Destilación atmosférica de crudos: Principios, problemas y soluciones

Introducción

La destilación atmosférica, como operación unitaria, representa el procedimiento de separación más prevalente en la industria de procesos químicos. Representa la tecnología dominante en diversas industrias de procesos químicos, especialmente aquellas que demandan la destilación de grandes volúmenes de fluidos.

Entre estas industrias destacan el procesamiento de petróleo, la producción petroquímica, el procesamiento de gas natural, la separación de gas licuado, así como la producción de hidrocarburos y solventes, entre otras. Su mayor aplicación se observa en la industria petrolera.

“La destilación atmosférica se encuentra implementada en aproximadamente el 95% de todos los procesos de separación a nivel mundial. En Estados Unidos, se emplean más de 40,000 columnas con una inversión de 8,000 millones de dólares y un consumo energético equivalente a 15 a 54 millones de toneladas al año de crudo, representando el 15 % del consumo industrial de energía en el país”¹. Por lo cual la destilación es una de las operaciones unitarias más estudiadas en toda la historia de la industria química

En este artículo se disertará sobre los diferentes procesos de refinación que conforman una refinería de petróleo, centrándose principalmente en el proceso de destilación atmosférica dentro del esquema global del procesamiento del crudo.

Proceso global de una refinería de crudo

El objetivo del presente contenido es proporcionar, en líneas generales, una visión de los tipos de procesos de refinación del crudo, así como la secuencia operativa en la que se llevan a cabo estos procesos². Globalmente, es posible clasificar estos procesos de la siguiente forma:

• 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.

Estos procesos se integran de la siguiente forma²:

Inicialmente, el petróleo, despojado de sus impurezas, es sometido a un proceso de calentamiento en un horno y posteriormente se introduce en una columna de destilación operada a presión atmosférica. En esta columna, el crudo se separa en distintos componentes, incluyendo butanos y gases ligeros, gasolinas, nafta pesada, queroseno, gasóleo pesado y crudo de residuo; el cual, es alimentado a otro proceso denominado destilación al vacío, donde se realiza una nueva separación, resultando en una corriente superior de gasóleo de vacío y crudo pesado de residuo.

Durante los procesos iniciales de destilación, la separación de productos no altera la naturaleza del crudo; los hidrocarburos que lo conforman se segregan según sus respectivos puntos de ebullición. En la columna de vacío, se obtiene el crudo pesado, el cual se dirige a una unidad de craqueo térmico o coquización retardada, dando lugar a la producción de gas húmedo, gasolina de coquización, gasóleo y coque (residuo).

Los gasóleos se emplean como alimentación para las unidades de craqueo catalítico o de craqueo con hidrógeno. Fragmentan las moléculas pesadas en compuestos cuyas temperaturas de ebullición se corresponden con el rango de gasolina y destilado combustible. Estos procesos constituyen transformaciones, donde las moléculas de hidrocarburos se descomponen y, en algunos casos, se combinan mediante reacciones provocadas para obtener productos de mayor calidad.

Los productos derivados del craqueo con hidrógeno son saturados y los productos insaturados del craqueo catalítico, son saturados para mejorar la calidad mediante reformado catalítico o hidrogenación. Las corrientes de gasolina provenientes de las columnas de destilación, el convertidor de coque y las unidades de craqueo se alimentan a un reformador catalítico para mejorar su índice de octanos. Las gasolinas reformadas se utilizan para crear mezclas de gasolinas normales y especiales.

El gas húmedo de la unidad de destilación, provenientes del coquizador y las unidades de craqueo, se descomponen en la sección de recuperación de vapor, generando gas combustible, GLP (Gases Licuados del Petróleo, principalmente propano), hidrocarburos insaturados (propilenos, butilenos y pentenos), butano normal e isobutano.

Este gas se emplea como fuente de energía en los hornos de la refinería. El butano normal se isomeriza y, junto con los hidrocarburos insaturados y el isobutano de la recuperadora de vapor, se introduce en la unidad de alquilación para producir alquilatos que se mezclan con las gasolinas, para mejorar el octanaje.

Los destilados medios provenientes de las unidades de destilación, de coque y las unidades de craqueo se combinan con los combustibles diésel, combustibles para reactores y combustibles para calefacción. El gasóleo pesado de la unidad de vacío y el crudo reducido de base nafténica o parafínica se procesan para obtener las bases necesarias para la preparación lubricantes.

A continuación, se muestra un esquema representativo (figura 1) y una breve descripción de los tipos de procesos generales de una refinería:

Procesos de separación física (decantación, destilación)

El petróleo experimenta un proceso de fraccionamiento físico en torres de destilación atmosférica y de vacío, dividiéndose en conjuntos de moléculas de hidrocarburos con distintos rangos de temperaturas de ebullición, conocidos como “fracciones”.

Procesos de transformación o conversión (alquilación, craqueo)

Consisten en fragmentar las moléculas de los hidrocarburos con el objetivo de mejorar la calidad. Los métodos de conversión más empleados para cambiar el tamaño y/o la estructura de las moléculas de hidrocarburos son los siguientes:

•  Hidrocraqueo, craqueo térmico y catalítico, coquización y ruptura de la viscosidad.
• Alquilación y polimerización.
• Isomerización y reformación catalítica.
• Tratamiento.

Proceso de purificación o tratamiento (desulfuración, deshidrogenación, desalación)

Consiste en eliminar las impurezas del petróleo como agua, sales inorgánicas, sólidos en suspensión, mediante desalinización (deshidratación), a fin de reducir la corrosión, el taponamiento y la formación de incrustaciones en el equipo, y evitar el envenenamiento de los catalizadores en las unidades de proceso.

Proceso de mezclado

Este proceso consiste en mezclar y combinar fracciones de hidrocarburos, aditivos y otros componentes para obtener productos con propiedades específicas de rendimiento.

Procesos auxiliares, de almacenaje y distribución

La industria petrolera cuenta con diversas instalaciones y sistemas que respaldan las operaciones de procesamiento de hidrocarburos, incluyendo generación de calor, movimiento y almacenamiento de productos. Estas operaciones abarcan desde sistemas de lucha contra incendios hasta laboratorios y almacenes, proporcionando un soporte esencial para las actividades de refinación.

Principios básicos del proceso de destilación atmosférica

La destilación es un proceso fundamental en la industria de refinación, mediante el cual, se logra la separación de los componentes hidrocarburos según sus distintos puntos de ebullición³. En la refinería, el crudo desalado, se precalienta mediante sistemas de intercambiadores de calor.

Posteriormente, entra en un horno de flama directa y se alimenta a la torre de destilación cerca de los fondos, con presión ligeramente superior a la atmosférica y una temperatura que oscila entre 343 ºC (650 ºF) y 370 ºC (700 ºF) para evitar problemas de taponamiento.

El crudo se separa en fracciones que, después de un procesamiento adicional, darán origen a productos principales productos, como gas licuado de petróleo, gasolina, diésel, combustible y nafta especial para la producción de petroquímicos.

Las fracciones más livianas del crudo se transforman en vapor, ascendiendo a través de la torre, donde disminuye la temperatura con la altura. Las fracciones más pesadas se recuperan en el fondo de la torre y se denominan residuo.

La torre de destilación, un cilindro de acero, contiene platos horizontales que separan y recogen los líquidos, siendo más livianos a mayor altura. Cada plato facilita la evaporación, condensación y contacto entre fases mediante perforaciones y un sistema de rebose que mantiene niveles adecuados de líquidos.

Cada contacto, denominado etapa, consiste en una mezcla de fases para promover la rápida partición de las especies mediante transferencia de masa, seguida por una separación de fases. El agua condensada dentro de la torre puede provocar corrosión en sus componentes internos. Las fracciones deseadas se extraen de los platos de extracción, cuya altura en la torre se determina durante el diseño.

Durante la destilación, las fracciones livianas son retiradas, dejando un residuo pesado que será objeto de destilación al vacío. En consecuencia, en una “planta topping” se obtienen fracciones livianas del crudo, tales como gasolinas y/o diésel, por ejemplo, mediante la destilación del crudo.

Inicialmente, el crudo es alimentado en uno o más puntos a lo largo de la columna de destilación o columna de fraccionamiento, como se muestra en la figura 2. Debido a la diferencia en las propiedades entre las fases vapor y líquida, el líquido fluye hacia abajo de la columna, mientras que el vapor fluye hacia arriba, poniéndose en contacto con líquido en cada etapa.

Este patrón de flujo global en una columna de destilación proporciona el contacto en contracorriente de vapor y líquido en todas las etapas a través de la columna⁴. 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.

El vapor que llega a la parte superior de la columna, donde se enfría y se condensa parcial o totalmente en el condensador de tope. Parte de este líquido se devuelve a la columna como reflujo y el resto de este líquido se retira como destilado, o producto de tope.

Los componentes más ligeros (de menor punto de ebullición) tienden a concentrarse en la fase de vapor, mientras que los componentes más pesados (más alto punto de ebullición) tienden a hacer en la fase líquida. El resultado es una fase de vapor que se enriquece en componentes más ligeros y una fase líquida que se concentra más en componentes pesados a medida que viajan por la columna de destilación.

La separación general entre el destilado y los fondos depende principalmente de las volatilidades relativas de los componentes, el número de etapas de contacto, y la relación de la tasa de flujo de la fase líquida a la velocidad de flujo en fase vapor.

La energía requerida para separar la especie se añade en forma de calor al rehervidor, donde la temperatura es mayor. También, se elimina el calor desde el condensador, donde la temperatura es más baja. Con frecuencia, esto da lugar a una gran demanda de energía y baja eficiencia global termodinámica.

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

Elección de materiales y estándares en el diseño de torres de destilación

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.

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.

Bajo este contexto te invitamos a leer el siguiente contenido referido a los problemas de corrosión y su control en los sistemas de destilación atmosférica de crudos.

Referencias bibliográficas

1. Luque S Rodríguez, Aurelio B. Vega Granda. “Simulación y optimización avanzadas en la industria química y de procesos: HYSYS”.
2. Refinacion de Crudo; consultado 31/12/2023: https://es.slideshare.net/WilderLoza/procesos-de-refinacion#2
3. King, C. J. (1980). Separation processes. New York: McGraw-Hill.
4. Perry, R. H. & Green, D. W. (2008). Perry’s chemical engineers’ handbook. New York: McGraw-Hill, 7 edition.
5. Seader, J.D., Henley, E.J., & Roper, D.K.(2011). Separation Process Principles: Chemical and Biochemical Operations. Hoboken, NJ: Wiley