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Esta gu’a autodid‡ctica aborda los principios fundamentales de la refinaci—n del petr—leo y su relaci—n con la producci—n de combustibles con contenido ultra bajo de azufre (ULSF), en particular la gasolina (ULSG) y el combustible diŽsel (ULSD). 1 Este es el primer producto de un an‡lisis integral de la econom’a en la producci—n de ULSG y ULSD, y el suministro de estos combustibles a Brasil, China, India y MŽxico, a cargo de HART Energy y MathPro Inc. para el Consejo Internacional sobre Transporte Limpio (ICCT, por sus siglas en inglŽs). El objetivo de esa gu’a es (1) brindar un contexto y marco de organizaci—n a los fines de un an‡lisis general, (2) identificar los factores tŽcnicos que determinan el costo de refinaci—n para la producci—n de ULSG y ULSD, y (3) facilitar la interpretaci—n de los resultados del an‡lisis. En esta gu’a se tratan los siguientes temas: !
Los aspectos fundamentales de la industria de refinaci—n del petr—leo
!
El petr—leo crudo y sus propiedades
! !
Las clases de procesos y configuraciones de refinaci—n Las propiedades de los flujos producidos por refinaci—n (Òcomponentes de mezclaÓ) que forman la gasolina y el combustible diŽsel
!
Las opciones de procesos de refinaci—n refinaci—n para la producci—n producci—n de ULSG y ULSD
Esta gu’a est‡ dirigida a los lectores interesados en la producci—n de ULSG y ULSD, pero que desconocen las operaciones de refinaci—n en general y el control del azufre en particular.
!
A los fines de esta gu’a, ULSF se define como combustible con contenido de azufre de < 30 partes por mill—n (ppm).
P‡gina 1
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La refinaci—n de petr—leo es un eslab—n œnico y fundamental de la cadena de suministro de petr—leo, del pozo a la bomba. Los dem‡s eslabones de este proceso agregan valor al petr—leo, principalmente mediante su traslado y almacenamiento (por ejemplo, extracci—n del petr—leo crudo a la superficie, traslado desde el yacimiento petrol’fero a los dep—sitos y luego a las refiner’as, traslado de los productos refinados desde las refiner’as a las terminales de despacho e instalaciones de productos de consumo final, etc.). La refinaci—n agrega valor mediante la conversi—n del petr—leo crudo (que, en s’ mismo, tiene escaso valor como producto de consumo final) en una variedad de productos refinados, incluidos los combustibles para transporte. El principal objetivo econ—mico de la refinaci—n consiste en maximizar el valor agregado en la conversi—n del petr—leo crudo en productos terminados. Las refiner’as son grandes plantas de producci—n de gran densidad de capital, con sistemas de procesamiento extremadamente complejos. En ellas se convierte el petr—leo crudo y otros flujos de entrada en docenas de (sub)productos refinados, por ejemplo: Materias primas de petroqu’micos ! Aceites lubricantes y ceras ! ! Gas—leo de calefacci—n ! ! Aceite combustible (para generaci—n ! de energ’a elŽctrica, combustible marino, calefacci—n industrial y ! urbana) ! Asfalto (para pavimentaci—n y techado) Entre los subproductos mencionados, los combustibles para transporte son los de mayor valor, mientras que los aceites combustibles y el asfalto son los de menor valor. !
Gas licuado de petr—leo (GLP) Gasolina Combustible pesado Queroseno (para iluminaci—n y calefacci—n) Combustible diŽsel
!
Muchos productos refinados, como la gasolina, se producen en diferentes grados, para cumplir con diferentes especificaciones y est‡ndares (por ejemplo, ’ndices de octano o contenido de azufre). En la actualidad, existen m‡s de 660 refiner’as en 116 pa’ses, que producen m‡s de 85 millones de barriles de productos refinados por d’a. Cada refiner’a tiene una estructura f’sica particular, as’ como determinadas caracter’sticas operativas y una econom’a particular. La estructura de una refiner’a y sus caracter’sticas de funcionamiento est‡n determinadas principalmente por su ubicaci—n, antigŸedad, disponibilidad de fondos para inversiones de capital, petr—leos crudos disponibles, demanda del producto (de los mercados locales y/o de exportaci—n), requisitos de calidad del producto, normativa y est‡ndares ambientales, y las especificaciones y requisitos del mercado para los productos refinados. La mayor’a de las refiner’as de AmŽrica del Norte est‡n dise–adas para maximizar la producci—n de gasolina, a expensas de los dem‡s productos refinados. En otros lugares, la mayor’a de las capacidades de refinaci—n actuales y pr‡cticamente todas las capacidades nuevas est‡n dise–adas P‡gina 2
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para maximizar la producci—n de destilado (combustible diŽsel y pesado) y, en algunas zonas, la producci—n de materias primas de petroqu’micos, debido a que se ha registrado un acelerado crecimiento en la demanda de estos productos en la mayor’a de las regiones del mundo.
En las refiner’as se convierte el petr—leo crudo en productos terminados derivados del petr—leo. Por lo tanto, a fin de comprender los aspectos fundamentales de la refinaci—n del petr—leo, se debe empezar con el petr—leo crudo.
3.1
Componentes qu’micos del petr—leo crudo
En las refiner’as del mundo, se procesan, en mayor o menor volumen, cientos de tipos diferentes de crudos (identificados generalmente por su origen geogr‡fico). Cada tipo de crudo es œnico y es una mezcla compleja de miles de componentes. La mayor’a de los componentes presentes en el petr—leo crudo son hidrocarburos (componentes org‡nicos compuestos por ‡tomos de hidr—geno y carbono). Asimismo, se pueden encontrar no s—lo carbono e hidr—geno, sino tambiŽn peque–as (pero importantes) cantidades de otros (ÒheteroÓ) elementos, en particular azufre, nitr—geno y ciertos metales (por ejemplo, n’quel, vanadio, etc.). El petr—leo crudo est‡ compuesto por la molŽcula de hidrocarburo m‡s peque–a y simple Ð CH 4 (metano) Ð hasta las molŽculas m‡s grandes y complejas que contienen 50 o m‡s ‡tomos de carbono (adem‡s de hidr—geno y heteroelementos). Las propiedades f’sicas y qu’micas de cualquier tipo de hidrocarburo o molŽcula dependen no s—lo de la cantidad de ‡tomos de carbono en la molŽcula, sino tambiŽn de la naturaleza de los enlaces qu’micos entre ellos. Los ‡tomos de carbono se unen f‡cilmente entre s’ (y con hidr—geno y hetero‡tomos) en diferentes formas (enlaces simples, dobles y triples) para formar diferentes clases de hidrocarburos, conforme se ilustra en la Figura 1 de la p‡gina siguiente. La parafina, los arom‡ticos y los naftenos son componentes naturales del petr—leo crudo, y tambiŽn se producen mediante varias operaciones de refinaci—n. Normalmente las olefinas no est‡n presentes en el petr—leo crudo. Se producen en determinadas operaciones de refinaci—n destinadas principalmente a la producci—n de gasolina. Como se muestra en la Figura 1, los componentes arom‡ticos tienen mayor proporci—n de carbono-hidr—geno (C/H) que los naftenos, los cuales, a su vez, tienen mayor proporci—n de C/H que las parafinas. Cu‡nto m‡s pesado (m‡s denso) es el crudo, m‡s alta es su proporci—n de C/H. Debido a los procesos qu’micos de la refinaci—n, cu‡nto mayor es la proporci—n de C/H del crudo, m‡s intenso y costoso es el proceso de refinaci—n que se requiere para producir determinados volœmenes de gasolina y combustibles destilados. Por ello, la composici—n qu’mica del petr—leo crudo y su divisi—n en fracciones de distinto punto de ebullici—n incluyen en los requisitos de inversi—n de la refiner’a y la energ’a que utiliza, los dos aspectos m‡s importantes del costo total de la refinaci—n.
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Las proporciones de los diferentes tipos de hidrocarburos, su distribuci—n de la cantidad de carbono y la concentraci—n de heteroelementos en un tipo de crudo determina el rendimiento y la calidad de los productos refinados que se pueden producir en la refiner’a a partir de dicho crudo y, por lo tanto, el valor econ—mico del crudo. Los diferentes tipos de crudo requieren distintas refiner’as y operaciones para maximizar el valor de la gama de productos que producen.
Figura 1: Tipos importantes de compuestos de hidrocarburos presentes en el petr—leo crudo
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3.2
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Caracter’sticas del petr—leo crudo
La valoraci—n de los costos de refinaci—n del petr—leo crudo requiere una descripci—n completa del crudo y sus componentes, incluida la calificaci—n de sus propiedades. Sin embargo, existen dos propiedades que son especialmente œtiles para clasificar y comparar r‡pidamente los petr—leos crudos: la gravedad API (medida de densidad ) y el contenido de azufre.
3.2.1 Gravedad API (densidad) La densidad de un crudo indica quŽ tan liviano o pesado es en su totalidad. Los crudos m‡s livianos tienen una mayor proporci—n de peque–as molŽculas, que las refiner’as pueden convertir en gasolina, combustible pesado y diŽsel (cuya demanda est‡ en aumento). Los crudos m‡s pesados tienen proporciones m‡s altas de molŽculas grandes, que las refiner’as pueden (1) utilizar en combustibles industriales pesados, asfalto y otros productos pesados (cuyos mercados son menos din‡micos y, en algunos casos, se est‡n reduciendo), o (2) procesarlas en molŽculas m‡s peque–as que se pueden utilizar en combustibles para transporte. En la industria de refinaci—n, la densidad de un crudo se expresa generalmente en tŽrminos de gravedad API , un par‡metro de medici—n de unidades en grados (o API ), por ejemplo, 35o API. La gravedad API var’a en forma inversa a la densidad (es decir, cu‡nto m‡s liviano es el material, m‡s alta es la gravedad API). Por definici—n, el agua tiene una gravedad API de 10 o. La Figura 2 muestra la calidad de un t’pico crudo liviano (35¡ API) y un t’pico crudo pesado (25¡ API), en funci—n de su producci—n natural de gases livianos, componentes de la gasolina y destilados (principalmente combustible pesado y diŽsel), y aceites pesados. La figura tambiŽn muestra el perfil promedio de demanda de estas categor’as de productos en los pa’ses desarrollados. Figura 2: T’pica producci—n natural de crudos livianos y pesados
100% 80% Light Gas
60%
Gasoline Distillate
40%
Heavy Oils 20% 0% Light Crude
Heavy Crude
Products
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Fuente: Consultor’a de Hart Energy (2010)
Las producciones naturales de aceites pesados a partir de los crudos livianos y pesados superan la demanda de productos refinados pesados, y la producci—n natural de aceite pesado a partir del crudo pesado es m‡s del doble en comparaci—n con el crudo liviano. Estas caracter’sticas generales de los crudos implican que (1) las refiner’as deben ser capaces de convertir al menos algunos, y quiz‡s la mayor’a, de los aceites pesados en productos livianos, y (2) cu‡nto m‡s pesado es el crudo, m‡s es la capacidad de conversi—n que se necesita para producir cualquier gama de productos.
3.2.2 Contenido de azufre Entre los heteroelementos presentes en el petr—leo crudo, el azufre es el que m‡s afecta el proceso de refinaci—n. !
Los niveles suficientemente altos de azufre en el flujo de refinaci—n pueden (1) desactivar (ÒcontaminarÓ) los catalizadores que aceleran las reacciones qu’micas deseadas en ciertos procesos de refinaci—n, (2) provocar la corrosi—n en el equipo de refiner’a, y (3) generar la emisi—n a la atm—sfera de compuestos de azufre, que no son agradables y pueden estar sujetos a estrictos controles reglamentarios.
!
El azufre de los combustibles para veh’culos automotores ocasiona la emisi—n de compuestos de azufre indeseables e interfiere con los sistemas de control de emisiones de este tipo que est‡n destinados a regular las emisiones perjudiciales, como los compuestos org‡nicos vol‡tiles, —xidos de nitr—geno y particulados.
Consecuentemente, las refiner’as deben tener la capacidad de extraer el azufre del crudo y los flujos de refinaci—n en la medida que sea necesario para atenuar estos efectos no deseados. Cu‡nto m‡s alto sea el contenido de azufre del crudo, m‡s alto es el grado de control de azufre que se necesita y el costo que insume este procedimiento. El contenido de azufre del crudo y los flujos de refinaci—n se mide generalmente en tanto por ciento (%) en peso o en partes por mill—n por peso (ppmw). En la industria de la refiner’a, el petr—leo crudo se denomina con poco azufre (bajo nivel de azufre), si su nivel de azufre es inferior al valor umbral (por ejemplo, 0,5 % (5.000 ppmw)) y sulfuroso (alto nivel de azufre), si el nivel de azufre supera el umbral m‡s alto. La mayor’a de los crudos sulfurosos registran niveles de azufre de entre 1,0 y 2,0 %, pero en algunos casos se registran niveles de azufre de > 4 %. En un determinado tipo de crudo, la concentraci—n de azufre tiende a incrementar en forma progresiva, con un aumento en la cantidad de carbono. Por lo tanto, las fracciones de crudo en el aceite combustible y el punto de ebullici—n del asfalto tienen mayor contenido de azufre en comparaci—n con el que se registra en el punto de ebullici—n del combustible pesado y el diŽsel, que, a su vez, tienen m‡s contenido de azufre que el que se registra en el punto de ebullici—n de la gasolina. Del mismo modo, los componentes m‡s pesados presentes en, por ejemplo, el punto de ebullici—n de la gasolina tienen m‡s contenido de azufre que los componentes m‡s livianos en dicho punto de ebullici—n.
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3.2.3 Clasificaci—n de los tipos de petr—leo crudo segœn su gravedad API y contenido de azufre La Figura 3 muestra un esquema que se utiliza mucho para clasificar los tipos de petr—leo crudo en base a su gravedad API y contenido de azufre. Cada clase de crudo se define por rango de gravedad API y rango de contenido de azufre. Los nombres de las categor’as indican tales rangos en tŽrminos cualitativos. En la Figura 4 se enumeran algunos tipos importantes de crudo que se comercializan en el mundo y su clasificaci—n segœn la gravedad API y el contenido de azufre de cada uno de estos petr—leos crudos. Figura 3: Tipos de petr—leo crudo Property Range Crude Oil Class
Gravity
Sulfur
(¡API )
(wt.%)
Light Sweet
35-60
0-0.5
Light Sour
35-60
> 0.5
Medium Medium Sour
26-35
0-1.1
Medium Sour
26-35
> 1.1
Heavy Sweet
10-26
0-1.1
Heavy Sour
10-26
> 1.1
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Figura 4: Gravedad ¡API y niveles de azufre presentes en algunos tipos importantes de petr—leo crudo Properties Crude Oil
Brent
Country of Origin
U.K.
West Texas Intermediate
U.S.A.
Arabian Extra Lt. Export
Saudi Arabia
Daqing
Crude Oil Class
Light Sweet Light Sour
China
Gravity (¡API )
Sulfur (wt.%)
40.0
0.5
39.8
0.3
38.1
1.1
33.0
0.1
29.5
0.2
34.0
1.9
30.9
2.5
20.1
0.7
25.2
0.9
25.0
1.4
21.3
3.4
Medium Medium Sour Forcados Export
Nigeria
Arabian Light Export
Saudi Arabia
Kuwait Export Blend
Kuwait
Marlim Export
Brazil
Cano Limon
Colombia
Oriente Export
Ecuador
Maya Heavy Export
Mexico
Medium Sour
Heavy Sweet
Heavy Sour
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3.3
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Calidad del petr—leo crudo y econom’a de la refinaci—n 3.3.1 La calidad promedio del crudo est‡ disminuyendo
La gravedad API promedio y el contenido de azufre del total de tipos de crudo para refinaci—n que se procesa en las refiner’as var’an segœn la regi—n. En algunas regiones el tipo de crudo que se procesa es m‡s liviano o con poco azufre que en otras regiones. Sin embargo, con el tiempo, la calidad promedio de los tipos mundiales de crudo para refinaci—n ha ido decayendo paulatinamente. La gravedad API promedio ha disminuido lentamente. El contenido promedio de azufre ha aumentado m‡s r‡pidamente y esta tendencia probablemente continuar‡ en un futuro inmediato. Para ilustrar esta tendencia, la Figura 5 muestra la calidad estimada del crudo, segœn la gravedad API y el contenido de azufre, en varias regiones del mundo para el a–o 2008 (presente) y 2030 (proyectado). En la Figura 6 se muestran las curvas del promedio de gravedad API y el contenido de azufre proyectadas en funci—n del tiempo, para el per’odo 2008 al 2030. Figura 5: Calidad regional y mundial promedio del petr—leo crudo: 2008 (presente) y 2030 (proyectado) 2008 (Actual) Region
2030 (Projected)
Gravity (¡API)
Sulfur (wt%)
Gravity (¡API)
Sulfur (wt%)
North America
31.2
1.21
28.7
1.66
Latin America
25.1
1.59
23.5
1.57
Europe
37.1
0.37
37.4
0.38
Commonwealth of Independent States
32.5
1.09
35.1
0.97
Asia-Pacific
35.4
0.16
35.7
0.16
Middle East
34.0
1.75
33.9
1.84
Africa
36.5
0.31
37.1
0.26
33.0
1.1
32.9
1.3
World Average
Fuente: An‡lisis de Consultor’a de Hart Energy (2010)
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Figura 6: Tendencias mundiales de calidad del petr—leo crudo (2008-2030) ( ) ¡API, ( ) Azufre [%] !
!
Fuente: An‡lisis de Consultor’a de Hart Energy (2010)
Estas tendencias reflejan la inestable relaci—n entre la calidad promedio de las reservas de crudo mundial y la producci—n anual de petr—leo crudo. En promedio, las reservas mundiales de crudo registran una menor gravedad API y un mayor contenido de azufre que la producci—n mundial actual. Las grandes reservas de Medio Oriente (con predominio de crudo mediano sulfuroso), AmŽrica del Sur (con predominio de crudo pesado sulfuroso) y Canad‡ (con predominio de crudo pesado sulfuroso) contribuyen cada vez m‡s con el suministro mundial de petr—leo crudo. El crudo que se produce en Europa y Asia es, en promedio, de alta gravedad API y bajo contenido de azufre, pero constituye una parte menos importante del suministro mundial de petr—leo.
3.3.2 La calidad del petr—leo crudo influye su precio La prensa popular con frecuencia hace referencia al Òprecio del petr—leo crudoÓ, como si todos los petr—leos crudos tuvieran el mismo precio. En realidad, esto no es as’. Cu‡nto m‡s alta es la calidad del crudo, m‡s alto es su precio de mercado, en relaci—n con el precio promedio predominante de todo el petr—leo crudo. En otras palabras, los crudos livianos con poco azufre tienen un sobreprecio, en comparaci—n con el crudo mediano sulfuroso y pesado. Los crudos livianos con poco azufre tienen un costo de refinaci—n m‡s alto que los crudos m‡s pesados y sulfurosos, debido a que (1) los crudos livianos generan una mayor producci—n natural P‡gina 11
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de los componentes que se incorporan en los productos livianos m‡s valiosos, y (2) los crudos con poco azufre tienen menos azufre. Por esta raz—n, los crudos livianos con poco azufre requieren menos energ’a para su procesamiento y menos inversi—n de capital para satisfacer la demanda y los est‡ndares de calidad de un determinado producto, que los crudos m‡s pesados y sulfurosos. Por lo tanto, las refiner’as se enfrentan a una decisi—n econ—mica fundamental para satisfacer la demanda y cumplir con los est‡ndares de calidad del producto. ƒstas pueden pagar un sobreprecio por los crudos de mayor calidad para aprovechar sus beneficios econ—micos o hacer una inversi—n m‡s alta en acciones de capital de refiner’a y costos m‡s altos de refinaci—n para beneficiarse de los precios relativamente m‡s bajos de los crudos de menor calidad. Las diferencias de precios del crudo liviano con poco azufre y el crudo sulfuroso pesado var’an con el tiempo y segœn la regi—n, debido a la interacci—n de diversos factores tŽcnicos y econ—micos. Estos factores incluyen las diferencias en la calidad del crudo, el balance entre la oferta y la demanda del crudo, los mercados locales del producto y sus especificaciones, y la capacidad de refinaci—n local. Sin embargo, por lo general, las diferencias de precios entre el crudo liviano con poco azufre y el sulfuroso pesado tienden a (1) aumentar (en tŽrminos absolutos) con el incremento del nivel de precios mundial del petr—leo y (2) oscilar entre el 15% y 25% del precio promedio del crudo liviano con poco azufre.
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