REFORMACIÓN CATALÍTICAPROCESO PLATFORMING

Marck Lapinski, Lance Baird y Robert James

EVOLUCIÓN DEL PROCESO

Platforming es un proceso de reformación catalítica desarrollado por la UOP difundido y usado actualmente por la industria petroquímica y del petróleo. La primera unidad fue puesta en marcha en 1949 y desde entonces se ha convertido en un estándar en refinerías a nivel mundial. En el proceso Platforming las naftas son puestas en contacto con un catalizador de platino a altas temperaturas y presiones de hidrógeno en un rango desde 345 a 3450 kPa (de 50 a 500 lb/in2 medidas). Esto da como resultado un producto con elevado octanaje ya que es rico en compuestos aromáticos. Hidrógeno de alta pureza, gasolina liviana y Gas Licuado de Petróleo (LPG) también se dan como reacciones de producto.

Fue desarrollado originalmente para aumentar el número de octano de una nafta destilada a presión atmosférica y convertirla en gasolina de motor de alto octanaje pero también ha sido aplicado para la producción de LPG y aromáticos de alta pureza. Un rango amplio de mezclas especiales del catalizador de platino soportado permite tener esquemas de proceso a la medida y obtener una operación óptima. Con la preparación adecuada de la alimentación Platforming maneja eficiencias como casi ninguna otra refinería de naftas.

Desde la comercialización de la primera unidad UOP ha sido una industria a la vanguardia en el mejoramiento de la tecnología de reformación. Ha hecho innovaciones en la optimización de las variables de proceso, formulación del catalizador, diseño de equipos y la maximización del rendimiento del líquido y del hidrógeno. Las innovaciones de UOP han conducido a alcanzar objetivos como alto octanaje y rendimiento a bajas presiones y alta severidad mientras se controla la deposición de coque y la desactivación del catalizador.

La primera unidad de Platforming fue diseñada como semi regenerativa (SR), o de lecho fijo, empleando un catalizador monometílico. Estas unidades son sacadas de servicio periódicamente para regenerar el catalizador. Esta operación incluye la quema del coque depositado sobre el catalizador y el reacondicionamiento del metal activo. Para maximizar el ciclo entre regeneraciones estas primeras unidades operaban a altas presiones en un rango desde 2760 kPa a 3450 kPa (de 400 a 500 lb/in2 medidas).

FIGURA 1. Proceso Platforming Semi Regenerativo bajo licencia UOP

En la figura 1 se presenta un diagrama de flujo típico del proceso Platforming semi regenerativo en donde la alimentación es mezclada con hidrogeno gaseoso reciclado y precalentado con el intercambiador del efluente, posteriormente se calienta hasta la temperatura de reacción por un horno y luego alimentado a la sección de reactores. Ya que la mayoría de las reacciones que ocurren son endotérmicas, esta sección es separada en varias etapas o reactores. Para recalentar la corriente de proceso y llevarla a la temperatura indicada para la siguiente etapa son instalados entre estos unos hornos. La salida del último reactor es enfriada por el intercambio de calor con la alimentación para una máxima recuperación de energía. Se realiza un enfriamiento adicional con aire o agua de servicio hasta llevarla a una temperatura cercana a la atmosférica. Este efluente es alimentado a una sección de separación donde los productos líquidos y gaseosos son separados. Una porción del gas del separador es comprimido y devuelto a la sección de reactores. El hidrógeno generado es enviado al complejo de refinación. El líquido es bombeado a estabilizadores donde los hidrocarburos livianos más volátiles son separados del producto de alto octanaje.

Inicialmente UOP mejoró el proceso Platforming con la introducción de catalizadores bimetálicos a las unidades semi regenerativas. Este catalizador permitía operar a bajas presiones y alta severidad: cerca de 1380 a 2070 kPa (200 a 300 lb/in 2

medidas), a 95 hasta 98 octanos con ciclos de un año de duración. El aumento de la coquificación del catalizador limitaba la duración del ciclo de operación y la capacidad de promover bajas presiones. El desarrollo por separado de catalizadores no resolvía el problema se necesitaba innovaciones en el proceso. En la década de los sesenta, fue desarrollada la reformación cíclica para dejar a un lado esta barrera. Esta tecnología emplea reformación en lecho fijo, pero los reactores pueden ser sacados de operación individualmente, regenerados y puestos en servicio nuevamente sin tener que deshabilitar toda la unidad y perder producción.

UOP admitió las limitaciones de estabilidad del catalizador en lecho fijo de tal modo que comercializó el proceso Platforming con regeneración continua (CCR) en 1971. El proceso emplea una regeneración continua del catalizador en el cual este es removido continuamente del último reactor, es regenerado en un ambiente controlado y luego transferido de regreso al primer reactor. (Figura 2). Este proceso representa un cambio significativo en la tecnología de reformación. Con la regeneración continua, la deposición de coque no es problemática porque el coque es continuamente removido y el catalizador es reacondicionado a su desempeño original. Este proceso permite operaciones a presiones ultra bajas de 345 kPa (50 lb/in2

medidas) originando productos con octanajes mayores a 108. El enfoque de la regeneración continua ha tenido mucho éxito con más de 95 por ciento del diseño de nuevos catalizadores para unidades de Regeneración Catalítica Continua (CCR). Adicionalmente, muchas de las unidades construidas originalmente para operación semi regenerativa han sido remodeladas a unidades de Platforming de Regeneración Catalítica Continua.

En resumen, el proceso Platforming de UOP ha evolucionado continuamente a lo largo de su historia. Se han logrado reducciones en la presión de operación por más de 2760 kPa (400 lb/in2 medidas), y el rendimiento de hidrógeno ha sido duplicado. El octanaje de los productos ha aumentado por más de 12 números junto con el aumento del rendimiento de C5+ del 2 por ciento en el volumen de líquido (LV %). La evolución del rendimiento del proceso es representado en la figura 3, la cual muestra el aumento en el rendimiento de C5+ y el octanaje a través del tiempo e innovaciones comparado con el límite teórico.

FIGURA 2. Proceso Platformin de Regeneración Continua

FIGURA 3. Evolución del desempeño del proceso Platforming

QUÍMICA DEL PROCESO

Composición de la Alimentación y los Productos La alimentación de nafta del proceso Platforming contiene típicamente

parafinas C6 hasta C11, naftenos y aromáticos. El principal propósito es producir aromáticos a partir de parafinas y naftenos. La corriente de producto está compuesta por una mezcla de gasolinas de calidad 4Premium debido al alto octanaje de los aromáticos. Alternativamente, la corriente de producto rica en aromáticos puede ser alimentada al complejo petroquímico donde productos valiosos como el Benceno, Tolueno y Xileno (BTX) pueden ser recuperados. En aplicaciones como gasolina de motor, la carga o alimentación contiene completamente componentes en un rango de C6 hasta C11 para maximizar la producción de gasolina a partir de crudo. Si se desea usar en petroquímica, la carga debe ser ajustada para que contenga un rango más selecto de hidrocarburos (C6 a C7, C6 a C8, C7 a C8, y así sucesivamente) para adaptar la composición del producto reformado a los componentes aromáticos deseados. Para cualquiera de las aplicaciones como nafta las reacciones básicas en el proceso Platforming son las mismas.

Las naftas provenientes de diferentes crudos varían mucho en composición de hidrocarburos y por lo tanto en su facilidad de reformación. La facilidad con la cual la alimentación de una nafta particular es procesada en una unidad de platforming es determinada por la mezcla de parafinas, naftenos y aromáticos en la carga. Los aromáticos pasan por la unidad esencialmente sin cambios. Los Naftenos reaccionan relativamente fácilmente y se convierten selectivamente a los compuestos aromáticos. Las parafinas son los más difíciles de convertir, y la severidad relativa de la operación es determinada por el grado de conversión de parafinas requerido. Cargas con bajas parafinas necesitan baja severidad, pero operaciones con alta severidad requieren un grado significativo de conversión.

Las naftas son consideradas como pobres (bajo contenido en aromáticos y naftenos) o ricas (alto contenido en aromáticos y naftenos). Las naftas ricas, con una alta proporción en naftenos, son más fáciles de procesar en las unidades de Platforming. La figura 4 muestra el efecto de la composición de las naftas sobre la conversión relativa de la carga o alimentación bajo condiciones de operación

constantes en el proceso Platforming. Cargas ricas en naftenos producen rendimientos volumétricos mayores de reformado que las cargas de naftas pobres.

FIGURA 4. Conversión típica de naftas pobres y ricas.

ReaccionesLas reacciones del proceso Platforming generalmente pueden ser agrupadas en

cuatro categorías: deshidrogenación, isomerización, deshidrociclización y craqueo. Las reacciones son promovidas por dos tipos de sitios activos en el catalizador, los ácidos y metálicos. El grado en que cada una de las reacciones se produce para una determinada operación dependerá de la calidad de la alimentación, condiciones de operación y el tipo de catalizador.

Debido a que la alimentación se compone de muchas parafinas e isómeros de naftenos, se dan en el reactor múltiples reacciones de reformación. La velocidad de reacción varía considerablemente con el número de carbonos del reactante. Por lo tanto, estas reacciones múltiples ocurren en serie y en paralelo con alguna otra. El circuito de reacciones generalizado se muestra en la figura 5 y ejemplos de las reacciones individuales en la figura 6.

FIGURA 5. Reacciones generales del proceso Platforming.

FIGURA 6. Reacciones Generales del proceso Platforming

Deshidrogenación de Naftenos: La principal reacción en la producción de aromáticos a partir de naftenos es la deshidrogenación del alquilciclohexano. Esta reacción toma lugar rápidamente y ocurre esencialmente hasta su término. La reacción es altamente endotérmica, es favorecida por altas temperaturas de reacción y bajas presiones y es

promovida por la función metálica del catalizador. Puesto que esta reacción ocurre rápidamente y produce hidrógeno así como aromáticos, los naftenos son el compuesto más provechoso en la alimentación.

Isomerización de Parafinas y Naftenos: La isomerización del alquilciclopentano a alquilciclohexano debe tener lugar antes de que este primero se convierta en un aromático. La reacción involucra un rearreglo del anillo y por lo tanto es posible la ruptura del anillo para formar una parafina. La reacción de isomerización de parafinas ocurre rápidamente a temperaturas de operación comercial. Sin embargo, el equilibrio termodinámico favorece ligeramente al isómero mas ramificado. Debido a que los isómeros de cadena ramificada tienen un octanaje mayor que las parafinas de cadena recta, esta reacción mejora el octanaje del producto. La reacción de isomerización es promovida por la función ácida del catalizador.

Deshidrociclización de Parafinas: Esta es la reacción más difícil de promover. Consiste en el rearreglo molecular de la parafina en naftenos. La ciclización de parafinas puede tornarse fácil con el aumento del peso molecular de la parafina pues aumenta la probabilidad de formación del anillo. Compensar parcialmente este efecto es la mayor probabilidad de las parafinas pesadas para hidrocraquear. La deshidrociclización es favorecida por las bajas presiones y altas temperaturas y requiere ambas funciones en el catalizador, la ácida y la metálica.

Hidrocraqueo y desalquilación: Además de las reacciones de isomerización de naftenos y de ciclización de parafinas la función ácida cataliza el hidrocraqueo de parafinas. Esta última se ve favorecida por altas temperaturas y presiones. Como las parafinas craquean y desaparecen a partir del rango de ebullición de la gasolina el restante de aromáticos se concentra así aumenta el octanaje del producto. Sin embargo el hidrógeno se consume y el producto se reduce haciendo indeseable esta reacción.La desalquilación de compuestos aromáticos incluye tanto la toma del grupo alquil (cadena lateral del anillo aromático) más pequeño hasta removerlo por completo. Ejemplos de ello son la conversión de etilbenceno al tolueno y la conversión de tolueno a benceno, respectivamente. Si la cadena lateral de alquilo es lo suficientemente grande, la reacción es similar al craqueo de parafinas. La desalquilación es favorecida por altas temperaturas y presiones.

Velocidad de Reacción RelativaLas reacciones principales de parafinas entre C6 y C7 ocurren a velocidades muy

diferentes. Ya que la velocidad de hidrocraqueo del hexano es al menos tres veces más grande que la velocidad de deshidrociclización del hexano, solo una fracción de hexano se convierte en aromático. La velocidad de deshidrociclización del heptano es aproximadamente cuatro veces la del hexano. Por lo tanto, la conversión del heptano en aromático será sustancialmente más grande que la de hexano.

Reacciones de naftenos en la alimentación denotan diferencias significantes entre los alquilciclopentanos y los alquilciclohexanos. Los alquilciclopentanos reaccionan lentamente y siguen dos caminos que compiten. La reacción de isomerización deseada a un alquilciclohexano es seguida por la deshidrogenación de aromáticos. La reacción que compite es la de desciclización para formar parafinas. En contraste, el alquilciclohexano deshidrogena rápidamente y casi completamente a aromático.

La facilidad relativa de isomerización a alquilciclohexano aumenta con el aumento del número de carbonos. Por ejemplo, la proporción de la velocidad de isomerización del alquilciclopentano de la velocidad total de reacción de alquilciclopentano es de 0,67 para el metilciclopentano a bajas presiones. Esta proporción se incrementa a 0,81 para el dimetilciclopentano, un número de carbono más alto.

La conversión de los tipos de hidrocarburos como función de su posición en el lecho catalítico para una operación de moderada severidad es mostrada desde la figura 7 hasta la 10. La carga de alimentación es nafta rica en BTX con parafinas, naftenos y aromáticos (PNA) con contenido de 42, 34 y 24 % en peso respectivamente. A medida que la alimentación de nafta pasa a través del lecho catalítico, aumenta la concentración total de aromáticos y la concentración de naftenos y parafina disminuye durante su proceso de conversión. La rápida disminución de la concentración de naftenos en el primer 30 % del volumen de catalizador demuestra la alta velocidad de conversión de ciclohexanos. La conversión de naftenos remanente se produce a un ritmo más lento y es indicativo de la conversión del ciclopentano y la deshidrociclización de parafinas a través de un nafteno intermedio. Por la salida del reactor, la concentración de naftenos tiende a estabilizarse en un valor bajo, el cual representa el nafteno intermedio presente en las reacciones de deshidrociclización de parafinas. Por el contrario la conversión de parafinas es casi lineal en el lecho del reactor.

FIGURA 7. Perfil de conversión por tipo de hidrocarburo.

La figura 8 ilustra la conversión de tres especies reactivas en la alimentación del proceso Platforming. Las velocidades relativas de conversión son marcadamente diferentes. En el primer 20 % de catalizador el 90 % de los ciclohexanos es convertido, pero la conversión es de 10 % para las parafinas y para los ciclopentanos es de 15 %. Los ciclopentanos son mucho menos reactivos que los ciclohexanos. La alta conversión del ciclohexano se evidencia en la grafica.

FIGURA 8. Perfiles de conversión por tipo de reactante

La figura 9 muestra la velocidad de reacción relativa de los ciclopentanos por el número de carbonos. Componentes más pesados con anillos desde 5 a 6 carbonos tienen mayor probabilidad de isomerización se convierten más fácilmente que los componentes más livianos. La reacción más difícil que es la conversión de parafinas, es caracterizada por el número de carbonos en la figura 10. Como con los ciclopentanos, las parafinas más pesadas se convierten más fácilmente que como lo hacen los componentes más ligeros. La facilidad de conversión relativa asociada con al aumento del número de carbonos para alquilciclopentanos y parafinas explica porque el alto rango de ebullición de la alimentación es fácil de procesar.

FIGURA 9. Conversión del ciclopentano de acuerdo al número de carbonos.

FIGURA 10. Conversión de Parafinas de acuerdo al número de carbonos.

En resumen, las parafinas tienen la menor reactividad y selectividad para los aromáticos y son los componentes más difíciles de procesar en una unidad de Platforming. A un cuando los alquilciclopentanos son más reactivos y selectivos que las parafinas, ellos aún producen cantidades significativas de especies no aromáticas. Los alquilciclohexanos son convertidos fácilmente y cuantitativamente en aromáticos y crean la mejor alimentación de reformación. Como regla general, los componentes más pesados se convierten fácil y selectivamente a aromáticos que los componentes más ligeros.

Calor de Reacción Los calores de reacción típicos de tres amplias clases de reacciones del proceso

Platforming son presentadas en la tabla 1. La deshidrociclización de parafinas y la deshidrogenación de naftenos son endotérmicas. En unidades comerciales de Platforming, la mayoría de estas reacciones tienen lugar a través de los dos primeros reactores, como lo indica el gran diferencial de temperaturas observado. En el último reactor, donde tiene lugar una combinación de deshidrociclización de parafinas e hidrocraqueo, el efecto del calor neto en el reactor es ligeramente endotérmico o exotérmico esto depende de las condiciones de proceso, las características de la alimentación y el catalizador

TABLA 1. Calores de Reacción ∆H

CatalizadorEl catalizador del proceso es heterogéneo, está compuesto por un material de

soporte o base (usualmente alúmina, Al2O3) en el cual son colocado metales

cataliticamente activos. En el primer catalizador platforming monometálico se usó platino. Estos catalizadores eran capaces de originar productos de alto octanaje, sin embargo como resultado de su desactivación por la deposición de coque debían trabajar a altas presiones y operaciones de bajo octanaje.

Como las refinerías necesitaban una mayor actividad y estabilidad para desplazarse a baja presión y mayor octanaje, UOP introdujo un catalizador bimetálico en 1968. Este contenía platino y renio como metal secundario para alcanzar los requerimientos de severidad. Los metales catalizadores son añadidos en proporciones mas pequeñas que el 1 % en peso usando técnicas que aseguren un alto nivel de dispersión del metal sobre la superficie del catalizador. Para desarrollar la funcionalidad ácida del catalizador es añadido un promotor clorado o fluorado. El desarrollo de la mayoría de los catalizadores para el proceso Platforming semiregenerativo han sido encaminado hacia la obtención de una máxima eficiencia y balance entre la funcionalidad metálica y ácida del sistema.

El desempeño de los catalizadores de lecho fijo comerciales de UOP es mostrado en la figura 11. El catalizador R-86, el cual fue comercializado en 2001 convirtiéndose en el más usado para sistemas semiregenerativos, es comparado en el catalizador R-56. El primero provee un avance de 1 % en el rendimiento de C5+ en el volumen de líquido (LV %) y un aumento del rendimiento de hidrógeno manteniendo la duración del ciclo y una excelente regenerabilidad. El soporte de alúmina del R-86 ha sido reformulado dando como resultado una menor densidad lo cual diminuye la producción de coque, reduce los requerimientos de metales y reduce el costo de recarga por reactor.

FIGURA 11. Resumen del desempeño de catalizadores comerciales para lecho fijo

Para reformadores cíclicos, UOP desarrolló una familia de catalizadores (Pt-Re y Pt) que al ser colocados en el soporte del R-86 aumentaba su rendimiento, tenían alta actividad y se redujo la producción de coque. Ya que los reactores cíclicos son casados de servicio secuencialmente toman importancia la estabilidad del área superficial y el aumento del número de regeneraciones realizadas.

Con la introducción en 1971 del proceso Platforming de regeneración continúa el desarrollo de catalizadores se realizó ajustado a las necesidades específicas del proceso continuo. Las primeras unidades Platforming de regeneración continua usaron un catalizador convencional de Pt-Re pero UOP rápidamente desarrolló la serie de catalizadores R-30 los que daban como resultado grandes rendimientos de gasolina e hidrógeno. UOP se enfocó en las siguientes áreas:

Reducción en la producción de coque. Aumento en la tolerancia a los múltiples ciclos de regeneración para

maximizar el tiempo de vida del catalizador y disminuir su costo. Aumento de la resistencia para reducir la atrición del catalizador dentro de

la unidad. Optimización de los metales para reducir el contenido de platino en el

catalizador y así reducir los requerimientos el capital de trabajo en la refinería.

En 1992, UOP comercializó la serie R-130 de catalizadores para el proceso Platforming de regeneración continua mejorando la estabilidad del área superficial, la actividad y la resistencia en relación a la serie R-30. Otros catalizadores similares han obtenido estabilidad en el área superficial añadiendo componentes en la alúmina pero en la serie R-130 dicha estabilidad se obtuvo modificando la alúmina durante su formación. Este método dio como resultado la degradación de la retención de cloruros lo cual disminuyó el desempeño a medida que el número de ciclos de regeneración continua aumentaba.

En el 2000 UOP introdujo la serie de catalizadores R-200. El compararla con la serie R-130 la primera proporcionaba 30 % menos de coque aumentaba en 1,5 el rendimiento de C5+ en el volumen de líquido (LV %) y el rendimiento de hidrógeno también resistencia con la misma estabilidad en el área superficial. La reducción en la producción de coque permite una mayor flexibilidad ya que se puede obtener operaciones de mayor octanaje o con altos rendimientos.

VARIABLES DE PROCESO

Esta sección describe las principales variables de proceso y su efecto en el desempeño de la unidad. Las variables de proceso son presión del reactor, temperatura del reactor, velocidad espacial, relación molar hidrógeno / hidrocarburo (H2/HC), propiedades de la alimentación, selectividad del catalizador, actividad del catalizador, y estabilidad del catalizador. La relación entre las variables y desempeño del proceso generalmente es aplicable tanto al modo de operación semiregenerativo (SR) como el de regeneración continua (CCR).

Propiedades de la Alimentación

El intervalo de ebullición característico de la alimentación del proceso Platforming está ubicado alrededor de los 100 °C (212 °F) a los 180 °C (356 °F). Alimentaciones con un bajo punto de ebullición inicial (IBP), menos de 75 °C (167 °F),

medido de acuerdo con la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales especificación ASTM D-86, por lo general contienen una cantidad significativa de componentes C5 los cuales no se convierten en valiosos productos aromáticos. Estos componentes diluyen el producto final, lo que exige una mayor severidad para lograr un producto con octanaje equivalente. Por esta razón, las materias primas son generalmente naftas C6. El punto final de la alimentación es normalmente establecido por las especificaciones de gasolina de la refinería con la constatación de que un aumento significativo de la variable, típicamente de 15 a 25 °C (27 a 45 °F), tiene lugar entre la carga de nafta y el producto reformado.

El efecto de los tipos de hidrocarburos en la alimentación sobre rendimiento de aromáticos fue discutido en la sección Química del Proceso y puede ilustrarse mediante el análisis de una amplia gama de composiciones de alimentación. Los Licenciantes o los administradores de la tecnología suelen desarrollar una gran base de datos de las alimentaciones que se han analizado y probado bajo condiciones controladas para caracterizar los rendimientos de reformación esperados en un rango de octanaje. Esto permite predecir los rendimientos de futuras alimentaciones de composición conocida. Cuatro alimentaciones de una amplia variedad de composiciones fueron seleccionadas de una base de datos y se resumen en la figura 12.

FIGURA 12. Caracterización de Naftas por el tipo de hidrocarburo

El rango escogido incluye alimentaciones pobres y ricas. El contenido de aromatics-pluscyclohexanes es una medida de su fácil conversión y el contenido de paraffins-pluscyclopentanes indica la dificultad de las reacciones de reformación. El efecto de la composición de la alimentación sobre el rendimiento de aromáticos es mostrado en la figura 13. El aumento de la conversión conduce a un aumento en el rendimiento total de aromáticos para cada una de las alimentaciones, si estas últimas son fáciles de procesar producirán el rendimiento de aromáticos más alto en cualquier nivel de conversión.

FIGURA 13. Conversión de la alimentación y rendimiento de aromáticos.

Presión del Reactor

La presión de operación promedio del reactor es generalmente referida como presión del reactor. Para propósitos prácticos, una aproximación es la última presión de entrada al reactor. Esta afecta los rendimientos del reformador, el requerimiento de temperatura del reactor, y la estabilidad del catalizador.No tiene limitaciones teóricas, aunque las restricciones prácticas de operación han conducido a un rango histórico de presiones de operación de 345 a 4830 kPa (50 – 700 lb/in2 manométricas). La disminución en la presión del reactor aumenta los rendimientos de hidrógeno y reformado, disminuye la temperatura requerida para alcanzar la calidad del producto, y acorta el ciclo del catalizador al incrementar la tasa de coquificación del catalizador. Las altas tasas de coquificación asociadas con las menores presiones de operación requieren una regeneración continua del catalizador.

Temperatura del Reactor

El control primario para la calidad del producto en el proceso Platforming es la temperatura de los lechos de catalizador. Mediante el ajuste del calentador de las temperaturas de salida, un refinador puede cambiar el octano de un reformado y la cantidad de aromáticos producidos.

La temperatura del reactor se expresa usualmente como la temperatura ponderada promedio de entrada (WAIT), la cual es la integración del producto de la fracción de catalizador en cada reactor multiplicada por la temperatura de entrada del reactor, o como la temperatura promedio ponderada del lecho (WABT), que corresponde a la integración del producto de la fracción de catalizador en cada reactor multiplicada por el promedio de sus temperaturas de entrada y salida. Las temperaturas en este capítulo se refieren al cálculo de la WAIT. Típicamente, las unidades de Platforming SR tienen un rango de WAIT de 490 a 525ºC (914 a 977ºF). Las unidades de Platforming CCR operan a una WAIT de 525 a 540ºC (977 a 1004ºF).

Velocidad Espacial

La velocidad espacial se define como la cantidad de nafta procesada en una cantidad dada de catalizador a lo largo de un espacio de tiempo dado. La velocidad espacial es una indicación del tiempo de residencia de contacto entre los reactantes y el catalizador. Cuando la tasa de volumen horaria de carga de nafta es dividida entre el volumen de catalizador en los reactores, el cociente resultante, expresado en unidades de h-1, es la velocidad espacial líquida horaria (LHSV). Alternativamente, si el flujo másico de carga de nafta es dividido entre la masa de catalizador, el cociente resultante, también expresado en unidades de h-1, es la velocidad espacial másica ponderada (WHSV). Aunque ambos términos se expresan en las mismas unidades, los cálculos arrojan resultados diferentes. El empleo de LHSV o WHSV depende de la forma acostumbrada en que los flujos de alimentación se expresan en una localidad dada. Donde los flujos de carga se expresan normalmente en barriles por día, se emplea típicamente LHSV. Allí donde los flujos se expresan en términos de toneladas métricas por día, se prefiere WHSV.

La velocidad espacial junto con la temperatura del reactor determina el octanaje del producto. A mayor velocidad espacial, se requiere mayor temperatura para obtener un producto con un octanaje determinado. Si un refinador desea incrementar la severidad de operación de un reformador, ella o él bien pueden tanto incrementar la temperatura del reactor o disminuir la velocidad espacial. Un cambio en la velocidad espacial tiene un pequeño impacto en los rendimientos de los productos cuando la WAIT es ajustada para mantener severidad constante. Las velocidades espaciales más altas podrían conducir a rendimientos ligeramente mayores esto da como resultado la disminución del tiempo disponible para que las reacciones de desalquilación ocurran. Esto se ve parcialmente compensado por el mayor índice de reacciones de hidrocraqueo a altas temperaturas.

Relación Molar Hidrógeno/Hidrocarburo

LA relación H2/HC es la proporción de moles de hidrógeno en el gas de recirculación en relación a moles de nafta alimentados a la unidad. El hidrógeno reciclado es necesario para mantener la vida del catalizador estable. La tasa de formación de coque en el catalizador es una función de la presión parcial de hidrógeno.

Un aumento en la proporción H2/HC aumenta la velocidad lineal y proporciona un disipado de calor de la reacción endotérmica. El aumento de la proporción también aumenta la presión parcial de hidrógeno y reduce la tasa de coque, lo que aumenta la estabilidad del catalizador con poco efecto sobre la calidad del producto o los rendimientos. Por otra parte relaciones menores de H2/HC ofrecen mayores rendimientos de C5+ e hidrógeno, aunque este beneficio es difícil de medir en unidades comerciales de operación.

Selectividad del Catalizador

La selección del catalizador es por lo general adaptada a las necesidades individuales de quien refina. Un catalizador particular, suele ser elegido al conocer el rendimiento, la actividad, y los requisitos de estabilidad. Esta adaptación se lleva a

cabo mediante la variación de la formulación básica del catalizador, el nivel de cloruro, contenido de platino, y la elección de la cantidad de cualquier metal adicional.

Las diferencias en los tipos de catalizador puede afectar a otras variables de proceso. Por ejemplo, la temperatura requerida para producir un determinado octanaje está directamente relacionada con el tipo de catalizador.

La selectividad del catalizador puede ser fácilmente descrita como la cantidad de producto deseado que pueden ser obtenidas a partir de una alimentación dada. Por lo general, la selectividad de un catalizador se compara con la de otro. En condiciones de operación y propiedades de alimentación constantes, el catalizador puede producir la mayor cantidad de reformado con un octanaje requerido para su aplicación como combustible de motor o la mayor cantidad de aromáticos en una operación BTX obteniendo la mayor selectividad.

Actividad y estabilidad del Catalizador

La actividad es la capacidad de un catalizador para promover una reacción deseada con respecto a la velocidad de reacción, velocidad espacial, o la temperatura. La actividad también se puede expresar en un sentido relativo a que un catalizador es más activo que otro. En aplicaciones como combustible de motor la actividad se expresa generalmente como la temperatura necesaria para producir reformado en un octanaje determinado, velocidad espacial, y presión. Un catalizador más activo puede producir reformado en el octanaje deseado a una temperatura más baja.

La estabilidad de la actividad es una medida de la velocidad a la que el catalizador se desactiva con el tiempo. En la reformación semiregenerativa, la estabilidad es una indicación de cuánto tiempo el catalizador pueden permanecer en funcionamiento entre regeneraciones. En el proceso Platforming con regeneración continua (CCR), la estabilidad es una indicación de la cantidad de coque se formará al procesar una alimentación a una severidad determinada, que a su vez, determina el tamaño de la sección de regeneración del catalizador.

PROCESO PLATFORMING CON REGENERACIÓN CONTINUA

En los años siguientes a la invención de Platforming, la necesidad de una mezcla de gasolina con componentes de alto octanaje y la demanda de aromáticos para procesos petroquímicos aumentó constantemente. Esta demanda creciente del mercado requirió refinerías para operar sus unidades de Platforming a muy alta severidad. Finalmente, las mejoras en el catalizador y el proceso no mantenían el mismo ritmo, y se convirtió en una seria limitación de las unidades de Platforming Semirenegerativo (SR) la necesidad de regenerar el catalizador, a intervalos más cortos. UOP desarrolló el proceso Platforming con regeneración continua (CCR) para superar esta limitación. En la unidad de Platforming CCR, el catalizador parcialmente coquificado dentro del reactor es continuamente remplazado con catalizador que ha sido recientemente regenerado en una unidad externa (sección CCR) para mantener un promedio bajo de coque en el catalizador del reactor. Por lo tanto, con la alta selectividad y la alta actividad continua características del nuevo catalizador se puede alcanzar una severidad significativamente mayor que con el proceso de Platforming SR.

Para ejemplo, una unidad de Platforming SR opera a una severidad que constantemente deposita coque sobre la superficie del catalizador a lo largo de un ciclo (6 a 18 meses), momento en que la unidad es puesta fuera de servicio y el catalizador es regenerado. A lo largo del ciclo, los rendimientos disminuyen. Por el contrario, con una unidad moderna de Platforming CCR, el catalizador se regenera aproximadamente cada 3 días, y el rendimiento se mantiene constante en los niveles de catalizador nuevo.

El régimen de flujo del proceso Platforming con regeneración continua (CCR) incorpora numerosas innovaciones ingenieriles. Dependiendo del tamaño de la unidad, muchas unidades Platforming SR también se construyen incluyendo algunas de esas innovaciones. Esta modalidad de diseño permite una transición más fácil entre unidades Platforming Semiregenerativa (SR) y de Regeneración Continua (CCR) si es requisito para satisfacer futuros requerimiento de operación.

Sistema de Lecho MóvilEn una unidad de proceso Platforming SR convencional, los reactores están

configurados uno al lado del otro. La unidad de Platforming CCR utiliza un reactor patentado por la UOP. Los reactores están apilados uno encima del otro para lograr una unidad compacta que minimiza los requisitos de área. El catalizador fluye suavemente hacia abajo de reactor a reactor por la gravedad, lo que simplifica la transferencia de flujo de catalizador y reduce al mínimo la atrición. La transferencia de catalizador es simplificada en comparación con otras tecnologías de reformación, que emplean configuraciones de reactor lado a lado que requieren que el catalizador sea elevado de forma neumática de la parte inferior de cada reactor a la parte superior del reactor siguiente. Por el contrario, con el reactor apilado, el catalizador se eleva sólo dos veces durante cada ciclo: desde el fondo del reactor apilado al tope del regenerador y luego desde el fondo del regenerador de nuevo al tope del reactor apilado. La transferencia de catalizador no requiere intervención del operador. Las velocidades de transferencia de catalizador han sido diseñadas a partir de valores tan bajos como 91 kg/h (200 lb/h) hasta un máximo de 2721 kg/h (6000 lb/h), dependiendo de la capacidad y la severidad de operación de la unidad de Platforming.

Sistema con Regeneración Continua (CCR)La capacidad de regenerar continuamente una cantidad controlada de

catalizador es la innovación más significativa de la unidad de Platforming CCR. Este fluye por gravedad desde el último reactor hasta dentro de un colector integral de catalizador; luego se eleva usando nitrógeno o hidrógeno como gas de elevación hasta una tolva por encima de la torre de regeneración, finalmente fluye a la torre de regeneración, donde se reacondiciona. El catalizador regenerado se devuelve al tope del reactor apilado por un sistema de transferencia similar a la utilizada en la transferencia del reactor al regenerador. Por lo tanto, los reactores son continuamente alimentados con el catalizador recientemente regenerado, y los rendimientos de productos se mantienen en niveles de catalizador nuevo.

La secciones de regeneración y de reacción de la unidad son de fácil aislamiento lo que permite sacar de servicio el sistema de regeneración para la inspección normal o de mantenimiento sin interrumpir la operación del proceso platforming.

En el diseño de la sección de regeneración se realizan mejoras continuamente. Adicionalmente al regenerador atmosférico y el presurizado la UOP introdujo en 1995 el regenerador CycleMax (marca registrada o en uso de la UOP) el cual combina las innovaciones con las buenas prácticas de diseños previos de sistemas CCR a costos reducidos.

Características de la caída de PresiónUna mínima caída de presión en la sección del reactor es crítica para la

operación eficiente a ultra baja presión. Una baja caída de presión minimiza la presión diferencial y la potencia del compresor de reciclo de gas. El resultado es un menor consumo en servicios. El costo, incluso para 1 libra adicional de caída de presión en el compresor es alto. Una mínima caída de presión también permite el funcionamiento del reactor con la menor presión promedio posible, lo que aumenta los rendimientos de reformado y de hidrógeno.

UOP emplea una variedad de equipos especiales para minimizar la caída de presión en todo el circuito de la planta. Se utilizan para maximizar la eficiencia térmica y minimizar la caída de presión ya sea intercambiadores combinados efluentes - alimentación verticales (VCFEs) o PACKINOX intercambiadores de placas soldadas introducidos en los años noventa. Para lograr un mínimo costo de compresión se patentó el reactor de diseño apilado y el diseño de hornos de llama directa.

Esquema de Recuperación SecundariaSe han desarrollado varios esquemas innovadores para aumentar la

recuperación de líquido y la purificación de gas en el separador. En los diseños a menor presión la necesidad de aumentar la recuperación de líquidos es más crítica, donde la producción de hidrógeno y C5+ se incrementa como resultado de un proceso más selectivo. Esta ventaja se puede perder si un sistema de recuperación no está instalado aguas abajo de la sección del reactor. A presiones de bajas de operación, se reduce la presión en el separador flash. En consecuencia, el equilibrio termodinámico líquido-vapor permite que una mayor cantidad de C4, C5 y C6+ salga por el tope, como resultando existe una pérdida de un producto valioso como el C5+ y la producción de hidrógeno de menor pureza. Para evitar esta pérdida, se han desarrollado varios tipos de esquemas para mejoras el recontacto.

Uno de los esquemas de uso frecuente es el de recontacto líquido-vapor de los efluentes del reactor. En este esquema, después de ser enfriadas las salidas, es separada físicamente en porciones de líquido y vapor. Parte del vapor se dirige a la succión del compresor para su uso como gas de reciclo. El resto, llamado gas del separador de red, es comprimido y descargado ya sea en un tambor o un adsorbedor. El líquido del separador también es bombeado al tambor o adsorbedor y es puesto en contacto nuevamente con el gas a presión elevada para obtener mayor recuperación de líquidos y pureza en el hidrógeno.

Otro método consiste en enfriar el gas del separador de red. Dependiendo de los requisitos de presión aguas abajo; el gas, ya sea del compresor de succión o descarga se enfría a aproximadamente a 5 ° C (41 ° F) por un sistema de refrigeración. La separación del vapor y el líquido a una temperatura baja mejora la pureza de hidrógeno y adicionalmente recupera líquidos, el cual sería enviado al estabilizador con el líquido del separador de baja presión. UOP ofrece un sistema de este tipo,

RECUPERACIÓN PLUS, que mejora la recuperación del producto líquido a un mínimo costo operativo.

Ventajas del proceso Platforming con Regeneración Continua Desde el punto de vista técnico y económico, el proceso Platforming CCR tiene

ventajas significativas sobre el proceso Platforming SR. Estas se analizan a continuación:

La unidad Platforming CCR tiene el mayor rendimiento, ya que es capaz de operar a la presión más baja posible. Si el catalizador del Platforming SR se opera en las mismas condiciones es desactivado por completo después de sólo unos días de operación. En cambio, para el catalizador del Platforming con regeneración contínua es de fácil manejo las altas tasas de deposición de coque. Con el proceso Platforming CCR se maximizan los rendimientos tanto del hidrógeno y del C5+. El rendimiento del C5+ se ilustra en la figura. 14, y del rendimiento de hidrógeno se muestra en la figura 15.

Figura 14. Rendimiento de C5+ al disminuir la presión.

Figura 15. Mejoras en la eficiencia del rendimiento.

Para la economía del proceso de reformación es importante obtener altos rendimientos y que se mantengan constantes. Estos disminuirán constantemente desde el principio hasta el final en un ciclo del proceso Platforming SR ya que el catalizador se desactiva por deposición de coque. Con el proceso Platforming CCR, el reformado, los aromáticos, y los rendimientos de hidrógeno se mantienen constantes. Este resultado es particularmente importante para los operadores aguas abajo debido a que la fluctuación en la calidad de los productos puede hacer que estos no cumplan las especificaciones requeridas. Con la sección de reformación continua (CCR) se logra mantener los rendimientos, lo que asegura la adecuada redispersión de los metales y el equilibrio de cloruro de mantener la actividad del catalizador.

Las unidades Platforming CCR tienen un funcionamiento de mayor eficiencia y son capaces de manejar situaciones indeseadas sin ser sacadas de servicio por largos períodos de tiempo o tener una disminución significativa en el rendimiento. Por ejemplo, problemas con la alimentación a un compresor puede conducir a problemas significativos con la unidad de Platforming SR debido a que los niveles de coque aumentaron, lo que inevitablemente disminuye el ciclo del catalizador. Sin embargo, la regeneración continua de catalizador en la unidad Platforming CCR permite una rápida reanudación de las operaciones normales. El funcionamiento independiente de las secciones del reactor y catalizador de la regeneración y el diseño robusto de la unidad Platforming CCR dan una mayor disponibilidad de funcionamiento para la unidad Platforming CCR. Encuestas realizadas a clientes indican que el tiempo promedio entre rotaciones previsto es de 3,4 años.

Desde que el catalizador no se regenera in situ, la sección del reactor opera sólo en su función primordial de proporcionar el medio catalítico para las reacciones de reformación. Por lo tanto, no están expuestos a duras condiciones de regeneración y es menos susceptible a la corrosión y ensuciamiento que el proceso Platforming SR.

CASOS DE ESTUDIO

Para comparar el proceso Platforming Semiregenerativo (SR) y con Regeneración Continua (CCR) se presentan dos caso. La capacidad de las unidades es la misma para los dos modos de operación, pero la unidad Platforming CCR operará con alta severidad. La investigación dio como resultado un número de octano (RON C) de 102 para el modo de operación CCR en comparación con 97 RON C del proceso SR. La ventaja en el rendimiento del proceso CCR está claramente demostrado en los estudios de caso. Sin embargo, UOP sigue licenciando unidades Platforming SR porque las especificaciones de gasolina varían en las diferentes regiones del mundo. Algunas refinerías prefieren construir una unidad Platforming SR de menor costo unitario para satisfacer sus requisitos actuales de octanaje. Esa unidad puede ser convertida a una Platforming CCR cuando la gasolina que se necesite sea de mayor octanaje, mayor producción de hidrógeno o un mayor rendimiento.

Condiciones de OperaciónLa Tabla 2 muestra las severidades de operación relativas de las unidades

Platforming SR y CCR. Esta última opera con alta severidad y bajo inventario de catalizador del reactor. Adicionalmente, el CCR operó continuamente y el SR con ciclos de 12 meses.

Rendimiento y Propiedades de los Productos Las Tablas 2 y 3 muestran claramente por las condiciones de operación que los

beneficios de la unidad Platforming CCR son significativos sobre la unidad SR. Las unidades CCR producen mayores rendimientos de hidrógeno de alta pureza; el rendimiento de C5+ y la operación a alta severidad dan como resultado un volumen similar de líquido de dos unidades. El reformado producido por la unidad de Platforming CCR es más valioso que el producido por la unidad de Platforming SR. Teniendo en cuenta tanto los valores de alto octanaje y una mayor eficiencia en producción de la unidad CCR Platforming, 80 millones más de barriles de octano, o 11,4 millones más de toneladas métricas de octano, se producen al año con la unidad CCR Platforming que con la unidad de Platforming SR.

Tabla 2. Severidades de operación relativas de las unidades Platforming SR y CCR.

Tabla 3. Comparación de Rendimientos entre unidades Platforming SR y CCR

ECONOMÍA

El costo de construcción estimado (CCE) para las dos unidades se presenta en la Tabla 4. El CCE se basa en el cuarto trimestre de 1995 en la Costa del Golfo de EE.UU., construido dentro de los límites de batería de las normas UOP. El CCE de la unidad de Platforming CCR es superior a la de la unidad de Platforming SR. La principal diferencia

en el costo está en la sección de regeneración CCR. La elección del modo de operación del proceso Platforming depende del capital disponible y la severidad de operación requerida. En general, el punto de equilibrio entre las unidades Platforming SR y CCR es una severidad de operación de 98 RONC. En algunas regiones del mundo, 98 RONC o una menor severidad es suficiente para satisfacer las necesidades de la gasolina local. Muchas de las nuevas unidades de Platforming SR se construyen con un reactor apilado y con la flexibilidad necesaria para convertirlas en unidades de Platforming CCR posteriormente. Así, el costo de la sección CCR se extiende a lo largo de un período más largo, y los beneficios obtenidos de la operación con Platforming SR se pueden utilizar para su financiamiento.

Sin embargo, para alcanzar las restricciones de gasolina en muchas regiones del mundo, o para la producción de aromáticos, se requiere una severidad de operación superior a 98 RONC. Por otra parte, para la producción de aromáticos, la severidad de operación suele ser 104 a 106 RONC. Por lo tanto, en estos casos el proceso de Platforming CCR es el único modo viable de operación. Normalmente, el aumento de los rendimientos y octanaje (es decir, más alto valor del producto), mayor eficiencia y una mejor flexibilidad de operación que rápidamente reintegrará la diferencia de costos adicionales.

Los requerimientos de operación estimados para las dos unidades se presentan en la Tabla 5. Estas estimaciones se basan en la suposición de que las unidades son operadas al cien por ciento de la capacidad de diseño en condiciones medias anuales.

La filosofía de diseño de UOP es reducir al mínimo el consumo de los servicios y maximizar la conservación de la energía dentro de las limitaciones económicas. Los requerimientos de operación de la unidad de Platforming CCR son más altos debido al regenerador de CCR, la operación a menor presión, y un esquema más complejo de recontacto.

Tabla 4. Costos de Construcción Estimados

Tabla 5. Requerimientos de Operación

Los ingresos de operación y costos previstos para las unidades de Platforming SR y CCR son enumerados en la Tabla 6 y se resumen en la Tabla 7. La nomenclatura utilizada por la UOP sigue definiciones estandarizadas. Para aclarar la definición de los parámetros económicos se incluye la Tabla 8.

Tabla 6. Economía de Operación

Tabla 7. Resumen Económico

Tabla 8. Nomenclatura de UOP para el análisis económico.

La economía que se muestra en las Tablas 6 y 7 son favorables para cualquiera de los dos modos de operación. Ambos tienen un tiempo de amortización inferior a 2 años. Sin embargo, los aspectos económicos del proceso de Platforming CCR son superiores como consecuencia directa de las diferencias en la severidad y la flexibilidad de funcionamiento de los dos modos de operación. La unidad de Platforming CCR produce reformado de 102 RONC (24,60 dólares por barril) de más valor frente al reformado de Platforming SR donde es de 97 RONC (23,00 dólares por barril). La eficiencia de la corriente de la unidad Platforming CCR es de 8640 h/año en comparación con 8000 h/año para la unidad de Platforming SR. Aunque los costos de utilidad de Platforming CCR son mayores que los de la unidad de Platforming SR, estos costos son compensados por el aumento de la cantidad y valor del producto, como lo demuestra la utilidad antes de impuestos y el retorno de la inversión.

Experiencia Comercial de UOP

UOP ha diseñado más de 730 unidades de Platforming (tanto SR y CCR) en todo el mundo con una capacidad total de alimentación de más de 9,1 millones de barriles por día de producción (SCPD). Los rangos de alimentación van desde cortes de rango completo el para benceno-tolueno (BT), naftas pobres de Medio Oriente y naftas ricas de EE.UU. y África con capacidades que van de 150 a 60.000 SCPD. Los números de octanos van en un rango de 93-108 sobre una amplia gama de catalizadores.

El proceso de UOP Platforming CCR es el proceso más éxito la reforma ofrecido por cualquier licenciante de tecnología. A mediados de 2002, la experiencia comercial sin igual de UOP incluye:

171 unidades UOP de Platforming CCR operativas en todo el mundo. 52 unidades que operan en el estado de presión del reactor de última

generación de 75 lb/pulg2 Gage 82 unidades operativas en o por debajo de 100 lb/pulg2 presión manométrica

del reactor 4.000.000 BPSD unidad CCR Platforming capacidad operativa

99,5% de todas las unidades de Platforming CCR vez puesto en marcha sigue funcionando

31 más UOP CCR Platforming unidades en el diseño y la construcción