Descripción Genérica del Proceso de Steam Cracking
Las olefinas son hidrocarburos acíclicos insaturados. Los de mayor interés en cuanto a sus aplicaciones son aquellos que poseen de dos a cinco átomos de carbono; es decir, el etileno, propileno, n-buteno, butadieno e isopreno. El etileno y el propileno se pueden obtener por medio del proceso llamado Steam Cracking, usando como carga el propano y butano contenidos en el gas natural. Este proceso tiene lugar por la rotura de los enlace C-C con producción de radicales libres y formación de olefinas. Este proceso consta de zonas bien diferenciadas, la Zona Caliente, en donde se tiene lugar las reacciones de Cracking que conducen a la formación de un gran número de compuestos, y la Zona Fría, en donde se separa los productos formados.
Reacciones de Cracking – Zona Caliente
La carga de hidrocarburos junto con el vapor de dilución se precalienta en la zona de convección del horno de Cracking, ver Gráfico N°V-1. Juntos pasan a la zona de radiación del horno donde tiene lugar las reacciones principales.
Para evitar que se desarrollen reacciones secundarias que conducen a la formación de productos no deseados se procede a enfriar rápidamente los efluentes que salen del horno. Este enfriamiento violento se hace por medio de un intercambiador, con el cual se aprovecha además el calor para generar vapor de agua de alta presión. Una vez enfriado el producto se procede a un fraccionamiento primario para separar el producto pesado (fuel oil) del resto de los productos (gases+gasolina). De estos últimos, se separan los gases los cuales son licuados (menos de –73°C) y comprimidos hasta la presión necesaria y enviados a la Zona Fría.
Aspectos más importantes:
a) Vapor de Agua, siendo inerte proporciona una disminución en la presión parcial de los hidrocarburos disminuyendo la tendencia a la formación de coke. Favorece a la transmisión de calor gracias a su alta conductividad térmica. Tiene un efecto oxidante sobre las paredes de los tubos, suficiente para disminuir el efecto catalítico del hierro y el níquel, que de no ser así promovería, en exceso, la formación de coke. Dentro de las desventajas esta el calentarlo (aumenta el costo) y luego volver a separarlo de los productos craqueados refrigerándolo y condensándolo.
b) El Horno de Cracking, la diferencia fundamental esta en la zona de radiación donde los serpentines son en realidad reactores. Los tiempos de residencia están en el rango de 0.5 a 1.2 segundos para maximizar la producción de olefinas y minimizar BTX y líquidos pesados.
c) Es necesaria la separación de gases ácidos y agua, de los gases que van a la Zona Fría ya que contienen azufre (en forma de H2S y mercaptanos ligeros), dióxido de carbono (CO2 formado en las reacciones de vapor con coke) y agua (para evitar la formación de cristales de hielo cuando se licúe el gas de interés). Para los gases ácidos el lavado con monoetanolamina (MEA) y/o con sosa son los procedimientos más comunes. Para extraer el agua se usa glicol y/o desecantes sólidos como la alúmina, la fluorita y el driosel.
d) Sucesivas etapas de compresión, presiones altas para aprovechar el efecto Joule-Thompson y generar frío en la etapa de la zona fría.
Separación de Olefinas – Zona Fría
Se hace físicamente, sometiendo los gases que salen del proceso de la Zona Caliente a una serie de separaciones por medio de columnas de destilación para obtener corrientes ricas en los productos deseados. Los hidrocarburos son compuestos no polares y en general al elevar la presión para el fraccionamiento se puede observar que:
- Los productos de cabeza se pueden condensar a temperaturas más elevadas, por lo que no se necesita niveles térmicos tan fríos como en el caso en que la presión fuera más reducida.
- Se necesitan más etapas teóricas de fraccionamiento para conseguir una separación determinada.
Posteriormente por medio del efecto Joule-Thompson, que consiste en elevar la presión y seguidamente efectuar una expansión isoentrópica, se genera los niveles de frío adecuado para separar los hidrocarburos. Aquí se deben tener en cuenta las temperaturas de ebullición a 1 atm., del metano – 161°C, etano –88.9°C, etileno –103°C, propileno –47.5°C y butadieno –4.3°C. En general el proceso es como el Gráfico N°V-2, pero las tecnologías han cambiado sus esquemas en forma independiente. En esta figura, vemos cómo la alimentación se introducen a la primera columna de destilación llamada demetanizadora, en donde se extrae el hidrógeno y el metano por el tope o parte superior de la columna. Opera con un perfil de presiones entre 33.5 y 8 bar y un perfil de temperaturas desde –98 y –130°C. Los productos que salen del fondo se hacen pasar por una segunda columna llamada deetanizadora, en donde se separa el etano y el etileno por el tope para separarlos entre sí en una tercera columna. Por lo regular, la alimentación a esta columna es a condiciones de 31 Kg/cm2 y –35°C.
El etileno obtenido en esta última tiene una pureza de 98-99% que es suficiente para la fabricación de óxido de etileno. Pero si se desea usar el etileno para hacer polietileno de alta densidad lineal que requiere una pureza de 99.9%, entonces es necesario someter el etileno a una mayor purificación en la columna fraccionadora para etilenos, lo que aumenta su costo operativo pero también su valor como producto.
Regresando a la deetanizadora, lo que se saca del fondo de la misma se envía a una columna de separación llamada depropanizadora, en donde se separa por el tope una mezcla de propano- propileno. 60 Existen procesos petroquímicos en donde se puede aprovechar el propileno junto con el propano, como en el caso de la fabricación del tetrámero de propileno usado en los detergentes sintéticos. Pero en otros casos, como el de la fabricación de polipropileno es necesario someter la mezcla a purificaciones posteriores.
Por el fondo de la depropanizadora se extrae la fracción que contiene las olefinas con cuatro átomos de carbono en adelante. Esta fracción se somete a otras separaciones para eliminar de la fracción los productos más pesados que vienen desde el horno reactor, tales como pentanos, pentenos, benceno, tolueno etc. (todos ellos líquidos). Posteriormente, por medio de otros equipos de separación, se obtienen los butenos, isobutenos, butano, isobutano, butadieno e isopreno, siendo el más importante para la petroquímica el butadieno.
Tecnologías disponibles para la producción de Etileno
La distribución porcentual de la capacidad de fabricación de etileno instalada en el mundo según procesos es aproximadamente como sigue:
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