Procesos petroquímicos

   Empecemos por analizar al oro negro, recurso finito o no renovable, que tantos productos nos ofrece al refinarlo y que tanta polémica ha ocasionado por la contaminación ambiental: el petróleo.

   Un barril de petróleo, tiene un volúmen de 160 litros y entre 500 a 1000 compuestos distintos, como aromáticos y alquenos.

   Para clasificar al petróleo, se tienen los grados API, de la siguiente manera:

• > 40 °API: condensado
• 30 - 39.9 °API: liviano
• 10-21.9 °API
• < 9.9 °API: Extrapesado (como bitumen). Este crudo tiene gran cantidad de azufre y asfaltenos.

   El crudo dulce, tiene poca cantidad de azufre.

Operaciones unitarias y procesos petroquímicos

   Para poder transformar al petróleo, en productos finales o en materias primas para otras industrias, es necesario pasarlo por diversas operaciones unitarias y procesos. Éstos primeros procesos, se dan lugar en la refinería.

   Entre esas operaciones, están las siguientes:

• Destilación, a diversas presiones, incluyendo vacío. Se separan los componentes del crudo con ciertas condiciones de temperatura y presión, donde los elementos más livianos salen en la parte superior y los más pesados en la parte inferior.

Para saber las diferencias entre columna empacada y columna de platos, se recomienda el artículo de Chemical Engineering World 

• Hidrotratamiento. Se adiciona hidrógeno, lo cual elimina dobles enlaces y permite la eliminación de azufre y nitrógeno.
• Blending o mezcla de productos refinados. Se mezclan algunos productos de la refinación, como gasolina craqueada, isómeros, reformados, alquilatos y la nafta coque tratada.
• Reformación catalítica. En esta se devuelven los dobles enlaces a las cadenas cortas, recuperándose hidrógeno y aumentando el octanaje del producto.
• Isomerización. Convierte compuestos lineales en ramificados y ésto puede aumentar el octanaje de la gasolina.
• Alquilación. Se añade un grupo alquilo.
• Craqueo. Se rompen moléculas pesadas, para producir moléculas más pequeñas o ligeras, lo cual aumenta el octanaje de la gasolina.
• Hidro desulfuración. Se elimina azufre, "endulzando" el producto, tratándolo con hidrógeno.

 El octanaje, depende directamente del tipo de vehículo y su compresión. Entre más compresión realice el vehículo, más octanaje debe tener su gasolina y viceversa; ésto, para asegurar que la combustión sea completa, se aprovechen mejor los recursos y se disminuya la contaminación.

   Sin embargo, para que la gasolina tenga el octanajae requerido comercialmente, se debe tratar con diversas reacciones químicas. Éstas reacciones químicas, buscarán crear olefinas ligeras, las cuales presentan mayor octanaje.

   Así, cuando se tiene una olefina pesada (cadena larga), ésta debe pasar por diversos procesos como:

1. Hidrogenación: al añadir hidrógeno, desaparecen los doble enlaces; es decir, las olefinas se convierten en parafinas.
2. Craqueo o pirólisis: con este proceso, se rompe la parafina larga en parafinas cortas.
3. Des hidrogenación: se retira hidrógeno de las parafinas cortas, para volverlas olefinas cortas.

  Las olefinas cortas o ligeras, tienen mayor octanaje. Hay otros procesos, que también pueden aumentar el octanaje, como por ejemplo alquilación e isomerización.

El proceso detallado, desde la destilación a presión atmosférica

   La primera operación unitaria, es la destilación a presión atmosférica. Los elementos más livianos, salen por la parte superior de la torre, mientras que los más pesados salen en la parte inferior.

   Veamos qué productos se obtienen, desde los más livianos hasta los más pesados y sus tratamientos (de arriba hacia abajo).

• Gas. 

De este gas se obtiene el Gas Licuado de Petróleo, butanos y azufre, a través de des hidro sulfuración y el proceso Claus.

• Nafta ligera. 

Ésta, pasa por hidrotratamiento (se saturan las cadenas con hidrógeno) para su isomerización, para convertir compuestos lineales en ramificados, lo cual aumenta el octanaje de la gasolina.

• Nafta pesada. 

También pasa por hidrotratamiento, pero luego pasa por reformación catalítica donde se recupera hidrógeno y se obtienen olefinas ligeras (de alto octanaje).

 

En el hidrotratamiento, la nafta pesada se mezcla con hidrógeno, se precaliente y pasa por un reactor catalítico de lecho fijo. Luego, pasa por una columna de stripping, donde la nafta des sulfurada es enviada a la unidad de reformado.

En el reformado, como es muy endotérmico (demanda energía) se lleva a cabo en reactores en serie con hornos entre ellos. Si los reactores son de catálisis continua, donde el lecho móvil permite la continua regeneración del catalizador de platino (pro se requiere un reactor adicional, para tratar al coque que se va formando).  

• Jet fuel y Kerosen
• Diesel. 

También pasa por hidrotratamiento. 

• Gasoil. 

Éste pasa por hidrotratamiento, luego por craqueo catalítico fluidizado (para formar moléculas más pequeñas), de aquí se le retira al gasoil la nafta, butenos y pentenos (siendo estos últimos usados en la alquilación).

 

Luego, ese gasoil será parte del Fueloil o combustóleo que es residuo de la destilación fraccionda. 

Mientras que la nafta, es hidrotratada para producir gasolina de craqueada.

* Aceites y lubricantes

• Residuos pesados de la destilación. 

Éstos pasan por una destilación al vacío, la cual es necesaria en compuestos de muy alto punto de ebullición.

 

 De la destilación al vacío, se obtiene:

 

Gasoil liviano, el cual se mezcla con el gasoil ya obtenido de la destilación atmosférica original, para pasar por el mismo tratamiento.

 

También se obtiene Gasoil pesada, que pasa por hidrocraqueo. Del hidrocraqueo, se obtiene gasolina hidrocraqueada, Diesel y i-butano.

El i-butano, se mezcla con los butenos y pentenos del Craqueo Catalítico Fluidizado (con el que se trató al gasoil). Luego, éstos pasan al proceso de Alquilación, que produce compuestos de alto octanaje.

Finalmente se obtienen residuos. Estos residuos, pueden ser tratados para obtener asfalto, coque o nafta coque (después de hidrotratarse y reformarse). 

 

 

Productos finales del proceso petroquímico 

• El azúfre, gas licuado de petróles, los butanos, el jet fuel y kerosene, el diesel, fueloil, el coque y el asfalto, son productos terminados.
• Todos los demás productos resultantes de todos los procesos ya descritos, como los isomerados, reformados, gasolina craqueada, los alquilatos y la nafta coque tratada, se mezclan en la Blending Pool para producir la gasolina comercial con el octanaje deseado. Recordemos que estos productos son hidrocarburos (estructuras de carbono e hidrógeno) que pueden ser cadenas ligeras de olefinas o estructuras pequeñas ramificadas, que tienen alto octanaje.

Gas de síntesis

   Con el coque, se puede obtener gas de síntesis que está compuesto de H2 y CO (hidrógeno y monóxido de carbono). Este gas, es importante porque de él se pueden obtener varios productos a través de diversos procesos, por ejemplo:

• Con CO se obtiene metano
• Con Fisher - Tropsch se obtiene Nafta y derivados halogenados y con ello olefinas y aromáticos.
• Con Haber, se puede obtener NH3
• El CO puede reducir el óxido de hierro para producir Fe+3

Tipos de reacciones con alquenos (olefinas)

1.  Alqueno  +  agua  =  alcohol
2. Alqueno  +  X2  =  dihaluros
3. Alqueno  +  HX  =  haluro de alquilo (los alógenos "X" pueden ser F, Cl, Br, I)
4. Alqueno  +  R-OH  =  éter
5. Alqueno  +  R-H  =  alqueno o alcano grande
6. Alqueno  +  Alqueno  =  polimerización (plástico)

Elementos de seguridad para una refinería

Para planificar la seguridad de una industria, sobretodo una refinería donde hay tantos procesos de alto riesgo, es necesario tomar en cuenta la prevención, los sistemas de detección, control y alarmas, así como las respuestas ante una emergencia.

Estos sistemas de emergencia incluyen:

• Estructura
• Elementos en el proceso: dispositivos para alivio de presión, válvulas de alivio térmico, mangueras, tuberías, indicadores de nivel, detectores, instrumentación.
• Sistemas de gases inertes, sistemas de purga de gas combustible, etc.

• Control de presión con válvulas, control en descargas electrostáticas, des presurizaciones de emergencia

• Protección ante explosiones, sistemas de ventilación, rociadores, sistema de supresión para fuego gaseoso
• Áreas protegidas, control de procesos y alarmas, rutas e iluminación de emergencia, manuales para equipos de extinción de incendios, sistemas de comunicación ante una emergencia, drenajes, equipos de supervivencia personal.

Optimizaciones en las refinerías

Leyendo en mi revista favorita VirtualPro, vi varias propuestas para optimizar procesos en la refinería como:

1. Cambio del fluido de calentamiento en rehervidores de las torres, lo cual disminuye costos y aumenta la producción al hacer el proceso más eficiente.

2. Tratamiento de los radio nucleidos, que son sustancias radiactivas naturales que van quedando en la superficie por la actividad petrolera.

3. El etileno, se obtiene con el craqueo a vapor de la Nafta, para lo cual se propone la oxidación del metano.

4. Si el Gasoil pesado se mezcla con petróleo sintético (obtenido de arenas bituminosas), entonces se podría mejorar el rendimiento del craqueo catalítico fluidizado.

5. Mejora en los sistemas catalizadores, para disminuir las pérdidas de velocidad en tuberías, debido a las caídas de presión por fricción. Ésto, permite ahorrar energía de bombeo.