Balance de Presión y Circulación de Catalizador: Fundamentos y Aplicaciones para la Optimización de la UFCC

El balance de presión proporciona un entendimiento de la hidráulica de la circulación de catalizador en la unidad de craqueo catalítico. El conjunto conversor opera con un catalizador sólido, que cuando bajo ciertas condiciones, se comporta como un fluido.

El entendimiento del balance de presión auxilia al ingeniero a optimizar la unidad, buscando estabilizar y maximizar la circulación de catalizador. El balance de presión también equilibra restricciones comunes de una UFCC como los flujos del soplador y compresor, así como la caída de presión disponible en las válvulas de control de nivel de catalizador en el vaso separador y de temperatura en la cima del riser, denominadas de LV y TV, respectivamente.

Las unidades de craqueo catalítico operan circulando un catalizador sólido dentro del conversor. El principal responsable para que esa circulación ocurra es el balance de presión.

El balance de presión tiene relación con la hidráulica de la circulación del catalizador entre el vaso separador y el regenerador. Este catalizador se comporta como un fluido cuando aireado por una corriente en la fase vapor. De esa forma, el flujo de catalizador en la UFCC se da por diferencial de presión. Por eso, el catalizador debe mantenerse fluidizado mientras recorre el ciclo en el conversor.

El catalizador fluidizado se comporta similarmente a un líquido y su flujo ocurre en la dirección de la menor presión. El diferencial de presión entre dos puntos en un lecho es igual a la longitud del lecho entre esos puntos multiplicado por la densidad del catalizador fluidizado. Por lo tanto, el conjunto conversor de una unidad de craqueo catalítico es esencialmente el sistema completado con agua ilustrado en la figura 1.

Conforme observado en la figura 1A, si las presiones en los dos vasos son iguales, el nivel de agua también será igual. Ya en la figura 1B, la presión en el vaso 1 es menor que la del vaso 2, consecuentemente, el nivel del agua irá a subir, conforme ilustrado. Al fin, en la figura 1C, si fuera inyectado aire u otro gas en el riser que conecta los dos vasos, el nivel de agua en esa línea se elevará todavía más debido a la disminución de densidad en esa región. Al inyectarse una cantidad suficiente de vapor de agua en el riser, habrá desbordamiento para el vaso 1 y la circulación en el sistema será establecida.

Este es el proceso utilizado para circular el catalizador fluidizado en una UFCC. Típicamente, el vaso separador es equivalente al vaso 1 y el regenerador al vaso 2. La densidad en el riser es menor en función de la presencia de la carga y de los vapores de productos, además de la inyección de vapor de agua y, por ese motivo, el catalizador posee flujo ascendente en el riser hasta el vaso separador.

Los principales componentes del balance de presión del conversor de una UFCC son el regenerador, la tubería de catalizador regenerado, la válvula de control de temperatura en la cima del riser (TV) de catalizador regenerado, el riser, el vaso separador, la tubería de catalizador gastado y la válvula de control de nivel de catalizador en el vaso separador (LV) de catalizador gastado. El balance de presión determina la caída de presión disponible en las dos válvulas.

El dominio del balance de presión es extremamente importante para la optimización de la unidad. La capacidad de la UFCC puede ser incrementada, por ejemplo, a partir de una mayor circulación de catalizador o por alteración en el diferencial de presión entre el vaso separador y el regenerador, de modo que sea posible balancear dos restricciones comunes en la unidad de craqueo catalítico, los flujos del soplador y del compresor. Por lo tanto, los objetivos principales del balance de presión son:

• Garantizar una circulación de catalizador estable;
• Maximizar la circulación de catalizador;
• Maximizar la caída de presión disponible en las válvulas TV y LV;
• Optimizar la presión del regenerador para maximizar el flujo del soplador o del compresor, dependiendo del escenario de la unidad.

Al fin, el balance de presión es fundamental para garantizar que el catalizador siempre fluya del regenerador para el vaso separador, y, posteriormente, retorne al regenerador. La inversión de flujo en el conjunto conversor, en el caso de la TV permitirá que la carga inyectada en el riser entre al regenerador aumentando significativamente la temperatura de este, lo que fatalmente ocasionará una parada de la unidad. De forma análoga, la inversión de flujo en el conjunto conversor considerando la LV permitirá que ocurra flujo de los gases de combustión con presencia de oxígeno para el vaso separador y, consecuentemente, la elevación de la temperatura del vaso separador, siendo necesario interrumpir la operación de la unidad.