Destilación petróleo La destilación es la operación fundamental para el refino del petróleo. Su objetivo es conseguir, mediante calor, separar los diversos componentes del crudo. Cuando el crudo llega a la refinería es sometido a un proceso denominado ³destilación fraccionada´. El petróleo crudo calentado se separa físicamente en distintas fracciones de destilación directa, diferenciadas por puntos de ebullición específicos y clasificadas, por orden decreciente de volatilidad, en gases, destilados ligeros, destilados intermedios, gasóleos y residuo. Existen varias sistemas de destilación: Destilación atmosférica En las torres de destilación atmosférica, el crudo desalinizado se precalienta utilizando calor recuperado del proceso. Después pasa a un calentador de carga de crudo de caldeo directo, y desde allí a la columna de destilación vertical, justo por encima del fondo, a presiones ligeramente superiores a la atmosférica y a t emperaturas comprendidas entre 343 °C y 371 °C, para evitar el craqueo térmico que se produciría a temperaturas superiores. Las fracciones ligeras (de bajo punto de ebullición) se difunden en la parte superior de la torre, de donde son extraídas continuamente y enviadas a otras unidades para su ulterior proceso, tratamiento, mezcla y distribución.
Las fracciones con los puntos de ebullición más bajos (el gas combustible y la nafta ligera) se extraen de la parte superior de la torre por una tubería en forma de vapores. La nafta, o gasolina de destilación directa, se toma de la sección superior de la torr e como corriente de productos de e vaporación. Tales productos se utilizan como cargas petroquímicas y de reforma, material para mezclas de gasolina, disolventes y GPL. Las fracciones del rango de e bullición intermedio (gasóleo, nafta pesada y destilados) se extraen de la sección intermedia de la torre como corrientes laterales y se envían a las operaciones de acabado para su empleo como queroseno, gasóleo diesel, fuel, combustible para aviones de reacción, material de craqueo catalítico y productos para mezclas. Algunas de estas fracciones líquidas se separan de sus residuos ligeros, que se devuelven a la torre como corrientes de reflujo descendentes. Las fracciones pesadas, de alto punto de ebullición (denominadas residuos o crudo reducido), que se condensan o permanecen en el fondo de la t orre, se utilizan como fuel, para fabricar betún o como carga de craqueo, o bien se conducen a un calentador y a la torre de destilación al vacío para su ulterior fraccionamiento. Destilación al vacío Las torres de destilación al vacío proporcionan la presión reducida n ecesaria para evitar el craqueo térmico al destilar el residuo, o crudo reducido, que llega de la torre atmosférica a mayores temperaturas. Los diseños internos de algunas torres de vacío se diferencian de los de las torres atmosféricas en que en lugar de platos se utili za relleno al azar y pastillas separadoras de partículas aéreas. A veces se emplean
también torres de mayor diámetro para reducir las velocidades. Una torre de vacío ordinaria de primer a fase produce gasóleos, material base para aceites lubricantes y residuos pesados para desasfaltación de propano. Una torre de segunda fase, que trabaja con un nivel menor de vacío, destila el excedente de residuo de la torre atmosférica que no se utiliza para procesado de lubricantes, y el residuo sobrante de la primera torre de vacío no utilizado para la desasfaltación. Por lo común, las torres de vacío se usan para separar productos de craqueo catalítico del residuo sobrante. Asimismo, los residuos de las t orres de vacío pueden enviarse a un coquificador, utilizarse como material para lubricantes o asfalto, o desulfurarse y mezclarse para obtener fuel bajo en azufre. Columnas
de destilación En las refinerías hay muchas otras torres de destilación más pequeñas, denominadas columnas, diseñadas para separar productos específicos y exclusivos, todas las cuales trabajan según los mismos principios que las torres atmosféricas. Por ejemplo, un despropanizador es una columna pequeña diseñada para separar el propano del isobutano y otros componentes más pesados. Para separar el etilbenceno y el xileno se utiliza otra columna más grande. Una torres pequeñas de ³burbujeo´, llamadas torres rectificadoras, utilizan vapor para eliminar vestigios de productos ligeros (gasolina) de corrientes de productos más pesados. Las temperaturas, presiones y reflujo de control deben mantenerse dentro de los parámetros operacionales para evitar que se produzca craqueo térmico dentro de las torres de destilación. Se utilizan sistemas de descarga dado que pueden producirse desviaciones de presión, temperatura o niveles de líquidos si fallan los dispositivos de control automático. Se vigilan las operaciones para evitar la entrada de crudo en la carga de la unidad de reforma. Los crudos utilizados como materia prima contienen a veces cantidades apreciables de agua en suspensión que se separa al principio del proceso y que, junto con el agua procedente de la purga de vapor que queda en la torre, se deposita en el fondo de ésta. Es posible que esta agua se caliente hasta alcanzar el punto de ebullición, originando una explosión por vaporización instantánea al entrar en contacto con el aceite de la unidad.
El intercambiador de precalentamiento, el horno de precalentamiento, el intercambiador de calor de residuos, la torre atmosférica, el horno de vacío, la torre de vacío y la sección superior de evaporación sufren corrosión por efecto del ácido clorhídrico (HCl), el ácido sulfhídrico (H2S), el agua, los compuestos de azufre y los ácidos orgánicos. Cuando se procesan crudos sulfurosos es posible que la corrosión sea intensa tanto en las torres atmosféricas como en las de vacío si la t emperatura de las partes metálicas excede de 232 °C, y en los tubos de los hornos. El H2S hú medo también produce grietas en el acero. Al procesar crudos con alto contenido de nitrógeno se forman, en los gases de combustión de los hornos, óxidos de nitrógeno, que son corrosivos para el acero cuando se enfrían a bajas te mperaturas en presencia de agua. Se utilizan productos químicos para controlar la corrosión por ácido clorhídrico producida en las unidades de destilación. Puede inyectarse amoníaco en la corriente de la sección superior antes de la condensación inicial, y/o inyectarse con mucho cuidado una solución alcalina en la alimentación de petróleo crudo caliente. Si no se inyecta suficiente agua de lavado, se forman depósitos de cloruro de amonio y se produce una intensa corrosión. La destilación atmosférica y al vacío son procesos cerrados, por lo que las exposicio nes son mínimas. Cuando se procesan crudos agrios (con alto contenido de azufre) se produce exposición al ácido sulfhídrico en el intercambiador y el h orno de precalentamiento, la zona de destilación instantánea y el sistema de evaporación superior de la torre, el horno y la torre de vacío, y el intercambiador de calor de residuos. Todos los crudos de petróleo y los productos de destilación contienen compuestos aromáticos de alto punto de ebullición, como los HAP cancerígenos. La exposición de corta duración a altas concentraciones de vapor de nafta causa cefaleas, náuseas y mareos, y la de larga duración, pérdida del conocimiento. Las naftas aromáticas contienen benceno, por lo que debe limitarse la exposición a las mismas. Es posible que los productos de e vaporación del deshexanizador contengan grandes cantidades de hexano normal que afecten al sistema nervioso. En el intercambiador de precalentamiento, en zonas superiores de la torre y en productos de evaporación a veces hay cloruro de hidrógeno. El agua residual contiene a veces sulfuros hidrosolubles en altas concentraciones y otros
compuestos hidrosolubles, como amoníaco, cloruros, fenol y mercaptano, dependiendo del crudo de partida y de los productos qu ímicos de tratamiento.
La destilación del petróleo
Cuando el petróleo crudo llega a la refinería se somete a un proceso esencial llamado ³destilación fraccionada´, cuyo objetivo es conseguir separar sus diversos componentes bajo calor, físicamente en distintas fracciones, diferenciadas por puntos de ebu llición específicos y clasificadas por orden decreciente de volatilidad, en gases, destilados ligeros, destilados intermedios, gasóleos y residuo. Los sistemas de destilación son: Destilación atmosférica
El crudo desalinizado se precalienta con el calor re cuperado del proceso en las torres de destilación atmosférica, en seguida pasa a un calentador de carga de crudo de caldeo directo y desde allí a la columna de destilación vertical, justo por encima del fondo, a presiones un poco arriba de la atmosférica y a temperaturas comprendidas entre 343 °C y 371 °C para impedir el craqueo térmico que se produciría a temperaturas superiores. Las fracciones ligeras, con los puntos de ebullición más bajos son el gas combustible y la nafta ligera, que se difunden y se ex traen continuamente de la parte superior de la torre por una tubería en forma de vapores y se envían a otras unidades para su ulterior proceso, tratamiento, mezcla y distribución. Sus productos se utilizan como cargas petroquímicas y de reforma, material para mezclas de gasolina, disolventes y GPL. Las fracciones del rango de ebullición intermedio son el gasóleo, la nafta pesada y los destilados, extraídos de la sección intermedia de la torre como corrientes laterales y enviados a las operaciones de acabado para su empleo como queroseno, gasóleo diesel, fuel, combustible para aviones de reacción, material de craqueo catalítico y productos para mezclas. Algunos de sus residuos ligeros se separan y se devuelven a la torre como corrientes de reflujo descendente s. Las fracciones pesadas, residuos o crudo reducido de alto punto de ebullición se condensan o permanecen en el fondo de la torre. Son utilizadas como fuel, para fabricar betún o como carga de craqueo, o son llevadas a un calentador y a la torre de destil ación al vacío para su ulterior fraccionamiento.
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Destilación
al vacío En general las torres de vacío se utilizan en la separación de productos de craqueo catalítico del residuo sobrante y proporcionan la presión reducida indispensable para evitar el craqueo térmico al destilar el residuo (o crudo reducido) que llega de la to rre atmosférica a mayores temperaturas. Sus diseños internos son distintos a los de las torres atmosféricas, ya que utilizan relleno al azar y pastillas separadoras de partículas aéreas en lugar de platos. Para reducción de las velocidades, también se empl ean torres de mayor diámetro. Una torre de vacío ordinaria de primera fase produce gasóleos, material base para aceites lubricantes y residuos pesados para desasfaltación de propano. La de segunda fase trabaja con un nivel menor de vacío. Destila el excede nte de residuo de la torre atmosférica inutilizado para procesado de lubricantes y el residuo sobrante de la primera torre de vacío inutilizado para la desasfaltación. Igualmente se puede enviar los residuos de las torres de vacío a un coquificador y utili zarlos como material para lubricantes o asfalto, o desulfurarlos y mezclarlos para obtención de fuel bajo en azufre. Columnas de destilación Trabajando de acuerdo con los mismos principios de las torres atmosféricas en las refinerías, las columnas son torres de destilación más pequeñas, diseñadas para separar productos específicos y exclusivos. Una columna pequeña, por ejemplo un despropanizado r, se utiliza para separar el propano del isobutano y otros componentes más pesados. Otra columna más grande se utiliza para separar el etilbenceno y el xileno. Torres rectificadoras o torres pequeñas de ³burbujeo´ utilizan vapor para eliminar vestigios de productos ligeros (gasolina) de corrientes de productos más pesados. Para impedir el craqueo térmico dentro de las torres de destilación
se debe mantener las temperaturas, presiones y reflujo de control dentro de los parámetros operacionales, para preveni r desviaciones de presión, temperatura o niveles de líquidos si fallan los dispositivos de control automático se utilizan sistemas de descarga y para impedir la entrada de crudo en la carga de la unidad de reforma se vigilan las operaciones. Pueden haber cantidades significativas de agua en suspensión que se separa al principio del proceso en los crudos utilizados como materia prima y que, junto con el agua procedente de la purga de vapor que queda en la torre, se deposita en el fondo de ésta. Esta agua pue de calentarse hasta llegar al punto de ebullición, provocando una explosión por vaporización instantánea cuando hace contacto con el aceite de la unidad. El efecto del ácido clorhídrico (HCl), el ácido sulfhídrico (H2S), el agua, los compuestos de azufre y los ácidos orgánicos provocan corrosión en el intercambiador de precalentamiento, el horno de precalentamiento, el intercambiador de calor de residuos, la torre atmosférica, el horno de vacío, la torre de vacío y la sección superior de evaporación. En el procesamiento de crudos sulfurosos, la corrosión es intensa tanto en las torres atmosféricas como en las de vacío y en los tubos de los hornos si la temperatura de las partes metálicas excede de 232 °C. Las grietas en el acero también son provocadas por el H2S húmedo. Se forman óxidos de nitrógeno en los gases de combustión de los hornos al procesar crudos con alto contenido de nitrógeno, que son corrosivos para el acero cuando se enfrían a bajas temperaturas en presencia de agua. Las unidades de destilació n producen productos químicos utilizados para controlar la corrosión por ácido clorhídrico. Antes de la condensación inicial, se puede inyectar amoníaco en la corriente de la sección superior y/o con mucho cuidado una solución alcalina en la alimentación de petróleo crudo caliente. Sin suficiente agua de lavado, se forman depósitos de cloruro de amonio y por consecuencia una intensa corrosión. Las exposiciones son mínimas durante la destilación atmosférica y al vacío porque son procesos cerrados. En el proc esamiento de crudos agrios (con alto contenido de azufre) se produce exposición al ácido sulfhídrico en el intercambiador y el horno de precalentamiento, la zona de destilación instantánea y el sistema de evaporación superior de la torre, el horno y la torre de vacío, y el intercambiador de calor de residuos. Como los HAP cancerígenos, todos los crudos de petróleo y los productos de destilación contienen compuestos aromáticos de alto punto de ebullición. Cefaleas, náuseas y mareos son causas de la exposició n de corta duración a altas concentraciones del vapor de nafta. La exposición de larga duración provoca la pérdida del conocimiento. Se debe limitar la exposición a las naftas aromáticas, que contienen benceno. El sistema nervioso se puede ver afectado por las grandes cantidades de hexano normal de los productos de evaporación del deshexanizador. Puede haber cloruro de hidrógeno en el intercambiador de precalentamiento, en zonas superiores de la torre y en productos de evaporación. Dependiendo del crudo de partida y de los productos químicos de tratamiento, sulfuros hidrosolubles en altas concentraciones y otros compuestos hidrosolubles, como amoníaco, cloruros, fenol y mercaptano pueden estar presentes en el agua residual.
SEPARACIÓN DEL PETRÓLEO EN SUS FRACCIONES
¿CÓMO se puede separar en diferentes fracciones el petróleo? El sentido común dice que hay que calentarlo. Así, a medida que sube la temperatura, los compuestos con menos átomos de carbono en sus moléculas (y que son gaseosos) se desprenden fác ilmente; después los compuestos líquidos se vaporizan y también se separan, y así, sucesivamente, se obtienen las diferentes fracciones. En las refinerías petroleras, estas separaciones se efectúan en las torres de fraccionamiento o de destilación primaria. Para ello, primero se calienta el crudo a 400 °C para que entre vaporizado a la torre de destilación. Aquí los vapores suben a través de pisos o compartimentos que impiden el paso de los líquidos de un nivel a otro. Al ascender por los pisos los vapore s se van enfriando.
Figura 7. Refinería petrolera.
Figura 8. Principales fracciones del crudo
Este enfriamiento da lugar a que en cada uno de los pisos se vayan condensando distintas fracciones, cada una de las cuales posee una temperatura específica de licuefacción.
Los
primeros vapores que se licúan son los del gasóleo pesado a 300 °C aproximadamente, después el gasóleo ligero a 200 °C; a continuación, la kerosina a 175 °C, la nafta y por último, la gasolina y los gases combustibles que s alen de la torre de fraccionamiento todavía en forma de vapor a 100 °C. Esta última fracción se envía a otra torre de destilación en donde se separan los gases de la gasolina. Ahora bien, en esta torre de fraccionamiento se destila a la presión atmosférica, o sea, sin presión. Por lo tanto, sólo se pueden separar sin descomponerse los hidrocarburos que contienen de 1 a 20 átomos de carbono. Para poder recuperar más combustibles de los residuos de la destilación primaria es necesario pasarlos por otra torr e de fraccionamiento que trabaje a alto vacío, o sea a presiones inferiores a la atmosférica para evitar su descomposición térmica, ya que los hidrocarburos se destilarán a más baja temperatura. En la torre de vacío se obtienen sólo dos fracciones, una de destilados y otra de residuos. De acuerdo al tipo de crudo que se esté procesando, la primera fracción es la que contiene los hidrocarburos que constituyen los aceites lubricante y las parafinas, y los residuos son los que tienen los asfaltos y el combustóleo pesado. El cuadro 2 nos describe aproximadamente el número de átomos de carbono que contienen las diferentes fracciones antes mencionadas.
CUADRO
2. Mezcla de hidrocarburos obtenidos de la destil ación fraccionada del petróleo
En este cuadro incluimos los gases incondensables y el gas licuado (LP) porque éstos se encuentran disueltos en el crudo que entra a la
destilación primaria, a pesar de que se suele eliminarlos al máximo en las torres de despunte que se encuentran antes de precalentar el crudo de fraccionadores. De los gases incondensables el metano es el hidrocarburo más ligero, pues contiene sólo un átomo de carbono y cuatro de hidrógeno. El que sigue es el etano, que está compuesto por dos de carbono y seis de hidrógeno. El primero es el principal componente del gas natural. Se suele vender como combustible en las ciudades, en donde se cuenta con una red de tuberías especiales para su distribución. Este combustible contiene cantidades significativas de etano. El gas LP es el combustibl e que se distribuye en cilindros y tanques estacionarios para casas y edificios. Este gas está formado por hidrocarburos de tres y cuatro átomos de carbono denominados propano y butano respectivamente. La
siguiente fracción está constituida por la gasolin a virgen, que se compone de hidrocarburos de cuatro a nueve átomos de carbono, la mayoría de cuyas moléculas están distribuidas en forma lineal, mientras que otras forman ciclos de cinco y seis átomos de carbono. A este tipo de compuestos se les llama parafínicos y cicloparafínicos respectivamente. Esta gasolina, tal cual, no sirve para ser usada en los automóviles; en el siguiente capítulo se explicará por qué. La
fracción que contiene de 10 a 14 átomos de carbono tiene una temperatura de ebullición de 174 a 288 °C, que corresponde a la fracción denominada kerosina, de la cual se extrae el combustible de los aviones de turbina llamado turbosina. La
última fracción que se destila de la torre primaria es el gasóleo, que tiene un intervalo de ebullición de 250 a 310 °C y contiene de 15 a 18 átomos de carbono. De aquí se obtiene el combustible llamado diesel, que, como ya dijimos, sirve para los vehículos que usan motores diesel como los tractores, locomotoras, camiones, trailers y barcos. De los destilados obtenidos al vacío, aquellos que por sus características no se destinen a lubricantes se usarán como materia prima para convertirlos en combustibles ligeros como el gas licuado, la gasolina de alto octano, el diesel, la kerosina y el gasóleo. El residuo de vacío contiene la fracción de los combustóleos pesados que se usan en las calderas de las termoeléctricas.
De todo lo que hemos descrito en este capítulo, se ve claramente cómo casi el total de cada barril de petróleo que se procesa en las refinerías se destina a la fabricación de combustibles. La cantidad de gasolina virgen obtenida depende del tipo de petróleo crudo (pesado o ligero), ya que en cada caso el porcentaje de esta fracción es variable. Como dijimos al principio, la gasolina es el combustible que tiene mayor demanda; por lo tanto, la cantidad de gasolina natural que se obtiene de cada barril siempre es insuficiente, aun cuando se destilen crudos ligeros, que llegan a tener hasta 30% de este producto. Además, las características de esta gasolina no llenan las especificaciones de octanaje necesarias para los motores de los automóviles. Para resolver estos problemas los científicos han desarrollado una serie de procesos para producir más y mejores gasolinas a partir de otras fracciones del petróleo. Pero para poder comprender lo anterior es necesario describir antes cómo trabaja un motor de combustión interna y qué significa el índice de octano de una gasolina, temas de los cuales hablaremos a continuación.
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