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Revista Investigación Científica
Vol. 3, No. 3, Nueva época. Septiembre - Diciembre 2007.
ISSN 1870-8196
Simulación del proceso FCC: cálculo de la temperatura de mezclado
y el efecto de la caída de presión en el riser
Simulation of the FCC process: temperature calculus of mixture
and the effect of the drop in pressure in the riser
María Guadalupe Félix Flores
Pablo Ibarra Castro
Gustavo Ríos Moreno
Juan Manuel García González
Unidad Académica de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Zacatecas
José Roberto Hernández Barajas
División de Ciencias Biológicas
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco
Richart Vázquez Román
Departamento de Ingeniería Química
Instituto Tecnológico de Celaya
Jesús Raúl Ortiz del Castillo
Facultad de Ciencias Químico Biológicas
Universidad Autónoma de Sinaloa
Resumen
En un reactor tipo riser es donde se llevan a cabo las reacciones de
desintegración catalítica en lecho fluidizado del proceso FCC (Fluid Catalytic
Cracking). En este trabajo, se evalúa la entalpía de la alimentación de riser con
una ecuación de estado cúbica para determinar la temperatura de mezclado.
Además, se analiza el efecto de la caída de presión sobre las variables de
proceso (rendimientos de los productos FCC, la temperatura, la función de
desactivación del catalizador, y velocidad, densidad y fracción volumétrica de
la mezcla gaseosa reaccionante) de este reactor. El modelado matemático del
riser se establece a través de los balances de materia, energía y momentum.
Los resultados de la temperatura de mezclado coinciden con el simulador
comercial Aspen Plus 10.2. El valor de la temperatura final del riser predicha con
el balance de energía se aproxima al valor de la temperatura de planta,
cuando el balance de energía utiliza una ecuación de estado para evaluar la
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entalpía de la alimentación. Finalmente, los resultados muestran que la caída de
presión tiene un efecto insignificativo sobre las variables de proceso.
Palabras clave: proceso FCC, pracciones Pesadas de Petróleo, Riser.
Abstract
In the Fluid Catalytic Cracking process (FCC), the catalytic reaction occur in the
reactor denominate riser. This work evaluates the enthalpy of feed riser with a
cubic equation of state to determine the temperature of mixture. Also has
discussed the effect of the drop in pressure on the process variables (yields of the
FCC products, temperature, catalyst deactivation and velocity, density and
volume fraction of the gas) of riser. The mathematical modeling of the riser is
established through the balance of material, energy and momentum. The results
of the temperature mixture are similar with the commercial simulator Aspen Plus
10.2.
The value of the temperature final of riser predicted with the energy
balance is similar to the value of the plant temperature; when the energy
balance uses an equation of state for evaluate the enthalpy of feed. Finally, the
results show that the pressure drop is irrelevant on the process variables.
Keywords: Process FCC, fractions heavy petroleum, riser.
Introducción
El proceso FCC es la operación central de las refinerías en donde se usa un
catalizador para convertir fracciones pesadas de petróleo y de bajo valor
comercial en productos de alta calidad, como la gasolina de alto octano y las
olefinas. El proceso consiste de varias etapas: precalentamiento de la
alimentación, vaporización de la alimentación, reacción de desintegración, la
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separación de los productos del catalizador y regeneración del catalizador. En
este proceso, la alimentación, comúnmente conocida como gasóleo, proviene
de la destilación atmosférica o de vacío, la cual se inyecta en el fondo del riser y
se
vaporiza
al
ponerse
en
contacto
con
el
catalizador
regenerado,
posteriormente se llevan a cabo las reacciones de desintegración catalítica en
flujo ascendente. El calor de reacción total de este sistema reaccionante es de
tipo endotérmico [1]. Después de la reacción, la corriente que sale del riser se
transfiere a uno o más ciclones para separar los productos del catalizador. Los
productos son enviados a una torre de destilación y, el catalizador con aquellos
hidrocarburos que aún se encuentran atrapados sobre la superficie catalítica son
tratados con vapor en la unidad conocida como agotador. El coque es una
especie que carece de hidrógeno y se deposita sobre la superficie del
catalizador disminuyendo su actividad. Por ello, es necesaria la combustión del
coque
para
restaurar
la
actividad
catalítica.
Este
fenómeno
eleva
substancialmente la temperatura del regenerador y este calor es aprovechado
para la desintegración catalítica en el riser. Una unidad típica donde se lleva a
cabo el proceso de desintegración se muestra en la Fig. 1.
Productos FCC
Ciclones
REACTOR
Válvulas
AGOTADOR
Vapor de
agotamiento
Gases de
combustión
RISER
REGENERADOR
Distribuidor de aire
Carga + Vapor de
dispersión
Aire
Válvulas
Figura 1. Unidad de desintegración catalítica (UFCC)
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En este trabajo, la entalpía de la alimentación incluye tanto los efectos térmicos
como los efectos de la presión para evaluar la temperatura de mezclado en la
base del riser. Los efectos son evaluados a través de una ecuación de estado
cúbica. Por otra parte, el modelado matemático del riser incluye el balance de
momentum para mostrar el efecto de la caída de la presión sobre las variables
de proceso.
Metodología
Una mezcla continua contiene un número grande de componentes y [2],[3],[4]
establecen que la termodinámica continua ha sido una alternativa para describir
la composición de estas mezclas a través de una función de distribución de
alguna propiedad. [5] propone un algoritmo de termodinámica continua para
determinar los parámetros de la función de distribución gamma de una mezcla
continua. Las corrientes de alimentación y productos del riser del proceso FCC
pertenece a este tipo de mezclas y [6] describe estas corrientes con el algoritmo
de termodinámica continua.
Al evaluar la temperatura de mezclado en la base del riser es común considerar
únicamente los efectos térmicos en el cálculo de la entalpía de la alimentación,
es decir, la entalpía de ésta es evaluada a partir de un Cp promedio real. En
este trabajo, la entalpía de la alimentación incluye tanto los efectos térmicos
como los de la presión para determinar la temperatura de mezclado. Los
efectos de la presión son evaluados a través de la termodinámica continua y
una ecuación de estado cúbica.
Entonces, para determinar la temperatura de mezclado en la base del riser se
implementa el algoritmo de Félix–Flores para describir la alimentación de este
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proceso a través de la función de distribución gamma. Posteriormente, la
alimentación del proceso FCC se divide en pseudocomponentes aplicando el
método integración de la cuadratura de Gauss–Laguerre [3]. La entalpía de la
alimentación es calculada con el algoritmo de [7]. Este algoritmo incluye la
ecuación de estado cúbica generalizada para evaluar las propiedades
termodinámicas de una mezcla [8]. Al concluir los cálculos anteriores, se plantea
un balance de energía en la base del riser para determinar la temperatura de
mezclado gas-sólido. La temperatura de mezclado junto con otros parámetros
son las condiciones fronteras para resolver el modelo matemático de flujo pistón
del riser.
El modelo es un sistema de ecuaciones diferencial–algebraico y es resuelto a
través del programa denominado Differential Algebraic Solver, DASSL [9], [10], Las
ecuaciones algebraicas corresponden al cálculo de la velocidad, densidad y la
fracción volumétrica de la mezcla gaseosa reaccionante y del factor de
desactivación del catalizador. En el modelo de flujo pistón del riser
generalmente sólo se incluyen las ecuaciones diferenciales de los balances de
materia y energía. En este trabajo, se incluye la diferencial de presión, es decir, la
ecuación de balance de momentum para analizar la influencia de la caída de
presión sobre las variables de proceso.
Resultados y discusión
Una base de datos constituida por veintiocho casos de operación de una UFCC
con diferentes tipos de cargas, condiciones de operación y características de
productos. En cada caso se resuelve el balance de energía en estado
estacionario en la base del riser para estimar el equilibrio térmico, temperatura
de mezclado, entre la alimentación y el catalizador regenerado. Al realizar el
balance de energía es común evaluar la entalpía de la alimentación
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considerando únicamente efectos térmicos, es decir, se evalúa a través de
Cpreal promedio.
En este trabajo se emplea la termodinámica continua y una ecuación de estado
cúbica [11] para incluir los efectos de presión en el cálculo de la entalpía de la
alimentación. La Tabla 1 muestra la temperatura de mezclado para los
veintiocho casos de operación industrial evaluada con y sin efectos térmicos.
Además, se comparan los resultados con el simulador Aspen Plus 10.2. Las
temperaturas de mezclado obtenidas son muy similares a las del simulador
comercial.
El riser está en posición vertical y la longitud de éste corresponde a la altitud del
mismo; sin embargo, en la literatura a tal distancia se le denomina longitud. En
esta investigación la distancia del riser se le denomina longitud. Las Figuras 2–6
muestran los perfiles longitudinales del riser con y sin caída de presión. Los perfiles
longitudinales con caída de presión, la temperatura de mezclado incluye tanto
los efectos de la temperatura como los de presión y la densidad es evaluada
con una ecuación de estado [11].
Por otra parte, en los perfiles longitudinales sin caída de presión, la temperatura
de mezclado sólo incluye los efectos de la temperatura y, la densidad es
evaluada con ley de gas ideal. La Figura 2 muestra que el cambio de presión
fue menor al 8%, por lo tanto, el cambio no fue apreciable. La Figura 3 indica
que los rendimientos de los productos FCC (gasóleo no convertido, gasolina
ligera, gases y coque) no se ven influenciados por el ligero cambio de la presión.
La Figura 4 muestra que la caída de la temperatura es ligeramente superior al
considerar cambios de presión a lo largo del riser que cuando no se toman en
cuenta.
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No obstante, la temperatura final del riser con o sin caída de presión es muy
próxima a la temperatura de operación industrial. Las Figuras 5 y 6 muestran que
la velocidad, densidad y fracción volumétrica de la mezcla gaseosa
reaccionante, y la función de desactivación del catalizador no se ven
influenciados significativamente por los cambios de presión a lo largo de la
longitud del riser.
La Figura 7 muestra el factor de compresibilidad, Z, evaluado con la ecuación
de Peng–Robinson [11], lo cual nos indica la alta idealidad de la mezcla
gaseosa reaccionante. Las Figuras 8 y 9 muestran el perfil longitudinal de la
entalpía, energía interna y la entropía de la mezcla gaseosa reaccionante a lo
largo del riser. Estas propiedades fueron evaluadas a partir de la ecuación de
Peng–Robinson.
Tabla 1. Temperatura de mezclado.
Aspen
Caso
Plus
10.2
(método
Aspen
Cp real
Este
trabajo
Caso
API)
Plus
10.2
(método
Cp real
Este
trabajo
API)
1
822.05
814.48
823.24
15
846.60
837.90
846.44
2
816.14
807.72
817.25
16
844.48
835.22
833.88
3
823.03
815.11
823.76
17
842.86
833.71
843.37
4
827.13
819.19
826.65
18
828.83
822.00
829.05
5
824.82
814.08
825.44
19
829.37
820.78
821.69
6
832.08
820.62
831.44
20
832.97
826.14
830.55
7
838.35
828.34
838.31
21
821.99
815.35
822.76
8
849.93
840.60
849.61
22
827.15
816.79
828.11
9
864.42
854.76
863.94
23
831.55
823.03
833.06
10
844.53
835.77
844.47
24
842.88
834.77
843.60
11
861.33
853.71
860.95
25
847.94
839.83
848.24
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12
848.49
839.89
849.17
26
841.37
834.86
841.61
13
834.78
824.88
848.49
27
832.12
825.33
832.82
14
852.18
841.89
847.82
28
834.05
826.08
835.12
100
2.65
2.60
2.55
2.50
2.45
2.40
0
10
20
30
Longitud del riser [m]
40
Rend. productos FCC [% peso]
Presión del riser [Bar]
2.70
60
Gasolina ligera
40
Gasóleo
Gases
20
Coque
0
0
10
20
30
40
Longitud del riser [m]
Figura 2. Perfil longitudinal de
la caída de presión en el riser
Figura 3. Perfil longitudinal de
los productos FCC en el riser
14
850
Temperatura del riser [K]
Sin caída de presion
Planta
Con caída de presión
80
Sin caída de presión
Planta
Con caída de presion
840
830
12
Sin caída de presión
Con caída de presión
10
v g [kg/m3]
8
820
6
810
3
ρ [ kg/m ]
4
800
2
0
790
0
10
20
30
Longitud del riser [m]
Figura 4. Temperatura del riser
con y sin caída de presión
40
0
10
20
30
40
Longitud del riser [m]
Figura 5. Velocidad y densidad
de la mezcla gaseosa reaccionante
con y sin caída de presión
8
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1.02
1.00
1.01
ε
0.95
Factor Z
Sin caída de presión
Con caída de presion
0.90
φ
0.85
0.80
1
0.99
0.98
0.97
0.75
0.96
0
10
20
30
40
0
Longitud del riser [m]
Figura 6. Fracción volumétrica de la
mezcla reaccionante y la función
de desactivación del catalizador
10
20
30
40
Longitud del riser [m]
Figura 7. Factor de compresibilidad
de la mezcla gaseosa reaccionante.
700
350000
300000
600
250000
Entropía [J/mol K]
H[J/mol]
U[J/mol]
200000
150000
100000
500
400
300
200
50000
100
0
0
0
10
20
30
Longitu del riser [m]
40
Figura 8. Entalpía y energía interna
de la mezcla reaccionante a lo
largo del riser
0
10
20
30
40
Longitud del riser [m]
Figura 9. Entropía de la mezcla reaccionante a lo largo del riser
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Conclusiones
Los resultados indican que al evaluar la entalpía de la alimentación aplicando
termodinámica continua y considerando tanto los efectos térmicos como los
efectos de presión, para calcular la temperatura de mezclado en la base del
riser coinciden con los resultados del simulador comercial Aspen Plus 10.2. Por
otra parte, la evaluación de la entalpía de la alimentación tomando en cuenta
únicamente efectos térmicos para evaluar la temperatura de mezclado, se aleja
del valor proporcionado por el simulador comercial.
Al incluir la caída de presión en el modelo de flujo pistón en el riser y la
evaluación de la densidad de la mezcla gaseosa reaccionante a través de una
ecuación de estado cúbica, permite concluir que los cambios de presión en el
riser no son apreciables, menores al 8%. Por lo tanto, los perfiles longitudinales no
se ven influenciados por la caída de la presión. Además, el riser opera a una
presión 2.6207 bar (para la base de datos) resulta adecuado evaluar la
densidad de la mezcla reaccionante a partir de la ley de gas ideal. Al no influir la
caída de presión en los perfiles axiales del riser, que se corrobora que la
disipación viscosa en el balance de energía puede despreciarse.
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