Viscorreducción Trabajo

UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO MONAGAS ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO ÁREAS DE CRUDOS PESADOS PROCESAMIENTO Y COMERCIALIZACIÓN DE CRUDOS PESADOS

VISCORREDUCCIÓN

REALIZADO POR: VARELA GIMÉNEZ, DAVID JESÚS. C.I.: 18.395.194. VÁSQUEZ RIVERA, FRANCY ROSA JOSÉ. C.I.: 14.421.735

REVISADO POR: MSC. ING. TOMÁS MARÍN

JUNIO 2014

ÍNDICE INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1 VISCORREDUCCIÓN (VISBREAKING) .............................................................. ................................. ............................. 2 1 DEFINICIÓN ......................................................................................................... ............................................................................ ............................. 2 2 FINALIDAD U OBJETIVO .................................................................................. ...................................................................... ............ 3 3 VARIABLES DE OPERACIÓN ........................................................................... ..................................... ...................................... 4 3.1 Propiedades de la carga (alimentación) ........................................................... .......................................................... . 4 3.2 Temperatura ..................................................................................................... ................................................................................. .................... 4 3.3 Tiempo de residencia ................................................. ....................................................................................... ...................................... 4 3.4 Presión de reacción .......................................................................................... ................................................................................ .......... 4 4 CONDICIONES DEL PROCESO ......................................................................... 5 5 REACCIONES ............................................................................................. .......... 5 6 PROCESO Y ESQUEMAS.................................................................................... ESQUEMAS.................................................................................... 6 7 PRODUCTOS ........................................................................................................ .................................................................. ...................................... 9 8 LIMITACIONES ...................................................... .................................................................................................. ............................................ 10 9 VENTAJAS Y DESVENTAJAS .............................................. ......................................................................... ........................... 11 9.1 Ventajas ......................................................................................................... 11 9.2 Desventajas .................................................................................................... ................................................................ .................................... 11 10 APLICACIÓN DE VISCORREDUCCIÓN EN CP Y CXP.............................. 11 11 IMPACTO AMBIENTAL ................................................................................ ............................ ...................................................... 12

CONCLUSIONES ................................................ .................................................................................................... ...................................................... 14 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS BIBL IOGRAFICAS .................................................. .................................................................... .................. 15

INTRODUCCIÓN Equilibrar el rendimiento del producto con la demanda del mercado, sin la fabricación de grandes cantidades de fracciones de bajo valor comercial (residuos), ha requerido  procesos para la conversión de hidrocarburos de una estructura y peso molecular, a otros rangos de estructura y peso molecular. El proceso básico es el craqueo, en el que se descomponen térmicamente los componentes de petróleo y esto se traduce en menores pesos moleculares y puntos de ebullición, aunque el reformado, alquilación,  polimerización, y procesos de hidrorefinación tienen amplias aplicaciones en la obtención de productos de primera calidad. La viscorreducción es uno de los muchos métodos de craqueo usados en la industria del petróleo para el procesamiento de crudos y otros productos de petróleo, para uso comercial. Y al igual que muchos procesos de craqueo, aún cuando no son llamados “viscorreducciones”, operan en “modo viscorreducción”. Esto da la impresión de que

el proceso ya no se usa en las refinerías y esto está muy lejos de la realidad; la viscorreducción es aún un proceso valioso.

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VISCORREDUCCIÓN (VISBREAKING) 1 DEFINICIÓN La viscorreducción es un proceso térmico no catalítico que convierte los residuos atmosféricos y de vacío en gas, nafta, destilados y residuos viscorreducidos. Típicamente el proceso alcanza una conversión a gas, nafta y destilados del 10 % y en algunos casos se pueden obtener conversiones más elevadas, dependiendo de las características de la alimentación. Durante este proceso se puede disminuir la  producción de fuel oil (hasta en un 20 %) dependiendo de la cantidad de azufre contenido en la alimentación (Maples, 2000). Este proceso reduce la cantidad de componentes pesados de una corriente de fuel oil inicial para especificar un corte-producto requerido, reduciendo la cantidad de fuel oil remanente en la corriente-residuo, simultáneamente se obtienen los productos antes mencionados. (Maples, 2000). Un viscorreductor es una unidad de procesamiento en la refinería de petróleo, cuyo  propósito es reducir la cantidad de aceite residual producido en la destilación de  petróleo crudo y para aumentar el rendimiento de destilados medios de alto valor (gasóleo de calefacción y diesel) por la refinería. Un viscorreductor craquea térmicamente las grandes moléculas de hidrocarburos en un horno para reducir su viscosidad y producir pequeñas cantidades de hidrocarburos ligeros (GLP y gasolina). El nombre del proceso de "visbreaker" se refiere al hecho de que el proceso reduce (es decir, se rompe) la viscosidad del aceite residual. El proceso es no catalítico. (Gary, 1984).

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2 FINALIDAD U OBJETIVO Los objetivos de la viscorreducción son:

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Reducir la viscosidad de la corriente de alimentación: Normalmente, este es el residuo de la destilación al vacío de petróleo crudo, pero también puede ser el residuo de las operaciones de hydroskimming, betún natural de filtraciones en el suelo o arenas de alquitrán, e incluso ciertos aceites crudos de alta viscosidad.

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Reducir la cantidad de fuel oil residual producida por una refinería: el fuel oil residual es generalmente considerado como un producto de bajo valor. La demanda de combustible residual continúa disminuyendo, ya que se sustituye en sus mercados tradicionales, como el combustible necesario para la generación de vapor en las centrales eléctricas, por la quema de combustibles alternativos más limpios como el gas natural.

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Aumentar la proporción de destilados medios en la salida de la refinería: el destilado medio se utiliza como un diluyente con aceites residuales para llevar su viscosidad a un nivel comercial. Al reducir la viscosidad de la corriente residual en un viscorreductor, un aceite de combustible se puede hacer usando menos diluyente y el destilado medio “salvado” puede ser desviado a un mayor valor de diesel o la fabricación de aceite de calefacción. (Gary, 1984)

Cuando se aplica viscorreducción a los residuos atmosféricos, su propósito es  producir la máxima cantidad de diesel y gasolina, mientras que cuando se aplica viscorreducción a los residuos de vacío se pretende reducir la viscosidad al mínimo,  para disminuir el uso de solventes ligeros en la producción de fuel oil industrial. (Speight, 2006).

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3 VARIABLES DE OPERACIÓN 3.1 Propiedades de la carga (alimentación)

A causa de la alta viscosidad y punto de escurrimiento de la carga almacenada, el residuo total de la viscorreducción puede no ser colocado dentro de las especificaciones, esta no será una ventaja económica al recuperar los destilados ligeros, además estos tenderán a ser colocados como carga almacenada.

3.2 Temperatura 

Inicia en el horno a 400-450ºF.

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El valor óptimo de la temperatura de operación se fija según rendimiento y duración de una "corrida".

3.3 Tiempo de residencia

En general un incremento en la temperatura o tiempo de residencia resulta en un incremento de la severidad en la reducción de viscosidad. Incrementando la severidad se incrementa el rendimiento del gas y la gasolina, reduciéndose al mismo tiempo la viscosidad del residuo.

3.4 Presión de reacción 

A baja presión aumenta la formación y depósito de coque.

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4 CONDICIONES DEL PROCESO La carga o alimentación en el proceso Visbreaking puede consistir de un Residuo de vacío o atmosférico con cierta proporción de hidrocarburos de 25 ºAPI a 35 ºAPI. Las temperaturas de operación o de reacción en el VB varían entre 420°C y 500°C y la  presión dentro del horno, entre 3 a 20 atm. En este proceso se dispone de una cámara de reacción Soaker donde se completa el craqueo de las moléculas, y por último la torre de fraccionamiento donde se obtienen gases C1-C4 y los cortes de gasolina, gasoil y residuo craqueado. (Giavarini, 1986).

5 REACCIONES En el proceso VB, la carga se deshidrogena para dar olefinas, así como también  puede ocurrir la aromatización de las estructuras naftenicas de las moléculas del sistema de reacción, de esta forma se propone una reacción que pueda representar el  proceso de Visbreaking (Machín, 1998): 1998 ):  R’ R  – P –  R’

R” –  PH  PH + R’ – H

Donde R y R ’ son unidades policondensadas que están unidas por un puente alifático P. El proceso de VB implica que parte de la molécula, por ejemplo el fragmento R, se deshidrogena, transformándose en R”. Luego, el hidrógeno liberado de este proceso es adsorbido por R ’ y R” P para dar R’-H y R”- PH, respectivamente, donde R’-H  puede ser s er una olefína. Este Es te mecanismo sugiere que qu e el rendimiento de este proceso es función de la cantidad de moléculas del tipo R − P − R’ existentes en la carga, y de la naturaleza del puente P. Si el puente P (cadena alifática) es corto, entonces, será poco reactivo ante el proceso de Visbreaking, si el puente P es largo, entonces, P es muy reactivo bajo las condiciones del proceso de Visbreaking. Es bueno observar que

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dependiendo de la capacidad de deshidrogenación que tenga la carga (fragmento R) se brindará el hidrógeno necesario para que se lleve a cabo este proceso (Machín, 1998).

6 PROCESO Y ESQUEMAS La alimentación a la unidad se da desde el residuo de la unidad de destilación al vacío a 670°F. La corriente de carga es bombeada por la bomba a los intercambiadores, donde es calentada a 920°F. El intercambiador viscorreductor es de un solo paso, gradiente controlado, de tipo caja con precalentador y serpentines de remojo. Las conexiones para la inyección de agua están a la entrada de los serpentines y, durante la operación normal, no se inyecta agua. Normalmente solo funciona un intercambiador mientras el otro permanece en standby. Durante la operación se forma coque en el tubo. Respecto a esto se hace circular una corriente permanente de aire para la descoquización. Se asume que la temperatura del tubo metálico alcanza un máximo de 1400°C durante la descoquización. El serpentín está diseñado para aproximadamente 133% de la caída total del tubo limpio. El efluente del intercambiador alcanza los 750°F y se une con el gas oil craqueado que sale del despojador. Este efluente fluye hasta la columna fraccionadora principal, con alrededor de 72 platos. El vapor entra y se produce flasheo que lo separa en gas, gasolina, nafta craqueada y gas oil. El vapor de cabeza es condensado en el condensador y se acumula en el tambor de nafta inestable, el cual provee un reflujo al fraccionador principal. El vapor que no condensa es enfriado y se acumula en el tambor estabilizador de alimentación. La nafta inestable fluye al estabilizador o a la columna debutanizadora, con 26 platos, la cual remueve cualquier gas de C4 en el tope y estabiliza la nafta en el fondo.

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La corriente de gas oil es removida de la columna fraccionadora principal y pasa al despojador de gas oil. Esta corriente es bombeada por y se une al efluente del intercambiador viscorreductor, como ya se dijo anteriormente. Para minimizar la formación de coque en el fondo, la columna fraccionadora se mantiene a 650°F removiendo corrientes y enfriándolas con la alimentación fresca a la columna y un enfriador de aire. El residuo de la columna fraccionadora es transferido por la columna despojador de residuo, donde es despojado por medio de vapor a mediana presión para remover gases livianos. El producto despojado de esta torre es enfriado por los intercambiadores antes de ser enviado al almacenamiento (ver figura 1).

Figura 1. Diagrama del Proceso de Viscorreducción (Visbreaking Process, 2003) Las condiciones operatorias de la unidad viscorreductora se muestran en la Tabla 1. Las variables importantes son la calidad de la alimentación, la temperatura de craqueo y el tiempo de residencia en las tuberías. Temperaturas bajas pueden producir un rendimiento pobre mientras que temperaturas altas producen la formación de coque.

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Tabla 1. Condiciones operatorias de la unidad viscorreductora.

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7 PRODUCTOS

1. Gases (metano, etano). 

Como el craqueo es suave, los gases producidos son pocos, 2-4% de cada salida.

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 Normalmente no se justifica la separación de la fracción C3-C4. Esta se destina como combustible en el propio horno del viscorreducción.

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Contiene cantidades importantes de olefinas y sobre todo en la fracción C4.

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Se usa en la recuperación de livianos.

2. Gasolina de viscorreducción constituida por las moléculas más estables (Nafta): 

Con mayor octanaje que las gasolinas de destilación directa (no mayor que 80)

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Cantidad de azufre más elevada que las gasolinas de destilación directa del mismo crudo (3 veces más).

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La nafta (gasolina de viscorreducción) contiene un alto contenido de olefinas  por lo cual presenta problemas de estabilidad y formación f ormación de gomas. Esto se corrige mediante hidrotratamiento (aunque suelen presentarse dificultades con el catalizador).

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Se opera en la unidad en condiciones de poco rendimiento en nafta.

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Se obtiene de 4-8% en cada salida.

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Se usa como carga para DSF.

3. Aceites intermedios o metales de reciclo (gasoil). 

Límites de ebullición entre la gasolina y la brea.

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Pueden ser "craqueados" por recirculación.

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El gasoil de visbreaking representa de 12-20% en cada salida.

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Presenta un alto grado de insaturación. Por lo que para destinarlo a diésel debe ser hidrotratado, variando su índice diésel entre 35-50.

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

Bajo conversión catalítica, este gasoil junto con las naftas se introduce como alimentación para su transformación en gasolina o diésel.

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Se usa como flushing en la misma unidad, como diluyente del fuel oil o como carga para DSF.

4. Brea y Coque (residuo): 

Formado por polimerización de moléculas más reactivas.

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Contienen 1,8 veces más azufre que la gasolina de "craqueo".

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Se puede mejorar su estabilidad mediante mezcla con residuos vírgenes.

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Se obtiene de 70-90% en cada salida.

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Se usa para el pool de fuel oil.

Gráfico 1. Porcentajes de cada salida 8 LIMITACIONES En este proceso la conversión está limitada por el contenido de asfaltenos. Una alimentación con un elevado contenido de asfaltenos limitará la conversión total  posible de esta carga disminuyendo así la producción pro ducción de fuel oil.

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9 VENTAJAS Y DESVENTAJAS 9.1 Ventajas

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Proceso simple

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Inversión baja.

9.2 Desventajas

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Pobre estabilidad del residual producido (productos olefínicos con tendencia a la polimerización) y conversión limitada.

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 No reduce contaminantes, azufre y metales.

10 APLICACIÓN DE VISCORREDUCCIÓN EN CP Y CXP Como se ha resaltado anteriormente, la viscorreducción se refiere a la reducción de viscosidad, es por esto que es usada ampliamente en CP y CXP. En la adición de diluente (generalmente un crudo liviano), los CP y CXP ajustan sus  propiedades (viscosidad, densidad, etc.) haciéndose más fluidos y facilitando su manejo y transporte. Por ejemplo, en Cabrutica, estado Anzoátegui, Venezuela, se coloca Merey 2226°API con CXP de 8°API en una relación 1:1.3 bls, respectivamente, obteniendo 2.3  bls de 12-16°API 12-16 °API aproximadamente. aprox imadamente. Esto hace que se obtengan 2,3 barriles b arriles de menor calidad, pero que al destilarlos, aumenten su calidad a lo económicamente requerido y

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en vez de 1.3 barriles de buena calidad (los que se adicionaron como diluente), ahora se puede comerciar 1 barril adicional de igual calidad y rentabilidad. De no usarse este procedimiento, al CP y CXP se podrían adicionar químicos que mejoren sus propiedades, pero luego, estos agentes (aparte de ser costosos) son difíciles de extraer durante un procesamiento en refinería.

11 IMPACTO AMBIENTAL Uno de los principales contaminantes de este proceso es el coque. El coque un es sólido poroso, de color negro o gris oscuro, que contiene altas cantidades de azufre y metales pesados, como el níquel y el vanadio. Su nivel de impureza (y también su grado de toxicidad) está directamente relacionado con la naturaleza del petróleo del cual se extrae. El azufre presente en el crudo es incrementado durante el proceso produciendo óxidos de azufre (SO), los cuales trae como consecuencia como envenenamiento. Sin mencionar los gases contaminantes atmosféricos nitrógeno (NO), el monóxido de carbono (CO), el dióxido de carbono (CO2), partículas sólidas (PM), NH3, aldehídos y cianuros que estan relacionados directamente con el calentamiento global y el efecto invernadero.

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CONCLUSIONES El mercado petrolero mundial actual seguirá ofreciendo oportunidades para esta tecnología que desempeña un papel importante en los esfuerzos continuos de la industria petrolera para equilibrar la calidad del crudo disponible con las demandas del mercado. Sin embargo, el mercado pesimista ante la existencia de grandes cantidades de crudo pesado y extrapesado, a lo que la industria responde con altas  perspectivas en la refinación del futuro para satisfacer las demandas d emandas de d e combustibles co mbustibles  para el transporte.

CONCLUSIONES El mercado petrolero mundial actual seguirá ofreciendo oportunidades para esta tecnología que desempeña un papel importante en los esfuerzos continuos de la industria petrolera para equilibrar la calidad del crudo disponible con las demandas del mercado. Sin embargo, el mercado pesimista ante la existencia de grandes cantidades de crudo pesado y extrapesado, a lo que la industria responde con altas  perspectivas en la refinación del futuro para satisfacer las demandas d emandas de d e combustibles co mbustibles  para el transporte. Por tal motivo, es siempre una necesidad la mejora de los procesos de conversión de los residuos. Gran parte del crecimiento tecnológico del futuro estará basado la disminución de la viscosidad del crudo pesado y extrapesado para mejorar su calidad, manejo, transporte, demanda y rentabilidad para dejar en el pasado su imagen y valor marginal. De este modo, la reducción de la viscosidad se considerará entonces un  proceso de conversión, en lugar de un proceso necesario para producir aceite de combustible que cumpla con las especificaciones.

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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ÁLVAREZ O., Simulación de la unidad de viscorreducción 2 de la refinería estatal de esmeraldas. Tesis de Grado presentado a la Universidad Central del Ecuador para la obtención del título de Ingeniero Químico, Quito 2013. PARKISH S., Refining Processes Handbook, ELSEVIER, Bourlington-USA, 2003,  pp. 190-196. WAUKIER J., Crude Oil Petroleum Products Process Flowsheets, TECHNIP, ParísFrancia, 2001, pp.380-386. CORTINAGO

P.

2008,

Ingeniería

de

Proceso

Químicos,

http://ingenieriapro.blogspot.com/2010/05/visbreaking.html, Marzo 2012. Machín I.; Boletín de la propiedad Industrial, Número 462, Tomo 5, Resolución 103,  pag. 4, 15 de Septiembre de 2007. Programa “QBTherm”.

Machin, I. y otros. (2006). Mecanismo de AQUACONVERSION®. Informe Técnico, PDVSA-Intevep, INT-11129. Caracas. Giavarini, C. (1986). La Chimica e l’Industria. V.68, n. 7/8, Agosto.

Gary, J (1984). Petroleum Refining Technology and Economics (2nd Edition ed.). Marcel Dekker, Inc. Maples, R. (2000). Petroleum Refinery Process Economics (2nd Edition ed.). Pennwell Books. Speight, J. (2006). The Chemistry and Technology of Petroleum (4th Edition ed.).

REFERENCIAS ELECTRÓNICAS http://saber.ucv.ve/jspui/bitstream/123456789/2732/1/TEG-MM.pdf  http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/sedes/manizales/4090015/html/pages/cap2/cont enido2_7.html http://www.dspace.uce.edu.ec/handle/25000/1359

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