Craqueo para niños

El craqueo es un proceso químico muy importante que se usa para romper moléculas grandes y complejas en moléculas más pequeñas y sencillas. Imagina que tienes un collar muy largo de cuentas y necesitas cuentas más pequeñas; el craqueo es como cortar ese collar en pedazos más cortos.

Este proceso es fundamental en la industria del petróleo. El petróleo crudo, que se extrae de la tierra, está formado por moléculas muy grandes. Gracias al craqueo, estas moléculas se rompen para obtener productos más útiles y ligeros, como la gasolina, el diésel y otros combustibles.

Existen diferentes maneras de hacer craqueo:

• Craqueo térmico: Utiliza calor y presión muy altos para romper las moléculas.
• Craqueo catalítico: Además de calor y presión, usa una sustancia especial llamada catalizador. Un catalizador es como un "ayudante" que acelera las reacciones químicas sin cambiarse a sí mismo. En este caso, el catalizador suele ser una especie de arcilla en polvo o pequeños gránulos.

Refinería de craqueo de Shújov en Bakú, URSS, 1934.

Una forma moderna de craqueo catalítico es el proceso fluido. En este método, el catalizador es tan fino que, al mezclarse con aire o gases, se comporta como un líquido, lo que facilita su manejo en las refinerías. Gracias al craqueo, de un barril de petróleo crudo se puede obtener el doble de gasolina que con solo destilarlo. Por eso, es clave para producir gasolina de alto rendimiento.

Historia del craqueo

El primer método de craqueo térmico fue inventado y patentado por el ingeniero ruso Vladímir Shújov en 1891. Aunque se usó de forma limitada en Rusia, el desarrollo no continuó mucho en ese momento.

A principios del siglo XX, los ingenieros estadounidenses William Merriam Burton y Robert E. Humphreys desarrollaron y patentaron un proceso similar en 1908. Su método tenía la ventaja de mantener el condensador y la caldera bajo presión constante.

En 1924, una delegación de una compañía petrolera estadounidense visitó a Shújov. Querían saber si el método de Burton y Humphreys se parecía al suyo, lo que podría ayudar a otras compañías a usar la tecnología. Shújov confirmó que, en principio, eran muy parecidos.

Con el tiempo, el craqueo catalítico fluido se desarrolló y empezó a reemplazar a la mayoría de los procesos de craqueo térmico puros. Sin embargo, el craqueo térmico sigue siendo importante para producir ciertos productos como nafta, gasóleo y coque.

Tipos de craqueo

Craqueo térmico

El craqueo térmico moderno usa presiones muy altas, de unos 7000 kPa (kilopascales). En este proceso, las moléculas grandes se rompen y se forman productos "ligeros" que tienen mucho hidrógeno, mientras que las moléculas más pesadas se condensan. Esta reacción produce unas sustancias llamadas alquenos, que son muy importantes para fabricar plásticos y otros materiales.

El craqueo térmico se usa para transformar fracciones muy pesadas del petróleo o para producir combustibles ligeros y coque de petróleo. Hay dos tipos principales:

• Craqueo por vapor (o pirólisis): Se realiza a temperaturas muy altas (entre 750 °C y 900 °C o más). Produce etileno y otras materias primas valiosas para la industria petroquímica.
• Coque retardado: Se hace a temperaturas más suaves (unos 500 °C) y puede producir un tipo de coque de petróleo muy cristalino, llamado coque de aguja, que se usa para fabricar electrodos en las industrias del acero y el aluminio.

William Merriam Burton desarrolló uno de los primeros procesos de craqueo térmico en 1912, que funcionaba a 370-400 °C y una presión de 620 kPa. Más tarde, en 1921, C.P. Dubbs desarrolló un proceso más avanzado que operaba a 400-460 °C. El proceso de Dubbs fue muy usado hasta principios de los años 40, cuando el craqueo catalítico empezó a ser más popular.

Craqueo por vapor

El craqueo por vapor es un proceso petroquímico donde los hidrocarburos saturados (moléculas de carbono e hidrógeno con enlaces simples) se rompen en hidrocarburos más pequeños, a menudo insaturados (con enlaces dobles o triples). Es el método principal para producir los alquenos más ligeros, como el eteno (etileno) y el propeno (propileno).

En las plantas de craqueo por vapor, una materia prima como la nafta o el gas licuado de petróleo (GLP) se mezcla con vapor y se calienta mucho en un horno, sin oxígeno. La temperatura de reacción es muy alta, alrededor de 850 °C, pero la reacción dura muy poco tiempo, solo milisegundos. Después de alcanzar la temperatura, el gas se enfría rápidamente para detener la reacción.

Los productos que se obtienen dependen de la materia prima, la cantidad de vapor y la temperatura. Las materias primas ligeras producen más etileno, propileno y butadieno. Las materias primas más pesadas también dan estos productos, pero además producen hidrocarburos aromáticos y otros que se usan en gasolina o fueloil.

Durante el proceso, se forma lentamente una capa de coque (una forma de carbono) en las paredes del reactor. Esto reduce la eficiencia, así que las condiciones se ajustan para minimizarlo. Aun así, un horno de craqueo por vapor solo puede funcionar unos meses antes de necesitar una limpieza. Para limpiarlo, se aísla el horno y se le pasa una mezcla de vapor o vapor/aire para quemar la capa de carbono.

Cómo funciona una planta de etileno

Una planta de etileno tiene varias áreas clave:

• Hornos de craqueo por vapor.
• Sistemas para recuperar el calor y enfriar rápidamente el gas.
• Un sistema para reciclar el vapor.
• Compresión del gas craqueado en varias etapas.
• Eliminación de gases ácidos como el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono.
• Secado del gas craqueado.
• Tratamiento a temperaturas muy bajas (criogénico) para separar los diferentes gases.
• El gas frío pasa por una torre llamada desmetanizador, que separa el hidrógeno y el metano. Recuperar el metano es muy importante para que la planta sea rentable.
• Lo que queda del desmetanizador va a la torre desetanizadora, que separa los compuestos de dos carbonos (C2), como el etileno. El etileno es el producto principal, y el etano se recicla a los hornos para volver a craquearlo.
• Luego, el resto va a la torre despropanizadora, que separa los compuestos de tres carbonos (C3), como el propileno. El propileno es otro producto importante.
• Finalmente, lo que queda va a la torre debutanizadora, que separa los compuestos de cuatro carbonos (C4) y los más pesados (C5 o más).

Como la producción de etileno consume mucha energía, se hace un gran esfuerzo para recuperar el calor del gas que sale de los hornos. La mayor parte de esta energía se usa para producir vapor a alta presión, que a su vez impulsa las turbinas que comprimen los gases. Una planta de etileno, una vez en funcionamiento, no necesita importar vapor para sus turbinas.

Craqueo catalítico fluido

El craqueo catalítico fluido (FCC) usa catalizadores ácidos sólidos, como la sílice-alúmina y las zeolitas. Estos catalizadores ayudan a que las moléculas se rompan y se reorganicen. A diferencia del craqueo térmico, el craqueo catalítico se realiza a temperaturas más suaves, lo que ahorra energía.

Este proceso es muy común en las refinerías modernas, especialmente en Estados Unidos, debido a la alta demanda de gasolina. Se empezó a usar alrededor de 1942.

En los diseños más nuevos, el craqueo se realiza en un tubo vertical llamado "tubo ascendente". La materia prima precalentada se rocía en la base del tubo, donde entra en contacto con el catalizador muy caliente (entre 666 y 760 °C). El catalizador caliente vaporiza la materia prima y ayuda a romper el aceite pesado en componentes más ligeros, como GLP, gasolina y diésel. La mezcla de catalizador e hidrocarburos sube por el tubo en pocos segundos y luego se separan. Los hidrocarburos sin catalizador van a un separador principal para dividirse en diferentes productos.

Durante este viaje, el catalizador se "gasta" porque se le deposita coque, lo que reduce su actividad. El catalizador "gastado" se separa de los vapores de hidrocarburos y se envía a un regenerador. Allí, se usa aire para quemar el coque, lo que restaura la actividad del catalizador y también proporciona el calor necesario para el siguiente ciclo de reacción. El catalizador "regenerado" vuelve a la base del tubo ascendente, repitiendo el ciclo.

La gasolina producida por el FCC tiene un alto número de octano, lo que la hace de buena calidad para los motores.

Hidrocraqueo

El hidrocraqueo es un tipo de craqueo catalítico que se realiza con la presencia de gas hidrógeno. A diferencia de otros procesos, el hidrocraqueo usa hidrógeno para romper los enlaces de carbono-carbono. En 2010, se procesaron 265 millones de toneladas de petróleo con esta tecnología. La materia prima principal es el gasóleo de vacío, una parte pesada del petróleo.

Los productos de este proceso son hidrocarburos saturados. Dependiendo de las condiciones (temperatura, presión, actividad del catalizador), los productos pueden ser desde etano y GLP hasta hidrocarburos más pesados, principalmente isoparafinas. El hidrocraqueo suele usar un catalizador que puede reorganizar y romper las cadenas de hidrocarburos, además de añadir hidrógeno a ciertos compuestos para producir otros tipos de moléculas.

Los productos principales del hidrocraqueo son el combustible para aviones y el diésel, pero también se producen nafta con bajo contenido de azufre y GLP. Todos estos productos tienen muy poco azufre y otras impurezas. Este proceso es muy común en Europa y Asia porque en esas regiones hay una gran demanda de diésel y queroseno. En Estados Unidos, el craqueo catalítico fluido es más común porque la demanda de gasolina es mayor.

El proceso de hidrocraqueo depende de la materia prima y de la velocidad de dos reacciones que compiten: la hidrogenación (añadir hidrógeno) y el craqueo (romper moléculas). Las materias primas aromáticas pesadas se convierten en productos más ligeros bajo presiones muy altas (entre 1,000 y 2,000 psi) y temperaturas bastante altas (entre 400 y 800 °C), con hidrógeno y catalizadores especiales.

Las funciones principales del hidrógeno en este proceso son:

• Evitar que se formen compuestos aromáticos complejos si la materia prima tiene mucho parafina.
• Reducir la formación de alquitrán.
• Reducir las impurezas.
• Evitar que se acumule coque en el catalizador.
• Convertir los compuestos de azufre y nitrógeno en sulfuro de hidrógeno y amoníaco.
• Ayudar a obtener combustible con un alto número de cetano.

Fundamentos químicos

Fuera de la industria, romper los enlaces de carbono-carbono (C-C) y carbono-hidrógeno (C-H) es una reacción química poco común. Por ejemplo, el etano podría teóricamente romperse en dos moléculas más pequeñas, pero como la energía necesaria para romper el enlace C-C es muy alta, esta reacción no se observa fácilmente en un laboratorio normal.

Galería de imágenes

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  Refinería de craqueo de Shújov en Bakú, URSS, 1934.

Véase también

En inglés: Cracking (chemistry) Facts for Kids