Journal of the Mexican Chemical Society

ISSN: 1870-249X

editor.jmcs@gmail.com

Sociedad Qumica de Mxico

Mxico

Gmez, Mara T.; Ancheyta, Jorge; Marroqun, Gustavo; Alonso, Fernando; Betancourt, Gerardo;

Centeno, Guillermo

Formacin de sedimentos durante la hidrodesintegracin de residuos del petrleo

Journal of the Mexican Chemical Society, vol. 47, nm. 3, julio-septiembre, 2003, pp. 260-266

Sociedad Qumica de Mxico

Distrito Federal, Mxico

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=47547310

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Revista de la Sociedad Qumica de Mxico, Vol. 47, Nm. 3 (2003) 260-266

Revisin

Formacin de sedimentos durante la hidrodesintegracin de residuos del petrleoMara T. Gmez,1 Jorge Ancheyta,1* Gustavo Marroqun,1,2 Fernando Alonso,1,3 Gerardo Betancourt1y Guillermo Centeno1,3

1 Instituto Mexicano del Petrleo, Eje Central Lzaro Crdenas 152, 07730 Mxico, D. F. Fax: (55) 3003-8429; E-mail: jancheyt@imp.mx

2 Centro de Investigacin en Ciencia Aplicada y Tecnologa Avanzada-IPN, Legaria 694, Mxico, D.F. 115003 Instituto Tecnolgico de Ciudad Madero, Juventino Rosas y Jess Urueta, Col. Los Mangos, Cd. Madero,

Tamps., 89440, Mxico

Recibido el 15 de enero del 2003; aceptado el 4 de julio del 2003

Resumen. Se presenta una revisin de la literatura sobre los aspectosms importantes relacionados con la formacin, problemtica y con-trol de sedimentos y lodo en plantas de hidrodesintegracin cataltica.La importancia del estudio de los sedimentos radica en que tienenuna relacin estrecha con la inestabilidad de los hidrocarburos y conla desactivacin del catalizador y depositacin y acumulacin de losmismos en las tuberas, intercambiadores de calor y fondos de reac-tores y columnas de fraccionamiento. Se proponen algunas recomen-daciones prcticas para mejorar la determinacin de los sedimentostotales empleando mtodos ASTM.Palabras clave: Sedimentos, hidrodesintegracin, residuos, petrleo.

Abstract. The most important aspects related to the formation, pro-blems and control of sediments and sludge in catalytic hydrocrackingunits are reviewed in this work. The importance of the study of sedi-ments is due to its relationship with unstability of hydrocarbons andwith the problems they cause such as catalyst deactivation and depo-sition and accumulation in pipes, heat exchangers and bottom of reac-tors and fractionation columns. Some recommendations are proposedin order to improve sediments determination by using ASTM me-thods.Keywords: Sediments, hydrocracking, residues, petroleum.

Introduccin

La demanda creciente para producir combustibles ms limpiosa partir de crudos pesados, conduce a la necesidad de operarlos procesos de hidrodesintegracin de residuales a tempera-turas ms altas, con lo cual tambin se logran mayores conver-siones [1]. Sin embargo, a estas condiciones ms severas setienen problemas de depsito de coque sobre el catalizador,as como la formacin de lodos y sedimentos en el producto,los cuales reducen el tiempo de corrida de dichos procesos [2].En la Fig. 1 se ilustra claramente lo anterior, en donde se apre-cia que a mayor conversin la formacin de sedimentos tiendea aumentar.

Empricamente, se sabe que el lodo y los sedimentos seproducen cuando la conversin a destilados alcanza un nivelsuperior a 50 %, sin importar el tipo de catalizador y la cargaque se utilicen. Sin embargo, su estructura, propiedades ymecanismo de formacin no est totalmente comprendido [3].El entendimiento de la relacin entre estos factores puede con-ducir a obtener mejores catalizadores o esquemas de proce-samiento, los cuales ayuden a superar estas dificultades en losprocesos de hidrodesintegracin.

En algunos estudios reportados en la literatura se hanpropuesto varias alternativas para reducir la formacin de se-dimentos, tales como: (1) adicin de solventes aromticos, (2)hidrogenacin despus de la hidrodesintegracin, (3) hidro-tratamiento en dos etapas con mayor hidrogenacin de anillos

aromticos y heterocclicos en el asfalteno a temperatura bajae hidrodesintegracin a temperatura alta [4].

Las primeras dos propuestas intentan disolver el sedimen-to despus de su formacin sin ningn aumento de conversinen el proceso, y la tercera puede ofrecer una conversin msalta sin la formacin de sedimentos. Esta ltima opcinrequiere de un catalizador que pueda hidrogenar el asfaltenoantes de que se realicen las reacciones de desalquilacin.

Las corrientes de subproductos altamente aromticas sonlas ms efectivas en la minimizacin de la precipitacin deasfaltenos y la formacin de slidos [5]. En la prctica seacostumbra recircular una fraccin de gasleo pesado de lasmismas plantas de hidrodesintegracin y mantener unarelacin gasleo de recirculacin / carga fresca cercana a uno.

Debido a la importancia que tienen los sedimentos en losprocesos de hidrodesintegracin de residuales, en este trabajose describen los aspectos ms relevantes que deben tomarse encuenta para tener un mejor conocimiento de la formacin delos mismos, los mtodos para su cuantificacin, los problemasque ocasionan y las tcnicas para su control.

Composicin de los residuos

La composicin qumica de los residuos depende del origendel aceite crudo del cual provienen y del proceso utilizado ensu refinacin. Un residuo generalmente consta de una fase dis-

persa integrada por asfaltenos, y de una fase continua, queconsta principalmente de maltenos de peso molecular menor[6]. Los asfaltenos se presentan en forma de micelas y sonestructuras de peso molecular alto y relacin H/C baja, queforman complejos con maltenos de alto peso molecular tam-bin conocidos como resinas. Un residuo tambin contienemetales contaminantes tales como Nquel y Vanadio.

En la Fig. 2 se presenta una estructura asfaltenos pro-puesta por Katayama [7], en donde la parte aromtica estinterconectada a travs de cadenas alifticas, de puentes deazufre y de compuestos tales como porfirinas de nquel yvanadio.

Las estructuras metlicas tpicas que se encuentran en losresiduos se muestran en la Fig. 3. Se conoce que durante lasreacciones de hidrotratamiento las estructuras de vanadio sonms reactivas que las de nquel, lo cual se ha atribuido altomo de oxgeno que est unido perpendicularmente al vana-dio y que forma enlaces fuertes con los sitios activos del cata-lizador. Este tomo de oxgeno no est presente en las estruc-turas de nquel [8,9].

Los metales contenidos en los asfaltenos causan la desac-tivacin del catalizador, la cual se realiza por acumulacin destos en la boca de los poros del catalizador (Fig. 4), blo-queando los sitios activos y en consecuencia disminuyendo suactividad.

Los asfaltenos son particularmente importantes debido aque conforme esta fraccin aumenta, existe un incremento enla formacin de coque y tambin un aumento en la demandade hidrgeno as como en la desactivacin del catalizador, yaque los constituyentes de los asfaltenos fcilmente formancoque [10-14].

En la Fig. 5 se presenta un diagrama de fase solvente-residuo, en donde se puede ver que el parmetro de solubili-dad se incrementa conforme el contenido de hidrgeno dis-minuye (mayor aromaticidad) debido a que la fuerza de atrac-cin entre los aromticos polinucleares (PNA) es la fuerzaintermolecular ms fuerte en los residuos y en los productosobtenidos en la conversin de ellos. Esto es muy importanteen el mecanismo de formacin de coque y de sedimentos locual se manifiesta con mucha frecuencia en los procesos deconversin de residuos [23].

Tambin se observa que cada fraccin ocupa nicamenteun rea. El contenido de hidrgeno es una medida inversa dela aromaticidad, que es similar a la relacin atmica H/Cdebido a que el contenido de carbn de todas las fraccionesdel petrleo, convertidas o no, es aproximadamente constante(80-85 %). Esto indica que los asfaltenos son insolubles en n-heptano debido a una combinacin de peso molecular alto yaromaticidad alta. En resumen, el diagrama de fases solvente-residuo proporciona una mejor definicin de los asfaltenos yde otras fracciones que la definicin comn de separacin.

El grado de dispersin de los asfaltenos es mayor en loscrudos de naturaleza naftnica/aromtica debido a la mayorsolubilidad de los naftenos y los aromticos en los consti-tuyentes parafnicos. Este fenmeno tambin acta a favor dela disolucin de cualquier lodo que se pudiera formar, con loque disminuye la posibilidad de que los lodos se depositen.

De acuerdo con lo anterior, no es slo el contenido deasfaltenos el que influye en la tendencia de una carga a formarlodos y sedimentos, sino tambin la calidad de dichos asfal-tenos, de ah que el factor de aromaticidad de los mismos,definido como la relacin entre el nmero de carbonos arom-ticos y el nmero de carbonos totales, se ha utilizado pararealizar estudios de desactivacin de catalizadores de hidro-tratamiento [15-16].

Formacin de los sedimentos

La estabilidad de un aceite residual se define como su habili-dad para evitar la formacin de lodos durante el almace-namiento y manejo del mismo. En un aceite residual estableno hay apilamiento o interaccin entre las micelas formadas a

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