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Refinacin del Petrleo 1

Ing. Tito Nez Wayar

PROCESOS DE DESTILACIN ATMOSFRICA DE

CRUDOS Y DESTILACIN AL VACO

1.1. OBJETIVO

El objetivo es extraer los hidrocarburos presentes naturalmente en el crudo por destilacin,

sin afectar la estructura molecular de los componentes.

En las unidades de Topping o tambin llamada destilacin atmosfrica, el objetivo es

obtener combustibles terminados y cortes de hidrocarburos que sern procesados en otras

unidades, para convertirlos en combustibles ms valiosos.

En las unidades de Vaco, solo se produce cortes intermedios que son carga de unidades

de conversin, las cuales son transformadas en productos de mayor valor y de fcil

comercializacin.

1.2. PRETRATAMIENTO DEL PETRLEO CRUDO

El crudo antes de ser fraccionado, debe ser acondicionado y preparado debidamente para

lograr una operacin eficiente. La primer etapa se lleva a cabo en los tanques de recepcin.

El petrleo desgasificado que se recibe en las Refineras, contiene impurezas que son

perjudiciales para los equipos, productos y procesos. Las impurezas son:

Sales, fundamentalmente cloruros de sodio, calcio y magnesio, presente en el agua de

formacin que tiene el crudo, estas sales en las condiciones del proceso se hidrolizan

formando cido clorhdrico, que es altamente corrosivo y por ende sumamente perjudicial

para los equipos.

Oxidos de hierro, productos de la corrosin de los equipos y medios de transporte del

crudo desde yacimiento, que afectan los coeficientes de ensuciamiento de equipos,

calidades de productos y catalizadores.

Arcilla, arena, slidos en general, provenientes de la formacin productora y lodos de

perforacin, estos perjudican fundamentalmente los coeficientes de ensuciamiento de los

equipos y afectan la calidad de los productos residuales por alto contenido de cenizas.


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Compuestos organometlicos, que afectan los catalizadores de unidades de conversin,

desactivndolos.

Cristales de sal u xidos en suspensin, afectando tanto los productos como los

procesos catalticos, el caso de los compuestos de sodio es especficamente perjudicial

para los tubos de los hornos, ya que catalizan la formacin de carbn, reduciendo la

vida til del horno por disminucin del coeficiente de transferencia de calor.

Para evitar o minimizar los efectos perniciosos de estas impurezas se realizan

fundamentalmente tres tratamientos:

1. Decantacin en Tanques2. Desalado

3. Inyeccin de Hidrxido de Sodio

1.2.1. DECANTACIN EN TANQUES

El tratamiento en tanque, consiste en decantar el agua libre que tenga el crudo por grave-

dad. Por tal motivo la temperatura del tanque es muy importante en esta etapa, ya que la

propiedad fsica que la gobierna es la viscosidad. Evidentemente a mayor temperatura

menor viscosidad, y por lo tanto se mejora la velocidad de migracin o decantacin del agua,

pero se debe tener mucha precaucin de no superar aquella temperatura que provoque

corrientes convectivas, que perjudican directamente la decantacin.

Para evitar prdida de hidrocarburos voltiles, los tanques poseen techos flotantes que

evitan este tipo de fugas. La temperatura se controla con calefactores o serpentinas,

ubicado en la parte inferior del tanque.

Se usa vapor exhausto como elemento calefactor. El agua purgada, arrastra adicionalmente

slidos en suspensin.

Esta etapa se lleva a cabo bsicamente con tres tanques en simultneo, uno recibe el crudo

de yacimiento, otro est en decantacin y el tercero que contiene crudo decantado es del

que aspira la unidad.

El crudo "decantado" en tanques es enviado a la unidad de Topping, donde se lo precalienta

con corrientes de mayor temperatura, productos terminados y reflujos circulantes,


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permitiendo recuperar energa calrica, en el circuito de intercambio.

El circuito de intercambio tiene como funcin, la recuperacin de energa, generndose un

gradiente trmico a lo largo del circuito, que permite minimizar el consumo de combustibleen los hornos de calentamiento. Previo al horno se realizan dos operaciones de fundamental

importancia, el desalado y deshidratado del petrleo, para lo cual se necesitan condiciones

termodinmicas especificas.

La segunda etapa de eliminacin de impurezas es el desalado del crudo.

1.2.2. DESALADO DE CRUDO

El propsito de este proceso, es eliminar las sales e impurezas que tienen los petrleoscrudos, carga de las unidades de Topping. Los slidos en suspensin y las sales disueltas

en muy pequeas gotas de agua, dispersas en el seno del petrleo son extradas en los

desaladores ya que es antieconmico decantarlas y eliminarlas por gravedad en los tanques

de almacenamiento. (Ver Figura 1)

Figura 1. Desalador

Bsicamente el proceso de desalacin consiste en precalentar el crudo para disminuir la

viscosidad, inyectar agua de lavado o exenta de sales, producir una mezcla intima entre

ambos, contactarla con el agua residual del crudo y posteriormente separar el agua


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conteniendo la mayor proporcin de impurezas. En definitiva se lleva a cabo la disolucin de

las sales presentes en el crudo, generndose pequeos electrolitos (gotas), sensibles a las

variaciones de un campo elctrico.

Para lograr la mezcla se usan vlvulas emulsificadoras o mezcladores estticos. Posterior-

mente se lo enva a un acumulador donde se hace fluir la corriente uniformemente a travs

de un campo elctrico de alto voltaje (20.000 V), generado por pares de electrodos. Las

fuerzas elctricas dentro del campo provocan que las pequeas gotitas de agua coalezcan,

formando gotas ms grandes que pueden decantar en el equipo. El crudo libre de sales

(crudo desalado) sale por la parte superior del equipo. La coalescencia de las gotas en el

desalador es provocada por fuerzas elctricas generadas entre las gotas de agua. El campo

elctrico induce a que las pequeas gotas se conviertan en dipolos elctricos, que

interactuan entre s generndose atracciones entre las gotitas agrupndose en gotas

mayores, que pueden decantar por gravedad. El efecto del campo alternativo hace que las

gotas se muevan (vibrando) en fase con el campo, lo que favorece la coalescencia de las

gotas.

1.2.3. DOSIFICACIN DE HIDRXIDO DE SODIO

La tercer etapa de acondicionamiento del crudo es la inyeccin de hidrxido de sodio, esta

operacin a diferencia de las dos anteriores no elimina los contaminante, sino que se mini-

miza el efecto por transformacin de sales menos perniciosas.

Al crudo efluente de los desaladores no se les elimina la totalidad de las sales ya que estos

equipos tienen una eficiencia de desalado media del 95 %, por tal motivo se les inyecta una

solucin custica para transformar los cloruros de calcio y magnesio en cloruros de sodio. El

cloruro de sodio tiene una constante de hidrlisis menor que las otras sales, por lo cual se

minimiza la generacin de cloruro de hidrogeno y por ende el ataque corrosivo a la unidad.

El gas cloruro de hidrogeno condensa en la zonas fras (parte superior) de la torre y en con-

tacto con agua se forma cido clorhdrico, el cual es altamente corrosivo, por tal motivo es

fundamental que se minimice la presencia o efectos del mismo.

El agregado de custico sustituye los cationes magnesio y calcio por sodio, convirtiendo la

mayora de los cloruros en cloruros de sodio, minimizndose la formacin del cido.

Cl2Mg + H2O -------------- 2ClH + MgO

Cl2Ca + H2O -------------- 2ClH + CaO

2ClNa + H2O -------------- 2ClH + 2NaO


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Por cada molcula de sal de calcio o magnesio, se genera el doble de cido que en caso del

cloruro de sodio, por otra parte este ltimo comienza la hidrlisis en el umbral de los 300 C,

mientras que a estas temperaturas las otras dos han hidrolizado el 10% y 90 % respectiva-mente. La sustitucin se lleva a cabo segn las siguientes reacciones:

Na OH+ Cl2Ca ------------- Na Cl + (HO)2 Ca

Na OH+ Cl2Mg ------------ Na Cl + (HO)2 Mg

El control de la corrosin se complementa con el uso de productos qumicos, a base de

aminas, que permiten neutralizar el cido y formar films protectores en las paredes de los

equipos.

1.3. DESTILACIN - FUNDAMENTOS DEL PROCESO

La destilacin o fraccionamiento, del crudo es una operacin que permite separar cortes o

combustibles de una mezcla compleja de hidrocarburos, como lo es el petrleo. El principio

fsico en el que se basa el proceso es la diferencia de volatilidad de los componentes, por tal

motivo en las columnas fraccionadoras se adecuan las condiciones termodinmicas para

obtener o "condensar" los combustibles perfectamente especificados.

El fraccionamiento del crudo se completa en dos etapas, en primer lugar se procesa en

unidades de destilacin atmosfrica o Topping, donde la presin de trabajo es

tpicamente 1

Kg/cm2. Los combustibles obtenidos por este fraccionamiento son enviados a tanques de

despacho o como carga de otras unidades que completan su refinado.

Gran parte del crudo procesado en los Topping no se vaporiza, ya que para lograrlo sera

necesario elevar la temperatura de trabajo por sobre el umbral de descomposicin trmica.

Por tal motivo este residuo atmosfrico, denominado crudo reducido, se bombea a la unidad

de Vaco, donde se baja la presin a 20 mm Hg (tpico) lo que permite destilarlo a mayores

temperaturas sin descomponer la estructura molecular.

Para que se produzca la "separacin o fraccionamiento" de los cortes, se debe alcanzar el

equilibrio entre las fases lquido-vapor, ya que de esta manera los componentes ms livianos

o de menor peso molecular se concentran en la fase vapor y por el contrario los de mayor

peso molecular predominan en la fase liquida, en definitiva se aprovecha las diferencias de


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volatilidad de los hidrocarburos.

El equilibrio lquido-vapor, depende principalmente de los parmetros termodinmicos,

presin y temperatura del sistema. Las unidades se disean para que se produzcan estosequilibrios en forma controlada y durante el tiempo necesario para obtener los combustibles

especificados.

Bsicamente el proceso consiste en vaporizar los hidrocarburos del crudo y luego

condensarlos en cortes definidos. Modificando fundamentalmente la temperatura, a lo largo

de la columna fraccionadora.

La vaporizacin o fase vapor se produce en el horno y zona de carga de la columna

fraccionadora. En el Horno se transfiere la energa trmica necesaria para producir el

cambio de fase y en la Zona de Carga se disminuye la presin del sistema, producindose

el flash de la carga, obtenindose la vaporizacin definitiva.

La fase liquida se logra con reflujos o reciclo de hidrocarburos retornados a la torre. Estos

reflujos son corrientes liquidas de hidrocarburos que se enfran por intercambio con crudo o

fluidos refrigerantes. La funcin u objetivo principal de estos , es eliminar o disipar en forma

controlada la energa cedida a los hidrocarburos en el horno, de esta manera se enfra y

condensa la carga vaporizada, en cortes o fracciones de hidrocarburos especificas,

obtenindose los combustibles correspondientes.

La columna posee bandejas o platos donde se produce el equilibrio entre los vapores que

ascienden y los lquidos descendentes. En puntos o alturas exactamente calculadas existen

platos colectores desde lo que se extraen los combustibles destilados.

La diferencia fundamental entre las unidades de Topping y Vaco es la presin de trabajo. El

Topping opera con presiones tpicas de 1 Kg/cm2 (manomtrica), mientras que en el Vaco

trabaja con presiones absolutas de 20 mmHg. Esto permite destilar hidrocarburos de alto

peso molecular que se descompondran o craquearan trmicamente, si las condiciones

operativas normales del Topping fuesen sobrepasadas.


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1.3.1. PARMETROS TERMODINMICOS QUE GOBIERNAN LA

DESTILACIN ATMOSFRICA Y AL VACO

Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y presin

del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas aquellas que

puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-lquido.

Temperatura de transferencia. Esta es la mxima temperatura a la que se eleva

el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en destilados depende de esta variable.

Presin de trabajo. Es la presin a la cual se produce la operacin. Si bien

afecta directamente el equilibrio lquido-vapor, generalmente se trabaja a la

menor presin posible, y por ende no se vara frecuentemente.

Temperatura de cabeza. Es la temperatura en la zona superior de la columna

fraccionadora, se controla con el reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fra

que genera la corriente de lquidos que se contactan con los vapores,

producindose los equilibrios lquido- vapor.

Temperatura del corte. Es la temperatura a la cual se realiza la extraccin lateral

de un combustible. Esta temperatura es controlada con el reflujo de cabeza y

reflujos circulantes. Estos ltimos tienen un efecto semejante que el reflujo de

cabeza y adems precalientan el crudo, recuperando energa.

Inyeccin de vapor. El vapor o (incondensables ) en las fraccionadoras

disminuye la presin parcial de los hidrocarburos, estableciendo nuevos

equilibrios vapor-lquidos, favoreciendo la vaporizacin de los componentes ms

voltiles. Esto se aplica en la columna fraccionadora principal como en los

strippers de los cortes laterales.

1.3.2. ECONOMA ASOCIADA

Algunos de los combustibles de las unidades de destilacin atmosfricas se comercializan

directamente ya que tienen la calidad - de combustibles para despacho, son los mayores

contribuyentes del pool de destilados medios, pero la ventaja econmica ms importante, es

que se obtienen cortes de hidrocarburos que son carga de unidades de conversin, que las

transforman en productos valiosos y de fcil comercializacin.


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En las unidades de Topping, se obtienen los siguientes productos finales y cargas de otros

procesos.

Nafta liviana, se enva como carga a isomerizacin donde se mejora el RON y MON

Nafta pesada, se enva como carga a Hidrotratamiento de naftas y Reforming, donde se

mejora el RON.

Kerosene, se enva a tanque de despacho.

Gas Ol liviano, se enva a tanque de despacho.

Gas Ol pesado, se enva como carga a Hydrocracking, convirtindolo en Gas Ol y JP oa las unidades de Craking Cataltico Fluido.

En las unidades de Vaco, solo se obtienen cargas para unidades de conversin.

Gas ol liviano de Vaco, se enva como carga a Isomax, donde se obtiene gas ol, JP,

naftas carga de Hidrotratamiento de naftas e isomerizacin y propano-butano.

Gas ol pesado de Vaco, se enva a las unidades de Crakng Cataltico Fluido, donde se

obtienen nafta de alto RON, propano carga petroqumica o despacho, butano carga a

petroqumica, gases combustibles, diesel ol carga a Hidrotratamiento de Diesel que lo

convierte en gas ol.

Asfalto, se enva a las unidades de crakeo trmico, donde se convierte en naftas carga

de Hidrotratamiento de naftas, diesel ol carga de Hidrotratamiento de Diesel, gas ol pe-

sado de Coke que es carga de las unidades de Craking Cataltico Fluido, carbn propa-

no-butano y gases combustibles.

El impacto econmico de estas unidades se ve reflejado en el lucro cesante que se originacuando estas unidades no operan, que es el mayor de la refinera.

1.4. UNIDAD DE DESTILACIN ATMOSFRICA DE CRUDO

Una vez eliminadas las impurezas del crudo, se contina precalentado y se lo enva a la

torre preflash, donde las condiciones termodinmicas son tales que el crudo vaporiza

parcialmente. La fraccin vaporizada se enva directamente a la columna fraccionadora, lo

que permite disminuir la carga a los hornos, disminuyendo el consumo de combustible,


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(condiciones tpicas, 200 C y 1.5 kg/cm2).

Una vez alcanzada la mxima recuperacin de calor, el crudo es bombeado al horno, donde

se le transfiere la energa necesaria para lograr la vaporizacin requerida en la zona dealimentacin de la torre fraccionadora. En esta columna se lleva a cabo el fraccionamiento

de los hidrocarburos. Condiciones tpicas de la zona de carga 370 C y 0.800 kg/cm2 de

presin (Ver Figura 2.)

Figura 2. Destilacin atmosfrica de petrleo crudo o Topping

La destilacin permite la separacin de los componentes de una mezcla de hidrocarburos,

como lo es el petrleo, en funcin de sus temperaturas de ebullicin, aprovechando las

diferencias de volatilidad de los mismos.

La carga parcialmente vaporizada ingresa en la zona flash o zona de carga. Los

hidrocarburos vaporizados ascienden por la columna fraccionadora a travs de bandejas o

platos de fraccionamiento, donde se contacta ntimamente lquidos y vapores, producindose

la transferencia de masa y calor necesaria para fraccionar los diferentes combustibles,


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(ver figura N' 3 ). Estos son extrados lateralmente mediante platos colectores y enviados a

torres despojadoras, strippers, donde se ajusta el punto de inflamacin de los cortes.

Los productos obtenidos por la parte superior o cabeza son gases y nafta. El gas escomprimido y enviado a unidades de concentracin de gases. La Nafta es fraccionada

nuevamente para obtener dos cortes. La nafta liviana que se enva a isomerizacin o a

tanque como carga petroqumica y nafta pesada que es enviada a las unidades de

Hidrotratamiento donde se eliminan los contaminantes, venenos, de los catalizadores de

Reforming.

El primer corte lateral es el kerosene, el cual se enva a tanque. Previamente intercambia

calor con crudo y es enfriado a temperatura de almacenaje mediante aeroenfriadores y

enfriadores con agua. El segundo corte lateral es el gas ol liviano, el cual es tratado en

forma semejante al kerosene. El tercer y ltimo corte lateral es el gas ol pesado de

Topping, el cual es enviado como carga a las unidades de Hydrocracking o Cataltico Fluido.

El producto de fondo es el residuo que no se vaporiz en el horno, ya que sera necesario

elevar la temperatura por sobre el umbral de crakeo o descomposicin trmica de los

hidrocarburos de alto peso molecular. Por tal motivo esta corriente es enviada a la unidad de

Vaco.

Figura 3: PERFIL DE TEMPERATURA


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1.5. UNIDAD DE DESTILACIN AL VACO

Las unidades de Vaco, estn diseadas para operar en condiciones termodinmicas

adecuadas para destilar las fracciones pesadas del crudo, sin que se produzca la

descomposicin trmica de los mismos. Para lograrlo se baja la presin de trabajo hasta

alcanzar presiones absolutas de 20 mm Hg en la zona de carga de la columna de

destilacin. El Vaco es obtenido con eyectores de vapor.

En esta unidad, la energa necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada

totalmente en hornos, diseados para minimizar la perdida de carga de modo de operar con

la menor presin posible en los puntos donde se inicia la vaporizacin. La carga

parcialmente vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilacin, donde se

produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de lquidos. En estas

columnas el principio de operacin es la condensacin de los vapores. La torre tiene

caractersticas particulares, que la diferencian de las fraccionadoras atmosfricas. Los

dispositivos o elementos mecnicos para producir el contacto liquido vapor, son rellenos

especiales ubicados en lechos ordenados que permiten incrementar la superficie de

interfase, favoreciendo la transferencia de masa.

El dimetro de la columna es diferente en zona de condensacin, respecto de la zonasuperior o inferior de la misma. La zona de condensacin o fraccionamiento tiene el mayor

dimetro ya que las prdidas de carga deben ser despreciables para mantener el Vaco

homogneo en la totalidad de la torre. La zona de cabeza es de dimetro menor ya que el

caudal de vapores en esta zona es muy bajo debido a que los productos solo son obtenidos

lateralmente y no por cabeza. El fondo de la columna tiene el menor dimetro, ya que se

debe minimizar el tiempo de residencia del asfalto para evitar la descomposicin trmica y

formacin de carbn en la torre.

El primer corte lateral producido es el Gas Ol Liviano de Vaco, el cual es carga de la

unidad de Hydrocracking o FCC. Debido a las caractersticas del proceso Hydrocracking

las especificaciones del productos son muy importantes, ya que se afecta fuertemente la

performance de esa unidad si se daa el catalizador. El segundo corte lateral es el Gas Ol

Pe- sado de Vaco, este producto intercambia calor con el crudo de la unidad de Topping y

es la carga por excelencia de las unidades de Cracking Cataltico Fluido. El producto de

fondo es residuo asfltico, que es enviado a las unidades de Cracking Trmico.


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Figura 4: UNIDAD DE DESTILACIN AL VACO

Figura 5: FOTOGRAFA DE UNA TORRE DE

DESTILACIN AL VACO


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DEFINICIONES

Caracterizacin del Petrleo Crudo

FACTOR DE CARACTERIZACION KUOP

El factor Kuop, es un valor que permite identificar o caracterizar el tipo de crudo en cuanto a

su composicin qumica, (base parafinica, mixta, naftenica, aromtica).

Temp. Volumtrica Media3

Kuop

SPGR(60F)

La temperatura volumtrica media, es la temperatura de ebullicin de un componente hipo-

ttico con caractersticas equivalente a la mezcla de hidrocarburos analizada.

K= 13 BASE PARAFINICA

K= 12 BASE MIXTA

K= 11 BASE NAFTENICA

K = 10 BASE AROMATICA

GRAVEDADAPI

Los grados API es una forma de expresar la densidad, la cual fue definida por el

AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE de la siguiente manera:

Punto Inicial

API141.5

SPGR(60F)131.5

Es la menor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos

inicia la ebullicin

Punto Final

Es la mayor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos

finalizan la ebullicin

Punto Inflamacin

Es la menor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos


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inflaman espontneamente en presencia de llama.

Torres Fraccionadoras

Estos equipos permiten separar los diferentes cortes de hidrocarburos presentes en la carga

previamente vaporizada, producindose condensaciones controladas, establecindose

transferencias de energa y masa adecuados para obtener los combustibles especficos. Las

etapas de equilibrio se logran con dispositivos que permiten un ntimo contacto entre la fase

vapor (ascendente) y la fase liquida (descendente). Los ms comunes son campanas de

burbujeo, platos de vlvulas, platos perforados y rellenos. En estos equipos se ajusta la

curva de destilacin de los combustibles.

Torres Preflash

Son equipos donde no es necesario obtener un fraccionamiento de alta calidad. El objetivo

es lograr una etapa de equilibrio, donde los hidrocarburos de bajo peso molecular (agua,

nafta e inferiores) pasen a la fase vapor, para ser enviados directamente a la torre

fraccionadora, solo el producto de fondo continua como carga del horno.

Strippers

Son pequeas torres cuya funcin principal es eliminar los componentes de bajo peso mole-cular (voltiles) de los combustibles extrados lateralmente en las torres fraccionadoras, el

principio fsico en el que se basa su funcionamiento es la disminucin de la presin parcial

de los componentes por la inyeccin de un fluido (fase vapor) en el equipo. En estos equipos

se ajusta el punto de inflamacin de los combustibles. Los fluidos normalmente usados son

vapor o gas seco.

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