La refinacin comprende una serie de procesos de separacin, transformacin y purificacin, mediante los cuales el petrleo crudo es convertido en productos tiles con innumerables usos, que van desde la simple combustin en una lmpara hasta la fabricacin de productos intermedios, que a su vez, son la materia prima para la obtencin de otros productos industriales. La refinacin del petrleo se inicia con la separacin del petrleo crudo en diferentes fracciones de la destilacin. Las fracciones se tratan ms a fondo para convertirlas en mezclas deproductoscon losderivadosdel petrleo netamente comerciables y ms tiles por diversos y diferentes mtodos, tales como craqueo, reformado, alquilacin, polimerizacin e isomerizacin. O en otras palabras la refinacin es el conjunto de procesos fsicos y qumicos que permiten transformar un crudo en productos tiles. [1]La refinacin del petrleo es una etapa sumamente importante ya que mediante este proceso se producen gasolinas, naftas, destilados, asfaltos, lubricantes, ceras y combustibles residuales. [2]Tal cual es, el petrleo crudo tiene poco uso. Tiene que ser refinado para obtener de l productos tiles. Como toda mezcla, sus propiedades varan de pozo en pozo. Es ms preciado el petrleo que contiene una mayor proporcin de hidrocarburos con pocos tomos de carbono, ocrudo ligero, ya que permite obtener mayor cantidad de gasolina y de productos petroqumicos. [3]Muy a menudo la calidad de un Petrleo crudo depende en gran medida de su origen. En funcin de dicho origen sus caractersticas varan: color, viscosidad, contenido. Por ello, el crudo a pie de pozo no puede ser utilizado tal cual. Se hace, por tanto, indispensable la utilizacin de diferentes procesos de tratamiento y transformacin para la obtencin del mayor nmero de productos de alto valor comercial. El conjunto de estos tratamientos constituyen el proceso de refino de petrleo o refinacin del petrleo. [4]Una refinera es una planta de manufactura de productos qumicos y combustibles. Donde la materia prima es el petrleo crudo y los productos finales son gasolina, querosina, nafta, combustleos, lubricantes, asfalto, azufre, gas y otros productos tiles para el hombre derivados del petrleo.[5]Los derivados, son los productos obtenidos directamente pordestilacindel petrleo. Una refinera fabrica tres clases de derivados:I) Productos terminados, que pueden ser suministrados directamente al consumo.II) Productos semi-terminados, que pueden servir de base a ciertos productos despus de mejorar su calidad mediante aditivos.III) Subproductos o productos intermedios, como lanaftavirgen, que sirve como la materia prima petroqumica. [5]

FIGURA 1. Entradas y salidas en una refinera [cortesa libro Anlisis y Simulacin de procesos de refinacin del petrleo-RAFAEL TORRES ROBLES, pag:13]

El petrleo crudo que fluye de un pozo es muy espeso. Antes de que pueda ser utilizado tiene que ser limpiado y descompuesto en las diferentes formas tiles del petrleo, en un proceso llamado refinacin. Las diferentes formas son separadas en altas columnas llamadas columnas de fraccionamiento. Cada forma de petrleo, llamada fraccin, es una mezcla de hidrocarburos (sustancias compuestas solamente por carbono e hidrgeno). Estas fracciones varan de "pesadas" (con grandes molculas) a "liviana. [6]La refinera convierte el petrleo crudo y produce una variedad de derivados a travs de una serie compleja de reacciones qumicas y de cambios fsicos que se pueden englobar bsicamente en las seis siguientes operaciones principales: Fraccionar: porque separa una mezcla de hidrocarburos lquidos en diversos grupos especficos que incluyen a la gasolina, el diesel, los combustibles y otras sustancias ms ligeras.[5]Desintegrar: porque rompe los hidrocarburos grandes, conviertindolos en compuestos ms pequeos y de mayor utilidad. La desintegracin puede llevarse a cabo trmica o catalticamente. [5]Rearreglar: porque con altas temperaturas y con catalizadores rearregla la estructura qumica de los hidrocarburos del petrleo. Algunos hidrocarburos de cadena lineal son transformados en hidrocarburos cclicos o de cadena circular; del mismo modo los hidrocarburos cclicos son transformados.[5] Combinar: porque hace reaccionar dos o ms hidrocarburos o no hidrocarburos, tales como el azufre o el hidrgeno, para obtener otros productos que son considerados como mejorados.[5]Tratar: porque convierte materiales contaminantes a una forma tal que pueden ser desechados al medio ambiente sin causar problemas ecolgicos.[5] Mezclar: porque combina diferentes lquidos para producir los materiales finales con ciertas propiedades deseadas.[5]As, una refinera recibe petrleo crudo, fracciona, desintegra, reforma, combina y mezcla materiales para producir: gasolina con o sin mejorador del octanaje o tambin llamado antidetonante que es un compuesto oxigenado que se le adiciona a la gasolina (Chang y Leiby ,1992), gas licuado de petrleo o gas LP, combustleos, asfaltos, coque y azufre como subproducto, agrega otros compuestos aditivos. As como, usa (genera y/o compra) una variedad de servicios y materiales tales como la electricidad, aire, agua, nitrgeno, hidrgeno y catalizadores y finalmente retorna materiales de desecho al medio ambiente, despus de que se les ha dado un tratamiento adecuado para evitar la contaminacin. [5]Desde el punto de vista de la refinacin de petrleo, los procesos de obtencin de productos tiles se dividen en:Procesos de Separacin FsicaConsiste en separar el crudo en diferentes fracciones de petrleo, de acuerdo con su temperatura de ebullicin. Para ello emplea procesos fsicos como: destilacin atmosfrica y destilacin al vaco. En estos procesos no se altera la estructura molecular. En otras palabras Son aquellos procesos en los cuales se separan los componentes de una mezcla, basndose en las diferencias de algunas propiedades fsicas, sin que suceda un cambio en la estructura molecular o reaccin qumica, en ninguno de los componentes.[7]Destilacin bsica: La herramienta bsica de refinado es la unidad de destilacin. El petrleo crudo empieza a vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas ms bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las molculas ms grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fraccin de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. En las antiguas destileras, el residuo que quedaba en la caldera se trataba con cido sulfrico y a continuacin se destilaba con vapor de agua. Las zonas superiores del aparato de destilacin proporcionaban lubricantes y aceites pesados, mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto. A finales del siglo XIX, las fracciones de gasolina y nafta se consideraban un estorbo porque no exista una gran necesidad de las mismas; la demanda de queroseno tambin comenz a disminuir al crecer la produccin de electricidad y el empleo de luz elctrica. Sin embargo, la introduccin del automvil hizo que se disparara la demanda de gasolina, con el consiguiente aumento de la necesidad de crudo.[8]

Figura 2. Torre de fraccionamiento o destilacin. (Imagen cortesa de iesdmjac.educa.aragon.es). [9]Conversin qumica

Consiste en transformar unos componentes del petrleo en otros mediante reacciones qumicas, por accin del calor y en general, con el uso de catalizadores. Son procesos de conversin, entre otros, la reformacin y la desintegracin o craqueo; ambos procesos cambian la estructura molecular de los hidrocarburos, originalmente presentes en el petrleo. Los procesos de refinacin varan de acuerdo con la calidad del crudo. Por ejemplo, mientras ms pesado es el crudo, mayor complejidad y costo tendr su refinacin. Es decir Son aquellos procesos en los cuales est involucrado un cambio en la estructura molecular de uno o varios de los componentes de la mezcla. Entre los que estn:[7]

1. Viscorreduccin. (Reduccin De Viscosidad): es un proceso que consiste en transformar el residuo pesado de una torre de destilacindepetrleoen compuestos ms ligeros, a travs de la disminucin de laviscosidad. Descomponer molculas grandes de hidrocarburos en otras ms pequeas mediante accin trmica. Al mismo tiempo se reduce la viscosidad con el fin de emplear una menor cantidad de diluyente.[5]

Imagen Cortesa de PDVSA. [2]Craqueo Trmico (Agrietamiento-Cracking Desintegracin): La limitacin de generacin de altas temperaturas durante el primer anlisis de destilacin de petrleos (Silliman, 1855) no permiti lograr la descomposicin molecular. Sin embargo, con la ereccin de las primeras plantas de destilacin se logr obtener temperaturas ms altas y por falla, error u omisin se descubri y apareci al instante (1861) que hidrocarburos ms pesados (combustleos) y naftas podan producir derivados ms livianos(querosn, gasolinas y otros) que eran imposible de desprenderse a menores temperaturas. El cracking o descomposicin trmica es un proceso qumico por el cual se quiebran molculas de un compuesto complejo produciendo as compuestos ms simples. En este proceso, la materia prima se somete a una degradacin qumica, por medio de calor controlado entre450 500 C 850-900 C. Mediante el craqueo trmico hidrocarburos ms pesados (combustleos) y naftas pueden producir derivados ms livianos (querosn, gasolinas y otros) que eran imposibles de desprenderse a menores temperaturas.[10]

3) Craqueo cataltico (FCCFluid Catalytic Cracking- Descomposicin trmica cataltica fluida): El proceso de craqueo cataltico fluido se basa en la ruptura de cadenas de hidrocarburos del orden de los 45 tomos de carbono, mediante la accin de un catalizador que favorece que las reacciones se produzcan a una temperatura mas baja que la necesaria para el craqueo trmico de la misma carga. El gasleo ligero producido en la destilacin al vaco sirve esencialmente de carga en este proceso, el cual cumple la funcin de romper los hidrocarburos del gasleo con ayuda de un catalizador que normalmente es de compuestos de slice-aluminio. Durante el proceso se forma coque (depsitos de carbn), que se deposita en el catalizador reduciendo con esto su actividad cataltica. El catalizador se regenera quemando el coque con aire. Los productos en este proceso son gasolina cata-ltica, destilados ligeros y gasolina que se emplean como combustleos destilados.[11]

Imagen cortesa de gustato.com/petroleo/crackingcf.htm

Alquilacin. Proceso para la produccin de un componente de gasolinas de alto octanaje por sntesis de butilenos con isobutano. El proceso de alquilacin es una sntesis qumica por medio de la cual se une un alcano ramificado al doble enlace de un alqueno, extrado del cracking o segunda destilacin. Al resultado de la sntesis se le denomina alquilado o gasolina alquilada, producto constituido por componentes isoparafnicos. Su objetivo es producir una fraccin cuyas caractersticas tanto tcnicas (alto octano) como ambientales (bajas presin de vapor y reactividad fotoqumica) la hacen hoy en da, uno de los componentes ms importantes de la gasolina reformulada. La alquilacin es un proceso cataltico que requiere de un catalizador de naturaleza cida fuerte, y se utilizan para este propsito ya sea cido fluorhdrico o cido sulfrico. [12]Isomerizacin. En este proceso se emplea como materia prima la gasolina producto de la destilacin primaria y desulfurizada por la hidrodesulfurizacin. En este proceso tambin son rearreglados o reacomodados los hidrocarburos de la gasolina, en presencia de un catalizador de platino o de cloruro de aluminio. El producto es la gasolina de alto octano y gas combustible. Como un beneficio adicional del proceso, la isomerizacin elabora un producto que prcticamente no contiene azufre ni benceno. Por ende, algunas refineras han agregado recientemente la capacidad de isomerizacin, como un medio para cumplir los estrictos estndares del nuevo benceno en su produccin de gasolina. [5]Coquizacin La coquizacin es proceso de conversin trmica, no cataltico que descompone el aceite residual, el residuo ms pesado que resulta de la destilacin del crudo, en un rango de intermedios ms livianos para continuar su procesamiento. En la industria de la refinacin, la coquizacin es el medio principal (aunque no el nico) de conversin del aceite residual, el fondo del barril de crudo, en productos ms livianos y valiosos. Los productos en este proceso son: gas combustible, nafta, gasleos ligeros y pesados y coque.[13]

Proceso de Coquizacin. (Cortesa libro Anlisis y Simulacin de procesos de refinacin del petrleo-RAFAEL TORRES ROBLES, pg. 21)[5]

PolimerizacinLa polimerizacin combina dos o tres molculas de olefina liviana (C3 o C4) para producir una mezcla de componentes de gasolina de alto octanaje y olefnica (poligasolina). La polimerizacin es un proceso relativamente econmico. Pero no se usa demasiado debido a que la poligasolina es una mezcla de componentes de gasolina no muy deseada. Es altamente olefnica y las olefinas son inestables en la gasolina (tienden a formar gomas cuando se almacenan). Este proceso con los suministros de petrleo se puede utilizar para reaccionar butenos (molculas de olefinas con cuatro tomos de carbono) con iso-butano (ramificado molculas de parafina, o isoparafinas, con cuatro tomos de carbono) para obtener una gasolina de alto octanaje.[13]Reforma o reformacin La nafta desulfurizada se bombea a este proceso, el cual cumple la funcin de rearreglar los hidrocarburos por medio de desintegracin en catalizadores de platino-aluminio y bimetlico para producir gasolina de alto octano. Los productos de la unidad son: gasolina reformada de alto octano, hidrgeno, gas combustible y residuos ligeros como los propanos C3s y butanos C4s. Es la reformacin de la estructura molecular de las naftas. Las naftas extradas directamente de la destilacin primaria suelen tener molculas lineales por lo que tienden a detonar por presin. Por eso elreformingse encarga de "reformar" dichas molculas lineales en ramificadas y cclicas. Al ser ms compactas no detonan por efecto de la presin. Las reacciones qumicas principales en el reformado generan compuestos aromticos (hidrocarburos con molculas en forma de anillo. Los aromticos en el punto de ebullicin de la gasolina tienen un nivel de octano muy alto y caractersticas que favorecen la produccin de gasolina. [13]

Hidrocraking El hidrocracking es un proceso cataltico para convertir hidrocarburos lquidos de alto punto de ebullicin a fracciones ms livianas de alta calidad, tales como gasolina, combustible diesel, etc. en presencia del hidrgeno. Los compuestos qumicos son combinaciones de los elementos qumicos. Cada compuesto tambin tiene su propia frecuencia y su propio movimiento ondulatorio. Este proceso se presenta como un sistema de refino nico que controla la frecuencia natural y el movimiento ondulatorio del compuesto mediante un catalizador. El petrleo pesado y el plstico residual, por ejemplo, estn formados por una gran cantidad de tomos de Carbono e Hidrgeno. Estos compuestos se pueden dividir en molculas ms pequeas con la elasticidad propia de las ondas cunticas y el giro magntico. Por ejemplo, si estas molculas ms pequeas se introducen en un catalizador que tenga la frecuencia y el movimiento ondulatorio del petrleo ligero, puede formar petrleo ligero.Esta tcnica extraordinaria descompone compuestos pesados en molculas ms pequeas y las rene en el compuesto deseado. La materia prima que se puede utilizar en el proceso es muy variada: petrleo residual, aceite mineral usado, aceite vegetal, petrleo crudo, bunker C, residuos plsticos (PE,PP,PS), etc. En funcin del producto que se quiere obtener (nafta, diesel, gasolina, jet fuel, queroseno) se realiza el diseo del molde catalizador que se emplear en el proceso.En este proceso se inyecta la materia prima, se aade agua y se lleva a cabo el calentamiento. El gas generado en el tanque de descomposicin se lleva a una torre de catalizador para realizar la descomposicin de su nivel molecular e hidrogenacin. El sistema est diseado para que dicho proceso se realice a gran velocidad ya que el tratamiento se completa rpidamente. Entonces pasa a travs de un segundo molde catalizador y se sintetiza en otros compuestos, dependiendo de la frecuencia y la informacin relativa al movimiento ondulatorio que existe en el molde catalizador. El producto sintetizado se enfra en un condensador y se almacena en el tanque de almacenamiento de producto final. El producto obtenido contiene menos azufre y genera menos xido de nitrgeno al quemarse. Por lo tanto, con este proceso se obtiene un combustible de calidad y baja contaminacin.[14]

Purificacin:Se utilizan para eliminar las impurezas y las fracciones indeseadas contenidas en el crudo.Hidrotratamiento: Es una manera de eliminar muchos de los contaminantes de muchos de los productos intermedios o finales. En el proceso de tratamiento con hidrgeno, la materia prima entra se mezcla con hidrgeno y se calienta a 300 380 C. El aceite combinado con el hidrgeno entra entonces en un reactor cargado con un catalizador que promueve varias reacciones.[13]Hidrodesulfuracin: En esta unidad se purifica la corriente alimentada eliminndole bsicamente los compuestos de azufre; tambin se eliminan nitrgeno, oxgeno y metales pesados. Todo esto es con objeto de proteger los catalizadores empleados en otros procesos de la refinera. Los flujos de entrada que se manejan en este proceso son hidrocarburos. Los productos del proceso son: gasolina desulfurizada, naftas ligera y pesada desulfurizada, o combustleos desulfurizados o combustleos catalticos desulfurizados. [13]Desasfaltacin: A medida que se obtienen los productos por los diferentes procesos, muchos de estos requieren tratamiento adicional para remover impurezas o para aprovechar ciertos hidrocarburos. Para estos casos se emplean solventes. [13]Exudacin de Parafina: aquellos residuos blandos, medio y parafina cruda dura que salen del filtro rotatorio de desceracin, se pueden purificar ms utilizando una planta de exudacin. Los productos que salen de esta planta (aceite exudado, exudaciones blanda, media y parafina exudada dura) son tratados ms adelante con cido y arcilla y pasados por filtros y exprimidoras. [13]19. Extraccin de Azufre: Es otro proceso de purificacin, la extraccin de azufre del petrleo y de sus derivados, del gas natural y gases producidos en la refinera representa un importante porcentaje del azufre que se consume en el mundo. El azufre se utiliza en procesos y preparacin de compuestos para muchas otras industrias; qumica, metalrgica, caucho sinttico, agricultura, pulpa y papel, farmacutica y explosivos. En construccin de vas se ha experimentado para utilizarlo como recubrimiento de carreteras. [13]

Tipos de Refineras

Existen refineras simples y complejas. Las simples estn constituidas solamente por algunas unidades de tratamiento, mientras que las refineras complejas cuentan con un mayor nmero de estas unidades.[4]En efecto, en funcin del objetivo fijado y el lugar en el que se encuentra la refinera, adems de la naturaleza de los crudos tratados, la estructura de la refinera puede ser diferente. De la misma manera, en funcin de las necesidades locales, la refinera puede ser muy simple o muy compleja. A menudo, en Europa, en Estados Unidos y generalmente en las regiones en las que las necesidades de carburantes son elevadas, la estructura de las refineras es compleja. En cambio, en pases menos desarrollados como algunos de frica dicha estructura es bastante simple. En los pases que disponen de ellas, las refineras se instalan preferentemente en las costas, para ahorrar gastos de transporte y construccin de oleoductos. [4]

Clasificacin de las refineras segn su configuracin y complejidadLas caractersticas de configuracin y operacin de cada refinera son nicas. Estn determinadas principalmente por la ubicacin de la refinera, su diseo, el tipo de crudo preferido para refinacin, los requisitos del mercado para los productos refinados y las especificaciones de calidad (por ejemplo, contenido de azufre) para los productos refinados. [13]En este contexto, el trmino configuracin denota el conjunto especfico de unidades de procesos de refinacin de una refinera determinada, el tamao (capacidad de produccin) de las distintas unidades, sus caractersticas tcnicas destacadas y los patrones de flujo que conectan estas unidades. [13]Si bien no existen dos refineras con configuraciones idnticas, stas se pueden clasificar en grupos con caractersticas similares, definidas segn su complejidad. En este contexto, el trmino complejidad tiene dos significados. Uno de ellos es su acepcin no tcnica, que lo define como: intrincado, complicado, que consiste de muchas partes conectadas. El otro significado es en trmino especfico que se usa en la industria de la refinera, que los define como: un marcador numrico que denota, respecto de una refinera en particular, la amplitud, capacidad e intensidad de capital de los procesos de refinacin de la unidad de destilacin del crudo desde su origen (que, por definicin, tiene una complejidad de 1.0). A mayor complejidad de una refinera, mayor es la intensidad de las inversiones de capital de la refinera y su capacidad de agregar valor al petrleo crudo mediante: la conversin de ms fracciones de crudo pesado en productos livianos y de alto valor, y la elaboracin de productos livianos conforme las especificaciones de calidad ms estrictas (por ejemplo, combustibles con contenido ultra bajo de azufre). [13]En trminos generales, todas las refineras pertenecen a una de cuatro clases, que se define segn la configuracin del proceso y la complejidad de la refinera:Las refineras con unidades de destilacin atmosfrica o topping slo realizan la destilacin del crudo y ciertas operaciones de apoyo esenciales. No tienen capacidad de modificar el patrn de rendimiento natural de los petrleos crudos que procesan. Slo realizan el fraccionamiento del crudo en gas liviano y combustible de refinera, nafta (punto de ebullicin de la gasolina), destilados (queroseno, combustible pesado, disel y combustible de calefaccin) y el aceite combustible residual o pesado. Una parte de nafta puede ser apropiada en algunos casos para la gasolina con ndices de octano muy bajos. [13]Las refineras con esquema de hydroskimming no slo incluyen la destilacin del crudo y los servicios de apoyo, sino tambin el reformado cataltico, diferentes unidades de hidrotratamiento y mezcla de productos. Estos procesos permiten (1) convertir la nafta en gasolina y (2) controlar el contenido de azufre de los productos refinados. El reformado cataltico convierte la nafta de destilacin directa de modo que cumpla con las especificaciones de ndices de octano de la gasolina y elabora subproductos del hidrgeno para las unidades de hidrotratamiento. Las unidades de hidrotratamiento extraen el azufre de los productos livianos (incluida la gasolina y el combustible disel) para cumplir con las especificaciones del producto y/o permitir el procesamiento de crudos con mayor contenido de azufre. [13]Las refineras de conversin (o craqueo) incluyen no slo todos los procesos presentes en las refineras con esquema de hydroskimming, sino tambin, y lo que es ms importante, el craqueo cataltico y/o hidrocraqueo. Estos dos procesos de conversin transforman las fracciones de petrleo crudo pesado (principalmente gasleo), las cuales tienen altos rendimientos naturales en la mayora de los petrleos crudos, en flujos de refinacin liviana que se aaden a la gasolina, combustible pesado, disel y materias primas de petroqumicos. Las refineras de conversin tienen la capacidad de mejorar los patrones de rendimiento natural de los crudos que procesan, segn lo necesario para satisfacer las demandas de mercado de productos livianos. Sin embargo, stas an elaboran (ineludiblemente) productos pesados, de bajo valor, como el combustible residual y el asfalto. Las refineras de conversin profunda (o coquizacin) son, segn lo indica su nombre, una clase especial de refineras de conversin. stas incluyen no slo el craqueo cataltico y/o hidrocraqueo para convertir las fracciones de gasleo, sino tambin la coquizacin. Las unidades de coquizacin destruyen la fraccin del petrleo crudo ms pesado y menos valioso (aceite residual) mediante su conversin en flujos ms livianos que sirven como alimentacin adicional a otros procesos de conversin (por ejemplo, el craqueo cataltico) y para los procesos de mejoramiento (por ejemplo, el reformado cataltico) que elaboran los productos livianos ms valiosos. Las refineras de conversin profunda que poseen suficiente capacidad de coquizacin destruyen bsicamente todo el aceite residual de sus crudos para refinacin y los convierten en productos livianos.[4]

Referencias Bibliogrficas

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