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 , 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 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 para detener la reacción en un intercambiador de calor de línea de transferencia o dentro de un cabezal de enfriamiento utilizando aceite de enfriamiento. [2]
Los productos que se generan 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 lugar a algunos de estos mismos productos, pero también a aquellos ricos en hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos adecuados para su inclusión en la gasolina o el 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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