Refino

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El petróleo es una mezcla de diferentes productos hidrocarburos. Para poder ser utilizado en las diferentes ramas de la industria y en los motores de combustión debe sufrir una serie de tratamientos diversos. Muy a menudo la calidad de un crudo depende en gran medida de su origen. En función de dicho origen sus características varían: color, viscosidad, contenido en azufre, punto de fluidez y contenido en diversos metales. Por ello, el crudo a pie de pozo no puede ser utilizado tal cual. Se hace por tanto indispensable la utilización de diferentes procesos de tratamiento y transformación para la obtención del mayor número de productos de alto valor comercial. El conjunto de estos tratamientos constituyen el proceso de refino de petróleo.

El refino del petróleo se sirve de diferentes técnicas con objeto de obtener un máximo de productos de gran valorización. Estos procesos se llevan a cabo en un refinería. La refinería es por tanto el lugar en que se trata el petróleo para producir una serie de productos comercializables. La estructura de cada refinería debe tener en cuenta todos las diferentes características del crudo. Además, una refinería debe estar concebida para tratar una gama bastante amplia de crudos. Sin embargo existen refinerías concebidas para tratar solamente un único crudo, pero se trata de casos particulares en los que las reservas estimadas de dicho crudo son consecuentes.

Existen refinerías simples y complejas. Las simples están constituidas solamente por algunas unidades de tratamiento mientras que las refinerías complejas cuentan con un mayor número de éstas.

En efecto, en función del objetivo fijado y el lugar en el que se encuentra la refinería, además de la naturaleza de los crudos tratados la estructura de la refinería pueder ser diferente. De la misma manera, en función de las necesidades locales, la refinería 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 refinerías es compleja. En cambio, en países menos desarrollados como algunos de África dicha estructura es bastante simple.

Las refinerías simples constan en su mayoría de las unidades de:

• destilación atmosférica (topping)
• destilación a vacío
• gas plant
• hidrotratamiento de nafta
• hidrodesulfuración de keroseno y de gasóleo
• reformado catalítico

El siguiente esquema representa la estructura de una refinería simple:

Sin embargo, además de las unidades antes citadas, las refinerías complejas pueden contar con otras unidades tales que :

• craqueo catalítico (FCC Fluid Catalytic Cracking)
• viscoreducción (visbreaking)
• isomerización
• alquilación
• vapocraqueo (steam cracking)
• soplado de bitúmenes
• coquefacción (coking)

En este caso, se dice que se trata de conversión profunda (deep conversion). Estas técnicas son cada vez más empleadas debido a la evolución del mercado. Los crudos disponibles tienden a ser cada vez más pesados mientras que la demanda se orienta hacia la "cima del barril" : el mercado de fueles pesados se reduce (en parte porque a menudo son remplazados por el gas natural) mientras que el consumo de carburantes para automóvil no cesa de crecer.

El petróleo crudo comprado en cualquiera de los mercados mundiales debe responder más o menos a las necesidades de la refinería. Este crudo, como ha sido dicho anteriormente, es una mezcla de cientos de productos diferentes, que van desde el gas metano hasta el residuo bituminoso, con unas características físico-químicas diferentes. El petróleo tal cual no puede utilizarse prácticamente en ninguna aplicación. Las unidades de tratamiento no siempre están adaptadas para tratar todos los tipos de crudo.

Existen diferentes tipos de crudos en función de sus componentes principales y de su contenido en azufre:

• parafínicos
• nafténicos
• aromáticos
• de muy bajo contenido en azufre
• de bajo contenido en azufre
• de contenido medio en azufre
• de alto contenido en azufre
• de muy alto contenido en azufre

El petróleo, una vez en la refinería, es almacenado en depósitos de gran tamaño, separando generalmente los crudos en función de su contenido en azufre, al igual que en los procesos de tratamiento. En función de la demande del mercado en un momento dado se trata primero un el crudo de bajo contenido en azufre, antes de pasar a tratar el crudo de alto contenido en azufre para evitar la contaminación de los productos salidos de cada tipo de crudo. En el caso inverso, los productos provenientes del tratamiento del crudo de bajo contenido en azufre son dirigidos en caso necesario hacia depósitos de almacenamiento de productos de alto contenido en azufre durante algunas horas, para ser tratados de nuevo más tarde.

[editar] Las unidades de refino

La descripción de las diferentes unidades hecha a continuación no es de ninguna manera exhaustiva. Los detalles de las reacciones físico-químicas que permiten la transformación de un producto en otro así como las condiciones operatorias del funcionamiento de dichas unidades podrán constituir artículos separados. De esta manera, la toma de contacto con el proceso de refino no estará sobrecargada innecesariamente.

[editar] Destilación

[editar] Destilación atmosférica

La destilación atmosférica es un proceso que consiste en la separación de las fracciones de hidrocarburos contenidos en el petróleo. Se trata de una de las primeras etapas del proceso de refino y las primeras refinerías de petróleo se resumían poco más o menos a una columna de destilación. La destilación está basada en la diferencia entre las temperaturas de ebullición de cada uno de los componentes del petróleo. En efecto, cada hidrocarburo puro posee características físicas y químicas específicas. Por ejemplo, los puntos de ebullición de algunos hidrocarburos más sencillos son:

• metano: -161,4°C
• etano: -88,6°C
• propano: -42,2°C
• butano: -0,6ºC
• pentano: 36,3°C
• hexano: 69°C

Igualmente, las fórmulas químicas de algunos cuerpos puros:

• metano: CH₄
• etano: C₂H₆
• propano: C₃H₈
• butano: C₄H₁₀
• heptano: C₇H₁₆
• octano: C₈H₁₈
• etc.

• de forma general, la fórmula química de los hidrocarburos llamados saturados es C_nH_2n+2, en la que el índice n representa el número de átomos de carbono contenidos en la molécula

• la fórmula química general de los hidrocarburos insaturados con un doble enlace es C_nH_2n; ejemplo: etileno C₂H₄

• la fórmula general de los hidrocarburos insaturados con un triple enlace es C_nH_2n-2; ejemplo: acetileno C₂H₂

Dentro del proceso de refinado de un crudo se utilizan en un primer momento las características físicas de cada uno de los compuestos de la mezcla, como la temperatura de ebullición, para separar dichos compuestos y extraer las fracciones primarias. Esta operación se denomina destilación. De manera análoga a una destilería de bebidas alcohólicas, el petróleo es calentado e introducido en una columna cerrada que se denomina columna de destilación atmósférica. Gracias a las diferentes temperaturas de ebullición de los compuestos, se produce la vaporización de las fracciones más o menos ligeras, pudiendo recoger a diferentes niveles de la columna las fracciones de productos ligeros, intermedios, medios y pesados.

La destilación se denomina "atmosférica" debido a que se lleva a cabo a una presión ligeramente superior a la presión atmosférica en una columna que dispone de un cierto numéro de platos (en general de 30 a 50). Después de esta primera destilación, la parte residual del fondo de la columna es enviada a otra columna, de menor tamaño y con un número de platos menor que se denomina columna de destilación a vacío. Esta fracción residual, llamada residuo atmosférico, contiene hidrocarburos con largas cadenas hidrocarburos susceptibles de "quemarse" formando coque si son calentados a más temperatura a presión atmosférica.

Para evitar la rotura de estas cadenas, la separación de los productos de este residuo atmosférico a vacío, a una pression de alrededor de 40 mm Hg (la presión atmosférica corresponde a 760 mm Hg). La pression reducida permite rebajar el punto de ebullición de los compuestos y por tanto se necesita calentar menos.

Debido a la complejidad de la mezcla de que está compuesto cualquier crudo, el objetivo de la destilación no es obtener los cuerpos puros por separado, sino la obtención de fracciones.

En un primer momento, el crudo pasa a través de un tren de intercambiadores para ser calentado a una temperatura de unos 110ºC, adecuada para la etapa de desalado, donde mediante la adición de agua dulce y gracias a un campo electrostático, el crudo es descargado de su contenido en sales.

El crudo pasa a continuación a segundo tren de intercambio y posteriormente a un horno donde su temperatura aumenta hasta unos 360°C. Después es introducido en la columna de destilación atmosférica. Como el crudo entra en la columna a una presión elevada, que se haya a una presión menor, sufre una descompresión brutal llamada flash. esta descompresión hace que la fracción ligera del crudo se evapore y se encamine hacia la parte alta de la columna, llamada sección de enriquecimiento. Una segunda fracción, más pesada, permanece en forma líquida y cae hacia la parte inferior de la columna, llamada sección de agotamiento.

Para llevar a cabo el intercambio de materia, base del fraccionamiento por destilación, los vapores ascendentes deben entrar en contacto con el líquido que desciende, circulando a contracorriente en la columna. Por ello, una parte del líquido obtenido por condensación en lo alto de la columna es reintroducido en la columna en forma de reflujo de cabeza de la columna. Su vaporización progresiva provoca la condensación de las productos más pesadas que contiene el vapor, retornando de nuevo en forma de líquido hacia los platos inmediatamente inferiores.

Este lavado del vapor ascendente hace que, por transferencia de calor y de materia, el líquido descendente se enriquezca en componentes pesados. La fase vapor que asciende hacia los platos superiores se enriquece al contrario de los constituyentes más ligeros, aumentando de manera progresiva a medida que asciende en la columna.

De esta manera se establece en la columna, de arriba a abajo, un gradiente creciente de temperatura (entre 110ºC en la parte superior hasta 350ºC en el fondo). El intercambio de materia entre el líquido y el vapor constituye el reflujo. Cuanto más elevado es la tasa de reflujo mejor es la separacion entre los diferentes productos. Esta tasa de reflujo se situa en torno a 7 en la columna de destilación atmosférica.

La fracción más ligera se obtiene en lo alto de la columna; esta fracción contiene gases licuados y nafta. Descendiendo en la columna por medio de corrientes laterales se obtienen queroseno, gasóleo ligero, gasóleos medios, gasóleo pesado y en el fondo de la columna el residuo atmosférico. Las fracciones obtenidas en las corrientes latereales son sometidas además a un fraccionamiento complementario llamado stripping en columnas anexas llamadas strippers, donde se eliminan las fracciones ligeras disueltas. Este stripping se lleva a cabo por medio de una inyección de vapor de agua a contracorriente. El residuo atmosférico puede ser utilizado directamente en la fabricación de fueles pesados comerciales o bien puede ser sometido a un nuevo fraccionamiento: la destilación de vacío. Todas las fracciones obtenidas en la destilación atmosférica son el resultado de una separación primaria y todas ellas van a ser utilizadas como alimentación de otras unidades de la refinería.

La columna de destilación, de forma cilíndrica, está constituida de platos perforados que disponen de campanas y chimeneas, situados unos encima de otros. En general, el número de platos oscila en torno a 40, variando entre 30 y 50 en función del tipo de crudos que se quiera tratar. La columna posee una entrada que se sitúa un poco por encima del fondo para la entrada del crudo que va a ser tratado. Igualmente la columna consta de un numéro variable de salidas para permitir la obtención de las diferentes fracciones. El lugar donde se encuentra la entrada del crudo así como las salidas de las diferentes corrientes no es producto del azar, sino resultado de un cálculo que va a permitir tratar un determinado tipo de crudos.