Este documento discute las tecnologías de refinación para el siglo XXI. Presenta los desafíos que enfrenta la industria de refinación debido a los cambios en la composición de los crudos y las especificaciones más estrictas de los combustibles. También analiza las limitaciones técnicas y económicas de las opciones energéticas para México y propone acciones como mejorar la infraestructura de procesos, encontrar nuevos usos para el azufre y desarrollar catalizadores más eficientes.

1. 1
Ing. Rodolfo del Rosal Díaz
Noviembre - 2006
TECNOLOGÍAS DE REFINACIÓN
PARA EL SIGLO XXI
LAS LIMITACIONES TÉCNICO
ECONÓMICAS DE LAS OPCIONES
ENERGÉTICAS PARA EL SIGLO XXI EN
EL SECTOR ENERGÉTICO MEXICANO

2. 2
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
SITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERAL
SITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERAL
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
ACCIONES
ACCIONES
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
PROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓN
PROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓN

3. 3
 La industria de refinación en general, enfrenta cambios en la
composición de la producción de petróleo crudo y en la estructura
y características de la demanda de productos petrolíferos, así
como en los requerimientos de calidad de combustibles
automotores e industriales, de menor impacto sobre el medio
ambiente
 Los crudos son cada vez más pesados, con un alto contenido de
azufre, metales, sal y agua
INTRODUCCIÓN
 Las especificaciones de los combustibles son cada vez más
estrictas, y en este momento la gasolina debe de tener menos de
30 ppm de azufre y el diesel menos de 15 pmm de azufre, ambos
con mejores características detonantes y ambientales (Aromáticos,
Octano, Cetano, etc.)
PROBLEMÁTICA EN REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
 La producción de azufre se puede volver un cuello de botella en la
operación de las refinerías

4. 4
INTRODUCCIÓN
PETRÓLEO CRUDO
Gas de Refinería
Propano-Propileno
Azufre
LPG
Butanos
Kerosina
“Pool” de Gasolina
Diesel
Lubricantes
Turbosina
Coque
Gas de Síntesis
Asfalto
Combustóleo
(1) Generación interna
(2) Suministro y/o generación interna
EMISIONES AL AMBIENTE
GASOLINA NATURAL
GAS NATURAL
GAS DE REFINERÍA(1)
BIOCOMBUSTIBLES
ENERGÍA ELÉCTRICA(2)
VAPOR (2)
COMBUSTÓLEO (1)
HIDRÓGENO (2)
SOSA CÁUSTICA
CATALIZADORES Y
ADITIVOS
AGUA
METANOL
HF/H2SO4
AMINAS
PRODUCTOS
PRODUCTOS

5. 5
TRATAMIENTO
FRONTAL DE
CRUDO
ESPECIALIDADES
.
ENTRADAS
REARREGLO
MOLECULAR
.
PROCESOS FUNCIONALES DE REFINACIÓN
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN
DE
HIDROCARBUROS
CONVERSIÓN DE
RESIDUALES
.
REMOCIÓN DE
IMPUREZAS
.
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
.
PRODUCTOS/
SALIDAS
Materias primas e
insumos de la refinería
Adecuación del crudo
requerida antes de la
refinación
Destilación, extracción,
fraccionamiento y
absorción
Desintegración
(cracking) catalítica o
térmica, con o sin H2,
severa o moderada
Endulzamiento,
hidrotratamiento,
absorción y separación
Combinación o
separación química de
dos o más moléculas para
obtener productos de
mayor valor
Isomerización,
deshidrociclización,
aromatización y
desintegración
Productos que no están
presentes en todas las
refinerías
Productos al exterior y
de autoconsumo,
emisiones y efluentes
resultados del proceso
de transformación

6. 6
TRATAMIENTO
FRONTAL DE
CRUDO
Planta de
Lubricantes
Planta de Asfalto
Lubricantes
Asfalto
ESPECIALI-
DADES
.
Isomerización de
C5’s-C6’s
Reformación de
Naftas
Isomerización de
C4
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
Emisiones Gaseosas
Oxidación, Absorción,
Adsorción y Filtración
Desechos Sólidos
Inertización, Incineración,
Clasificación y Almacenamiento
Líquidos/Aguas de Desecho
Remoción de Aceites y Grasas,
Tratamiento Biológico, Incineración
Recuperación de
Agua para Reuso
Emisiones al Ambiente
(1) Generación Interna
(2)Suministro y/o Generación Interna
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
PRODUCTOS/
SALIDAS
FUNCIONES ENTRADAS
GASOLINA
NATURAL
GAS NATURAL
PETRÓLEO CRUDO
GAS DE REFINERÍA
(1)
ENERGÍA
ELÉCTRICA(1)
VAPOR (2)
COMBUSTÓLEO (1)
HIDRÓGENO (2)
METANOL
HF/H2SO4
AMINAS
SOSA CÁUSTICA
CATALIZADORES Y
ADITIVOS
AGUA
CRUDO
BIOCOMBUSTIBLES
REARREGLO
MOLECULAR
.
Gas de Refinería
Síntesis de Fisher y
Tropsch
Gas
Natural
~
Crudo Sintético
Gasificación
Reformación de
Gas
DIPE
Alquilación
MTBE
TAME
Recuperación de
H2 de H2S
Polimerización
Catalítica
~
H2
Refinado
C4-C4=
~
H2O
Gas Natural
~
H2
Metanol
a “pool” de Gasolina
Gas de Síntesis
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
a “pool” de Gasolina
Isómero de C4
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Hidrotratamiento
de Crudo
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
~
H2
Biotratamiento
Microondas
Ultrasonido
Desalado
Crudo
Sintético
~
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
.
Membranas de
Rec. De H2
Extracción con
Solventes
Fraccionamiento
de C3 – C4
Rec. de Vapores
no Saturados
Gas Amargo
Destilación
Atmosférica
Gas y Nafta
Destilación al
Alto Vacío
Gasóleos
de Vacío
~
H2
Residuo
Atmosférico
Gasolina Ligera
Naftas
Kerosina/Turbosina
Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Rec. de Vapores
Saturados
Residuos
de vacío
Gas Amargo
Butanos dulces
Isoamilenos
Coque
REMOCIÓN DE
IMPUREZAS
.
Turbosina
Hidro-conversión
Coquización
Hidro-
Desintegración
Desintegración
Catalítica (FCC)
Desintegración de
Residuos (RCC)
Reducción de
Viscosidad
Hidroreducción de
Viscosidad
Aceite cíclicoligero
~
H2
ó
H2O
~
H2
~
H2
Gasóleo/Diesel
a “pool” de Gasolina
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
.
Kerosina/Turbosina
Gas de Refinería
Endulzamiento
Hidrotratamiento
Gasolina FCC
Eliminación de
Mercaptanos
Recuperación de
Azufre
Gas Ácido
Hidrotratamiento C5’s-C4’s
H2
Nafta
~
H2
Azufre
LPG
Butanos
Diesel
Biotratamiento
C4’s
C3’s
Propano-Propileno
Disposición ecológica de catalizadores y materiales gastados

7. 7
Gasto de I&D en la industria petrolera disminuyendo, con una
tendencia hacia una mayor y más eficiente vinculación de la I&D
con las necesidades productivas.
Investigación propia orientada fundamentalmente a fortalecer
habilidades y tecnologías críticas.
Énfasis en la aplicación inteligente de las tecnologías disponibles
por sobre la generación o posesión de conocimientos
tecnológicos, con asimilación y evaluación de los avances
tecnológicos de terceros.
Creación de alianzas estratégicas y formación de nuevos
consorcios.
Leyes ambientales cada vez más estrictas que requieren de
innovación y rápida implantación de medidas.
SITUACIÓN TECNOLÓGICA GENERAL

8. 8
ACCIONES
Implementar proyectos de mejora mediante el apalancamiento de las
tecnologías existentes para su máximo aprovechamiento y la
introducción de mejoras tecnológicas de rápida implantación.
Cambios en la forma de operar plantas y equipos.
Promover el cambio cultural del personal técnico con enfoque en
maximizar el valor de las operaciones y mantenimiento de equipos.
Optimización del uso de herramientas y sistemas existentes para
maximizar su impacto en el desempeño operativo.
Instauración de mecanismos para lograr efectos sinérgicos.
Adquisición de tecnologías nuevas con un enfoque que incluya:
Asimilación e integración del conocimiento y la tecnología de
vanguardia en el ámbito mundial.
Evaluación, asimilación y transferencia tecnológica.
Buscar usos alternos para el azufre:
Polímeros
Asfaltos, etc.

9. 9
CONCLUSIONES
Se requiere plantear estrategias para:
Mejorar la infraestructura de proceso, adecuándola a los
crudos disponibles y a su aprovechamiento más eficiente.
Disponer de instalaciones que permitan atender las
necesidades de producción de más combustibles de mejor
calidad técnica y ecológica.
Encontrar usos nuevos para el azufre producido.
Buscar sinergias con otras industrias (Generación eléctrica,
cemento, etc.).
Desarrollar o aplicar catalizadores más eficientes (incluye
nanocatalizadores y enzimas)

10. 10
FIN DE LA PRESENTACIÓN

11. 11
Características de los Crudos
Istmo Ku-Maloob-Zaap
Maya
Olmeca
Azufre, %p
Carbón Rams-
bottom, %p
NaCl,
Kg/1000 bbl
Gravedad API
Gravedad Esp
Viscosidad @
25°C, cSt
Asfaltenos, %p
Níquel, ppm
Vanadio, ppm
Costo
Relativo %
0.98
1.82
N.D.
1.43
4.07
7.21
3.60
10.46
133
5.01
15.60
9.25
124 117 100 N.D.
38.0
0.83
4
33.1
0.86
9
22.1
0.90
155
12.2
1.00
20,751
1.06
0.77
4.96
3.84
9.70
44.0
13.46
56.70
271.4
21.21
88.40
412.1

12. 12
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
TRATAMIENTO
FRONTAL DE
CRUDO
FUNCIONES ENTRADAS
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Biotratamiento
Microondas
Ultrasonido
Desalado
Hidrotratamiento
de Crudo
~
H2
PETRÓLEO CRUDO CRUDO
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
Aplicación de ultrasonido a través de un
mecanismo de crecimiento e implosión de burbujas
en un líquido. La principal limitante en el desarrollo
de estas tecnologías ha sido la construcción de
módulos de generación y aplicación de la energía
de ultrasonido a escala industrial. La tecnología
Sonocracking, de Sulphco, para mejoramiento de
crudos intermedios o pesados ya está en etapa de
comercialización. Reportándose que en abril de
2006 se construyeron en la empresa NTG GmbH,
Alemania, siete unidades de 30,000 BPD cada una,
para Fujairah Oil Technology, LLC, en Fujairah,
Emiratos Arabes Unidos.
Los procesos biológicos
o bioprocesos consisten
en la utilización de seres
vivos, sus enzimas u otros
derivados en un
tratamiento específico
Estas tecnologías se basan en la aplicación de
energía de microondas a través de la
interacción de esta forma de energía con
moléculas con momento dipolar, como el
agua. La principal limitante ha sido la
construcción de sistemas de generación y
aplicación de energía de microondas a escala
industrial. La compañía Phonon Technologies
Inc. reporta desde 1997 tener una tecnología
probada para el rompimiento de emulsiones
agua/aceite con muestras de Imperial
Petroleum Recovery Corp.
El hidrotratamiento de crudo
permite obtener un
incremento significativo en el
rendimiento de destilados y
eliminar una alta proporción
de los contaminantes
presentes en la carga (azufre,
metales y asfaltenos). Sus
aplicaciones básicas están en
la conversión de crudos
pesados a crudos intermedios,
de mayor valor en el mercado,
y en el procesamiento inicial
de los crudos pesados de
carga a una refinería

13. 13
TRATAMIENTO
FRONTAL DE
CRUDO
FUNCIONES
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
TRATAMIENTO
FRONTAL DE
CRUDO
Membranas de
Rec. De H2
Extracción
con Solventes
Fraccionamiento
de C3 – C4
Rec. de Vapores no
Saturados
Gas Amargo
Destilación
Atmosférica
Gas y Nafta
Destilación al
Alto Vacío
Gasóleos
de Vacío
~
H2
Residuo
Atmosférico
Gasolina Ligera
Naftas
Kerosina/Turbosina
Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Rec. de Vapores
Saturados
Residuos
de vacío
Gas Amargo
Butanos dulces
REMOCIÓN DE
IMPUREZAS
.
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
La realización simultánea, en un solo equipo, de los procesos de
separación y reacción tiene un alto potencial para ahorro de
energía y principalmente para incorporarse en los procesos de
destilación primaria, los cuales presentan un alto potencial de
ahorro energético. El uso de hidrógeno ayudaría en la purificación
de los destilados. También puede haber una sustitución total o
parcial de la destilación por procesos de separación más eficientes
(40-60% de eficiencia), como la separación por membranas o por
plasma, para los cuales se requieren condiciones de operación más
moderadas con menores consumos de energía
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
El proceso de membranas consiste en el uso de
membranas selectivas hechas de polímeros y copolímeros
para separar compuestos. Tiene ciertas ventajas, ya que
son compactas y ligeras en peso,con un diseño modular
que permite una fácil expansión u operación a
capacidad parcial, bajo mantenimiento (no tiene partes
movibles) bajo requerimiento energético y bajo costo.
Monsanto, en la década de los 80’s, instaló exitosamente
el primer proceso industrial con membranas: separación
de hidrógeno en las plantas de producción de amoniaco.
Cynara/Natco en 1984 instaló la primera planta para la
remoción de gases ácidos del gas natural, en una
plataforma marina. British Petroleum Co., Exxon-Mobil y
Occidental Oil and Gas Corp. han instalado procesos
para el endulzamiento del gas natural utilizando
membranas. PEMEX instaló y operó, desde 1997 una
planta en la batería artesa del activo MUSPAC

14. 14
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
FUNCIONES
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
.
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN
DE
HIDROCARBUROS
Turbosina
Hidro-conversión
Coquización
Hidro-
Desintegración
Desintegración
Catalítica (FCC)
Desintegración de
Residuos (RCC)
Reducción de
Viscosidad
Hidroreducción
de Viscosidad
Aceite cíclico ligero
~
~
H2
~
Gasóleo/Diesel
Residuo
Atmosférico
Residuo
de vacío
H2
H2
ó
H2O
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
.
REMOCIÓN
DE IMPUREZAS
.
Gasolina Ligera
Naftas
Kerosina/Turbosina
Diesel/Gasóleo
Combustóleo
Coque
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Mejor aprovechamiento de catalizadores,
integrando tecnologías de rejuvenecimiento de
catalizadores FCC y de hidro-desintegración de
residuales. Aplicación de la tecnología de
nanomateriales que, enfocada a la elaboración
de nuevos catalizadores, puede realizar la catálisis
de algunos procesos de refinación a condiciones
de menor severidad y en forma más selectiva. La
catálisis enzimática y, en general, la biotecnología
puede tener también una contribución
importante para lograr el mismo propósito
Tener una mayor conversión a
olefinas en el proceso FCC. Incorporar antiespumantes sin
sílice y mejorar los sistemas de
manejo de coque

15. 15
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
FUNCIONES
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
.
Gasolina Ligera
Naftas
Kerosina/Turbosina
Diesel/Gasóleo
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
.
REMOCIÓN
DE IMPUREZAS
a “pool” de
Gasolina
Kerosina/Turbosina
Hidrotratamiento
Gasolina FCC
Eliminación de
Mercaptanos
Hidrotratamiento
Gas de Refinería
Endulzamiento
C5’s-C4’s
H2
Nafta
~
H2
LPG
Butanos
Diesel
Recuperación
de Azufre
Gas Ácido
Azufre
Biotratamiento
C4’s
C3’s
Propano-Propileno
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN
DE
HIDROCARBUROS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
REARREGLO
MOLECULAR
ESPECIALI-
DADES
.
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Transforma productos de desecho en
coproductos con valor. Quita y destruye
hidrocarburos alifáticos y aromáticos, otros
químicos orgánicos volátiles (VOC’s), H2S y
olores de gases de escape de las corrientes
de proceso, ventilación de tanques, purgas,
extracción de vapores, tratamiento de aguas
residuales, etc.
La gasolina de FCC se
hidrotrata selectivamente
con destilación reactiva
Uso de catalizadores másicos para alcanzar las
especificaciones de azufre, con el reto de que no
pesen demasiado para aplicarse en plantas
existentes
Desarrollar opciones para el
aprovechamiento del azufre

16. 16
FUNCIONES
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
REMOCIÓN
DE IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
Gas de Refinería
Síntesis de
Fisher y Tropsch
Gas Natural ~Crudo Sintético
Gasificación
Reformación de
Gas
DIPE
Alquilación
MTBE
TAME
Recuperación
de H2 de H2S
Polimerización
Catalítica
~
H2
Refinado
C4-C4=
~
H2O
Gas Natural
~
H2
Metanol
a “pool” de
Gasolina
Gas de Síntesis
a “pool” de
Gasolina
a “pool” de
Gasolina
a “pool” de
Gasolina
a “pool” de
Gasolina
Isómero de C4
CONVERSIÓN
DE RESIDUALES
REMOCIÓN
DE IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
Azufre
REARREGLO
MOLECULAR
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
Isoamilenos
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Sustitución de catalizadores
convencionales por sistemas
catalíticos heterogéneos
Obtención de compuestos oxigenados alternos
La síntesis de Fisher-Tropsch, descubierta en los
años 20´s, es una reacción química catalítica en la
que el monóxido de carbono y el hidrógeno se
convierten en hidrocarburos líquidos de varias
formas, produciendo crudo sintético o lubricantes y
combustibles sintéticos.
(2n+1) H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O
Uso de destilación reactiva
Sinergia con otras industrias,
para generación de vapor,
electricidad e hidrógeno
Recuperación de azufre de H2S
con procesos de absorción con
reacción química (tipo Gianmarco
Vetrocoke), obteniendo azufre
elemental e hidrógeno

17. 17
FUNCIONES
REMOCIÓN
DE IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
a “pool” de
Gasolina
REMOCIÓN
DE
IMPUREZAS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
REARREGLO
MOLECULAR
Isomerización de
C5’s-C6’s
Reformación de
Naftas
Isomerización de
C4
a “pool” de
Gasolina
H2
SÍNTESIS DE
PRODUCTOS
Isómero de C4
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Mantener el proceso de
Reformación pero con alta
selectividad a componentes
isoméricos C8
Incorporar separación de
isopentanos e isohexanos para
maximizar recirculación de
hidrocarburos sin reaccionar

18. 18
FUNCIONES
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
SEPARACIÓN Y
RECUPERACIÓN DE
HIDROCARBUROS
Planta de
Lubricantes
Planta de
Asfalto
Lubricantes
Asfalto
ESPECIALI-
DADES
.
Procesos Existentes
Procesos Potenciales
Tradicional
Con mejoras
Nuevo
PROCESOS DE REFINACIÓN PARA EL SIGLO XXI
Incorporar hidrodesparafinación y
nuevos procesos de cristalización
Incorporar producción de asfaltos
tipo SUPERPAVE