Anexo 3 Ing. Conceptual

MEMORIA DESCRIPTIVA ING-001-2009

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PROYECTO: ESTUDIO DE PREFACTIBILIDAD PARA INSTALACION DE UNA UNIDAD DE ISOMERIZACIÓN DE GASOLINA LIVIANA (LSR) EN RSCZ

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TITULO: DISEÑO CONCEPTUAL DE LA UNIDAD DE ISOMERIZACIÓN DE LSR

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TABLA DE CONTENIDO

1. ANTECEDENTES ....................................................................................................................2 2. OBJETIVO ...............................................................................................................................5 3. MATERIA PRIMA Y MERCADO ..............................................................................................6 4. CAPACIDAD, OCTANAJE Y TVR .........................................................................................11 5. CARACTERISTICAS DE LAS CORRIENTES INVOLUCRADAS ..........................................14 6. EQUILIBRIO QUIMICO ........................................................................................................20 7. CATALIZADORES Y PROCESOS DE ISOMERIZACIÓN DESARROLLADOS ...................24 8. RENDIMIENTO DE LA ISOMERIZACION .............................................................................31 9. IMPUREZAS EN LA CARGA ................................................................................................35 10. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES ...............................................................................37

_____0_____


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1. ANTECEDENTES Hasta fines del año 2008, existía un equilibrio muy frágil entre el mercado consumidor y la producción de Gasolinas Terminadas. A partir del 2009 se rompe este equilibrio y El Gobierno Nacional a través de YPFB se ve en la necesidad de importar Gasolinas de alto octanaje (RON mayor a 90) para realizar un Blending con Gasolinas Blancas de bajo Octanaje (RON menor a 70) existentes en el país a fin de abastecer la demanda cada vez creciente de Gasolinas Terminadas de uso Automotriz (Gasolina Especial y Premium) y con precios subvencionados. Además, debido a la disminución de la producción de Crudo (asociado al Gas Natural), el país se encuentra en un momento en que a corto plazo no existe posibilidad de mayor producción de Petróleo Crudo como materia prima para la producción de Gasolinas cuya demanda permanecerá creciente y sostenida.

Debe tomarse en cuenta que cualquier emprendimiento para la producción de mayores cantidades de crudo llevará un tiempo mínimo en obtención de resultados de 5 años, razón por lo que se hace imperiosa la necesidad de analizar otras opciones de materias primas para la producción especialmente de Gasolina Especial (RON=85) en el País.

De acuerdo a resultados de refinación del crudo procesado en Refinería Guillermo Elder Bell de Santa Cruz (RSCZ), durante el 2008 se obtuvieron Naftas en las proporciones promedio siguientes:

- LSR (Light Straight Run) “Nafta Liviana” = 29.7% Del Crudo (RON=67)

- MSR (Medium Straight Run) “Nafta Media” = 21.9 % Del Crudo

A mediados de Diciembre del 2008, y con el propósito de incrementar la producción de Gasolinas Terminadas, se decidió modificar Punto Inicial de la Destilación de Nafta Media MSR de 210°F a 180°F con lo que las proporciones de ambas Naftas fueron modificadas, alcanzándose en enero del 2009 las siguientes proporciones promedio:

- LSR (Light Straight Run) “Nafta Liviana” = 25% (RON=69)

- MSR (Medium Straight Run) “Nafta Media” = 31%

En la Primera quincena de febrero de 2009 se obtuvieron los siguientes rendimientos promedio

- LSR (Light Straight Run) “Nafta Liviana” = 23.4%

- MSR (Medium Straight Run) “Nafta Media” = 29.5%

En Refinería Gualberto Villarroel de Cochabamba (RCBA) durante el 2008, se obtuvieron las siguientes proporciones de naftas:

- LSR (Light Straight Run) “Nafta Liviana” = 21.3%

- MSR (Medium Straight Run) “Nafta Media” = 29.2%

Adicionalmente, en su informe “Ingeniería Básica de la Unidad de Crudo A-301 (RSCZ) “CDU and GRU Revamp Study Report” para un Petróleo Crudo de 61.3° API, Universal Oil Products (UOP), respecto a las Naftas mencionadas, implícitamente propone extraer las siguientes proporciones:


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- LSR (Light Straight Run) “Nafta Liviana” = 18.5% (T dest. 5%=70°F; T dest. 95%=140°F)

- MSR (Medium Straight Run) “Nafta Media” = 30.2% (T dest. 5%=140°F; T dest. 95%= 252°F)

En resumen, en Tabla 1.1 se detalla la tendencia de rendimiento tanto de Nafta Liviana (LSR) como de Nafta Media (MSR).

Tabla 1.1 Naftas en el Petróleo Crudo

La totalidad de la Nafta Media (MSR) es procesada en las unidades de Reformación Catalítica donde se convierte en Gasolina Reformada de alto Octanaje (RON de 90 a 97 y Rendimiento promedio del 80% vol.) que es el principal constituyente de las Gasolinas Terminadas. Al total de la Gasolina Reformada se añade principalmente Nafta Liviana (LSR) y esporádicamente cantidades mínimas de Iso-pentano, Butanos, Alquilatos, etc. en proporciones que permiten incrementar su volumen, cumpliendo las Especificaciones de las Gasolinas Terminadas (Gasolina Especial y Premium).

De acuerdo a los reportes del área de Blending Carburantes (gestión 2008), en RSCZ la Gasolina Especial estuvo conformada por Gasolina Reformada en un 70% vol. y Nafta Liviana (LSR) en un 30% vol. mientras que en RCBA estuvo conformada por Gasolina Reformada en un 65% vol. y Nafta Liviana (LSR) en un 35% vol. con lo que en promedio se obtuvo una gasolina con las características mostradas en la Tabla 1.2

Tabla 1.2 Gasolina Especial, comparación Especificaciones vs. Resultados Promedio 2008

(*) Verano se define del 1° de septiembre al 31 de marzo e invierno se define del 1°de abril al 31 de agosto.

Reportes del área de Blending de Carburantes en RSCZ, del 01 al 15 de Febrero 2009 indican que la Gasolina Especial está conformada por Gasolina Reformada en un 66% vol y Nafta Liviana (LSR) en un 34% vol. Para la presente Gestión 2009, claramente se puede observar que ambas Refinerías tienden a adoptar una operación similar a la realizada en RCBA-2008 cuyo propósito es alcanzar un aprovechamiento maximo de LSR (35% vol. aproximadamente) en Gasolina Especial.

Rendimiento en Naftas RCBA RSCZ UOP Media

Nafta Liviana LSR (% vol.) 21.3 23.4 18.5 21.1

Nafta Media MSR (% vol.) 29.2 29.5 30.2 29.6

Total Naftas (% vol.) 50.5 52.9 48.7 50.7

Parámetro ASTM Especificación

Gasolina Especial

Resultados – 2008

Gasolina Especial

RON D- 2699 Mínimo 85 85.3

TVR D-323 Maximo 9.0 psig (verano *)

Maximo 9.5 psig (invierno *)

7.8 psig


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Para un aprovechamiento del Petróleo Crudo actualmente procesado en las Refinerías de YPFB Refinación S.A y rendimiento óptimo en Gasolina Especial, de acuerdo a la producción actual de ambas Naftas (LSR y MSR) detalladas en Tabla 1.1, la totalidad de LSR producida, debería formar parte de las Gasolinas Terminadas, sin embargo, esto no es posible debido principalmente a su bajo Octanaje (RON 67 a 71). Tomando en cuenta la Tabla 1.2 cabe señalar que respecto al TVR de las Gasolinas Terminadas, existe un margen de 7.8 psig (TVR Prom 2008) a 9.0 psig (Especificación verano) o 9.5 psig (Especificación invierno) que podría ser aprovechado introduciendo fracciones livianas de alto octanaje.

El remanente de la Nafta Liviana (LSR) no aprovechada en blending de Gasolinas Terminadas, es mezclado con el Crudo Reducido de RSCZ y excedentes de la Planta de Lubricantes de la Refinería Gualberto Villarroel (RCBA) y juntos conforman el Crudo Reconstituido (RECON), producto que es exportado sin ningún valor agregado para la empresa.

Es ahí que surge como alternativa tecnológica el Proceso de Isomerización de Nafta Liviana (LSR) cuyo propósito es el de transformar los Hidrocarburos C5/C6 de cadena lineal de bajos Octanajes (RON) en hidrocarburos ramificados (Isómeros) de altos Octanajes (RON) para lo cual se han tomado en cuenta las alternativas detalladas más adelante.

Es importante manifestar que si bien el proceso de isomerización permite obtener una Gasolina Liviana (Isomerizada) de Alto Octanaje (RON de 80 a 90), conlleva también una alta Volatilidad (TVR>=12 psig) lo que limitará su porcentaje como constituyente de las Gasolinas Terminadas.


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2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo General

• Producir mayor volumen de Gasolinas Terminadas (Especial y Premium) a fin de satisfacer

la demanda nacional y evitar la importación que afecta al Tesoro General de la Nación (TGN). Ello implica realizar un estudio de pre-factibilidad para la instalación de Unidades de Isomerización de Gasolina liviana en las dos Refinerías de YPFB Refinación S.A.

A través del proceso de isomerización de Gasolinas Livianas, se obtiene una Gasolina Liviana de Alto Octanaje (Isomerizada) que es incorporada en una proporción mayor en la formulación en las Gasolinas Terminadas y como resultado se obtiene una mayor producción de éstas.

• Procesar en el país parte del RECON de exportación, obteniendo un producto (Gasolina

Isomerizada) de alto valor agregado.

2.2. Objetivos Específicos

• El objetivo de este documento, es proponer el diseño de Ingeniería Conceptual que permita

elegir la tecnología de Isomerización a utilizar, lo cual implica elección del proceso a instalar y del tipo de catalizador a adquirir, además de definir la capacidad óptima de las unidades de Isomerización.

• Investigar los efectos del incremento en la proporción de Gasolinas Livianas en el TVR de

las Gasolinas Terminadas.


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3. MATERIA PRIMA Y MERCADO

3.1. Proyección de producción de Crudo.

De Acuerdo al Plan Estratégico de YPFB se tiene prevista la siguiente producción de crudo para el período 2010-2026:

Gráfica 3.2, CRUDO NACIONAL Demanda vs. Oferta

Con el desarrollo de los campos productores existentes, para el año 2013 se espera alcanzar una producción de 65.659 BPD de Crudo Nacional (Condensado+Gasolina Natural+Petróleo) que serán procesados en las refinerías existentes de donde se obtendrá la suficiente Nafta Liviana (LSR) para la operación a Carga Plena de las unidades de Isomerización. En la medida en que los prospectos exploratorios sean satisfactorios, y se logre incrementar sustancialmente los volúmenes de Crudo (Condensado+Gasolina Natural+Petróleo), se deberá encarar un proyecto de mayor envergadura a fin de procesar estos nuevos volúmenes en el territorio nacional.

87,91193,124 96,865

102,340110,355

117,334125,481

134,330143,152

152,191162,085

172,955184,526

197,556

211,487

226,121

241,660

258,207

47,570 49,05155,588

62,922 65,69472,332 72,762 72,508 72,426 73,297

66,296 67,951 71,642 73,399

50,72139,757 36,101

72,673

0

50,000

100,000

150,000

200,000

250,000

300,000

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026

bb

l/d

Producción Condensado Producción Gasolina Producción Petroleo

Demanda crudo Oferta de crudo sin prospectos Oferta de crudo con prospectos


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3.2. Estudio de Mercado

Se cuenta con un estudio de mercado de Gasolinas Terminadas en el país elaborado por la Gerencia Comercial de YPFB Refinación S.A. del cual en resumen se obtiene lo siguiente:

Tabla 3.1 Ventas Históricas de Gasolinas

Año Mercado de Gasolinas (Lts/año)

Mercado de Gasolinas (BPD)

2000 583.609.171 10.056 2001 545.971.951 9.408 2002 540.108.271 9.307 2003 537.829.298 9.267 2004 557.349.342 9.604 2005 546.029.859 9.409 2006 601.305.571 10.361 2007 676.797.707 11.662 2008 826.499.142 14.240

El mencionado estudio revela que hubo un incremento sustancial de la demanda de Gasolinas Terminadas en el año 2008, superior al pronosticado en estudios anteriores que se estimaban en:

Mercado pronosticado para el 2008: 732.449.969 Lts/año (12.620 BPD)

En función a los datos históricos 2000 – 2007 y a lo pronosticado para el 2008, la Gerencia Comercial realizó las siguientes proyecciones de mercado para los próximos 5 años:

Tabla 3.2 Mercado Proyectado de Gasolinas

Año Mercado de Gasolinas (Lts/año) *

Mercado de Gasolinas (BPD)*

2009 776.282.292 13.376 2010 889.454.021 15.326 2011 1.011.633.900 17.431 2012 1.156.928.647 19.935 2013 1.319.295.780 22.733

3.3. Capacidad Utilizada

Para atender la demanda de Gasolinas del 2008, de manera general y en función de las capacidades instaladas, en promedio con las dos refinerías de YPFB Refinación S.A. se obtuvieron los resultados detallados en Tabla 3.3. Durante la Gestión 2008, en la refinería de Cochabamba, en promedio, la Gasolina Especial, estuvo constituida por 35% de Nafta Liviana (LSR) y 65 % de Gasolina Reformada. En la Refinería


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de Santa Cruz, en promedio, la Gasolina Especial, estuvo constituida por 30% de LSR y 70 % de Gasolina Reformada. En ambas Refinerías, la totalidad de la Gasolina Reformada es utilizada para la elaboración de Gasolinas Terminadas.

Tabla 3.3 Capacidades utilizadas y producción en el 2008 (Promedio) Descripción RCBA RSCZ Total

Capacidad media de operación durante el 2008; BPD 25.240 18.319 43.559 Rendimiento en LSR (21,3% RCBA; 29,7% RSCZ del crudo); BPD 5.376 5.441 10.817 Rendimiento en MSR (29,2% RCBA 21,9% RSCZ del crudo); BPD 7.370 4.012 11.382 Gasolina Reformada (80% de la MSR); BPD 5.896 3.209 9.106 LSR (Representa el 35% en RCBA y 30% en RSCZ de la Gasolina Especial); BPD

3.175 1.375 4.550

Volumen de Gasolina Especial; BPD 9.071 4.585 13.656

La Tabla 3.3 muestra como fue satisfecha la demanda de gasolina del 2008. Cabe señalar que ello fue posible debido principalmente a que las entregas de Petróleo Crudo a YPFB Refinacion S.A. fueron suficientes y estables durante este periodo. En promedio, en RCBA se procesó 25.240 BPD y en RSCZ se procesó 18.319 BPD. Tomando como punto de partida el volumen procesado durante el 2008, de acuerdo a los porcentajes de rendimiento obtenidos en RCBA durante el 2008 (21.3 % LSR y 29.2% MSR), hubiese sido posible producir lo detallado en Tabla 3.4 (sin Isomerización)

Tabla 3.4.- Gasolina Probable en 2008

Descripción RCBA RSCZ Total Capacidad media de operación durante el 2008; BPD 25.240 18.319 43.559 Rendimiento en LSR (21,3%); BPD 5.376 3.902 9.278 Rendimiento en MSR (29,2%; BPD 7.370 5.349 12.719 Gasolina Reformada (80% de la MSR); BPD 5.896 4.279 10.175 LSR (Representa el 35% de la Gasolina Especial); BPD 3.175 2.304 5.479 Volumen de Gasolina Especial; BPD 9.071 6.584 15.654

Adicionalmente, y en el supuesto caso de contar con unidades de Isomerización en ambas refinerías (Isomerizando LSR), hubiese sido posible producir lo detallado en Tabla 3.5

Tabla 3.5.- Gasolina Probable en 2008 (con Isomerización) Descripción RCBA RSCZ Total

Capacidad media de operación durante el 2008; BPD 25.240 18.319 43.559 LSR; 21,3% del crudo (carga para Isomerización); BPD 5.376 3.902 9.278 MSR; 29,2% del crudo (carga para Reformación); BPD 7.370 5.349 12.719 Gasolina Isomerizada (rendimiento de 90% de LSR); BPD 4.839 3.512 8.350 Gasolina Reformada (rendimiento de 80% de MSR); BPD 5.896 4.279 10.175 Gasolina Especial (Reformada + Isomerizada); BPD 10.735 7.791 18.526


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Lamentablemente, a partir del 2009, se tiene una disminución de la demanda de Gas Natural del principal cliente como es el Brasil y por ende, menor producción de Petróleo Crudo asociado. En promedio, entre Enero a Septiembre del 2009, en RCBA se procesaron 25.000 BPD, pero únicamente 12.000 BPD en RSCZ, (Total 37.000 BPD) volumen que es insuficiente para atender el Mercado de Gasolinas Terminadas para el 2009. De acuerdo al “Plan estratégico de YPFB” realizado en la presente gestión, se debe trabajar para alcanzar los volúmenes detallados en la Grafica 3.1.

Grafica 3.1.- GASOLINA Demanda vs. Oferta (Plan Estratégico YPFB)

Para el 2013, asumiendo que se pueda contar con Petróleo Crudo suficiente como para operar las cuatro Unidades de Crudo (UDC), con capacidades proyectadas instaladas de 32.000 BPD y 10.000 BPD en RCBA y de 18.000 BPD (Capacidad operativa de 19.000 BPD) y 6000 BPD en RSCZ, tomando en cuenta las capacidades de las Unidades de Reformación existentes y nuevas Unidades de Isomerización con capacidad para procesar toda la Nafta Liviana (LSR) producida en cada refinería, se podrán producir 24.474 BPD de Gasolinas Terminadas de alto Octanaje (Reformada RON 90 + Isomerizada RON 87), a la que se podrá añadir parte de Nafta MSR excedente para obtener mayor volumen de Gasolina con RON 85. Ver Tabla 3.6 Para comparar con la Tabla 3.6, si no se instalan unidades de Isomerización hasta el año 2013, se obtendría Gasolina en los volúmenes detallados en la Tabla 3.7.

20,04121,204

22,497

29,50325,914

28,42930,653 30,879 30,182 30,922

16,74915,209

17,76118,925

48,140

44,840

24,02525,719

27,545

15,356 16,587

31,60533,822

36,27038,920

41,773

17,210 18,114

21,368

30,547 30,512

15,16116,512

30,616

27,929 28,627

0

10,000

20,000

30,000

40,000

50,000

60,000

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026

BB

l/dia

Demanda Gasolina Especial Oferta gasolina s/prospectos

Unidad de Isomerización

(2013)


(2013)


(2013)


(2013)

2009 2015 2020 2026

Demanda Gasolina (bpd) 15,356 22,497 31,605 48,140

Oferta Gasolina (bpd) 15,161 30,653 27,929 15,209

Déficit de gasolina (bpd) 195 -8,157 3,675 32,932

% deficit sobre demanda 1% -36% 12% 68%Periodo de análisis


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Tabla 3.6.- Capacidades Proyectadas para el año 2013 (con isomerización) Descripción RCBA RSCZ Total

Capacidad Nominal de UDC; BPD 42.000 25.000 67.000 LSR; 21,3% del crudo (carga para Isomerización); BPD 8.946 5.325 14.271 MSR; 29,2% del crudo (carga para Reformación); BPD 12.264 7.300 19.564 Capacidad Nominal propuesta Unidades de Isomerización; BPD 8.946 5.325 14.271 Capacidad Nominal Instalada Unidades de Reformación; BPD 8.137 6.400 14.537 Gasolina Isomerizada (rendimiento de 90% de LSR); BPD 8.051 4.793 12.844 Gasolina Reformada (rendimiento de 80% de MSR); BPD 6.510 5.120 11.630 Excedentes LSR; BPD 0 0 0 Excedentes MSR; BPD 4.127 900 5.027 Gasolina Especial (Isomerizada + Reformada); BPD 14.561 9.913 24.474

Tabla 3.7.- Capacidades Proyectadas para el año 2013 (sin isomerización) Descripción RCBA RSCZ Total

Capacidad Nominal de UDC; BPD 42.000 25.000 67.000 LSR; 21,3% del crudo (carga para Isomerización); BPD 8.946 5.325 14.271 MSR; 29,2% del crudo (carga para Reformación); BPD 12.264 7.300 19.564 Capacidad Nominal Instalada Unidades de Reformación; BPD 8.137 6.400 14.537 LSR en Gasolina Especial (35%); BPD 3.505 2.757 6.262 Gasolina Reformada (rendimiento de 80% de MSR); BPD 6.510 5.120 11.630 Excedentes LSR; BPD 5.441 2.568 8.009 Excedentes MSR; BPD 4.127 900 5.027 Gasolina Especial (LSR + Reformada); BPD 10.015 7.877 17.892

La diferencia en los volúmenes Totales (24.474 – 17.892 = 6.582 BPD) corresponden al incremento de la oferta de Gasolina debido a las unidades de Isomerización. Es importante señalar que bajo las estimaciones mostradas en Tabla 3.6, se tendrán excedentes de MSR. En el caso de RSCZ, el volumen de MSR será bajo (900 BPD) razón por lo que se podrá incorporarla en la Gasolina Especial, de igual manera, es muy probable que un volumen cercano a 1.000 BPD de excedente de MSR de RCBA pueda incorporarse en la Gasolina Especial, con ello se podrá alcanzar una producción aproximada de 26.500 BPD. Para la incorporación de los excedentes de MSR en la Gasolina Especial en ambas refinerías, es importante que la Gasolina Isomerizada alcance un Octanaje tal que compense la incorporación de los excedentes MSR de bajos Octanajes.


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4. CAPACIDAD, OCTANAJE Y TVR Para delimitar las capacidades de las Unidades de Isomerización y estimar los volúmenes de Nafta Liviana LSR “disponibles” se asume inicialmente dos escenarios (2008 y 2013) en los cuales las características del Petróleo Crudo procesado (Bolivian Blend) se mantendrán estable en el rango de 58 a 61 °API con lo que las proporciones en rendimientos de ambas Naftas (LSR y MSR) permanecerán inalterables y similares a las actuales. 4.1 Capacidad Mínima (2008) Para estimar la capacidad mínima de las unidades de Isomerización requeridas en ambas Refinerías, se toma como base la producción de Nafta Liviana (LSR) del 2008 cuyo detalle se muestra en tabla 4.1. Es importante señalar, que la totalidad de LSR producida, será utilizada como carga para la unidad de Isomerización.

Tabla 4.1 Nafta Liviana (LSR) producida en 2008 en Refinerías (Promedio)

Descripción RCBA RSCZ Total LSR Total Producida; BPD 5.370 5.441 10.811 LSR en Gasolina Especial; BPD 3.203 1.309 4.512 LSR remanente para RECON y Separador de GLP; BPD 2.134 4.132 6.266

4.2 Capacidad Máxima (2013) Para estimar la capacidad máxima de procesamiento necesaria de la Unidad de Isomerización en ambas Refinerías para el año 2013, se asumirá que las Unidades de Crudo (UDC) existentes operan a capacidad máxima, para lo cual se asume la adecuación de la UDC 12500 BPD para operar con 10.000 BPD y el REVAMP de la UDC de 27.250 BPD a 32.000 BPD en RCBA, también la Adecuación del área A-300 para 6.000 BPD y el REVAMP del área A-301 para 19.000 BPD de capacidad en RSCZ. Adicionalmente, es importante señalar que los rendimientos volumétricos tanto de LSR como de MSR tenderán a los que se obtuvo en RCBA durante el 2008 (promedio). Por lo detallado anteriormente:

Tabla 4.2 Capacidad Máxima Instalada en Refinerías (para el año 2013)

Descripción RCBA RSCZ Total Capacidad de Procesamiento de UDC; BPD 42.000 25.000 67.000 LSR; 21,3% del crudo (carga para Isomerización); BPD 8.946 5.325 14.271 MSR; 29,2% del crudo (carga para Reformación); BPD 12.264 7.300 19.564


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4.3. Octanaje y TVR del Isomerizado

En la actualidad, según especificaciones, el octanaje mínimo permisible para Gasolina Especial es RON 85 y el TVR máximo en verano es de 9.5 psig. Sin embargo, a futuro es muy probable que las especificaciones para Gasolina Especial exijan un octanaje mínimo de RON 90 y un TVR máximo de 10.5 psig. Las actuales unidades de Reformación Catalítica están diseñadas para obtener Gasolinas Reformadas de RON 90 a 95 y TRV de 6.5 Psig, operación que a futuro espera continuarse de igual manera.

4.3.1. Primera estimación de Capacidades de las Unidades de Isomerización

La mezcla de Gasolina Isomerizada (RON 90 y TVR 14.5 psig), con Gasolina Reformada (RON 90 y TRV 6.5 psig) permitirá obtener una Gasolina Especial (RON 90 y TVR 10.5 psig) razón por lo que la proporción de Gasolina Isomerizada en la Gasolina Especial no debe sobrepasar el 50% en volumen. Por lo descrito, de acuerdo a Tabla 3.6 y asumiendo un rendimiento de 90% vol., las capacidades máximas de las unidades de Isomerización en cada refinería deberían ser de:

- Capacidad Unidad de isomerización RCBA; 6510 BPD/0.90 = 7233 BPD - Capacidad Unidad de isomerización RSCZ; 5120 BPD/0.90 = 5689 BPD

En otras palabras: las capacidades de las unidades de isomerización deben ser tales que permitan producir los mismos volúmenes que se producen con las unidades de Reformación Catalítica.

4.3.2. Estimación de Capacidades mediante PIMS

Para establecer las capacidades de las dos unidades de isomerización se realizó corridas en el software PIMS (Aspentech) bajo las siguientes premisas:

- Obtención de Gasolina Especial: RON 90; TVR 10.5 psig Operación de las 4 unidades de Crudo con las capacidades siguientes: RSCZ: UDC A-300; con 6.000 BPD RSCZ: UDC A-301; con 18.000 BPD; Total RSCZ 24.000 BPD RCBA: UDC 27.250; con 32.000 BPD RCBA: UDC 12.500; con 10.000 BPD; Total RCBA 42.000 BPD Capacidad Total INSTALADA YPFBR (2013) 66.000 BPD Con unidades de isomerización donde el 100 % de la carga será LSR se obtendrán los siguientes Rendimientos: - Isopentano: 20% vol.; RON de 85 a 90 TVR=20 Psig - Isomerizado: 66.67%vol.; RON 87 TVR=14 Psig - Livianos (Off Gas): 13.33% vol.


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El PIMS arrojó los siguientes Resultados:

- Capacidad Unidad de Isomerización RCBA: 8.400 BPD - Capacidad Unidad de Isomerización RSCZ: 5.700 BPD

Nota: Se hacer notar que el PIMS toma en cuenta las variaciones de rendimiento del crudo en LSR por cada campo de producción (Calidad del Crudo).


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5 CARACTERISTICAS DE LAS CORRIENTES INVOLUCRADAS Para el proceso de ISOMERIZACIÓN, como mínimo, se requieren dos corrientes de alimentación:

- Corriente Rica en Hidrocarburos Livianos C5/C6 (Nafta Liviana - LSR) - Corriente de Hidrógeno (H2).

Dependiendo de la tecnología de proceso de Isomerización elegida, como efluentes del proceso de isomerización, se obtendrán las siguientes corrientes:

- Isomerizado (Principal producto de Isomerización) - Hidrocarburos Livianos (C1, C2, C3 y C4) - Hidrógeno para reciclo (H2) - Iso-pentanos (Separados de la corriente de carga)

Fig. 5.1 Esquema básico del proceso de Isomerización


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5.1 Corriente Rica en Hidrocarburos Livianos C5/C6

La corriente con alto contenido de Pentanos y Hexanos C5/C6 parafínicos (tanto de cadena lineal como ramificada) es la Nafta Liviana (LSR) cuya composición, propiedades, etc., se detallan en tablas siguientes.

Tabla 5.1 Composición de la Gasolina Liviana (LSR) de RSCZ

REFINERIA GUILLERMO ELDER BELL INFORME DE ANALISIS LSR

FECHA MUESTREO: 01/03/2007 07/12/2007 28/02/2008 Compuesto Grupo %Vol %Peso %Vol %Peso %Vol %Peso

iso butano parafina 0,287 0,246 0,237 0,203 0,307 0,263

normal butano parafina 3,856 3,428 3,335 2,969 3,974 3,528

2,2 dimetil propano parafina 0,234 0,214 0,176 0,158 0,236 0,212

iso pentano parafina 19,821 18,830 20,135 19,156 19,779 18,770

normal pentano parafina 21,092 20,088 22,377 21,343 20,667 19,663

2,2 Dimetil Butano parafina 1,285 1,269 1,319 1,304 1,333 1,315

ciclo pentano nafteno 0,757 0,858 0,851 0,966 0,904 1,023

2,3 dimetil butano parafina 2,285 2,302 2,200 2,219 2,297 2,311

2 metil pentano parafina 9,782 9,718 9,685 9,636 9,654 9,581

3 metil pentano parafina 6,064 6,126 5,892 5,960 5,952 6,007

normal hexano parafina 15,074 15,113 14,413 14,472 14,321 14,344

metil ciclo pentano nafteno 2,555 2,911 2,464 2,811 2,860 3,256

benceno aromatico 0,290 0,615 0,187 0,398 0,207 0,439

ciclo hexano nafteno 1,759 2,095 1,813 2,164 2,082 2,477

Heptanos (C7) PN 12,540 13,423 12,368 13,271 12,810 13,747

Octanos (C8) PNA 2,259 2,693 2,510 2,919 2,548 2,976

Nonanos (C9) parafina 0,026 0,029 0,000 0,000 0,011 0,012

Xilenos aromatico 0,033 0,043 0,038 0,050 0,058 0,076

TOTAL 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000 100,000

Es importante señalar que la composición detallada en tabla 5.1, después de ejecutado el proyecto de REVAMP UDC RSCZ (Fase II) previsto para la gestión 2010 será modificada ya que el Punto Final de destilación de la Nafta Liviana (LSR) cambiará del valor actual de 180°F a 155°F lo que implicará que el porcentaje de los Heptanos y superiores será más bajo (actualmente los Heptanos y Superiores representan alrededor de un 15% de la LSR) y por consiguiente la Nafta LSR concentrará mayores porcentajes de Pentanos y Hexanos (C5/C6) lo cual es óptimo como corriente de alimentación al proceso de Isomerización de Naftas Livianas. Los Heptanos y superiores separados de la LSR serán incorporados a la MSR.


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Tabla 5.2 Propiedades Físicas de la Nafta Liviana (LSR) (año 2008)

REFINERIA GUILLERMO ELDER BELL

LABORATORIO DE ENSAYO INFORME DE ANALISIS

PRODUCTO CSN SCZ 5322/08 PROCEDENCIA A-301 SOLICITANTE GE-PRO FECHA Santa Cruz, 14 de Noviembre del 2008

PRUEBA METODO ASTM UNIDAD RESULTADOS

Grav. Específica D-1298 0,6566 TVR D-323 12,8 Destilación Engler a (760 mmHg) D-86 Pto. Inicial. °F 86

5% vol. °F 106 10% vol. °F 109 20% vol. °F 114 30% vol. °F 118 40% vol. °F 123 50% vol. °F 129 60% vol. °F 136 70% vol. °F 146 80% vol. °F 159 90% vol. °F 179 95% vol. °F 197

Punto final °F 207 Recuperado 97,0

Pérdida 2,5 Residuo 0,5

Cont. Aromáticos D-1319 0,70 Cont. Olefinas D-1319 0,00 Cont. Benceno D-5134 0,28 Cont. Ciclo Hexano 1,60

Para atender el mercado creciente de Gasolinas Terminadas tal como se mencionó anteriormente, a mediados de diciembre de 2008 se modificó el Punto Inicial de destilación (ASTM-D-86) de la Nafta Media MSR que pasó de 210°F a 180°F, lo que incrementó su volumen de producción en desmedro de la LSR que bajó su producción. En tabla 5.3 se pueden observar algunas de estas variaciones en la Nafta Liviana (LSR).


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Tabla 5.3 Modificaciones recientes de Propiedades Físicas de la Nafta LSR

INFORME DE ANALISIS

Refinería Guillermo Elder Bell

Pruducto: Gasolina Liviana

Gasolina Liviana

Gasolina Liviana

Gasolina Liviana

Procedencia: Tk-2907 Tk-2907 Tk-2910 Tk-2910 Punto de Muestreo: M. Corrida M. Corrida M. Corrida M. Corrida Fecha de Muestreo: 20-01-2009 21-01-2009 25-01-2009 26-01-2009

Solicitante: LOGISTICA LOGISTICA LOGISTICA LOGISTICA

Nro: GL-0296/09 GL-0304/09 GL-0353/09 GL-0373/09

PRUEBA ASTM Unid. Especif. Resultados Resultados Resultados Resultados

Grav.Específica D-1298 0,7 Max. 0,6675 0,6681 0,6625 0,6542

TVR D-323 psig 12 Máx. 11,1 10,8 11,6 11,6 Agua y Sedimentos D-1796 %Vol. 0,1 Máx. TRAZAS TRAZAS TRAZAS TRAZAS

Gomas Existentes D-381 mg/100ml TRAZAS 0,0 0,0 0,0 0,0

Resíduos D-86 %Vol. TRAZAS TRAZAS TRAZAS TRAZAS TRAZAS

API Corregido 80,5 80,3 82,1 84,8

5.2 Corriente de Hidrogeno (H2)

En forma general, si bien, estequiométricamente, las reacciones de Isomerización no requieren de Hidrógeno, todas las tecnologías propuestas para la isomerización de Naftas Livianas fueron desarrolladas para llevarse a cabo en presencia de H2, que si bien toma parte en la reacción, no existe un consumo efectivo por la reacción de isomerización. (Ver 6.1.1 Reacciones de Isomerización) Adicionalmente, la presencia de Hidrógeno es importante ya que previene el craqueo térmico, favoreciendo las reacciones de Hidrocraqueo, hidrodeciclación y Saturación de Benceno que sí conllevan un consumo de Hidrógeno en pequeñas cantidades (Ver 6.1.2), razón por lo que para su re-utilización continua en el proceso de isomerización, será necesaria una reposición.

Para el presente proceso de Isomerización, en la RSCZ, como carga inicial y como reposición, se propone utilizar la corriente gaseosa del acumulador D-1206 con alto contenido de Hidrógeno, el mismo que es producido en las unidades de Reformación Catalítica, cuya composición típica y propiedades se detallan en Tabla 5.4. Después de la puesta en marcha de la Unidad de Isomerización, ésta, en un alto porcentaje se auto-abastecerá con el Hidrógeno de Reciclo (Efluente de Isomerización), pero será necesaria una reposición continua mínima (Make Up).

Dependiendo de la tecnología elegida, serán definidas las especificaciones mínimas y volúmenes requeridos de H2 para el proceso de isomerización.


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Tabla 5.4 Propiedades y Composición de la Corriente de Hidrógeno H2 (año 2008)

REFINERIA GUILLERMO ELDER BELL INFORME DE ANALISIS

MUESTRA: GAS D-1306 GAS D-1201 GAS D-1206 GAS D-1206 FECHA MUESTREO: 23/04/2008 06/09/2008 06/09/2008 07/09/2008

Propiedad Unidades Resultado Resultado Resultado Resultado Grav. Específica 0,243 0,188 0,243 0,328 Poder Calorífico Superior BTU/PCS 583 476 583 693 Poder Calorífico Inferior BTU/PCS 515 416 515 617 Punto de Rocio Hidrocarburo °C 20 -18 Punto de Rocio del Agua °C -28 -28 Contenido Vapor de Agua ppm 24 38

Presión PSI 216 216 192

Componentes Unidades Resultado Resultado Resultado Resultado H2 % mol 85,681 87,575 85,348 80,196 O2 % mol 0,000 0,000 0,000 0,000 N2 % mol 0,000 1,437 3,138 1,176 CO2 % mol 0,006 0,000 0,000 0,000 C1 % mol 3,872 4,052 4,110 3,327 C2 % mol 4,044 3,890 3,722 5,395 C3 % mol 3,550 2,558 2,404 5,272 IC4 % mol 0,771 0,000 0,438 1,262 NC4 % mol 0,910 0,334 0,499 1,535 IC5 % mol 0,412 0,026 0,150 0,635 NC5 % mol 0,200 0,000 0,065 0,346 C6+ % mol 0,554 0,128 0,126 0,856 Total % mol 100,000 100,000 100,000 100,000

5.3 Isomerizado

Es el principal producto de reacción y objetivo del proceso de Isomerización. Constituido por alto porcentaje de Iso-pentano (i-C5) e isómeros de Hexano (2-2 DMB, 2-3 DMB, 2 MP y 3 MP) además de n-Pentanos y n-Hexanos (n-C5 y n-C6 remanentes) que no fueron isomerizados.

5.4 Hidrocarburos Livianos

Son los hidrocarburos livianos tales como Metano, Etano, Propano y Butanos (C1, C2, C3 y C4) que en pequeños porcentajes son introducidos junto con la corriente de Hidrógeno a los cuales se incorporarán los producidos como resultado de las reacciones de Hidrocraqueo que también tiene lugar en el reactor de isomerización inevitablemente. Después del proceso de isomerización, estos Hidrocarburos deberán separarse de la corriente Isomerizada en una torre estabilizadora.


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5.5 Hidrogeno para Reciclo

El hidrógeno que no fue consumido en el proceso de isomerización será separado y dependiendo del proceso elegido, re-utilizado como carga para este mismo proceso. En un alto porcentaje, esta unidad puede ser auto-suficiente en hidrógeno, pero será necesaria una reposición continua mínima por lo que se echará mano del hidrógeno producido en las unidades de Reformación Catalítica.

5.6 Iso-pentanos

Debido al porcentaje de iso-pentanos presentes en la LSR, (cercano al 20% vol) y con el propósito de que en el proceso de isomerización se lleve a cabo la mayor conversión en isómeros, se sugiere separar al iso-pentano (i-C5) de la corriente LSR de carga. Esto puede ser realizado mediante una torre Splitter de donde por Cabeza se obtendrá una corriente rica en iso-pentanos (i-C5) de alto Octanaje (RON>90) que no formarán parte de la corriente de alimentación al proceso de Isomerización.


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6 EQUILIBRIO QUIMICO

6.1 Reacciones Involucradas.- Además de las reacciones de Isomerización propiamente, se llevan a cabo reacciones tales como Hidrocraqueo, Hidrodeciclación, Saturación, etc.

6.1.1 Reacciones de Isomerización (con indicación de RON)

6.1.2 Reacciones de Hydrocraking

6.1.3 Reacciones de Hydrodeciclación

6.1.3 Saturación de Benceno


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6.2 Equilibrio de Reacción Para un análisis simplificado del equilibrio de los componentes respecto a la temperatura de reacción, se muestran los Gráficos 6.1 y 6.2:

6.2.1 Equilibrio de Reacción n-Pentano / Isopentano (n-C5/i-C5).- Representada por el Gráfico 6.1 donde se muestra el equilibrio Bi-componente en concentración molar % de iC5 vs. nC5 En el Gráfico 6.1, la línea inclinada (Anaranjada) representa la concentración molar de i-C5 en el equilibrio para un rango de temperatura de reacción de 0°C a 300°C. Cualquiera sea el catalizador, no se puede alcanzar mayor concentración que la del equilibrio. Además, ésta línea permite aseverar que la concentración de iC5 será favorecida cuando las reacciones se lleven a cabo a bajas temperaturas.

También se puede observar que para la temperatura de reacción de 150°C con el Catalizador de Alúmina Clorada (Línea Celeste), en el equilibrio se puede alcanzar una concentración molar de 80% de i-C5 (20% n-C5) mientras que para una temperatura de 250°C con el catalizador de Zeolítico (línea rosada) en el equilibrio se puede alcanzar una concentración molar de i-C5 de 75% únicamente (25% de n-C5), aspecto que corrobora lo detallado en párrafo anterior. Gráfico 6.1 Equilibrio de Reacción de n-pentano/iso-pentano


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6.2.2 Equilibrio de Reacción Hexano / Isomeros de hexano parafínicos (nC6/i-C6) Representada por el Gráfico 6.2 donde cabe resaltar que para cada temperatura de reacción (Temperatura °C), la sumatoria de las composiciones molares % individuales es igual al 100%. Para una mejor comprensión del mismo separamos en tres grupos:

a) Conformado por normal Hexano, 2 metil Pentano y 3 metil Pentano (n-C6, 2-MP y 3-MP) son los hexanos de menor RON y cuyo comportamiento en concentración es proporcional a la temperatura de reacción razón por lo que en la isomerización, el objetivo será bajar la concentración de estos componentes, especialmente del n-Hexano. b) 2.3 DMB.- (2.3 Dimetil Butano) es el isómero de hexano de mayor RON, sin embargo si su concentración en la alimentación es cercana al 10% no reaccionará, pero si su concentración en la alimentación es muy baja (mucho menor a 10%) como en nuestro caso (2.3% vol), en el reactor se puede alcanzar hasta una concentración cercana al 10% vol. lo cual incide favorablemente en el RON del isomerizado (línea prácticamente horizontal en 10%) c) 2.2 DMB.- (2.2 Dimetil Butano) es el isómero de hexano de alto RON. Es el más sensible a la temperatura de reacción razón por lo que en la isomerización, el objetivo será su obtención en mayor proporción posible. Su concentración en el equilibrio es inversamente proporcional a la temperatura de reacción. Gráfico 6.2 Equilibrio de Reacción de Hexano /isómeros de Hexano parafínicos


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6.3 Cinética de la Reacción

La Cinética de Reacción es la expresión matemática de todas las reacciones que se llevan acabo en la isomerización de LSR en función a las variables de proceso tales como Temperatura, Presión, Concentración de los hidrocarburos, Concentración de H2, etc., para cada catalizador (Expresiones matemáticas específicas para cada catalizador desarrolladas y protegidas por cada Tecnólogo) donde se detallan las diferentes etapas de reacción involucradas con sus respectivas constantes de reacción, compuestos intermedios (Iones carbonio) formados entre los componentes y los centros activos del Catalizador donde se llevan a cabo las diferentes etapas de cada reacción.


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7 CATALIZADORES Y PROCESOS DE ISOMERIZACIÓN DESARROLLADOS

7.1 Axens (IFP Group Technologies)

7.1.1 Catalizadores de Isomerización (Axens IFP)

Zeolita (IP 632) o Alúmina Clorada (IS 614A).- Axens (IFP) ofrece ambos, la elección es entre la robustez de la Zeolita y la alta actividad de base Alúmina Clorada. El Catalizador IS 614-A opera a bajas temperaturas y produce una alta ganancia en Octanaje, pero muestra mayor sensibilidad a las cargas con impurezas de sulfuros y oxigenados que la Zeolita IP 632. El catalizador más recientemente fabricado es el ATIS 2L de Pt en Alúmina Clorada.

7.1.2 Procesos de Isomerización (Axens IFP)

Desde el “Un Paso” (ONCE-THROUGH) hasta los procesos avanzados de Isomerización con Reciclo, Axens ofrece una completa línea de soluciones en isomerización que van hasta altísimas especificaciones de Gasolinas incrementando el octanaje de los cortes de naftas C5/C6 hasta 92. El producto isomerizado es libre de sulfuros, aromáticos y olefinas formando un componente excelente para la formulación de Gasolinas Terminadas.

La elección del proceso depende de criterios tales como Composición de la carga, y Octanaje requerido.

7.1.2.1 Once through C5/C6 ISOM.- (menor costo de inversión) El menor costo, para ganancias moderadas en octanaje de cortes de C5/C6, pueden proveer en algunos casos un suficiente octanaje de gasolina. Típicamente, el octanaje para cortes de C5/C6 con relación de 40/60 puede alcanzar un incremento de RON de 70 a 83 después del proceso de isomerización utilizando un catalizador de Alúmina Clorada.


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Axens emplea un diseño de reactores permutables; esto es que ambos reactores pueden ser usados en posición de carga o descarga u operados independientemente durante la descarga del catalizador. Esto permite un largo y continuo servicio. 7.1.2.2 Octane Enhancement with De-isopentanizer (DIP) or De-isohexanizer (DIH).- (Incremento de Octanaje con Deisopentanizadora (DIP) o Deisohexanizadora (DIH) El máximo Número de Octano que se puede obtener en el sistema “once-through” está limitado por el equilibrio termodinámico de la mezcla C5/C6. La destilación es un procedimiento de separación de isómeros para alcanzar un incremento de octanaje evitando que los isomeros ingresen al reactor (DIP) o reciclando normal parafinas (DIH). Sin embargo ambos procedimientos, aun dejan normal-parafinas en el producto.

7.1.2.3 Advanced Recycle: IPSORB.- Ipsorb es el proceso más económico disponible para convertir todas las n-parafinas en sus iso-parafinas. Unidad de lecho molecular, adsorve la fase vapor de las n-parafinas para reciclo al reactor donde son convertidos en iso-parafinas.


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7.1.2.4 Ultimate Octane: HEXSORB.- El proceso Hexorb, también adsorve completamente y convierte todas las normal parafinas en sus isómeros. La diferencia adicional es que los metíl pentanos (octanaje 74) son también convertidos para obtener el mayor octanaje posible (por encima de 92) para la carga de C5/C6.

7.2 UOP (United Oilfield Products) Para Isomerización de parafinas, UOP ofrece una variedad de opciones de procesos de acuerdo a las necesidades específicas. La selección del esquema de proceso, depende del octanaje del producto requerido, de la composición de la carga de alimentación, del capital disponible. Las reacciones de isomerización están limitadas por el equilibrio termodinámico, consecuentemente el octanaje de los efluentes del reactor dependen de las condiciones de operación y la composición de la carga. Figuras en los incisos 3.1.1 y 3.1.2 muestran la composición en el equilibrio de parafinas C5 y C6.

7.2.1 Catalizadores de Isomerización (UOP)

Para promover las reacciones de C5 - C6 parafinas de bajo octanaje a sus isómeros de alto octanaje, se requiere de catalizadores altamente selectivos. Para Isomerización de Gasolinas Livianas, existen tres diferentes sistemas de Catalizadores. La temperatura de operación requerida limita el octanaje alcanzable para cada catalizador para “once-through Hidrocarbon Process Flow”. Presiones de operación en el rango de 250 a 500 Psig. Tipo de Catalizador Nombre Rango de Temperatura Cloro promovidos Con Platino

I-8, I-80 I-82; I-84

200 - 400 °F; (93 - 204 °C)

Óxidos Metálicos (Alúmina) LPI-100 350 – 425 °F (177 - 218 °C) Zeolíticos HS-10 500 – 550 °F (260 - 288°C)


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Los catalizadores I-8 e I-80 son clasificados como amorfos. Corrientemente, los catalizadores Bi-funcionales son los más activos para isomerización de parafinas en uso comercial. Por la alta actividad de los catalizadores Tipo “Lewis Acid”, estos son capaces de operar en el rango de temperatura de 200 a 400 °F. Estos catalizadores son capaces de producir el más alto octanaje en un solo paso porque a baja temperatura es favorecido el equilibrio con los isómeros de alto octanaje. En un solo paso son esperados octanajes en el rango de RON 82 a 84. Con esquemas de flujo con reciclo de hidrocarburos es posible obtener Octanajes RON de 93. 7.2.1.1 Catalizador PI-242.- (UOP-2004) En operación comercial se ha demostrado que el catalizador PI-242 es el de mayor actividad de los catalizadores no clorados. Este catalizador es tolerante al agua, regenerable y no requiere cloro orgánico como dosificación o lavado cáustico de la carga. Esos beneficios hacen que sea la base ideal para un bajo costo de isomerización (25% menor que las unidades con reciclo de hidrocarburo). El proceso Par-Isom/DIH con el PI-242 alcanza un producto de RON similar a las unidades que utilizan Cloro-Alumina como catalizador.

7.2.2 Procesos de Isomerización (UOP)

7.2.2.1 C5/C6 Isomerization Process flow.- (Penex) Es el proceso de isomerización utilizado para producir el más alto incremento de octanaje en un esquema de un solo paso. La figura siguiente muestra un esquema de flujo para un solo paso de Hidrogeno (HOT- Hydrogen-Once Through) del proceso Penex. Las características del proceso Penex son:

- No requiere Horno o sistema de reciclo de gas. - Requiere Secadores, inyección de cloro y limpieza cáustica.

Beneficios.- El proceso Penex está especialmente diseñado para la isomerización catalítica continua de Naftas Livianas. Algunos beneficios de esta tecnología son:

- Incremento de RON y MON


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- Alta producción de isomerizado - Producto con bajo contenido de Azufre, Olefinas y Benceno para

Blending de gasolinas. - Flexibilidad de configuraciones de reciclo para optimo diseño. - Flexible para amplios rangos de capacidad de proceso. - Baja Inversión y costos en general debido a que no necesita Horno o

compresor de reciclo. - Altamente Eficiente

El Proceso Penex en un proceso de lecho fijo que utiliza catalizador Clorado de alta actividad para isomerización de parafinas C5/C6 y para alcanzar un mayor octanaje de estos componentes. Las condiciones de reacción promueven la reacción de isomerización minimizando las reacciones de hidrocraqueo. UOP preferentemente ofrece el catalizador I-8 Plus y el I-82. Estos catalizadores en la actualidad representan la mayor actividad y más larga vida en el mercado. Para cargas típicas de C5/C6, el Equilibrio limita el octanaje del producto hasta RON de 83 a 86 tomando como base a un solo paso del hidrocarburo. Para mayores octanajes, UOP ofrece múltiples esquemas, en los cuales los Productos de bajo octanaje, son reciclados para ingresar nuevamente al reactor. Con estos procesos con reciclo se pueden alcanzar octanajes hasta de 93 RON. Típicamente, dos reactores de flujo en serie son usados para obtener alta eficiencia. El catalizador puede ser reemplazado en uno de los reactores mientras la operación continúa con el otro reactor. El Estabilizador, separa los gases livianos del efluente del reactor

7.2.2.2 Once-Thru Zeolitic Isom.- Unidad de bajo costo para convertir las remanentes Unidades de Hidro-tratamiento o de Reformación a una unidad de Isomerización. Provee un bajo incremento de octanaje del isomerizado.


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7.2.2.3 Par-Isom.- Nuevo proceso de isomerización que reemplaza isomerización Zeolítica. Par-Isom es la opción más baja en costo para isomerización y está idealmente adaptada para Revamp de unidades de Reformación o Hidro-tratamiento a unidad de isomerización:

- No requiere “horno”, secadores, inyección de cloro o limpieza cáustica. - Requiere de sistema de gas de reciclo - El catalizador LPI-100 utilizado, es tolerante a contaminantes y

totalmente regenerable.

7.2.2.4 Penex/DIH (Recycle).- Este esquema de Flujo utiliza una columna de-isohexanizadora (DIH) para recircular metil pentanos, n-hexano y algunos C6 cíclicos. Es la opción de menor costo de los esquemas con re-ciclo y provee un alto octanaje del isomerizado, especialmente en cargas ricas en C6. 7.2.2.5 Penex/Molex (Recycle).- Este esquema de Flujo utiliza la tecnología SORBEX para reciclo de n-parafinas. Esto permite alcanzar un mayor octanaje que el proceso TIP porque se puede alcanzar una mayor conversión de C6 en la unidad de proceso Penex. 7.2.2.6 DIP/Penex process/DIH.- Este esquema de Flujo permite alcanzar el mayor octanaje posible sin lechos moleculares. Utiliza una De-isopentanizadora aguas arriba de la unidad Penex para remover el isopentano de la carga al reactor y una torre DIH (De-isohexanizadora) para reciclar n-C5, metil pentanos, n-C6 y C6 cíclicos. 7.2.2.7 Penex/DIH/Pentane PSA (Recycle).- Este esquema de Flujo es similar a Penex/DIH excepto que se añade el sistema “UOP Pentane PSA” en la corriente de cabeza de la deisohexanizadora (DIH) para reciclar n-pentano. Esto produce el mayor octanaje posible con isomerización porque recicla todas las parafinas de bajo octanaje y algunos de los C6 cíclicos. 7.2.2.8 Total Isomerization Process - TIP (Recycle).- Este esquema de flujo, integra Isomerización Zeolítica con el proceso Iso-Siv (Tecnología de absorción para reciclo de n-parafinas). Este esquema ofrece un alto octanaje del isomerizado sin cloro como promotor del sistema catalítico.


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7.2.3 Calidad de la Carga (UOP)

Convencionalmente las cargas C5/C6 son Nafta Liviana LSR, Reformado Liviano, o una combinación de las dos corrientes. Para el proceso Penex, la alimentación debe ser hidro-tratada. Para procesos de isomerización en Zeolita como Par-Isom no se requiere tratamiento de la carga. Sin embargo, un rendimiento óptimo es obtenido con cargas hidro-tratadas. Frecuentemente, los refineros deben controlar los bajos niveles de benceno en la carga a la unidad de isomerización, porque la saturación del benceno es una reacción altamente exotérmica. Es conveniente evitar las cargas que contienen alto porcentaje de benceno. Para esto, UOP dispone del proceso Penex-Plus (saturación e isomerización de Benceno) Nota: Según Reportes de laboratorio RSCZ la Nafta LSR contiene bajo porcentaje de Benceno (< 0.5% vol)

7.2.4 Calidad de los Productos de Isomerización (UOP)

Todos los procesos de Isomerización, típicamente resultan en productos C5+ con un rendimiento de 97 a 101 %vol. Productos con rendimientos mayores al 100 % vol pueden ser obtenidos a partir de la Saturación del Benceno y la apertura de anillos nafténicos de C6 incrementando el volumen de C5+. La isomerización de parafinas tiene un pequeño efecto en el volumen de los productos C5+ y el hydrocraking de Hidrocarburos C7+ reduce el volumen de C5+.


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8 RENDIMIENTO DE LA ISOMERIZACION

Es importante señalar que en la actualidad, a fin de alcanzar los altos octanajes de la Gasolina Reformada (RON 93) requeridos y a fin de especificar el mayor volumen posible de Gasolinas Terminadas, las unidades de Reformación Catalítica operan a una severidad elevada. A futuro y cuando se cuente con Nafta Liviana de alto Octanaje, (Gasolina Isomerizada RON 87) se podrá bajar la severidad de la reformación permitiendo un mayor rendimiento volumétrico de la Gasolina Reformada.

En ese sentido y como se detalló al principio, para obtener un rendimiento óptimo en Gasolina Especial (RON 85), la formulación de la misma debería estar muy cerca de la proporción con 50%vol Gasolina Reformada (RON 90) y 50%vol Gasolina Isomerizada (RON 87).

De la gráfica 6.1 se obtienen las concentraciones porcentuales siguientes:

Tabla 8.1 Concentración Porcentual de Pentanos en el Equilibrio.

Componente Concentración (%mol) T = 150°C

Concentración (%mol) T = 250°C

iso-pentano (i-C5) 80 75 n-Pentano (n-C5) 20 25 Total 100 100

De la gráfica 6.2 se obtienen las concentraciones porcentuales siguientes:

Tabla 8.2 Concentración Porcentual de Hexanos en el Equilibrio.

Componente Concentración (%mol) T = 150°C

Concentración (%mol) T = 250°C

2, 2 DMB (2,2 Di-Metil Butano) 34 22 2, 3 DMB (2,3 Di-Metil Butano) 10 10 2 MP (2 Metil Pentano) 28 31 3 MP (3 Metil Pentano) 17 21 n-Hexano (n-C6) 11 16 Total 100 100

Adicionalmente, de las mismas gráficas 6.1 y 6.2, se observa que:

• El catalizador de Alúmina Clorada fue desarrollado para una Temperatura de

Reacción de 150°C • El catalizador Zeolítico fue desarrollado para una Temperatura de Reacción de 250°C

Para estimar la calidad del producto isomerizado del proceso de isomerización se proponen los siguientes escenarios:


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8.2 Escenario 1.

- La nafta LSR (normal) ingresa como alimentación al proceso de Isomerización - Se alcanza la concentración del Equilibrio (Isomerización ideal) de acuerdo a cada

Temperatura de Reacción. - Como efluente, se obtiene una sola corriente de Isomerizado.

Isomerizado (sin reciclo) Carga (LSR normal)

T=250°C T=150°C

Compuesto Frac.Vol (Prom)

RON(i) TVR(i) Psi

Fracc. Equ.

RON(i) TVR(i) Psi

Fracc. Equ.

RON(i) TVR(i) Psi

iso butano 0,003 100,2 71,90 0,003 100,2 71,90 0,003 100,2 71,90

normal butano 0,037 51,5 95,00 0,037 51,5 95,00 0,037 51,5 95,00

2,2 dimetil propano 0,002 100,0 20,00 0,002 100,0 20,00 0,002 100,0 20,00

iso pentano 0,199 93,5 18,93 0,310 93,5 18,93 0,330 93,5 18,93

normal pentano 0,214 61,7 14,42 0,103 61,7 14,42 0,083 61,7 14,42

2,2 Dimetil Butano 0,013 94,0 9,13 0,074 94,0 9,13 0,115 94,0 9,13

ciclo pentano 0,008 102,3 9,18 0,008 102,3 9,18 0,008 102,3 9,18

2,3 dimetil butano 0,023 105,0 6,85 0,034 105,0 6,85 0,034 105,0 6,85

2 metil pentano 0,097 74,4 6,27 0,105 74,4 6,27 0,095 74,4 6,27

3 metil pentano 0,060 75,5 5,65 0,071 75,5 5,65 0,058 75,5 5,65

normal hexano 0,146 31,0 4,59 0,054 31,0 4,59 0,037 31,0 4,59

metil ciclo pentano 0,026 96,0 4,17 0,026 96,0 4,17 0,026 96,0 4,17

benceno 0,002 120,0 2,98 0,002 120,0 2,98 0,002 120,0 2,98

ciclo hexano 0,019 84,0 3,02 0,019 84,0 3,02 0,019 84,0 3,02

Heptanos (C7) 0,126 55,0 1,97 0,126 55,0 1,97 0,126 55,0 1,97

Octanos (C8) 0,024 30,0 1,00 0,024 30,0 1,00 0,024 30,0 1,00

Nonanos (C9) 0,000 20,0 0,70 0,000 20,0 0,70 0,000 20,0 0,70

Xilenos 0,000 70,0 0,30 0,000 70,0 0,30 0,000 70,0 0,30

TOTAL 1,000 67,0 13,0 1,000 76,1 13,9 1,000 78,2 14,1

Tabla Resumen: Corriente Nafta LSR inicial e isomerizada.

T=250°C T=150°C Descripción Frac vol

RON TVR RON TVR

Nafta LSR 1,00 67,0 13,0 67,0 13,0

Gasolina Isomerizada 1,00 76,1 13,9 78,2 14,1

Delta 9,1 0,8 11,2 1,1

Según tablas anteriores:

- Para una carga de LSR con RON=67 y Temperatura de Reacción = 250°C, como máximo se podrá alcanzar un isomerizado con RON=76.1 (Delta RON=9.1)

- Para una carga de LSR con RON=67 y Temperatura de Reacción = 150°C, como máximo se podrá alcanzar un isomerizado con RON=78.2 (Delta RON=11.2)


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Escenario 2. - La Nafta LSR es De-iso-pentanizada en Deisopentanizadora (DIP) previo al proceso de

isomerización - De la de-iso-pentanizadora (DIP), por Cabeza se separa todo el i-C5 y el fondo sirve de

carga al proceso de Isomerización. - Se alcanza la concentración del Equilibrio (Isomerización ideal) de acuerdo a cada

Temperatura de Reacción. - Como Efluente, se obtiene una corriente de Iso-pentanos y una corriente de Isomerizado.

Corriente de Isopentanos (Cabeza DIP)

Cabeza DIP Frac.Vol (Prom)

RON(i) TVR(i) Psi

iso butano 0,011 100,2 71,90

normal butano 0,154 51,5 95,00

2,2 dimetil propano 0,009 100,0 20,00

iso pentano 0,825 93,5 18,93

TOTAL 1,000 87,2 31,3

RON Cabeza DIP 87,2

TVR Cabeza DIP 31,3

Corriente Isomerizada

Isomerizado con DIP (sin reciclo) Fondo DIP (Carga De-iso-pentanizada)

T=250°C T=150°C

Compuesto Frac.Vol (Prom)

RON(i) TVR(i) Psi

Fracc. Equ.

RON(i) TVR(i) Psi

Fracc. Equ.

RON(i) TVR(i) Psi

iso butano 0,000 100,2 71,90 0,000 100,2 71,90 0,000 100,2 71,90

normal butano 0,000 51,5 95,00 0,000 51,5 95,00 0,000 51,5 95,00

2,2 dimetil propano 0,000 100,0 20,00 0,000 100,0 20,00 0,000 100,0 20,00

iso pentano 0,000 93,5 18,93 0,211 93,5 18,93 0,225 93,5 18,93

normal pentano 0,282 61,7 14,42 0,070 61,7 14,42 0,056 61,7 14,42

2,2 Dimetil Butano 0,017 94,0 9,13 0,098 94,0 9,13 0,152 94,0 9,13

ciclo pentano 0,011 102,3 9,18 0,011 102,3 9,18 0,011 102,3 9,18

2,3 dimetil butano 0,030 105,0 6,85 0,045 105,0 6,85 0,045 105,0 6,85

2 metil pentano 0,128 74,4 6,27 0,138 74,4 6,27 0,125 74,4 6,27

3 metil pentano 0,079 75,5 5,65 0,094 75,5 5,65 0,076 75,5 5,65

normal hexano 0,192 31,0 4,59 0,071 31,0 4,59 0,049 31,0 4,59

metil ciclo pentano 0,035 96,0 4,17 0,035 96,0 4,17 0,035 96,0 4,17

benceno 0,003 120,0 2,98 0,003 120,0 2,98 0,003 120,0 2,98

ciclo hexano 0,025 84,0 3,02 0,025 84,0 3,02 0,025 84,0 3,02

Heptanos (C7) 0,166 55,0 1,97 0,166 55,0 1,97 0,166 55,0 1,97

Octanos (C8) 0,032 30,0 1,00 0,032 30,0 1,00 0,032 30,0 1,00

Nonanos (C9) 0,000 20,0 0,70 0,000 20,0 0,70 0,000 20,0 0,70

Xilenos 0,001 70,0 0,30 0,001 70,0 0,30 0,001 70,0 0,30

TOTAL 1,000 60,6 7,2 1,000 74,6 8,6 1,000 77,1 8,9


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Según tabla anterior: - Para una carga de LSR De-isopentanizada, con RON=60.6 y Temperatura de

Reacción = 250°C como máximo, se podrá alcanzar un isomerizado con RON=74.6 (Delta RON=14.0)

- Para una carga de LSR De-isopentanizada con RON=60.6 y Temperatura de Reacción = 150°C como máximo, se podrá alcanzar un isomerizado de RON=77.1 (Delta RON=16.5)

Tabla Resumen. Nafta LSR Inicial y las corrientes obtenidas:

T=250°C T=150°C Descripción Frac vol

RON TVR RON TVR

Nafta LSR 1,00 67,0 13,0 67,0 13,0

Gasolina Isomerizada 0,76 74,6 8,6 77,1 8,9

Iso-pentano (Cab.DIP) 0,24 87,2 31,3 87,2 31,3

Delta* 10,6 1,1 12,5 1,3

*Nota: Delta= Promedio ponderado RON/TVR de Gasolina Isomerizada e Iso-Pentano menos RON/TVR de Nafta LSR De acuerdo a la Tabla anterior, para una temperatura de 250°C se podrá obtener un isomerizado de RON=77.6 (67,0+10,6) y TVR=14,1 psi (13,0+1,1), mientras que para una temperatura de 150°C se podrá obtener un isomerizado de RON=79.5 (67,0+12,5) y TVR=14,3 psi (13,0+1,3). Recordamos, que para los dos escenarios, propuestos se asumió rendimientos ideales de conversión en la Isomerización, y separación total de iso-pentanos y livianos en DIP, lo cual en la realidad, no es posible de alcanzar. Sin embargo, este ejercicio nos permite observar los incrementos de Octanajes RON que en UN PASO (sin reciclo) “Idealmente” se alcanzarían y que en la “Realidad”, NO será posible alcanzar.


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9 IMPUREZAS EN LA CARGA Desde el punto de vista del proceso de isomerización de Naftas Livianas, como contaminantes o elementos desfavorables para éste proceso se tienen:

9.1 Azufre

Es importante determinar el contenido de Azufre orgánico en carga ya que existen Catalizadores que sólo pueden resistir concentraciones de 100 ppm (peso) o menos en procesos continuos.

En especificaciones del Catalizador I-7 de UOP (Zeolítico) se informa que concentraciones de azufre de 150 PPM en la carga son practicados comercialmente, pero con reducción de rendimiento.

En especificaciones del Catalizador I-8 de UOP (Alúmina-Cloro promovidos) se informa que concentraciones superiores a 1 PPM de azufre en la carga causan pérdidas en la actividad del catalizador. En este sentido, las unidades de hydrobon (Reformación Catalítica), permiten obtener concentraciones máximas de 0.5 ppm de azufre para la carga a Platforming.

Nota.- Realizar ensayos para determinar el contenido de Azufre (sulfuros orgánicos) en la LSR.

9.2 Agua

Se piensa que las moléculas de agua obstruyen la isomerización de hidrocarburos tales como el hexano porque el agua fácilmente se fija por adsorción en los sitios ácidos en el catalizador. (K. Watanabe, N. Chiyoda, T. Kawakami)


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9.3 Hidrocarburos C7+

En el caso del alto contenido de la fracción del heptano, la producción de la isomerización disminuye debido a la conversión a propano y butano. Las largas cadenas de carbón tal como fracción del heptano son fáciles de romperse. Después es necesario controlar el contenido del heptano para el nuevo proceso de la isomerización. (K. Watanabe, N. Chiyoda, T. Kawakami)


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10 OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

- La Ingeniería Básica deberá recomendar las ventajas de los Procesos con Reciclo (Recycle) vs. Un Paso de Hidrógeno (Once Througth)

- La Ingeniería Básica deberá recomendar las ventajas de los Procesos con un solo reactor vs. 2 reactores.

- La Ingeniería Básica deberá analizar la posibilidad de utilizar los compresores de reciclo de hidrógeno existentes en las unidades Reformación Catalítica para utilizarlos también en el proceso de isomerización. - La Ingeniería Básica deberá verificar el contenido de azufre y otros contaminates de la LSR para determinar si la tecnología propuesta requiere o no una unidad para el tratamiento de la carga.

Anexo 3 Ing. Conceptual

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