Vapor cracking - Steam cracking
O craqueamento a vapor é um processo petroquímico no qual os hidrocarbonetos saturados são decompostos em hidrocarbonetos menores, geralmente não saturados. É o principal método industrial para a produção de alcenos mais leves (ou comumente olefinas ), incluindo eteno (ou etileno ) e propeno (ou propileno ). As unidades de craqueamento a vapor são instalações nas quais uma matéria-prima, como nafta, gás liquefeito de petróleo (GLP), etano , propano ou butano, é craqueada termicamente por meio do uso de vapor em fornos de craqueamento a vapor para produzir hidrocarbonetos mais leves. O processo de desidrogenação do propano pode ser realizado por meio de diferentes tecnologias comerciais. As principais diferenças entre cada um deles diz respeito ao catalisador empregado, ao projeto do reator e às estratégias para atingir maiores taxas de conversão.
As olefinas são precursores úteis para uma miríade de produtos. O craqueamento a vapor é a principal tecnologia que suporta os processos químicos de maior escala, ou seja, etileno e propileno.
Descrição do processo
Em geral
No craqueamento a vapor, uma alimentação de hidrocarboneto gasoso ou líquido como nafta , GLP ou etano é diluída com vapor e brevemente aquecida em um forno na ausência de oxigênio. Normalmente, a temperatura da reação é muito alta, em torno de 850 ° C. A reação ocorre rapidamente: o tempo de residência é da ordem dos milissegundos. As taxas de fluxo se aproximam da velocidade do som . Depois que a temperatura de craqueamento foi atingida, o gás é rapidamente extinto para interromper a reação em um trocador de calor da linha de transferência ou dentro de um coletor de extinção usando óleo de têmpera.
Os produtos produzidos na reação dependem da composição da alimentação, da razão hidrocarboneto para vapor e da temperatura de craqueamento e do tempo de residência do forno. As alimentações de hidrocarbonetos leves, como etano , GLP ou nafta leve, fornecem principalmente alquenos mais leves, incluindo etileno, propileno e butadieno . As alimentações de hidrocarbonetos mais pesados (gama completa e naftas pesadas, bem como outros produtos de refinaria) fornecem alguns desses mesmos produtos, mas também aqueles ricos em hidrocarbonetos aromáticos e hidrocarbonetos adequados para inclusão na gasolina ou óleo combustível .
Uma temperatura de craqueamento mais alta (também chamada de severidade) favorece a produção de eteno e benzeno , enquanto a severidade mais baixa produz maiores quantidades de propeno , hidrocarbonetos C4 e produtos líquidos. O processo também resulta na deposição lenta de coque , uma forma de carbono , nas paredes do reator. Isso degrada a eficiência do reator, então as condições de reação são projetadas para minimizar isso. No entanto, uma fornalha de craqueamento a vapor geralmente só pode funcionar por alguns meses de cada vez entre a descongelação. Os descoqueamentos exigem que o forno seja isolado do processo e, em seguida, um fluxo de vapor ou uma mistura de vapor / ar passe pelas serpentinas do forno. Isso converte a camada de carbono sólido sólido em monóxido de carbono e dióxido de carbono. Assim que esta reação for concluída, o forno pode ser colocado novamente em serviço.
Detalhes do processo
As áreas de uma planta de etileno são:
- fornos de craqueamento a vapor:
- recuperação de calor primário e secundário com têmpera;
- um sistema de reciclagem de vapor de diluição entre os fornos e o sistema de têmpera;
- compressão primária do gás craqueado (3 estágios de compressão);
- remoção de sulfeto de hidrogênio e dióxido de carbono (remoção de gás ácido);
- compressão secundária (1 ou 2 estágios);
- secagem do gás de craqueamento;
- tratamento criogênico;
- todo o fluxo de gás frio rachado vai para a torre do desmetanizador. O fluxo aéreo da torre do desmetanizador consiste em todo o hidrogênio e metano que estava no fluxo de gás rachado. O tratamento criogênico (−250 ° F (−157 ° C)) dessa corrente aérea separa o hidrogênio do metano. A recuperação de metano é crítica para a operação econômica de uma planta de etileno.
- o fluxo inferior da torre do desetanizador vai para a torre do desetanizador. O fluxo aéreo da torre do desetanizador consiste em todos os C2s que estavam no fluxo de gás rachado. O fluxo de C2 contém acetileno, que é explosivo acima de 200 kPa (29 psi). Se for esperado que a pressão parcial do acetileno exceda esses valores, o fluxo de C2 é parcialmente hidrogenado. O C2 então prossegue para um divisor C2. O produto etileno é retirado da parte superior da torre e o etano proveniente da parte inferior do divisor é reciclado para os fornos para ser novamente craqueado;
- o fluxo inferior da torre do desetanizador vai para a torre do despropanizador. O fluxo aéreo da torre do despropanizador consiste em todos os C3 que estavam no fluxo de gás rachado. Antes de alimentar o C3 para o divisor C3, o fluxo é hidrogenado para converter a mistura de metilacetileno e propadieno ( aleno ). Este fluxo é então enviado para o divisor C3. A corrente aérea do divisor C3 é o propileno do produto e a corrente inferior é o propano que é enviado de volta aos fornos para craqueamento ou usado como combustível.
- O fluxo inferior da torre do despropanizador é alimentado para a torre do desbutanizador. O fluxo aéreo do desbutanizador são todos os C4 que estavam no fluxo de gás rachado. O fluxo de fundo do desbutanizador (gasolina leve de pirólise) consiste em tudo no fluxo de gás craqueado que é C5 ou mais pesado.
Como a produção de etileno é intensiva em energia, muitos esforços têm sido dedicados à recuperação do calor do gás que sai dos fornos. A maior parte da energia recuperada do gás de craqueamento é usada para produzir vapor de alta pressão (1.200 psig (8300 kPa)). Esse vapor, por sua vez, é usado para acionar as turbinas para compressão do gás craqueado, o compressor de refrigeração de propileno e o compressor de refrigeração de etileno. Uma usina de etileno, uma vez em funcionamento, não precisa importar vapor para acionar suas turbinas a vapor. Uma planta típica de etileno em escala mundial (cerca de 1,5 bilhão de libras (680 KTA) de etileno por ano) usa um compressor de gás craqueado de 45.000 cavalos (34.000 kW), um compressor de propileno de 30.000 HP (22.000 kW) e um compressor de propileno de 15.000 HP (11.000 kW) compressor de etileno.
Mesmo com a integração energética completa dentro de uma planta de steam cracking, este processo produz uma quantidade insuperável de dióxido de carbono. Por tonelada de etileno, 1 - 1,6 tonelada de dióxido de carbono (dependendo da matéria-prima) está sendo produzida. Resultando em uma quantidade impressionante de mais de 300 milhões de toneladas de dióxido de carbono que é emitido anualmente na atmosfera, dos quais 70-90% são diretamente atribuídos à combustão de combustível fóssil. Nas últimas décadas, diversos avanços na tecnologia de steam cracking foram implementados com o objetivo de aumentar sua eficiência energética. Essas mudanças incluem combustão oxi-combustível, nova tecnologia de queimador e geometrias de reator 3D. No entanto, como é comum em tecnologias maduras, essas mudanças levaram apenas a ganhos marginais em eficiência energética. Para reduzir drasticamente a emissão de gases de efeito estufa do steam cracking, a eletrificação oferece uma solução, pois a eletricidade renovável pode ser transformada diretamente em calor, por exemplo, por aquecimento resistivo e indutivo. Como resultado, várias empresas petroquímicas uniram forças, resultando no desenvolvimento de vários acordos conjuntos nos quais combinam esforços de P&D para investigar como os crackers de nafta ou gás podem ser operados usando eletricidade renovável em vez da queima de combustível fóssil.
Licenciantes de fornos de craqueamento a vapor
Vários projetos proprietários estão disponíveis sob uma licença que deve ser adquirida do desenvolvedor do projeto por qualquer empresa de refino de petróleo que deseje construir e operar uma unidade de cracking a vapor de um determinado projeto.
Estes são os principais projetistas e licenciadores de fornos de craqueamento a vapor:
- Tecnologia Lummus
- TechnipFMC (anteriormente Technip )
- Linde
- KBR