¿Cómo se ve una galleta de vapor y cuáles son sus componentes esenciales?

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La versión tl; dr de esto es que una galleta de vapor es una enorme cámara de combustión, una unidad de calentamiento de proceso que rodea una enorme lengua de llamas, en la que el vapor sobrecalentado y los hidrocarburos vaporizados se alimentan a alta presión y velocidad para “agrietarse” térmicamente en pequeños moléculas. La temperatura se reduce muy rápidamente después para detener la reacción, y después de eso hay una pequeña línea de purga para partículas de coque (moléculas que se han pirolizado en polímeros sólidos), y un sistema de separación extenso, que depende de la materia prima que está poniendo. dentro y lo que le gustaría salir. El sistema de separación es realmente muy complejo ya que muchos de los productos son difíciles de separar.

Lo primero que verá si alguna vez tiene la oportunidad de visitar una galleta de vapor es al menos uno, probablemente más calefactores del tamaño de un edificio de oficinas. La imagen de abajo es del complejo de craqueo a vapor BASF-ATOFINA en Port Arthur, Texas, en construcción a principios de 2002. Los hornos de craqueo están a la izquierda, encajonados en andamios y tuberías estructurales, y el suelo no es visible, pero con suerte las banderas y las barandillas darán una idea de cuán masivas son estas cosas. Este complejo de craqueo a vapor costó mil millones de dólares – mil millones, con una B – en 2002.
El interior de un horno de craqueo a vapor es un poco más difícil de ver, pero afortunadamente tenemos algunas visualizaciones realmente excelentes de crackers de vapor para ver en línea. SCAD Engineering publicó este video de una cámara de combustión de craqueo a vapor, y realmente lo lleva a través de los entresijos de cómo se ve esto por dentro.
Lo que está viendo en ese video es fila tras fila de tubos en una pared en forma de U, todos los cuales forman una configuración de doble barrera en relación con la pared opuesta. En la parte superior, los tubos cambian de dirección y se mueven horizontalmente.

Todos estos tubos están allí para absorber el calor de los quemadores, que en este caso particular están dispuestos a lo largo de la pared y se pueden ver brevemente en el video como bandas opuestas a los tubos de transferencia de calor. Aquí hay una imagen de cómo se ven los quemadores de pared radiante, con los tubos de transferencia de calor etiquetados como 1, los quemadores etiquetados como 2 y el puerto de visualización etiquetado como 3.

Está pasando una cantidad realmente masiva de calor, y el gas está tan caliente que los tubos en esta sección del horno reciben casi todo su calor a través de la radiación, esencialmente, un gigantesco asador de llama en un horno .

Mirar en cualquier cámara de combustión industrial es mirar en la boca del infierno … y un horno de craqueo a vapor es uno de los tipos más grandes construidos, si no el más grande.

Lo primero es que el calor es inmenso. Incluso con las ventanillas cerradas, el aislamiento pesado y miles de libras de acero entre usted y las llamas, puede sentirlo a cien pies de distancia. El siguiente paso es el ruido: el sonido de una fogata magnificada en una explosión diferente a todo lo que probablemente escuches.

Publiqué un video aquí que pude encontrar que una caja de fuego de una refinería se limpia haciendo chorros de agua en los tubos; tenga en cuenta que la caja de fuego de una galleta de vapor es mucho, mucho más grande. La persona que realiza la limpieza usa equipo de protección personal muy resistente para acercarse al puerto. Las llamas no saltan porque la cámara de combustión tiene una presión mucho menor que el aire circundante, por diseño, para permitir el mantenimiento de este tipo.

Los tubos en este horno obtienen calor primero del resplandor de la llama abierta y luego en una sección superior, que se muestra en la exploración de video donde los tubos se doblan, donde la mayor parte de la transferencia de calor proviene del calentamiento por convección del gas de escape de los quemadores, que pasa por los tubos para salir del horno. Esta disposición, donde primero hay una sección de transferencia de calor radiante y una sección convectiva, es altamente eficiente y muy común en las industrias de procesos.

Todo este increíble calor es para un propósito y solo para un propósito: obtener muchos hidrocarburos y vapor muy rápidamente para que los hidrocarburos se rompan en otros más útiles. El rendimiento en ese horno es tal que una molécula de hidrocarburo que entra y sale “ve” el calor durante unos segundos como máximo.

¡Pero no queremos que los hidrocarburos se rompan demasiado! El craqueo térmico finalmente da como resultado una masa carbonizada llamada coque que se asemeja al carbón. Las primeras operaciones de craqueo térmico, como el proceso de Dubbs, requerían que las personas literalmente piratearan el coque de los reactores. Steam ayuda, pero pase lo que pase, debes asegurarte de que la reacción no se complete. La finalización es una mala noticia.

Es por eso que la siguiente parte esencial de una galleta de vapor es el enfriamiento . Necesita enfriar la corriente y enfriarla rápidamente, y la forma más rápida de hacerlo es sumergirla en una sustancia mucho más fresca. El enfriamiento se enfría, todo ese calor tiene que ir a algún lado, pero está a una temperatura mucho más baja y se logra el objetivo inmediato de detener la reacción de craqueo térmico.

Lo que queda es una mezcla de hidrocarburos crudos, muchos de los cuales tendrá que reciclar y muchos de los cuales tendrá que separar como productos. Los principales productos de una operación de craqueo al vapor son el etileno y el propileno, y todos los demás componentes generalmente se consideran subproductos (aunque algunos son bastante valiosos).

Si está utilizando una materia prima ligera (etano, propano o butano), no producirá mucho más que etileno, pero si está utilizando una materia prima pesada (como nafta o gasoil) habrá una amplia corriente de subproductos de moléculas hasta e incluyendo componentes aromáticos.

La separación de estas corrientes después de la eliminación de las olefinas ligeras es estrictamente opcional: si solo está buscando más etileno y / o propileno, a menudo es ventajoso simplemente reciclar todos los hidrocarburos restantes en el horno para agrietarlos hasta la extinción. Dicho esto, a menudo vale la pena extraer el butadieno, los butenos y los aromáticos.

Casi todo esto se logra mediante columnas de destilación. La imagen a continuación es de un tren de separación parcial para una galleta ligera, lo que significa un conjunto de separaciones ligeramente más simple. Las etiquetas son:

1. Columna desbutanizadora: separa los hidrocarburos C4 o más pesados ​​de los más ligeros.
2. Columna despropanizadora: separa los hidrocarburos C3 del resto
3. Columna desetanizante: separa los hidrocarburos C2 del resto de ese
4. Columna de desmetanizador: separa el metano de los C2; el metano se convierte en gas combustible
5. Columna separadora C3: separa el propileno y el propano; el propano se recicla a la galleta
6. Columna C2 Splitter: una columna realmente masiva que separa el etano y el etileno; el etano se recicla a la galleta

En una galleta de nafta, las columnas para procesar extremos pesados ​​serían mucho más grandes, incluido un debutanizador mucho más grande, e incluirían varias unidades de proceso más para lidiar con extremos pesados. Estas unidades separarían una corriente de C4 mixtos (incluidas las valiosas moléculas de butadieno y buteno-1, que también se separarían), gasolina de pirólisis o pygas (incluidos aromáticos valiosos, nuevamente también fraccionados) y ocasionalmente C5 (isoprenos). Todo lo más pesado que quede se recicla y se agrieta hasta la extinción.

Fuentes:
Hornos de craqueo – Plantas de proceso> Plantas químicas y petroquímicas> Tecnología de craqueo a vapor> Hornos de craqueo | Ingeniería de Linde
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