Cuáles son los métodos de procesamiento de hidrocarburos: separación, conversión y tratamiento

¿Cuáles son los métodos de procesamiento de hidrocarburos: separación, conversión y tratamiento

Título meta de destino: Métodos de procesamiento de hidrocarburos: separación, conversión y tratamiento

Descripción meta de destino: El procesamiento de hidrocarburos utiliza cuatro familias de métodos: separación física, conversión térmica y catalítica, tratamiento químico y mezcla. Compare procesos, condiciones y productos.

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Respondiendo a la pregunta central: ¿Cuáles son los métodos de procesamiento de hidrocarburos? El procesamiento de hidrocarburos se organiza en cuatro familias de métodos. La separación divide la mezcla por medios físicos sin cambiar las moléculas, principalmente por destilación a 1-3 bar en una columna atmosférica que alcanza los 350-400 °C, y al vacío a 25-100 mbar para las fracciones pesadas. La conversión cambia las moléculas mismas, ya sea térmicamente a 450-540 °C en coquización, viscorreducción y craqueo con vapor, o catalíticamente a 350-540 °C en craqueo catalítico fluido, hidrocraqueo, reformado, alquilación e isomerización, o con hidrógeno a 300-450 °C y 30-200 bar en hidrotratamiento e hidrocraqueo. El tratamiento elimina impurezas, utilizando hidrógeno, aminas, cáusticos y recuperación de azufre. La mezcla y el acabado combinan las corrientes en productos vendibles según especificación. Una refinería típica aplica más de veinte de estos métodos, y la combinación elegida determina si un crudo que produce un 20-45% de residuo se convierte en mayormente fuel oil o mayormente combustible de transporte.

1. Métodos de Separación

La separación explota las diferencias en volatilidad, solubilidad, adsorptividad o tamaño molecular, y siempre viene primero:

• Destilación: La columna vertebral de toda refinería y planta de gas. El crudo se calienta a 350-400 °C en un calentador de fuego y se vaporiza en una columna atmosférica con 30-60 platos, donde las fracciones se extraen por rango de ebullición: GLP, nafta ligera y pesada, queroseno, diésel ligero y pesado, y residuo atmosférico. La temperatura del fondo de la columna se limita a unos 350-400 °C porque el craqueo térmico y la coquización comienzan por encima de eso, por lo que el residuo se recalienta y se vaporiza nuevamente en una columna de vacío a 25-100 mbar, lo que reduce los puntos de ebullición en 150-200 °C y permite separar el gasóleo de vacío y el residuo de vacío sin descomposición. La integración energética es fundamental: el crudo se precalienta con los reflujos circulantes y las corrientes de producto, y un tren de precalentamiento moderno recupera el 60-75% del calor que de otro modo se perdería.
• Absorción, Despojamiento y Extracción: Donde los puntos de ebullición están demasiado cerca para la destilación, o donde se debe eliminar un componente específico, se utilizan otros métodos de equilibrio. La absorción disuelve un componente en un disolvente líquido, como en un contactor de amina donde el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono se absorben del gas a 35-50 °C y se regeneran a 105-125 °C. El despojamiento es lo contrario, utilizando vapor para eliminar componentes volátiles, como en un despojador de agua agria o un despojador lateral en una columna de crudo. La extracción líquido-líquido disuelve selectivamente una clase de molécula de otra, y se utiliza para separar aromáticos de parafinas con disolventes como sulfolano o furfural, produciendo benceno, tolueno y xileno de alta pureza, y para extraer bases de aceite lubricante con N-metilpirrolidona o furfural para mejorar el índice de viscosidad y la estabilidad a la oxidación.
• Adsorción y Separación por Membrana: La adsorción utiliza una superficie sólida con una afinidad selectiva, y es el método de elección para los pasos finales de pulido. Los tamices moleculares secan gases y líquidos a menos de 1 ppm de agua antes del procesamiento criogénico, porque a -100 °C cualquier agua residual se congela y obstruye los intercambiadores. También separan parafinas normales de iso-parafinas en una unidad UOP Molex o Isosiv utilizando un tamaño de poro selectivo, y separan para-xileno en una cama móvil simulada. Las membranas separan por la combinación de solubilidad y difusividad a través de una película polimérica y se utilizan para la eliminación de dióxido de carbono del gas natural, para la recuperación de hidrógeno de gases de refinería y corrientes de purga de hidrocraqueador, y para la recuperación de vapor de terminales de carga. Las membranas no tienen partes móviles y ocupan poco espacio, pero requieren pretratamiento para evitar incrustaciones y son más adecuadas para separaciones a granel que para separaciones profundas.
• Separación de Fases y Control del Punto de Rocío: Antes de cualquier procesamiento, la corriente de pozo o la alimentación debe dividirse en gas, líquido de hidrocarburo y agua. Los separadores trifásicos hacen esto por gravedad, dimensionados por la ecuación de Souders-Brown, y son seguidos por coalescedores electrostáticos y desalinizadores que reducen el contenido de sal del crudo a menos de 1-3 PTB antes de que entre en la columna atmosférica, porque la sal se hidroliza a ácido clorhídrico y corroe el sistema de cabeza. El gas se acondiciona aún más para cumplir con las especificaciones del gasoducto, que típicamente requiere un punto de rocío de hidrocarburos por debajo de aproximadamente -5 a 0 °C a presión de entrega, un punto de rocío de agua por debajo de -10 °C, sulfuro de hidrógeno por debajo de 4 ppm, dióxido de carbono por debajo del 2-3%, y sin líquidos libres, logrado mediante enfriamiento, deshidratación con glicol y control del punto de rocío de hidrocarburos por refrigeración o por una expansión Joule-Thomson con un separador a baja temperatura.

2. Métodos de Conversión, Tratamiento y Acabado

Una vez separadas, las corrientes se convierten en moléculas de mayor valor, se limpian de impurezas y se mezclan según especificación:

• Conversión Térmica: El calor solo rompe los enlaces carbono-carbono por un mecanismo de radicales libres. La coquización retardada calienta el residuo de vacío a 480-510 °C y lo mantiene en tambores durante 12-24 horas, produciendo gas, nafta, gasóleo y coque de petróleo; es el método estándar para las alimentaciones más pesadas y contaminadas porque no hay catalizador que envenenar. La viscorreducción es una forma más suave a 450-500 °C con un tiempo de residencia corto, reduciendo la viscosidad del residuo de 5 a 20 veces para que pueda mezclarse en fuel oil con menos diluyente. El craqueo con vapor es el más caliente de todos, a 750-870 °C con un tiempo de residencia inferior a un segundo, y no es un proceso de refinería sino petroquímico, que produce etileno, propileno y butadieno. El problema de diseño común en los tres es la deposición de coque en los tubos del calentador, gestionado por alta velocidad, inyección de vapor y control cuidadoso de la temperatura del metal del tubo.
• Conversión Catalítica: Los catalizadores permiten la conversión a menor temperatura con una selectividad mucho mejor. El craqueo catalítico fluido craquea gasóleo a 500-540 °C sobre un catalizador de zeolita con un tiempo de contacto de 2-5 segundos, y es el principal productor de gasolina de la refinería. El hidrocraqueo combina craqueo con hidrogenación a 350-450 °C y 100-200 bar, convirtiendo el 30-90% del gasóleo en diésel y combustible para aviones de alta calidad con esencialmente cero olefinas o azufre. El reformado catalítico aumenta el octanaje de la nafta pesada de aproximadamente 40-60 a 95-105 a 480-525 °C sobre platino-rhenio, produciendo hidrógeno como un valioso coproducto. La alquilación combina olefinas ligeras con isobutano a 5-20 °C utilizando ácido sulfúrico o fluorhídrico para producir alquilato, el componente de mezcla de gasolina de mayor octanaje y más limpio. La isomerización convierte parafinas normales en ramificadas a 120-250 °C sobre un catalizador de alúmina clorada o zeolítico, y la eterificación y polimerización convierten olefinas ligeras en oxigenados y gasolina de alto octanaje.
• Tratamiento y Recuperación de Azufre: Casi todas las corrientes requieren tratamiento. El hidrotratamiento elimina azufre, nitrógeno, oxígeno, metales y olefinas a 300-400 °C y 30-100 bar sobre un catalizador de cobalto-molibdeno o níquel-molibdeno, convirtiéndolos en sulfuro de hidrógeno, amoníaco y agua; es lo que permite el diésel de ultra bajo azufre por debajo de 10 ppm. El tratamiento con aminas elimina el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono de las corrientes de gas utilizando monoetanolamina, dietanolamina o metildietanolamina. El tratamiento cáustico y Merox elimina mercaptanos del GLP y la nafta, convirtiéndolos en disulfuros o extrayéndolos. El sulfuro de hidrógeno recuperado se convierte en azufre elemental en una planta Claus, con una etapa térmica a 1.000-1.300 °C y etapas catalíticas a 200-320 °C, logrando una recuperación del 95-99,5%, y una unidad de tratamiento de gas de cola para alcanzar valores más altos. Los despojadores de agua agria eliminan amoníaco y sulfuro de hidrógeno del agua de proceso antes de que se reutilice o descargue.
• Mezcla, Acabado y Control de Calidad del Producto: El método final es la mezcla, y es donde se gana o se pierde gran parte de la ganancia de una refinería. La gasolina se mezcla a partir de reformado, alquilato, isomerizado, nafta FCC, nafta ligera y oxigenados para cumplir simultáneamente con los límites de octanaje, presión de vapor Reid, azufre, benceno, aromáticos y olefinas, utilizando un optimizador en línea y analizadores en línea. El diésel se mezcla por número de cetano, punto de enturbiamiento, punto de obstrucción del filtro en frío y azufre. El fuel oil se mezcla por viscosidad y azufre. Las bases de aceite y las ceras se acaban mediante hidroacabado, descerado por rutas de disolvente o catalíticas, y tratamiento con arcilla o hidrotratamiento para color y estabilidad. El asfalto se produce por soplado de aire o por mezcla de residuo de vacío con un flux. Cada producto debe cumplir múltiples especificaciones a la vez, por lo que la mezcla es un problema de optimización en lugar de una simple operación de mezcla.

Matriz de Comparación de Familias de Métodos de Procesamiento de Hidrocarburos

Preguntas Frecuentes (FAQ)

P: ¿Cuál es la diferencia entre separación y conversión en el procesamiento de hidrocarburos?

R: La separación cambia la composición de una mezcla sin cambiar ninguna molécula. La destilación, la absorción, la extracción, la adsorción y los procesos de membrana clasifican las moléculas existentes en grupos por una propiedad física, generalmente el punto de ebullición. La conversión cambia las moléculas mismas al romper y reformar enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno, produciendo moléculas que no estaban presentes en la alimentación. Es por eso que la conversión es donde se agrega valor: un barril de residuo de vacío que vale mucho menos que el diésel se convierte en moléculas de diésel solo a través de la conversión. También es por eso que la conversión cuesta más, en energía, hidrógeno, catalizador y capital, y por qué la separación siempre precede a la conversión, ya que no tiene sentido someter todo el crudo a condiciones de craqueo cuando solo la fracción pesada lo necesita.

P: ¿Por qué una refinería necesita tantos procesos diferentes?

R: Porque el petróleo crudo es una mezcla de miles de compuestos que abarcan un rango de ebullición muy amplio, y el mercado exige un conjunto estrecho de productos en proporciones que nunca coinciden con el crudo. Un crudo típico puede producir un 20-45% de residuo atmosférico y de vacío, mientras que el mercado quiere principalmente combustible de transporte, por lo que aproximadamente un tercio del barril debe convertirse químicamente. Cada proceso de conversión tiene una ventana estrecha de alimentación y producto: el craqueo catalítico fluido maneja bien el gasóleo pero no puede aceptar metales y asfaltenos, mientras que la coquización retardada puede aceptar el residuo pero produce coque y nafta de bajo valor que necesita tratamiento adicional. Y cada producto debe cumplir múltiples especificaciones simultáneas, octanaje y presión de vapor para la gasolina, cetano y flujo en frío para el diésel, límites de azufre para ambos, por lo que las etapas de tratamiento y mezcla se multiplican. El resultado es una planta con veinte o más procesos, cada uno necesario porque ninguno cubre todo el espectro.

P: ¿Qué papel juega el hidrógeno en el procesamiento de hidrocarburos?

R: El hidrógeno es el reactivo habilitador de la refinación moderna. Elimina azufre, nitrógeno, oxígeno y metales en el hidrotratamiento, convirtiéndolos en sulfuro de hidrógeno, amoníaco y agua que pueden separarse. Satura olefinas y aromáticos, mejorando el cetano del diésel, el punto de humo del combustible para aviones y el color y la estabilidad. Suprime la formación de coque en el catalizador, por lo que el hidrocraqueo puede procesar alimentaciones que desactivarían rápidamente un catalizador FCC. Y es un coproducto del reformado catalítico, por lo que una refinería con un reformador tiene un suministro interno. La demanda ha aumentado constantemente a medida que los límites de azufre se han endurecido, de unos pocos cientos de pies cúbicos estándar por barril hace una generación a 1.500-3.000 hoy en día para una refinería de conversión profunda, y la mayoría de las refinerías ahora operan una planta de hidrógeno dedicada, típicamente reformado de metano con vapor a 800-900 °C, más adsorción por cambio de presión para purificación por encima del 99,9%.

P: ¿Cómo se elige un método de procesamiento para una alimentación dada?

R: Cuatro propiedades de la alimentación impulsan la decisión. El rango de ebullición determina si la corriente se puede destilar en absoluto o necesita servicio de vacío. El contenido de contaminantes, particularmente azufre, nitrógeno, metales como níquel y vanadio, y asfaltenos, determina si un catalizador puede sobrevivir: el catalizador de hidroprocesamiento se envenena con metales y se obstruye con asfaltenos, por lo que el residuo va a un coquizador o a un hidrocraqueador de lecho ebullido en lugar de a un lecho fijo. La estructura química determina la ruta: una alimentación parafínica es una buena alimentación para reformado o craqueo con vapor, una aromática se adapta mejor al hidrocraqueo o a la extracción de aromáticos. Y la disponibilidad y el costo del hidrógeno determinan si una ruta de adición de hidrógeno o de rechazo de carbono es económica; el rechazo de carbono, como en la coquización, produce coque de bajo valor, mientras que la adición de hidrógeno, como en el hidrocraqueo, produce destilado de alto valor pero consume hidrógeno a 150-350 Nm3 por metro cúbico de alimentación. La configuración elegida es la que maximiza el margen en toda la pizarra de crudo, no la que es mejor para una sola corriente.