¿Qué es el craqueo catalítico fluido? Guía completa de la tecnología FCC

¿Qué es el craqueo catalítico fluido (FCC)?

El craqueo catalítico de fluidos (FCC) es uno de los procesos más importantes del proceso contemporáneo de craqueo catalítico de fluidos de refino de petróleo, cuyo objetivo es transformar las corrientes de hidrocarburos pesados en productos de menor peso molecular, más ligeros y valiosos. Se utiliza en el craqueo del gasóleo y el gasóleo de vacío -dos productos más pesados del procesamiento del crudo- en productos populares como la gasolina, el gasóleo y las olefinas ligeras. La FCC es una de las tecnologías de refinado más populares del mundo, y su importancia va en aumento debido a la creciente demanda de energía y productos petroquímicos.

La principal diferencia entre el FCC y otros procesos como el craqueo térmico es que el FCC emplea tanto altas temperaturas como un catalizador en polvo. El catalizador ayuda a aumentar la velocidad de las reacciones químicas, incluidas las reacciones endotérmicas de craqueo, y al mismo tiempo reduce la velocidad de las reacciones secundarias no deseadas, aumentando así el rendimiento de los productos necesarios. En otras palabras, la FCC divide las moléculas de hidrocarburos más grandes y complicadas en moléculas más pequeñas y valiosas, como la gasolina o las olefinas que se utilizan para fabricar plásticos y otros productos petroquímicos.

La FCC se desarrolló en la década de 1940 y desde entonces ha recibido mejoras a lo largo de los años de funcionamiento. Los primeros sistemas, introducidos por pioneros como la Standard Oil Company, sentaron las bases de los actuales sistemas altamente refinados. Las unidades actuales de FCC están equipadas con catalizadores mejorados y sistemas de control de alta sensibilidad que permiten a las refinerías manejar materias primas difíciles, como las que tienen un alto contenido en azufre o metales, manteniendo al mismo tiempo una alta eficiencia, como demuestran varios estudios de casos sobre mejoras en la calidad del producto.

El FCC es especialmente crucial para la producción de gasolina de alto octanaje, vital en los actuales motores de combustión interna. Además, la FCC es una fuente importante del propileno mundial, muy utilizado en la producción de plásticos y productos sintéticos. Su capacidad para convertir flujos pesados y de bajo valor de densidad en productos de alto valor añadido no sólo mejora los márgenes de las refinerías, sino que también beneficia a otros sectores además del energético, como la automoción, el envasado y el textil.

En otras palabras, el FCC es un componente esencial de la moderna industria del refino. Es el caballo de batalla de la industria energética y petroquímica por su flexibilidad, productividad y capacidad para tratar materias primas difíciles.

Componentes básicos de una unidad de craqueo catalítico fluido (FCCU)

La FCCU es una unidad compleja que consta de varias unidades que funcionan en armonía para convertir las materias primas de hidrocarburos pesados en productos más ligeros y valiosos. El equipo principal está formado por el reactor elevador, el regenerador de catalizadores y la columna de fraccionamiento, con la ayuda de equipos auxiliares para el tratamiento de la alimentación y el control de la contaminación.

Componente básico	Función	Papel
Reactor Riser	Realiza reacciones de craqueo primario	Convierte materias primas pesadas en productos más ligeros, como gasolina y olefinas.
Regenerador de catalizadores	Elimina los depósitos de coque y restaura la actividad del catalizador	Garantiza la eficacia del catalizador y proporciona calor para el craqueo
Sistema de fraccionamiento	Separa gases y líquidos craqueados en función de los puntos de ebullición	Recupera productos de alto valor (por ejemplo, gasolina, aceite de ciclo ligero) y reduce el consumo de energía.

Riser Reactor

El reactor ascendente es la parte central de la FCCU, donde se producen las principales reacciones de craqueo. En esta sección, la materia prima, normalmente gasóleo de vacío o gasóleo pesado precalentado a una temperatura de 320-340°C, se mezcla con un flujo de catalizador caliente y regenerado. Cuando la materia prima entra en contacto con el catalizador a altas temperaturas, las grandes moléculas de hidrocarburos de la materia prima se craquean en moléculas más pequeñas, como gasolina y olefinas ligeras. Estas reacciones de craqueo son endotérmicas, es decir, requieren calor y, por tanto, la temperatura y el tiempo de permanencia de los reactantes deben controlarse cuidadosamente para garantizar altos rendimientos y baja formación de subproductos. Los datos experimentales indican que, en la parte superior del elevador, un buen separador separa eficazmente el catalizador del vapor de hidrocarburos, de modo que los productos valiosos pueden continuar mientras el catalizador gastado va a regenerarse.

Catalizador Regenerador

El regenerador de catalizador es un componente crítico en el funcionamiento del proceso FCC por su importancia para mantener la eficiencia del proceso. Durante el craqueo, el catalizador se cubre de coque, que es un material carbonoso perjudicial para el rendimiento del catalizador. En el regenerador, estos depósitos de coque se queman en presencia de aire, rejuveneciendo así el catalizador. Esta combustión no sólo regenera el catalizador, sino que también proporciona calor a otras partes de la FCCU.

Los regeneradores contemporáneos incorporan materiales catalíticos sofisticados, como los tamices moleculares o las zeolitas, que aumentan la eficacia del craqueo y la inmunidad a los contaminantes. Estos materiales son importantes para mantener el rendimiento del catalizador en condiciones elevadas. Además, la gestión de las emisiones de gases de combustión, incluidos el monóxido de carbono y las partículas, es una función crítica del regenerador. Algunas FCCU tienen calderas de CO o sofisticados sistemas de control de emisiones para cumplir las normas medioambientales y mejorar la eficiencia energética.

Estos avances mantienen al regenerador de catalizadores a la vanguardia del mantenimiento de la eficiencia y la fiabilidad de las operaciones de FCC.

Sistema de fraccionamiento

A continuación, los vapores de hidrocarburos producidos en las reacciones de craqueo se envían al sistema de fraccionamiento, donde se separan los distintos productos en función de sus puntos de ebullición. Estos flujos son normalmente gasolina FCC, aceite de ciclo ligero y aceite de lodo. Ambas fracciones tienen sus usos, que incluyen la mezcla en combustibles y como materia prima para otras unidades de refino. El sistema de fraccionamiento está diseñado para obtener altos rendimientos de los productos deseados con un bajo consumo de energía y producción de residuos.

Las FCCU actuales incorporan sofisticados sensores y actuadores para controlar los parámetros críticos, como la relación catalizador/aceite, las características de la materia prima y la temperatura. Estas tecnologías aumentan la fiabilidad operativa, incrementan los índices de producción de productos y permiten a las refinerías procesar materias primas más complejas, por lo que las FCCU son fundamentales para las refinerías actuales.

Cómo funciona el craqueo catalítico fluido: Procesos y mecanismos clave

La FCC se considera una de las categorías tecnológicas más importantes dentro de las refinerías actuales que actúan para refinar hidrocarburos pesados y convertirlos en productos ligeros de gran demanda, como la gasolina, el gasóleo y las olefinas. Este proceso es polifacético y consta de cuatro etapas clave, que tienen mecanismos y funciones diferentes. A continuación, profundizamos en estas etapas: Pretratamiento de la materia prima, reacción de craqueo catalítico, regeneración del catalizador y separación y postratamiento del gas.

Fase de pretratamiento de la materia prima

En un reactor de hidrocraqueo, la materia prima, normalmente gasóleo de vacío (VGO) o residuos atmosféricos, se trata previamente para obtener una alta eficiencia de las reacciones posteriores antes de que se produzca el proceso de craqueo propiamente dicho. Aquí, la presencia de azufre, nitrógeno, metales y agua debe reducirse al mínimo, ya que estas especies pueden desactivar el catalizador o ralentizar las reacciones de craqueo.

¿Por qué es necesario? El azufre y el nitrógeno disminuyen la actividad del catalizador en 30% y provocan la formación de productos indeseables como SOx y NOx durante la combustión. Los metales como el vanadio y el níquel que se encuentran en las existencias también reducen la eficacia del craqueo y degradan el catalizador.

Además del hidrotratamiento y la desalación, los tamices moleculares también se utilizan en el proceso de pretratamiento. Estos materiales basados en tamices moleculares son muy eficaces en la eliminación de agua y otras impurezas menores de las materias primas. En comparación con medios como el gel de sílice o la alúmina activada, este tamiz molecular para esencialmente superior en términos tanto de precisión como de profundidad, la sequedad alcanzando tan bajo como 1 ppm. Esto también protege a los catalizadores de los daños por hidratación y mejora la eficacia del craqueo. Los tamices moleculares también tienen una mayor capacidad de adsorción y, por tanto, son más baratos que el gel de sílice, más apropiado para hidrocarburos más ligeros.

Con el hidrotratamiento y la desalinización, así como con la eliminación del agua molecular con ayuda del secado mediante un tamiz molecular, las refinerías podrían iniciar el proceso de craqueo con materias primas refinadas ultralimpias, consiguiendo así cuidar el medio ambiente y minimizar el desgaste de los catalizadores.

Etapa de reacción de craqueo catalítico

La etapa más crucial del proceso de FCC tiene lugar en el reactor, donde la materia prima pretratada se craquea en moléculas de hidrocarburo más pequeñas mediante el uso de un catalizador cuidadosamente seleccionado. Esta etapa tiene lugar a altas temperaturas de 480-550 °C y presiones moderadas de 1,5-3 atmósferas, que es el mejor entorno para craquear hidrocarburos pesados y convertirlos en productos más ligeros y valiosos como gasolina, gasóleo y olefinas.

El tamiz molecular de zeolita de tipo Y es un catalizador crítico utilizado en esta etapa debido a su gran tamaño de poro, fuerte acidez y excelente estabilidad térmica. Estas propiedades le permiten escindir eficazmente los enlaces C-C de los hidrocarburos de cadena larga y favorecer la producción de productos más ligeros como el C₈H₁₈ (gasolina) y C₃H₆ (propileno) olefinas. En comparación con otros catalizadores como las zeolitas ZSM-5, más apropiadas para aumentar la producción de olefinas ligeras, o los catalizadores a base de arcilla y óxidos de tierras raras, que tienen una selectividad y una durabilidad menores, las zeolitas Y están perfectamente equilibradas para maximizar la producción de gasolina y minimizar al mismo tiempo subproductos como el coque.

Para aumentar la eficiencia, las unidades de FCC emplean reactores ascendentes en los que la materia prima se inyecta en una corriente de partículas calientes de catalizador. Esto hace posible que la reacción de craqueo tenga lugar en pocos segundos, minimizando así la formación de coque indeseable y mejorando la selectividad del producto. Las Y-zeolitas con características mejoradas aumentan la conversión a 70-75% y más, garantizando así que una parte considerable de la materia prima se convierta en hidrocarburos más ligeros y valiosos. Esto convierte a la Y-zeolita en el catalizador más adecuado para obtener los mejores resultados en las unidades de FCC.

Catalizador Etapa de regeneración

Durante el proceso de craqueo, la superficie del catalizador se cubre de coque, que es un depósito carbonoso. La deposición de coque provoca la disminución de la actividad y la selectividad del catalizador. Para evitarlo, el catalizador se regenera continuamente en una unidad regeneradora distinta del lecho fluidizado.

El proceso de regeneración se lleva a cabo quemando el coque depositado en un entorno rico en oxígeno a una temperatura de 650-720°C. Esto no sólo devuelve la actividad al catalizador, sino que también produce calor que se utiliza de nuevo en el sistema. Esto no sólo devuelve la actividad al catalizador, sino que también produce calor que se vuelve a utilizar en el sistema. Por ejemplo, una unidad típica de FCC puede generar entre 70 y 80% de sus necesidades energéticas mediante este proceso, lo que la hace muy eficiente desde el punto de vista energético.

En las unidades FCC actuales se utilizan regeneradores de dos etapas para reducir las emisiones al mínimo. La primera elimina la mayor parte del coque, mientras que la segunda garantiza una combustión completa, por lo que las emisiones de monóxido de carbono (CO) son casi insignificantes. Las calderas de CO también se integran en los regeneradores avanzados para utilizar los gases residuales en vapor con el fin de aumentar aún más la eficiencia de la refinería.

Etapa de separación de gases y postratamiento

La corriente de producto tras la reacción de craqueo es una mezcla de hidrocarburos, gases y finos de catalizador que se separan y se someten a un postratamiento para obtener productos valiosos y eliminar subproductos indeseables. Esta etapa es muy importante para conseguir un alto porcentaje de rendimiento y calidad del producto final.

El proceso comienza con la separación ciclónica, en la que las partículas de catalizador se separan bien y se devuelven al reactor. Con una eficiencia de 99% en este paso, la pérdida de catalizador se reduce considerablemente, lo que hace que el proceso sea rentable y adecuado para la empresa.

Posteriormente, los vapores de hidrocarburos se dirigen hacia columnas de separación conocidas como columnas de fraccionamiento en las que los componentes se separan por sus temperaturas de ebullición. Allí los gases como el hidrógeno, el metano y el etileno ascienden y se recogen en la parte superior, mientras que los productos más pesados como la gasolina, el gasóleo y el fuel-oil se extraen en otras etapas. El producto más valioso es la gasolina, que aporta el 45-55% de la producción total y es un producto clave del proceso FCC.

En esta fase, los tamices moleculares se utilizan para depurar el gas craqueado y eliminar el agua y las sustancias tóxicas, como los compuestos que contienen azufre y nitrógeno. Los tamices moleculares son mucho más eficaces que otros materiales como la alúmina activada, que es un material de reserva, o el gel de sílice, que es bueno para el secado general a baja temperatura. Los tamices moleculares permiten secar el gas por debajo de un nivel de humedad de 1 ppm, lo que aumenta la pureza del gas y protege los equipos posteriores. Aunque el carbón activado es bueno para la eliminación de contaminantes orgánicos, no posee el tamaño de poro selectivo y la estabilidad de los tamices moleculares, lo que hace que estos últimos sean más adecuados para el secado de gas en sistemas FCC.

El proceso de postratamiento también contribuye a mejorar la calidad del producto. El contenido de azufre de la gasolina se elimina por debajo de 10 ppm para cumplir los requisitos legales vigentes, y las olefinas ligeras como el propileno y el butileno, que son importantes productos petroquímicos, se producen mediante sistemas de separación de gases. Estos pasos, junto con la eficacia de los tamices moleculares, garantizan una producción de alta calidad y contribuyen a aumentar la rentabilidad global de la unidad de FCC.

La FCC es una compleja serie de reacciones que implica etapas de conversión de materias primas pesadas en productos más ligeros, como gasolina y olefinas. La combinación de procesos incluye el pretratamiento de la materia prima, la fase de craqueo propiamente dicha, el proceso de regeneración del catalizador y la separación de los productos; cada una de estas etapas es crucial para conseguir el mayor rendimiento de los productos y mejorar la eficacia del proceso. En todas estas etapas, los tamices moleculares basados en zeolitas de tipo Y actúan como catalizadores y como desecantes y, en su función catalítica, mejoran la selectividad y la eficacia de las reacciones de craqueo, reduciendo así la formación de subproductos no deseados como el coque. En algunos casos, los tamices moleculares se utilizan para eliminar el agua y otros contaminantes de la materia prima y del producto final como agentes secantes. En conjunto, estas tecnologías mejoran el rendimiento general de los sistemas de FCC. La FCC sigue siendo un elemento clave de los procesos de refinado, ya que la integración de nuevos catalizadores y soluciones de ingeniería ayuda a producir combustibles más limpios y valiosas materias primas petroquímicas para la demanda mundial.

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Principales aplicaciones del craqueo catalítico de fluidos en la industria petrolera

El craqueo catalítico fluido (FCC) es una de las tecnologías más conocidas e importantes de la industria petrolera para la producción de combustibles y productos químicos vitales que sustentan las economías modernas. Dado que tiene la capacidad ejecutiva de craquear hidrocarburos de alta densidad y convertirlos en productos más ligeros y atractivos comercialmente, este equipo es una herramienta esencial en todas las refinerías de petróleo del mundo.

Producción de combustible

El FCC se utiliza principalmente en la generación de combustibles y más concretamente de gasolina y gasóleo, que a su vez son utilizados por vehículos, maquinaria e industrias. La gasolina FCC es un miembro importante de los combustibles modernos para el transporte por su alto octanaje. Esta gasolina no sólo tiene un alto valor energético, sino que también es muy adecuada para su uso en motores de combustión interna y, como tal, es un producto fundamental en lugares como Estados Unidos, donde los combustibles de alto octanaje son siempre muy demandados. Además, el FCC se utiliza en la generación de aceite de ciclo ligero, que es útil para fabricar gasóleo o puede utilizarse para calefacción, lo que le añade valor en la producción de energía.

Producción de olefinas para la industria petroquímica

Además de los combustibles, el FCC es un proceso crítico para la generación de olefinas ligeras, como el etileno y el propileno. Estas olefinas desempeñan un papel muy importante en el mercado de polímeros como materias primas para productos plásticos, caucho sintético y otros. Por ejemplo, el propileno se utiliza para fabricar polipropileno, que es un polímero con usos en envases, en sistemas de automoción entre otros. El hecho de que el FCC pueda generar un volumen creciente de propileno lo ha convertido en un proceso atractivo para las refinerías que buscan satisfacer la creciente demanda de productos petroquímicos.

Procesamiento de crudo pesado y materias primas complejas

Otra aplicación importante de la FCC es su capacidad para procesar materias primas tan difíciles como el gasóleo pesado y el gasóleo de vacío. Estas materias primas son difíciles de mejorar mediante procesos convencionales, pero la FCC puede craquearlas fácilmente y convertirlas en productos más ligeros y de mayor valor. Esta versatilidad es especialmente importante a medida que la industria petrolera se prepara para procesar materias primas con más contaminantes o con pesos moleculares más pesados.

Objetivos de sostenibilidad

La FCC también contribuye a la sostenibilidad, ya que garantiza que se obtenga el máximo valor del crudo y, al mismo tiempo, reduce el despilfarro. El proceso transforma las fracciones pesadas poco útiles en productos que pueden utilizarse para usos energéticos e industriales. Además, las mejoras en la tecnología de FCC, incluido el uso de sistemas de catalizadores regenerados y técnicas de control de emisiones, han mejorado el rendimiento medioambiental de FCC y está en consonancia con la visión de la industria de procesos más limpios y eficientes.

En resumen, el uso del FCC afecta a los ámbitos de la energía, la petroquímica y la sostenibilidad. Su capacidad para fabricar combustibles, olefinas y productos especiales a partir de hidrocarburos pesados lo convierte en un componente clave de los actuales procesos de refinería.

Ventajas y limitaciones de la tecnología de craqueo catalítico fluido

Ventajas de la tecnología FCC

La FCC es un proceso muy importante en la industria del refino de petróleo, ya que tiene varias ventajas. En primer lugar, es muy eficaz para transformar materias primas de bajo margen en productos de alto margen, como gasolina y olefinas. El FCC funciona mediante procesos tanto térmicos como catalíticos, lo que hace que produzca altos rendimientos de sus productos con poco o ningún residuo. Esta eficacia queda bien ilustrada en la producción de gasolina de alto octanaje y fracciones ligeras de petróleo crudo que ayudan a las refinerías a satisfacer las necesidades de combustible para el transporte de los consumidores.

El tercer punto fuerte de la FCC es la flexibilidad operativa. El proceso puede aceptar un amplio espectro de materias primas, incluidas las fracciones convencionales de crudo y las fracciones pesadas de petróleo. Esta flexibilidad es crucial, ya que las refinerías se enfrentan cada vez más al reto de abastecerse de crudos más ligeros y limpios. Además, la FCC permite flexibilidad operativa, por ejemplo, aumentando la producción de olefinas ligeras, lo que permite a las refinerías adaptarse rápidamente a las necesidades del mercado.

Otra ventaja del FCC es que el catalizador se regenera continuamente. Este proceso ayuda a mantener la eficacia del catalizador durante mucho tiempo eliminando el coque que se acumula en la superficie del catalizador y rejuveneciendo así el catalizador gastado. Por tanto, el rendimiento se mantiene constante durante toda la vida útil de la unidad. Los nuevos avances en la tecnología de catalizadores, como un mejor control de la densidad del sitio ácido y la resistencia a los contaminantes, han aumentado la solidez y el rendimiento de la tecnología FCC.

Además, FCC contribuye a la conservación del medio ambiente disminuyendo el uso de fuelóleo y fomentando la generación de combustibles más limpios. Las unidades actuales de FCC están equipadas con sistemas de control de emisiones como calderas de CO que garantizan que las emisiones de gases de combustión estén bien controladas, reduciendo así los efectos sobre el medio ambiente.

Limitaciones de la tecnología FCC

Sin embargo, la tecnología FCC tiene sus inconvenientes, aunque presenta muchas ventajas. Uno de los principales inconvenientes es que se trata de un proceso que consume mucha energía. El proceso implica altas temperaturas y un estricto control de las condiciones de funcionamiento para obtener los mejores resultados, lo que se traduce en elevados costes de explotación, especialmente cuando se trata de materias primas más espesas o contaminadas.

Otro problema es la formación de depósitos de coque durante las reacciones de craqueo. Sin embargo, estos depósitos pueden quemarse en el regenerador; su presencia reduce la eficacia global del proceso y ejerce más presión sobre los sistemas de control de emisiones. Además, las materias primas con altos niveles de impurezas, como metales o azufre, pueden provocar una desactivación más rápida del catalizador, lo que a su vez aumenta la frecuencia de sustitución del catalizador.

Las cuestiones medioambientales también constituyen una limitación del estudio. Aunque la FCC ha evolucionado para ser respetuosa con el medio ambiente gracias a las mejoras tecnológicas en el control de emisiones, el proceso sigue produciendo grandes cantidades de monóxido de carbono y dióxido de carbono durante la regeneración del catalizador. Mitigar estas emisiones requiere inversiones adicionales en tecnología e infraestructura.

En conclusión, aunque la tecnología FCC es única por sus ventajas, las refinerías deben ser muy cautelosas con las desventajas para lograr tanto la viabilidad económica como la responsabilidad medioambiental.

Retos del craqueo catalítico fluido y posibles soluciones

Retos de la tecnología FCC

La FCC se enfrenta a varios problemas importantes a medida que se adapta a los nuevos requisitos del mercado y a las normas medioambientales. Uno de los principales retos es la desactivación del catalizador, que se atribuye principalmente a la formación de coque y a la presencia de níquel y vanadio. Estos contaminantes reducen la actividad del catalizador y, por tanto, el rendimiento del producto, y el coste del catalizador también es elevado.

Otra cuestión importante es el control de las emisiones. La regeneración de los catalizadores se hace quemando coque, que a su vez produce monóxido de carbono, dióxido de carbono y otros contaminantes. Esto plantea problemas medioambientales, sobre todo cuando existen normas estrictas de emisión de gases de efecto invernadero. Optimizar los gases de combustión sin comprometer el rendimiento de la planta requiere estructuras y sistemas sofisticados.

Otro reto para la FCC es la complejidad de las materias primas, que ha ido en aumento en los últimos años. Cuando las refinerías ascienden en la escala de gravedad del crudo hacia crudos más pesados y ácidos, aumenta la amenaza de envenenamiento del catalizador y los costes de regeneración del catalizador. La manipulación de estas materias primas difíciles exige una mejora tecnológica constante para mantener la productividad de las operaciones y generar productos de alta calidad, como aceite de ciclo ligero y olefinas ligeras.

Posibles soluciones

Para resolver estos problemas, la industria se concentra ahora en la mejora del diseño de los catalizadores. Una mayor resistencia al ensuciamiento y la estabilidad a altas temperaturas son otras características que se han mejorado en los catalizadores FCC modernos. Esto no sólo prolonga la vida útil del catalizador, sino que también mejora la selectividad de las reacciones de craqueo, lo que aumenta la producción de productos valiosos como la gasolina de FCC.

Los avances tecnológicos en el control de emisiones también se han desarrollado como medidas eficaces para reducir los efectos de la FCC sobre el medio ambiente. Tecnologías como las calderas de CO y los sistemas de captura de carbono ayudan a las refinerías a reducir en gran medida sus emisiones de gases de efecto invernadero. Además, el uso de sistemas de monitorización de alta eficiencia con mayor resolución espacial permite controlar los gases de combustión y otras emisiones.

Para resolver el problema de la manipulación de materias primas complejas, las refinerías modernas están incorporando tecnologías de pretratamiento como el hidroprocesado para eliminar las impurezas antes de que la materia prima se procese en la unidad de FCC. Este enfoque ayuda a evitar el problema del envenenamiento del catalizador y contribuye a un trabajo más eficiente.

En conclusión, la tecnología FCC se enfrenta a muchos retos, pero el desarrollo constante de nuevos catalizadores, control de emisiones y técnicas de pretratamiento de la alimentación están superando estos problemas y garantizando el avance del proceso FCC.