Optimización del hidrotratamiento para la carga a desintegración catalítica fluidizada mediante simulación

Daniel Salazar Sotelo

Investigador. Posgrado e Investigación.

UNIVERSIDAD LA SALLE, Escuela de Ciencias Químicas E-mail: dss@ulsa.mx

Richart Vázquez Román

Instituto Tecnológico de Celaya, Depto. de Ingeniería Química Av. Tecnológico y Antonio García Cubas s/n, 38010 Celaya, Gto.

RESUMEN

Recibido: Noviembre de 2003. Aceptado: Mayo de 2004

La desintegración catalítica fluidizada (FCC, por sus siglas en inglés) es una de las operaciones más utilizadas en la industria de la refinación para la conversión de gasóleos a gasolina. La inclusión de unidades de hidrotratamiento (HDT) de gasóleos de carga a FCC en los esquemas de refinación, tiene justificaciones tanto económicas como ambientales. El HDT, además de eliminar azufre, nitrógeno, metales y asfaltenos, incrementa la producción de gasolina.

Ambos procesos —HDT y FCC— están íntimamente ligados, de manera que su estudio conjunto es conveniente para optimizar las operaciones.

En este trabajo se desarrolló la simulación del conjunto HDT-FCC, a partir de un modelo para predecir el desempeño de unidades FCC, basado en modelos cinéticos fundamentales y sensible a diferentes tipos de carga y condiciones de operación. El modelo tiene la capacidad de predecir los rendimientos de los productos de desintegración catalítica, la composición de los gases de combustión y la formación de coque, así como los parámetros de regeneración. Esta propiedad de ser sensible a diferentes tipos de carga se usó para hacer predicciones en el caso de cargas hidrotratadas, mostrando un comportamiento muy semejante a los resultados experimentales reportados por otros autores.

Palabras Clave: FCC, Hidrotratamiento, Simulación

ABSTRACT

Fluid Catalytic Cracking (FCC) is a primary conversion process in the refining industry, used to obtain gasoline from gas oil. FCC feed gasoil hydrotreatment (HDT) units are included in refining schemes both by economic and environmental motivations. HDT diminishes sulfur, nitrogen metals and asphaltenes content, and increases gasoline production.

FCC and HDT processes are so interrelated that integrated optimization is recommended.

In this work the HDT-FCC set was simulated using a performance prediction FCC model, based on fundamental kinetic equations, hence sensitive to feed properties and operation parameters. The model has prediction capability for FCC product yields, fuel gas composition, coke yield as well as regenerator variables. The sensitiveness to feedstock quality was used to predict FCC yields with hydrotreated gasoils, showing a close behavior with experimental results coming from technical literature.

Key Words: FCC, Hydrotreatment, Simulation

INTRODUCCIÓN

La desintegración catalítica en lecho fluidizado (FCC, por sus siglas en inglés) es una de las operaciones más utilizadas en la industria de la refinación para la conversión de fracciones de petróleo a gasolina de alta calidad. El proceso FCC determina en gran medida la rentabilidad de la industria de la refinación. Sus ventajas principales son la adaptación a los cambios continuos en las demandas del mercado y la capacidad para procesamiento de cargas pobres y pesadas. Las principales partes del proceso son el convertidor y la sección de fraccionamiento. El convertidor se compone de un reactor o "riser" y el regenerador. Además, se requiere de otros equipos como el agotador y separadores tipo ciclón.

En la actualidad, las reacciones se verifican catalíticamente en el riser con un Tiempo de contacto corto, típicamente de 2 a 4 segundos. Las reacciones producen aceites cíclicos, gasolina, gases ligeros que contienen olefinas C=3 y C=4; y coque. Las reacciones catalíticas ocurren en fase vapor.

El convertidor opera en un perfecto y estable equilibrio químico, hidrodinámico y térmico. Así, el calor generado en la combustión de coque proporciona la energía necesaria para la reacción. De esta forma, el regenerador cumple con dos funciones: restaura la actividad del catalizador a partir de la combustión del coque y suministra el calor necesario para la desintegración catalítica.

El proceso de hidrotratamiento catalítico (HDT) de los gasóleos de carga a FCC ha cobrado mayor importancia a nivel mundial porque, además de mejorar la calidad de dichas fracciones mediante la reducción de la concentración de compuestos de azufre, nitrógeno y metales, así como la saturación de compuestos aromáticos, incrementa la producción de gasolina FCC y, con ello, la rentabilidad de ambas unidades. El proceso se lleva a cabo mediante el tratamiento catalítico de la carga en presencia de hidrógeno a condiciones de alta temperatura y presión.

El interés en el proceso de hidrotratamiento se mantiene en auge debido a las crecientes necesidades de eliminar los contaminantes antes mencionados, principalmente por las presiones ambientales de la contaminación atmosférica cuando los productos se emplean como combustibles.

La severidad de las condiciones de operación, esto es, la presión de operación, la temperatura, el espacio-velocidad y el tipo de catalizador más adecuado para una unidad de HDT de gasóleos, son función de los objetivos establecidos para la unidad FCC, en términos de las reacciones de hidrodesulfuración, hidrodenitrogenación, reducción de aromáticos, metales y Carbón Conradson.

El interés principal radica en saber hasta dónde deben llevarse estas reacciones mediante el hidrotratamiento del gasóleo de carga al proceso FCC, dado que una mayor severidad implica costos mayores de inversión y de operación.

METODOLOGÍA

Se desarrolló la simulación del conjunto HDT-FCC, a partir de un modelo [1] (et al., 2001) para predecir el desempeño de unidades FCC. El modelo se basa en modelos cinéticos fundamentales. La simulación es sensible a diferentes tipos de carga y condiciones de operación y es capaz de predecir los rendimientos de los productos de desintegración catalítica, la composición de los gases de combustión, la formación de coque y otras variables dependientes del proceso.

El modelo cinético del (riser) considera diez lumps y fue sugerido inicialmente por Jacob [2] (et al.,1976). Los pseudocomponentes son: gas y coque, gasolina, y aceites cíclicos ligero y pesado. El esquema de reacción considera las concentraciones de parafinas, naftenos, anillos aromáticos y aromáticos con radicales parafínicos o nafténicos unidos al anillo; todos ellos en dos fracciones, una ligera y otra pesada.

El modelo matemático supone un (riser) con flujo tapón en la fase vapor en estado estacionario, sin resistencia a la difusión interna y externa, y un catalizador con desactivación en función del contenido de coque. Además, considera uniformidad en la sección transversal, y generación de moles, con variación tanto en la fracción vacía como en la velocidad superficial.

El modelo del regenerador también está basado en modelos cinéticos y fue originalmente propuesto por Krishna y Parkin [3]. El regenerador se divide en dos regiones. La primera región es una fase densa en la que se produce la mayor parte de la combustión del coque. La segunda región es una fase diluida en la que el monóxido de carbono desaparece para formar dióxido de carbono. El desarrollo del modelo en estado estacionario considera las siguientes suposiciones importantes:

• El catalizador en la fase densa está perfectamente mezclado y a temperatura constante
• No existe resistencia a la transferencia de masa en la interfase gas-sólido
• Es despreciable la combustión de coque en la fase diluida.

Los modelos de Jacob y de Krishna y Parkin contienen ecuaciones diferenciales, las cuales se resolvieron mediante la utilización de un código de Fortran llamado DASSL, desarrollado por investigadores de la Computing and Mathematics Research Division, en el Lawrence Livermore National Laboratory de California, E.U.

Además de resolver cada modelo, se requirió el uso de métodos de convergencia para lograr la simulación en forma modular secuencial del modelo acoplado del riser y el regenerador. Se probaron diferentes procedimientos así como tolerancias del paquete DASSL, escogiéndose finalmente el método de regula falsi con dos variables de transferencia de los modelos: la cantidad de coque en el catalizador regenerado y la temperatura del regenerador.

EXPERIMENTACIÓN REPORTADA EN LITERATURA

Al hacer una revisión bibliográfica de los trabajos de la literatura, se encontraron pocos resultados. También se encontró que en la mayoría de los casos, los autores no reportan totalmente los valores de las condiciones de operación durante las reacciones de HDT y mucho menos las propiedades físicas y químicas de los catalizadores empleados. Tampoco proporcionan suficiente información para establecer la calidad de los datos experimentales.

McLean y cols. [4] llevaron a cabo un estudio de hidrotratamiento de gasóleos en planta piloto donde variaron la presión y la temperatura de reacción. Los productos obtenidos del hidrotratamiento se evaluaron en una unidad piloto FCC. Grosboll y cols. [5] llevaron a cabo pruebas de hidrotratamiento sobre una mezcla de gasóleos, variando la presión y el espacio-velocidad. Por otro lado, Desai y cols. [6] llevaron a cabo pruebas de hidrotratamiento de gasóleos de vacío, donde variaron la temperatura de reacción así como el espacio velocidad (LHSV).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La herramienta de simulación que se describió anteriormente se usó para evaluar diferentes casos de HDT-FCC y se comparó con los resultados reportados por McLean y cols. Se encontró que podía usarse la densidad de la carga FCC como variable descriptiva de la severidad del HDT. El resultado del proceso HDT depende del catalizador usado y las condiciones de operación, las cuales definen una severidad que puede interpretarse en términos del consumo de hidrógeno.

En la Figura 1 se puede apreciar la relación que se tiene entre la densidad de la carga FCC y el consumo de hidrógeno, usando la información reportada por Desai y cols., la cual es prácticamente lineal, por lo que se usa la densidad de la carga a FCC como indicador de la severidad del HDT.

Figura 1. Relación entre el consumo de hidrógeno y la densidad de la carga a FCC

Los resultados experimentales de McLean incluyen 4 niveles distintos de severidad del HDT, a diferentes temperaturas de reacción entre 338ºC y 405ºC (presión y espacio velocidad constantes) y los correspondientes rendimientos en planta piloto FCC. Se llevó a cabo la simulación de 5 casos, usando también la carga sin HDT con los datos reportados para la carga en los diferentes niveles. Los resultados obtenidos en la simulación se resumen en la Tabla 1.

En esta Tabla, aparecen las composiciones de parafinas, naftenos, aromáticos y radicales en aromáticos, estimadas por medio de la correlación reportada por Riazi & Daubert [7]. Estos parámetros son vitales para la estimación de los rendimientos FCC.

Se compararon los resultados de simulación contra los valores experimentales. En la Figura 2 se muestran las tendencias que se obtienen en los rendimientos de productos con respecto a la densidad de la carga. En esta gráfica la densidad aparece en las abscisas con valores decrecientes, que corresponden a niveles de severidad creciente.

Se puede apreciar en esta gráfica la concordancia notable tanto para las tendencias como para los valores entre simulación y los datos experimentales, en particular para la conversión y el rendimiento a gasolina.

Tabla 1. Resultados obtenidos por simulación en FCC para gasóleos hidrotratados a diferentes niveles

Figura 2. Rendimientos obtenidos con el programa de simulación vs. datos experimentales

CONCLUSIONES

El programa desarrollado es una herramienta de simulación en estado estacionario con capacidad para realizar análisis de proceso y optimización al estudiar plantas FCC y/o unidades de HDT.

Los resultados muestran que las tendencias estimadas con el programa para los rendimientos de productos FCC, usando los datos de densidad del gasóleo hidrotratado son muy parecidas a los resultados experimentales, por lo que se puede usar esta aproximación para efectos de estimaciones preliminares, que ayuden a optimizar las condiciones de operación en el binomio HDT-FCC.

Riser : Elevador

Lump: Grupo o agrupación de componentes.

REFERENCIAS

[1] Hernández-Barajas R., Vázquez-Román R. y Salazar-Sotelo D., “Modelado de Unidades FCC”, Información Tecnológica, vol. 12, núm. 5, 2001.

[2] Jacob S.M., Gross B., Voltz S.E. & Weekman V.W., “A lumping and reaction scheme for catalytic cracking”, AIChE J., vol. 22, pp. 701-713, 1976.

[3] Krishna A.S. & Parkin E.S., “Modeling the regenerator in commercial fluid catalytic cracking units”, Chem. Eng. Prog, vol. 81, pp. 57-72, 1985.

[4] McLean, J.B., Vance P.W., Peries J.P., “Maximizing profitability through combined optimization of feed hydrotreating and FCC unit operation”, NPRA Annual Meeting, San Francisco, Calif., 15 al 17 de marzo, 1998.

[5] Grosboll M.P. Bains Ch., Suchanek A., George S., “Quality in action-improvements in FCCU feed hydrotreating”, NPRA Annual Meeting, New Orleans, 1992.

[6] Desai, P.H., Stanger Ch.W., Johannes W. M., Van Houtert S., Van Houtert F.W., “Pretreating FCC feeds makes economic sense”, NPRA Annual Meeting, 1983.

[7] Riazi M, Daubert T., “Prediction of the composition of petroleum fractions”, Ind. Eng.

Chem. Process, Dev ., vol. 19(2), pp. 289-294, 1980.