El craqueo con vapor es un proceso petroquímico en el que los hidrocarburos saturados se descomponen en hidrocarburos más pequeños, a menudo insaturados. Es el principal método industrial para producir alquenos más ligeros (o comúnmente olefinas ), incluidos eteno (o etileno ) y propeno (o propileno ). Las unidades de craqueo a vapor son instalaciones en las que una materia prima como nafta , gas licuado de petróleo (GLP), etano , propano o butano se craquea térmicamente mediante el uso de vapor en hornos de craqueo a vapor para producir hidrocarburos más ligeros. El proceso de deshidrogenación de propano se puede lograr mediante diferentes tecnologías comerciales. Las principales diferencias entre cada uno de ellos se refieren al catalizador empleado, el diseño del reactor y las estrategias para lograr mayores tasas de conversión. [1]
Las olefinas son precursores útiles de innumerables productos. El craqueo con vapor es la tecnología central que sustenta los procesos químicos a mayor escala, es decir, etileno y propileno. [2]
En el craqueo con vapor, una alimentación de hidrocarburo gaseoso o líquido como nafta , GLP o etano se diluye con vapor y se calienta brevemente en un horno en ausencia de oxígeno. [3] Normalmente, la temperatura de reacción es muy alta, alrededor de 850 °C. La reacción se produce rápidamente: el tiempo de residencia es del orden de milisegundos. Los caudales se aproximan a la velocidad del sonido . Una vez alcanzada la temperatura de craqueo, el gas se enfría rápidamente para detener la reacción en un intercambiador de calor de línea de transferencia o dentro de un cabezal de enfriamiento usando aceite de enfriamiento. [2]
Los productos producidos en la reacción dependen de la composición de la alimentación, la relación hidrocarburo-vapor y de la temperatura de craqueo y el tiempo de residencia en el horno. Las alimentaciones de hidrocarburos ligeros como el etano , los GLP o la nafta ligera dan principalmente alquenos más ligeros, incluidos etileno, propileno y butadieno . Las alimentaciones de hidrocarburos más pesados (naftas pesadas y de gama completa, así como otros productos de refinería) dan algunos de estos mismos productos, pero también aquellos ricos en hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos adecuados para su inclusión en gasolina o fueloil . [ cita necesaria ]
Una temperatura de craqueo más alta (también conocida como severidad) favorece la producción de eteno y benceno , mientras que una severidad más baja produce mayores cantidades de propeno , hidrocarburos C4 y productos líquidos. El proceso también resulta en la lenta deposición de coque , una forma de carbono , en las paredes del reactor. Esto degrada la eficiencia del reactor, por lo que las condiciones de reacción están diseñadas para minimizarlo. Sin embargo, un horno de craqueo con vapor normalmente sólo puede funcionar durante unos meses seguidos entre descoquizaciones. Las decoques requieren que el horno esté aislado del proceso y luego se pase un flujo de vapor o una mezcla de vapor/aire a través de los serpentines del horno. Esto convierte la capa dura de carbono sólido en monóxido de carbono y dióxido de carbono. Una vez que se completa esta reacción, el horno puede volver a ponerse en servicio. [ cita necesaria ]
Las áreas de una planta de etileno son:
Dado que la producción de etileno consume mucha energía, se han dedicado muchos esfuerzos a recuperar el calor del gas que sale de los hornos. La mayor parte de la energía recuperada del gas craqueado se utiliza para producir vapor a alta presión (1200 psig (8300 kPa)). Este vapor se utiliza a su vez para impulsar las turbinas para comprimir el gas craqueado, el compresor de refrigeración de propileno y el compresor de refrigeración de etileno. Una planta de etileno, una vez en funcionamiento, no necesita importar vapor para impulsar sus turbinas de vapor. Una planta típica de etileno a escala mundial (alrededor de 1,5 mil millones de libras (680 KTA) de etileno por año) utiliza un compresor de gas craqueado de 45 000 caballos de fuerza (34 000 kW), un compresor de propileno de 30 000 hp (22 000 kW) y un compresor de propileno de 15 000 hp (11 000 kW). compresor de etileno.
Aunque en una planta de craqueo por vapor se integra minuciosamente la energía, este proceso produce una cantidad insuperable de dióxido de carbono. Por cada tonelada de etileno se producen entre 1 y 1,6 toneladas de dióxido de carbono (dependiendo de la materia prima). [4] Lo que da como resultado una asombrosa cantidad de más de 300 millones de toneladas de dióxido de carbono que se emiten anualmente a la atmósfera, de las cuales entre el 70% y el 90% se atribuye directamente a la combustión de combustibles fósiles. En las últimas décadas, se han implementado varios avances en la tecnología de craqueo con vapor para aumentar su eficiencia energética . Estos cambios incluyen la combustión de oxicombustible, nueva tecnología de quemadores y geometrías de reactores 3D. [4] Sin embargo, como es común en las tecnologías maduras, estos cambios sólo condujeron a ganancias marginales en la eficiencia energética. Para frenar drásticamente las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del craqueo con vapor, la electrificación ofrece una solución, ya que la electricidad renovable puede transformarse directamente en calor mediante, por ejemplo, calentamiento resistivo e inductivo. [4] Como resultado, varias empresas petroquímicas unieron fuerzas y dieron como resultado el desarrollo de varios acuerdos conjuntos en los que combinan esfuerzos de I+D para investigar cómo los craqueadores de vapor de nafta o gas podrían funcionar utilizando electricidad renovable en lugar de la quema de combustibles fósiles. [5] [6]
Varios diseños patentados están disponibles bajo una licencia que cualquier compañía refinadora de petróleo que desee comprar al desarrollador del diseño desea construir y operar una unidad de craqueo a vapor de un diseño determinado.
Estos son los principales diseñadores y licenciantes de hornos de craqueo al vapor: