Modelación de la oxidación parcial de petróleo pesado con cracking catalítico fluidizado en un medio poroso

Abstract

Este trabajo evalúa el uso de un catalizador de FCC1 en el proceso de oxidación parcial de petróleo pesado en un medio poroso para producir gas de síntesis, mediante una simulación computacional. El modelo que se plantea es unidimensional y transiente y se basa en la conservación de masa y energía, considerando un equilibrio térmico entre fases. Además, el petróleo pesado se considera en fase gaseosa al interactuar con el medio poroso, así como también se representa por n-C12H26, mientras que los productos del cracking catalítico son Light naphtha y LPG2. La resolución se logra mediante la discretización en diferencias finitas, para luego utilizar TDMA3 en un código en FORTRAN 90. Respecto a los resultados, al aumentar ∅ (1 ≤ ∅ ≤ 3), la temperatura de combustión aumenta y la conversión del cracking catalítico disminuye. Por otra parte, se produce un aumento de la presencia de H2 y CO y una disminución de H2O y CO2. Junto a esto, al aumentar 𝑢𝑓 (15 [cm/s] ≤ 𝑢𝑓 ≤ 40 [cm/s]) disminuye la temperatura de combustión y la conversión del cracking catalítico. A partir de esto se determina que para optimizar el uso del catalizador y la producción de gas de síntesis, se debe operar el quemador con baja 𝑢𝑓 y alto ∅. El contraste con resultados experimentales preliminares muestra una concordancia con el perfil de temperaturas a través del reactor; la temperatura máxima experimental para ∅ = 2,2 y 𝑢𝑓 = 12,4 [cm/s] es 1427,8 [K], en contraste con 1370,2 [K] de simulación, un 4% de diferencia. Se determina que el enfoque seguido en este trabajo permite modelar satisfactoriamente el comportamiento térmico del proceso, así como también permite su optimización y la obtención de información importante para el desarrollo de nuevas aplicaciones. Palabras clave: oxidación parcial, petróleo pesado, gas de síntesis, cracking catalítico.

This work numerically assesses the use of a FCC4 catalyst on the partial oxidation of heavy fuel oil over a porous media burner for syngas production. The proposed model is one-dimensional and transient and it is based on mass and energy conservation equations; it considers thermal equilibrium between phases and gaseous state for the fuel before porous media interaction. Moreover, n-C12H26 is used as heavy fuel oil surrogate while catalytic cracking products are considered as Light Naphtha and LPG5. The solution of the model is acquired with finite difference discretization and TDMA6 through a FORTRAN 90 code. Regarding the results, the variation of combustion parameters show that by increasing ∅ (1 ≤∅≤3), the combustion temperature rises and that the catalytic cracking conversion slightly decreases. On the other hand, it produces a sustained increase on H2 and CO production, while H2O and CO2 decrease. Additionally, an increase of 𝑢𝑓 (15 [𝑐𝑚/𝑠] ≤ 𝑢𝑓 ≤ 40 [𝑐𝑚/𝑠]) causes a decrease of combustion temperature and catalytic cracking conversion. Therefore, an optimal operation point for catalyst use and syngas production aims to use low filtration velocity and high values of equivalence ratio. Results are contrasted with preliminary experimental data showing good agreement with the temperature profile; experimental maximum temperature for ∅ = 2.2 and � �𝑓 = 12.4 [cm/s] is 1427.8 [K], while simulation obtained 1370.2 [K], a 4% difference. It could be determined that the approach followed in this work successfully describes the thermal behavior of the process. Furthermore, the results of this work allow optimization of the process and provide valuable information for future applications