INSTITUTO MEXICANO DEL PETRLEODIRECCION EJECUTIVA DE CAPACITACIN

PRINCIPIOS BSICOS DE REFINACIN

ELABORACIN TCNICA ING. FILADELFO GARCA CALVO DISEO Y REDACCIN LIC. GEORGINA LPEZ MEJA CAPTURA ROSA CRISTINA FLORES MORALES ISELA PORTILLO CARREO ACTUALIZACIONES LEOPOLDO RAMREZ VILLANUEVA ABRIL 2004

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CONTENIDOPG. OBJETIVO INTRODUCCIN TEMA I COMPOSICIN DEL PETRLEO 1. Origen del Petrleo. 2. Componentes Qumicos del Petrleo. 2.1 Compuestos Hidrocarburos 2.2 Compuestos Inorgnicos EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN TEMA II CLASIFICACIN DE CRUDOS 1. Criterios de clasificacin. 1.1 De acuerdo a su composicin qumica. Factor K(UOP). 1.2 Caractersticas. 1.3 Comercial. EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN TEMA III PRODUCCIN DEL CRUDO 1. Clasificacin de Pozos. 2. Fluido del Pozo. 3. Bateras de Separacin 3.1. Separacin de Crudo. 3.2. Separacin de Gas. 3.3. Deshidratacin. EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN TEMA IV CARACTERIZACIN DELOS CRUDOS 1. Propiedades de los lquidos. 2. Fracciones del Crudo. 3. Destilacin TBP del Crudo. EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN 5 6

7 8 9 9 13 19

21 22 22 24 26 30

34 35 37 37 39 42 46

49 53 53 59

TEMA V ESTRUCTURA GENERAL DE UNA REFINERA Y PROCESOS DE SEPARACIN 62 1. Estructura General de una Refinera. 73 2. Procesos de Separacin. 73 2.1 Proceso de Destilacin Atmosfrica. 80 2.2 Planta de Destilacin al Vaco. 85 2.3 Planta Estabilizadora de Nafta y Fraccionadora de Gases. 87 EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN

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PG. TEMA VI PROCESOS PARA ELABORAR GASOLINA 1. Procesos para Elaborar Gasolina 1.1. Planta Hidrodesulfuradora (HDS) de Naftas y Destilados Intermedios. 1.2. Plantas de Reformacin Cataltica. 1.3. Planta de Isomerizacin. 1.4. Planta de Desintegracin Cataltica. 1.5. Planta de MTBE y TAME. 1.6. Planta de Alquilacin. EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN TEMA VII PROCESOS DE FONDO DE BARRIL 1. Proceso de Fondo de Barril. 1.1. Planta Reductora de Viscosidad 1.2. Proceso de Desintegracin H-Oil 1.3. Plantas coquizadotas 1.3.1. Coque Fluidizado. 1.3.2. Flexicoking. 1.3.3. Coquizadota Retardada. EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN TEMA VIII ESPECIFICACIONES DE PRODUCTOS Y MEZCLADO 1. Formulacin y Mezclado 2. Especificaciones de los Productos de Refinacin 3. Mezclado 2.1. Formulacin de Gasolinas 2.2. Formulacin de Combustleo EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN GLOSARIO DE TRMINOS BIBLIOGRAFA APNDICE A Respuestas a los Ejercicios de Autoevaluacin

90 90 92 95 97 101 104 107

110 111 113 116 118 118 119 124

128 128 143 143 145 147 149 155

158

APNDICE B Lminas de Refinacin

162

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OBJETIVO

PROPORCIONAR LOS CONOCIMIENTOS BSICOS SOBRE LA INDUSTRIA DE LA REFINACIN, AL PERSONAL NO OPERATIVO DE LA DIRECCIN DE PEMEX-REFINACIN, PARA: CREAR UN LENGUAJE COMN MEJORAR LA COMUNICACIN MEJORAR LA TOMA DE DECISIONES

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Indice

INTRODUCCIN

La Direccin de PEMEX-Refinacin, preocupada por proporcionar un material de apoyo para que su personal no operativo adquiera los conocimientos bsicos sobre la industria de la refinacin, solicit que se elaborara el manual "Principios Bsicos de la Refinacin".

En este manual se presentan los principios y conceptos bsicos sobre la Industria de la Refinacin del Petrleo, de manera simplificada, con el fin de hacerlo comprensible al personal que no ha estado en contacto directo con las operaciones tcnicas de esta industria.

Para su elaboracin se consider importante evitar en lo posible abordar los temas utilizando frmulas o trminos tcnicos complejos.

Su parte central son los procesos que se manejan en una Refinera, sin embargo, se crey importante tratar otros temas igualmente necesarios para comprender por qu existen estos procesos; abordando los temas de lo ms sencillo a lo ms complejo.

No se trata de un manual tcnico especializado; sin embargo, se considera importante para introducirse al estudio de la separacin y transformacin del petrleo, conocer su terminologa y los principios con que se rige.

5

ndice

TEMA I COMPOSICIN DEL PETRLEO

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1. ORIGEN DEL PETRLEO.El petrleo crudo est compuesto principalmente de hidrocarburos almacenados en formaciones rocosas de tipo arenoso o calcreo, de edades geolgicas (cretcico y jursico). An se desconoce totalmente el proceso de formacin que explique el origen del petrleo; sin embargo, se han venido acumulando informacin y datos que refuerzan las teoras cientficas existentes y tratan de explicar dicho fenmeno. Existen dos principalmente, la de Formacin Inorgnica y la de Formacin Orgnica.

A) FORMACIN INORGNICA

Esta teora asume que la formacin del petrleo es resultado de reacciones geoqumicas entre el agua, bixido de carbono y otras sustancias inorgnicas como carburos y carbonatos metlicos con desprendimiento de carbn e hidrgeno, los cuales por fuerzas naturales (presin y temperatura) se unen para formar el petrleo.

La teora de la Formacin Inorgnica del Petrleo, la explican Berthelott y Mendeleyev a travs de las siguientes reacciones qumicas:

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Es la hiptesis que ms aceptacin tiene y establece que el petrleo es producto de la descomposicin de organismos vegetales y animales que existieron en periodos del tiempo geolgico y que a travs del tiempo fueron cubiertos por arena y sometidos a enormes presiones y elevadas temperaturas

B) FORMACIN ORGNICA

Algunas de las evidencias que confirman el origen del petrleo orgnico son: Se ha encontrado, por anlisis del laboratorio, que las rocas petrolferas de campos productores tienen propiedades pticas que slo se localizan en sustancias orgnicas. La mayor parte de los yacimientos del mundo se localizan en lugares que hace millones de aos fueron ocupados por lagos y mares.

La formacin orgnica se explica mediante la Teora de Engler (1) Uno de los supuestos acerca del origen del Petrleo lo constituye la Teora de Engler (1911):

1ra. etapa. Depsitos de organismos de origen vegetal y animal se acumulan en el fondo de mares internos (lagunas marinas). Las bacterias actan, descomponiendo los constituyentes carbohidratos en gases y materias solubles en agua, y de esta manera son desalojados del depsito. Permanecen los constituyentes de tipo ceras, grasas y otras materias estables, solubles en aceite.

2da etapa A condiciones de alta presin y temperatura, se desprende CO2 de los compuestos con grupos carboxlicos, y H2O de los cidos hidroxlicos y de los alcoholes, dejando un residuo bituminoso. La continuacin de exposiciones a calor y presin provoca un craqueo ligero con formacin de olefinas (protopetrleo).

3er etapa

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Los compuestos no saturados, en presencia de catalizadores naturales, se polimerizan y ciclisan para dar origen a hidrocarburos de tipo naftnico y parafnico. Los aromticos se forman, presumiblemente, por reacciones de condensacin acompaando al craqueo y ciclizacin, o durante la descomposicin de las protenas.

2. COMPONENTES CRUDO.

QUMICOS

DEL

PETRLEO

Los constituyentes del petrleo crudo se dividen en dos grupos: Compuestos Hidrocarburos y Compuestos no Hidrocarburos o Inorgnicos.

2.1

Compuestos Hidrocarburos.En el petrleo crudo se encuentran principalmente tres tipos de hidrocarburos bsicos:

A) Hidrocarburos Parafnicos. Este tipo de hidrocarburos constituyen cerca del 32% de los hidrocarburos existentes en el petrleo crudo y son compuestos saturados que forman dos grupos principales: normales y ramificados o isoparafnas. Los compuestos saturados son aqullos carbones cuyos enlaces se encuentran ocupados por hidrgeno y entre carbn y carbn tienen un solo enlace.

1) Normales o de Cadena Lineal. Frmula general: C2H2n+2

Propiedades importantes: Poco reactivos, muy estables. Bajo octano (gasolinas). Alto cetano (diesel). Alto punto de escurrimiento (baja viscosidad). % en peso de H2 Hidrocarburo C1 C2 C3 C4 C5 C % en peso H2 25 30 18.2 17.3 16.7 14.3

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Ejemplos:

2) Ramificados (Isoparafinas) Frmula general: C2H2n+2 Propiedades importantes: Ligeramente ms reactivos que las parafinas normales. Mayor octano que las parafinas normales. Menor presin de vapor (menos voltiles). % en peso de H2 Hidrocarburo C1 C2 C3 C4 C5 C % en peso H2 25 30 18.2 17.3 16.7 14.3

Ejemplos:

B) Hidrocarburos Naftnicos. (Compuestos cclicos o de anillo) Constituyen aproximadamente el 21% de los hidrocarburos presentes en el petrleo crudo. Son compuestos saturados, no muy propensos a reaccionar qumicamente. Frmula: Variable Propiedades importantes:

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Compuestos de alto octano. 14.3 % en peso de H2. Dentro de los naftenos se encuentran principalmente, los siguientes: 1) Monocicloparafinas. Son compuestos cclicos saturados de 5 (ciclopentanos) 6 (ciclohexanos) carbones. Ejemplo: CICLOHEXANO

A diferencia de las parafinas, las ms abundantes son aqullas que tienen un gran nmero de sustituyentes (generalmente metilo). Ejemplos: ALQUILPENTANO Y ALQUILHEXANOR R

METIL CICLOPENTANO

METIL CICLOHEXANO

Donde R normalmente es el radical metilo (-CH3) 2) Bicicloparafinas. Son anillos de cinco o seis carbonos, unidos entre s mediante carbonos comunes, su estructura es como se presenta a continuacin:

DECAHIDRONAFTALENO (DECALINA)

C)

Hidrocarburos Aromticos.

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Son compuestos no saturados con uno o ms anillos bencnicos sustituidos, constituyen cerca del 47% de la composicin de hidrocarburos en el crudo.

Frmula: Variable, pero contiene estructura de anillo aromtico. Propiedades: Alto octano Bajo cetano Bajo punto de escurrimiento Alta densidad

Ejemplo: BENCENO

Dentro de estos compuestos (en donde R = CH3 -) se encuentran los siguientes: 1) Alquilbencenos.

R

2) Aromticos cicloparafnicos.R

3) Fluorenos

R

4) Aromticos binucleares.

12R

5) Aromticos tri y tetranucleares.

R

2.2 Compuestos Inorgnicos.Constituyen una proporcin menor en el petrleo crudo, se consideran generalmente como contaminantes debido a su efecto corrosivo o inhibidor de la accin de los catalizadores en los procesos de refinacin. Los principales compuestos inorgnicos presentes en el petrleo crudo, son: Compuestos del azufre. Compuestos del nitrgeno. Compuestos del oxgeno. Agua. Metales. No metales. Sales inorgnicas.

Algunos, como los componentes del oxgeno, tienen inters econmico debido a su fcil recuperacin y su amplia utilidad industrial; otros como los metales, provocan efectos de oclusin de los poros de los catalizadores, promoviendo la sinterizacin (modificaciones en la estructura de la superficie del catalizador); disminuyendo su actividad y reduciendo su rea especfica; contribuyen a la cada de presin en los lechos catalticos. A su vez las sales inorgnicas provocan corrosin e incrustacin en oleoductos e instalaciones de produccin y proceso. Compuestos del azufre. Son compuestos complejos relativamente inestables y se descomponen durante los procesos de refinacin; su presencia tanto en el crudo como en los destilados es indeseable, ya que causan problemas de corrosin durante los procesos de conversin, provocan una accin contraria a los

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aditivos antidetonantes (MTBE y Tetra Etilo de Plomo); envenenan los catalizadores metlicos en los procesos que involucran reacciones qumicas de sntesis, adems de que en los productos finales se requieren cumplir especificaciones sobre el contenido de estos compuestos. Actualmente, no existe un proceso econmico mediante el cual se elimine totalmente el contenido de azufre en el petrleo crudo, por lo que en cada proceso de refinacin se separan mediante diversos tratamientos, antes de obtener el producto final.

PRINCIPALES COMPUESTOS DE AZUFRETIPO cido sulfhdrico FRMULA SE ENCUENTRA EN: Petrleo crudo, destilados primarios, productos de desintegracin. Petrleo crudo, destilados primarios, productos de desintegracin.

H2 SR-SHSH

Mercaptanos: 1. Alifticos. 2. Aromticos

Productos de desintegracin.

Sulfuros: 1. Alifticos 2. Cclicos R-S-R

Destilados primarios, Productos de desintegracin.

CH2

S

(CH2) n

Destilados primarios, Productos de desintegracin.

Disulfuros: 1. Alifticos

R-S-S-RS-S-R

Destilados primarios.

2. Aromticos

Productos de desintegracin.

Polisulfuros

R-Sn-R

Destilados primarios, Productos de desintegracin. Petrleo crudo, fracciones pesadas de la destilacin.

Tiofeno y Homlogos

C C S

C C

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Compuestos del Nitrgeno Los compuestos del nitrgeno han recibido menos atencin que los del azufre, ya que son relativamente inofensivos y no tienen utilidad comercial. Recientemente, se ha demostrado que presentan efectos inhibidores en los procesos catalticos, haciendo que cobre inters el estudio de este tipo de compuestos. Se clasifican en bsicos y no bsicos los primeros son de tres tipos: piridinas, quinolinas e isoquinolinas. Cerca de 85 compuestos bsicos han sido identificados y separados del petrleo, la mayora de stos son quinolinas alqulicas sustituidas con un grupo metilo en la segunda posicin. Los compuestos no bsicos no han sido muy estudiados pero se pueden mencionar los pirroles primarios y compuestos heterocclicos similares y nitrilos.

Compuestos Bsicos.

N PIRIDINA QUINOLINA

N ISOQUINOLINA

N

Compuestos no Bsicos.HC CH

HC N H

CH

R-CN Cianuros Orgnicos Nitrilos

PIRROL

Compuestos del Oxgeno. Debido a su utilidad en la industria qumica y su fcil extraccin, los compuestos del oxgeno han sido ampliamente investigados; existen tanto en el petrleo crudo como en los destilados; los cuales, gracias a su naturaleza cida pueden ser fcilmente separados.

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Los compuestos del oxgeno ms estudiados son: cidos Alifticos. Fenoles. cidos Naftnicos.OH H C 2 CHCOOH

R-COOH

H C 2 CH

( CH

2

)n

R CIDOS ALIFTICOS FENOLES

2

CIDOS NAFTNICOS

Otros compuestos de oxgeno son: teres. Furanos. Anhdridos. Cetonas. Esteres.

ETERES R O R O

FURANOS

O CETONAS O R C R ESTERES R COO R

ANHIDRIDOS O O

R C O C R

Agua. Generalmente los yacimientos que almacenan hidrocarburos, tambin contienen grandes cantidades de agua, que se requiere eliminar por los motivos siguientes: 1. Evitar su transporte y almacenamiento innecesario a los centros de refinacin y exportacin por ocupar espacio en lneas y equipos.

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2. Prevenir problemas de incrustacin o corrosin en lneas e instalaciones de produccin y proceso. 3. Evitar penalizaciones en el precio de venta del crudo exportado y cumplir los requerimientos de proceso en las Refineras. 4. Porque al calentarse el crudo, sta puede vaporizar sbitamente, originando gran volumen de vapor, y por consiguiente, alta presin en los equipos, pudiendo causarles dao.

Metales Los metales contaminantes presentes en el crudo como el fierro, nquel, sodio, vanadio, plomo y arsnico interfieren la accin de los catalizadores. En la tabla 1 se presenta el contenido y efecto de estos metales en los procesos catalticos de refinacin.

TABLA 1: CONTENIDO Y EFECTOS DE METALES CONTAMINANTES EN LOS PROCESOS DE REFINACINMETAL CONTENIDO DE METALES EN EL CRUDO (ppm) % DE METALES EN EL CATALIZADOR % DE DISMINUCIN DE ACTIVIDAD DEL CATALIZADOR EFECTOS

Sodio

170

0.10 (Na) 0.50 (Na2O)

3-6 20

Reduccin de actividad cataltica. Oclusin de los poros del catalizador. Modificacin en la estructura de la superficie del catalizador Reduccin de la actividad del catalizador. Oclusin de los centros activos del catalizador. Reduccin de actividad cataltica.

Arsnico

------

0.10 (As) 1.20 (As)

10 - 15 10 - 30 5 10 50

Plomo

------1.6 - 4.4

1.50 (Pb) 0.50 (Fe2O3) 8.00 (Fe2O3)

Fierro

Reduccin de actividad cataltica. Formacin de xido de fierro que contribuye a la reduccin del rea especfica. Contribuye al incremento de la cada de presin en los lechos catalticos. Desactivacin del catalizador. Prdida de resistencia mecnica del catalizador.

Nquel + Vanadio

10 - 300

5 - 10

50

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Compuestos no Metlicos (Carbn y Sedimentos) Los compuestos no metlicos presentes en el petrleo crudo son principalmente el carbn y los sedimentos. La prdida temporal de actividad de los catalizadores utilizados en los procesos de refinacin, principalmente en los procesos catalticos de transformacin de fracciones ligeras o intermedias del petrleo, es causada generalmente por el carbn depositado sobre la superficie del catalizador. Este tipo de desactivacin es llamado temporal, ya que la reactivacin del catalizador puede lograrse mediante la eliminacin del carbn depositado, por medio de la combustin. En cuanto a los sedimentos o insolubles constituidos por partculas finas de arena, barro, yeso, piedra caliza, dolomita, etc., los efectos que producen son: contaminacin de productos residuales, abrasin, corrosin y taponamiento de lneas y equipos. Tambin ocupan espacio en los equipos de almacenamiento, lo cual se traduce en un constante mantenimiento de los mismos.

Sales inorgnicas Se encuentran en forma de soluciones saturadas, ocasionando los efectos perjudiciales que se indican a continuacin: A) Cloruros La cantidad de estas sales vara ampliamente, aunque se pueden evaluar promedios, que se consideran en las siguientes proporciones: 75% de cloruro de sodio. 15% de cloruro de magnesio. 10% de cloruro de calcio. El in cloruro, es la fuente generadora del cido clorhdrico al ponerse en contacto con el agua a altas temperaturas durante los procesos de refinacin; siendo el compuesto de mayor incidencia de la corrosin en los equipos; por lo tanto, es necesario tener un estricto control de estas sales en el campo para prevenir daos en los equipos y disminuir la frecuencia de mantenimiento de los mismos y el costo para prevenir esta corrosin. B) Carbonatos y sulfatos Los carbonatos y sulfatos se encuentran en cantidades significativas, y causan problemas iguales o mayores que los cloruros, tales como: incrustaciones, erosin, y desgaste sobre las paredes de los equipos de

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procesos y tuberas, obstruyendo y disminuyendo la capacidad de los mismos.

EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN

Instrucciones: Lea cuidadosamente y seleccione marcando con una "X" la(s) respuesta(s) correcta(s).

1. El petrleo crudo es: A) Un compuesto qumico B) Una mezcla de hidrocarburos C) Una combinacin de agua con hidrocarburos D) Una combinacin qumica de muchos hidrocarburos E) Carbn combinado con oxgeno ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

2. Las principales impurezas que contiene el petrleo crudo son: A) Benceno B) Azufre C) Metales D) Aluminio E) Aire ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

3. La hiptesis mas aceptada, acerca de la formacin del petrleo es: A) Se form a partir del agua y del aire B) Se form a partir de oxgeno y carbn C) Se form a partir de la descomposicin de organismos vegetales y animales. ( ) ( ( ) )

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D) Se form por la descomposicin del agua y carbonatos E) Se form por la descomposicin de microorganismos marinos

( (

) )

4. Los hidrocarburos son compuestos qumicos formados principalmente por: A) Carbn y oxgeno B) Carbn e hidrgeno C) Hidrgeno y oxgeno D) Carbn, hidrgeno y oxgeno E) Carbn y nitrgeno ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

5. Una de las propiedades importantes de los compuestos aromticos es: A) Alto ndice de cetano B) Alto ndice de octano C) Baja viscosidad D) Son muy reactivos E) Alta presin de vapor ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

20

ndice

TEMA II CLASIFICACIN DE CRUDOS

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1. CRITERIOS DE CLASIFICACINExisten varios criterios para clasificar los crudos; sin embargo, son tres los ms importantes: 1.1. De acuerdo a su Composicin Qumica 1.2. De acuerdo a sus Caractersticas 1.3. Desde el Punto de Vista Comercial.

1.1. De Acuerdo a su Composicin Qumica

Con base en la naturaleza qumica del petrleo crudo, se clasifican internacionalmente, tomando en cuenta dos fracciones recuperadas por destilacin:

TABLA 2A FRACCIN LIGERA (1) 250 - 275 760 FRACCIN INTERMEDIA (2) 275 - 300 40

Intervalo de ebullicin, C Presin, mmHg

El factor de caracterizacin K(UOP) y la gravedad especfica 60/60 F, son las propiedades que se emplean para la clasificacin de los crudos (Tabla 2B).

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TABLA 2B: CLASIFICACIN DE LOS CRUDOS DE ACUERDO A SU COMPOSICIN QUMICACLASIFICACIN DEL ACEITE CRUDO FRACCIN 1 PARAFNICO PARAFNICO PARAFNICO 2 PARAFNICO INTERMEDIO NAFTNICO 1 >12.2 >12.2 >12.2 FACTOR DE CARACTERIZACIN K(UOP) FRACCIN 2 >12.2 11.4 - 12.0 0.8762 0.8767 - 0.9334 >0.9340

INTERMEDIO INTERMEDIO INTERMEDIO

PARAFNICO INTERMEDIO NAFTNICO

11.5 - 12.0 11.4 - 12.1 11.4 -12.1

>12.2 11.4 - 12.1 P.V.

P.A = P.V.

FIGURA 7 EL AGUA NO ENTRA EN EBULLICIN

FIGURA 8 EL AGUA ALCANZ SU TEMPERATURA DE EBULLICIN

En recipientes cerrados, la temperatura de ebullicin de los lquidos aumenta cuando la presin que se mantiene dentro del recipiente es mayor que la presin atmosfrica (presin positiva), y disminuye cuando es menor (presin negativa o vaco). Lo anterior se ilustra en las figuras 9 y 10.VAPOR VAPOR

P = 11.5 Psia

P = 67.0 Psia

Te = 93 C Te = 93 C AGUA

TeTe 149 C C = = 149AGUA

FIGURA 9 PRESIN NEGATIVA (VACO)

FIGURA 10 PRESIN POSITIVA

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El vapor que se produce tiene la misma temperatura del agua lquida, se dice entonces que se trata de vapor saturado. A una determinada presin le corresponde una temperatura de ebullicin. Cuando un vapor saturado se calienta por arriba de su temperatura de ebullicin, se considera que es un vapor sobrecalentado. Temperatura de ebullicin de una mezcla de dos o ms componentes En una mezcla toma importancia la cantidad relativa de molculas presentes de cada componente, esto se expresa como la fraccin mol de los componentes, y se determina por la siguiente relacin: Xa = moles de componente A/moles totales (para el componente A). Una mol se define como el peso molecular de un compuesto, expresado en gramos (o libras) y resulta de sumar los pesos atmicos de los elementos que lo integran. Si el peso molecular del agua (H2O) es 18, y el del metanol (CH3OH) es igual a 32, entonces una mol de agua es igual a 18 gramos y una mol de metanol a 32 gramos. Por ejemplo, si hay una mezcla de 40% de agua y 60% de metanol, la fraccin mol de cada componente ser tomando como base 100 gramos de mezcla:40 2 . 2 ( Moles ) 18 60 1. 87 ( Moles ) 32

Agua:

Metanol:

Moles Totales 2 . 2 + 1. 8 = 4 . 0 Fracciones Mol : Xa = 2. 2 = 0 . 55 (Agua) 4. 0 Xb = 1. 87 = 0 . 45 (Metanol ) 4. 0

La temperatura de ebullicin de una mezcla, depende de la presin de vapor de los componentes puros, de la concentracin molecular (expresado como fraccin mol) y la presin de trabajo. Cuando se tiene una mezcla con dos componentes A y B, con presin de vapor Poa y Pob y concentracin en fraccin mol Xa y Xb, respectivamente, al calentar la mezcla en un recipiente con presin P, la temperatura de ebullicin (Te) ser aqulla donde la presin de vapor de la mezcla sea igual a P, esto se puede representar por la siguiente relacin:Xa Poa + Xb Pob = P

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2. FRACCIONES DEL CRUDOEl crudo es una mezcla de hidrocarburos con molculas de diferente tamao y estructura, donde cada componente tiene su punto de ebullicin. Las molculas pueden representarse por medio de esferas de diferentes tamaos mezcladas en forma catica. La separacin del crudo en fracciones puede representarse como la separacin de las molculas por tamaos; as, cada fraccin contiene molculas dentro de un rango estrecho de tamaos, como se representa en la figura 11.FRACCIONES TURBOSINA (KEROSINA) DIESEL (GASLEO)

GASES

GASOLINA

RESIDUO

PETRLEO CRUDO

FIGURA 11 REPRESENTACIN DEL CRUDO Y SUS FRACCIONES

Valoracin de las fracciones del crudo

3. DESTILACIN TBP (TRUE BOILING POINT) DEL CRUDO Si se coloca una muestra de crudo en el recipiente de un equipo de destilacin (como se muestra en la figura) y se calienta, el volumen que se evapora a diferentes temperaturas puede medirse siguiendo el procedimiento que se describe a continuacin: Se calienta la muestra de crudo, y a determinados intervalos de temperaturas se mide el volumen de destilado acumulado en la probeta.

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AG U A C N EN O R O D SAD

AG U A

TER M ETR M O

CUO RD

D ESTI LAD O FLAM A

FIGURA 12 DESTILACIN TBP DEL CRUDO

Se calienta el crudo contenido en el recipiente hasta 65 C y se mantiene estatemperatura con la flama. El lquido empieza a hervir, se vaporiza una parte; despus de un momento deja de hervir y disminuye el volumen en el recipiente.

Se calienta hasta 205 C y se mantiene esta temperatura con la flama. Ellquido empieza a hervir, se vaporiza una parte, y despus de un tiempo, el lquido deja de hervir y el volumen en el recipiente disminuye nuevamente. De esta forma se pueden repetir los pasos anteriores a temperaturas de 400 y 482 C, haciendo una destilacin TBP para obtener los datos para construir una curva de destilacin TBP, graficando los datos de las temperaturas contra % de volumen evaporado (acumulado), como se muestra en la figura 13:

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500 400 TEMPERATURA

300

DE EBULLICIN C 200

100

0

20

40 60 80 % VOLUMEN ACUMULADO

100

FIGURA 13 CURVA DE DESTILACIN TBP DE UN CRUDO

Cada tipo de crudo tiene una curva de destilacin TBP que especifica la cantidad y los tipos de hidrocarburos presentes, generalmente a mayor temperatura de ebullicin corresponden compuestos ms pesados. Para especificar en forma ms completa las caractersticas del crudo es til incluir ciertos compuestos en grupos llamados fracciones.

Fracciones o cortes son los nombres genricos que se utilizan para nombrar a todos los hidrocarburos que hierven entre dos temperaturas llamadas puntos de cortes. Los puntos de corte se refieren a las temperaturas: inicial de ebullicin (T.I.E.) y final de ebullicin (T.F.E.) de las fracciones.

En la tabla 6 se muestra una clasificacin de las fracciones del crudo.

55

TABLA 6: FRACCIONES DEL CRUDOTEMPERATURAS C< 32 32 128 32 175 175 260 260 360 360 540

FRACCINButanos y ms ligeros Gasolina ligera Gasolina Turbosina (Querosina) Diesel (Gasleo atmosfrico) Gasleos para desintegracin Aceites lubricantes

> >

360 540

Residuo Atmosfrico Residuo de Vaco

Las composiciones de los crudos vara ampliamente, los crudos ligeros tienden a contener ms gasolina, nafta y kerosina; mientras que los crudos pesados tienden a contener ms gasleos y residuos. A continuacin se presenta la curva de destilacin TBP de un crudo tpico y sus fracciones:500

400

RESIDUOS GASLEOS PARA DESINTEGRACIN

T E M P E R A T U R A

E B U L L I C I N

300

ACEITES LUBRICANTES DIESEL (GASLEO ATMOSFRICOS

200

NAFTA PESADA (QUEROSINA)100

D C E

GASOLINA BUTANOS Y MS LIGEROS0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% VOLUMEN ACUMULADO

FIGURA 14 CURVA DE DESTILACIN DE UN CRUDO Y SUS FRACCIONES

56

FIGURA 14 A. Fracciones de un crudo tpico

En la figura 15, se presenta como ejemplo la curva de destilacin del crudo ISTMO.500

400

300 TEMPERATURA DE EBULLICIN C 760 mmHg 200

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % VOLUMEN RECUPERADO

FIGURA 15 CURVA DE DESTILACIN DEL CRUDO ISTMO

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De acuerdo con esta curva se pueden identificar las siguientes fracciones:

TABLA 7: FRACCIONES DEL CRUDO ISTMOFRACCIN RANGO DE EBULLICIN C % VOLUMEN

Gases Gasolina Kerosina Diesel Gasleo Residuo Atmosfrico Residuo de Vaco

55 55 - 175 175 - 260 260 - 360 360 - 540 360 + 540 +

0.2 25.6 16.0 15.0 23.5 43.0 19.5

58

EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN

Instrucciones: Lea cuidadosamente y seleccione marcando con una "X" la(s) respuesta(s) correcta(s).

1. Se le llaman fracciones del crudo a: A) Los contaminantes B) Los hidrocarburos ms ligeros C) Las mezclas de hidrocarburos que hierven entre dos temperaturas. D) El residuo E) Los gases disueltos ( ( ( ) ) )

( (

) )

2. La destilacin TBP de una muestra de crudo, sirve para determinar: A) El contenido de agua B) La gravedad especfica C) El contenido de sales D) El % de las fracciones E) El contenido de hidrocarburos aromticos ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

3. Las principales fracciones de un crudo son: A) Kerosina B) Residuo ( ( ) )

59

C) Benceno D) cido sulfhdrico E) Nafta F) Metano G) Gasleos H) Gas natural

( ( ( ( ( (

) ) ) ) ) )

4. Un lquido hierve cuando: A) La presin de vapor es mayor que la presin atmosfrica B) Alcanza 100 C de temperatura C) La presin de vapor es igual a la presin atmosfrica D) Se calienta arriba de 100 C E) Sus molculas se disocian

( ( ( ( (

) ) ) ) )

5. Un lquido es ms voltil que otro cuando: A) Tiene menor peso molecular B) Tiene mayor presin de vapor C) Tiene mayor peso especfico D) Hierve a menor temperatura E) Se evapora ms fcilmenteIndice

( ( ( ( (

) ) ) ) )

60

TEMA V ESTRUCTURA GENERAL DE UNA REFINERA Y PROCESOS DE SEPARACIN

61

ESTRUCTURA DEL SISTEMA NACIONAL DE REFINACIN CON CAPACIDADES DE PROCESAMIENTO

Nota: La capacidad de procesamiento de crudo sealada para la refinera de Minatitln es con la que operar despus de la reconfiguracin que se est llevando a cabo.

1. ESTRUCTURA DE UNA REFINERAUna refinera es un conjunto de instalaciones, constituida principalmente por plantas industriales de procesos en donde se transforma el petrleo crudo en productos tiles y valiosos que son muy importantes en nuestra vida diaria y que se utilizan principalmente como combustibles automotrices, para la aviacin e industriales. Adems de las plantas industriales de procesos, las refineras cuentan con instalaciones adicionales que sirven de apoyo para su eficiente operacin, como son: Oficinas tcnico-administrativas. Almacenamiento de hidrocarburos y de materias primas.

62

Plantas: De tratamiento de agua. Generadoras de energa elctrica. Generadoras de vapor. Talleres de mantenimiento. Laboratorios. Seguridad industrial. Proteccin ambiental. Servicios mdicos.

QU FUNCIN TIENEN LAS REFINERAS El crudo, es un aceite que como tal no tiene ninguna aplicacin til, como combustible es muy pobre y difcil de quemar y contiene muchas impurezas (como azufre y metales), por lo que es necesario procesarlos para convertirlos en productos tiles que tengan demanda en el mercado. Qu produce una refinera: En el esquema siguiente se muestran, en general, los principales productos de una refinera.

PRODUCTOS

USOS COMBUSTIBLES DOMSTICOS Y DE TRANSPORTE.

LPG

GASOLINAS

COMBUSTIBLE AUTOMOTRIZ.

CRUDO REFINERA

TURBOSINA

COMBUSTIBLES PARA AVIONES.

KEROSINA

DIFANO (COMBUSTIBLE DOMSTICO E INDUSTRIAL.)

DIESEL

COMBUSTIBLE PARA TRANSPORTE PESADO.

COMBUSTLEO

COMBUSTIBLE INDUSTRIAL.

FIG. 16 PRINCIPALES PRODUCTOS DE UNA REFINERA

63

En la industria de la refinacin es comn denominar como destilados a las fracciones o productos que se separan del crudo, evaporndose por calentamiento (posteriormente se condensan); de esta forma, cuando se habla en forma general de destilados, se hace referencia a la gasolina, kerosina, turbosina y el diesel, principalmente. Cuando se habla de destilados ligeros, se incluyen las gasolinas y los gases (metano, etano, propano y butano). Los intermedios incluyen la kerosina, la turbosina, y el gasleo ligero (diesel). El residuo o "fondo de barril" es lo que queda del crudo despus de extraerle los destilados. En las tablas siguientes se muestran las cantidades de crudo procesado y los productos obtenidos en las refineras de PEMEX.

64

PETRLEO CRUDO EN EL SISTEMA NACIONAL DE REFINACIN (miles de barriles diarios)

FIG. 7A PROCESO DE PETRLEO CRUDO EN EL SISTEMA NACIONAL DE REFINACIN

65

PROCESO DE PETRLEO CRUDO POR REFINERA (miles de barriles diarios)

FIG. 7B PROCESO DE PETRLEO CRUDO POR REFINERA

66

ELABORACIN DE PRODUCTOS (miles de barriles diarios)

FIG. 7C ELABORACIN TOTAL DE PRODUCTOS EN EL SISTEMA NACIONAL DE REFINACIN

67

ELABORACION DE PRODUCTOS PETROLFEROS POR REFINERA (miles de barriles diarios)

FIG. 7D ELABORACIN DE PRODUCTOS POR REFINERA

68

ELABORACION DE PRODUCTOS PETROLFEROS POR REFINERA (miles de barriles diarios)

FIG. 7E ELABORACIN DE PRODUCTOS POR REFINERA

69

En la figura siguiente se representan los principales procesos de una refinera moderna y en las tablas 8 y 9 se presenta la clasificacin de los procesos de acuerdo a su separacin y transformacin qumica.PRODUCTOS PLANTA DE GASES C1 + C 2 C + C 3 4 C + C 5 6 PLANTA DE ISOMERIZACIN ISOMERADO GAS COMBUSTIBLE LPG

GASES

NAFTA LIG.

PLANTA ESTABILIZADORA DE NAFTA

NAFTA ESTAB.

PLANTA HDS DE NAFTA

NAFTA DESULF.

PLANTA REFORMADO REFORMADORA DE NAFTA

PLANTANAFTA PESADA CRUDO

DE DESTILACIN

KEROSINA

ATMOSFRICA GASLEO LIGERO

PLANTA HDS DE DESTILADOS INTERMEDIOS iC = 4

TURBOSINA

Me OH MTBE = C 4

iC 4 ALQUILADO ALQUILACIN MTBE TAME

DIESEL

GASLEO PESADO GASES GASOLINA

PLANTA DE DESINTEGRACIN CATALTICA

Me OH iC = 5 TAME

GASLEOS RESIDUO ATMOSFRICO DE VACO

GASOLINA CATALTICA RESIDUO CATALTICO LPG PLANTA H.OIL

MEZCLAS

GASOLINA

PLANTA DE DESTILACIN AL VACO

RESIDUO DE VACO

PLANTA REDUCTORA DE VISCOSIDAD UE

NAFTA DESTILADOS INTERMEDIOS GASLEOS A FCC

PLANTA DE COQUE COMBUSTLEO

FIGURA 17 DIAGRAMA DE UNA REFINERA TPICA

70

TABLA 8: CLASIFICACIN DE LOS PROCESOS DE REFINACIN

FSICOS (No ocurren reacciones qumicas)

QUMICOS (Ocurren reacciones qumicas)

SEPARACIN

REARREGLO MOLECULAR cambian

DESINTEGRACIN

CONSTRUCCIN MOLECULAR

El crudo se separa en sus Los hidrocarburos fracciones estructura molecular)

su Las molculas grandes y complejas de Una molcula de hidrocarburo se une los hidrocarburos se desintegran con otra molcula para formar formando molculas ms pequeas molculas ms grandes Desintegracin cataltica Reductora de viscosidad Alquilacin Eterificacin: - MTBE - TAME

Destilacin atmosfrica Destilacin al vaco

Reformacin cataltica Isomerizacin

Fraccionamiento de gases

Hidrodesulfuracin

Hidrodesintegracin (H.Oil) Coquizadora

71

DESCRIPCIN DE LOS PROCESOSPor facilitar la comprensin de los procesos de refinacin, es conveniente, agruparlos en etapas, de acuerdo a la secuencia de separacin y transformacin del crudo hasta obtener los productos finales.

TABLA 9: AGRUPAMIENTO DE LOS PROCESOSETAPA NOMBRE PROCESOS DESCRIPCIN

1

Separacin del crudo

Destilacin atmosfrica Destilacin al vaco Fraccionamiento de gases Hidrodesulfuradoras (HDS) Reformadora de nafta Isomerizacin Desintegracin cataltica Eterificacin (MTBE y TAME) Alquilacin Reductora de viscosidad Hidrodesintegracin (H-Oil)

Incluye los procesos que separan al crudo en varias fracciones, las cuales constituyen los primeros productos intermedios Incluye a los procesos que transforman la nafta y gasleo, obtenidos en la primera etapa, en gasolina

2

Elaboracin de gasolina

3

Fondo de barril

Incluye a los procesos que transforman el residuo de vaco en productos ms ligeros

72

2. PROCESOS DE SEPARACIN 2.1. PROCESO DE DESTILACIN ATMOSFRICA (Plantas Primarias)

PRODUCTOS PRIMARIOS

DESTINO

GASES NAFTA O GASOLINA TURBOSINA CRUDO PLANTA PRIMARIA KEROSINA GASLEO LIGERO GASLEO PESADO RESIDUO PRIMARIO

A PLANTA DE TRATAMIENTO Y FRACCIONAMIENTO DE GASES A PLANTA HDS DE NAFTA A PLANTA HDS DE DESTILADOS INTERMEDIOS A PLANTA HDS DE DESTILADOS INTERMEDIOS A PLANTA HDS DE DESTILADOS INTERMEDIOS A PLANTA DE DESINTEGRACIN CATALTICA (FCC) A PLANTA DE DESTILACIN AL VACO

FIGURA 18 UBICACIN DEL PROCESO DENTRO DE LA REFINERA

Generalidades El primer proceso de separacin en una refinera es el de la "destilacin atmosfrica", llamada as porque la separacin del crudo (por destilacin) se lleva a cabo a una presin de 0.5 a 0.8 kg/cm2 manomtricos, ligeramente arriba de la presin atmosfrica. Tiene como objetivo principal, separar el crudo en varias corrientes, llamadas productos primarios o fracciones, es por esto que a esta separacin se le llama tambin fraccionamiento del crudo. Estas fracciones contienen impurezas principalmente compuestas de azufre y metales y no renen las especificaciones requeridas para ser utilizadas como productos finales, por esto, constituyen la materia prima para otros procesos en donde se eliminan estas impurezas y se adecuan a las especificaciones de calidad requeridas. A las instalaciones donde se llevan a cabo estos procesos se les llama "Plantas Primarias". Cada una de estas plantas tiene una capacidad para procesar crudo que van de 50,000 a 250,000 barriles por da (B.P.D.).

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REFINERAS DE PETRLEOS MEXICANOS PROCESO DE CRUDO (Miles de barriles por da) 270

NOMBRE Cadereyta

ESTADO Nuevo Len

Madero

Tamaulipas

195

Minatitln

Veracruz

350

Salamanca

Guanajuato

245

Salina Cruz

Oaxaca

330

Tula

Hidalgo TOTAL

320 1710

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CONDENSADOR DE GASOLINA 40 C 120 C A.E. ACUMULADOR DE GASOLINA GASES

NAFTA

(5)TURBOSINA RIL

AGOTADOR VAPOR A.E. AGOTADOR

(6)RIP

T O R R E

A T M O KEROSINA S F R GASLEO I LIGERO C A

TURBOSINA

KEROSINA A.E. AGOTADOR GASLEO LIGERO A.E. GASLEO PESADO A.E. RESIDUO ATMOSFRICO

350 C 300C CALENTADOR DE CARGA

RESIDUO

VAPOR RESIDUO

(4) GASLEO PESADO

(6) RIP

(3) GASLEO LIGERODESALADORA

250C (2) GASLEO PESADO

(5) RIP

(1) CRUDO DE CARGA GASLEO LIGERO

FIGURA 19 PLANTA DE DESTILACIN ATMOSFRICA

Descripcin del proceso El petrleo que se procesa en las refineras, es una mezcla de los crudos mexicanos Maya, Istmo y Olmeca, sta es enviada a travs de una red de oleoductos, desde las zonas productoras principalmente de las reas de Villahermosa y Campeche, y es recibida en las refineras en tanques de almacenamiento, donde se les proporciona un tiempo adecuado de reposo, con la finalidad de separar el agua y sedimento que pudieran haber arrastrado. Los tanques se purgan peridicamente para desalojar estos contaminantes, como se muestra esquemticamente en la figura 20.

75

FIGURA 20 TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CRUDO

En estos tanques se toman muestras para hacer los anlisis necesarios en el laboratorio y determinar las propiedades fsicas, composicin y la cantidad de impurezas que contiene el crudo que se va a procesar en la refinera; de esta forma, se efectan los ajustes operativos necesarios. El resultado de los anlisis rutinarios proporciona los siguientes datos sobre el crudo: destilacin (% de las fracciones), peso especfico, viscosidad, contenido de sales, agua y sedimento. De los tanques de almacenamiento, el crudo es enviado a las plantas primarias por medio de bombas centrfugas o por gravedad, aqu es recibido por las bombas de carga que le proporcionan la presin suficiente para fluir por la planta. Las bombas de carga toman el crudo y lo envan hacia la planta, primero entra al tren de precalentamiento, donde se calienta, con las corrientes calientes que salen de la torre fraccionadora y de esta forma aprovechar el calor que sale del sistema y enfriar esas corrientes para su posterior proceso. El crudo intercambia calor con la corriente de gasolina que sale del domo de la torre fraccionadora (en algunos procesos), luego con la turbosina, reflujo intermedio ligero (RIL) y kerosina, elevando su temperatura hasta 130 C; en seguida, entra a la desaladora que opera a una presin entre 5 a 20 kg/cm2, suficiente para mantener los gases en estado lquido, en donde la emulsin de crudo con agua es sometido a un campo elctrico para separar el agua salada.

76

El crudo sale de la desaladora con menos de 5 libras por cada mil barriles de sal (5 lb/mb) y 0.1% de agua como mximo y en seguida intercambia calor con las corrientes de gasleo ligero (GL), reflujo intermedio pesado (RIP) y gasleo pesado (GP), elevando su temperatura hasta 300 C; para alcanzar la temperatura de alimentacin a la torre (350 C), el crudo es calentado en el "calentador de carga" vaporizndose parcialmente. Al entrar al calentador, el crudo se divide en varios serpentines para su mejor calentamiento, se usa gas o combustleo, con quemadores distribuidos en la base o en los lados, segn el diseo del calentador. El crudo parcialmente vaporizado que sale del calentador y es conducido a travs de las "lneas de transfer" a la torre fraccionadora atmosfrica, que contiene normalmente entre 30 y 35 platos, como se muestra en la figura 21; aqu el crudo se separa en sus diferentes fracciones.

VAPORES DE GASOLINA

REFLUJO 35

23

PLATOS

TURBOSINA

20 SECCIN DE RECTIFICACIN

KEROSIN A PLATOS GASLEO LIGERO GASLEO PESADO

14

8

5

CRUDO 350 C

4 SECCIN DE AGOTAMIENTO 1 VAPOR

RESIDUO ATMOSFRICO

FIGURA 21 DIAGRAMA DE UNA TORRE FRACCIONADORA ATMOSFRICA

77

Como se muestra en la figura 22 los platos dentro de la torre sirven para poner en contacto los vapores ascendentes con la corriente lquida descendente, originada en el reflujo del domo (parte superior). Al ponerse en contacto estas dos corrientes intercambian calor; los vapores se enfran y como resultado los componentes ms pesados se condensan, stos se suman a la corriente lquida que sale del plato. La corriente lquida se calienta y como consecuencia los componentes ligeros se vaporizan, unindose a la corriente de vapores que ascienden. Cada plato trabaja a una temperatura determinada, la temperatura de los platos va aumentando del domo hacia abajo.LQUIDO

LQUIDO

VAPORES

FIGURA 22 ESQUEMA DE UN PLATO DE CACHUCHAS

La torre fraccionadora consta de dos secciones principales, la de agotamiento que comprende de la entrada de alimentacin hacia la parte inferior de la torre y la seccin de rectificacin que comprende de la entrada de alimentacin hacia el domo de la torre. Al entrar la corriente del crudo a la torre fraccionadora los vapores se separan y ascienden hacia el domo, ponindose en contacto a travs de los platos con la corriente lquida que desciende. La concentracin de los componentes ligeros en los vapores va aumentando conforme ascienden y la concentracin de componentes pesados en la corriente lquida aumenta conforme desciende. Gases y gasolina natural Los vapores que salen por el domo de la torre estn compuestos por gases (metano, etano, propano y butano) ms los componentes de la gasolina o nafta, stos llegan a un "condensador de gasolina" enfriado por agua, donde se

78

condensan los vapores de gasolina, pasando posteriormente a un "acumulador de gasolina", en el cual se separan los gases que no se condensaron (metano, etano, propano y butano). La gasolina lquida del acumulador a temperatura de 40 C, la toman las bombas de reflujo y una parte es regresada a la torre como reflujo del domo para mantener una temperatura en el domo de 130 C. El resto de la gasolina, constituye la gasolina cruda o gasolina primaria y es enviada a almacenamiento o directamente a las plantas de hidrotratamiento para desulfurarla. Los gases que no se condensaron salen por la parte superior del acumulador hacia la seccin de un compresor para ser enviados a la seccin de fraccionamiento y tratamiento de gases de la planta cataltica. La presin de la torre es controlada entre 0.5 a 0.8 kg/cm2 por una vlvula que regula la salida de los gases del acumulador. La temperatura final de la gasolina (TFE) se controla entre 190 y 210 C por medio de la temperatura del domo de la torre que a su vez se controla con el reflujo. La gasolina que sale de la planta primaria es de bajo octano (alrededor de 52 octanos); adems, contiene azufre y metales, por lo que es necesario enviarla a otra planta para quitarle estas impurezas y aumentarle el nmero de octano. Turbosina La turbosina se extrae del plato nm. 28 de la torre fraccionadora, el cual tiene una temperatura de 180 C. En seguida pasa a un agotador en donde se pone en contacto con vapor sobrecalentado para regresar a la torre los componentes ligeros que se hayan arrastrado y, de esta manera, controlar la temperatura de inflamacin mayor de 38C e inferior a 50 C. La turbosina sale del agotador y la toman unas bombas centrfugas que la envan a la planta hidrodesulfuradora de destilados intermedios para eliminarle los compuestos de azufre o a almacenamiento, intercambiando calor previamente con el crudo de carga y enfrindose con agua en sus respectivos bancos de cambiadores de calor. Destilados intermedios Las extracciones de la torre fraccionadora de kerosina, gasleo ligero y gasleo pesado, siguen la misma trayectoria de flujo que la turbosina. La kerosina y el gasleo ligero se envan a las plantas hidrodesulfuradoras de destilados intermedios. El gasleo pesado se enva a la planta de desintegracin cataltica (FCC). La torre fraccionadora cuenta adems con dos reflujos intermedios: reflujo intermedio ligero (RIL) y reflujo intermedio pesado (RIP), los cuales equilibran la

79

carga trmica dentro de la torre, evitando el trnsito de grandes cantidades de vapores en la seccin de rectificacin. Residuo El residuo atmosfrico sale de la torre fraccionadora con temperatura cercana a 340 C, lo toman las bombas de residuo atmosfrico, y lo envan al banco de cambiadores de calor, donde se enfra parcialmente, cambiando calor con el crudo de carga. De aqu, se manda a la planta de destilacin al vaco o a almacenamiento, enfrindose previamente en una caja enfriadora con agua. El vapor recalentado que se inyecta en el fondo de la torre sirve para despojar al residuo de los componentes ligeros.

2.2. PLANTA DE DESTILACIN AL VACO

CRUDO DESTILACIN ATMOSFRICA DE VACO GASLEOS DESTILACIN AL VACO RESIDUO ATMOSFRICO A PLANTA REDUCTORA DE VISCOSIDAD RESIIDUO DE VACO H-OIL COQUIZADORA PLANTA CATALTICA

FIGURA 23 UBICACIN DEL PROCESO EN LA REFINERA

Generalidades. El proceso de la destilacin al vaco se lleva a cabo a 50 mm de Hg de presin absoluta y una temperatura de 385C aproximadamente, tiene como objetivo principal extraer los destilados ligeros que contiene el residuo atmosfrico (llamado tambin crudo reducido), debido a que estos destilados ligeros ya separados, tienen mayor valor econmico y aprovechamiento en la refinera. Los gasleos y el residuo de vaco que se obtienen pueden tener varios usos, dependiendo del tipo de crudo procesado, la configuracin de la refinera, la capacidad de los procesos y la demanda de los productos.80

Esto significa, que la funcin general de la torre de vaco es recuperar la mxima cantidad de destilados, obteniendo las especificaciones de los gasleos y del residuo de vaco, de acuerdo a la aplicacin que se les vaya a proporcionar. Los gasleos de vaco tienen varios usos y aunque tienen las mismas propiedades generales, cada aplicacin tiene consideraciones especiales en sus especificaciones, las cuales se describen brevemente a continuacin: Aceites lubricantes Para producir fracciones o cortes de aceites lubricantes, las principales especificaciones a controlar son: la viscosidad, impurezas pesadas, color y en cierto grado la temperatura inicial y final de ebullicin. Carga a Planta Cataltica (FCC) Como carga a la planta cataltica, en este caso, requieren estar libres de impurezas principalmente metales y materiales asflticos. Carga a Plantas de Hidrotratamiento Como carga a las plantas de hidrotratamiento o hidrocracking no es muy importante que estn libres de metales, ya que stos son utilizados en los catalizadores de hidrogenacin; sin embargo, es importante que estn limitados en el contenido de carbn y de material asfltico. Las propiedades del residuo de vaco pueden ser ajustadas en diferentes formas: Cuando la produccin de gasleos sta debe ser la mayor posible y, por consecuencia, la presencia de ellos es mnima en el residuo, ste puede enviarse a mezclado para elaborar combustibles residuales. En las refineras modernas es enviado a procesos de desintegracin trmica o cataltica como son la reductora de viscosidad, coking o hidrocracking, donde se transforman en productos ms ligeros y valiosos como la gasolina. Una cantidad apropiada de gasleos debe permanecer en el residuo de vaco para proporcionar a ste el grado apropiado de plasticidad cuando va a ser utilizado posteriormente para elaborar asfalto. No todos los crudos pueden ser utilizados para elaborar asfalto, nicamente aquellos residuos que tienen las propiedades adecuadas para proporcionar en forma conveniente las aplicaciones de asfalto. Presin de vaco Como ya se explic en el captulo IV, para disminuir la temperatura de ebullicin de una mezcla, se utiliza presin negativa o de vaco.

81

Se le llama presin negativa o de vaco a aqulla que tiene un valor menor a la presin atmosfrica y presin positiva a la que es mayor. El valor de la presin atmosfrica es variable y depende de la altitud del lugar donde se mide. Al nivel del mar su valor es de 760 mmHg (milmetros de mercurio), 14.7 psi (libras por pulgada2), 1.03 kg/cm2 (kilogramos por centmetros cuadrados) y entonces se le llama presin atmosfrica "estndar". Se llama presin absoluta cuando la medicin se hace partiendo del cero absoluto de presin o de vaco total; y presin manomtrica cuando la medicin se hace a partir de la presin atmosfrica. El vaco se mide en mm o en pulg de Hg o de agua. En la prctica la presin de vaco significa los mmHg en que se ha disminuido la presin atmosfrica. Eyectores de vaco Los eyectores son equipos auxiliares sencillos en su construccin que se utilizan en las plantas para hacer vaco en equipos mayores como torres de destilacin y acumuladores, para su funcionamiento normalmente utilizan vapor al que se le llama "vapor motriz" Los gases que no condensan dentro de la torre de vaco, aparecen en el domo de la torre y son los que tienden a elevar la presin. Para provocar el vaco se utilizan los eyectores, los cuales succionan los gases y los envan a un enfriador para que puedan ser condensados y as recuperarlos. Los que no condensan se envan a un quemador.

82

VAPOR INCODENSABLES A QUEMADOR

PAQUETE DE VACO VAPORES P=15mmHg.a

TORRES DE DESTILACIN AL VACO

NOTA: GOLV = GASLEO LIGERO DE VACIO GOPV = GASLEO PESADO DE VACIO

A.E. A.E. A.E.

A.E. GASLEO LIGERO

TANQUE DE INCONDENSABLES AGUA AMARGA A TRATAMIENTO ACEITE A RECUPERADO

TANQUE DE SELLOS CALENTADOR DE CARGA

GASLEO PESADO ACUMULADOR

A.E. MEZCLA DE GASLEOS (A PLANTA CATALTICA)

385 C

VAPOR

CAMBIADORES DE CARGA VS GOPV RESIDUODE VACO A LAS PLANTAS: REDUCTORA DE VISCOSIDAD HIDROCRACKING ASFALTO

CARGA

CAMBIADORES DE CARGA VS RESIDUO DE VACO BOMBAS DE CARGA

RESIDUO ATMOSFRICO (DE LA PLANTA PRIMARIA)

FIGURA 24 DIAGRAMA DE FLUJO PLANTA DE DESTILACIN AL VACO

Descripcin del proceso El residuo atmosfrico proveniente de la Planta de Destilacin Atmosfrica, es tomado por las bombas de carga, que lo envan a travs del circuito de precalentamiento, cambiando calor con la corriente de gasleo pesado caliente que sale de la torre; posteriormente, llega a un calentador, en donde se calienta a una temperatura cercana a 385 C, ocurriendo con ello la evaporacin parcial de los destilados (gasleos). La carga parcialmente vaporizada sale del calentador, entra a la "zona flash" de la torre de destilacin al vaco, en donde termina de evaporarse por efecto del vaco. Los vapores que se separan en la "zona flash" ascienden hacia el domo de la torre, y se ponen en contacto en una seccin de empaque tipo rejilla, con una recirculacin caliente de gasleo pesado, con el propsito de eliminar los posibles arrastres de lquido y carbn y as evitar que el producto salga manchado. Esta seccin est complementada con una malla de separacin lquido-vapor, que evita el arrastre de lquidos pesados con la corriente de vapor que asciende a la siguiente seccin superior. Aqu, los vapores se ponen en contacto con una recirculacin fra de gasleo pesado, en una seccin de empaque de tipo rejilla y anillos, lo que ocasiona que

83

se condensen parcialmente los vapores. El lquido condensado se extrae de la torre como gasleo pesado hacia el tanque acumulador de gasleo pesado. Los vapores que no condensaron, ascienden a la siguiente seccin y se ponen en contacto, a travs de una seccin de empaque de anillos, con una corriente de lavado de gasleo ligero caliente, que sirve para eliminar los arrastres de lquido provenientes de la seccin inferior. Los vapores lavados ascienden a la siguiente seccin, donde se ponen en contacto, a travs de un lecho combinado de empaque tipo rejilla y anillos, con una corriente fra de gasleo ligero, el lquido condensado se extrae de la torre en un plato de extraccin total, que alimenta a las bombas de gasleo ligero. Los vapores residuales que no condensaron a travs de la torre, constituyen "los gases de carga a los eyectores" y estn constituidos principalmente de hidrocarburos ligeros que son arrastrados, vapor de agua y aire infiltrado. La parte inferior de la torre constituye la seccin de agotamiento por donde baja la fase lquida llamada residuo de vaco que se separ en la zona flash; esta seccin, normalmente est constituida por platos perforados de mampara, mezclndose con vapor de agotamiento en la parte inferior del ltimo plato con el objeto de separar los hidrocarburos ligeros que se presentan en el residuo. El residuo de vaco despus de haber sido agotado por el vapor de agua, sale y es tomado por las bombas de fondos y enviado hacia la seccin de calentamiento de la carga. Al salir de los cambiadores, una parte del residuo es recirculado hacia la bota del fondo de la torre, para mantener una temperatura relativamente baja del residuo de vaco (360 C) y as evitar la descomposicin trmica del mismo. El resto del residuo puede ser enviado a las siguientes plantas: reductoras de viscosidad, HOil, coking o de asfalto. El gasleo pesado que sale de la torre de vaco, pasa al tanque acumulador de gasleo pesado; en donde una parte retorna a la torre como recirculacin de gasleo pesado caliente, y la otra, se dirige a los cambiadores de calor de carga, donde se enfra parcialmente (el gasleo), y en seguida se divide en dos corrientes, una retorna a la torre de vaco, como recirculacin de gasleo pesado fro, y la otra, sale del acumulador de gasleo pesado a la planta de desintegracin cataltica (FCC). El gasleo ligero se extrae de la seccin de condensacin superior de la torre de vaco por medio de las bombas de gasleo ligero, esta corriente se divide en tres partes; la primera regresa a la torre de vaco como recirculacin de gasleo ligero caliente; la segunda, regresa al domo de la torre como reflujo de gasleo ligero fro; la tercera, sale a control de nivel del plato de extraccin del gasleo ligero,

84

hacia los lmites de batera y se une con el gasleo pesado para constituir la carga a la Planta de Desintegracin Cataltica. Por el domo de la torre se extraen los gases por medio de dos trenes de eyectores que operan en paralelo, en donde se condensan los hidrocarburos ligeros. El condensado se enva a un tanque de sellos, donde se separan los hidrocarburos, el agua y los gases incondensables se envan a la atmsfera.

2.3. PLANTA ESTABILIZADORA DE NAFTA Y FRACCIONADORA DE GASES

GASES DESTILACIN ATMOSFRICA A.E COMPRESOR

SEPARACIN DE GASES

GAS COMBUSTIBLE GLP

ACUMULADOR NAFTA LIGERA

ESTABILIZADORA DE NAFTA

NAFTA ESTABILIZADA

FIGURA 25 UBICACIN DEL PROCESO EN LA REFINERA

Descripcin del proceso La corriente de gases que salen del acumulador de nafta de la planta de destilacin atmosfrica est compuesta de hidrocarburos ligeros (metano, etano, propano y butano) y adems contiene cido sulfhdrico. El objetivo de este proceso es recuperar de esta corriente el propano y el butano para ser utilizados como gas licuado del petrleo (GLP) o como materia prima para elaborar otros productos petroqumicos. Al salir del acumulador, la corriente de gases se dirige a la succin de un compresor centrfugo, para aumentar su presin y ser alimentada a la seccin de fraccionamiento y tratamiento de gases. Por otra parte, la corriente lquida de nafta ligera que proviene del fondo del mismo acumulador, contiene algo de hidrocarburos ligeros, los cuales deben separarse para obtener la nafta estabilizada. Esta corriente se alimenta a una torre "estabilizadora de nafta" donde se separan y salen por la parte superior los85

hidrocarburos ligeros y por el fondo se obtiene la gasolina estabilizada, libre de butano y ms ligeros, sta es enviada a la planta hidrodesulfuradora de nafta (HDS) para eliminarle los compuestos de azufre. La nafta estabilizada es aqulla a la que se le han eliminado los hidrocarburos ligeros; por lo cual, ha reducido su presin de vapor y puede ser almacenada en tanques atmosfricos, sin evaporacin de hidrocarburos a la atmsfera. Las corrientes de hidrocarburos ligeros, son enviadas a una torre debutanizadora de la seccin de fraccionamiento, donde se separa por la parte superior una corriente que contiene metano, etano y propano, y por la parte inferior se obtiene la corriente en fase lquida de butano. La corriente con el propano y ms ligeros, se alimenta a una torre depropanizadora donde se separa el propano lquido por el fondo y el gas residual conteniendo metano y etano salen por el domo. Normalmente, la corriente de propano se une con la corriente de butano para constituir el gas licuado del petrleo (GLP), pero pueden ser utilizados tambin en forma independiente para elaborar otros productos.H S 2 GASES C4

TORRE DEBUTANIZADORA C1 C 2C 3 , , GAS RESIDUAL C1 C2 +ENDULZAMIENTO CON AMINAS A GAS COMBUSTIBLE

TORRE ESTABILIZADORA TORRE DEPROPANIZADORA NAFTA LIGERA

H 2S PROPANO GLPENDULZAMIENTO CON AMINAS

BUTANO

GLP

NAFTA ESTABILIZADA A HDS

FIGURA 26 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO

Las corrientes de gas residual (metano etano) y de GLP (propano y butano), son sometidas a un proceso de endulzamiento para eliminarles el azufre, el cual est presente en forma de cido sulfhdrico (H2S). Este proceso consiste en poner en contacto estas corrientes, con soluciones de aminas las cuales absorben el H 2S dejando a los hidrocarburos libres de este compuesto. El gas residual finalmente es conducido a la red de gas combustible de la refinera, y el GLP, es enviado a almacenamiento, para su distribucin y venta.86

EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN Instrucciones: Seleccione marcando con una "X" la(s) respuesta(s) correcta(s).

1. Algunos de los principales productos que se obtienen en una refinera son: A) Alcohol B) Diesel C) Turbosina D) Gas combustible E) Gasleo pesado ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

2. En refinacin, a los procesos que cambian la estructura molecular de los hidrocarburos, se les clasifica como: A) Construccin molecular B) Desintegracin C) Rearreglo molecular D) Destilacin atmosfrica E) Endulzamiento ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

3. El proceso de destilacin atmosfrica tiene como objetivo: A) El fraccionamiento de los gases B) La separacin del crudo en sus fracciones ( ( ) )

87

C) Separar del crudo los compuestos ligeros D) Obtener la gasolina E) Separar los compuestos aromticos

( ( (

) ) )

4. La nafta que se obtiene en la planta de destilacin atmosfrica, se utiliza como: A) Gasolina de alto octano B) Alimentacin a la planta hidrodesulfuradora C) Elaboracin de turbosina D) Alimentacin a la planta de desintegracin cataltica E) Elaboracin de difano ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

5. La planta de destilacin al vaco, tiene como objetivo: A) Separar la gasolina remanente del residuo B) Elaborar combustleo C) Separar la turbosina D) Obtener residuo de vaco E) Recuperar los gasleos que contienen el residuo atmosfrico ( ( ( ( ) ) ) )

(

)

Indice

88

TEMA VI PROCESOS PARA ELABORAR GASOLINA

1. PROCESOS PARA ELABORAR GASOLINA

89

1.1. PLANTA HIDRODESULFURADORA (HDS) DE NAFTA, Y DESTILADOS INTERMEDIOS

REFORMACINH S2

REFORMADO

DESTILACIN ATMOSFRICA

NAFTA TURBOSINA KEROSINA GASLEO LIGERO

NAFTA TURBOSINA

HD S

KEROSINA DIESE L

VENTAS

HIDRGEN O

FIGURA 27 UBICACIN DEL PROCESO EN LA REFINERA

Generalidades Los crudos que se procesan en una refinera contienen contaminantes como azufre y metales. Al separarse el crudo en varias fracciones (en la destilacin atmosfrica), los contaminantes se distribuyen en ellas, concentrndose ms a medida que la fraccin se compone de hidrocarburos ms pesados. En las corrientes de gases compuestas de hidrocarburos ligeros, el azufre est presente en forma de cido sulfhdrico (H2S); y a partir de hidrocarburos con 6 tomos de carbn, forma compuestos con los propios hidrocarburos o est ocluido en ellos. El proceso mediante el cual se eliminan los compuestos de azufre y metales de los hidrocarburos utilizando hidrgeno, se llama en forma genrica HIDROTRATAMIENTO. En las refineras este proceso se realiza para desulfurar la nafta, la turbosina, la kerosina y el gasleo ligero, antes de enviarlos a almacenamiento como producto final; en algunas refineras, se hidrotratan los residuos de vaco para desulfurarlos o desintegrarlos.

90

Existen varias razones para eliminar estos contaminantes por medio de hidrotratamientos, entre los ms importantes pueden mencionarse los siguientes:

El azufre y los metales envenenan a los catalizadores, que son utilizados en los procesos de reformacin y desintegracin cataltica. Las normas ambientales restringen el contenido de azufre en las emisiones a la atmsfera y en los combustibles que se elaboran en las refineras. Mejorar la calidad de los combustibles, ya que al quemarse se eliminan los malos olores y disminuye la formacin de humo.

Descripcin del proceso La carga constituida por la corriente de hidrocarburos que se va a desulfurar (nafta, turbosina, kerosina o gasleo ligero) se mezcla con una corriente rica en hidrgeno; y luego se calienta hasta una temperatura que oscila entre 260 y 425 C en un calentador de fuego directo La mezcla es cargada a un reactor que contiene un catalizador de nquel molibdeno, en donde toman lugar las siguientes reacciones principales:GASES AMARGOS TORRE DEBUTANIZADORA H 2 iC6 ISOHEXANO (+)

C4

COMPRESOR

TORRE A.E FRACCIONADORA

REACTOR CALENTADOR SEPARADOR

NAFTA DESULFURADA NAFTA AMARGA

A.E = Agua de enfriamiento (+) = Ms pesadas

FIGURA 28 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE HIDROTRATAMIENTO DE NAFTA

El hidrgeno se combina con los tomos de azufre para formar cido sulfhdrico. Algunos metales contenidos en las corrientes de hidrocarburos son depositados sobre el catalizador.

91

Los compuestos olefnicos, aromticos o naftnicos son saturados con hidrgeno y toman lugar algunas reacciones de desintegracin, formando hidrgeno ms hidrocarburos ligeros: metano, etano, propano, butano y pentano.

La mezcla caliente que sale del reactor, es enfriada hasta una temperatura de 55 C, cambiando calor contra la carga, y luego con agua de enfriamiento, con lo cual se condensan la mayor parte de los hidrocarburos; en seguida, la corriente entra a un separador, donde por la parte superior sale una corriente de gases, rica en hidrgeno hacia la succin de un compresor centrfugo que la recircula para mezclarse con la carga. La fase lquida del acumulador pasa primero a una torre debutanizadora y los fondos de esta torre van posteriormente a una torre deisohexanizadora; donde por la parte superior, se obtiene una corriente de hidrocarburos compuesta por isohexano, hexano, isopentano y pentano, y por el fondo se obtiene la corriente de hidrocarburos desulfurada. La corriente de hidrocarburos ligeros amargos conteniendo cido sulfhdrico se enva a la planta de tratamiento de gases. La mezcla de isohexano y ms ligeros, se enva a la planta fraccionadora de gases o a la planta de isomerizacin, y la corriente de hidrocarburos desulfurada, se enva a la planta reformadora de nafta, o a almacenamiento si se trata de turbosina, kerosina o diesel.

1.2. PLANTA DE REFORMACIN CATALTICALa nafta que se obtiene en la planta de destilacin atmosfrica es de bajo octano (53), ya que en su composicin predominan los hidrocarburos parafnicos y naftnicos; por lo tanto, no es conveniente que sea utilizada directamente como componente de la mezcla para elaborar las gasolinas, esto hace necesario someterla a un proceso de reformacin cataltica para incrementar su octanaje.

CRUDO DESTILACIN ATMOSFRICA(53

NAFTA

ESTABILIZADORA

NAFTA EST.

H.D.S

NAFTA DES.

REFORMADORA

REFORMADO(90 OCTANOS)

OCTANOS)

FIGURA 29 UBICACIN DEL PROCESO EN LA REFINERA

92

GENERALIDADESEl nmero de octano o calidad antidetonante de una gasolina, representa la capacidad del combustible para no alcanzar su temperatura de autoignicin cuando se comprime en los cilindros de un motor. Una gasolina de bajo octano inicia por s sola su combustin al comprimirse, antes de que el pistn termine su carrera, originando con esto golpeteos sobre el mismo pistn que se transmite al cigeal. La gasolina de alto octano, se quema con la chispa de la buja, evitando los efectos de una gasolina pobre en octano. La modernizacin de los automviles ha hecho que los motores requieran gasolinas que soporten mayor relacin de compresin, para ser ms eficientes; por esto, las refineras se han visto en la necesidad de producir gasolina de mayor octanaje y uno de los caminos ha sido la instalacin de las plantas reformadoras, donde los hidrocarburos parafnicos y naftnicos presentes en la nafta primaria son convertidos a hidrocarburos aromticos de alto nmero de octano. El esquema siguiente muestra la relacin entre la estructura qumica de los hidrocarburos, y el nmero de octano.

TABLA 10: COMPARACIN DEL NMERO DE OCTANO Y ESTRUCTURA QUMICAHIDROCARBUROS DE 6 CARBONES Hexano Normal Isohexano FRMULA NM. DE OCTANO CLASIFICACIN

32 Parafina C H C H C H C H C H C H 3 2 2 2 2 3C H C H Isoparafina C H - 83 C H C H 3 2 2 3 C H 3

Ciclohexano

83

Nafteno

Benceno

105

Aromtico

La reformacin cataltica de la nafta es un proceso qumico de rearreglo molecular, donde los hidrocarburos parafnicos se convierten a isoparafnicos, naftnicos y aromticos; lo cual genera mayor octanaje y puede representase en forma ilustrativa con las siguientes reacciones qumicas:

93

CH - CH - CH - CH - CH 3 2 2 2 CH 3

CH

3

ISOPARAFINA

CH + H 2 3

CATALIZADORCH - CH - CH - CH - CH - CH 3 2 2 2 2 2 3 CH PARAFINA

CALOR NAFTNICO

+H

2

AROMTICO

FIGURA 30 REACCIONES QUMICAS EN LA REFORMACIN CATALTICA

RECIRCULACIN DE

H

2

H2 A

HDS GASES

COMPRESOR DE H 2 H2 REACTOR 1 REACTOR 2 REACTOR 3SEPARADOR

ESTABILZADOR A

CALENTADOR 1 NAFT A

CALENTADOR 2

CALENTADOR 3 ENFRIADOR REFORMADO

FIGURA 31 DIAGRAMA TPICO DE UNA PLANTA REFORMADORA

Descripcin del proceso La nafta desulfurada que proviene de la planta hidrodesulfuradora, constituye la carga a la planta reformadora. Al entrar se le adiciona una corriente de hidrgeno; en seguida, la mezcla es precalentada con la corriente que sale del ltimo reactor. Las reacciones de reformacin son endotrmicas y se llevan a cabo en los reactores a una temperatura cercana a 550 C, por lo que es necesario llevar a cabo estas reacciones en varias etapas y reponer el calor requerido entre reactor y reactor. La mezcla entra al primer calentador donde se vaporiza y alcanza la temperatura de 550 C, en seguida, entra al primer reactor donde se llevan a cabo las

94

reacciones de reformacin en forma parcial. La temperatura de la carga disminuye y vuelve a entrar al segundo calentador para alcanzar nuevamente la temperatura de 550 C, para pasar al segundo reactor donde se vuelve a calentar y, finalmente, al ltimo reactor donde se terminan las reacciones. La corriente que sale del tercer reactor est compuesta principalmente por hidrgeno, hidrocarburos ligeros y una mezcla de hidrocarburos reformados con rangos de ebullicin entre 55 y 210 C, al que se llama "reformado", al salir del reactor, la mezcla se enfra, cambiando calor contra la carga y luego en un enfriador con agua, condensndose la mayor parte de los hidrocarburos; en seguida, pasa a un separador donde por la parte superior sale una corriente gaseosa rica en hidrgeno, la cual es tomada por el compresor de hidrgeno. Una parte es recirculada para mezclarse con la carga y otra es enviada a las plantas que requieren hidrgeno como la planta HDS. La fase lquida del separador es enviada a una torre estabilizadora donde se separan por la parte superior los hidrocarburos ligeros, los cuales se envan a la planta de gases para su separacin y por la parte inferior se obtiene el "reformado", el cual se alimenta a una torre isohexanizadora, donde por la parte superior se obtiene una corriente de isohexano (-) que contiene pentano, isopentano, hexano e isohexano, la cual es enviada a la planta de isomerizacin, por la parte inferior de la torre se obtiene el "reformado", el cual tiene alrededor de 90 octanos y es enviado a mezclas como componente de las gasolinas.

1.3. PLANTA DE ISOMERIZACINNAFTA LIGERA DESTILACIN ATMOSFRIC A NAFTA HDS REFORMACIN

ESTABILIZADORA

ISOMERIZACI N

ISOMERADO

FIGURA 32 UBICACIN DEL PROCESO EN LA REFINERA

Generalidades La Isomerizacin es un proceso cataltico donde los hidrocarburos parafnicos de 5 y 6 tomos de carbn, pentano y hexano sufren un rearreglo molecular sin cambiar el nmero de carbones. Consiste en la reubicacin de un radical de la molcula original a una posicin "iso" de la molcula resultante, lo cual le da a esta ltima, caractersticas diferentes a la molcula original, como es el ndice de octano, muy importante en la industria de la refinacin, lo anterior se ilustra con el siguiente ejemplo:95

Pentano (Parafnico)

Isopentano (Isoparafina) CATALIZADOR

CH3- CH2-CH2-CH2-CH3

CH3-CH2-CH-CH3 CH3

nm. de octano = 62

nm. de octano = 92

Al cambiar la estructura molecular, se modifican sus propiedades fsicas, incrementndose la presin de vapor y el nmero de octano. En este caso, al pasar el pentano a isopentano hay una ganancia de octanaje igual a 30 octanos, el hexano normal tiene un ndice de octano de 25 y al pasar a isohexano sube el octanaje a 75, originando una ganancia de 50 octanos. Con esto se puede establecer que la isomerizacin es un proceso til en las refineras para aumentar el octanaje de las corrientes que contienen hidrocarburos parafnicos de bajo peso molecular, como es el pentano y el hexano (C 5+C6), y el producto resultante llamado isomerado, ayuda a aumentar el octanaje de la mezcla utilizada para formular la gasolina. La corriente de "isohexano y ms ligeros" que se obtienen en la torre deisohexanizadora de la Planta Reformadora de Nafta, es rica en pentano y hexano, pero adems contiene isopentano e isohexano con un ndice de octano igual a 73 y constituye la carga a la planta de isomerizacin.

RECIRCULACIN DE C iC 5 + iC 6

5 +C 6 GASES LIGEROS

H 2 + cloro

H2 A.E. CARGA REACTOR SEPARADOR ISOMERADO FRACCIONADORA DE ISMEROS ESTABILIZADORA AGOTADORA

FIGURA 33 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO DE ISOMERIZACIN

96

Descripcin del proceso La carga es alimentada a una torre fraccionadora que sirve para separar los ismeros (iC5+iC6). Por la parte superior, se separan estos compuestos, y por la inferior sale una corriente que contiene la mezcla de pentano y hexano, los cuales se calientan intercambiando calor con el efluente del reactor y con un calentador a fuego directo; en seguida, entra la mezcla a un reactor que contiene un catalizador a base de platino y almina clorada, donde se llevan a cabo las reacciones de isomerizacin con una conversin de 50%. Saliendo del reactor la mezcla es enfriada, condensndose la mayor parte de los hidrocarburos; posteriormente, pasa a un separador o tanque de flasheo, donde se separa una corriente de gases rica en hidrgeno, el cual se forma en las reacciones. La mezcla es enviada por medio de un compresor centrfugo para mezclarse con la carga, junto con hidrgeno (H2) y cloro de repuesto. La fase lquida del separador es alimentada a una torre estabilizadora que separa por la parte superior una corriente conteniendo gases ligeros, por la parte inferior sale una corriente conteniendo los ismeros y compuestos que no reaccionaron, sta es enviada a una torre agotadora que separa por la parte superior las mezclas de (C5+C6) la cual es recirculada a la carga de la fraccionadora para reprocesarse y por la parte inferior de la torre se obtiene la mezcla de ismeros que se enva como isomerado a la mezcla de gasolinas.

1.4. PLANTA DE DESINTEGRACIN CATALTICA (FCC)

PRODUCTOS PROPANO/ PROPILENO CRUDO DESTILACIN ATMOSFRICA GASLEO PESADO DESINTEGRACIN CATALITICA BUTANO/ BUTILENO GASOLINA CATALTICA ACEITE CCLICO LIGERO RESIDUOCATALTICO

RESIDUO ATMOSFRICO DESTILACIN AL VACO GASLEOS DE VACO

FIGURA 34 UBICACIN DEL PROCESO DENTRO DE LA REFINERA

Generalidades En el inicio de la industria de la refinacin, slo existan los procesos de separacin del crudo por destilacin, con lo cual se obtena una gasolina de pocos octanos, con el tiempo se increment la demanda de la gasolina y sta creci ms

97

rpido que la demanda de combustleo; al mismo tiempo, la industria automotriz fue demandando mayor octanaje de la gasolina y menos contaminantes, principalmente el azufre, esto ocasion la elevacin de precios de la gasolina y declin los precios de las fracciones pesadas como los gasleos y el residuo. Para resolver este problema econmico y la mayor demanda de gasolina, se desarrollaron los procesos de desintegracin, siendo el ms popular el de desintegracin cataltica fluida. El proceso de desintegracin cataltica fluida, conocido popularmente como craking cataltico fluido (FCC), consiste en el rompimiento de las molculas de los gasleos, las cuales en un reactor se exponen al calor y son puestas en contacto con un catalizador para promover las reacciones de desintegracin. Un catalizador es una sustancia que facilita o retarda las reacciones qumicas, pero cuando stas han terminado, el catalizador mantiene sus propiedades y vuelve a quedar como al inicio, es decir, no altera su composicin, slo promueve las reacciones. La alimentacin a las plantas, normalmente es una mezcla de gasleos de vaco y gasleo pesado de la destilacin atmosfrica, y se compone principalmente de hidrocarburos parafnicos, constituidos por 18 a 32 tomos de carbones. El proceso es diseado para promover la desintegracin de los gasleos en una forma determinada y con el objetivo principal de obtener la mayor cantidad posible de gasolina cataltica de alto octano. Idealmente todos los gasleos deberan convertirse a gasolina, pero la tecnologa no ha logrado esto, ya que durante el proceso de desintegracin ocurren los siguientes fenmenos: al romperse las molculas de los gasleos se produce hidrgeno pero no el suficiente para saturar todos los carbones libres que aparecen, lo que ocasiona que se forme una cantidad considerable de carbn (o coke); al mismo tiempo, se forma todo el rango de hidrocarburos de bajo peso molecular, empezando desde el metano hasta el pentano, los cuales constituyen la mezcla de gases. Debido a la deficiencia de hidrgeno muchas de estas molculas de bajo peso molecular son olefinas. En resumen, el proceso de desintegracin cataltica produce todo el rango de hidrocarburos de tamao molecular desde metano hasta residuo y carbn (o coke).

98

CH4 + (GASES) MOLCULA DE GASLEO

CH3--CH3 + CH3-CH2-CH3

CH2=CH2 + CH3=CH2-CH3 (OLEFINAS) CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 I CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (GASOLINA) CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 I CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 (GASLEO) C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-CI I I I I I I I I I C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C (RESIDUO)

I

I

FIGURA 35 REACCIONES REPRESENTATIVAS DE DESINTEGRACIN CATALTICA

PRODUCTOS DE LAS REACCIONES

TORRE FRACCIONADORA

COMPRESOR DE GASES

GAS SECO CONVERTIDOR CATALTICO GASES DE COMBUSTIN CICLONES

LPG + 0LEFINAS GASOLINA CATALTICA NAFTA PESADA ACEITE CCLICO LIGERO

REACTOR TUBULAR REGENERADOR RESIDUO CATALTICO

AIRE VAPOR GASLEOS DE CARGA CARGA

FIGURA 36 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO. PLANTA FCC

Descripcin del proceso Los gasleos provenientes de la planta de destilacin al vaco son alimentados y precalentados, intercambiando calor con el residuo cataltico de la misma planta;99

en seguida, entran a un reactor tubular mezclndose con el catalizador. Los hidrocarburos junto con el catalizador se elevan a travs del reactor, empujados por una corriente de vapor que se alimenta en el fondo del mismo. Las reacciones de desintegracin se llevan a cabo dentro del reactor, manteniendo una temperatura cercana a 520 C. La mezcla de hidrocarburos producto de la reaccin ms el catalizador gastado y el vapor, salen del reactor y entran a un conjunto de ciclones donde se separa el catalizador gastado, el cual pasa en seguida a un desgasificador, donde se le separan los hidrocarburos que arrastra el catalizador, utilizando para ello vapor; posteriormente, fluye (el catalizador gastado) al regenerador. El catalizador gastado se encuentra cubierto del carbn que se form en el reactor. Los productos de las reacciones de desintegracin, salen de los ciclones y en seguida pasan a una torre fraccionadora donde se separan las siguientes corrientes de productos: gases, gasolina cataltica, nafta pesada, gasleo ligero, gasleo pesado y residuo cataltico. La corriente de gases con olefinas pasa posteriormente a la seccin de fraccionamiento y tratamiento de gases, donde se separan las siguientes corrientes: gas residual, propano/propileno y butano/butileno. El gas residual se enva a la red de gas combustible. La corriente de propano/propileno se enva a una torre fraccionadora donde se separa el propano, el cual se utiliza como GLP. El propileno se utiliza como materia prima para elaborar productos petroqumicos como acrilonitrilo o alcohol isoproplico. La corriente de butano/butileno se enva a la plantas de MTBE y alquilacin, para aprovechar las olefinas que contiene. En el regenerador, el catalizador gastado conteniendo el carbn, se somete a un proceso de combustin para quemar el carbn y dejar libre el catalizador y as mantener su actividad qumica el cual se recircula nuevamente al reactor para mantener el ciclo de recirculacin y utilizacin del catalizador. La combustin del carbn se logra alimentando al regenerador una corriente de aire con un soplador accionado por una turbina de vapor. El calor desprendido sirve para calentar el catalizador y mantener al reactor a una temperatura de 520 C y al regenerador a una temperatura de 745 C. Los gases calientes de la combustin compuestos principalmente por CO 2 y CO, salen del regenerador a travs de un banco de ciclones para separar el catalizador y en seguida pasan a un expansor que mueve un generador de corriente elctrica y, posteriormente, pasa a un generador de vapor donde se quema el CO pasando a CO2, con lo cual se genera vapor que se aprovecha en

100

la refinera. Finalmente, los gases se envan a la atmsfera a travs de una chimenea.

1.5. PLANTAS DE MTBE Y TAMEMe OH iC 4

iC 4 = GASLEOS PLANTA CATALTICA iC = 5

C 4= MTBE Me OH

ALQUILADOALQUILACIN

MTBE

TAME TAME

FIGURA 37 UBICACIN DE LOS PROCESOS EN LA REFINERA

Generalidades A travs de los aos, las normas ambientales se han vuelto ms estrictas y tienden a reducir en las gasolinas el contenido de olefinas, aromticos, benceno y la presin de vapor; adems, establecen que las gasolinas deben contener cierto % de oxgeno; por otra parte, la modernizacin de la industria automotriz requiere gasolinas de mayor ndice de octano. En las refineras, la planta cataltica (FCC) es la mayor generadora de olefinas; las corrientes de butanos y gasolina ligera que se obtienen en esta planta contienen alto porcentaje de olefinas de cuatro y cinco carbones, respectivamente. Estos compuestos se caracterizan por tener alta presin de vapor y ser muy reactivos; son precursores de ozono cuando escapan a la atmsfera; por lo cual, no es conveniente enviarlos directamente a la mezcla de gasolinas. Los refineros han encontrado nuevos procesos para disminuir en las gasolinas el contenido de olefinas, la presin del vapor y elaborar compuestos que contengan oxgeno, as como mejorar el ndice de octano, todo esto se logra por medio de los procesos MTBE, TAME Y ALQUILACIN.

101

El MTBE o metil terciario butil ter y TAME o teramil metil ter, son compuestos oxigenados elaborados a partir de olefinas y metanol.COMPOSICIN DE LA CORRIENTE DE BUTANO/BUTILENO Butano normal (nC4) Isobutano (iC4) Butileno* (C4=) Isobutileno* (iC4=) * = olefinas GASOLINA LIGERA Amilenos (iC5= + iC6=)* Amilenos + Metanol TAME

Isobutileno + Metanol MTBE Isobutiuleno + Butileno Alquilado

TABLA 11. PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS OXIGENADOS MTBE 88 18.2 113 8.0 0.74 TAME 102 15.7 106 1.0 0.75

Peso Molecular % de Oxgeno Nm. de Octano Presin de Vapor (psi) Gravedad Especfica

Como se observa en la tabla anterior, al agregados a la mezcla de gasolinas, en contienen olefinas, se obtienen las siguientes de olefinas, aumento en nmero de octano, presin de vapor.

elaborar estos compuestos y ser sustitucin de las corrientes que ventajas: disminucin del contenido se agrega oxgeno, y disminuye la

CH 3 CH3

C = CH2 + CH - OH 3 CATALIZADOR

CIDO

CH3 C CH3

CH3 O

ISOBUTILENO METANOL

CH3 METIL TERCIARIO BUTIL TER (MTBE) CH3 CH3 O C CH3 - CH 2 CH3

CH 3 CH3- CH 2

C = CH2 + CH3 - OH

ISOPENTENO (AMILENO)

METANOL

TERAMIL METIL TER (TAME)

FIGURA 38 REACCIONES QUMICAS

102

OLEFINAS METANOL

RECIRCULACIN DE METANOL C S SIN REACCIONAR A ALQUILACIN

4

AGUA

FRACCIONADOR REACTOR 1 REACTOR 2 DE MTBE EXTRACTOR DE METANOL FRACCCIONADOR DE METANOL

MTBE PRODUCTO

FIGURA 39 DIAGRAMA DE FLUJO. PLANTA DE MTBE

Descripcin del proceso de la planta MTBE La corriente de butanos proveniente de la planta cataltica, es mezclada con una corriente de metanol, la mezcla es controlada y enviada a un reactor que contiene un catalizador hecho de resina de intercambio inico. El isobutileno contenido en las mezclas de butanos, reacciona con el metanol para formar el MTBE, la reaccin genera calor, calentando la masa reaccionante, el efluente del reactor es dividido en dos corrientes, una es enfriada y recirculada a la alimentacin; de esta forma, la elevacin de temperatura en el reactor es controlada, la otra parte es enfriada y enviada a un segundo reactor para completar la reaccin. El efluente del segundo reactor pasa a una torre fraccionadora donde el MTBE producido es removido por el fondo y una corriente que contiene metanol y butano sin reaccionar sale por la parte superior, esta corriente es alimentada en seguida a una torre de lavado de metanol, donde ste es extrado con agua a contracorriente, (extraccin lquido-lquido). La corriente de butano sin reaccionar, sale por el domo de esta torre hacia la planta de alquilacin, la mezcla de metanol ms agua es alimentada a una torre fraccionadora de metanol, en donde por la parte superior se obtiene el metanol que no reaccion, el cual es recirculado a la alimentacin, la corriente de agua es removida por el fondo y regresada a la torre de lavado de metanol.

103

Descripcin del proceso de la planta TAME El proceso de TAME es muy parecido al de MTBE, aqu la corriente de nafta ligera que se obtiene en las plantas catalticas fluidas pasa inicialmente por una torre despentanizadora de donde se obtiene por la parte superior una corriente rica en amilenos (olefinas terciarias de 5 tomos de carbn), la cual se enva como carga a la planta de TAME y por el fondo de la torre se extrae una corriente de nafta despentanizada que se enva a mezclas de gasolina.(AMILENOS) = C5 TORRE DE TORRE LAVADO DE REACTOR REACTOR FRACCIONADORA PRINCIPAL COMPLEMENTARIO DE TAME TERCER RAFINADO RAFINADO REACTOR RAFINADO METANOL

AGUA

AGUA TAME PRODUCTO A ALMACENAMIENTO MEZCLADOR ESTTICO AGUA METANOL + AGUA A SEPARACIN

FIGURA 40 DIAGRAMA DE FLUJO. PLANTA TAME

1.6. PLANTA DE ALQUILACINGeneralidades En refinacin el proceso de alquilacin comprende la unin de una olefina (propileno o butileno) con isobutano, para formar una isoparafina a la que se le llama alquilado. En las refineras, los procesos de conversin como hidrocraking, reductoras de viscosidad, coking y desintegracin cataltica, producen cantidades considerables de olefinas, principalmente esta ltima, que produce propileno y butileno. En algunas refineras estas olefinas son separadas y utilizadas en la elaboracin de productos petroqumicos como GLP o se envan como componente de las gasolinas; en este caso, las olefinas tienen el inconveniente de tener alta presin de vapor y son muy reactivas, precursoras de ozono cuando escapan a la atmsfera. La tendencia actual de las refineras es producir la mxima cantidad posible de gasolina y disminuir su presin de vapor y su contenido de olefinas lo anterior se

104

favorece limitando la adicin a la mezcla de gasolina de corrientes que contengan olefinas y sustituirlas por alquilado, mediante el proceso de alquilacin. El concepto anterior se representa en el esquema siguiente:

PROPILENO NMERO DE OCTANO 94 93 PVR (psia) 70 78 BUTILENO ISOBUTANO

NMERO DE OCTANO ALQUILADO 92.5 PVR (psia) 5

ALQUILACIN

En conclusin, puede decirse que el proceso de alquilacin tiene la finalidad de procesar las olefinas que se producen en la planta cataltica, produciendo un compuesto llamado alquilado que tiene baja presin de vapor y al ser mezclado con la gasolina disminuye la presin de vapor de la mezcla. Las reacciones de alquilacin se muestran a continuacin:ALQUILADO OLEFINAS CH 3 CH 3 CH 3 ISOBUTANO PROPILENO CH 3 + CH 2 = CH CH 3 CH 3 CH 3 C CH 2 CH 2 CH 3

CH 3 ISOHEPTANO

CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 ISOBUTANO BUTILENO CH 3 + CH 2 = CH CH 2 CH 3 CH 3 C CH 2 CH 2 CH 3

CH 3 ISOOCTANO

Descripcin del proceso La corriente de olefinas originada en la planta cataltica pasa a la planta de MTBE, donde deja el isobutileno, y sale para pasar a la planta de alquilacin, al entrar ah, se une con una corriente rica en isobutano proveniente de la planta de reformacin, en seguida, la mezcla entra a un reactor asentador que contiene el cido fluorhdrico (HF) que sirve como catalizador; adems, cuenta con un sistema de enfriamiento para absorber el calor que producen los reactores y que mantienen baja la temperatura, aqu el isobutano reacciona con el butileno.

105

REACTOR ASENTADOR

TORRE FRACCIONADORA C3

TORRE DE DEPROPANIZADORA

AGOTADOR DE HF

RECIRCULACIN DE i C4 HIDROCARBURO S

PROPANO OLEFINA S RECIRCULACIN DE i C 4 ISOBUTANO ALQUILADO BUTAN O

FIGURA 41 DIAGRAMA DE FLUJO. PLANTA DE ALQUILACIN

El reactor-asentador est diseado de tal forma que los hidrocarburos se mezclan con el cido durante un tiempo de residencia de 15 a 20 segundos, y permite que los hidrocarburos se separen del cido, saliendo por la parte superior y asentando el cido en la parte inferior, recirculando internamente a travs de una conveccin natural.

Los hidrocarburos que salen del reactor-asentador se dirigen a una torre fraccionadora, donde se separa el alquilado y los hidrocarburos que no reaccionaron. Por la parte inferior sale el alquilado, el cual se enva a la mezcla de gasolinas y tambin sale una corriente lateral de butano; por la parte superior, sale propano y una corriente lateral de isobutano sin reaccionar, que se recircula a la carga.

La corriente de propano sale hacia una torre depropanizadora donde se le separa el isobutano, el cual sale por la parte inferior y se recircula a la carga. El propano libre de isobutano se enva en seguida a una torre agotadora de HF; en el fondo de esta torre se obtiene el propano y por la parte superior se separa el HF el cual se regresa al acumulador de la torre depropanizadora y de aqu se enva al asentador de cido.

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EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIN.

Instrucciones: Lea cuidadosamente y seleccione marcando con una "X" la(s) respuesta(s) correcta(s).

1. Algunas de las caractersticas de la nafta primaria que se obtiene en la destilacin atmosfrica son: A) Alto nmero de octano B) Alto contenido de azufre C) Bajo nmero de octano D) Contiene metales E) Contiene olefinas ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

2. El objetivo del proceso de hidrodesulfuracin (HDS), es: A) Eliminar los compuestos aromticos B) Eliminar los compuestos de a