S-3 IQ-456 CUEVA 2021-2.pptx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUÍMICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
INGENIERÍA
PETROQUÍMICA
IQ-456

Escuela Profesional de Ingeniería Química Ing. José Alberto Cueva Vargas. MSc
Semana 3
Destilación del crudo, cracking,
reformado e isomerización,
hidroprocesamiento, alquilación

La medida técnica y financiera del petróleo es el barril, que
corresponde a la capacidad de 42 galones estadounidenses (un
galón tiene 3,78541178 litros, por lo que un barril equivale a
158,98729476 litros).
En las refinerías del petróleo se extraen diferentes productos, entre
otros: propano, butano, naftas, kerosene para uso doméstico,
kerosene para aviones, gas oil, aceites lubricantes, asfaltos, carbón
de coque, etc.
Todos estos productos, de baja solubilidad en agua, se obtienen
en el orden indicado, de arriba hacia abajo, en las torres de
fraccionamiento y posteriormente se completan con los procesos
de transformación.

Refinación: generalidades
Una refinería es una planta industrial destinada a la
refinación del petróleo, por medio de la cual, mediante una
serie de procesos, se obtienen diversos combustibles
fósiles capaces de ser utilizados en motores de
combustión: naftas, gas oil, etc.
Además, se obtienen diversos productos tales como
kerosene, aceites minerales, asfaltos, coque, parafinas,
materia prima para procesos petroquímicos, etc.

ESQUEMA
DE
REFINACIÓN

PROCESOS DE REFINO
DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA
Una destilación atmosférica es el proceso que permite la separación de
los componentes de una mezcla de hidrocarburos en función de sus
temperaturas de ebullición, aprovechando las diferencias de volatilidades
de los mismos.
Destilar es separar las diversas fracciones del crudo, sin que se
produzca la descomposición térmica de las mismas.
Previo al proceso de separación en sí, el crudo debe ser tratado a fin de
ser despojado de sus sales y de los sólidos que pudiera contener.

El proceso de “destilación” se basa en la transferencia de masa entre
las fases líquido-vapor de una mezcla de hidrocarburos. Permite la
separación de componentes en función de sus puntos de ebullición.
Para que se produzca el fraccionamiento o separación, es necesario
que exista un equilibrio entre las fases líquido y vapor, que es función
de la temperatura y presión del sistema. Así los componentes de menor
peso molecular se concentran en la fase vapor y los de peso mayor, en
el líquido.
Las columnas se diseñan para que el equilibrio líquido-vapor se
obtenga de forma controlada y durante el tiempo necesario para
obtener los productos deseados.

PRINCIPALES VARIABLES OPERATIVAS
• Temperatura de transferencia: es la máxima temperatura a la que se
eleva el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en destilados dependen de
esta variable
• Presión de cabeza: es la presión a la cual se produce la operación. Si
bien afecta directamente el equilibrio liquido-vapor, generalmente se
trabaja a la menor presión posible y por ende no se varía frecuentemente
• Temperatura de cabeza: es la temperatura en la zona superior de la
columna, se controla con el reflujo de cabeza. Este reflujo es la fuente fría
que genera la corriente de líquidos que se contactan con los vapores
produciendo los equilibrios liquido-vapor

• Temperatura del corte: es la temperatura a la cual se realiza la
extracción de un corte lateral. Se controla con el reflujo de cabeza y
los reflujos circulantes. Estos últimos tienen un efecto semejante al
del reflujo de cabeza y, además, precalientan el crudo, recuperando
energía
• Inyección de vapor: el vapor en las fraccionadoras disminuyen la
presión parcial de los hidrocarburos, estableciendo nuevos equilibrios
vapor-líquido. De esta manera favorece la vaporización de los
componentes mas volátiles

PRODUCTOS OBTENIDOS
En la columna de topping se obtienen los siguientes productos, empezando por
la parte superior o cabeza
• Gas de refinería (Fuel Gas)
• Gas licuado de petróleo (GLP)
• Nafta liviana
• Nafta pesada
• Kerosene
• Gas oil liviano
• Gas oil pesado
• RESIDUO ATMOSFERICO
(Fondo de topping)

RENDIMIENTOS TIPICOS EN % VOLUMEN
Livianos : 1,5 – 2
Naftas : 15 – 25
GOL : 15 – 25
GOP : 2 – 5
CR : 40 - 55

DESTILACIÓN AL VACÍO
La Unidad de destilación al vacío tiene como objetivo la destilación
de las fracciones de hidrocarburos que no pueden ser destiladas en
la etapa atmosférica debido a que las altas temperaturas que se
requerirían producirían su descomposición térmica. Es la operación
complementaria a la destilación atmosférica.
Para lograrlo se baja la presión de trabajo hasta alcanzar presiones
absolutas de unos pocos mm Hg en la zona de carga de la columna
de destilación. El Vacío es obtenido mediante eyectores de vapor.

• Temperatura y presión de zona flash: se varían generalmente
para cumplir con la especificación de gravedad del residuo de vacío
• Inyección de vapor: modifica la temperatura de la zona
flash y un incremento excesivo sobrecarga los eyectores
PRODUCTOS OBTENIDOS
• Gas oil liviano de vacío (GOLV)
• Gas oil pesado de vacío (GOPV)
• Gas oil parafinoso
• Asfalto

RENDIMIENTOS TIPICOS EN % VOL/VOL
Incondensable : 2 -3
GOLV : 10 – 15
GOPL : 20 – 25
Fondo : 50 - 65

PROCESOS DE CONVERSIÓN
Craqueo catalítico fluido (FCC)
El proceso de craqueo implica ruptura de hidrocarburos, de cadena
larga, en favor de producir hidrocarburos inferiores. Cuando el
proceso, además, emplea un catalizador, se está en presencia del
proceso de cracking catalítico. El catalizador tiene la función de
acelerar las reacciones que toman lugar y favorecer aquellas que
den como productos, combustibles e insumos petroquímicos de alto
valor agregado.
El proceso se desarrolla en forma continua, mediante la circulación
del catalizador, en contacto directo con la carga.

La combustión del carbón (producto de reacción), depositado
sobre la superficie del catalizador es fuente de energía necesaria
para el proceso y las reacciones de cracking catalítico que toman
lugar.
El proceso de cracking catalítico fluido es el productor de nafta por
excelencia y LPG (gas licuado de petróleo), de alto contenido de olefinas
de C3 y C4. Estas últimas, materias prima para diferentes procesos
petroquímicos.

PRINCIPALES REACCIONES

VARIABLES OPERATIVAS INDEPENDIENTES
• Temperatura de reacción (Rx)
• Temperatura de precalentamiento de carga
• Actividad de catalizador
• Modo de combustión
• Calidad de carga
VARIABLES OPERATIVAS DEPENDIENTES
• Temperatura de regeneración
• Caudal de circulación
• Conversión
• Requerimiento de aire
• Relación C/O (7 – 10)

DESCRIPCIÓN DE VARIABLES
• Temperatura de reacción: temperatura en la cual las reacciones de
craqueo catalítico primarias y secundaria tomen lugar
• Temperatura de precalentamiento de carga: temperatura a la
que se eleva la alimentación a la unidad, previo a su ingreso al
sistema de reacción
• Actividad y selectividad del catalizador: es la capacidad que
tiene el catalizador para acelerar las reaccione primarias y secundaria
de craqueo, favoreciendo la formación de productos deseados
• Modo de combustión: puede ser total o parcial. Es el grado
de conversión de monóxido de carbono a dióxido de carbono.
Según sea la modalidad, se ve modificada la cantidad de calor
que se libera en el generador

• Calidad de carga: es la composición, naturaleza y contaminantes de la
carga, fuertemente responsable de la calidad y distribución de productos
• Tiempo de residencia de vapores: es el tiempo que tardan los
vapores de los productos generados en la reacción en recorrer todo el
largo del riser
• Temperatura de regeneración: es la temperatura de la fase densa
del lecho del catalizador en la sección de regeneración
• Conversión: es la cantidad de carga fresca que se transforma en fuel
gas, GLP, nafta y coque
• Requerimiento de aire: es la cantidad de aire necesaria para llevar
a cabo la combustión del carbón depositado sobre el catalizador
agotado

• Relación catalizador/carga: es la relación entre el caudal de
circulación del catalizador (t/h) respecto del caudal de carga,
expresada también en t/h

REFORMADO CATALÍTICO
Proceso de transformación de hidrocarburos C7-C10 con bajo índice de octanos
en aromáticos e iso-parafinas que tienen alto índice de octanos.
La unidad de reformado catalítico es una de las mayores unidades en la línea
de producción de gasolinas, puede llegar a producir hasta un 37% del total
de producción de gasolinas en refinería.
La nafta procedente de la unidad de destilación tiene que pasar por un
hidrotratamiento para eliminar S, N y O antes de que se introduzca a la
unidad de reformado ya que pueden desactivar el catalizador.
El proceso de reformado es endotérmico, por lo que requiere grandes
cantidades de energía.

Número de octanos (RON):
Porcentaje en volumen de
iso-octano en una mezcla
de iso-octano y n-heptano
que detona con la misma
intensidad que el fuel
testeado.
El número de octanos de las
parafinas, iso-parafinas y
naftenos decrece a medida
que aumenta el número de
átomos de carbono de la
molécula. En el caso de los
aromáticos sucede al revés:

Ubicación de la unidad de
reformado catalítico en la
refinería

Reacciones químicas que tienen lugar
1) Deshidrogenación de naftenos
2) Deshidrogenación de parafinas
3) Deshidrogenación y formación de ciclos
REACCIONES
ENDOTERMICAS
LAS REACCIONES DE
DESHIDROGENACION
SON REVERSIBLES Y
EL EQUILIBRIO
SE ESTABLECE EN
FUNCION DE LA
PRESIÓN Y LA
TEMPERATURA

4) Isomerización
5) Reacciones de hidrocraqueo (produce C1,
C2, C3 y C4, suponen pérdida de rendimiento
del reformado)
REACCIONES
EXOTERMICAS

Procesos comerciales de reformado catalítico en la refinería
Existen diversos procesos comerciales de reformado catalítico: Platforming
(UOP LLC), Powerforming (Exxon), Magna forming (ARCO), Catalytic
Reforming (Engelhard), Reforming (IFP), Rheniforming (Chevron), y Ultra
forming (Amoco).
 Los procesos más antiguos son de lecho fijo, mientras los más recientes
son de lecho móvil.
El catalizador usado mayoritariamente es un catalizador bifuncional
compuesto por platino sobre alumina clorada: el Pt actúa como centro para la
deshidrogenación, y la alúmina clorada actúa como centro ácido para
promover cambios de estructuras como son la formación de ciclos y la
isomerización de naftenos.

Ejemplo de proceso de lecho fijo, 3 reactores en serie

Ejemplo de proceso de lecho móvil, 4 reactores superpuestos
(UOP, CCR Platforming process)

ISOMERIZACIÓN
La isomerización es un proceso catalítico en el cual parafinas lineales (C6, C5
y C4) de bajo número de octanos, en cadenas ramificadas con el mismo
número de carbonos pero con mayor número de octanos.
n  parafina  i  parafina
Ejemplo:
la transformación de n-pentano a isopentano supone un aumento de
RON=61.7 a 92.3.
Los rendimientos de la isomerización de la nafta ligera son generalmente
altos: > 97%.

Ubicación de la unidad
de isomerización en la
refinería

Reacciones de isomerización
Influencia de la Presión: Como no hay cambio en el número de moles en
las reacciones de isomerización, los cambios de presión no afectan.
Influencia de la Temperatura: Las reacciones de isomerización
son reversibles y exotérmicas y el reactor opera en modo equilibrio. Al tratarse
de reacciones exotérmicas, favorece operar a temperaturas bajas. Sin
embargo, a bajas temperaturas, la velocidad de reacción puede ser baja. Por
ello, hay que emplear catalizadores muy activos.
Tipo de Catalizadores empleados: hay dos tipos de catalizadores para
isomerización: el estándar de Pt/alúmina clorada (muy activo pero sensible a
impurezas como agua o azufre) , y el de Pt/zeolita (menos activo pero más
resistente a impurezas).

En la siguiente tabla se muestra la comparación de las condiciones de
operación con los diferentes tipos de catalizadores:

Ejemplo de unidad de isomerización H-O-T Penex (UOP LLC)

HIDROTRATAMIENTO
Son requeridas en la refinería para el tratamiento de corrientes con objeto
de eliminar azufre, nitrógeno o metales perjudiciales para los catalizadores.
Son necesarias tanto para el control de las especificaciones de los productos,
como para la preparación de corrientes que van a ser procesadas (por
ejemplo, preparar la nafta para alimentar a las unidades de reformado y FCC).

Ubicación de las
unidades de
hidrotratamiento
en refinería

Reacciones químicas
Las reacciones de hidrotratamiento son fuertemente exotérmicas y
reversibles.
Es importante la influencia de la presión y de la temperatura

Catalizadores para hidrotratamiento
El catalizador para hidrotratamiento es una matriz de alúmina impregnada con
combinaciones de cobalto (Co), niquel (Ni), molibdeno (Mo), y tugsteno (W).
Reactividades de los catalizadores para hidrotratamiento

Condiciones de operación
Las condiciones de operación de los procesos de hidrotratamiento incluyen:
presión, temperatura, carga de catalizador, flujo de alimentación y presión
parcial de hidrógeno.
• La presión parcial de hidrógeno debe ser mayor que la presión parcial de
hidrocarburos. Alta presión y elevado flujo de hidrógeno deben asegurarlo.
• Aumentar la presión parcial de hidrógeno supone mejorar la eliminación de
compuestos de azufre y de nitrógeno, y reduce la formación de coque.
• Operar a temperaturas altas favorece la cinética del proceso, pero
temperaturas elevadas pueden conducir a craqueo térmico y formación de
coque.
• Altas velocidades espaciales en el reactor resultan bajas conversiones, bajo
consumo de hidrógeno y poca formación de coque.

Intervalo de condiciones de operación típicas

ALQUILACIÓN
La alquilación es el proceso que tiene como objetivo producir gasolina a
partir de olefinas como propileno (C3
=), butileno (C4
=) y penteno (C5
=), e
isobutano. La olefina más empleada es el butileno porque supone alta
calidad del alquilato producido.
Un proceso alternativo es la polimerización, pero produce gasolinas de menor
calidad que la alquilación.

El proceso de alquilación es catalizado por un ácido fuerte, que puede ser H2SO4
o HF. La mayor diferencia de usar un ácido u otro es que el isobutano es
bastante insoluble en H2SO4 , esto requiere emplear altas relaciones
isobutano/olefina para compensar la baja solubilidad en H2SO4 .
La temperatura de reacción es < 50ºC y la presión < 30 bars, condiciones para
que los hidrocarburos estén en fase líquida en el reactor. Los productos de la
reacción se llevan a una unidad de separación del ácido empleado para
recircularlo al reactor. Los productos se separan en LPG propano y n-butano, y
el producto deseado (alquilato):

Proceso de alquilación catalizado por H2SO4
Hay 2 procesos comerciales que emplean H2SO4 como catalizador: el proceso con
autorefrigeración licencia de Exxon, y el proceso con refrigeración externa licencia
de Stratford:
Reactor: 10 psig, 5ºC, 40 min.

Reactor : 60 psig, 10ºC, 20-35 min.

Proceso de alquilación catalizado por HF
Hay también 2 procesos comerciales que emplean HF como catalizador: el
proceso Phillips y el proceso UOP.
Estos procesos no incluyen agitación mecánica en el reactor como sucede en
el proceso con H2SO4. La baja viscosidad de HF y la alta solubilidad de
isobutano en el ácido permiten operar con un diseño más sencillo de reactor
de alquilación.
La temperatura en el reactor es alrededor de 30 ºC, lo que permite emplear
agua como refrigerante.

Proceso de alquilación catalizado por HF

Proceso de alquilación con catalizador sólido
Los procesos de alquilación basados en catalizadores sólidos no operan
todavía en escala industrial , si bien, diferentes compañías están desarrollando
estos procesos y ofertan la tecnología como licencia:

Efecto de las condiciones de operación en los procesos de alquilación catalizados
por ácidos (H2SO4 ó HF)
Las condiciones de proceso que influyen sobre la calidad del producto y el
consumo de ácido son:
1) Tipo de olefina: el buteno con catalizador H2SO4 produce el alquilato de
mayor calidad

2. Concentración de isobutano: en la operación industrial iC4/C4 = ratio 5:1-
15:1 como relación isobutano a olefina ; en el interior del reactor con alta
circulación esta relación es 100-1000:1.
3. Concentración de ácido: un valor óptimo de 90%wt H2SO4 se mantiene
añadiendo ácido concentrado fresco de 98-99% wt. Si la concentración del
ácido disminuye, supone mayor consumo de ácido y menor calidad de
alquilato. La menor concentración no debe ser < 85% wt.
4. Grado de agitación: la velocidad de agitación es determinante para el área
de contacto interfacial
5. Tiempo de residencia: H2SO4 5-40 min; HF 5-25 min.
6. Temperatura de reacción: la temperatura baja favorece al proceso H2SO4 5-
10 ºC; HF 20-38ºC

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