Industria del petróleo

UPME
ELABORADO POR:
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO
GRUPO DE GESTIÓN EFICIENTE DE ENERGÍA, KAI:
DR. JUAN CARLOS CAMPOS AVELLA, INVESTIGADOR PRINCIPAL.
MSC. EDGAR LORA FIGUEROA, COINVESTIGADOR.
MSC. LOURDES MERIÑO STAND, COINVESTIGADOR.
MSC. IVÁN TOVAR OSPINO, COINVESTIGADOR.
ING. ALFREDO NAVARRO GÓMEZ, AUXILIAR DE INVESTIGACIÓN.
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE
GRUPO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS, GIEN:
MSC. ENRIQUE CIRO QUISPE OQUEÑA, COINVESTIGADOR.
MSC. JUAN RICARDO VIDAL MEDINA, COINVESTIGADOR.
MSC. YURI LÓPEZ CASTRILLÓN, COINVESTIGADOR.
ESP. ROSAURA CASTRILLÓN MENDOZA, COINVESTIGADOR.
ASESOR
MSC. OMAR PRIAS CAICEDO, COINVESTIGADOR.
UN PROYECTO DE LA UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO
ENERGÉTICA DE COLOMBIA (UPME) Y EL INSTITUTO
COLOMBIANO PARA EL DESARROLLO DE LA CIENCIA Y LA
TECNOLOGÍA. “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” (COLCIENCIAS).
CONTENIDO
Pág.
1. INTRODUCCIÓN……………………………………………………………. 1
1.1 CONSTITUCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO………..………………1
1.2 REFINO Y PETROQUÍMICA…………………………………………………… 2
2. PROCESO DE REFINO Y PETROQUÍMICA…….…………………….... 3
2.1 PROCESO DE REFINO……………………………………………………….. 3
2.1.1 Procesos de Separación……………………………..……………........ 3
2.1.2 Procesos de Transformación………………………..……………….....5
2.2 PROCESO DE LA PETROQUÍMICA..……………………………………………11
3. DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA………………….. 12
4. MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA…………………………………… 14
4.1 COGENERACIÓN DE VAPOR-ENERGÍA ELÉCTRICA………………………….. 14
4.2 APROVECHAMIENTO DE LAS PURGAS……………………………………….. 14
4.3 MEJORAS EN LOS EQUIPOS DE COMBUSTIÓN………………………………. 15
4.3.1 Pérdidas por las Paredes…………………………....……………….....15
4.3.2 Pérdidas por los Humos. Exceso de Aire……….....……………….....15
4.3.3 Recuperación de las Pérdidas de los Humos……..………………..... 15
4.4 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR. RECUPERACIÓN
DE CONDENSADO……………………………………………………………. 17
4.4.1 Redes de Distribución………………………………..……………….....17
4.4.2 Purgadores…………………………………………....………………..... 17
4.4.3 Recuperación del Condensado……………………..………………..... 17
4.5 MEJORAS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR………………………………. 18
4.6 RECUPERACIÓN DE GASES DE ANTORCHA Y DE OTROS
PRODUCTOS RESIDUALES…………………………………………………... 19
4.7 OTRAS FORMAS DE REDUCIR LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA………………….19
5. ASPECTOS AMBIENTALES GENERALES……………………………… 21
5.1 TRATAMIENTO DE GASES ÁCIDOS…………………………………………... 21
5.1.1 Lavados con Aminas………………………………...………………......21
5.1.2 Unidad de Claus……………………………………....……………….....21
5.2 TRATAMIENTO DE LOS EFLUENTES RESIDUALES…………………………… 22
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………..……………………23
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
i
1.
INTRODUCCIÓN
La industria del refinado del petróleo es consumidora intensiva de energía, tanto
en forma de combustible directamente aplicado en los numerosos hornos y
calderas que la integran, como en forma de energía eléctrica, utilizada
esencialmente para accionamiento de motores y en menor medida, aunque en
cantidades nada despreciables en el alumbrado de las plantas.
La importancia relativa de los costos energéticos dentro del refino de petróleo se
puede apreciar al considerar que representa:


40,0% de los costes totales, incluyendo amortizaciones.
80,0% de los costes variables.
A las razones puramente económicas para mejorar la eficiencia energética, se han
sumado las consideraciones medioambientales, hoy día en primer plano de la
preocupación social. La reducción en los consumos energéticos implica
automáticamente menor emisión de contaminantes formados durante la
combustión, SO2 y NOx, responsables de la “lluvia ácida”, junto a la reducción del
CO2 emitido, principal acusado de provocar el cambio climático en nuestro planeta
a través del “efecto invernadero”.1
1.1 CONSTITUCIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL PETRÓLEO
El petróleo es un líquido viscoso de color parduzco constituido por un conjunto de
hidrocarburos (átomos de carbono e hidrógeno) formados naturalmente por
reacción catalítica de la materia orgánica de origen animal o vegetal, actuando las
arcillas y los lodos (silicatos de aluminio) como catalizadores de las mismas. Se
presenta de forma natural en depósitos de roca sedimentaria y sólo en lugares en
los que hubo mar.
La composición de los crudos es muy variable dependiendo del lugar en el que se
han formado. No solo se distinguen unos crudos de otros por sus diferentes
proporciones en las distintas fracciones de hidrocarburos, sino también porque
tienen distintas proporciones de azufre, nitrógeno y de las pequeñas cantidades de
diversos metales, que tienen mucha importancia desde el punto de vista de la
contaminación.
El hecho de que su origen sea muy diverso, dependiendo de la combinación de los
factores anteriormente citados, provoca que su presencia sea también muy
variada: líquido, dentro de rocas porosas y entre los huecos de las piedras; volátil,
es decir, un líquido que se vuelve gas al contacto con el aire; semisólido, con
1
Tomado de la Revista de Ingeniería Química. Ahorro de Energía en Refinerías. J. Andrés Martínez. Repsol
Petróleo S.A.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
1
textura de ceras. En cualquier caso, el petróleo, de por sí, es un líquido y se
encuentra mezclado con gases y con agua.
Se trata de hidrocarburos, desde el metano (C1, según la forma de expresión
petrolera) hasta especies complejas tipo C40 y aún más altas que no pueden
destilarse sin descomposición. Como promedio, la composición elemental podría
ser 85% C, 12% H, 3% (S + O + N) y varios elementos metálicos. La identificación
de especies es posible en las fracciones más ligeras. A partir del término 8-10 ya
es más difícil por la presencia de muchos isómeros (el C12 tiene 355 isómeros, el
C40, 62,5 billones) y estructuras complejas.
Entre los componentes hidrocarburados están representadas funcionalmente las
series: parafínica lineal "parafinas", ramificada (isoparafinas), ciclada, aromática
(benceno, naftaleno, etc.), mixta, en la que se encuentran las especies complejas.
1.2 REFINO Y PETROQUÍMICA
El petróleo, tal como se extrae del yacimiento, no tiene aplicación práctica alguna.
Por ello, se hace necesario separarlo en diferentes fracciones que sí son de
utilidad. Este proceso se realiza en las refinerías.
Una refinería es una instalación industrial en la que se transforma el petróleo
crudo en productos útiles para las personas. El conjunto de operaciones que se
realizan en las refinerías para conseguir estos productos son denominados
“procesos de refino”.
La industria del refino tiene como finalidad obtener del petróleo la mayor cantidad
posible de productos de calidad bien determinada, que van desde los gases
ligeros, como el propano y el butano, hasta las fracciones más pesadas, fuelóleo y
asfaltos, pasando por otros productos intermedios como las gasolinas, el gasoil y
los aceites lubricantes.
Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas
cadenas productivas que acaban en una amplia gama de productos denominados
petroquímicos, que después se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos,
alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras.
La conversión de hidrocarburos en productos químicos se llama petroquímica y es
una de las piedras angulares de la industria y la tecnología actual. Esta industria
ha hecho posible muchos de los productos que hoy se consideran normales y
necesarios, como las computadoras, tejidos, juguetes irrompibles...
La utilización del petróleo y el gas natural como fuentes de productos
petroquímicos ha sido posible gracias al desarrollo de técnicas de transformación
de su estructura molecular.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
2
2.
PROCESO DE REFINO Y PETROQUÍMICA
2.1 PROCESO DE REFINO
Procesos de refino, en un sentido muy general, son aquellos que permiten
transformar el petróleo crudo, o sus fracciones, en una serie de productos
acabados que deben satisfacer en calidad y cantidad la demanda del mercado.
2.1.1 Procesos de Separación
Los principales procesos de separación son:





Destilación.
Absorción.
Extracción.
Cristalización.
Adsorción.
El procedimiento de separación por excelencia es la destilación del crudo, y en
segundo lugar, si se considera una conversión más profunda, la extracción por
disolventes (desasfaltado).
El primer paso en el refino de petróleo es el fraccionamiento del crudo en
columnas de destilación atmosférica.
Una primera operación de desalado (lavado con agua+ sosa) permite extraer las
sales (ClNa, ClK y Cl2Mg transformadas en ClNa con sosa) del crudo con el fin de
reducir la corrosión ácida y minimizar el ensuciamiento y los depósitos.
El crudo calentado se separa físicamente en distintas fracciones por destilación
directa, diferenciadas por puntos de ebullición específicos y clasificados. Las
fracciones obtenidas, por orden decreciente de volatilidad, son: gases, destilados
ligeros, destilados medios y residuos. (Ver Figura 1).
El residuo atmosférico se envía a la Unidad de Vacío, permitiendo extraer del
mismo destilados pesados, que sufrirán transformaciones posteriores o servirán
para su empleo como bases de aceites lubricantes.
El residuo de vacío que contiene la mayor parte de las impurezas del crudo
(metales, sales, sedimentos, azufre, nitrógeno, asfáltenos, carbón Conradson...)
se utiliza para la fabricación de betunes, producción de fueles pesados o como
carga a otros procesos de transformación.
Las fracciones resultantes de la destilación atmosférica, GLPs, naftas, queroseno
y gasóleo ligero, se envían a las Unidades de Hidrotratamiento. El gasóleo pesado
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3
AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
junto con el gasóleo de vacío se lleva a hidrocraqueo; y el residuo de vacío, que
se envía a la Unidad de Coquización.
Figura 1. Funcionamiento de una Torre de Destilación.
Se consiguen las mayores eficacias y los costos más bajos con este tipo de
separación.
Por último se realiza un desasfaltado el cual es una operación de extracción
líquido-líquido que permite recuperar del residuo de vacío los últimos
hidrocarburos que aún son fácilmente transformables.
Los disolventes utilizados son hidrocarburos parafínicos ligeros: propano, butano,
pentano. El rendimiento en aceite desasfaltado aumenta con el peso molecular del
disolvente, pero disminuye su calidad.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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El asfalto constituye el residuo de la operación de desasfaltado y en él se
concentran la mayor parte de las impurezas (metales, sedimentos, sales y
asfáltenos...). Su fluidez disminuye con el aumento del peso molecular del
disolvente utilizado. El empleo de un disolvente pesado conduce a la producción
de un asfalto duro, cuya última utilización es la combustión (centrales térmicas) o
la oxidación parcial (producción de gas ciudad, hidrógeno, metanol...). En la
Figura 2 se refleja la posición de la unidad de desasfaltado en el esquema de
refino.
Figura 2.
Destilación atmosférica y a vacío de crudo de petróleo. Desasfaltado
del residuo de vacío.
2.1.2 Procesos de Transformación
Son los procesos más importantes del refino y de la petroquímica. Entre ellos se
encuentran:

Proceso de Mejora de características: reformado catalítico, isomerización,
alquilación, síntesis de éteres, oligomerización.

Procesos de Conversión: viscoreducción, coquización, craqueo catalítico,
reformado con vapor, hidroconversión, etc…
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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a. Procesos de Mejora de Características.

Reformado Catalítico.
Proceso clave en el esquema de fabricación de gasolinas, el reformado
catalítico tiene como objeto aumentar el número de octano de las fracciones
ligeras del crudo con un gran contenido en parafinas y naftenos (C 7-C8-C9)
transformándolos en aromáticos.
El proceso moderno de reformado opera con regeneración continua del
catalizador, a baja presión (de 2 a 5 bar) y alta temperatura (510-530 °C).
Además, el reformado produce subproductos importantes: hidrógeno, GLP
y una pequeña cantidad de gases.
Antes del reformado, la carga sufre un hidrotratamiento con el fin de
eliminar las impurezas (S, N, olefinas, metales...) que serían venenos para
el catalizador.

Isomerización.
La isomerización es el proceso mediante el cual se modifica la estructura de
las moléculas de los hidrocarburos para obtener productos con diferentes
características. La función principal de esta Unidad es la transformación de
las parafinas lineales de bajo índice de octano en isoparafinas de alto índice
de octano.
Las reacciones de isomerización únicamente cambian la disposición de los
átomos en la molécula, manteniendo, por tanto, su peso molecular.
La alimentación típica a las plantas de isomerización son corrientes ricas en
naftas ligeras. Las reacciones de isomerización ocurren en presencia de
catalizador y en atmósfera de hidrógeno, aunque el consumo neto de este
componente es muy bajo.
La Figura 3 indica la posición de las unidades de reformado e isomerización
en el esquema de refino.

Alquilación.
La alquilación es un proceso que permite producir productos de alto índice
de octano a partir de olefinas ligeras por adición del isobutano.
La reacción es muy exotérmica y es catalizada por ácidos fuertes: sulfúrico,
fluorhídrico. La carga proviene normalmente del craqueo catalítico, a veces
del craqueo con vapor.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Figura 3.
Posición de las unidades de reformado e isomerización en el esquema
de refino.
b. Procesos de Conversión.

Viscoreducción.
El proceso de viscoreducción consiste en el craqueo térmico suave del
residuo atmosférico o de vacío. Está limitada la conversión por las
especificaciones de estabilidad de los fuéles marinos o industriales y por la
formación de depósitos de coque en los equipos (horno, intercambiadores).

En el residuo atmosférico, se produce un máximo de corte gasóleo y
gasolina, respetando siempre las especificaciones de viscosidad y de
estabilidad térmica de los fuéles industriales.

En el residuo de vacío, se reduce al máximo la viscosidad de la carga
con el fin de minimizar la adición de diluyentes ligeros para la
producción de fuel oil de uso industrial.
Los productos de conversión de la viscoreducción son inestables,
olefínicos, con gran contenido en azufre y nitrógeno, por lo que deben sufrir
tratamientos de mejora antes de incorporarse a los correspondientes
productos finales.
La Figura 4 indica la posición de las unidades de viscoreducción en un
esquema de refino que las incluye.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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Figura 4.

Esquema de refino con dos unidades de viscoreducción: una trata
residuo atmosférico y otra residuo vacío.
Coquización
El proceso de coquización tiene por objeto producir un coque de calidad de
electrodo a partir de residuos de vacío con bajo contenido en metales y
azufre, o coque combustible en el caso de la conversión de crudos pesados
o residuos de vacío de alto contenido en impurezas.
Los procesos pueden ser de:

Coquización retardada (delayed coking), con el fin de producir coque de
calidad de electrodo o coque combustible.

Coquización fluida (fluid coking), que sólo produce coque destinado a la
combustión o a la gasificación.
Los productos líquidos de la coquización son muy inestables (alto contenido
en dienos), muy olefínicos y muy contaminados de azufre y nitrógeno. La
producción de gas es importante.
Los productos líquidos deben sufrir tratamiento con hidrógeno antes de
mezclarse con las correspondientes fracciones de crudo y seguir los
procesos de mejoras de sus características.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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La Figura 5 indica la posición de una unidad de coquización en el esquema
de refino.
Figura 5.

Esquema de refinería con una unidad de coquización.
Craqueo Catalítico Fluido (FCC).
El craqueo catalítico fluido es un elemento clave del refino junto con el
reformado catalítico y la alquilación en líneas de producción de gasolinas.
Operando en fase gaseosa y baja presión, se utiliza el catalizador como
sólido portador de calor. La temperatura de reacción es de 500-540°C y el
tiempo de residencia del orden de segundos.
Las cargas para este proceso tan flexible son generalmente los destilados
de vacío, los aceites desasfaltados, los residuos hidratados o no, así como
los subproductos de otros procesos.
Los productos de conversión del craqueo catalítico son altamente olefínicos
en las fracciones ligeras y altamente aromáticos en las pesadas.
Las reacciones del craqueo son endotérmicas; el balance de calor se
obtiene por la combustión en el regenerador del coque producido y
depositado sobre el catalizador.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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Las impurezas (S, N) contenidas en los gases dependen directamente de
las características de la carga utilizada.
Los principales productos son:



Gases licuados (propano, propileno, butanos, butenos).
Gasolinas de buen índice de octano.
Un corte de destilado ligero parecido al gasóleo, pero de alta
aromaticidad y bajo número de cetano.
Los subproductos son:



Gases de refinería.
Residuo (Slurry) o aceite decantado utilizado como combustible de
refinería o como base de fabricación de negro de humo.
El coque depositado sobre el catalizador que se quema en el
regenerador produce energía (electricidad, vapor) y el calor necesario
para la reacción. A los gases producidos se les libera, si es necesario,
del SOx y NOx, así como de las partículas de catalizador que arrastran.
La Figura 6 indica la posición del FCC en el esquema de refino así como las
unidades anexas.
Figura 6.
Esquema de un sistema de craqueo catalítico.
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
Reformado con vapor
El reformado con vapor es, con el reformado catalítico, el proceso que
permite producir el hidrógeno complementario, para los tratamientos de
refino y conversión de las fracciones pesadas del crudo.
Las cargas son: gas natural, gas de refinería (fuel gas), GLP y naftas
parafínicas.
Después de eliminar el CO2, las últimas trazas de impurezas son
transformadas en metano (metanación) o eliminadas por adsorción en
tamices moleculares (proceso PSA).
Las reacciones tienen lugar a alta temperatura en presencia de catalizador
y de vapor de agua.
El hidrógeno producido tiene una pureza entre el 97 y 99,9% de volumen. El
resto es metano y el subproducto, CO2.

Hidroconversiones
Entre los procesos de hidroconversión distinguimos:

Los que transforman parcial o totalmente los destilados de vacío en
productos más ligeros:
Hidrocraqueo total o parcial.
Hidrorrefino.

Los de conversión limitada de residuos atmosféricos y de vacío que
preparan la carga para conversiones más severas (craqueo catalítico,
coquización...).
2.2 PROCESO DE LA PETROQUÍMICA
Los procesos de la industria petroquímica parten de un número de materias
primas relativamente pequeño, para dar un gran número de productos (más de
3.000), utilizando para ello una gran variedad de procesos. Estos procesos no van
a ser mencionados en este capítulo porque bajo el punto de vista de ahorro
energético son, en general, totalmente comparables con los procesos de refino,
por tener ambos las mismas operaciones unitarias. Por esta razón, todas las
acciones encaminadas a producir un ahorro energético en la industria del refino,
son aplicables en su totalidad a la industria petroquímica.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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3.
DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA
Dadas las características de este sector de la industria, de cuyo proceso se
obtienen los propios combustibles que utilizará posteriormente, un índice que
suele emplearse para aplicarlo a su consumo energético es el «índice de
autoconsumo», definido como el porcentaje de las producciones propias
consumidas para tratar toda la carga procesada. En este sentido, el índice general
de autoconsumo en Europa tiene un valor entre el 5 y el 6%, y en Estados Unidos
es de un 12% aproximadamente.
Para poder comprender estas diferencias, es preciso analizar de qué depende el
índice de autoconsumo. Este está influido por factores tales como la capacidad de
refino de la instalación (a mayor capacidad, menor consumo específico), del grado
de utilización de dicha capacidad (un grado de utilización bajo hace que los
consumos específicos aumenten), de la propia antigüedad de la instalación y del
esquema de fabricación de la refinería. Este último factor es el que más influye en
los consumos energéticos; hasta tal punto, que la comparación entre diferentes
industrias utilizando los anteriores parámetros no es representativo salvo que los
esquemas de fabricación sean muy similares.
En muy grandes números se puede decir que una refinería convencional tipo
topping-reforming tiene unos índices de autoconsumo de 2-3%; con unidades de
productos lubricantes 3-5%. Si se le añaden unidades de materias primas para
petroquímica, este índice sube hasta valores del 10-12%. Si además se integran
unidades de conversión, el valor final de autoconsumo oscila entre un 14 y un
16%.
Para poder realizar una adecuada conservación energética en las industrias en
general, y en la de refino en particular, una etapa previa indispensable es realizar
una clasificación de los puntos de disipación energética.
La actividad industrial en el refino y petroquímica, se reduce a unas cuantas
acciones elementales, como son:



Aportar o aumentar la energía termomecánica de una masa para modificar su
contenido energético y transportarla a una distancia dada en un tiempo dado.
Fraccionamiento de mezclas moleculares.
Reacciones químicas.
El diagrama de distribución de energía para la industria del refino de forma muy
simplificada y cualitativa, se presenta en la figura 7. En la industria del refino, los
procesos térmicos consumen del orden del 70% de la energía total a dicho sector;
la generación de fuerza motriz y electricidad es el segundo gran consumidor,
representando un 20% aproximadamente.
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Figura 7. Diagrama de Distribución de Energía.
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4.
MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA
Para alcanzar la máxima eficacia en el logro de ahorros de energía es conveniente
el establecimiento y desarrollo de un programa que contemple, además de la
mentalización de ahorro en todo el personal de algún modo implicado en la
operación de mantenimiento de las plantas, un control constantes de las variables
más importantes que intervienen en las transformaciones energéticas, con
introducción de cambios operacionales y modificaciones en el diseño de unidades
ya existentes, así como el establecimiento de nuevos criterios de diseño para
futuras unidades.
4.1 COGENERACIÓN DE VAPOR-ENERGÍA ELÉCTRICA
Gran parte de las necesidades energéticas de la industria del refino se suministran
a través de un fluido, normalmente vapor de agua, que es utilizado en su mayor
parte (alrededor del 80%) a un nivel de presión relativamente bajo (menor de 40
kg/cm2). Este hecho hace que sea muy atractiva la utilización de cogeneración de
vapor-energía eléctrica.
Como se ha dicho anteriormente, la industria de refino demanda energía a un nivel
térmico moderado, el sistema de cogeneración adecuado es el ciclo «topping»
este utiliza primero la energía eléctrica, y el vapor exhausto de la turbina es
utilizado en el proceso posteriormente.
Dentro del ciclo «topping» de cogeneración existen actualmente tres tipos básicos:
cogeneración por turbina de vapor, por turbina de gas y por motor Diesel.
Para la industria del refino, la cogeneración por turbina de vapor tal vez sea el
sistema más adecuado, aunque a veces puede mejorarse condicionándolo con
otro sistema a base de turbina de gas.
4.2 APROVECHAMIENTO DE LA PURGAS
Se puede lograr un adecuado aprovechamiento energético conduciendo las
purgas de las calderas a un depósito de expansión a un nivel de presión inferior.
En él se genera vapor que es enviado a la red correspondiente. La corriente
líquida, con un contenido energético alto todavía, puede emplearse en precalentar
el agua de alimentación a calderas, e incluso, si las especificaciones del agua a
caldera lo permiten, puede ser empleada como agua de alimentación a las
calderas, de un nivel de presión inferior.
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4.3 MEJORAS EN LOS EQUIPOS DE COMBUSTIÓN
Del total de energía utilizada en una refinería, la partida más importantes -80 a
90% del total- procede de combustibles líquidos y gaseosos quemados en hornos
de proceso o calderas. Además, éste es el proceso con mayor nivel térmico y, por
lo tanto, con mayores pérdidas de energía. Cualquier mejora introducida en el
diseño de estos equipos produce sustanciales ahorros de energía. Las acciones
encaminadas al ahorro de energía en refinerías en operación deben tener como
principal objetivo la optimización del funcionamiento de los centros de consumo de
combustible existentes.
Las siguientes consideraciones, en general, son válidas tanto para hornos, como
para calderas.
El rendimiento en estos equipos, será máximo cuando las pérdidas por los humos
y por las paredes sean mínimas.
4.3.1 Pérdidas por las Paredes.
Las mejoras que pueden introducirse son bastante limitadas, y se reducen a las
acciones encaminadas a la disminución de estas pérdidas, mejorando el
aislamiento de las paredes del horno. Por supuesto, la decisión dependerá del
resultado de un estudio económico previo.
Existen en el mercado mantas de fibras cerámicas con poco espesor, de rápida y
fácil aplicación sobre el refractario existente, lo que puede ser una de las
soluciones más prácticas para este tipo de problemas.
4.3.2 Pérdidas por los Humos. Exceso de Aire.
Es recomendable, operar con valores mínimos de exceso de aire. Sin embargo, la
disminución de éste tiene un límite, ya que por debajo de un cierto valor del caudal
de aire -propio para cada quemador- las emisiones de monóxido de carbono y
partículas sólidas crecen muy rápidamente. Estas emisiones tienen el doble
inconveniente de ser contaminantes de la atmósfera, y de provocar el
ensuciamiento de las zonas de convección.
Para ajustar el exceso de aire al mínimo permitido por este concepto, es
conveniente instalar analizadores de inquemados, que permiten establecer la
curva característica para los quemadores instalados y establecer así el punto
óptimo de funcionamiento.
Otro límite en la reducción del exceso de aire es la duración de los tubos del
serpentín de la zona de radiación. Como es sabido, el flujo de calor que reciben
los tubos no es uniforme.
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AHORRO DE ENERGÍA EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
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Unidas estas limitaciones a la dificultad de regular el tiro, en los hornos de aire
inducido, se llega a un compromiso que hace no recomendable reducir el exceso
de aire por debajo de un 30% para fuel-oil y de un 15-20% para fuel-gas.
Para poder ajustar la operación a los valores citados, es imprescindible disponer
del análisis de los humos. Existen correlaciones que permiten calcular el exceso
de aire a partir del oxígeno contenido en los humos y la composición del
combustible.
Los nuevos criterios de diseño tienden a la construcción de hornos de tiro forzado,
pues son conocidas sus ventajas de poder trabajar con porcentajes de exceso, de
aire muy bajos y posibilidad de utilizar aire precalentado, con un mayor
rendimiento y una combustión más limpia.
4.3.3 Recuperación de las Pérdidas por los Humos.
El calor que se pierde con los humos representa, para un horno todo radiante, de
un 40 a un 45% del calor total suministrado, con temperaturas de salida de humos
del orden de 700 a 800°C. Incluso es frecuenta encontrar hornos con zona
convectiva cuya temperatura de chimenea es superior a 400°C. Las cantidades de
calor de esta forma perdidas son muy importantes por lo que se hace necesaria su
reducción al mínimo posible.
En la práctica, esta mejora de rendimiento se realiza aprovechando el calor de los
humos en un economizador (precalentamiento del fluido de proceso, producción.
y/o recalentamiento de vapor de agua, precalentamiento del aire de combustión,
etc.).
Para la recuperación de calor por producción de vapor se debe tener en cuenta
que el nivel de presión del vapor que permite alcanzar el máximo rendimiento en el
horno (temperatura de humos mínima permisible) es aquel que corresponde a una
temperatura de saturación del vapor del orden de 50 a 60°C por debajo de la
citada temperatura de humos. Por lo tanto, solamente podrá considerarse
optimizada la recuperación de calor por producción de vapor en aquellos hornos
en los que dicha producción se realice a un nivel de baja presión (temperaturas de
humos del orden de los 200°C).
Formas muy interesantes de recuperación pueden ser los precalentamientos de
aire por intercambio con líquidos calientes, pertenecientes o no al proceso en
cuestión.
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4.4 SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE VAPOR. RECUPERACIÓN DE CONDENSADO.
4.4.1 Redes de Distribución.
En el dimensionado de las redes de vapor ha de tenerse en cuenta que la calidad
de éste en los lugares de consumos más apartados ha de ser suficiente en presión
y temperatura. Teniendo en cuenta que a mayor diámetro de tubería menor
pérdida de carga, pero mayores pérdidas caloríficas y mayores costos de tubería y
aislamiento, se ha de llegar a un compromiso entre calidad de vapor, pérdidas de
energía y costos fijos.
Entonces, cuanto menor sea la presión del vapor a transportar, mayor ha de ser el
diámetro de la conducción. Un nuevo compromiso queda establecido si se tiene en
cuenta que a mayor presión del vapor, mayor nivel térmico posee y, por lo tanto,
mayor intercambio calorífico con el medio ambiente.
Para cada caso, el equilibrio entre estos dos compromisos establece un nivel de
presión de vapor, un diámetro de tubería y un espesor de aislamientos óptimos.
4.4.2 Purgadores.
El vapor que circula por las conducciones cede calor al medio ambiente,
disminuyendo su temperatura por debajo de la de saturación y condensándose
parte del mismo Este condensado puede llegar a representar hasta un 10% de la
masa de vapor, aun en tuberías convenientemente aisladas, cuando el vapor es
saturado. Los perjuicios ocasionados por el condensado arrastrado por el vapor
son numerosos: golpes de ariete en tuberías, disminución de la transferencia de
calor en los procesos de calentamiento, peligrosas vaporizaciones súbitas por
expansión y aumentos de temperatura en columnas de «stripping», erosiones en
los alabes de turbinas, etc. Es necesario, por lo tanto, separar este condensado
por medio de purgadores.
La elección del purgador más adecuado para cada servicio es un factor decisivo
en el diseño de los sistemas de vapor; un purgador mal elegido o que funcione
mal, si no es capaz de evacuar todo el condensado crea los problemas antes
descritos; si no corta el paso del vapor, además de la pérdida de energía que
supone, induce un mal funcionamiento de los demás al presurizarse la red de
descarga. Por ello es necesario un mantenimiento preventivo y comprobaciones
constantes de los purgadores. Para grandes caudales de condensado, se debe
estudiar la posibilidad de sustituir los purgadores por depósitos con válvula
automática de salida, y si es necesario bomba de extracción.
4.4.3 Recuperación del Condensado.
Son varios los motivos que exigen una recuperación integral del condensado de
vapor. Al ser en realidad «agua destilada», su utilización como alimentación
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supone una disminución del costo del agua y de su tratamiento, un aumento de los
ciclos de operación de la propia caldera y de las turbinas y consecuentemente la
posibilidad de reducción de las purgas necesarias para conseguir el nivel de
sólidos exigido en el calderín. El calor contenido en el condensado es, a su vez,
una fuente de ahorro de combustible.
El porcentaje de recuperación con respecto al vapor producido, aunque muy
variable de una industria de refino a otra, no suele pasar del 60%.
4.5 MEJORAS EN INTERCAMBIADORES DE CALOR.
La optimización energética de los intercambiadores de calor de cualquier proceso
es susceptible de ser realizada, o bien en la fase de diseño, o una vez el equipo
en operación.
Es un hecho que al aumentar el área de transferencia de calor entre dos
corrientes, aumenta el calor transferido; pero también es cierto que la cantidad de
calor suplementario que se consigue al aumentar una unidad de superficie, el
intercambiador, es cada vez menor. Es evidente, por tanto, que se alcanzará un
punto en que el valor del calor economizado por este procedimiento de aumentar
superficie, será inferior a la inversión necesaria para poder realizar esta economía.
Otra vía de actuación para mejorar las irreversibilidades térmicas en la fase de
diseño, es actuar sobre los coeficientes de transferencia de calor. Aumentando las
velocidades de circulación de las fases, o introducir promotores de turbulencia, a
pesar de que aumenten las pérdidas de carga. En el caso de que la transferencia
de calor vaya acompañada de un cambio de fase, el estado de la superficie de las
paredes del intercambiador es muy importante. En el caso de una vaporización,
algunos revestimientos favorecen la formación de burbujas de vapor y permiten
mejorar la cinética de transferencia, lo que da lugar a coeficientes de transferencia
entre 4 y 6 veces los obtenidos con tubos convencionales. Asimismo, una
superficie ondulada favorece la vaporización de la película de líquido, siendo los
coeficientes de transferencia mayores para tubos lisos.
Existen otras acciones tales como instalar aletas en los tubos, sobre todo en
aquellos intercambiadores en que la transferencia térmica es mucho más rápida
en una fase que en otra. Para aquellos casos en que hay un gran cruce de
temperaturas, se han desarrollado los intercambiadores en contracorriente pura
(un paso por carcasa, un paso por tubos). La instalación de este tipo de
intercambiadores en trenes de intercambio del tipo «carga-efluente» (unidades de
reformado catalítico, hidrodesulfuración, etc.) es muy rentable. Asimismo, en otras
ocasiones se puede recurrir a intercambiadores de placas.
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4.6 RECUPERACIÓN DE GASES DE ANTORCHA Y DE OTROS PRODUCTOS RESIDUALES.
La utilización como fuel-gas en hornos y calderas de los gases que van a parar a
la antorcha, es una fuente a considerar como ahorro de energía.
Uno de los principales aportadores al sistema de antorcha es el propio sistema de
fuel-gas de consumo interno en una industria de refino. En efecto, la red de fuelgas es un sistema dinámico formado por los centros productores y los
consumidores. Los desequilibrios entre producción y consumo se traducen en
pérdidas de gas en la antorcha (situaciones de producción punta) o en la
necesidad de degradar productos comerciales (propano, butano) vaporizándolos a
fuel-gas (situaciones de demanda punta). La eliminación de las perturbaciones
ocasionadas por las producciones puntas, puede lograr un notable ahorro
energético; la eliminación del segundo aspecto, puede producir unos grandes
beneficios a la empresa.
Una primera etapa es la eliminación de centros que son consumidores
sistemáticos de fuel-gas, en aquellos casos en los que bajo el punto de vista del
proceso, está permitido el cambio a fuel-oil, total o parcialmente. Al mismo tiempo,
es preciso adaptar un centro para que por si solo pueda neutralizar de modo
automático con suficiente rapidez y flexibilidad las oscilaciones de presión en la
red de fuel-gas.
Los otros aportadores a la red de antorcha tienen diversas procedencias: purgas y
venteos, productos fuera de especificación, falta de almacenamiento, etc. Para
una completa optimización de la red de fuel-gas es preciso aprovechar estas
corrientes esporádicas. Para ello será necesaria la utilización de compresores
para elevar la presión del gas hasta la de la red de distribución, y consiguiente
utilización en el sistema anteriormente descrito. La posibilidad de su
aprovechamiento depende, pues, de las cantidades estimadas a recuperar frente a
la inversión requerida en compresores y los costos de operación y en
mantenimiento de los mismos.
4.7 OTRAS FORMAS DE REDUCIR LAS PÉRDIDAS DE ENERGÍA

Optimizar la relación H2/Hc en hidrogenaciones.

Optimizar la relación de reflujo en columnas de fraccionamiento.

Operar las columnas de destilación a la mínima presión permitida.

Utilizar bombas de calor.

Optimizar la selección (elección o sustitución) de catalizadores.
 Recuperar el calor desprendido en las reacciones exotérmicas.
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
Utilizar corrientes de proceso frías, que hayan de calentarse, para enfriar los
condensadores de destilación.

Utilizar corrientes calientes, que hayan de enfriarse, para precalentar los
productos antes del rehervidero de fondo.

Utilizar turbinas a contrapresión en lugar de motores o turbinas a
condensación, cuando se pueda utilizar el vapor exhausto.

Evitar las laminaciones de fluido en válvulas de reducción, utilizando turbinas
de expansión.

Ajustar al mínimo requerido el salto térmico del agua en torres de
refrigeración, parando ventiladores o cambiando el ángulo de las aspas.

En general, aprovechar al máximo el calor contenido en los productos,
intercambiándolo con corrientes de proceso, evitando al máximo enfriarlos
con aire o agua. Únicamente es permisible, desde el punto de vista de ahorro
energético, cuando el nivel térmico de los productos es bajo (hay poco
aumento de entropía) y las superficies de intercambio se hacen tan grandes
que es prohibitiva la inversión.
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5.
ASPECTOS AMBIENTALES GENERALES
La extracción y el transporte del petróleo, los distintos procesos de su
transformación en productos derivados y su consumo masivo en forma de
combustible requieren unas medidas de respeto y conservación del medio
ambiente.
En el caso de las refinerías, de no adoptarse determinadas medidas, existe la
posibilidad de que se produzcan emisiones de contaminantes a la atmósfera,
vertidos de productos nocivos, ruidos y olores. Para neutralizar estos efectos, las
empresas encargadas de la gestión de este tipo de instalaciones han tomado una
serie de medidas que pueden resumirse en las siguientes:
5.1 TRATAMIENTO DE GASES ÁCIDOS
Los gases ácidos constituidos principalmente por sulfuro de hidrógeno (H 2S)
proceden fundamentalmente de residuo de unidades de hidrotratamiento. Se
producen menores cantidades en unidades de craqueo térmico y catalítico.
5.1.1 Lavado con Aminas
El sulfuro de hidrógeno se concentra en los gases de refinería. Dichos gases,
antes de su utilización como fuel gas, son objeto de un lavado con aminas (MEA,
DEA...) para extraer el H2S. La amina rica cargada de H2S es regenerada y
recirculada a los absorbedores.
El sulfuro de hidrógeno gas se envía a la unidad de producción de azufre (Proceso
Claus).
5.1.2 Unidad Claus
El proceso consiste en transformar el H2S en azufre por la combustión del gas
ácido por la reacción de Claus en presencia de un catalizador. El azufre vapor se
condensa y almacena en forma líquida o sólida.
Los rendimientos son del 90 al 97%.
Los humos que contienen trazas de SO2, H2S, COS y CS2 se envían generalmente
a un tratamiento de acabado antes de ser incinerados.
El rendimiento global de la operación es del 99,5 al 99,8% en peso, según el tipo
de acabado utilizado.
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5.2 TRATAMIENTO DE LOS EFLUENTES RESIDUALES
Las aguas efluentes contaminadas proceden de las unidades de destilación
primaria (desalado), de los hidrotratamientos, de las unidades de craqueo térmico
y catalítico.
Dichos efluentes contienen principalmente sales disueltas: cloruro y sulfuro
amónico, cloruro sódico, trazas de cianuros y fenoles de las que proceden los
craqueos térmico y catalítico.
Todas las aguas son recuperadas, decantadas de los hidrocarburos que arrastran
y enviadas al stripper de aguas ácidas (gastados).
Prácticamente la totalidad del H2S y del NH3 se someten a un arrastre con vapor
conjuntamente con una pequeña parte de los fenoles, y enviados luego a la unidad
Claus.
Las aguas tratadas que contienen cloruro sódico, cianuros, fenoles y trazas de
H2S y NH3, se reciclan al desalador del crudo y como aguas de lavado a las
unidades de hidrotratamiento y FCC. La purga se envía al tratamiento biológico.
La Figura 8 presenta un esquema simplificado del tratamiento de gases y de las
aguas residuales.
Figura 8. Tratamiento de gases y aguas residuales.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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fabricación. Wauquier, J. P. España: Ediciones Díaz de Santos, 2007.
2. Técnicas de Conservación Energética en la Industria/Ahorro en Proceso. Tomo
II. Editorial Centro de estudios de la energía. ISBN 84-7474-168-8.
3. Asociación Española de Operadores de Productos Petrolíferos. Disponible en
Internet: http://elpetroleo.aop.es/indexelpetroleo.asp.
4. Refinería. Disponible en Internet: http://es.wikipedia.org.
5. Petróleo. Disponible en Internet: http://www.soloenergia.com.ar.
6. Proyecto para la instalación de una Refinería de Petróleo en Extremadura.
Disponible en Internet: http://www.grupoag.es.
7. Fuentes de Energía. Disponible en Internet: http://alumnat.upv.es.
8. Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities: For Petroleum
Refineries. Worrell, Ernst and Galitsky, Christina. Environmental Energy
Technologies Division. California, 2005.
9. Ahorro de Energía en Refinerías. Andrés, Martínez. Repsol Petróleo, S.A.
revista Ingeniería Química, Mayo 1998. Disponible en Internet:
http://www.alcion.es.
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