La destilación atmosférica constituye la operación unitaria de separación más utilizada en la industria de procesos químicos, siendo la tecnología dominante en aplicaciones que requieren el fraccionamiento de grandes volúmenes de fluidos.
Su implementación es particularmente relevante en el procesamiento de petróleo, la producción petroquímica, el tratamiento de gas natural, la separación de gas licuado y la obtención de hidrocarburos y solventes. No obstante, su mayor impacto técnico y operativo se observa en la refinación de crudo.
Se estima que la destilación atmosférica está presente en aproximadamente el 95 % de los procesos de separación a nivel mundial. En Estados Unidos, operan más de 40 000 columnas de destilación, con inversiones superiores a los 8 000 millones de dólares y un consumo energético equivalente al 15 % del total industrial anual¹. Estos datos posicionan a la destilación como una de las operaciones unitarias más estudiadas en la ingeniería química.
Este artículo analiza los procesos de refinación que conforman una refinería de petróleo, con énfasis en la destilación atmosférica dentro del esquema global de procesamiento del crudo.
Proceso global de la refinacion del crudo
El objetivo de la refinación de crudo es transformar el petróleo en productos comerciales mediante una secuencia ordenada de procesos de refinación. En términos generales, estos procesos se clasifican de la siguiente manera²:
- Procesos de separación física (decantación, destilación)
- Procesos de transformación o conversión (alquilación, craqueo)
- Procesos de purificación o tratamiento (desulfuración, deshidrogenación)
- Procesos de mezclado
- Procesos de almacenaje y distribución
Inicialmente, el petróleo crudo, una vez eliminado el contenido de agua y sales, es precalentado en un horno y alimentado a una columna de destilación operada a presión atmosférica. En esta unidad, el crudo se separa en fracciones como gases ligeros, gasolinas, nafta pesada, queroseno, gasóleo pesado y residuo atmosférico.
El residuo es posteriormente dirigido a una unidad de destilación al vacío, donde se obtiene gasóleo de vacío y crudo pesado, que alimentan procesos de conversión como craqueo térmico o coquización retardada.
¿Cómo se integra la destilación en la refinación de crudo?
Estos procesos se integran de la siguiente forma:
El esquema operativo de una refinería de petróleo se basa en la interconexión secuencial y funcional de procesos de separación física, conversión y purificación, cuyo objetivo es maximizar el aprovechamiento del crudo y ajustar la calidad de los productos a las especificaciones del mercado.
Tras la destilación atmosférica, las corrientes obtenidas no constituyen productos finales en su totalidad, sino que alimentan distintas unidades aguas abajo. Los destilados atmosféricos, como naftas, querosenos y gasóleos, pueden enviarse directamente a procesos de purificación (hidrotratamiento, desulfuración) o servir como carga para procesos de conversión, dependiendo de su composición y del esquema de refinación adoptado.
El residuo atmosférico, al ser una fracción de alto punto de ebullición, se procesa en la destilación al vacío, donde se separa en gasóleos de vacío y residuos pesados. Estos últimos representan una materia prima clave para procesos de conversión profunda, como el craqueo térmico, el hidrocraqueo o la coquización retardada, orientados a transformar fracciones de bajo valor en productos más ligeros y comercialmente atractivos.
De forma paralela, las corrientes gaseosas generadas tanto en las unidades de separación como en las de conversión se canalizan hacia sistemas de recuperación y tratamiento de gases, permitiendo la obtención de GLP, gas combustible y otras corrientes intermedias que se integran nuevamente al balance energético y de productos de la refinería.
Esta interacción continua entre separación, conversión y purificación configura un sistema altamente integrado, donde cada proceso depende operativamente del anterior y condiciona el desempeño del siguiente. En el siguiente video se muestra una animacion del proceso integral de una refineria de crudo cortesia de Chemical Engineering School.
Los procesos de refinación del petróleo explicados de forma sencilla.
Relación entre destilación y procesos de conversión
Durante las etapas iniciales de destilación, la separación de productos no altera la estructura molecular del crudo, ya que los hidrocarburos se segregan según sus puntos de ebullición. Sin embargo, en los procesos de refinación posteriores, como el craqueo catalítico o con hidrógeno, las moléculas pesadas se fragmentan para obtener productos de mayor valor comercial.
Los productos del craqueo con hidrógeno son saturados, mientras que los provenientes del craqueo catalítico requieren tratamientos adicionales como reformado catalítico o hidrogenación para mejorar su calidad.
Principios básicos del proceso de destilación atmosférica
La destilación atmosférica es un proceso clave en la refinación de crudo, mediante el cual los hidrocarburos se separan en fracciones según sus rangos de punto de ebullición3. Previamente, el crudo desalado se precalienta en trenes de intercambiadores de calor y luego se eleva su temperatura en un horno de flama directa antes de ingresar a la columna de destilación, operada a presión cercana a la atmosférica y temperaturas típicas entre 343 y 370 °C.
Dentro de la torre, los componentes más livianos se vaporizarán y ascenderán a través de la columna, mientras que las fracciones más pesadas se condensan y descienden hacia el fondo, donde se recuperan como residuo atmosférico. Este residuo constituye la alimentación de la unidad de destilación al vacío, mientras que las fracciones superiores se destinan a procesos de purificación o conversión.
La columna de destilación está equipada con platos o dispositivos de contacto que facilitan el intercambio de masa entre las fases vapor y líquida. Este patrón de flujo global proporciona el contacto en contracorriente de vapor y líquido en todas las etapas a través de la columna4.Cada etapa promueve la evaporación y condensación parcial de los componentes, permitiendo una separación progresiva y controlada. Las corrientes se extraen a distintas alturas de la columna, definidas durante el diseño del proceso, de acuerdo con las especificaciones de cada fracción.
El líquido que llega a la parte inferior de la columna pasa a través de un rehervidor, donde se calienta para proveer vapor llamado boilup que se envía de nuevo hasta la columna, y el resto del líquido se retira como producto de fondo5.
Para profundizar en el proceso, a continuación, te invitamos a visualizar el siguiente video, donde se ilustra de forma clara y didáctica el funcionamiento de la destilación del crudo, el flujo de las corrientes dentro de la columna y el papel que desempeña esta unidad como punto de partida del proceso global de refinación. Fuente: OMV
Distillation of crude oil in a refinery.
Elección de materiales y estándares en el diseño
La destilación atmosférica, un proceso fundamental en la industria petrolera, demanda especial atención la selección de materiales empleados en el diseño de torres de destilación atmosférica, en estricto cumplimiento de normativas específicas. Estos aspectos son necesarios para prevenir problemas de corrosión interna y asegurar la integridad a largo plazo de la instalación, cumpliendo con estándares de seguridad y medioambientales.
A continuación, se detalla la importancia de estos elementos, considerando las normativas mencionadas previamente.
- Resistencia a ambientes agresivos: La torre de destilación atmosférica debe operar bajo condiciones ambientales desafiantes, para lo cual se requiere un diseño robusto y materiales resistentes a la corrosión, cumpliendo con normativas como API RP 939-C para recubrimientos protectores y ASME BPVC para recipientes a presión.
- Prevención de pérdidas y contaminación: Normativas como API RP 571 orientan la evaluación de daños por corrosión, contribuyendo a un diseño que prevenga pérdidas de productos y evite la contaminación. La adecuada selección de materiales bajo estas pautas es necesaria para garantizar la resistencia a la corrosión.
- Vida útil prolongada: El cumplimiento de normativas, como NACE SP0169 y SP0296, asegura prácticas recomendadas para sistemas de protección catódica, contribuyendo a la selección de materiales y un diseño que extienda la vida útil de la torre.
- Eficiencia operativa: El diseño y materiales resistentes a la corrosión, según ASME BPVC, garantizan eficiencia operativa, minimizando costos de mantenimiento. El cumplimiento de normativas de seguridad laboral, como OSHA, es esencial para mantener un entorno de trabajo seguro y operativo.
- Cumplimiento de normativas y estándares: La incorporación de materiales resistentes a la corrosión es importante para cumplir con regulaciones y estándares de seguridad industrial, como NFPA 30 para el almacenamiento seguro de líquidos inflamables. El seguimiento de estas normativas evita sanciones regulatorias y garantiza una operación segura y ambientalmente responsable.
Problemas y soluciones en la destilación atmosférica
Los retos inherentes en una planta de destilación atmosférica, siendo la variabilidad en la calidad de la materia prima un aspecto común y crítico. La presencia de impurezas como agua y metales puede desencadenar problemas que afectan el proceso de destilación y reducen la eficiencia de la planta.
- Contaminación con agua
- Problema: La presencia de agua puede causar corrosión, emulsiones y complicaciones en el proceso de destilación.
- Acción correctiva: Implementar sistemas de deshidratación efectivos para eliminar el agua en la carga de alimentación.
- Alto contenido de azufre
- Problema: Un alto contenido de azufre puede afectar la calidad de los productos destilados y requerir tratamientos adicionales.
- Acción correctiva: Realizar un proceso de desulfuración previo a la destilación para reducir el contenido de azufre.
- Presencia de metales
- Problema: Metales en la materia prima actúan como catalizadores no deseados, afectando la eficiencia y reduciendo la vida útil de los equipos.
- Acción correctiva: Emplear tratamientos químicos o procesos de desmetalización para eliminar o reducir la presencia de metales.
- Variabilidad en la composición
- Problema: Fluctuaciones en la composición del petróleo crudo pueden afectar la distribución de productos destilados.
- Acción correctiva: Realizar análisis constante de la composición y ajustar condiciones operativas según sea necesario.
- Impurezas orgánicas
- Problema: Presencia de resinas y asfáltenos que obstruyen equipos y reducen el rendimiento de la planta y genera problemas de corrosión.
- Acción correctiva: Implementar filtros y sistemas de separación eficientes para eliminar impurezas antes de la destilación.
Conclusiones
La prevención de problemas durante la destilación atmosférica es importante para mantener la integridad del proceso y garantizar la calidad de los productos resultantes. La variabilidad en la composición de la materia prima, la presencia de impurezas como agua, azufre y metales, así como la posible contaminación orgánica, son problemas comunes que podrían comprometer la eficiencia y la rentabilidad.
Implementar medidas preventivas, como sistemas de deshidratación, desulfuración y monitoreo constante, es necesario para evitar la corrosión, garantizar una distribución homogénea de productos y prolongar la vida útil de los equipos. La atención diligente a estos aspectos no solo preserva la integridad operativa, sino que también contribuye a una producción sostenible y rentable a largo plazo en la industria de refinación de crudo.
La inversión en un diseño sólido y materiales resistentes, guiados por normativas específicas, es fundamental para prevenir problemas de corrosión interna en torres de destilación atmosférica. Este enfoque no solo protege la infraestructura, sino que también contribuye al rendimiento eficiente, la sostenibilidad y la seguridad operativa a largo plazo de la instalación.
Referencias
- Luque S Rodríguez, Aurelio B. Vega Granda. «Simulación y optimización avanzadas en la industria química y de procesos: HYSYS».
- Refinacion de Crudo; consultado 31/12/2023: https://es.slideshare.net/WilderLoza/procesos-de-refinacion#2
- King, C. J. (1980). Separation processes. New York: McGraw-Hill.
- Perry, R. H. & Green, D. W. (2008). Perry’s chemical engineers’ handbook. New York: McGraw-Hill, 7 edition.
- Seader, J.D., Henley, E.J., & Roper, D.K.(2011). Separation Process Principles: Chemical and Biochemical Operations. Hoboken, NJ: Wiley