REDIELUZ ISSN 2244-7334 / Depósito legal pp 201102ZU3769 Vol. 4 Nº 1 · Enero - Junio 2014: 49 - 54 Processes for Upgrading and Refining Venezuelan Extra-Heavy Crude Oils Johanna Medrano, Yadira López y Jorge Sánchez Facultad de ingeniería, Universidad del Zulia. Maracaibo-Venezuela. johannamedranob@gmail.com Resumen En virtud del aumento poblacional, para los años venideros se espera que la demanda de energía y el consumo de petróleo se incrementen significativamente. En la actualidad, a nivel mundial las mayores reservas de crudo corresponden a crudos extrapesados. La disponibilidad y precios de estos crudos, lo perfilan como una materia prima y fuente de energía a desarrollar en Venezuela, donde las reservas de crudo extrapesado de la Faja Petrolífera del Orinoco son las más grandes a nivel mundial (2.23*1011 m3 /1.360 MMM de barriles). El uso de éstos crudos extrapesados acarrea diversos problemas tecnológicos, debido principalmente a la complejidad de su composición; por ello que dichos crudos no pueden ser procesados por las refinerías convencionales sin ser pre-tratados. El principal objetivo de esta investigación fue evaluar el proceso de integración de un mejorador de crudo extrapesado venezolano con una refinería a fin de transformar el crudo extrapesado en un crudo sintético mejorado, de bajo contenido de azufre y metales; que pueda alimentarse posteriormente a las refinerías tradicionales o la industria petroquímica y finalmente su integración con otros procesos para la producción de la energía e hidrógeno que se requieren en el mejorador. Para ello se realizarán una serie de simulaciones, empleando un simulador comercial y correlaciones empíricas para el modelaje de los procesos de refinación. A partir de los resultados obtenidos, se analizará la producción de combustible y las principales variables de operación, para posteriormente comparar, mediante un análisis Recibido: 11 / 05 / 2014. Aceptado: 15 / 06 / 2014 económico, la producción de combustibles obtenidos a partir de crudo liviano y de crudo sintético, alimentado a la refinería. Palabras clave: Crudo extrapesado, mejoramiento, refinación. Abstract In virtue of the population increase, it is expected that the demand for energy and oil consumption will increase significantly. At present, the world’s largest oil reserves correspond to extra-heavy crude. The availability and prices of these crude oils profile them as a raw material and energy source for development in Venezuela, where extra-heavy crude reserves from the Orinoco Oil Belt are the largest in the world (2.23 * 1011 m3 /1.360 MMM barrels). Using these extra-heavy crudes comes with diverse technological problems, mainly due to the complexity of their composition. These crudes cannot be processed by conventional refineries without being pre-treated. The main objective of this research was to evaluate the integration of a Venezuelan heavy crude upgrader with a refinery to transform the heavy crude into an improved, low sulfur and metals synthetic crude; Subsequently, this can be fed to traditional refineries or to the petrochemical industry and ultimately, its integration with other processes for producing the energy and hydrogen required in the breeder. A series of simulations were conducted using a commercial simulator and empirical correlations for modeling refining processes. From the results obtained, fuel production and major operating variables will be analyzed to later Investigación Tecnológica PROCESOS PARA EL MEJORAMIENTO Y REFINACIÓN DE CRUDOS EXTRAPESADOS VENEZOLANOS 50 Johanna Medrano, Yadira López y Jorge Sánchez Procesos para el mejoramiento y refinación de crudos extrapesados venezolanos compare, through economic analysis, the production of fuels from light crude and synthetic crude supplied to the refinery. Keywords: Extra-heavy crude, upgrading, refining. INTRODUCCIÓN Actualmente el petróleo constituye la principal fuente de energía a nivel mundial. En cuanto a las reservas mundiales de crudo, Venezuela y Arabia Saudita poseen el 46,9% de las reservas probadas, con 4,85*1010 m3 y 4,34*1010 m3, respectivamente (Sevilla, 2010). La Faja Petrolífera del Orinoco en Venezuela, es el depósito más grande de crudo extrapesado del mundo con 4,05*1010 m3 (CIA, 2012). Dicho crudo se caracteriza por tener una alta densidad y viscosidad, lo cual dificulta su extracción, transporte y refinación por métodos convencionales y eleva en gran proporción el costo de su producción. La integración de un mejorador de crudo con una refinería se presenta como la mejor opción para obtener el mayor provecho posible a las reservas de crudo extrapesado nacionales (Petróleos de Venezuela S.A, 2012). En este trabajo de investigación se identifica la configuración del mejorador y refinería base de estudio, se estima el efecto de las variables del proceso en la producción de combustibles y finalmente se diseña un esquema de integración entre los procesos de mejoramiento y refinación de crudos extrapesados venezolanos. METODOLOGÍA Se recolectaron datos sobre las características fisicoquímicas y otras propiedades de los crudos extrapesados que se alimentan a los mejoradores de crudo de la FPO, tales como gravedad API, curvas de destilación del crudo extrapesado, el diluyente a utilizar y sus curvas de propiedades (porcentajes de azufre, nitrógeno, entre otros). También, se recopilaron datos y condiciones de operación de los equipos principales del mejorador y la refinería. Para la realización del montaje en el simulador, se introdujeron los datos mínimos para caracterizar estas alimentaciones; entre ellos: Gravedad API o gravedad específica, curvas de destilación TBP y cualquier otra curva de propiedades tipo % destilado vs. propiedad, de la que se tuviese información, así como los flujos, temperaturas y presiones de entrada. Para el montaje de los esquemas bases, se requirió documentación sobre equipos, corrientes principales y secundarias y sus respectivas condiciones de operación. Se seleccionaron los procesos más representativos del mejorador y la refinería, como se muestran en las Figuras 1 y 2. Las unidades aguas abajo de la destilación se representaron mediante una serie de correlaciones empíricas disponibles en la literatura que predicen el comportamiento de los procesos de refinación, bajo ambiente Excel. La Figura 3 muestra el esquema de integración propuesto, en el cual se recirculan los gasóleos livianos de la unidad de craqueo catalítico flui- Figura 1. Configuración base del mejorador de crudo extrapesado. Fuente: Elaboración propia (2014). REDIELUZ Vol. 4 Nº 1 · Enero - Junio 2014: 49 - 54 Figura 2. Configuración base de la refinería. Fuente: Elaboración propia (2014). Figura 3. Esquema de integración mejorador- refinería. Fuente: Elaboración propia (2014). 51 Johanna Medrano, Yadira López y Jorge Sánchez Procesos para el mejoramiento y refinación de crudos extrapesados venezolanos 52 dizado de la refinería, al hidrotratamiento del mejorador; los gasóleos pesados de la UCCF de la refinería a la unidad de hidrocraqueo del mejorador y el residuo de vacío de la refinería se envía a coquización retardada del mejorador. RESULTADOS Y DISCUSIONES Mejorador El crudo extrapesado de la faja y la nafta de dilución tenían gravedad API de 8,4° y 46,9°. La relación con la cual se obtuvo un crudo diluido con gravedad API de 16° fue 0,337 que corresponde a 29456,99 m3/d de crudo extrapesado con 9917,19 m3/d de nafta diluente (180000 bbl/d de crudo extrapesado por 60600 bbl/d de diluyente); para un total de 39374,19 m3/d de crudo diluido (240600 bbl/d). Luego de los procesos de mejoramiento, se obtuvo un crudo sintético o sincrudo de 31,9 °API y bajo contenido de azufre. Las características de las corrientes de mezcla para obtener el sincrudo se muestran en la Tabla 1. Refinería El crudo sintético obtenido se alimentó a una refinería donde se llevaron a cabo los procesos mostrados en el esquema de la Figura 2. En la Tabla 2 se muestran los rendimientos y propiedades de los productos de la refinería. Para las gasolinas, se obtuvieron números RON > 90 y gravedades específicas en el rango de 0,70 que son los valores de especificación para la gasolina de motor. En el caso del diésel producto, la gravedad específica se mantuvo dentro del rango de los valores típicos (0,84); pero el número de cetanos se mantuvo por debajo del valor mínimo para el diésel comercial (min: 50) (Suárez, 2007). Integración mejorador-refinería Siguiendo el esquema de la imagen mostrado en la Figura 3, se realizó la integración de materia entre el mejorador y la refinería, enviando las corrientes más pesadas a reprocesamiento en el mejorador con el propósito de mejorar las propiedades de los productos finales del mejorador (crudo sintético) y de la refinería. Para el mejorador, en la Tabla 3 se aprecia que el cambio más notable fue la disminución de la cantidad de nafta producida y en consecuencia, el incremento en la cantidad de diésel. Los contenidos de azufre también se reducen para algunas corrientes luego de la integración. Se aprecia el incremento de la gravedad API del sincrudo en comparación con el obtenido antes de la integración. El sincrudo obtenido con la integración, se alimentó a la refinería integrada. Luego de la integración se observa una disminución en el volumen de los productos de la unidad, como consecuencia de la alimentación que era procedente de viscorreducción y que presentó el mismo problema por la cantidad de corriente de vacío obtenida luego de la integración. Para la selección del mejor esquema de integración, se realizó un análisis económico en función del Valor Presente Neto (VPN). En la Tabla 4 se presenta el resumen del análisis económico realizado para los tres casos estudiados. Se observa que los tres casos presentan VPN positivos, de manera que los tres escenarios son rentables, pero el Caso 3 de la integración mejorador-refinería, presenta el mayor VPN, por lo que económicamente es más atractivo en comparación con los demás esquemas. Tabla 1. Propiedades de corrientes de mezcla para obtención de sincrudo Corriente Nafta Nafta HT Diésel HT Gasolina HC Gravedad API 45,7 46,0 34,1 58,5 49,2 0,2130 0,0234 0,1412 0,0005 0,0001 10850,83 15,13 10860,99 793,27 2459,15 Azufre (% peso) Nafta HC Flujo volumétrico m3/d Fuente: Simulación de mezclado para obtención de sincrudo. Continuación Tabla 1. Propiedades de corrientes de mezcla para obtención de sincrudo Diésel HC Sincrudo Gravedad API Corriente 34,78 27,45 Azufre (% peso) 0,1290 0,1250 11491,53 27716,56 Flujo volumétrico m3/d Fuente: Simulación de mezclado para obtención de sincrudo. REDIELUZ Vol. 4 Nº 1 · Enero - Junio 2014: 49 - 54 53 Tabla 2. Algunas propiedades de los productos la refinería Propiedades Gasolina de alto octanaje Gasolina de bajo octanaje Nafta Kerosén Diésel 0,73 0,74 0,77 0,81 0,84 96 91,8 65 - Grav. específica Número RON - Numero de cetanos 44,6 PVR (bar) 0,37 - - - - S (% peso) - 0,0432 0,0320 0,0094 0,0895 N (% peso) - - 5,57E-07 7,13E-06 0,0062 m3/d 5250,34 3902,48 96,37 2227,49 12661,91 Propiedades Gasóleo liviano Gasóleo pesado Residuo pesado Coque 0,95 1,05 1,05 - PVR (bar) - 0,44 0,79 - S (% peso) 0,6369 1,1501 Flujo volumétrico Grav. específica N (% peso) 4,7820 6,6521 1,42E-05 7,17E-05 1381,42 872,78 Flujo volumétrico m3/d 1017,11 472,87 Fuente: Correlaciones empíricas. RC: reformación catalítica, CCF: craqueo catalítico fluidizado, HT: hidrotratamiento, D: destilación, CR: coquización retardada. Tabla 3. Corrientes del mejorador antes y después de la integración Unidad Corriente Propiedad Destilación Nafta Antes Hidrotratamiento Nafta HT Después Antes Después Gravedad API (º) 46,8 45,6 46,2 46,2 Azufre (% peso) 0,0621 0,0367 0,0164 0,0130 2651,61 2651,61 9,89 9,21 Flujos volumétricos m3/d Unidad Hidrotratamiento Hidrocraqueo Diésel HT Gasolina HC Corriente Propiedad Antes Después Antes Después Gravedad API (º) 37,0 33,9 61,4 61,3 Azufre (% peso) 0,0983 0,0775 0,0005 0,0005 10485,60 12280,88 1158,14 1276,39 Flujos volumétricos m3/d Unidad Corriente Propiedad Antes Hidrocraqueo Hidrocraqueo Nafta HC Diésel HC Después Antes Después Gravedad API (º) 51,9 51,8 39,1 39,1 Azufre (% peso) 0,0001 0,0001 0,0818 0,0687 26321,48 29009,02 64688,43 71352,09 Flujos volumétricos bbl/d Fuente: Elaboración propia (2014). 54 Johanna Medrano, Yadira López y Jorge Sánchez Procesos para el mejoramiento y refinación de crudos extrapesados venezolanos Tabla 4. Análisis económicos para los esquemas de integración propuestos mejorador Refinería Integración Gastos de capital (MM $) Alimentación de refinería 3164,6 1881,1 5045,74 Ingreso bruto (MM $/año) 4721,2 7067,7 14488,89 Gastos de operación (MM $/ año) 316,15 188,1 15245,93 Flujo de caja (MM $/año) 1623,10 705, 2385,37 Valor Presente Neto (VPN) (MM $) 24631,8 10153,5 54058,62 6,1 5,51 6,42 Índice de Valor Presente Neto (IVPN) Fuente: Elaboración propia (2014). CONCLUSIONES – Para el proceso de dilución, la relación diluyente/crudo con la cual se obtuvo un crudo diluido con gravedad API de 16º fue 0,337 correspondiente a 29456,99 m3/d de crudo extrapesado con 9917,19 m3/d de nafta diluente. – El producto del mejorador fue un sincrudo 31,9 º API, con características similares a las de un crudo mediano. Las propiedades de la gasolina, nafta, kerosén, diésel u otros productos de la refinería se mantuvieron dentro del rango típico para cada uno, a excepción del contenido de azufre que no fue menor al mínimo requerido de 0,001%. – El esquema de integración mejorador-refinería propuesto, resulta ser el más atractivo económicamente para el procesamiento de crudos extrapesados, ya que presenta mayor VPN (en comparación con los Casos 1 y 2). REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS CIA. The World Factbook. (2012). Country comparison to the world. Oil consumption (bbl/day). Available online: https://www.cia.gov/library/publications/the-worldfactbook/fields/2174.html Petróleos de Venezuela S.A, PDVSA (2012). Ministerio del Poder Popular del Petróleo y Minería. Informe de Gestión Anual 2007. Proyecto Magna Reserva. (Certificación de la FPO). Disponible en línea: http://www. pdvsa.com.Fecha de consulta: 12 - 06- 2013 Sevilla, J. (2010). Reservas, producción y consumo del petróleo. En línea: Noticias Revista AAinteligencia digital. Fecha de publicación: Agosto, 2010. http://www.aainteligencia.cl/?p=693. Fecha de consulta: 25-10-2012 Suárez, L. (2007). Biotratamiento del crudo extrapesado campo Carabobo mediante enzimas extracelulares de hongos mitospóricos filamentosos. Trabajo especial de Grado. Universidad Central de Venezuela. Pp: 26-59.