¿En qué consiste los procesos de coquización retardada y flexicoquización en refinerías?

Introducción

El proceso de coquización del petróleo pesado en la industria del petróleo y el gas, es importante en la maximización de la producción de productos derivados de alto valor, garantizando la calidad en la producción de coque; no obstante, este proceso ha representado un problema debido a su alto impacto ambiental, especialmente por las emisiones de óxidos de azufre y nitrógeno. Actualmente este proceso se realiza bajo estrictos controles; sin embargo, en países en desarrollo sigue siendo una fuente considerable de contaminación.

La innovación tecnológica ha permitido diseñar métodos más avanzados y sostenibles, como la flexicoquización, una técnica que combina la desintegración térmica de hidrocarburos con la gasificación del carbono, logrando así una conversión eficiente de fracciones pesadas en productos útiles con un menor impacto ambiental.

Este artículo ofrece información detallada sobre los procesos de coquización retardada y flexicoquización; el cual, representando este ultimo un avance en la producción de coque, y en reducción de contaminantes al medio ambiente.

¿Qué es la coquización?

Es un proceso en la refinación de petróleo, utilizado para convertir residuos pesados provenientes de la destilación en productos de mayor valor. Este proceso se basa en el calentamiento de residuos pesados de petróleo hasta alcanzar su temperatura de craqueo térmico. Durante este proceso, las moléculas de hidrocarburos de cadena larga se rompen, transformándose en gasóleo de coquizador y en coque de petróleo sólido.

¿Qué es el coque?

El coque es un subproducto del crudo que se genera durante los procesos de craqueo y polimerización en la unidad de coquización retardada, ya sea en un mejorador de crudo o en una refinería. Es el componente más denso del crudo, que, al someterse a altas temperaturas y presiones específicas en hornos y tambores, se transforma en coque a través de la reacción de polimerización.

El proceso se realiza en una unidad de operación denominada planta de Coker en las refinerías más complejas, en la cual se transforman los flujos de material alquitranado residual, que provienen de las unidades de destilación de vacío y atmosférica, en productos de alto valor e intermedios. Entre estos productos se incluyen: gas licuado de petróleo, nafta, diésel, y gasoil liviano y pesado. Todos importantes en diferentes aplicaciones industriales.

Proceso de coquización retardada en refinerías

Este proceso, también conocido como Delayed Coking, es un proceso en la industria petrolera, diseñado para maximizar el valor de los residuos pesados que resultan de las unidades de destilación. Este proceso de craqueo térmico convierte estos residuos en productos de mayor valor agregado, como nafta, gas licuado de petróleo (GLP), gasóleos y gas combustible, mientras que produce coque residual como subproducto.  El proceso consiste en calentar un hidrocarburo pesado en un horno a alta velocidad y luego ser enviado a los tambores de coque, donde bajo condiciones específicas de presión y temperatura el hidrocarburo se craquea térmicamente, principalmente en gas, nafta, gasóleos y coque^.

Descripción del proceso de coquización retardada

El proceso comienza con el calentamiento de los hidrocarburos pesados en un horno. Una vez alcanzada la temperatura de craqueo térmico, el flujo calentado se envía a los tambores de coque, donde se somete a condiciones específicas de presión y temperatura. Aquí, el hidrocarburo se craquea térmicamente, fragmentando las moléculas de hidrocarburos en componentes más livianos como gas, nafta y gasóleos, mientras que el coque se deposita en el tambor.

El proceso consta de tres etapas: Alimentación, coquización y fraccionamiento. En la figura 1, se muestra el proceso mediante un diagrama de flujo¹.

1. Etapa de alimentación: Esta fase se enfoca en garantizar un suministro continuo de carga fresca a los hornos. El residuo de vacío, a una temperatura aproximada de 650 °F y una gravedad superior a 7 °API, ingresa al fondo de la columna fraccionadora. Aquí, se combina con el reciclo de la fraccionadora antes de ser bombeado hacia los hornos. En los hornos, la mezcla se calienta rápidamente hasta alcanzar los 940 °F, la temperatura necesaria para iniciar la formación de coque en los tambores.
2. Etapa de coquización: Esta sección incluye los hornos y los tambores de coque. El papel de los hornos es crucial, ya que proporcionan el calor necesario para comenzar el craqueo térmico del residuo. Para evitar que el craqueo ocurra dentro de los hornos, lo que podría causar obstrucciones operacionales, se inyecta vapor en las tuberías, acelerando el paso del residuo hacia los tambores. Es en los tambores donde se completa la reacción de craqueo y se produce el coque mediante polimerización hasta que el material alcanza la temperatura ideal en los tambores.
3. Etapa de fraccionamiento: En esta última etapa, las diferentes fracciones de gasóleos se separan en función de su punto de ebullición. Los vapores que provienen de los tambores de coque entran en la columna fraccionadora, donde se encuentran con un sistema de boquillas rociadoras que condensa los hidrocarburos más pesados. A medida que los vapores ascienden, se condensan según su temperatura de ebullición, permitiendo la separación física de las distintas fracciones de hidrocarburos.

Proceso de Flexicoking: Tecnología avanzada

El proceso de Flexicoking es una tecnología avanzada de refinación diseñada para maximizar la conversión de residuos pesados en productos más valiosos, como líquidos, gases y flexigas. Este proceso se distingue por su capacidad de mejorar significativamente la eficiencia en el aprovechamiento de los residuos de crudo, reduciendo al mínimo la generación de coque y produciendo un gas de bajo poder calorífico que puede ser utilizado como combustible en la propia refinería.

Mediante esta técnica se reduce significativamente los residuos, aprovechando al máximo la alimentación inicial y generando productos líquidos de alto valor. Además, ofrece flexibilidad, orientando la producción hacia productos gaseosos o líquidos según las necesidades y respondiendo a la demanda de la industria de los hidrocarburos por procesos más eficientes y sostenibles.

Descripción del proceso Flexicoking

Este proceso incorpora un gasificador que convierte parte o la totalidad del coque generado en el coquizador en gas de síntesis mediante una reacción con aire y vapor. Las partículas de coque clientes se recirculan al reactor para proporcionar el calor necesario. Los productos destilados se envían al fraccionador, similar al proceso de coquización retardada. El gas producido se limpia y enfría, resultando en gas combustible utilizable en la refinería. Este proceso permite la producción de coque fluido o la gasificación total del coque para obtener únicamente gas combustible. En la figura 2, se muestra el diagrama de flujo de este proceso².

En el reactor, los residuos se craquean térmicamente, generando una amplia gama de productos, incluyendo, gas y coque. El coque resultante circula continuamente entre el reactor y el calentador a través de líneas de transferencia, donde es calentado por los productos gasificadores. Este ciclo mantiene la temperatura necesaria para la reacción de craqueo térmico.

Finalmente, el exceso de coque se transfiere al gasificador, donde reacciona con aire y vapor para producir flexigas. Este gas se utiliza luego como fuente de energía en la refinería, tras pasar por procesos de eliminación de partículas y desulfuración mediante la tecnología FLEXSORB.

¿Por qué el proceso de flexicoquización es clave en la coquización del crudo pesado?

La coquización del coque representa un proceso con un alto impacto ambiental, principalmente debido a la emisión de óxidos de azufre (SO₂) y de nitrógeno (NOₓ) provenientes de los hornos. Algunas plantas de producción de coque siguen operando, bajo estrictas regulaciones que controlan las emisiones y los residuos. Sin embargo, en muchos países en vías de desarrollo, este proceso representa una importante fuente de contaminación.

Debido a la gran demanda mundial de coque, actualmente se han implementado una serie de normativas más estrictas a nivel global para controlar las emisiones contaminantes, motivado a que la mayoría de las plantas carecían de sistemas de tratamiento de humos, siendo necesario desarrollar soluciones innovadoras en la modernizacion de los procesos de producción de coke que permitan cumplir con las regulaciones.

Bajo este contexto entra en juego la adición del Flexicoking, tecnología avanzada que mediante los sistemas de lavado de gases como SOLVAir, ha demostrado ser altamente eficiente en la eliminación de contaminantes como SO₂ ,NO_x, y polvo, ofreciendo una solución viable para reducir el impacto ambiental de la coquización, con una alta eficiencia en la conversión de los productos, sin necesidad de largas interrupciones en la producción.

Es importante resaltar que esta tecnología fue desarrollada por Exxon en los años 70, combinando la desintegración térmica de hidrocarburos con la gasificación del carbono y la operación en lechos fluidizados, logrando una alta conversión de fracciones pesadas de crudo en productos más valiosos y con menor impacto ambiental.

El siguiente video muestra una visión detallada del proceso; así como, los beneficios asociados. También explica como poner en marcha y optimizar las instalaciones de Flexicoking y cómo usar esta tecnología para proporcionar un proceso más limpio y eficiente. Fuente: de ExxonMobil.

Conclusiones

El futuro de la coquización del coque depende en gran medida de la aplicación de las tecnología amigables con el medio ambiente y preserven la salud de la humanidad. La modernización de plantas, la implementación de sistemas de reducción de emisiones y el cambio hacia fuentes de energía más limpias son determinantes para garantizar la viabilidad de esta industria en un mundo cada vez más comprometido con la sostenibilidad ambiental. La modernización de las plantas de coque y la adopción de nuevas tecnologías son fundamentales para cumplir con las regulaciones ambientales y asegurar la sostenibilidad de esta industria en el futuro.

La tecnología Flexicoking, proporciona una solución tecnológica respetuosa con el medio ambiente para procesar corrientes residuales,  satisfaciendo la creciente demanda del mercado. 

Referencias

1. Mendoza, German A; Mendoza  Alonso,” Flexicoking fundamentos y rol en la industria de los hidrocarburos” academiaedu.
2. J.P. Wauquier; El Refino del Petróleo; Ediciones Díaz de Santos, S.A, en Español, Publicado: 18 marzo 2024.