Alquilacion

DEFINICIÓN DEL PROCESO DE ALQUILACIÓN.

La alquilación es cualquier reacción en la que se adiciona un grupo alquilo a un compuesto. En refinación es un proceso en el cual se hacen reaccionar parafinas con olefinas de bajo peso molecular para producir parafinas con un peso molecular más elevado, que se traduce en una cadena más larga que la parafina original (Ipatieff 1948). Esta reacción es altamente exotérmica y su producto se denomina alquilato.

Para llevar a cabo este proceso se utiliza una olefina ligera C3, C4 y C5 junto con una parafina, para producir la gasolina. La olefina más empleada es el butileno, junto con isobutano, porque supone una producción de alquilato de más alto octanaje.

CONDICIONES DE OPERACIÓN.

La alquilación se puede llevar a cabo a altas temperaturas y presiones sin la presencia de un catalizador. Sin embargo, comercialmente los procesos involucran bajas temperaturas con el uso de un catalizador, este puede ser acido sulfúrico (H2SO4) o fluorhídrico (HF).

Al utilizar los catalizadores hay que tomar en cuenta que solo las parafinas con carbonos ternarios como isobutano e isopentano reaccionan con la olefina. La mayor diferencia de usar un ácido u otro es que el isobutano es bastante insoluble en H2SO4; se necesita una alta relación de isobutano/olefina para compensar esta baja solubilidad (Gary, 2007)

En cuanto a la alimentación de la unidad de alquilación, esta recibe las olefinas producidas en la unidad de FCC junto con el isobutano producido en el proceso de isomerización.

Los productos son los alquilatos deseados C7 y C8, que son enviados al pool de gasolina. Entre los productos obtenidos también se encuentra una proporción de parafinas que no

reacciona y LPG (Gas Licuado de Petróleo). También se produce brea, debido a la polimerización (Gary, 2007).

MECANISMO DE REACCIÓN.

Iniciación: Se forma el catión terbutil.

Propagación: El catión terbutil reacciona con la olefina, en este caso butileno, para formar un carbocatión de cadena más larga.

Culminación: El nuevo carbocatión reacciona con isobutano para formar el alquilato, en este caso isooctano, y terbutil, el cual continúa la reacción.

VARIABLES DEL PROCESO

Temperatura de Reacción:

La alquilación se lleva a cabo a bajas temperatura, ya sea si el proceso es catalizado con ácido sulfúrico o con ácido fluorhídrico. Si se lleva a cabo la reacción con el primer ácido, el proceso es más sensible a la temperatura y requiere trabajar a temperaturas menores desde 5 °C a 10 °C, si se logran alcanzar una temperatura entre 16 °C y 52 °C se deteriora el octanaje del alquilato y se comienzan a oxidar los reactantes formando dióxido de azufre (SO2) (Payne, 1958). Tampoco se puede disminuir mucho la temperatura, debido a que la viscosidad del ácido hace que la mezcla con el reactante sea difícil. Por otro lado, cuando se trabaja con HF la temperatura es menos importante, dado que se puede trabajar en un rango de 21 °C a 38 °C (Gary, 2007).

Concentración del Ácido:

Depende de dos factores, el contenido de agua en el ácido y de que tan efectiva sea la mezcla en los productos. La relación ácido/hidrocarburo debe mantenerse entre 1:1 y 5:1. Los resultados del proceso han demostrado que el mejor rendimiento y la mejor calidad de alquilato se logran al utilizar un ácido de 93% a 95% en peso, con un 1% o 2% de agua y el resto de hidrocarburos. El contenido de agua reduce la actividad del catalizador y este efecto es mucho más notorio cuando se utiliza ácido fluorhídrico. Por lo general cuando se utiliza este último la concentración de agua se encuentra por debajo del 1% en peso. Por último, si el mezclado del reactor es poco efectivo, se necesitan ácidos más concentrados para el caso del ácido sulfúrico, ya que se necesita mantener la dilución de los hidrocarburos (Payne, 1958).

Concentración de Isobutano:

Esta relación por lo general se expresa en términos de isobutano/olefina. Mientras esta relación sea mayor, se obtienen productos con mayor octanaje y se reduce la posibilidad tanto de reacciones secundarias como consumo de ácido. En la práctica la razón varía desde 5:1 a 15:1 (Gary, 2007).

Velocidad Espacial de Olefina:

Esta se define como el volumen de olefina que se carga por hora, dividido entre el volumen de ácido en el reactor. Reducir la velocidad espacial de la olefina tiene como consecuencia una disminución en la producción de hidrocarburos con alto punto de ebullición, un aumento en el octanaje del producto y por ultimo reduce el consumo de ácido (Gary, 2007). Con este parámetro se puede expresar el tiempo de reacción.

También el tiempo de reacción se puede expresar a través del tiempo de contacto, el cual se define como el tiempo de residencia de alimentación y el reciclo externo del isobutano al reactor. La práctica ha demostrado que para la alquilación con HF el tiempo de contacto varía entre 5 y 25 minutos, en el caso de H2SO4 varía entre 5 y 40 minutos (Hengstebeck, 1959).

Contaminantes:

- Agua (0,5-1) %p: Diluye el ácido, forma azeótropo con HF.

- Azufre (<20 ppm): Formación de polímeros, dilución en el ácido.

- Nitrógeno (<10 ppm): Formación de fluoruros de amonio, taponamientos en las tuberías y reactores, aumento del flujo de fondo del regenerador.

- Diolefinas (0,5 %mol): Formación de polímeros, disminuye la calidad del alquilato, aumenta el consumo de HF.

- Etano/Etileno (0,5 %mol): Deterioro de válvulas y pérdida de HF por venteo.

CATALIZADORES.

Se utilizan ácidos concentrados para evitar que ocurra una reacción de polimerizacion de manera excesiva (Thomas, 1970). Cabe destacar que como el isobutano es poco soluble en la fase ácida, es necesario que se de algo de polimerización, ya que los polímeros se disuelven y aumentan la solubilidad del isobutano en el acido (Gary, 2007).

Si la concentración del acido disminuye a lo largo del proceso, es necesario removerlo y reponerlo por uno más concentrado. Cuando se trabaja con HF, este se remueve y se redestila dentro del mismo proceso (Albright, 1992). Por otro lado, el acido sulfúrico removido se regenera en una planta que no forma

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