El craqueo a 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 ), incluyendo 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 puede llevarse a cabo a través de diferentes tecnologías comerciales. Las principales diferencias entre cada una de ellas se refieren al catalizador empleado, el diseño del reactor y las estrategias para lograr tasas de conversión más altas. [1]
Las olefinas son precursoras útiles de una gran cantidad de productos. El craqueo a vapor es la tecnología principal que sustenta los procesos químicos de mayor escala, es decir, el etileno y el propileno. [2]
En el craqueo a vapor, un hidrocarburo gaseoso o líquido como nafta , gas licuado de petróleo (GLP) o etano se mezcla con vapor muy caliente y se calienta brevemente en un horno en ausencia de oxígeno. [3] La temperatura de reacción es muy alta, alrededor de 850 °C. Esto hace que los hidrocarburos se descompongan en moléculas más pequeñas, como olefinas pequeñas e hidrógeno. La reacción ocurre rápidamente: el tiempo de residencia es del orden de milisegundos. Las velocidades de flujo se acercan a la velocidad del sonido . Una vez que se ha alcanzado la temperatura de craqueo, el gas se enfría rápidamente en un intercambiador de calor de línea de transferencia o dentro de un "cabezal de enfriamiento" utilizando aceite de enfriamiento para evitar reacciones posteriores, como la descomposición en carbono e hidrógeno. [2]
Los productos generados en la reacción dependen de la composición de la alimentación, de la relación hidrocarburo-vapor, de la temperatura de craqueo y del tiempo de residencia en el horno. Las alimentaciones de hidrocarburos ligeros, como el etano , los GLP o la nafta ligera, dan lugar principalmente a alquenos más ligeros, como el etileno, el propileno y el butadieno . Las alimentaciones de hidrocarburos más pesados (naftas de gama completa y pesadas, 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 requerida ]
Una temperatura de craqueo más alta (también denominada 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 da como resultado la deposición lenta 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 minimizar esto. No obstante, un horno de craqueo a vapor generalmente solo puede funcionar durante unos pocos meses a la vez entre descoquizaciones. Las descoquizaciones requieren que el horno esté aislado del proceso y luego se pasa un flujo de vapor o una mezcla de vapor y aire a través de las bobinas del horno. Esto convierte la capa de carbono sólido duro en monóxido de carbono y dióxido de carbono. Una vez que se completa esta reacción, el horno puede volver a funcionar. [ cita requerida ]
Las áreas de una planta de etileno son:
Como la producción de etileno consume mucha energía, se ha dedicado mucho esfuerzo 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 de etileno típica a escala mundial (alrededor de 1.500 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 caballos de fuerza (22.000 kW) y un compresor de etileno de 15.000 caballos de fuerza (11.000 kW).
A pesar de la integración energética completa dentro de una planta de craqueo a vapor, 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 (según la materia prima). [4] El resultado es una asombrosa cantidad de más de 300 millones de toneladas de dióxido de carbono que se emiten anualmente a la atmósfera, de las cuales el 70-90% se atribuye directamente a la combustión de combustibles fósiles. En las últimas décadas, se han implementado varios avances en la tecnología de craqueo a 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 solo condujeron a ganancias marginales en la eficiencia energética. Para frenar drásticamente la emisión de gases de efecto invernadero del craqueo a vapor, la electrificación ofrece una solución, ya que la electricidad renovable se puede transformar directamente en calor, por ejemplo, mediante calentamiento resistivo e inductivo. [4] Como resultado, varias empresas petroquímicas unieron fuerzas, lo que resultó en 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 combustión de combustibles fósiles. [5] [6]
Existen varios diseños propietarios disponibles bajo una licencia que debe ser comprada al desarrollador del diseño por cualquier empresa de refinación de petróleo que desee construir y operar una unidad de craqueo a vapor de un diseño determinado.
Estos son los principales diseñadores y licenciantes de hornos de craqueo a vapor:
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