y es muy relacionada a las ganancias económicas de la FCC.
Típicamente, esta variable es usada para maximizar la tasa de conversión de los
productos realimentados [3].
TECNOLOGÍA Y AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
CRAQUEO CATALÍTICO FLUIDO (FCC)
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6. Bibliografía
Organización Internacional del Trabajo. ENCICLOPEDIA DE SALUD Y SEGURIDAD
EN EL TRABAJO. Volumen III. Capítulo 78: Petroleo y gas natural.
Sección 4: Industria de refinamiento del petróleo. Flujo del proceso. (Consulta:
07 de Octubre del 2014)
(https://attachment.fbsbx.com/file_download.php?id=936944142986808&eid=
ASt7pZ6NgxXF9y6srTzIYo3M70H9Y_0bwu-_ureO-
BGROxGOMt74aGCha9zhgVrpfRo&inline=1&ext=1412661449&hash=AStObmb
bOVwWWgHi)
Occupational Safety and Health Administration, OSHA. Sección 4. Capítulo 2:
Proceso de refinación del petróleo. (Consulta: 06 de Octubre del 2014)
(https://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iv/otm_iv_2.html)
FCC Conversion Technology. Exxon Mobil Reasearch and Engineering (Consulta:
4 de Octubre del
2014)(http://www.exxonmobil.com/Apps/RefiningTechnologies/Files/sellsheet
_07a_fcc.pdf)
Catalytic Cracking: Fluid Catalytic Cracking And Hydrocracking. Course:
Chemical Technology. (Consulta: 4 de Octubre del 2014)
Petroperu
(http://nptel.ac.in/courses/103107082/module6/lecture5/lecture5.pdf)
Control Predictivo De Una Unidad Catalitica De Crudo (Fccu) Usando Inca. (Consulta: 29 de Setiembre del 2014) http://www.bdigital.unal.edu.co/839/1/76143147_2009.pdf
Automatización Industrial Asignación I. Miller Rene Rodríguez Pablos (2010) (Consulta: 30 de Setiembre del 2014) http://dc159.4shared.com/img/_d2UDVRZ/preview.html