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Ing. Rodolfo del Rosal Díaz
Noviembre - 2006
TECNOLOGÍAS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
LAS LIMITACIONES TÉCNICO ECONÓMICAS DE LAS OPCIONES
ENERGÉTICAS PARA EL SIGLO XXI ENEL SECTOR ENERGÉTICO MEXICANO
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CONTENIDO
INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN
SITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERALSITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERAL
CONCLUSIONESCONCLUSIONES
ACCIONESACCIONES
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXIPROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
PROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓNPROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓN
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La industria de refinación en general, enfrenta cambios en lacomposición de la producción de petróleo crudo y en la estructuray características de la demanda de productos petrolíferos, asícomo en los requerimientos de calidad de combustiblesautomotores e industriales, de menor impacto sobre el medioambiente
Los crudos son cada vez más pesados, con un alto contenido deazufre, metales, sal y agua
INTRODUCCIÓN
Las especificaciones de los combustibles son cada vez másestrictas, y en este momento la gasolina debe de tener menos de30 ppm de azufre y el diesel menos de 15 pmm de azufre, amboscon mejores características detonantes y ambientales (Aromáticos,Octano, Cetano, etc.)
PROBLEMÁTICA EN REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
La producción de azufre se puede volver un cuello de botella en laoperación de las refinerías
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INTRODUCCIÓN
PETRÓLEO CRUDO
Gas de RefineríaPropano-PropilenoAzufreLPGButanosKerosina
“Pool” de GasolinaDieselLubricantesTurbosinaCoqueGas de SíntesisAsfaltoCombustóleo
(1) Generación interna(2) Suministro y/o generación interna
EMISIONES AL AMBIENTEGASOLINA NATURAL
GAS NATURAL
GAS DE REFINERÍA(1)
BIOCOMBUSTIBLES
ENERGÍA ELÉCTRICA(2)
VAPOR (2)
COMBUSTÓLEO (1)
HIDRÓGENO (2)
SOSA CÁUSTICACATALIZADORES Y ADITIVOSAGUAMETANOLHF/H2SO4
AMINAS
PRODUCTOSPRODUCTOS
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TRATAMIENTO FRONTAL DE
CRUDO
ESPECIALIDADES .
ENTRADAS
REARREGLO MOLECULAR
.
PROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓN
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN
DE HIDROCARBUROS
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
.
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
.
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
.
PRODUCTOS/
SALIDAS
Materias primas e insumos de la refinería
Adecuación del crudo requerida antes de la refinación
Destilación, extracción, fraccionamiento y absorción
Desintegración (cracking) catalítica o térmica, con o sin H2, severa o moderada
Endulzamiento, hidrotratamiento, absorción y separación
Combinación o separación química de dos o más moléculas para obtener productos de mayor valor
Isomerización, deshidrociclización, aromatización y desintegración
Productos que no están presentes en todas las refinerías
Productos al exterior y de autoconsumo, emisiones y efluentes resultados del proceso de transformación
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TRATAMIENTO FRONTAL DE
CRUDO
Planta de Lubricantes
Planta de Asfalto
Lubricantes
Asfalto
ESPECIALI-DADES
.
Isomerización de C5’s-C6’s
Reformación de Naftas
Isomerización de C4
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
Emisiones GaseosasOxidación, Absorción, Adsorción y Filtración
Desechos SólidosInertización, Incineración,
Clasificación y Almacenamiento
Líquidos/Aguas de DesechoRemoción de Aceites y Grasas,
Tratamiento Biológico, Incineración Recuperación de Agua para Reuso
Emisiones al Ambiente(1) Generación Interna
(2)Suministro y/o Generación Interna
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
PRODUCTOS/SALIDASFUNCIONES ENTRADAS
GASOLINA NATURAL
GAS NATURAL
PETRÓLEO CRUDO
GAS DE REFINERÍA (1)
ENERGÍA ELÉCTRICA(1)
VAPOR (2)
COMBUSTÓLEO (1)
HIDRÓGENO (2)
METANOL
HF/H2SO4
AMINAS
SOSA CÁUSTICA
CATALIZADORES Y ADITIVOS
AGUA
CRUDO
BIOCOMBUSTIBLES
REARREGLO MOLECULAR
.
Gas de Refinería
Síntesis de Fisher y Tropsch
Gas Natural ~
Crudo Sintético
Gasificación
Reformación de Gas
DIPE
Alquilación
MTBE
TAME
Recuperación de H2 de H2S
Polimerización Catalítica
~H2
RefinadoC4-C4=
~
H2O
Gas Natural
~
H2
Metanol
a “pool” de Gasolina
Gas de Síntesis
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
Isómero de C4
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Hidrotratamiento de Crudo
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
~H2
Biotratamiento
Microondas
Ultrasonido
Desalado
Crudo Sintético ~
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
.
Membranas de Rec. De H2
Extracción con Solventes
Fraccionamiento de C3 – C4
Rec. de Vapores no Saturados
Gas Amargo
Destilación Atmosférica
Gas y Nafta
Destilación al Alto Vacío
Gasóleos de Vacío
~
H2
Residuo Atmosférico
Gasolina Ligera Naftas Kerosina/Turbosina Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Rec. de Vapores Saturados
Residuos de vacío
Gas Amargo
Butanos dulces
Isoamilenos
Coque
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
.
Turbosina
Hidro-conversión
Coquización
Hidro-Desintegración
Desintegración Catalítica (FCC)
Desintegración de Residuos (RCC)
Reducción de Viscosidad
Hidroreducción de Viscosidad
Aceite cíclico ligero
~H2ó
H2O
~H2
~
H2
Gasóleo/Diesel
a “pool” de Gasolina
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
.
Kerosina/Turbosina
Gas de Refinería
Endulzamiento
Hidrotratamiento Gasolina FCC
Eliminación de Mercaptanos
Recuperación de AzufreGas Ácido
Hidrotratamiento C5’s-C4’s
H2
Nafta
~H2
Azufre
LPG
Butanos
Diesel
Biotratamiento
C4’s
C3’sPropano-Propileno
Disposición ecológica de catalizadores y materiales gastados
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Gasto de I&D en la industria petrolera disminuyendo, con unatendencia hacia una mayor y más eficiente vinculación de la I&Dcon las necesidades productivas.
Investigación propia orientada fundamentalmente a fortalecerhabilidades y tecnologías críticas.
Énfasis en la aplicación inteligente de las tecnologías disponiblespor sobre la generación o posesión de conocimientostecnológicos, con asimilación y evaluación de los avancestecnológicos de terceros.
Creación de alianzas estratégicas y formación de nuevosconsorcios.
Leyes ambientales cada vez más estrictas que requieren deinnovación y rápida implantación de medidas.
SITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERAL
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ACCIONES
Implementar proyectos de mejora mediante el apalancamiento de lastecnologías existentes para su máximo aprovechamiento y laintroducción de mejoras tecnológicas de rápida implantación.
Cambios en la forma de operar plantas y equipos.
Promover el cambio cultural del personal técnico con enfoque enmaximizar el valor de las operaciones y mantenimiento de equipos.
Optimización del uso de herramientas y sistemas existentes paramaximizar su impacto en el desempeño operativo.
Instauración de mecanismos para lograr efectos sinérgicos.
Adquisición de tecnologías nuevas con un enfoque que incluya:
Asimilación e integración del conocimiento y la tecnología devanguardia en el ámbito mundial.
Evaluación, asimilación y transferencia tecnológica.
Buscar usos alternos para el azufre:
Polímeros
Asfaltos, etc.
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CONCLUSIONES
Se requiere plantear estrategias para:
Mejorar la infraestructura de proceso, adecuándola a loscrudos disponibles y a su aprovechamiento más eficiente.
Disponer de instalaciones que permitan atender lasnecesidades de producción de más combustibles de mejorcalidad técnica y ecológica.
Encontrar usos nuevos para el azufre producido.
Buscar sinergias con otras industrias (Generación eléctrica,cemento, etc.).
Desarrollar o aplicar catalizadores más eficientes (incluyenanocatalizadores y enzimas)
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FIN DE LA PRESENTACIÓN
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Características de los Crudos
Istmo Ku-Maloob-ZaapMayaOlmeca
Azufre, %pCarbón Rams-bottom, %pNaCl, Kg/1000 bbl
Gravedad APIGravedad EspViscosidad @ 25°C, cSt
Asfaltenos, %pNíquel, ppmVanadio, ppm
Costo Relativo %
0.98
1.82
N.D.
1.43
4.07
7.21
3.60
10.46
133
5.01
15.60
9.25
124 117 100 N.D.
38.00.83
4
33.10.86
9
22.10.90155
12.21.00
20,751
1.060.774.96
3.849.7044.0
13.4656.70271.4
21.2188.40412.1
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Procesos Existentes
Procesos Potenciales
TRATAMIENTO FRONTAL DE
CRUDOFUNCIONES ENTRADAS
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Biotratamiento
Microondas
Ultrasonido
Desalado
Hidrotratamiento de Crudo
~H2
PETRÓLEO CRUDO CRUDO
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
Aplicación de ultrasonido a través de un mecanismo de crecimiento e implosión de burbujas en un líquido. La principal limitante en el desarrollo de estas tecnologías ha sido la construcción de módulos de generación y aplicación de la energía de ultrasonido a escala industrial. La tecnología Sonocracking, de Sulphco, para mejoramiento de crudos intermedios o pesados ya está en etapa de comercialización. Reportándose que en abril de 2006 se construyeron en la empresa NTG GmbH, Alemania, siete unidades de 30,000 BPD cada una, para Fujairah Oil Technology, LLC, en Fujairah, Emiratos Arabes Unidos.
Los procesos biológicos o bioprocesos consisten en la utilización de seres vivos, sus enzimas u otros derivados en un tratamiento específico
Estas tecnologías se basan en la aplicación de energía de microondas a través de la interacción de esta forma de energía con moléculas con momento dipolar, como el agua. La principal limitante ha sido la construcción de sistemas de generación y aplicación de energía de microondas a escala industrial. La compañía Phonon Technologies Inc. reporta desde 1997 tener una tecnología probada para el rompimiento de emulsiones agua/aceite con muestras de Imperial Petroleum Recovery Corp.
El hidrotratamiento de crudo permite obtener un incremento significativo en el rendimiento de destilados y eliminar una alta proporción de los contaminantes presentes en la carga (azufre, metales y asfaltenos). Sus aplicaciones básicas están en la conversión de crudos pesados a crudos intermedios, de mayor valor en el mercado, y en el procesamiento inicial de los crudos pesados de carga a una refinería
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TRATAMIENTO FRONTAL DE
CRUDOFUNCIONES
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
TRATAMIENTO FRONTAL DE
CRUDO
Membranas de Rec. De H2
Extracción con Solventes
Fraccionamiento de C3 – C4
Rec. de Vapores no Saturados
Gas Amargo
Destilación Atmosférica
Gas y Nafta
Destilación al Alto Vacío
Gasóleos de Vacío
~H2
Residuo Atmosférico
Gasolina Ligera Naftas Kerosina/Turbosina Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Rec. de Vapores Saturados
Residuos de vacío
Gas Amargo
Butanos dulces
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
.
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
La realización simultánea, en un solo equipo, de los procesos de separación y reacción tiene un alto potencial para ahorro de energía y principalmente para incorporarse en los procesos de destilación primaria, los cuales presentan un alto potencial de ahorro energético. El uso de hidrógeno ayudaría en la purificación de los destilados. También puede haber una sustitución total o parcial de la destilación por procesos de separación más eficientes (40-60% de eficiencia), como la separación por membranas o por plasma, para los cuales se requieren condiciones de operación más moderadas con menores consumos de energía
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
El proceso de membranas consiste en el uso de membranas selectivas hechas de polímeros y copolímeros para separar compuestos. Tiene ciertas ventajas, ya que son compactas y ligeras en peso,con un diseño modular que permite una fácil expansión u operación a capacidad parcial, bajo mantenimiento (no tiene partes movibles) bajo requerimiento energético y bajo costo. Monsanto, en la década de los 80’s, instaló exitosamente el primer proceso industrial con membranas: separación de hidrógeno en las plantas de producción de amoniaco. Cynara/Natco en 1984 instaló la primera planta para la remoción de gases ácidos del gas natural, en una plataforma marina. British Petroleum Co., Exxon-Mobil y Occidental Oil and Gas Corp. han instalado procesos para el endulzamiento del gas natural utilizando membranas. PEMEX instaló y operó, desde 1997 una planta en la batería artesa del activo MUSPAC
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Procesos Existentes
Procesos Potenciales
FUNCIONESSEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
.
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN
DE HIDROCARBUROS
Turbosina
Hidro-conversión
Coquización
Hidro-Desintegración
Desintegración Catalítica (FCC)
Desintegración de Residuos (RCC)
Reducción de Viscosidad
Hidroreducción de Viscosidad
Aceite cíclico ligero
~~
H2
~Gasóleo/Diesel
Residuo Atmosférico
Residuo de vacío
H2
H2ó
H2O
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
.
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
.
Gasolina Ligera Naftas Kerosina/Turbosina Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Coque
TradicionalCon mejorasNuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Mejor aprovechamiento de catalizadores, integrando tecnologías de rejuvenecimiento de catalizadores FCC y de hidro-desintegración de residuales. Aplicación de la tecnología de nanomateriales que, enfocada a la elaboración de nuevos catalizadores, puede realizar la catálisis de algunos procesos de refinación a condiciones de menor severidad y en forma más selectiva. La catálisis enzimática y, en general, la biotecnología puede tener también una contribución importante para lograr el mismo propósito
Tener una mayor conversión a olefinas en el proceso FCC. Incorporar antiespumantes sin
sílice y mejorar los sistemas de manejo de coque
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Procesos Existentes
Procesos Potenciales
FUNCIONESCONVERSIÓN DE RESIDUALES
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
.Gasolina Ligera Naftas Kerosina/Turbosina Diesel/Gasóleo
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
.
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
a “pool” deGasolina
Kerosina/Turbosina
Hidrotratamiento Gasolina FCC
Eliminación de Mercaptanos
Hidrotratamiento
Gas de Refinería
Endulzamiento
C5’s-C4’s
H2
Nafta
~
H2
LPG
Butanos
Diesel
Recuperación de Azufre
Gas Ácido
Azufre
Biotratamiento
C4’sC3’s
Propano-Propileno
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN
DE HIDROCARBUROS
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
REARREGLO MOLECULAR
ESPECIALI-DADES
.
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXITransforma productos de desecho en coproductos con valor. Quita y destruye hidrocarburos alifáticos y aromáticos, otros químicos orgánicos volátiles (VOC’s), H2S y olores de gases de escape de las corrientes de proceso, ventilación de tanques, purgas, extracción de vapores, tratamiento de aguas residuales, etc.
La gasolina de FCC se hidrotrata selectivamente con destilación reactiva
Uso de catalizadores másicos para alcanzar las especificaciones de azufre, con el reto de que no pesen demasiado para aplicarse en plantas existentes
Desarrollar opciones para el aprovechamiento del azufre
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FUNCIONESCONVERSIÓN DE RESIDUALES
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
Gas de Refinería
Síntesis de Fisher y TropschGas Natural
~
Crudo Sintético
Gasificación
Reformación de Gas
DIPE
Alquilación
MTBE
TAME
Recuperación de H2 de H2S
Polimerización Catalítica
~ H2
Refinado
C4-C4=
~
H2O
Gas Natural
~
H2
Metanol
a “pool” de Gasolina
Gas de Síntesis
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
Isómero de C4
CONVERSIÓN DE RESIDUALES
REMOCIÓN DE IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
Azufre
REARREGLO MOLECULAR
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
Isoamilenos
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Sustitución de catalizadores convencionales por sistemas catalíticos heterogéneos
Obtención de compuestos oxigenados alternos
La síntesis de Fisher-Tropsch, descubierta en los años 20´s, es una reacción química catalítica en la que el monóxido de carbono y el hidrógeno se convierten en hidrocarburos líquidos de varias formas, produciendo crudo sintético o lubricantes y combustibles sintéticos.
(2n+1) H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O
Uso de destilación reactiva
Sinergia con otras industrias, para generación de vapor, electricidad e hidrógeno
Recuperación de azufre de H2S con procesos de absorción con reacción química (tipo Gianmarco Vetrocoke), obteniendo azufre elemental e hidrógeno
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FUNCIONESREMOCIÓN
DE IMPUREZASSEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
a “pool” de Gasolina
REMOCIÓN DE
IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
REARREGLO MOLECULAR
Isomerización de C5’s-C6’s
Reformación de Naftas
Isomerización de C4
a “pool” de Gasolina
H2
SÍNTESIS DE PRODUCTOS
Isómero de C4
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Mantener el proceso de Reformación pero con alta selectividad a componentes isoméricos C8
Incorporar separación de isopentanos e isohexanos para maximizar recirculación de hidrocarburos sin reaccionar
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FUNCIONESSEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
SEPARACIÓN Y RECUPERACIÓN DE HIDROCARBUROS
Planta de Lubricantes
Planta de Asfalto
Lubricantes
Asfalto
ESPECIALI-DADES
.
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Incorporar hidrodesparafinación y nuevos procesos de cristalización
Incorporar producción de asfaltos tipo SUPERPAVE
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