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FACULTAD DE QUÍMICA “GESTIÓN DE TECNOLOGÍA: MODELO DE IDENTIFICACIÓN, ANÁLISIS Y EVALUACIÓN Y SELECCIÓN DE TECNOLOGÍA PARA EL PROCESO DE COQUIZACIÓN RETARDADA” T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO PRESENTA KAREN RODRÍGUEZ CASTAÑEDA México, D.F. ; 2015 UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” II IIII JURADO ASIGNADO: PRESIDENTE: Manuel Vazquez Islas VOCAL: Celestino Montiel Maldonado SECRETARIO: José Ramón Francisco Javier Montiel López 1er. SUPLENTE: Martin Rivera Toledo 2° SUPLENTE: Juan Pablo Aguayo Vallejo SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: Petróleos Mexicanos, Dirección Corporativa de Operaciones, Subdirección de Ingeniería y Desarrollo de Proyectos; Subgerencia de Tecnología, Torre Ejecutiva 4to piso ASESOR DEL TEMA: José Ramón Francisco Javier Montiel López SUPERVISOR TÉCNICO: Celestino Montiel Maldonado SUSTENTANTE (S): Karen Rodríguez Castañeda Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” III IIIIII I. Introducción ________________________________________________________ 1 II. Antecedentes _______________________________________________________ 3 III. Refinación ________________________________________________________ 9 IV. Proceso de Coquización Retardada _______________________________ 17 V. Tecnologías Existentes en Coquización Retardada _________________ 23 Análisis detallado de cada tecnología existente ____________________________________ 23 A) Bechtel Hydrocarbon Technology Solutions; Inc. ______________________________ 24 B) KBR __________________________________________________________________ 27 C) Lummus technology, a CB&I company ______________________________________ 30 D) Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company _______________________ 33 E) Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s) ______________________________ 36 VI. Mercado de Coquización Retardada. ___________________________________ 39 i. Tecnologías existentes en México ____________________________________________ 41 ii. Cuadros Comparativos de Procesos __________________________________________ 42 VII. Gestión de Tecnología ___________________________________________ 45 i. Selección de Tecnología ________________________________________________ 47 a) Tecnología Apropiada ___________________________________________________ 48 b) Factor Ambiental _______________________________________________________ 48 c) Adopción de la Tecnología _______________________________________________ 49 d) Estudio Tecnológico _____________________________________________________ 50 e) Duración del proceso de incorporación de tecnología. _________________________ 51 ii. Evaluación de alternativas tecnológicas _________________________________ 51 VIII. Modelo de evaluación, y selección de tecnología ___________________ 52 i. Criterios Generales _______________________________________________________ 52 ii. Conceptos Críticos de Evaluación ____________________________________________ 54 iii. Definición del modelo de análisis y evaluación de Tecnología ___________________ 56 iv. Etapas del Modelo de Evaluación __________________________________________ 56 IX. Selección de atributos y criterios para la evaluación _______________ 59 i. Factores que afectan el proceso de Coquización retardada _______________________ 60 ii. Factores que afectan el proceso de selección de tecnología _______________________ 61 iii. Atributos generales para la evaluación de las tecnologías. _____________________ 62 iv. Descripción general del modelo _____________________________________________ 65 X. Conclusiones: ___________________________________________________ 80 Bibliografía ___________________________________________________________ 86 Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” IV IVIV Índice de Figuras Figura 1-“Tipos de refinerías (características generales)” ..................................................... 7 Figura 2 “Procesos de Refinación” ....................................................................................... 11 Figura 3 “Principales procesos de refinación en refinerías modernas” ............................... 12 Figura 4 “Productos de destilación de crudo (Gary y Handwerk, 2001)” .................... 12 Figura 5- “Diagrama de Flujo de una Refinería” ................................................................... 16 Figura 6-“Proceso de coquización retardada” ...................................................................... 18 Figura 7-“Diagrama base del proceso de coquización” ........................................................ 19 Figura 8- “Esquema conceptual del proceso de coquización presentado en dos bloques” 20 Figura 9-“Unidad de Coquización Retardada” ...................................................................... 21 Figura 10-“Diagrama de la tecnología Bechtel Hydrocarbon Technology Solutions; Inc” ... 26 Figura 11-“Rendimientos del proceso KBR” ......................................................................... 28 Figura 12- “Diagrama de la tecnología KBR” ....................................................................... 29 Figura 13-“Rendimientos de la tecnología Lummus technology, a CB&I company” ........... 31 Figura 14-“Rendimientos de productos de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” ............................................................................................................................. 31 Figura 15-“Utilidades de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” ................. 31 Figura 16-“Diagrama del proceso de coquización retardada de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” ............................................................................................. 32 Figura 17-“Rendimientos de Operación de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” ........................................................................................................ 34 Figura 18-“Utilidades de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” ............................................................................................................................. 34 Figura 19-“Diagrama de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” ............................................................................................................................. 35 Figura 20-“Rendimientos en % peso de la tecnología Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s)” .......................................................................................................... 37 Figura 21-“Diagrama del proceso de coquización retardada de la tecnología Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s) ........................................................................................ 38 Figura 22 -“Evaluación global del mercado de coquización” ............................................... 39 Figura 23-“Demanda de cantidad de unidades por año en elproceso de coquización retardada” ............................................................................................................................ 40 Figura 24-“Plantas de coquización con capacidades existentes en México” ..................... 41 Figura 25-“Cargas y rendimientos de Diseño” ..................................................................... 42 Figura 26-“Cuadro comparativo por parámetros de los procesos de coquización retardada existentes en México” .......................................................................................................... 43 Figura 27-“Cuadro comparativo de las torres fraccionadoras del proceso de coquización existentes en México” .......................................................................................................... 44 Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” V VV Figura 28-“Modelo de Gestión de Tecnología para proyectos de capital utilizado en PEMEX.” ................................................................................................................................ 46 Figura 29 “Selección de Tecnología consta de dos pasos el análisis técnico y el análisis económico” ........................................................................................................................... 47 Figura 30 “Estudio Tecnológico” .......................................................................................... 50 Figura 31-“Proceso de Incorporación de Tecnología” .......................................................... 51 Figura 32-“Atributos generales para la evaluación, análisis y selección de tecnologías” .... 63 Figura 33-“Modelo Matemático de Evaluación y Selección de Tecnología”........................ 66 Figura 34-“Ecuaciones representativas del cálculo en la evaluación económica” .............. 67 Figura 35-“Esquema general del modelo de análisis, evaluación y selección de tecnología, basado en la gestión tecnológica que nos muestra las distintas etapas durante la evaluación” ........................................................................................................................... 68 Figura 36.- “Definición de criterios específicos asociados a los atributos del modelo” ...... 69 Figura 37.- “Matriz General de atributos para la evaluación del proceso de coquización .. 71 Figura 38.- “Matriz compleja de evaluación para el proceso de coquización” .................... 74 Figura 39.- “Ponderación de ataributos del modelo” .......................................................... 75 Figura 40.- “Identificación de Criterios Técnicos, Económicos y Técnico Económicos” ...... 75 Figura 41.- “Ponderación de los Criterios Técnicos” ............................................................ 76 Figura 42.- “Definición de factores F t y F e de la ecuación del modelo” ............................... 76 Figura 43.- “Apertura de las propuestas técnica y económica” ........................................... 77 Figura 44.- “Análisis de las propuestas de los tecnólogos” .................................................. 77 Figura 45 “Elaboración de la matriz de comparación e identificación de los argumentos y soporte relacionados con los criterios técnicos, técnicos-económicos” .............................. 78 Figura 46.- “Evaluación y calificación de las propuestas” .................................................... 79 Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 1 11 I. Introducción El objetivo de esta tesis es presentar un modelo de identificación, análisis, y evaluación de tecnologías, para que de una manera integrada se pueda identificar la tecnología más adecuada a las necesidades y requerimientos específicos, esto bajo los criterios de calidad técnica. El proceso de análisis de tecnologías debe estar basado en evidencias objetivas, para que a partir de estas; sea posible emitir un dictamen; sin embargo es importante que todas estas evidencias objetivas, se adecuen a las características específicas del proceso industrial a evaluar, así como a los requerimientos del usuario, con el objetivo de dar solidez al procedimiento y que el modelo seleccionado responda a las necesidades esenciales. En la industria petrolera, la tecnología es un habilitador que permite el desarrollo en esta industria. Actualmente es de vital importancia planear, desarrollar y ejecutar proyectos, con la finalidad de construir y/o modernizar instalaciones industriales, que permitan incorporar nuevas y mejores tecnologías. A lo largo de todo el proceso de desarrollo de proyectos, la Gestión de Tecnología es un elemento integrador de esfuerzos que permite el desarrollo de las capacidades tecnológicas. Su implantación permite mejorar la definición de los proyectos, optimizando su desarrollo en el tiempo, costo y calidad planeados. Además de que formaliza, sistematiza e incluye una guía clara, la cual nos permite implantar e impulsar mejores prácticas. Los proyectos industriales se caracterizan por el uso intensivo de diversas tecnologías lo cual representa una ventaja competitiva, el conocimiento del “know how” de los procesos y las técnicas para el diseño y construcción de instalaciones proyectadas es indispensable a fin de contar con el conocimiento tecnológico suficiente para la realización del proyecto conforme a lo planeado, evitando así desviaciones importantes en alcance, costo, tiempo y calidad. El mundo se encuentra en un constante cambio y por ello mismo la industria debe adecuarse a este y evolucionar de manera progresiva para soportar los cambios que la sociedad le demanda, en el aspecto tecnológico o energético, es necesario contar con mejores tecnologías, cuyo objetivo sea el ofrecer una mejor calidad de vida y el desarrollo de la sociedad. La tecnología está inmersa en la innovación, misma que constituye en principio la creación o adaptación de nuevos conocimientos, así como su aplicación a un proceso productivo, por lo tanto, de esta puede depender la alta o baja competitividad dentro del mercado en el que se desarrolla una empresa. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 2 22 Dentro del ámbito energético, ha tomado mucha importancia la efectiva selección de tecnología, que si bien cambia muy rápido se pretende escoger tecnología innovadora y versátil, la cual nos permita implementar cambios y evolucionar al ritmo que la innovación nos lo exija. Son muchos los factores por los cuales es importante seleccionar la mejor tecnología para cada proceso en particular, por eso es vital la Gestión de Tecnología ya que esto nos permitirá contar con un método, una guía que nos permita desarrollar proyectos enriquecedores dentro de la empresa y de la industria en general. Hoy en día, en el área de la refinación del petróleo, la coquización retardada se mantiene como la opción económica número uno en cuanto a tecnologías de reducción de productos residuales de la refinación del petróleo. Donde se lleva a cabo este proceso, resulta más redituable limitar la generación de coque, debido a su valor de mercado relativamente bajo, en comparación con los otros productos resultado del proceso de coquización. Las mejores plantas de coquización continuamente optimizan sus operaciones para incrementar la flexibilidad de procesamiento de los diversos materiales de alimentación, al tiempo que aumentan sus productos líquidos y gaseosos de mayor valor. De igual importancia en la operación diaria resulta la necesidad de mantener una unidad de procesamiento segura y confiable. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 3 33 II. Antecedentes Escorsa y Valls1, son autores que permiten conocer una breve reseña del surgimiento de la gestión tecnológica, retrocediendo así, a la gestión de la investigación yel desarrollo (I+D), la cual tenía la finalidad de mejorar la utilización de los recursos humanos y materiales para producir conocimientos; años después las empresas se dieron cuenta que no tenían mucho que resolver en cuestión de I+D, y que lo prioritario era la innovación, así que nace la gestión de la innovación, misma que incluye la gestión de la I+D, y del lanzamiento de nuevos productos. Aproximadamente entre los años 1970 y 1980, se comenzó a hablar de la gestión tecnológica, y su inserción en la estrategia de la empresa, con el objetivo de mantener y mejorar la posición competitiva, mediante la utilización de la tecnología; este tipo de gestión se ve inmerso en la innovación, así que no es raro escuchar acerca de la gestión de la innovación tecnologíca. Para Solleiro y Herrera2, “la Gestión Tecnológica es el conjunto de técnicas que permite la identificación del potencial y los problemas tecnológicos de la empresa, con el fin de elaborar e implantar sus planes de innovación y mejora continua”, tomándola como aspecto fundamental de la gestión empresarial, debido al impacto que genera en las diferentes áreas de la empresa. Bosch3 señala que “la gestión de la innovación tecnológica es una organización de recursos financieros y de capital humano” que tiene como objetivos: Crear nuevo conocimiento Generar nuevas ideas técnicas orientadas a los procesos y servicios Desarrollar las ideas en prototipos factibles de ser convertidos en ingeniería de producto Transferir esa ingeniería de producto en productos manufacturados, así como su distribución o uso A su vez, asegura que la implantación de esta gestión en las instituciones, las ha llevado a un rediseño de su organización y estructura, cambio de programas y modificación de actividades. Por su parte, en la Norma Mexicana4 NMX-GT-001-IMNC-2007 (Instituto Mexicano de Normalización y Certificación) se afirma que son “conocimientos organizados entorno a procesos, métodos y prácticas que actúan sobre la planeación, desarrollo, control, integración y capitalización de los recursos, para la 1 Escorsa, Pere y Valls, Jaume (2006) “tecnología e innovación en la empresa”, Alfaomega, México. 2 Solleiro y Herrera (2008). “Conceptos Básicos” en José Solleiro y Rosario Castañon, Gestión Tecnológica, Plaza y Valdés. México. 3 Bosch, Horacio (2000), “Programa Interamericano de Gestión Tecnología”, Consejo de Asociaciones de Investigación Industrial de las Américas, Argentina. 4 IMNC a (2007) “sistema de gestión de la tecnología – terminología” en NMX-GT-001-INMC-2007, Instituto Mexicano de Normalización y Certificación A.C., México. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 4 44 implantación de cambios tecnológicos o innovaciones en empresas e instituciones con el propósito de mantener o mejorar la posición competitiva”. Rodríguez y Cordero5, la definen como el conjunto de actividades y decisiones empresariales relacionadas con la tecnología, dentro de una visión holística de la organización, con el fin de ser competitivos en un mercado global. Así mismo, el Premio Nacional de Tecnología (PNT) 6 menciona que la “Gestión de Tecnología les da congruencia organizacional y método a los esfuerzos de desarrollo tecnológico, de incorporación de tecnologías distintivas, y de innovación tecnológica, que se realizan para crear, transformar y entregar valor a los clientes y consumidores”. Autores como Solleiro y Herrera, Castañón, Escorsa y Valls, muestran la importancia de la implementación de la Gestión Tecnológica en las empresas (ya sea de bienes o servicios), para la mejora de competitividad de las mismas dentro del mercado en el que se mueven: Solleiro argumenta que “La gestión tecnológica se ha convertido en una actividad esencial del mundo de los negocios, pues ayuda a manejar efectivamente las operaciones de la empresa, así como el desarrollo estratégico de capacidades que les faciliten para competir en el mercado”, por lo tanto, la gestión tecnológica es de suma importancia para todas las empresas que proporcionan un bien o un servicio, convirtiéndolo en uno de los medios más prácticos para determinar el funcionamiento de la misma. Escorsa y Valls (2006) afirman que la tecnología está en todas partes, por lo que la competitividad de una empresa dependerá en buena parte, de su habilidad en combinar e integrar estas tecnologías, tomando a la gestión de la tecnología como una herramienta que juega un papel de coordinador e integrador entre diversas funciones directivas ya existentes; la función básica de esta consiste en promover y controlar el cambio tecnológico dentro de la empresa y relacionarla con su entorno. Por su parte el PNT7 menciona que “las actividades de las empresas relacionadas con la innovación de productos y procesos tienen un mayor impacto en la medida en que se gestionan de forma adecuada”. Con lo cual las organizaciones aprovechan mejor sus recursos, incrementan sus ventajas competitivas y maximizan sus resultados. En conclusión, a raíz de las definiciones anteriores, la Gestión Tecnológica es la técnica por la cual se organizan los recursos, las actividades y los conocimientos, 5 PNT (2011), “Modelo Nacional de Gestión tecnológica”, Premio Nacional de Tecnología, México 6 Rodríguez, Julio y Cordero, Bertha “La gestión de la tecnología” Universidad Nacional de Colombia, Colombia. 7 PNT (2006) “Gestión de cartera de proyectos tecnológicos”, Premio Nacional de Tecnología, México. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 5 55 provocando el rediseño de la organización y estructura para la implantación de cambios tecnológicos o innovaciones en la empresa o institución, con el único fin de mantener o mejorar su competitividad ante el mercado en el que se desarrollan. “Durante el periodo de 1940 a 1960 la coquización se utilizó principalmente como un pre tratamiento de los residuos de vacío para preparar corrientes de gasóleo de coque adecuadas para la alimentación de un craqueador catalítico. Esto reducía la formación de coque sobre el catalizador de craqueo, lo que permitía un aumento en el rendimiento del fraccionador; reducía también el rendimiento neto de la refinería en combustibles residuales de bajo precio.”8 Hace pocos años se ha utilizado también la coquización para la preparación de materias primas para el fraccionador con Hidrógeno y para la producción de “coque de aguja” de alta calidad a partir de materias como el aceite pesado del craqueador catalítico. Con la finalidad de seleccionar la planta de coquización retardada que mejor satisfaga los requerimientos específicos, se debe convocar a tecnólogos líderes en el mundo a participar en un proceso de evaluación de tecnologías para el otorgamiento de la licencia y desarrollo de la ingeniería básica requerida. A partir de que se cuenta con el perfil de los licenciadores, se realiza una evaluación de las propuestas; los resultados de esta evaluación son la base para la selección de la tecnología y el desarrollo del paquete de Ingeniería Básica. Una planta coquizadora, es una planta que acoplada a la unidad de Fluid Cracking Calatytic (FCC), genera mayor valor agregado al proceso de refinación pero para poder explicar esto es necesario ahondar en el tema de los diferentes tipos de plantas de refinación que existen: En términos generales, todas las refinerías pertenecen a una de cuatro clases, que se definen según la configuración del proceso y la complejidad de la refinería: ♦ Refinerías con unidades de destilación atmosférica (topping) sólo realizan la destilación del crudo y ciertas operaciones de apoyo esenciales. No tienen capacidad de modificar el patrón de rendimiento natural de los crudos que procesan. Sólo realizanel fraccionamiento del crudo en gas ligero y combustibles de refinería, como nafta (punto de ebullición de la gasolina), destilados (queroseno, combustible pesado, diésel y combustible de calefacción) y el aceite combustible residual o pesado. Una parte de nafta puede ser apropiada en algunos casos para la gasolina con índices de octano muy bajos. Las refinerías con unidades de destilación atmosférica no disponen de instalaciones para el control de los niveles de azufre del producto y, por ende, no pueden producir ULSF (Ultra Low Sulfur Fuel, Combustible de ultra-bajo azufre) 8 Leffler William (2008)“Petroleum Refining in Nontechnical Language”, Fourth Edition Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 6 66 ♦ Las refinerías con esquema de hydroskimming además de la destilación del crudo y los servicios de apoyo, cuentan también con el reformado catalítico, diferentes unidades de hidrotratamiento y mezcla de productos. Estos procesos permiten: (1) Convertir la nafta en gasolina. (2) Controlar el contenido de azufre de los productos refinados. El reformado catalítico convierte la nafta de destilación directa de modo que cumpla con las especificaciones de índices de octano de la gasolina y elabora subproductos del hidrógeno para las unidades de hidrotratamiento. Las unidades de hidrotratamiento extraen el azufre de los productos ligeros (incluida la gasolina y el diésel) para cumplir con las especificaciones del producto y/o permitir el procesamiento de crudos con mayor contenido de azufre. Las refinerías con esquema de hydroskimming,: son comunes en las regiones con una alta demanda de gasolina, no tienen la capacidad de alterar los patrones de rendimiento natural de los crudos que procesan. ♦ Refinerías de conversión (craqueo) incluyen no sólo todos los procesos presentes en las refinerías con esquema de hydroskimming, sino también, y lo que es más importante, el craqueo catalítico y/o hidrocraqueo. Estos dos procesos de conversión transforman las fracciones de petróleo crudo pesado (principalmente gasóleo), las cuales tienen altos rendimientos naturales en la mayoría de los petróleos crudos, en flujos de refinación ligera que se añaden a la gasolina, combustible pesado, diésel y materias primas de petroquímicos. Las refinerías de conversión tienen la capacidad de mejorar los patrones de rendimiento natural de los crudos que procesan, según lo necesario para satisfacer las demandas de mercado de productos ligeros. Sin embargo, éstas aún elaboran productos pesados, de bajo valor, como el combustible residual y el asfalto. ♦ Refinerías de conversión profunda (coquización) son, según lo indica su nombre, una clase especial de refinerías de conversión. Éstas incluyen no sólo el craqueo catalítico y/o hidrocraqueo para convertir las fracciones de gasóleo, sino también la coquización. Las unidades de coquización “destruyen” la fracción del petróleo crudo más pesado y menos valioso (aceite residual) mediante su conversión en flujos más ligeros que sirven como alimentación adicional a otros procesos de conversión (por ejemplo, el craqueo catalítico) y para los procesos de mejoramiento (por ejemplo, el reformado catalítico) que elaboran los productos ligeros más valiosos. Las refinerías de conversión profunda poseen suficiente capacidad de coquización, destruyen básicamente todo el aceite residual de sus crudos para refinación y los convierten en productos ligeros. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 7 77 Tipo de Refinería Características del proceso Perfil de rendimiento del producto Comentarios Gasol ina Diese l Topping Destilación del Crudo 31 30 Los niveles de productos de azufre son iguales a los niveles de azufre en las fracciones de crudo Productos rendimientos y calidad determinados únicamente por las propiedades del crudo Gasolina de bajo octanaje Hydroskimming Destilación del crudo Reformación Hidro-tratamiento 28 30 Los niveles de azufre del producto controlables por hidrotratamiento Cierta capacidad para mejorar los rendimientos y la calidad de productos Octanaje de la gasolina mejorarse reformar Conversión Destilación de Crudo FCC (Fluid Cracking Catalitic) y/o Hidro.Craqueo Reformación Alquilación y otras mejoras Hidro-tratamiento 44 32 Los niveles de azufre del producto controlables por hidrotratamiento Capacidad sustancial para la mejora del rendimiento y la calidad Conversión profunda Destilación del Crudo Coquización FCC y/o Hidro- craqueo Reformación Alquilación y otras mejoras Hidro-tratamiento 47 42 Los niveles de azufre del producto son controlables por hidrotratamiento Los rendimientos máximos de los productos de alto valor refinados Máxima capacidad para mejorar la calidad Esencialmente todo el aceite residual "destruido" Figura 1-“Tipos de refinerías (características generales)” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 8 88 Con lo anterior, se puede concluir que una planta coquizadora en México representa un alto costo de inversión para las refinerías del país, esto se basa en que: Cuánto más pesado (más pesado) es el crudo, más alta es su proporción de la relación carbono/hidrógeno C/H. Debido a los procesos químicos de la refinación, cuánto mayor es la proporción de C/H del crudo, más intenso y costoso es el proceso de refinación que se requiere para producir determinados volúmenes de gasolina y combustibles destilados. Y si se está hablando del proceso de refinación más complejo con un crudo pesado, este representaría el proceso con mayor costo de inversión dentro de la refinería; por lo tanto su confiabilidad operativa es crítica para mantener la operación global dentro de la refinería. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 9 99 III. Refinación El petróleo en su estado natural (Crudo) no tiene ningún valor para los consumidores y debe ser transformado en productos que puedan ser utilizados en el mercado. Existen varios métodos físicos y químicos que son utilizados en los procesos de refinación. La temperatura, la presión, los catalizadores y los productos químicos, son utilizados en diferentes diseños de proceso, condiciones de operación, y reacciones químicas utilizadas para convertir petróleo crudo y otros hidrocarburos en productos de petróleo. El petróleo crudo es una mezcla de, literalmente, cientos de compuestos de hidrocarburos que varían en tamaño desde la molécula más pequeña, el metano, con un solo átomo de carbono, a grandes compuestos que contienen 300 y más átomos de carbono. Una parte importante de estos compuestos son parafinas o isómeros de parafinas. Procesos y operaciones de refinación de petróleo se clasifican en cinco tipos básicos: 1. La destilación es la separación de petróleo crudo, hay de dos tipos de columnas de destilación: atmosférica y de vacío, en estas la definición de los grupos de compuestos de hidrocarburos que separarán se basan en tamaño molecular y los rangos de punto de ebullición. 2. Los procesos de conversión cambian el tamaño o la estructura de las moléculas de hidrocarburos por los siguientes métodos: Descomposición: Rompiendo las moléculas grandes en moléculas más pequeñas con puntos de ebullición inferiores a través de craqueo y los procesos relacionados. Unificación: Construcción de pequeñas moléculas en moléculas más grandes a través de alquilación, polimerización, y los procesos relacionados. Reformación: Reorganización de moléculas en diferentes estructuras geométricas en isomerización, reformado catalítico y procesos afines. 3. Los procesos de tratamiento de corrientes de hidrocarburos se preparan para elprocesamiento adicional y para preparar productos finales a base de separación química o separación física. Los procesos incluyen la desalinización, hidro- desulfuración, refino con disolvente, edulcorantes, extracción con disolventes, y des-parafinado. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 10 1010 4. La mezcla es el proceso de mezcla y la combinación de fracciones de hidrocarburos, aditivos y otros componentes para producir productos terminados con específicas propiedades de rendimiento. 5. Otras operaciones de refinación incluyen extracción recuperación de ligeros, agua ácida, residuos sólidos y tratamiento de aguas residuales, tratamiento de agua de proceso y refrigeración, almacenamiento y manipulación, movimiento de productos, la producción de hidrógeno, ácido y tratamiento de gas de cola, y la recuperación de azufre. En términos generales, las refinerías operan bajo las leyes de la física y la ingeniería, las especificaciones del sistema, los principios económicos que guían la inversión y requisitos de funcionamiento, así como las normas de fabricación humana que rigen las actividades de producción y las especificaciones del producto. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 11 1111 Figura 2 “Procesos de Refinación” Procesos de Refinación Procesos de separación física Destilación de crudo Desasfaltado por Solvente Extracción por solvente Desparafinado con disolvente Procesos de Conversión Química Catalíticos Reformación Catalitica Hidrotratamiento Hidrocraqueo Catalítico Craqueo Catalítico Alquilación Isomerización Térmicos Coquización Retardada Flexicocking Visbreaking Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 12 1212 A. Procesos de separación física 1. Destilación de crudo Aceites crudos de petróleo se desalaron primero y luego introdujeron con vapor a una columna de destilación atmosférica. El residuo atmosférico se introduce a continuación a una torre de destilación al vacío que opera a aproximadamente 50 mmHg, donde se obtienen productos más pesados. Los productos típicos de ambas columnas y sus rangos de punto de ebullición se enumeran en la Tabla 3 La separación física Conversión química Catalítica Térmica Destilación Desasfaltado por solvente Extracción por solvente Desparafinado con disolvente Reformar Hidrotratamiento Hidrocraqueo Alquilación Isomerización Coquización retardada Flexicoking Visbreaking Figura 3 “Principales procesos de refinación en refinerías modernas” . Destilación atmosférica Rendimiento (% en peso) * La verdadera temperatura de ebullición (° C) Gases de refinería (C1- C2) 0,10 - Gases licuados del petróleo (GLP) 0,69 - Primera destilación ligeros (light Straight Run LSR) 3,47 32-82 (90-180F) Primera destilación Pesados (Heavy Straight Run HSR) 10.17 82-193 (180-380F) Kerosene (Kero) 15,32 193-271 (380-520F) Gasóleo ligero (LGO) 12,21 271-321 (520-610F) Gasóleo pesado (HGO) 21,10 321-427 (610-800F) Destilación de Vacío Rendimiento (% en peso) * La verdadera temperatura de ebullición (° C) Gasóleo de vacío (VGO) 16,80 427-566 (800-1050F) Residuo de vacío (VR) 20.30 +566 (+1050F) Figura 4 “Productos de destilación de crudo (Gary y Handwerk, 2001)” * Los rendimientos citados aquí dependen de la composición y propiedades de los piensos. En este caso la alimentación API fue 26,3. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 13 1313 2. Desasfaltado Solvente Este es el único proceso físico donde el carbon se separa de una fracción densa de petróleo como residuo de vacío. El propano en estado líquido (por lo presión moderada) se utiliza por lo general para disolver todo el aceite, permitiendo que los asfaltenos precipiten. El aceite desasfaltado (DAO) tiene bajo contenido de azufre y metales ya que estos contenidos se eliminan con asfaltenos. Este aceite se utiliza como materia prima para la planta de aceite lubricante. El DAO también puede ser enviado a la fisuración unidades para aumentar la producción de petróleo ligero. 3. Extracción por Solventes En este proceso, el aceite lubricante de stock es tratado con un disolvente, como el N-metil pirrolidona (NMP), que puede disolver los componentes aromáticos en una fase (extracto) y el resto del aceite en otra fase (refinado). El disolvente es separado de ambas fases y el refinado se desparafina. 4. Desparafinado con disolvente El refinado se disuelve en un disolvente (metiletilcetona, MEK) y la solución es enfriada gradualmente, durante el cual la parafina de alto peso molecular (parafina) se cristaliza, y se filtra la solución restante. Lo extraído y el desparafinado de aceite resultantes, son llamados '' aceites lubricantes''. En algunas refinerías modernas la eliminación de compuestos aromáticos y parafinas se lleva a cabo por procesos catalíticos en ''procesos de hidrogenación''. B. Los procesos de conversión química catalíticos 1. Reformación Catalítica En este proceso se utiliza un metal especial como catalizador (platino soportado sobre sílice o sílice alúmina base) para reestructurar fracción de nafta (C6-C10) en compuestos aromáticos e isoparafinas. El reformado de nafta producido tiene un índice de octano mucho más alto que el de la alimentación. Este reformado se utiliza en la formulación de la gasolina y como una materia prima para la producción de aromáticos (Benceno-Tolueno-Xileno, BTX). 2. Hidrotratamiento Este es uno de los principales procesos para la limpieza de fracciones de petróleo de impurezas tales como azufre, nitrógeno, compuestos con oxígeno, compuestos Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 14 1414 con cloro, aromáticos, parafinas y metales utilizando hidrógeno. El catalizador es seleccionado para adaptarse al grado de hidrotratamiento y el tipo de impureza. Catalizadores, tales como óxidos de cobalto y molibdeno en una matriz de alúmina, son comúnmente utilizados. 3. Hidrocraqueo catalítico Para las fracciones de peso molecular más altos, tales como residuos atmosféricos (AR) y gasóleos de vacío (OGV), el craqueo en presencia de hidrógeno es necesario para obtener productos ligeros. En este caso se utiliza un catalizador de doble función. Se compone de un catalizador de zeolita para la función de craqueo y de tierras raras, metales soportados sobre alúmina para la función de hidrogenación. El principal productos son Keroseno, combustible para aviones, diesel y fuel oil. 4. Craqueo Catalítico Craqueo catalítico fluido (FCC) es el actor principal para la producción de gasolina. El catalizador en este caso es una base de zeolita para la función de craqueo. La alimentación principal de FCC es VGO y el producto es la gasolina, pero también se producen un poco de aceite de gas y gases de refinería. 5. Alquilación La alquilación es el proceso en el que el isobutano reacciona con olefinas tales como butileno (C 4) para producir un alquilato intermedio de la gasolina. El catalizador en este caso es o bien ácido sulfúrico o ácido fluorhídrico. Los hidrocarburos y ácido reaccionan en la fase líquida. se recogen principalmente Isobutano y olefinas de FCC y de coquización retardada. 6. Isomerización La isomerización de nafta ligera es el proceso en el que hidrocarburos con bajo número de octanos (C4, C5, C6) se transforman en un producto ramificado con el mismo número de carbonos. Este proceso produce productos de alta cantidad dee octanos. Una ventaja principal de este proceso es separar hexano (C6) antes de que este entre en el reformador, evitando así la formación de benceno que produce productos cancerígenos en la combustión con gasolina. El principal catalizador en este caso es una base de Pt-zeolita. C. Procesos de Conversión Química TérmicaEstos procesos son considerados como la mejora de los procesos para el residuo de vacío. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 15 1515 1. Coquización retardada Este proceso se basa en el craqueo térmico del residuo de vacío por la formación de coque y productos más ligeros tales como gases, gasolina gas, y aceites. Se pueden producir tres tipos de coque: Esponja, tiro y aguja. El residuo de vacío se calienta en un horno y se coloca en grandes tambores donde el coque se deposita en las paredes de estos tambores, y el resto de los productos se separan por destilación. 2. Flexicoking En este proceso térmico, la mayor parte del coque se gasifica en gas combustible utilizando vapor y el aire. La quema de coque por aire proporcionará el calor requerido para craqueo térmico. Los productos son gases, aceites de gasolina y gas con muy poco de coque. 3. Visbreaking Este es un proceso de craqueo térmico suave utilizado para romper la alta viscosidad y puntos de fluidez de residuo de vacío al nivel que puede ser utilizado en procesos posteriores. En este caso, el residuo se rompe ya sea en el bobina del horno (reducción de la viscosidad de la bobina) o empapado en un reactor durante unos pocos minutos (Visbreaker remojo). Los productos son gases, gasolina, gasóleo y el residuo no convertido. A continuación se presenta un diagrama esquemático de una refinería moderna que contiene la mayoría de los procesos descritos anteriormente (Gary y Handwerk, 2001) Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 16 1616 Figura 5- “Diagrama de Flujo de una Refinería” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 17 1717 IV. Proceso de Coquización Retardada El proceso de coquización retardada fue desarrollado para minimizar los rendimientos en combustóleo residual por el craqueo térmico energético de los productos de residuo de vacío y alquitranes térmicos. El procedimiento de coquización retardada se desarrolló para obtener por craqueo térmico (es decir, sin utilización de catalizadores) un coque de alta pureza, utilizando como alimentación los productos residuales de la columna de destilación al vacío. Si un hidrocarburo pesado se lo somete a altas temperaturas, este sufre un craqueo que lo termina descomponiendo (si el tiempo es el suficiente) en coque, gases y productos intermedios Con este fin se requería que la alimentación circulara a altas velocidades (tiempos de retención mínimos) en los hornos, para evitar que comenzara a craquear dentro de ellos y luego enviarlo a un tambor de coquización donde se le daba el tiempo de residencia suficiente para que la coquización tuviera lugar; de ahí el término de coquización retardada. Desde un punto de vista de reacción química la coquización puede considerarse como un proceso de craqueo térmico enérgico en el cual uno de los productos finales es coque (que también es denominado carbón residual de petróleo), formándose como productos secundarios gas oil, nafta y gases. En realidad, el coque formado contiene alguna materia volátil o hidrocarburos de alto punto de ebullición. Para eliminar esencialmente toda la materia volátil del coque de petróleo, este debe de calcinarse a unos 1100º C aproximadamente. Cantidades menores de hidrógeno permanecen en el coque aún después de la calcinación. En las primeras refinerías, el craqueo térmico energético de tales productos, producían depósitos indeseables en los calentadores. Esto requería altas velocidades (tiempos de retención mínimos) en los calentadores. Debido a la evolución gradual de la tecnología se encontró que los calentadores podrían diseñarse para alcanzar temperaturas de los productos residuales por encima del punto de coquización sin formación significante de coque en los calentadores. Mediante un tambor compensador aislado en el efluente calefactor se conseguía un tiempo suficiente para que la coquización tuviera lugar antes del procesado subsiguiente y de ahí el término de “Coquización Retardada”. Desde el punto de vista de la reacción química puede considerarse como un proceso de craqueo térmico enérgico en el cual uno de los productos finales es carbón (es decir, coque). En realidad, el coque formado contiene alguna materia volátil o hidrocarburos de alto punto de ebullición. Para eliminar esencialmente toda la materia volátil del coque de petróleo debe calcinarse entre unos 1000°F a 1300°F aproximadamente. Cantidades menores de hidrógeno permanecen en el Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 18 1818 coque aún después de la calcinación lo que da credibilidad a la teoría sostenida por algunos autores de que el coque en ese punto es un polímero. En el proceso de coquización se calientan los hidrocarburos con un alto peso molecular se envian a grandes cámaras para la formación de cárbon. Los hidrocarburos líquidos se convierten en coque que van llenando la camara, e hidrocarburos ligeros en forma de gas que la abandonan por la parte superior. Figura 6-“Proceso de coquización retardada” La función de esta planta es procesar el residuo de vacío para obtener productos de mayor valor agregado como gas, gasolina y gasóleos En la coquización retardada, primero se carga el material en un fraccionador para separar los hidrocarburos más ligeros y después se combina con el petróleo pesado reciclado. El material pesado pasa al horno de coquización y se calienta hasta altas temperaturas a bajas presiones para evitar la coquización prematura en los tubos del calentador, produciendo así una vaporización parcial y un craqueo suave. La mezcla de líquido y vapor se bombea desde el calentador a uno o más tambores de coque, donde el material caliente permanece aproximadamente 24 horas (retardo) a bajas presiones hasta que se descompone en productos más ligeros. Cuando el coque alcanza un nivel predeterminado en un tambor, el flujo se desvía a otro tambor para mantener la continuidad de la operación. El vapor procedente de los tambores se devuelve al fraccionador para separar el gas, la nafta y los gasóleos, y reciclar los hidrocarburos más pesados a través del horno. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 19 1919 Figura 7-“Diagrama base del proceso de coquización” En el diagrama se observa que los reactores (Tambores de Coque) siempre se presentan en pares, cuyo flujo pasa a un horno a una temperatura de aproximadamente 1000°F y después pasa a una columna fraccionadora, la cual nos da como resultado distintos componentes El esquema conceptual del proceso presenta dos bloques bien definidos: a) El fraccionamiento de productos y el calentador que operan en modo continuo. b) La coquización en tambores, en los cuales uno opera y el otro se encuentra en etapa de decoquizado, lo que genera un proceso discontinuo (switch) con ciclos de operación, regularmente de 18 horas con 2 horas en estado no continuo. Tambores de Coque Coque 1000°F Fr ac ci o n ad o r Gasóleo Nafta Gasolina C4 & Ligeros ( C2 y ligeros propano, propileno, butanos y butileno) Residuo Líquidos craqueados Los tambores trabajan en pares, en ciclo de 48 horas (llenado del tanque en 24 hrs, y las otras 24hrs. Se enfría, descoquiza y vacía) Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 20 2020 Figura 8- “Esquema conceptual del proceso de coquización presentado en dos bloques” Analizando a fondo el proceso, la alimentación del nuevo líquido caliente se carga a la columna de fraccionamiento dos a cuatro platos por encima de la zona de vapor de cola. De esta forma se consigue que: los vapores calientes del tambor de coque se enfríen por la alimentación líquida más fria previniendo así la formación de cualquier cantidad significativade coque en la columna de fraccionamiento y simultáneamente se condensa una porción de las colas más pesadas las cuales son recicladas. Cualquier sustancia remanente más ligera que la conveniente para el tambor de coque se agote (vaporice) del alimento líquido nuevo. 1. La alimentación nueva líquida es además precalentado. 2. La alimentación líquida restante se combina con el reciclado del condensado y se bombea desde el pie de la columna de fraccionamiento a través del calentador del coquizador, donde se vaporiza parcialmente, y luego hacia uno de los dos tambores de coque. Normalmente se introduce vapor en los tubos del calentador para controlar las velocidades y de esta forma minimizar el Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 21 2121 depósito de coque. La porción no vaporizada del efluente del calentador sedimenta en el tambor de coque, donde el efecto combinado del tiempo de retención y la temperatura dan lugar a la formación del coque. Los vapores de la cabeza del tambor de coque vuelven a la base de la columna de fraccionamiento. Estos vapores están formados por agua y por los productos de la reacción de craqueo térmico: gas, nafta y gasóleos. Los vapores fluyen hacia arriba a través de los platos de enfriamiento. Por encima de la entrada de alimentación nueva en la columna de fraccionamiento hay normalmente dos o tres platos por debajo del plato de extracción de gasóleo. Estos platos con el reflujo de gasóleo parcialmente enfriado proporcionan un buen control del equilibrio del punto final del gasóleo y minimizan el arrastre de alimento nuevo líquido o de líquido de reciclado en el gasóleo producido. La extracción lateral de gasóleo es una configuración convencional que emplea columnas de agotamiento de seis a ocho platos con introducción de vapor por debajo del plato base, para vaporizar las colas ligeras y controlar el punto de ebullición inicial (PEI) del gasóleo. El vapor y las colas ligeras vaporizadas se devuelven desde la cabeza del separador de gasóleo a la columna de fraccionamiento, uno o dos platos por encima del plato de extracción. Para recuperar calor a un nivel de temperatura alto y minimizar el calor de bajo nivel de temperatura. Figura 9-“Unidad de Coquización Retardada” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 22 2222 Conocer a fondo el proceso de coquización retardada es importante pues esto nos permitirá entender y conocer la tecnología disponible en el mercado, lo que representa un punto clave para garantizar el éxito del proyecto. Averiguar las soluciones de varios proveedores; descubrir las diferencias entre todos los productos; analizar cuáles son las características que mejor cubren nuestras necesidades; tener en cuenta las garantías, el mantenimiento y las actualizaciones a largo plazo de las herramientas elegidas, y hacer un balance calidad – precio. Por eso analicemos primero las tecnologías existentes para poder después analizar a detalle el mercado de tecnologías para el proceso de coquización Retardada. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 23 2323 V. Tecnologías Existentes en Coquización Retardada Se debe describir uniformemente cada tecnología basado en los aspectos técnicos, y económicos de cada proceso seleccionado. Reacciones Simplicidad de la tecnología Obsolescencia Cantidad de equipos Costo de mantenimiento Costo por patente Contaminación del medio Ambiente Seguridad del proceso entre otros Análisis detallado de cada tecnología existente A continuación se presenta un análisis de cada una de las tecnologías existentes en el mercado para el proceso de coquización retardada a nivel mundial, en este análisis podremos observar cifras y datos de vital importancia a la hora de seleccionar la tecnología adecuada para la planta con la que contamos, o bien una planta nueva que se requiera. Contamos con 5 licenciadores de tecnología para el proceso de coquización retardada: Bechtel Hydrocarbon Technology Solutions; Inc. KBR Lummus Technology a CB&I Company Foster Wheeler/ UOP A. Honeywell Company Exxon Mobil Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 24 2424 A) Bechtel Hydrocarbon Technology Solutions; Inc.9 El proceso de coquización retardada BechtelThruPlus es un proceso de craqueo térmico utilizado para mejorar el rendimiento al convertir el residuo de petróleo en corrientes líquido y de gas que producen coque de petróleo sólido. La unidad puede manejar una amplia variedad de alimentaciones, incluidos los fondos de la torre de vacío, carbón del solvente desasfaltador, aceite en suspensión, alquitrán térmico y pirolisis, y del fondo de hidro-craqueo. El proceso también puede procesar flujos de residuos de la refinería, tales como fondos de los tanques o los lodos del separador API. Descripción: La alimentación fresca de la unidad se envía a la parte inferior del fraccionador donde se combina con reciclado natural para comprender la alimentación al horno de coquización. El horno de coquización calienta la corriente combinada a temperaturas de craqueo de 482.22 °C – 510 °C (900°F-950 °F). El tiempo de residencia en los tubos del horno es limitado, y la alimentación de la coquización por lo tanto "se retrasa" hasta que alcanza la línea del tambor de coque, donde se completan las reacciones. El coque se acumula en el depósito y gases calientes comienzan a salir por la parte superior del tambor y el flujo se dirige hacia la columna de fraccionamiento, donde se separan los gasóleos del coquizador en pesados y ligeros, mientras que los gases más ligeros salen de la parte superior de la columna de fraccionamiento. Estos gases se condensan parcialmente en el sistema de sobrecarga del fraccionado, antes de ser enviados a la planta de gas, que separa la sobrecarga en la nafta, LPG y gas de escape. La Coquización retardada es un proceso de lote continuo, o denominado “batch continuo” pues el flujo a través del horno es continuo, cuando la línea del tambor de coque llega a su nivel de llenado predeterminado se cambia a un tambor de coque precalentado, ya lleno el tambor de coque es enfriado y se descoquiza, con agua a altas presiones, y se vuelve a precalentar. Un sistema de purga cerrada está disponible para recuperar toda el agua y el hidrocarburo líquido y vapor fuera de las líneas del tambor durante los pasos de operación. Ventajas competitivas: Tecnología de reciclado destilado para maximizar la producción de gasóleo de coque ligero (diésel). Está demostrado que tiene el mayor tiempo de vida para los tambores de coque de la industria. Diseño de horno rentable con longitudes máximas de ejecución. Demostrada unidad de ejecución de siete años entre rotaciones. 9 “Handbook of Petroleum Refining Processes”, Third Edition. Mc Graw-Hill, pp. 12.3-12.31 “Delayed Coking Advances”, Petroleum Technology Quarterly, Q4 2005. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 25 2525 Económicamente: Utilidades típicas por barril alimentado: Servicio Unidad Cantidad por bbl Combustible 103 BTU 120 Electricidad kWh 3.4 Vapor Lb 5 Agua de enfriamiento Gal 50 Instalación: Desde 1981, 42 unidades de base y remodelaciones han sido vendidas. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 26 2626 Diagrama específico: Figura 10-“Diagrama de la tecnología Bechtel Hydrocarbon Technology Solutions; Inc” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 27 2727 B) KBR10 El proceso de coquización implica craqueo de aceites residuales pesados para obtención de un gasóleo más valioso, destilados, nafta, GLP (Liquefied Petroleum Gas-Gas Licuado de Petroleo) y productos. También se produce coque. Alimentaciones normales incluyen los fondos de destilación en vacío, fondos atmosféricos, los asfáltenos de ROSE (Residuum Oil Supercritical Extraction) y otros tipos de unidades de desasfaltado de disolvente, betún y otros aceites pesados, alquitranes térmicos y pirolisis, aceites de decantación, y alquitranes térmicos. Descripción: La coquización retardada es un proceso de craqueo térmico semi-discontinuo. El proceso se compone de calentadores de coquización, tambores de coque, fraccionamiento, unidad de recuperación de vapores, la des-carbonización hidráulica, manejo de coque y sistemas de purga. La alimentación es normalmente encaminada a través del fraccionador de coque para eliminar las fracciones ligeras. La alimentación de reciclaje del fraccionador es llevada a la temperatura de coquización en un calentador especialmente diseñado y después se envía al tambor de coque. El craqueo de la alimentación en el tambor se divide en fracciones más ligeras y coque. Después de que el nivel de coque en el tambor ha alcanzado el nivel máximo aceptado, la alimentación se dirige al segundo tambor. El tambor de coque se enfría, luego se corta con chorros de agua a alta presión y se retira a la zona de manipulación de coque. El tambor se prepara para volver a poner en servicio cuando el segundo tambor se llena de coque Aplicaciones del proceso: La solución a la obtención de coque de ánodo de grado de los crudos tradicionales radica en el bajo contenido de azufre, y metales a la salida de la unidad de coquización. El producto de resina del proceso ROSE tres productos es un metal relativamente bajo, bajo residuo sulfúrico que es alta en asfáltenos CCR (Continuous Catalytic Reformer) libre. Debido a estas características, la resina es muy buena para la producción de coque de mayor calidad, y una materia prima excelente para la producción de coque de ánodo - grado. Aceite en suspensión clarificada (CSO) de la unidad de FCC (Fluid Catalytic Cracking) puede que no tenga la calidad superior se requiere para la producción de productos destilados de alto valor, sino que todavía se puede mezclar con la 10 Hydrocarbon Processing´s Refining Processes 2008 Handbook Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 28 2828 resina se levantó para ser utilizado como materia prima para la producción de coque de ánodo - grado. Una alimentación óptima a la planta de coquización retardada para producir coque de ánodo - grado sería una mezcla de la resina desde el proceso de ROSE, la OSC de la unidad de FCC y la cantidad requerida de residuo de vacío para compensar sorteo anyquality (de cualquier calidad). Esto proporciona al refinador con la capacidad de aislar el grado de coque de las fluctuaciones en la alimentación y siempre producir coque de ánodo, con independencia de la calidad del crudo. KBR opera una planta de coquización retardada de gran capacidad dentro de su Centro de Tecnología en Houston. La planta piloto se utiliza para el desarrollo de procesos y para la ejecución de la prueba piloto de coquización para los clientes. Experiencia: KBR ha proporcionado diferentes tecnologías de proceso para mas de 15 plantas de coquización. El diseño más reciente es para un coquizador de betún residuo de vacío, 2008. Aplicaciones del proceso: KBR ha diseñado y entregado trabajos con plantas piloto de coquización de asfáltenos obtenidos a partir de los residuos y otros aceites pesados en comparación del coque producido de residuos de vacío y asfáltenos (Base en alimentación de refinería de: 200,000 bpsd): Coque Alimentado Unidad Árabe pesado Maya VTB Asfalteno VTB Asfalteno Bpsd (x1000) Bpds 49.7 26.5 63.6 49.1 Wt. %CCR 23.8 38 31.2 38 Coque obtenido Mtd 2.7 2.1 4.4 4 Figura 11-“Rendimientos del proceso KBR” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 29 2929 Diagrama Específico Figura 12- “Diagrama de la tecnología KBR” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 30 3030 C) Lummus technology, a CB&I company11 Aplicación: Conversión de residuos atmosféricos y de vacío, residuos hidrotratados e hidrocraqueados, asfalto, pirolisis, decantación de aceite, fraccionado o alquitrán de hulla, solvente refinado y bitumen Athabasca. Descripción: La alimentación es introducida (después del calentador de calor) al fondo del fraccionador de coque donde es mezclado con el reciclado del condensador. La mezcla es bombeada a uno de los dos tambores a través del calentador de coque donde alcanza la temperatura deseada, el vapor y el agua hirviendo es inyectada por los tubos del calentador para prevenir la formación de coque en los tubos del horno. El vapor fluye por el tambor de coque hacia el fraccionador donde son separados los gastos generales del contenedor en gas húmedo, LPG y nafta y dos corrientes de gasóleo. La alimentación de vapor es enviada a la sección de recuperación de vapor donde son separadas individualmente las corrientes ligeras y pesadas. El coque que se forma en el último de los tambores (los cuales se encuentran conectados de forma paralela) se remueve utilizando agua a altas presiones. La planta también incluye un sistema de purga para la recuperación de todo el gas y los flujos de decantación del coque y el sistema de recuperación de agua. Condiciones de operación: Temperatura de salida del calentador 482.22°C - 510°C (900-950 °F) Presión del tambor de coque 15-90 psig Radio de recirculación 0-100 % alimentación vol/vol 11 Malik, R. and G.Hamilton, “Delayed coker desing considerations and project execution”, NPRA 2002 Annual Meeting, March 17-19, 2002. Sieli,G.M., A. Faegh and S. Shimoda, “The Impact of delayed coker operating conditions on refinery operations”, ERTC Cocking &Gasification Conference, April 16-18, 2007 Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 31 3131 Rendimientos: Alimentación Unidad Medio Oriente Residuo de vacío Residuo de vacío de fondos hidrotratados Betún Athabasca Gravedad °API 7.4 1.3 2.5 Azufre wt % 4.2 2.3 5.7 Carbón Conradson wt % 20.0 27.6 23.0 Figura 13-“Rendimientos de la tecnología Lummus technology, a CB&I company” Productos, wt% (porcentaje peso) Productos (wt%) Gas + LPG 7.9 9.0 9.2 Nafta 12.6 11.1 12.5 Gasóleos 50.8 44.0 46.0 Coque 28.7 35.9 32.5 Figura 14-“Rendimientos de productos de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” Económicamente: Inversión: Base 20,000 bpsd alimentación residuo de destilación de vacío, US costa del golfo 2008, combustible coque de grado, incluye recuperación de vapor, US$ por bpsd (típicamente) 8,000 Utilidades: Típicas /bbl de alimentación: Utilidades (típicas/por bbl alimentados) Combustible 103 BTU 123 Electricidad kWh 3.6 Vapor Lb 1 Agua de enfriamiento gal 58 Alimentación de agua calentada lb 38 Condensado lb 24 Figura 15-“Utilidades de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” Instalación: Más de 60 unidades. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 32 3232 Diagrama Específico Figura 16-“Diagrama del proceso de coquización retardada de la tecnología Lummus technology, a CB&I Company” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 33 3333 D) Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company12 Aplicación: Convertir los residuos de fracciones de hidrocarburos ligeros por medio del proceso de rendimiento selectivo de coquización retardada. Descripción: La carga es alimentada directamente al fraccionador donde se combina con la recirculación y es bombeado al calentadorde coquer. La mezcla es calentada a la temperatura de coquización, causando una vaporización parcial y un pequeño agrietamiento o separación. La mezcla de vapor-líquido entra al tambor de coque para tener mayor craqueo. La sobrecarga del tambor entra al fraccionador para ser separado en gas, nafta y gasóleos ligeros y pesados. El gas y la nafta entran a la unidad de recuperación de vapor (VRU). Donde finalmente se encuentran los tambores de coque uno se coquiza, mientras que el otro está siendo des-coquizado utilizando agua a muy alta presion. La unidad de coque también incluye el manejo de coque, el corte de este, así como la recuperación y purga del agua utilizada. El gas ventilado del sistema de purga es recuperado en el VRU. Condiciones de operación: Los rangos típicos de operación son: Temperatura a la salida del calentador: 900-950 °F Presión del tambor de coquización: 15-100 psig Relación del radio de recirculación a alimentación fresca: 0-1.0 Incrementar la temperatura de coquización disminuye la producción de coque; e incrementa el rendimiento líquido del gasóleo en el punto de terminación. Incrementar la temperatura y/o el radio de recirculación incrementa el gas y el coque obtenido, y disminuye el rendimiento líquido en el gasóleo en el punto final. 12 Handbook of petroleum Refining Processes, Third Edition, Mc. Graw Hill, pp.12.33-12.89 “Delayed coking revamps”, Hydrocarbon Processing, September 2004; “Residue Upgrading with SYDEC delayed Coking:Benefits &Economics”, AlChe Spring National Meeting, April 23-27, 2006, Orlando. “Upgrade refinery residuals into value-added products”, Hydrocarbon Processing, June 2006. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 34 3434 Rendimientos: Operación: Productos Destilación máxima Coque de ánodo Coque de aguja % peso % peso % peso Gas 8.7 8.4 9.8 Nafta 14.0 21.6 8.4 Gasóleo 48.3 43.8 41.6 Coque 29.3 26.2 40.2 Figura 17-“Rendimientos de Operación de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” Económicamente: Inversión base 65,000-10,000 bpsd 2Q 2005 US, $ por bpsd 6,700-13,600 Instalaciones: Actualmente existen 52 Coquizadoras retardadas instaladas en el mundo con una capacidad total de alrededor de 2.5 millones bdsp. Utilidades: Típicamente por bbl de alimentación: Producto Unidades Cantidad Combustible 103 BTU 120 Electricidad kWh 3 Vapor Lb 35 Agua de enfriamiento Gal 36 Figura 18-“Utilidades de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 35 3535 Diagrama Específico Figura 19-“Diagrama de la tecnología Foster Wheeler USA Corp. / UOP, A Honeywell Company” Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 36 3636 E) Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s) Aplicación: Investigación e ingeniería (EMRE´s) proceso térmico continuo de Exxon Mobil de conversión con reactor de lecho fluidizado para convertir hidrocarburos pesados (residuo obtenido a vacío, petróleo extra pesado o alquitrán) para productos líquidos más ligeros y coque de combustible-grado. Atractivo, cuando los mercados disponibles para coque líquido combustible de grado, o si las aplicaciones previstas incluyen además presente o futuro de la caldera de lecho fluido que para la cogeneración de vapor y electricidad ya que esta combinación tiene tanto la integración de calor, así como de beneficios a la eliminación de SOx. Productos: Los productos líquidos producidos son similares en los rendimientos y la calidad de coquización retardada, estos productos son mejorados por hidrotratamiento convencional, hidrocraqueo o en un craqueo catalítico fluido (FCC). El coque líquido se usa como un combustible sólido, con ventajas particulares en los hornos de cemento o calderas de lecho fluido. Descripción: Una unidad de coquización fluida es similar en funcionamiento a una unidad de FCC pero opera con alimentación de residuos de vacío más complejos. En lugar del catalizador, las partículas de coque de fluidos se distribuyen entre el quemador y el reactor para transferir calor de proceso. Alimentar típicamente a una temperatura de 565.56 °C (1050°F) más residuo de vacío de la parte inferior de la tubería de vacío, se bombea sin la necesidad de un horno de precalentamiento directamente a la torre de lavado en la parte superior del reactor tiene varias funciones: 1) Mayor calor de la alimentación por intercambio de calor directo con los vapores del efluente del reactor. 2) Separa las partículas de coque para el retorno al reactor de lecho fluidizado. 3) Reciclen los hidrocarburos del efluente del reactor de ebullición más altos (típicamente en 975°F+, pero esto puede ser ajustado para satisfacer requerimientos de procesamiento de gasóleo aguas abajo) de nuevo al reactor con alimentación fresca. Tuberías diseñadas especialmente en el reactor producen gotas de alimentación, que interactúan con las partículas de coque circulantes. Productos de gas y conversión térmica líquido se retiran de la parte superior de la torre de lavado y la capa de coque se añade a las partículas que circulan. El calor de los reactores de craqueo térmico se suministra por quemado de una fracción del coque en el quemador de lecho fluido. Coque caliente circula entre el quemador y el reactor y Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 37 3737 coque vuelve frío a un segundo plano. Aproximadamente el 20 % del coque se quema con aire para suministrar los requisitos de calor de proceso, eliminando la necesidad de u n suministro externo de combustible. El resto del coque es retirado desde el quemador y, o bien se vende como un producto o el quemador en una caldera de lecho fluido en proyectos de cogeneración. Rendimientos: Residuo Típico de Vacío (26% peso Carbón, 4.6% azufre, 125 Ni+V) Rendimiento de componente % Peso Gas Combustible (C2-) 6.7 LPG, (C3/C4) 4.4 Total C4- 11.1 Nafta (C5- 430°F) 15. Destilad (430-650°F)o 11.0 Gasóleo (650-975°F) 32.2 Total C5+ Líquidos 58.6 Producto de coque 24.8 Consumido por el calor del proceso 5.5 Reactor total de coque - 30.3 Total 100 Figura 20-“Rendimientos en % peso de la tecnología Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s)” Ventajas competitivas: Proceso de lecho fluido continuo, coque transportado neumáticamente y contenido en sólidos de fluidos y silos de producto. Proceso muy pesado se alimenta de las arenas bituminosas de betún a los crudos pesados venezolanos. Internamente calor integrado, mínimo uso de gas combustible y la producción de coque inferior a la coquización retardada. Combinación de coque y de lecho fluidizado calderas de fluido para cogeneración tiene la integración de calor y SOx sinergias de deportación. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 38 3838 Diagrama específico Figura 21-“Diagrama del proceso de coquización retardada de la tecnología Exxon Mobil´s Research & Engineering (EMRE´s) Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 39 3939 VI. Mercado de Coquización Retardada. La importancia de analizar el mercado de coquización retardada reside en que gracias a este podemos observar la preferencia que existe para con ciertas tecnologías y nos ayudará a ampliar el panorama con respecto a las decisiones que se están tomando en cuestión de selección de tecnología en el resto del mundo. Figura 22 -“Evaluación global del mercado de coquización” Podemos observar lo siguiente, existen diferentes tecnólogos que presentan este proceso, así como el número de unidades que manejan y las capacidades de los equipos.1313 Información obtenida del “Seminario de Coquización Retardada” llevado a cabo por la Subgerencia de tecnología, México DF; 24 y 25 de junio 2014 Mercado de coquización retardada Número de Unidades Capacidad Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 40 4040 Figura 23-“Demanda de cantidad de unidades por año en el proceso de coquización retardada” En el gráfico podemos observar la demanda hacia los procesos de coquización que se ha tenido desde el año 2005 a la fecha, y también se observa que es muy variada la selección de tecnología que se va a utilizar, esto se debe a que cada refinería y cada industria selecciona su tecnología de acuerdo a sus necesidades. Es un proceso que cuenta con una amplia gama de materias primas, esto regularmente es debido a la calidad del crudo con el que se está trabajando y la calidad de este crudo, depende de su lugar de procedencia. También debemos tomar en cuenta la capacidad, este proceso requiere una capacidad acorde con la refinería en la cual se está trabajando. Este es un proceso atractivo pero con una inversión inicial alta, no debemos perder la idea que es un proceso de conversión de residuales y es económicamente atractivo, debido a que las plantas obtendrán beneficios a partir de los residuos o desechos y podemos obtener una conversión completa de: Gas Nafta Gasóleos Coque Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 41 4141 i. Tecnologías existentes en México Y en el caso específico de México a lo que coquización retardada se refiere podemos acceder al inventario de activos tecnológicos elaborado por la Subgerencia de Tecnología, que pertenece a la Subdirección de Desarrollo de Proyectos de la DCO de PEMEX, la cual nos muestra lo siguiente: Proyecto Planta Tecnología Capacidad Mbdp Proceso de selección Tula NRT Coquización retardada Bechtel 168 evaluación y selección IMP- Pemex Reconversión de Residuales de Salamanca Coquización retardada (en proceso de construcción)] Foster Wheeler 44 Adjudicación directa FW Reconfiguración Mina Coquización retardada Foster Wheeler 55.8 - Reconfiguración Madero Coquización retardada Foster Wheeler 4615 - Figura 24-“Plantas de coquización con capacidades existentes en México” En el siguiente cuadro se presenta una comparación en cuanto a diseño se refiere de las tres Plantas Coquizadoras con las que cuenta PEMEX para ver las diferencias en los diseños y los resultados en la operación de cada una; lo cual es importante para la selección de tecnología y contar con los criterios adecuados, así como para conocer los puntos fuertes y debilidades existentes en cada uno de los procesos. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 42 4242 ii. Cuadros Comparativos de Procesos Parámetro Caso Base Cadereyta (Foster Wheeler) Madero (Foster Wheeler) Minatitlan (Foster Wheeler) Carga (bpsd) 50,000 53,973 45,443 55,794 Productos 100% Maya Caso 70 / 30 Caso Alterno (Maya/Mezcla Pesada 75/25) Caso Minatitlan 83 / 17 %vol - HCGO 20.76 32.50 25.60 26.41 %vol- LCGO 28.73 26.12 27.51 27.80 %vol- Nafta 17.38 12.86 12.23 12.35 %vol- C4’s 3.35 2.28 2,26 2.30 % Líquidos 70.22 73.76 67.6 68.86 Coque (Ton/día) 3,398 2,647 2,822 3,361 Figura 25-“Cargas y rendimientos de Diseño” Los rendimientos líquidos son similares para los casos de procesar cargas pesadas (caso Madero y Minatitlán). El caso Cadereyta es diferente debido a que procesa alimento de Crudo es en promedio (50% pesado / 50% ligero aprox.), y los rendimientos líquidos no se cuenta con un balance para la situación actual, el diseño que más se acerca es el 70 / 30. En la práctica, los rendimientos de los productos en las tres Plantas Coquizadoras del SNR (Sistema Nacional de Refinación) varía debido a la calidad del Residuo de Vacío que reciben dichas Unidades, lo cual repercute generalmente en Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 43 4343 incrementos de producción de Nafta Coquer, siendo éste el principal cuello de botella para su procesamiento. Para elaborar una comparación más completa es necesario hacer un cuadro comparativo, el cual nos pueda mostrar a detalle las principales diferencias en el proceso de coquización Parámetro Cadereyta (Foster Wheeler) Madero (Foster Wheeler) Minatitlan (Foster Wheeler) Tanque de Balance No No No Bomba de Carga a Calentadores Si (diseño de impulsores para triturar coque) Si (diseño de impulsores para triturar coque) Si (diseño de impulsores para triturar coque) Filtros en Succión de Bombas Si Individual por equipo No No Sistema de Precalentamiento de carga Un intercambio de calor Pumparound (hcgo) vs carga 4 cambiadores Un intercambio de calor Pumparound (hcgo) vs carga 2 cambiadores 1767 m² área Un intercambio de calor Pumparound (hcgo) vs carga 4 cambiadores Agitación del fondo de la torre fraccionadora Si (bomba y filtros) Si (bomba y filtros) Si (bomba y filtros) Figura 26-“Cuadro comparativo por parámetros de los procesos de coquización retardada existentes en México” Las principales diferencias son: Madero solamente cuenta con dos equipos de intercambio de calor para el precalentamiento de la carga y Cadereyta y Minatitlán con cuatro equipos. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 44 4444 Cadereyta cuenta con filtros en la succión de las bombas de carga y Madero, Minatitlán no. Actualmente, las bombas de carga de la Coquizadora de Minatitlán operan sin los strainer (filtro) en la succión de dichos equipos Cadereyta cuenta con filtros en la succión de las bombas de carga individual por equipo, Madero y Minatitlán no. La principal ventaja de operar las bombas sin los filtros es evitar alguna obstrucción que ocasione un paro de unidad. La desventaja es enviar este carbón en forma de finos a las automáticas de carga ocasionando disturbios operacionales por variaciones en la medición. Parámetro Cadereyta (Foster Wheeler) Madero (Foster Wheeler) Minatitlan (Foster Wheeler) Dimensiones de torre fraccionadora DI = 4.88 mts L T-T = 36.58 mts DI = 4.88 mts L T-T = 36.58 mts DI = 5.48 mts L T-T = 35.86 mts No. de pumparound (re-circulación interna de planta) 1 1 1 No. De platos 22(válvulas) 2 (chimenea) 5 (shed/cobertizo /cobertizo) 22 (válvulas) 2 (chimenea) 5 (shed/cobertizo) 21 (válvulas) 1 (lavado) 2 (chimenea) 5 (shed) Sistema de condensación Aero-enfriador Aero-enfriador Aero-enfriador Sección de manejo de agua – sales No No No Figura 27-“Cuadro comparativo de las torres fraccionadoras del proceso de coquización existentes en México” El nuevo diseño de las torres Fraccionadoras de las Coquizadoras consideran sección de lavado de sales, misma que se consideró para la Coquizadora de la Refinería de Minatitlán. Dicha sección es importante para efectuar lavado y evitar disturbios operacionales. Universidad Nacional Autónoma de México | “Por mi raza hablará el espíritu” 45 4545 VII. Gestión de Tecnología La tecnología juega un papel muy importante en los resultados de las empresas, pero generalmente no se le da la suficiente atención a su gestión y en ocasiones ni siquiera se reconoce su valor en la cadena productiva por considerar que la tecnología es un bien que se adquiere y con ello acaba su gestión. Los avances tecnológicos marcan la diferencia entre las empresas líderes y los seguidores, ya que les permiten disminuir sus costos, elevar la calidad de productos, encontrar sustitutos que ofrezcan mayores ventajas, tener procesos con alto valor, flexibilidad y mejora en sus rendimientos. La tecnología no es el único factor que determina la competitividad, el conocimiento
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