Craqueo de Hidrocarburos: Procesos Térmico y Catalítico en Refinerías

Craqueo Térmico: Fundamentos y Variables de Proceso

El craqueo térmico es un proceso fundamental en la industria petroquímica que implica la ruptura de moléculas de hidrocarburos mediante la aplicación de calor. Este proceso se subdivide en reacciones primarias y secundarias, cada una con características distintivas.

Reacciones Primarias del Craqueo Térmico

Se producen rupturas de largas moléculas, obteniendo parafinas, olefinas, cicloolefinas y aromáticos. Estas reacciones son el punto de partida para la formación de productos más ligeros y valiosos.

Reacciones Secundarias del Craqueo Térmico

Son fundamentalmente reacciones de polimerización y condensación, que finalmente producen coque. Estas reacciones demandan un mayor tiempo de residencia en el reactor.

Variables Clave del Proceso de Craqueo Térmico

La eficiencia y los productos obtenidos del craqueo térmico dependen críticamente de varias variables de proceso:

Temperatura de Reacción

Las reacciones de craqueo se inician por encima de los 400 °C, en tanto que la temperatura usual de reacción oscila entre los 490 °C y 495 °C. Es importante destacar que los tiempos de reacción para formar coque son menores a mayor temperatura, lo que implica un control preciso para optimizar la producción y minimizar subproductos indeseados.

Tiempo de Residencia

El tiempo de residencia se controla en las cámaras de reacción, donde se completan las reacciones iniciadas en los hornos. Es en estas cámaras donde se acumula el carbón residual (coque). El diseño de la unidad contempla que, mediante una alta velocidad del producto caliente en los hornos, no se produzca carbón en los tubos del horno de proceso, sino que su formación se concentre en las cámaras de reacción, facilitando así su gestión y limpieza.

Naturaleza de la Alimentación

La composición de la carga es un factor determinante en el craqueo térmico:

• Facilidad de Craqueo: Los productos de mayor peso molecular son los que más fácilmente craquean, es decir, necesitan menor cantidad de energía para iniciar las reacciones. El asfalto, por ejemplo, está constituido por hidrocarburos de alto peso molecular (cadenas superiores a los 150 átomos de carbono).
• Estabilidad Térmica: La estabilidad térmica de los productos disminuye a medida que el peso molecular aumenta. Las moléculas simétricas son más estables que los isómeros de cadena larga.
• Efecto de los Dobles Enlaces: Los dobles enlaces son refractarios al craqueo térmico, lo que significa que son más difíciles de romper bajo estas condiciones.
• Orden de Facilidad de Craqueo: La facilidad de craqueo aumenta en el siguiente orden: Parafinas, Olefinas, Nafténicos y Aromáticos.
• Contenido de Carbón Conradson: A mayor contenido de carbón Conradson en la alimentación (que indica una mayor tendencia a formar carbón), se obtiene una mayor producción de coque.
• Contenido de Aromáticos: A mayor contenido de aromáticos en la carga, se obtiene carbón de mejor calidad.
• Metales Pesados: Los metales pesados, como el níquel, sodio y calcio, catalizan las reacciones de craqueo, disminuyendo los tiempos de reacción. Esto puede provocar que la formación de carbón se inicie prematuramente en los hornos, reduciendo significativamente el factor de servicio de los mismos (tiempo de operación entre 10 a 12 meses).

Craqueo Catalítico Fluido (FCC): Innovación en la Conversión de Hidrocarburos

El Craqueo Catalítico Fluido (FCC, por sus siglas en inglés: Fluid Catalytic Cracking) representa una evolución significativa respecto al craqueo térmico. Se basa en la ruptura de cadenas de hidrocarburos (generalmente del orden de los 45 átomos de carbono) mediante la acción de un catalizador. Este catalizador permite que las reacciones se produzcan a una temperatura más baja que la necesaria para el craqueo térmico de la misma carga, ofreciendo ventajas operativas y de producto.

Las reacciones producidas en el FCC son mucho más rápidas y selectivas que las de craqueo térmico. Los procesos se desarrollan en forma continua, mediante una circulación constante de catalizador que se contacta íntimamente con la carga. Durante el proceso, se genera una cantidad de carbón que se deposita sobre la superficie del catalizador. Posteriormente, el catalizador se regenera por medio de la combustión de este carbón producido, lo que a su vez genera la energía térmica que requiere el sistema para funcionar, haciendo del FCC un proceso energéticamente eficiente.

Las unidades de FCC son las productoras de naftas por excelencia, tanto en calidad como en cantidad. Además, producen una menor cantidad de gas residual en comparación con el Craqueo Térmico. Son también una fuente crucial de propano y propileno, butilenos, isobutanos y butanos de alta calidad, que son materias primas esenciales en numerosos procesos petroquímicos.

Cargas y Producciones en Unidades FCC: Tipos y Calidades

La carga de la unidad de FCC está fundamentalmente compuesta por fracciones pesadas del petróleo, tales como:

• GO pesado de Vacío (Gasóleo de Vacío Pesado)
• GO pesado de Coque (Gasóleo de Coque Pesado)
• GO pesado de Topping (Gasóleo de Topping Pesado)

Los aspectos más importantes de calidad de la carga para una unidad FCC son los siguientes:

• Contenido de Carbón Conradson: Mide el potencial de generación de carbón de la carga, un factor crítico para la operación del catalizador.
• Nivel de Contaminantes: En especial, el níquel y el vanadio son venenos permanentes del catalizador, reduciendo su actividad y vida útil. Un control estricto de estos metales es vital.
• Composición Química de la Carga: Las especies químicas predominantes en la carga definen la calidad de los productos resultantes y la cantidad de carbón producido.

Si bien las unidades de FCC son muy flexibles y pueden procesar cargas muy diversas, es importante conocer sus características detalladas para adecuar la operación y maximizar la eficiencia y el rendimiento de los productos deseados.