El término 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 de craquear 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. Los catalizadores usualmente se componen por óxido de silicio (SiO2) y alúmina (Al2O3).1 El mineral más comúnmente usado para este fin es la faujasita.2

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 catalitíca la constituyen gasóleos, aceites pesados como el DMOH y el DMO (aceite demetalizado hidrogenado y aceite demetalizado, respectivamente). El craqueo catalítico produce naftas e hidrocarburos aromáticos de alto octanaje, como el benceno por medio de la conversión de cicloalcanos y parafinas.3

El craqueo y el reformado catalítico hacen que la refinería pueda responder a los cambios que se producen en la demanda. Las personas a cargo de la programación de la producción se encargan de definir el ruteo de las distintas corrientes obtenidas en la destilación a través de los diversos procesos de conversión, para adecuar la cantidad y calidad de los productos finales, según la demanda.

RESUMEN El craqueo catalítico es un proceso que se lleva a cabo en la refinería de petróleo con el fin de obtener una gasolina de mayor octanaje. El principal subproducto que se obtiene de este proceso consiste en materias primas para la industria petroquímica. La materia prima requerida para este proceso consiste principalmente de gasóleo y del destilado de coque. El proceso de craqueo catalítico tiene tres partes fundamentales: la reacción con los catalizadores para efectuar el craqueo de las moléculas, la regeneración del catalizador y la separación de las diferentes fracciones de hidrocarburos producidas. Existen tres tipos básicos de craqueo catalítico: el craqueo catalítico de líquidos, el craqueo catalítico de lecho móvil y el craqueo catalítico termofor. La diferencia entre estos procesos consiste básicamente en la forma del catalizador y en la manera que este ingresa al reactor.

INTRODUCCIÓN En materia de refinación de petróleo, el craqueo se refiere al rompimiento de moléculas dehidrocarburos de cadena larga en hidrocarburos livianos de cadena más corta que son demayor interés y valor para la industria.En los procesos de craqueo catalítico se emplean catalizadores para acelerar el proceso ypara

trabajar en condiciones menos severas que en algunos otros procesos. Loscatalizadores son sustancias que promueven una reacción sin estar directamenteinvolucradas en ellas. La gran ventaja del uso de catalizadores es que como estos no seconsumen en la reacción, pueden ser regenerados y reutilizados en el proceso, sin embargoesto conlleva a una desventaja que es el costo económico de la regeneración del catalizador.En el presente trabajo se presenta una descripción del proceso y de los diferentes tipos deprocesos de craqueo catalítico que existen. Además del diagrama de flujo del proceso semuestra la ubicación del mismo dentro del diagrama de flujo general de la refinación depetróleo, indicando tanto las materias primas como los productos principales ysubproductos del proceso

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:

1.  Conversión

2.  Fraccionamiento

3.  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.

Planta piloto de craqueo catalítico o FCCLa planta piloto de craqueo catalítico permite reproducir el proceso industrial a escala reducida de manera

fiable, utilizando típicamente 2500 g de catalizador, frente a las 150 - 200 toneladas que utilizan nuestras

unidades industriales.

Una de las características que diferencian el proceso de FCC de otros procesos catalíticos de refinería es que

el catalizador no se sitúa en un lecho fijo, sino que se encuentra fluidizado, es decir, suspendido en un gas de

proceso y en continua circulación en la unidad.

El objetivo del proceso de craqueo catalítico en lecho fluidizado es transformar corrientes pesadas de petróleo

(típicamente gasóleo de vacío, y pequeñas cantidades de corrientes más pesadas como residuo atmosférico o

gasóleos de conversión) en productos más ligeros, produciendo un rango amplio de productos: fuel gas, LPG,

nafta, gasóleo (light cycle oil) y fuelóleo (decanted oil). En sus comienzos, fue diseñado como un producto

para maximizar la producción de gasolina de alto octano, aunque en la actualidad, debido a los avances en

desarrollo de nuevos catalizadores, modificación de condiciones de operación y de proceso, se puede operar

la unidad en otras modalidades de producción (máximo LPG y máximos destilados medios).

En la planta piloto de FCC se realizan actividades tanto de investigación y desarrollo de proceso como de

soporte al negocio de refino. El objetivo es realizar pruebas a pequeña escala, que serían muy costosas de

realizar a escala comercial. Esta planta piloto permite evaluar catalizadores comerciales y seleccionar el más

adecuado para cada unidad industrial, realizar ensayos de optimización de condiciones de operación, evaluar

el impacto de diferentes alimentaciones a la unidad de FCC y otros estudios de proceso similares.

Unidad de laboratorio para realizar tests de microactividad de catalizadores de FCC (MAT). En esta

unidad se realizan ensayos normalizados en condiciones de operación estándar. Entre otras aplicaciones de

esta unidad, merecen destacarse el seguimiento de catalizadores industriales, con objeto de

verificar el nivel de desempeño de los catalizadores utilizados industrialmente, y la realización de

pruebas con nuevos catalizadores o aditivos, cuando se desea obtener información preliminar

antes de pasar a estudios en planta piloto.

Un pozo que ha sido perforado y entubado hasta llegar a la zona donde se encuentra el petróleo,

está listo para empezar a producir.

Desde los separadores, por medio de cañerías, el crudo es enviado a los aparatos especiales

donde se separan de él el gas y el agua.

A través de otras cañerías, conocidas como gasoductos, se conduce el gas a diferentes sitios

para su empleo como combustible o para tratamiento posterior y otras cañerías (oleoductos)

conducen el petróleo a los estanques de almacenamiento desde donde se les envía a su destino.

Refinería de petróleo

Las refinerías de petróleo funcionan veinticuatro horas al día para convertir crudo en derivados

útiles. El petróleo se separa en varias fracciones empleadas para diferentes fines. Algunas

fracciones tienen que someterse a tratamientos térmicos y químicos para convertirlas en

productos finales como gasolina o grasas.

En los primeros tiempos, la refinación se contentaba con separar los productos preexistentes en el crudo,

sirviéndose de su diferencia de volatilidad, es decir, del grosor de una molécula. Fue entonces cuando se

aprendió a romperlas en partes más pequeñas llamadas "de cracking", para aumentar el rendimiento en

esencia, advirtiéndose que ellas y los gases subproductos de su fabricación tenían propiedades "reactivas".

A principios del pasado siglo, los franceses de Alsacia refinaron el petróleo de Pechelbronn, calentándolo en

una gran "cafetera". Así, por ebullición, los productos más volátiles se iban primero y a medida que la

temperatura subía, le llegaba el turno a los productos cada vez más ligeros. El residuo era la brea

de petróleo o de alquitrán. Asimismo, calcinándolo, se le podía transformar en coque, excelente

materia prima para los hornos metalúrgicos de la época.

Los ingenieros norteamericanos y germanos introdujeron los alambiques en cascada, sistema en

que cada cilindro era mantenido a una temperatura constante. El petróleo penetraba en el primero

y una vez rescatado lo que podía evaporarse, pasaba al siguiente, que se encontraba a

temperatura más alta y así sucesivamente hasta el último, desde el cual corría la brea.

El principio básico en la refinación del crudo radica en los procesos de destilación y de conversión,

donde se calienta el petróleo en hornos de proceso y se hace pasar por torres de separación o

fraccionamiento y plantas de conversión.

Antigu

a

refiner

ía

Planta

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moder

nas

En las distintas unidades se separan los productos de acuerdo a las exigencias del mercado.

La primera etapa en el refinado del petróleo crudo consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la

masa molecular.

El crudo se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, donde la temperatura

disminuye con la altura.

Las fracciones con mayor masa molecular (empleadas para producir por ejemplo aceites lubricantes y ceras)

sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen.

Las fracciones más ligeras (que darán lugar por ejemplo a combustible para aviones y gasolina) suben más

arriba y son extraídas allí.

Todas las fracciones se someten a complejos tratamientos posteriores para convertirlas en los productos

finales deseados.

Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los

elementos sólidos y se separa el gas natural. A continuación se almacena el petróleo en tanques

desde donde se transporta a una refinería en camiones, por tren, en barco o a través de un

oleoducto. Todos los campos petroleros importantes están conectados a grandes oleoductos.

Petróleo, proceso y refinado

Destilación básica

La herramienta básica de refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a

vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua.

Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más

bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes.

El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y

finalmente el queroseno.

En las antiguas destilerías, el residuo que quedaba en la caldera se trataba con ácido sulfúrico y a

continuación se destilaba con vapor de agua.

Las zonas superiores del aparato de destilación proporcionaban lubricantes y aceites pesados,

mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto.

Ver: PSU: Química; Pregunta 03_2006

Craqueo térmico

El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión, se desarrolló en un esfuerzo para aumentar el

rendimiento de la destilación.

En este proceso, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide

(craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad

de gasolina —compuesta por este tipo de moléculas— producida a partir de un barril de crudo.

No obstante, la eficiencia del proceso era limitada, porque debido a las elevadas temperaturas y presiones se

depositaba una gran cantidad de coque (combustible sólido y poroso) en los reactores. Esto, a su vez, exigía

emplear temperaturas y presiones aún más altas para craquear el crudo.

 Más tarde se inventó un proceso de coquefacción en el que se recirculaban los fluidos; el proceso

funcionaba durante un tiempo mucho mayor con una acumulación de coque bastante menor.

Muchos refinadores adoptaron este proceso de pirólisis a presión.

Alquilación y craqueo catalítico

La alquilación y el craqueo catalítico aumentan adicionalmente la gasolina producida a partir de un

barril de crudo.

En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo térmico se recombinan en

presencia de un catalizador.

Esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores

propiedades (por ejemplo, mayores índices de octano-octanaje) como combustible de motores de

alta potencia, como los empleados en los aviones comerciales actuales.

En el proceso de craqueo catalítico, el crudo se divide (craquea) en presencia de un catalizador

finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego

pueden recombinarse mediante alquilación, isomerización o reformación catalítica para fabricar

productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados.

 La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica, que produce

alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para

fabricar medicinas, nylon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimenticios, explosivos,

tintes y materiales aislantes.

Etapas del refinado de petróleo