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XVII Foro De Avances De La Industria De La Refinación

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Veinte preguntas: Identificar las causas probables de las altas

pérdidas del catalizador FCC*

Phillip K. Niccum Director - Tecnología FCC

Kellogg Brown & Root LLC Houston, Texas, EE.UU.

XVII Foro De Avances De La Industria De La Refinación 29 Y 30 De Junio De 2011

Pemex-Refinación y Instituto Mexicano Del Petróleo

Resumen

El desempeño y la fiabilidad de la unidad de craqueo catalítico de fluidos son elementos de primordial importancia para la rentabilidad de una refinería. La contención del catalizador fi-namente pulverizado dentro del inventario circu-lante en la unidad FCC es un elemento crítico para su operación efectiva. La identificación de las causas probables de las altas pérdidas del catalizador de una unidad de craqueo catalítico de fluidos sigue siendo uno de los retos más importantes, y también esotéricos, al que se tie-nen que enfrentar los operadores e ingenieros de las unidades de FCC. Las respuestas a las 20 preguntas clave proporcionan una base para enumerar las causas más probables de las altas pérdidas. Armado con una lista de las causas más probables, un refinador podrá desarrollar estrategias mitigantes efectivas para aliviar y, tal

vez resolver, el problema en línea o estar pre-parado para confirmar y corregir la situación du-rante el próximo paro de la unidad. Esto puede evitar la persecución de soluciones que tienen escasas posibilidades de éxito, mientras que los verdaderos factores culpables escapan a la detección.

* FCC – Craqueo Catalítico Fluidizado

Figura 1: ¿Dónde se habrá metido el gato?

Veinte preguntas: Identificar las causas probables de las altas pérdidas del catalizador FCC


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Introducción El desempeño y la fiabilidad de la unidad de craqueo catalítico de fluidos son elementos de primordial importancia para la ren-tabilidad de una refinería. La contención del catalizador finamen-te pulverizado dentro del inventario circulante de la unidad de FCC es crítica para su operación eficaz. Es sorprendente que los ciclones de dos etapas del reactor y del regenerador que se muestran en la Figura 2 típicamente capturen más de 99.997% del polvo del catalizador arrastrado con los vapores de los pro-ductos y del gas de combustión. Cualquier pérdida significativa en la capacidad de contención del catalizador tendrá serias con-secuencias económicas negativas tales como las que se enume-ran a continuación.

• Contaminación del catalizador del producto del petróleo con impurezas (lodos), que disminuye su valor en el mer-cado

• Severa erosión de las bombas de circulación de lodo líqui-do

• Se requiere la limpieza de los tanques de petróleo pesado debido a la acumulación del catalizador

• Pérdida del cumplimiento con los niveles permitidos de emisión de partículas hacia la atmósfera

• Falla prematura de las turbinas de recuperación de poten-cia del gas de combustión

• Pérdida de fluidez del catalizador; ocasiona la circulación irregular o inestable del catalizador, lo cual conduce a una menor capacidad de producción de la unidad de FCC y a rendimientos de productos menos deseables

• Aumento significativo en los costos de reposición del cata-lizador fresco

Una vez que la refinería percibe un incremento en la tasa de pérdida del catalizador FCC, un escenario desafortunado puede iniciarse con una conclusión prematura de que las altas tasas de pérdida tienen que ser debido a problemas mecánicos que solamente podrán ser resueltos parando la unidad y haciendo reparaciones. Este escenario podrá entonces profundizarse cuando no se encuentre ningún daño mecánico durante un paro y se hace evidente que la causa raíz de las pérdidas solamente podrá diagnosticarse recopilando pistas y estudiando las operaciones unitarias mientras la unidad de FCC se encuentra en servicio. En efecto, la peor cosa que se podría encontrar durante el paro y la inspección podría ser no encontrar nada en absoluto. Hay muchas preguntas que es posible hacer al recopilar pistas para determinar las causas más probables de las altas pérdidas del catalizador de FCC. Estas preguntas podrán agru-parse en tres categorías.

Figura 2 Orthoflow™ FCCU



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1) ¿Cuál es la tasa relativa de pérdida del cata-lizador en la corriente del fondo de la torre del fraccionador en comparación con lo nor-mal?

2) ¿Cuál es la opacidad relativa de los gases de la chimenea o la tasa de captura de finos en comparación con lo normal?

3) ¿Cuál es la cantidad relativa del catalizador de equilibrio en el rango de 0-40 micrones?

4) ¿Cuál es el tamaño de partícula promedio del catalizador de equilibrio en comparación con lo normal?

5) ¿Cómo se compara el caudal volumétrico de los vapores de producto provenientes del re-actor que pasan a través de los ciclones con lo normal?

6) ¿Cómo se compara el caudal volumétrico de aire o de gases de combustión a través del regenerador con lo normal?

7) ¿Cómo se compara la tasa de circulación del catalizador con lo normal?

Preguntas con respuestas que se tienen a la mano Preguntas que deberían tener respuestas a la mano Preguntas cuyas respuestas requieren datos o análisis que van más allá de lo que po-

dría considerarse rutinario Los grupos anteriores podrán proporcionar un orden de prioridad para una investigación, co-menzando con las preguntas más fáciles de responder y prosiguiendo en la lista con aquellas que requieren más tiempo y costo para responderlas. Otro factor que complica las investigaciones de las pérdi-das del catalizador FCC, al igual que muchos ejercicios de búsqueda y resolución de pro-blemas, es que algunas de las supuestas evidencias podrían estar corrompidas o simple-mente equivocadas. Está en manos del investigador buscar lo que está siendo indicado por las evidencias preponderantes, y no llegar a conclusiones pre-maturas en base a información limitada.

Primero lo primero (Pregun-tas 1-7) Si el aumento de la tasa de pérdida del catalizador no es severo, la primera indicación podrán ser los informes de adiciones del catalizador fres-co más altas de lo esperado necesarias para mantener el inventario del catalizador en la unidad. Lo primero que se tie-ne que hacer es determinar que lado del sistema del reac-tor-regenerador, si no son los dos lados, es responsable del incremento en la pérdida del catalizador. P1: ¿Cuál es la tasa relativa de pérdida del catalizador en la corriente del fondo de la torre de la fraccionadora en comparación con lo normal? El cálculo de la tasa de pérdida del catalizador a través de los ciclones del reactor es nor-malmente una simple multiplicación de la tasa de producción de petróleo con impurezas (lo-dos) por la concentración de cenizas en ese producto. P2: ¿Cuál es la opacidad relativa de los gases de la chimenea o la tasa de captura de finos en comparación con lo normal?



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Un incremento en la opacidad de los gases de la chimenea del regenerador por lo general indica un incremento en las emisiones del catalizador a través de la chimenea. Se ha notado que las partículas con diámetros de un tamaño mayor a unos pocos micrones generalmente tienen un impacto cada vez menor sobre la opacidad mientras que aquellas con diámetros en el rango de 0.1 hasta 1.0 micrones tienen el mayor impacto sobre la opaci-dad1,2. La presencia de separadores de tercera etapa, precipitadores electroestáticos y depu-radores de gas de combustión podrían ocultar el impacto que las mayores pérdidas del catali-zador en el regenerador tienen sobre la opacidad de los gases de la chimenea3. Un concepto al cual retornaremos una y otra vez en este documento es "¿qué es lo normal?". Lamentablemente, en muchos casos, los datos que definen lo "normal" podrían ser difíciles de obtener, puesto que el incentivo que existe en documentar los problemas a menudo tiene mayor prioridad que la recolección de datos respecto a cómo se ven las cosas cuando todo va bien. También es digno de destacar si la tasa de pérdida en el reactor o en el regenerador ha dis-minuido mientras otras pérdidas en otros recipientes se han incrementado. Con una tasa constante de entrada de finos (catalizador fresco) y la generación de finos por el desgaste abrasivo, cualquier cosa que reduzca las pérdidas de finos en un recipiente incrementará la concentración de finos en la unidad y resultará en un incremento correspondiente en el cau-dal de finos provenientes del otro recipiente. Por ejemplo, la puesta en servicio de un filtro del catalizador en la línea del petróleo con impurezas (lodos) con reciclaje de retorno hacia el tubo ascendente incrementará la tasa de pérdidas en un regenerador. P3: ¿Cuál es la cantidad relativa del catalizador de equilibrio en el rango de 0-40 micrones? Una hoja de datos de un catalizador de equilibrio proporciona una contabilidad de largo plazo de muchas propiedades importantes del catalizador de equilibrio que son útiles en el diagnós-tico de los problemas de pérdidas del catalizador. Entre ellos destacan los datos referentes al tamaño de partícula4. La cantidad relativa de finos en el inventario del catalizador es a menudo indicada por el por-centaje de partículas del catalizador con un diámetro menor de 40 micrones. Este parámetro proporciona una indicación de si una mayor tasa de pérdida es debida o no al mal funciona-miento del ciclón en vez de un incremento en la generación de finos debido a un mayor des-gaste abrasivo o a una mayor carga de finos con el catalizador fresco. P4: ¿Cuál es el tamaño de partícula promedio del catalizador de equilibrio en comparación con el tamaño normal? El cambio en el tamaño promedio de partícula (APS – por sus siglas en inglés) del catalizador de equilibrio por lo general se mueve en dirección contraria a la fracción de finos en el catali-zador. Sin embargo, el APS también se podrá incrementar con el tiempo debido a una remo-ción menor del catalizador de equilibrio que atrapa a las partículas mayores dentro del inven-tario del catalizador circulante. P5: ¿Cómo se compara con lo normal el caudal volumétrico de los vapores de productos del reactor a través de los ciclones? El caudal volumétrico de vapor que fluye a través de los ciclones del reactor puede estimarse basado en la temperatura y presión operativas junto con la tasa de producción de hidrocarbu-ros, las tasas de inyección de vapor al reactor y al despojador y una estimación del peso mo-lecular del producto del hidrocarburo. Las tasas y los pesos moleculares de cualquier corrien-te de reciclaje también deberán incluirse en los cálculos.



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P6: ¿Cómo se compara con lo normal el caudal volumétrico de aire o de gases de combus-tión a través del regenerador? El caudal de aire en el regenerador junto con la temperatura y la presión de operación del re-generador proporcionan una indicación del tráfico volumétrico de vapor a través del regene-rador y su sistema de ciclones. Una exactitud incluso mejor podrá obtenerse al calcular el caudal molar del gas de combustión sobre la base del caudal de aire y la composición del gas de combustión. P7: ¿Cómo se compara la tasa de circulación del catalizador con lo normal? El método más común para estimar la tasa de circulación del catalizador está basado en el caudal de aire del regenerador, el análisis del gas de combustión y las temperaturas del reac-tor y del regenerador. Para el propósito de la búsqueda y resolución de los problemas rela-cionados con las pérdidas del catalizador, la consistencia del método es más importante que su exactitud absoluta.

El siguiente nivel de pre-guntas requiere un poco de trabajo (Preguntas 8-13) P8: ¿Cuál es la tasa relativa de pérdida del catalizador por el regenerador en compara-ción a lo normal? Del lado del regenerador, la cuantificación de la tasa de pérdida del catalizador se de-termina mejor sobre un pe-ríodo de tiempo sustrayendo la tasa de pérdida del catali-zador en el reactor a la tasa de adición del catalizador. Una meticulosa atención a los cambios en la unidad y a los inventarios del catalizador en la tolva a lo largo del mismo período de tiempo es importante para determinar el balance del catalizador. Como ya se mencionó anteriormente, la presencia de dispositivos de captura de partículas corriente abajo del regenerador podrá ocultar el impacto que las mayores pérdidas del catali-zador en el regenerador tienen sobre la opacidad de los gases de la chimenea. En estos ca-sos, el investigador podrá analizar la tasa de captura del catalizador en el equipo de limpieza del gas de combustión posterior al regenerador. Por ejemplo, los datos sobre la tasa de cap-tura en la tolva de finos de un ciclón de cuarta etapa o la tolva de polvo de un precipitador electrostático podrán proporcionar más evidencia de una mayor pérdida del catalizador en el regenerador. P9: ¿Cómo se compara la tasa de reposición del catalizador fresco con la normal? La documentación de las adiciones del catalizador es importante por varias razones. En pri-mer lugar, después de tomar en cuenta cualquier cambio en las tasas de remoción de rutina

8. ¿Cuál es la tasa relativa de pérdida del ca-talizador desde el regenerador en compa-ración a lo normal?

9. ¿Cómo se compara la tasa de reposición del catalizador fresco con la normal?

10. ¿Son las pérdidas continuas o intermiten-tes?

11. ¿Cuándo fue la última vez que cambió el tipo del catalizador FCC fresco?

12. ¿Cuándo ocurrió por primera vez el incre-mento en las pérdidas?

13. ¿Cuánto tiempo transcurrió para que las pérdidas aumentasen por encima de la ta-sa normal?



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del catalizador de equilibrio, los aumentos de las adiciones del catalizador fresco para mante-ner el inventario en la unidad corrobora otras indicaciones de mayores pérdidas del cataliza-dor. En segundo lugar, el incremento de la tasa de adición del catalizador fresco, de por sí, generalmente conduce a mayores pérdidas debido a una mayor entrada de finos con el cata-lizador fresco y debido a que el catalizador nuevo podrá tener superficies que son más fácil-mente desgastadas5. P10: ¿Son las pérdidas continuas o intermitentes? Si las mayores pérdidas del catalizador parecieran ir y venir con el tiempo, esto es un indicio de que el problema podrá estar más bien relacionado a condiciones operativas que a daños mecánicos. Por ejemplo, las patas de los ciclones podrán estar operando cerca de la condi-ción de inundación, en las cuales los cambios en el caudal de gas o en la carga del cataliza-dor afectan de manera drástica la eficiencia del ciclón. En un ejemplo opuesto, si la mayor tasa de pérdidas es debida a una perforación en una cámara de distribución o en el tubo de salida de un ciclón, entonces es más probable que las pérdidas sean continuas y con un au-mento paulatino. P11: ¿Cuándo fue la última vez que cambió el tipo del catalizador FCC fresco? Si el tipo del catalizador fresco ha sido cambiado dentro de un lapso de tiempo que podría coincidir con las mayores pérdidas del catalizador, el catalizador en sí se convierte en un elemento sospechoso. De manera similar, lo mismo se aplica si las recepciones del cataliza-dor fresco muestran cambios físicos significativos, especialmente en términos de la fracción de finos, de la densidad o del índice de desgaste abrasivo6. P12: ¿Cuándo ocurrió el incremento en las pérdidas por primera vez? También vale la pena considerar la fecha en la que pareciera haber empezado el incre-mento en las pérdidas del catalizador. Bus-que coincidencias con otros eventos significa-tivos en la operación de la unidad FCC. Por ejemplo, ¿correspondió la fecha del incre-mento en la tasa de pérdidas con un paro de revisión de la unidad o un trastorno operati-vo? Hay mayores probabilidades de que los daños a los equipos ocurran durante un arranque, un trastorno o un paro. La pérdida de orificios de restricción que pueden causar un problema de abrasión ocurre con mayor frecuencia durante los paros de revisión. ¿Hubo otros cambios significativos en la ope-ración que corresponden al momento del in-cremento de pérdida del catalizador tales como cambios en la tasa de alimentación, el caudal de aire de combustión, la tasa de circula-ción del catalizador o la calidad de la carga de alimentación? P13: ¿Cuánto tiempo tomó para que las pérdidas aumentaran en comparación con la tasa de pérdida normal? Si la tasa de pérdida del catalizador hizo un salto en escalón de lo normal hacia un valor más alto, esto por lo general indica que el problema no es un agujero inducido por la erosión en

Figura 3: Vista microscópica del catalizador FCC



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14. ¿Cuál es la angulosidad relativa del catali-zador de equilibrio?

15. ¿Cuál es la angulosidad relativa del catali-zador perdido?

16. ¿Cuál es el tamaño de partícula promedio del catalizador en el material de arrastre que sale del reactor?

17. ¿Cuál es la forma de la curva diferencial de tamaño de partículas del catalizador en el material de arrastre que sale del reactor?

18. ¿Cuál es el tamaño de partícula relativo de los catalizadores en el material de arrastre que sale del regenerador?

19. ¿Cuál es la forma de la curva diferencial de tamaño de partícula del catalizador en el material de arrastre que sale del regenera-dor?

20. ¿Cómo se compara la caída de presión a través del sistema de ciclones con la caída normal?

algún lugar del sistema de ciclones; el tamaño de un agujero se incrementará gradualmente si la erosión fuese la culpable.

Preguntas que podrían ser más difíciles de responder (Preguntas 14-20) La mayoría de las preguntas en este grupo requieren tomar al-gún número de muestras y/o realizar pruebas de laboratorio que se considerarían fuera de rutina. P14: ¿Cuál es la angularidad relativa del catalizador de equi-librio? La observación de una muestra de la pérdida del catalizador de equilibrio bajo un microscopio tal como se muestra en la Figu-ra 3 puede ser sumamente re-veladora. Si la muestra contie-ne una gran cantidad de piezas pequeñas, dentadas o rotas, ello indica un grado anormal-mente severo de desgaste abrasivo del catalizador7. P15: ¿Cuál es la angularidad relativa del catalizador perdido? Hablando en términos genera-les, muestras del catalizador perdido provenientes del reac-tor pueden obtenerse fácilmen-te de una muestra del petróleo con impurezas ("slurry oil") producido o circulante en el siste-ma. El petróleo con impurezas puede lavarse y filtrarse en un laboratorio y el catalizador cap-turado puede ser observado bajo un microscopio. Si están disponibles, las muestras del ca-talizador perdido provenientes del regenerador pueden ser vistas bajo un microscopio. El microscopio podrá revelar si la muestra contiene una alta concentración de piezas peque-ñas, dentadas o rotas, lo cual indicaría un grado anormalmente severo de desgaste abrasivo del catalizador. P16: ¿Cuál es el tamaño de partícula promedio del catalizador en el material de arrastre que sale del reactor? El catalizador tomado del petróleo con impurezas puede someterse al sumamente importante análisis de tamaño de partículas. Para una tasa determinada de entrada de finos y de gene-ración de finos dentro de la unidad, las consideraciones del balance de materiales dictan que el tamaño promedio de partícula del catalizador perdido debe incrementarse en la medida que la tasa de pérdida se incrementa. La imagen del microscopio podrá corroborar el análisis de tamaño de partículas al mostrar un número mayor de partículas grandes que la fracción



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que podría esperarse e incluso de partículas sumamente grandes que jamás escaparían de un sistema de ciclones que estuviese funcionando de manera apropiada.

Si el tamaño promedio de partícula del catalizador perdido es más pequeño que lo normal, y la tasa de pérdida es mayor que la normal, entonces esto indicaría un in-cremento en la entrada de finos o un incremento en el desgaste abrasivo del cataliza-dor.

Un incremento moderado en el tamaño promedio de partícula indicaría alguna pérdida de eficiencia de los ciclones si la tasa de pérdidas es mayor de lo normal.

Un incremento moderado en el tamaño promedio de partícula indicaría una reducción en la entrada de finos o del desgaste abrasivo si la tasa de pérdida es menor de lo normal.

Un gran incremento en el tamaño promedio de partícula indicaría un mal funciona-miento severo o daños serios en los ciclones.

P17: ¿Cuál es la forma de la curva diferencial de tamaño de partículas del catalizador en el material de arrastre que sale del reactor? El análisis del tamaño de partícula de una muestra del catalizador perdido también podrá ser reportado como la distribución diferencial del tamaño de partícula, la cual indica la fracción de partículas que caen en estrechos rangos de tamaño. Esta es una presentación diferente a una distribución acumulativa del tamaño de partícula que muestra el porcentaje en peso de las partículas que tienen un diámetro menor a un valor determinado8.



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Figura 4a - Disminución de la efi-ciencia del sistema

Figura 4b - Distribución bimodal que indica un pro-blema de desgaste abrasivo

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TAMAÑO DE PARTÍCULA

POR

CIE

NTO

DTP Típica Mal desempeño del ciclón de segunda etapa

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA PICO BIMODAL

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10


POR

CIE

NTO

Desgaste por abrasión



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La forma de la curva diferencial de distribución del tamaño de partícula podría ser reveladora. Si la curva tiene solamente un solo pico ancho centrado alrededor de un tamaño de

partícula mayor que el normal tal como se muestra en la Figura 4a, entonces esto po-dría indicar una pérdida parcial de la eficiencia del ciclón, pero no que los sólidos estén siendo desviados de los ciclones.

Una curva bi modal que tiene un pico cerca de lo que se considera normal así como un pico secundario con un tamaño de partícula menor al normal tal como se muestra en la Figura 4b podrá indicar un problema de desgaste abrasivo del catalizador.

Algo de desviación de los materiales alrededor de los ciclones ocurriría a causa de una ruptura en la cámara de distribución o por un agujero en el tubo de salida de un ciclón secundario tal como se muestra en la Figura 4c. Esta curva tiene un pico cerca de lo que se consideraría normal además de un pico secundario con un tamaño de partícula mayor a lo normal.

P18: ¿Cuál es el tamaño de partícula promedio relativo del catalizador en el material arrastra-do proveniente del regenerador? La toma de una muestra representativa del catalizador perdido proveniente del regenerador es mucho menos sencilla que la toma de muestras en el petróleo con impurezas. Idealmente, se puede tomar una muestra de polvo del efluente del regenerador, y los resultados pueden ana-lizarse como se discutió anteriormente en el caso del catalizador separado del . Si existen equipos de captación de polvo corriente abajo del regenerador, tales como un depurador, un precipitador electrostático (ESP) o un separador de tercera etapa (TSS), entonces la captación de finos también podría ser analizada, lo cual será útil para la investigación.

DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE PARTÍCULA PICO BIMODAL

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10


POR

CIE

NTO

Agujero o fisura en la cámara de distribución o el tubo de salida

Figura 4c - Distribución bimodal que indica que se está pasando de largo a los ciclones



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P19: ¿Cuál es la forma de la curva diferencial del tamaño de partícula del catalizador en el material de arrastre proveniente del regenerador? Si se puede obtener una muestra de polvo del efluente del regenerador, entonces los resulta-dos podrán analizarse tal como se discutió anteriormente para el catalizador separado del pe-tróleo con impurezas. P20: ¿Cómo se compara la caída de presión a través del sistema de ciclones con la caída normal? Algunas unidades FCC cuentan con instrumentación para la medición de la presión diferencial a través del espacio de separación y de la salida de vapores del recipiente. Esto proporciona una indicación de la caída de presión a través del sistema de ciclones e indicará si hubo un cambio significativo en las cargas del catalizador o vapor en los ciclones.

Posibles causas de altas pérdidas del catalizador FCC Una vez que estén disponibles las respuestas a muchas de las 20 preguntas, estas repuestas podrán ser analizadas para ver con cuáles de las características de los problemas descritos a continuación corresponden mejor a fin de establecer las causas más probables del problema de pérdida del catalizador Excesivo desgaste abrasivo en un lecho de fluidos El desgaste abrasivo del catalizador en un lecho de flui-dos es causado por partículas del catalizador que cho-can a altas velocidades con otras partículas o con su-perficies sólidas. Las altas velocidades de las partícu-las en un lecho de fluidos son principalmente el resulta-do de la aceleración de las partículas impulsadas por chorros de gas de alta velocidad dentro del lecho de fluidos. El foco de una investigación dirigida a investigar la fuente de un excesivo desgaste abrasivo del catali-zador podría incluir la observación de los siguientes tipos de problemas:

Orificios de restricción faltantes u orificios de derivación asociados con tomas para la medición de presión abiertos, boquilla de aceite de antorcha y otras conexiones en los recipientes diseñadas para pasar solamente una pequeña cantidad de gas, aire o va-por

Los chorros de gas de alta velocidad también podrían emanar de distribuidores de va-por o de aire rotos o erosionados donde el gas se escapa sin pasar a través de una boquilla reductora de velocidad típicamente utilizada en el diseño de tales distribuido-res.

Una alta concentración de finos en el catalizador perdido, de finos en el inventario del catali-zador y de partículas rotas y dentadas cuando son vistas con un microscopio, son todos indi-cativos de un problema de desgaste abrasivo del catalizador.

Excesivo desgaste abrasivo en fase diluida en el reactor o en el regenerador Puesto que hay poco catalizador en una fase diluida, por definición, altas tasas de desgaste abrasivo en esta región están probablemente asociadas con impactos de partículas contra

¿Qué puede hacerse para co-rregir en línea un problema de desgaste abrasivo?

Ubique y corrija cualquier orificio o válvula abierta no detectada



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¿Qué puede hacerse para corregir en línea una pata taponada de un ciclón del reactor?

Bajar el nivel del lecho del despojador para romper el sello de las patas de los ciclones.

Dar golpeteos de presión en la unidad cambiando rápidamente la presión operativa, digamos 4 psi en 15 segundos.

superficies sólidas dentro de los ciclones, especialmente en ciclones con altas velocidades de salida.

La naturaleza de las superficies sólidas también podría jugar un rol en el desgaste abrasivo del catalizador con superficies refractarias sumamente dañadas o inusual-mente rugosas que proporcionan una mayor oportunidad para un impacto abrupto del catalizador en movimiento.

Patas taponadas de los ciclones secundarios del reactor El taponamiento de las patas de los ciclones secundarios es mucho más común que el tapo-namiento de las patas de los ciclones primarios. La razón de ello es el diámetro más peque-ño de las patas de esos ciclones. El taponamiento de las patas de los ciclones de segunda etapa de los reactores a menudo requiere el paro inmediato de la unidad FCC debido a las altas pérdidas del catalizador.

Se puede formar coque en el ciclón de un reactor y luego caer hacia la pata causando un taponamiento parcial o completo9.

Si se introduce carga de alimentación al reactor antes de que las partes internas estén lo suficientemente calentadas, como podría ocurrir durante el arranque o durante un trastorno operacional, entonces grandes cantidades de coque podrían aparecer en cualquier sitio donde la carga de alimentación pueda condensarse.

Algunos ciclones cuentan con válvulas de reten-ción en las patas. Cualquier cosa que cause que la chapaleta se pegue o se mantenga cerrada, inclu-so problemas de diseño o la coquización de la bi-sagra, ocasionará el taponamiento de la pata del ciclón.

Las fallas en las mallas hexagonales de acero ("hexsteel") fijadas a las paredes interiores de los ciclones podrían liberar láminas de "hexsteel" y material refractario suficientemente grandes para taponar incluso patas de gran diámetro. Tales fa-llas pueden atribuirse a un mal diseño o instalación del "hexsteel" al igual que a fallas en el anclaje del material refaccionario inducidas por el coque10.



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Pata taponada del ciclón primario del reactor Las causas del taponamiento de la pata del ciclón primario del reactor son las mismas que las indicadas anteriormente en el caso del taponamiento de las patas de los ciclones secundarios del reactor. El taponamiento de las patas de los ciclones primarios del reactor es poco común debido al gran diámetro de las patas normalmente asociadas con los ciclones primarios. Si una pata de un ciclón primario llegase a taponarse, entonces la carga del catalizador hacia el ciclón secundario podrá exceder la capacidad de la pata de ese ciclón secundario. En tal caso, el ciclón secundario se inundará con catalizador y un rango completo del catalizador empezará a fluir a una tasa alta a través de la salida del ciclón secundario. Patas taponadas de los ciclones del regenerador El taponamiento de las patas de los ciclones del rege-nerador tiene causas y efectos similares a aquellos que se presentan en los ciclones de reactores, pero el taponamiento de las patas de los ciclones del regene-rador es menos común. En el regenerador, no existe el fenómeno de coquización que es la causa raíz de la mayoría de los problemas de taponamiento de los ci-clones del reactor. Sin embargo, existen algunas si-tuaciones que son particulares a los ciclones del rege-nerador.

En la presencia de altos niveles de fundentes como el sodio, potasio, calcio, cloruros, vanadio o hierro que pueden ser introducidos con car-gas de alimentación contaminadas, y especial-mente a altas temperaturas, el catalizador se puede volver sumamente pegajoso debido a que se forman compuestos eutécticos de muy bajo punto de fusión a temperaturas tan bajas como 930 a 1200°F5. A temperaturas más al-tas, el catalizador se puede fusionar entre sí y evitar el flujo a través de las patas de los ciclo-nes.

Un fenómeno que ocurre exclusivamente en las patas de los ciclones secundarios del regene-rador es que el uso ya casi extinto de agua de rocío en las salidas de los ciclones primarios del regenerador puede conducir a la formación del catalizador húmedo en la pata, im-pidiendo el flujo del catalizador.

Los trastornos operativos en el regenerador, tales como una caída repentina de la presión o la activación del vapor de emergencia para la elevación del catalizador gas-tado en el tubo ascendente pueden precipitar un gran arrastre del catalizador que po-

¿Qué puede hacerse en línea para corregir una pata taponada de un ciclón del regenerador?

Dar golpeteos de presión en la unidad cambiando rápida-mente la presión operativa del recipiente, digamos 4 psi en 15 segundos.

Descargar parcialmente el catalizador y luego regresarlo a los niveles de operación normales.

Tras una sobrecarga de los ciclones, a veces la operación normal puede restaurarse re-duciendo el caudal de aire a un nivel muy bajo durante va-rios minutos de manera que las tolvas sobrecargadas de los ciclones puedan vaciar el catalizador sin fluidos.



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dría persistir incluso una vez que el trastorno haya desaparecido. Esto ha sido expli-cado por el hecho de que los sólidos sin fluidos se vaciarán de un ciclón mucho más lentamente que los sólidos con fluidos. Se puede lanzar tanto catalizador dentro de los ciclones que el mismo queda sin fluidos antes de que pueda entrar en la pata del ci-clón. Entonces, incluso a tasas de arrastre normales, el catalizador no se vaciará del ciclón lo suficientemente rápido para eliminar el nivel del catalizador empacado en el ciclón11.

Agujeros en la cámara de distribución o en el tubo de salida de los ciclones de segunda etapa Un agujero en la cámara distribución o en el tubo de salida de un ciclón de secundario tal como se muestra en la Figura 5 proporciona un paso directo para el escape del catalizador, el cual incluso permitirá el escape de partículas grandes que aparecerán en la corriente del fon-do de la torre del fraccionador principal o en el sistema del gas de combustión. Incluso un agujero de 10 mm puede incrementar las pérdidas del catalizador en varios múltiplos. Con el

tiempo, el paso del catalizador a alta velocidad a través del agujero incrementará el tamaño del mismo y las pérdidas del catalizador se intensifi-carán.

Los agujeros a menudo comienzan como fisuras o rasgaduras en el metal, y con el tiempo crecen debido a los efectos erosi-vos del flujo del catalizador. Si el proble-ma de pérdida del catalizador no es aún severo, una inspección de la unidad podrá tener dificultades para encontrar las fisu-ras puesto que las mismas tienden a ce-rrarse al enfriarse la unidad.

El impacto de un agujero en el tubo de sa-lida o en la cámara de distribución de un reactor con ciclones en el tubo ascenden-te será menor que con un dispositivo iner-cial en el extremo del tubo ascendente, porque habrá poco catalizador en la fase diluida que pueda ser succionado a través del agujero.

Figura 5 - Sistema de ciclón de dos etapas del regenerador



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¿Qué puede hacerse para corregir en línea una válvu-la de retención atascada en la posición abierta o desprendida?

Podrá ser posible reducir las pérdidas del catali-zador elevando el nivel del lecho a fin de sellar la pata del ciclón.

Agujeros en un ciclón de segunda etapa Los agujeros en un ciclón secundario (o en un ciclón de una sola etapa), incluso los agujeros en la pata del ciclón, tendrán consecuencias serias respecto a la contención del catalizador. La tasa de deterioro del desempeño será controlada por cuán rápidamente se agrande el agujero a causa de la ero-sión. Los agujeros en la pata del ciclón permiten el flujo de vapor hacia adentro y hacia arriba. Esto puede restringir el flujo del catalizador que baja por la pata del ciclón e incluso arrastrar catalizador hacia arriba de la misma. Si el agujero está en el cuerpo del ciclón, en-tonces el chorro de vapor entrante puede perturbar el perfil deseado del chorro de vapor en el ciclón, dañan-do la eficiencia de captación.

Agujeros en un ciclón de primera etapa Los agujeros de los ciclones primarios no son tan comunes debido a las bajas velocidades en dichos ciclones. El impacto de la pérdida del catalizador a causa de un agujero en un ciclón primario será mucho menos severo en comparación con un agujero en un ciclón secundario, debido a que el ciclón secundario captará prácticamente todo el catalizador perdido prove-niente del ciclón primario. De hecho, podrá ser incluso difícil darse cuenta del incremento en la pérdida del catalizador asociada con un agujero en el ciclón primario.

Chapaleta faltante o atascada en posición abierta en un ciclón de primera etapa La mayoría de los ciclones de primera etapa están sumergidos en un lecho de fluidos y no tienen o ne-cesitan válvulas de retención debido a que el tráfico del catalizador es lo suficientemente alto para que el gas no pueda forzar su subida por la pata. Algunas veces se incluyen válvulas de retención, como la que se muestra en la Figura 6, a fin de limitar las pérdi-das durante el arranque cuando las patas del ciclón no están sumergidas. En estos casos, una chapaleta atascada en posición abierta no tendrá mayores consecuencias durante la operación normal. En algunos casos, debido a la geometría de la uni-dad o a una preferencia técnica, los ciclones prima-rios pueden diseñarse de manera que descarguen por encima del lecho. En estos casos, y suponiendo que el ciclón no es un ciclón de tubo ascendente de presión positiva, se requiere una válvula que funcio-ne correctamente. Las consecuencias de una válvula que está atascada en posición abierta serían una pérdida importante de eficiencia del ciclón, lo cual incrementará la carga a los ciclones secundarios e incrementará las pérdidas del catalizador en la uni-dad.

Figura 6 - Válvula de retención de la pata de un ciclón



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Chapaleta ausente o atascada en posición abierta en un ciclón de segunda etapa Una chapaleta ausente o atascada en posición abierta podrá no afectar el desempeño del ci-clón si la pata está suficientemente bien sumergida en un lecho bien fluidizado. Si la fluidización del lecho es erráti-ca, entonces las pérdidas podrán aumentar debido al flujo irregular del catalizador que baja por la pata del ciclón o debido a gas que se desvía subiendo por la pata. Si la pata del ciclón secundario no está sumergida dentro del lecho fluidizado, una chapaleta ausente o que está atascada en la posición abierta convertirá a la pata en un tubo al vacío que succionará los vapores dentro del ciclón; esto destruirá la eficiencia del ciclón. Una pata de ciclón desprendida tendría consecuencias similares. Sobrecarga de los ciclones del reactor (excesiva subida por la pata / insuficiente diámetro de la pata) Un sistema de ciclones del reactor puede sobrecargarse si el tráfico del catalizador o de vapor excede la capacidad hidráulica de diseño del sistema del ciclón. La caída de presión a través del sistema del ciclón se incrementa tanto con la carga del catalizador como con la de vapor. En la medida que se incrementa la caída de presión, el catalizador en la pa-ta del ciclón debe subir a una mayor elevación tal como se muestra en la Figura 7 para proporcionar suficiente presión manométrica para forzar el catali-zador fuera de la pata. Cuando la altura del cataliza-dor en la pata del ciclón alcanza la parte superior de la misma, los vapores arremolinados en la parte infe-rior del ciclón volverán a arrastrar al catalizador y re-ducirán drásticamente la eficiencia de captación del ciclón. A esta situación se le conoce como "inunda-ción del ciclón". Un incremento en el tráfico de vapor en el reactor más allá del límite hidráulico de la pata del ciclón puede ocurrir al operar a mayores tasas de alimentación, a mayores tasas de conversión y al re-ducir la presión operativa.

Los problemas de pérdida del catalizador pue-den ser intermitentes cuando las limitaciones hidráulicas de la pata del ciclón son el proble-ma.

Al operar cerca del límite hidráulico de la pata del ciclón, incluso un pequeño aumento en la circulación del catalizador o en el caudal de vapor puede resultar en un incremento en las pérdidas del catalizador.

El tamaño de la pata del ciclón es muy rara-mente una limitación durante las operaciones normales, pero si la temperatura del regene-

¿Qué puede hacerse para corregir en línea un pro-blema hidráulico en la pata de un ciclón?

Reduzca el sumergi-miento de la pata del ci-clón bajando el nivel del lecho del catalizador.

Reduzca los caudales de vapor y/o de circulación del catalizador.

Incremente la presión operativa.

Catalyst Bed Level

Dipleg Catalyst Level

First Stage Cyclone

Second StageCyclone

Figura 7 – Balance hidráulico del ci-

clón

Ciclón de segunda etapa

Nivel del lechodel catalizador

Nivel del catalizadoren la pata del ciclón

Ciclón de primera etapa



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rador cae a niveles muy bajos mientras que se mantiene al mismo tiempo la tempera-tura de salida del tubo ascendente, la circulación del catalizador se incrementará. Bajo condiciones extremas, la pata del ciclón del reactor puede restringir el flujo del catali-zador.

Sobrecarga de los ciclones del regenerador (excesiva subida por la pata / insuficiente diáme-tro de la pata) Un sistema de ciclones del regenerador también puede sobrecargarse cuando el tráfico del catalizador y de vapor excede la capacidad hidráulica del sistema de ciclones.

Los problemas de pérdi-da del catalizador pueden ser intermitentes cuando las limitaciones hidráuli-cas de la pata del ciclón son el problema. En al-gunos casos, la chime-nea de gases de combus-tión podría aparentar es-tar resoplando.

Un incremento en el tráfi-co de vapor más allá del límite hidráulico de la pata del ciclón puede ocurrir al operar con mayores caudales de aire de regeneración, con temperaturas mayores y con una presión operativa menor.

La sobrecarga del catalizador en los ciclones del regenerador puede ocurrir por las mismas razones que la sobrecarga de vapor debido a que la tasa de arrastre del cata-lizador a los ciclones del regenerador, tal como se muestra en la Figura 8, es una fun-ción de la velocidad superficial del vapor en el regenerador12.

Figura 8 – Correlación del arrastre del catalizador

Ve = Velocidad superficial efectiva del vapor, pies/seg ρp = Densidad de las partículas, lb/pie cub. ρg = Densidad del gas, lb/pie cub. e = Arrastre, lb cat/pie cub. vapor



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¿Qué puede hacerse para co-rregir en línea un problema de pérdida inducido por el catalizador?

Tenga en cuenta que a veces los refinadores añaden a pro-pósito catalizador fresco con un alto contenido de finos, de baja densidad, de un menor índice de desgaste abrasivo o sim-plemente incrementan la tasa de reposición del catalizador fresco para mejorar la fluidez del inventario del catalizador. Habiendo dicho esto, considere las siguientes opciones:

Pida catalizador fresco con menores límites acordados en el contenido de partícu-las de 0-40 micrones.

Cambie a un catalizador con una mayor densidad de las partículas o a uno con una mayor resistencia al desgaste abrasivo.

Reduzca la tasa de reposi-ción del catalizador fresco

Diseño de ciclón de mala eficiencia La sospecha de un diseño de ciclón de mala eficiencia típicamente surgirá sólo tras la insta-lación de un nuevo conjunto de ciclones. También se ha reportado la mala eficiencia de los ciclones de reactores debido a la formación de coque dentro de éstos9. Habiendo dicho esto, un tamaño de partícula promedio del catalizador bastante mayor sería una característica de un diseño de ciclón de baja eficiencia. Además, la curva diferencial del análisis de tamaño de partícula mostraría un solo pico en vez de un pico bimodal asociado con un ciclón dañado. Una baja concentración de finos en el inventario circulante también sería característica de un sistema con ciclones de baja eficiencia. Diseño de regenerador de mala eficiencia Sería una característica de un diseño de regenerador de baja eficiencia el carecer de suficiente altura o diámetro para separar el catalizador que sube proveniente del le-cho de fluidos. Este regenerador exhibiría un tamaño promedio de partícula del catalizador bastante grande en el catalizador perdido mientras que la curva diferencial del

análisis del tamaño de partícula tendría solamente un pico en vez de un pico bimodal asociado con un ciclón da-ñado. Una baja concentración de finos en el inventario también sería característica de un diseño de regenerador de baja eficiencia. La calidad de la fluidización del lecho también podrá afectar la tasa de arrastre del catalizador y la operación del ciclón.

Las secciones des-fluidizadas del lecho podrían inhibir el flujo proveniente de las patas sumergi-das del ciclón.

Los tubos ascendentes de los cuales mana el catalizador consumido pueden lanzar cataliza-dor adicional hacia los ciclones.

Se ha observado que deflectores especialmente diseñados que se colocan dentro del lecho podrían reducir el arrastre del catalizador.13

Catalizador fresco demasiado blando Un catalizador FCC blando es uno que de manera in-herente sufre de una mayor tasa promedio de desgaste abrasivo al ser expuesto a los rigores de la circulación en una unidad FCC. La blandura de un catalizador es

¿Qué puede hacerse para corregir en línea un pro-blema de diseño de ci-clón?

Nada, pero trate de des-cartar otras posibles causas antes de parar la unidad.

Ajuste las condiciones operativas a fin de mini-mizar las pérdidas hasta que sea posible realizar modificaciones al diseño.



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lo opuesto a su dureza, un parámetro definido por los fabricantes de catalizadores como un Índice de Desgaste Abrasivo5. Este índice está basado en una simulación de laboratorio del desgaste abrasivo de un catalizador FCC que depende de someter una muestra de laborato-rio al maltrato ocasionado por un chorro de gas a alta velocidad bajo condiciones estándar definidas.

Los fabricantes de catalizadores ofrecen varios grados de dureza del catalizador. Hoy día, un catalizador blando es raramente una explicación para la pérdida del cataliza-dor.

Un catalizador que es demasiado suave se manifestará como pérdidas mayores del catalizador tanto en el reactor como en el regenerador y en un mayor contenido de fi-nos que el de un catalizador de equilibrio normal.

Alto contenido de partículas en el rango 0-40 micrones en el catalizador fresco Un catalizador fresco con un alto contenido de partículas en el rango 0-40 micrones es uno que es despachado con una fracción de partículas con diámetros menores de 40 micrones mayor a lo normal Los catalizadores con esta característica perderán un mayor porcentaje de su masa del inventario poco después de haberse cargado a la unidad. Alta tasa de adición del catalizador fresco Las pérdidas del catalizador de las unidades FCC están definitivamente correlacionadas con las tasas de adiciones del catalizador fresco puesto que al incrementarse la tasa de adición del catalizador fresco se incrementa la entrada de finos y debido a que el catalizador fresco podrá tener aristas frágiles que se pierden con mayor facilidad cuando el catalizador se intro-duce por primera vez dentro de la unidad.

Mayores pérdidas del catalizador son el resultado normal y esperado del incremento de la tasa de adición del catalizador fresco.

Mayor retención de finos en el reactor Siempre que ocurran cambios que limiten la posibilidad de que los finos escapen del sistema del reactor, los finos encontrarán su salida de la unidad a través de diferentes vías que están limitadas a los ciclones del regenerador y a mayores remociones del catalizador. Ejemplos de cambios que incrementan la retención del catalizador en el reactor se enumeran a continua-ción:

Reciclaje de finos provenientes de la corriente del fondo de la torre del fraccionador que regresa al reactor FCC a través del reciclaje convencional de petróleo con impu-rezas o a través de un sistema de filtraje del lodo.

Instalación de ciclones nuevos en el reactor que tienen una mayor eficiencia de diseño Mayor retención de finos en el regenerador Si los finos del catalizador no pueden salir a través del regenerador, entonces se verán forza-das a salir de la unidad a través del reactor. Ejemplos de cambios que incrementan la reten-ción del catalizador en el regenerador se enumeran a continuación:



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Reciclaje de finos provenientes de un precipitador electrostático o un separador de tercera etapa de retorno hacia el regenerador.

La instalación de ciclones nuevos en el regenerador que tienen un diseño de mayor eficiencia

En la presencia de altos niveles de fundentes tales como sodio, potasio, calcio, cloru-ros o vanadio que pueden ser introducidos con carga de alimentación contaminada, como ya se mencionó anteriormente, el catalizador en el regenerador puede tornarse pegajoso5. En algunos casos, esto pareciera de hecho resultar en una disminución en las pérdidas del catalizador en el regenerador que pueden revertirse una vez que los contaminantes son eliminados de la carga de alimentación.

Habrá ocasiones en las que incluso con una cuidadosa consideración de las respuestas a las 20 preguntas, inclusive después de parar e inspeccionar la unidad, la causa de las pérdidas del catalizador FCC seguirá siendo difícil de establecer. Sin embargo, las preocupaciones que ocasionan los problemas de rentabilidad, confiabilidad y de tipo ambiental en la unidad FCC podrán obligar a los refinadores a recurrir a tácticas extraordinarias para ubicar la fuente de las altas pérdidas.

Medidas extraordinarias A continuación enumeramos un número de opciones más caras y que toman más tiempo que pueden ser implementadas en la búsqueda de la causa raíz de las altas pérdidas del catali-zador.

• Modelado de flujo en frío • Rastreadores radioactivos y barridos con rayos gamma • Pruebas de presión de los ciclones • Simulaciones computacionales de la dinámica de fluidos

El camino hasta la conclusión de una investigación para ubicar la causa de las altas pérdidas del catalizador podrá resultar largo y arduo. Sin embargo, si la investigación mantiene el rum-bo, el camino por lo general conducirá al éxito. Referencias 1. David S. Ensor y Michael J. Pilat, “Calculation of Smoke Plume Opacity from Particulate Air Pollutant Proper-

ties”, presentado en la 63a Reunión Anual de la Air Pollution Control Association, St. Louis, Missouri, 14-18 de junio de 1970.

2. R. G. McClung, “Effect of FCC Catalyst Fines Particle Distribution on Stack Opacity”, The Catalyst Report, Engelhard Corporation, 1994

3. Phillip K. Niccum, Eusebius Gbordzoe, y Stephan Lang, “FCC Emission Options”, presentado en la Reunión Anual de 2002 de la NPRA Annual Meeting, 17-19 de marzo de 2002, San Antonio, TX

4. J. A. Montgomery, “More about Davison’s Equilibrium Fluid Cracking Catalyst Analysis Program”, Davison Catalagram, Número 63, Davison Chemical Division, W.R. Grace & Co., 1981

5. David H. Linden, “Catalyst Deposition in FCC Power Recovery Systems”, presentado en el 7o Simposio An-ual de Craqueo Catalítico Fluidizado de Katalistiks, Venecia, Italia, 12-13 de mayo de 1986

6. Weeks, S.A., y Dumbill, P., "Method speeds FCC catalyst attrition resistance determinations," OGJ, 16 de abril de 1990, pags. 38-40.

7. F. Zhou, C. Liu, J. Liu y S. Shu, “Use micrographs to diagnose FCC operations”, Hydrocarbon Processing,



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Marzo, 2006 8. Ray Fletcher, “Stepwise method determines source of FCC catalyst losses”, O&JG, 28 de agosto de 1995 9. McPherson, L.J.: "Causes of FCC Reactor Coke Deposits Identified"; O&GJ, 10 de septiembre de 1984, 10. Sesión II.A - Craqueo Catalítico Fluidizado, Pregunta mecánica 6¸Sesión de preguntas y respuestas sobre

Tecnología de Refinación y Petroquímica de la NPRA 1994 11. Zenz, F.A. y Othmer, D.F., Fluidization and Fluid-Particle Systems, Reinhold Publishing Co., New York, 1960 12. Giuricich, N.L. y Kalen, B., “Dominant Criteria in FCC Cyclone Design”, 3er Simposio Anual de Craqueo Cata-

lítico Fluidizado de Katalistiks, 26 y 27 de mayo 1982, Hotel Marriot, Amsterdam, Los Países Bajos 13. Rik B. Miller, Yong-Lin Yang, y Tiffin E. Johnson, Stephen J. McCarthy and Klaus W. Schatz, “REGENMAX™

Technology: Staged Combustion in a Single Regenerator” , Ponencia AM-99-14 1999 de la Reunión Anual de la NPRA, 21-23 de marzo de 1999. San Antonio.

14. P. K. Niccum, “20 questions: identify probable causes of high FCC catalyst loss”, Hydrocarbon Processing, Septiembre de 2010

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