curso rcp. t1. generalidades sobre el petroleo

Refinación de Crudos Pesados - 2009

1. GENERALIDADES SOBRE EL PETRÓLEO

Instructor: Ing. Humberto Kum R.Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Química

REFINACIÓN DE CRUDOS PESADOS

CONTENIDO

Generalidades sobre El Petróleo

Concepto de Petróleo o Crudo. Cadena de Valor del Negocio Petrolero. Aspectos Generales sobre el Petróleo:

Conceptos de: Refinación, Refinería, Residuo, Mejoramiento, Mejorador.

Faja Petrolífera del Orinoco.

Tipos de Crudos.

Terminología en Crudos Pesados: Materiales Naturales y Derivados. Fracciones de la Refinación. Crudos Pesados / Extrapesados / Bitumen / Arenas

Bituminosas / Residuos / Mejoramiento / Crudo Sintético.

Esquemas de Mejoramiento de Crudos.


El Petróleo o Crudo: Qué es?

No es una sustancia pura. Es una mezcla compleja conformada por cientos de miles de

Hidrocarburos (HC) de los más diversos tipos.

• Gas asociado (C1 – C3).• HC combinados con S, N, y metales (V, Ni y Fe).• Agua y sales (NaCl, CaCl2, MgCl2).

De acuerdo con su densidad (g.e., °API), puede ser:

No tiene un Punto de Ebullición único. Además contiene otros compuestos, tales como:

• Simplemente una mezcla de gases C1- C7 (Gas Natural)• Algo tan claro como el agua (condensados) • Líquido cuyo color puede ir de marrón a negro. • Líquido altamente viscoso (asfalto) e incluso semi-sólido

ó sólido a temperatura ambiente (CrudosPesados y XP). Refinación de Crudos Pesados - 2009


Cadena de Valor del Negocio Petrolero

Servicios

PDVSA

Exploración Producción

E&P M&M

REFINACIÓNREFINACIÓN

Mercadeo




Refinación - Empresa Integrada

Producción

Refinación

Crudos

Productos

Refinación - Empresa Independiente

Comprade Crudo

(A) (B)

Productos(Mercado,

precio)

Costos deRefinación

(C)C>A+B

Alternativas de Refinación



Aspectos Generales sobre el Petróleo:

El Petróleo o Crudo es esencialmente una mezcla compleja de cientos de miles de HC de diversos tipos y distintos puntos de ebullición.

Contiene además cantidades menores de S, N, O y Metales (V, Ni y Fe) formando Heterocompuestos hidrocarbonados, que por lo general son catalogados como indeseables o contaminantes.

La denominación de Crudo Pesado (CP), se le ha asignado a una variedad o tipo de crudos que tiene una densidad por debajo de 0.91 gr/cc (23.9 ºAPI).

Dentro de lo que se conoce como Crudos Pesados existe una sub-categoría denominada Crudos Extrapesados (CXP) que se refiere a aquellos crudos cuya densidad es mayor que la del agua: >1 gr/cc (<10 ºAPI ).



La mayor acumulación de CXP está ubicada al Oriente de Venezuela y ocupa una extensión de unos 55.000 KM2, que es conocida como la Faja Petrolífera del Orinoco.

Tanto los CP como los CXP se caracterizan entre otras cosas, por contener una elevada proporción de fracciones de HC de alto peso molecular (fracciones residuales) y tener un mayor contenido de Heterocompuestos indeseables.

Los Bitúmenes y las Arenas Bituminosas, constituyen otros tipos de acumulaciones de Petróleo o combustibles fósiles que al igual que los CP y los CXP no tienen en sí alto valor comercial, pero una vez procesados proveen productos gaseosos y líquidos de gran utilidad y valor.

A nivel mundial podría decirse que actualmente entre un 30 y un 50 % del suministro de energía, proviene del petróleo y es utilizado no solo como combustible para transporte sino también como medio de calefacción y gas doméstico, entre otros usos.




FAJA PETROLÍFERA DEL ORINOCO (FPO)FAJA PETROLÍFERA DEL ORINOCO (FPO) ÁREA ÁREA 55.000 Km 55.000 Km22 POES 1,3 Billones bblsPOES 1,3 Billones bblsRESERVAS A RESERVAS A CUANTIFICARCUANTIFICAR(FR=20%) 260 MMMbbls (FR=20%) 260 MMMbbls RESERVAS RESERVAS CERTIFICADAS 58 MMMbbls CERTIFICADAS 58 MMMbbls

FAJA PETROLÍFERA DEL ORINOCO (FPO)FAJA PETROLÍFERA DEL ORINOCO (FPO) ÁREA ÁREA 55.000 Km 55.000 Km22 POES 1,3 Billones bblsPOES 1,3 Billones bblsRESERVAS A RESERVAS A CUANTIFICARCUANTIFICAR(FR=20%) 260 MMMbbls (FR=20%) 260 MMMbbls RESERVAS RESERVAS CERTIFICADAS 58 MMMbbls CERTIFICADAS 58 MMMbbls

CRUDOS EXTRAPESADOS

Dificultad para su transporte

Crudos mejorados + subproductos

8-10 °API(800-2200 cSt a 70 ºC)Azufre ~ 4% en pesoMetales ~ 450 ppm

16-32°API < Viscosidad < Azufre

< Metales

Complejo Mejorador



Ubicación de la Faja del Orinoco



Otros usos importantes de los Lubricantes, Grasas, Asfaltos, Parafinas, Gas Propelente, etc.

En las últimas tres décadas la dinámica de la Industria Petrolera a nivel mundial ha experimentado cambios notables en cuanto a la disponibilidad de reservas y avances tecnológicos.

No obstante, la importancia del Petróleo como fuente de energía primordial ha prevalecido en el tiempo a pesar de la creciente tendencia de desarrollo de Energías Alternas (Nuclear, Solar, Eólica, etc.).

De acuerdo con estimaciones realizadas a inicios de este siglo, se espera que en los próximos 10 ó 20 años las reservas y por ende la producción de Crudos convencionales habrán declinado de manera significativa.

Esto se traducirá en un incremento en la producción de Crudos Pesados y por supuesto en dietas más pesadas para las refinerías Mayores Costos de Operación.




Esta situación en cuanto a reservas, aunada a la creciente disminución en el consumo de Fuel Oil, y a las cada vez más exigentes restricciones ambientales conforman un escenario que constituye un gran reto para la Industria Petrolera a nivel mundial.

Este escenario ha venido impulsando la implantación, cada vez más acelerada, de tecnologías de Conversión Profunda ya conocidas, así como el desarrollo de nuevas tecnologías más rentables y menos contaminantes que permitan cumplir con las exigencias del mercado tanto en cantidad como en calidad.




Refinación:

• ¿Qué es el Petróleo?. ¿Cuáles son las propiedades más relevantes del Petróleo y de cada uno de sus Productos?

• ¿Cuál es la manera más rentable de procesarlo para obtener productos de mayor utilidad y valor comercial?

• ¿Cuál es el Impacto Ambiental asociado al procesamiento del Petróleo y uso de sus derivados?

Es una Etapa fundamental en la Cadena de Valor o Cadena de Negocios de la Industria Petrolera.

Como Negocio, consiste en la transformación del Petróleo o Crudo en Productos y Sub-Productos de mayor valor comercial y de múltiples aplicaciones.

Como Área de interés técnico/tecnológico el término Refinación, se refiere al estudio del sistema Petróleo-Refinería, con miras a conocer y entender:



• Combustibles: Gas Licuado de Petróleo, Gasolina, Kerosene, Diesel, Gasoil, Residuales (Fuel Oil).

• Especialidades: Solventes, Lubricantes, Ceras, Asfaltos, otros• Insumos Petroquímicos: Olefinas, Aromáticos (BTX), Naftas.• Otros Sub-productos: Coque y Azufre

Refinería: Es una Instalación Industrial compleja, conformada por una

serie de plantas e instalaciones, tanto de Procesos como de Servicios, dispuestas e integradas de manera lógica (tanto en paralelo como en serie).

Tiene por finalidad llevar a cabo la separación o fraccionamiento, la transformación y conversión del Petróleo o Crudo en diversos productos de gran utilidad y de mayor valor comercial.

Entre los principales productos que genera una refinería, dependiendo por supuesto de su Complejidad, pueden mencionarse:



Residuo o Fracción Residual: Es la fracción o fondo resultante de una Destilación

Atmosférica (Residuo Largo) o de una Destilación al Vacío (Residuo Corto). Por lo general son de muy baja Gravedad API.

“Se le suele dar la denominación de “Fondo del Barril””

Mejoramiento:

Proceso que tiene por finalidad convertir un Crudo Pesado o Extrapesado ya sea para ser transportado de manera efectiva y a bajo costo para su venta, o para convertirlo en un Crudo Sintético con características similares a la de un crudo convencional.



Mejorador:

Complejo Industrial, similar a una Refinería en el cual se procesa un Crudo Extrapesado con el fin de generar un Crudo Sintético, o Crudo Mejorado, que pueda ser procesado en forma apropiada en una Refinería.

Los objetivos concretos que se persiguen con el procesamiento de un Crudo Extrapesado en un Mejorador son:

• Aumentar su gravedad API• Reducir su Viscosidad• Disminución del contenido de contaminantes:

azufre, nitrógeno y metales (V y Ni)• Reducción de su contenido de Asfaltenos y de su % de Carbón Conradson.



MEJORAMIENTO DE CRUDOS

Consiste en incrementar relación H/C de un crudo

Procesos de separación

Procesos de rechazo de carbono

Procesos de adición de hidrógeno

• Aumentar la gravedad API.• Disminuir viscosidad.• Reducir el contenido de S, V, Ni.

• Mejoramiento parcial

• Mejoramiento profundo



Coque de petróleo

• Venezuela posee 4 Complejos Mejoradores de CXP (600 Mbbl/día).

• Tecnología de mejoramiento basada en Coquificación Retardada.

• 16.000 ton/día de Coque (Jose).

• Coque vendido al exterior y empleado como combustible en industria eléctrica y cementera.

Restricciones ambientales

Problema de acumulación

de coque




Tanto los CP como los CXP se caracterizan entre otras cosas, por contener una elevada proporción de fracciones de HC de alto peso molecular (fracciones residuales) y tener un mayor contenido de Heterocompuestos indeseables.

Los Bitúmenes y las Arenas Bituminosas, constituyen otros tipos de acumulaciones de Petróleo o combustibles fósiles que al igual que los CP y los CXP no tienen en sí alto valor comercial, pero una vez procesados proveen productos gaseosos y líquidos de gran utilidad y valor.

A nivel mundial podría decirse que actualmente entre un 30 y un 50 % del suministro de energía, proviene del petróleo, el cual es utilizado no solo como combustible para transporte, sino también como medio de generación de energía eléctrica, de calefacción, entre otros usos.



Tipos de Crudos/Rendimiento/Demanda en Productos

Crudo Liviano



IMPORTANCIA DE LAS FRACCIONES DE UN CRUDO

Residuo

Gas + LPG

Kerosene

Fuel Oil

Destilados

Gasóleos

Nafta/Gasolina

Fondo del Barril

1 Bbl. = 42 Gal. = 159 Lt.

PR

EC

IO



Terminología en Crudos Pesados: Una particularidad asociada al negocio petrolero es la relativa a

la terminología, la cual suele diferir entre un país y otro e incluso dentro de un mismo país.

Se han venido haciendo esfuerzos que permitan que gradualmente esta terminología vaya convergiendo hacia una mayor uniformidad en el lenguaje y en consecuencia un mayor entendimiento entre diversas regiones.

En el caso de las formaciones/acumulaciones de materiales fósiles tanto originales como derivados y residuales suelen generarse confusiones en cuanto al uso o aplicación de terminologías adecuadas para su identificación.

Es por esta razón que uno de los primeros objetivos del curso será el de suministrar algunos conceptos asociados a dichos materiales pesados.



Terminología en Crudos Pesados:

Con base en lo reportado por Speight y Ozum [2002] se ha

propuesto segregar los diferentes tipos de materiales pesados

relativos al Petróleo en tres categorías de materiales:

Naturales

Derivados / Manufacturados

La calificación de Materiales Derivados o Manufacturados se le

ha atribuido a aquellos materiales que de manera voluntaria e

involuntaria se generan de los procesos de Refinación.



Terminología en Crudos Pesados:

Materiales Naturales

Petróleo o Crudo Crudo Pesado Crudo Extra-Pesado Bitumen Arena Bituminosa Roca Bituminosa Kerógeno ( Kerogen)



Materiales Derivados del Petróleo

Por Destilación o Fraccionamiento Por Separación con Solvente

Gas Asociado

Destilados Atmosféricos (Gas,

LPG, Naftas, Kerosene,

Gasóleos Atmosféricos

Residuo Atmosférico

Gasóleos de Vacío

Residuo de Vacío

Asfaltos

A Escala Laboratorio: (SARA)•Solubles en C7: Maltenos (SAR)•Insolubles en C7: Asfaltenos (A)•Insolub.en Bz. Y Tol.: Asfaltenos•Solubles en CS2 o en Piridina:

Carbenos•Insolubles en CS2 o en Piridina:

Carboides. A Escala Comercial: • Aceite Desasfaltado (DAO): Fracción Soluble en Solventes de C3 a C7 y Nafta Liviana.• Asfaltenos: Fracción Insoluble en dichos Solventes (Semi-sólida).



Materiales Derivados del Petróleo

Por Procesos de Conversión:

• Crudo Sintético• Coque• Asfalto• Residuo Craqueado• Olefinas C2 – C3• Gasolina Isomerizada y Polimerizada• Nafta Reformada• Nafta Craqueada: Catalítica

y de Coquificación• Gasóleos Craqueados Catalíticos

y de Coquificación



Petróleo o Crudo El petróleo, como ya ha sido mencionado es una mezcla compleja de

cientos de miles de Hidrocarburos de diferentes estructuras y pesos moleculares, y por lo tanto de diversos puntos de ebullición, que contiene además impurezas de S, N, O y Metales, en forma de heteroátomos.

Las proporciones de los diferentes tipos de Hidrocarburos presentes en un crudo y de su contenido de impurezas, determinan muchas de sus propiedades importantes e incluso su precio por barril.

Como consecuencia de la diversidad de compuestos Su composición química no es única, depende entre otras cosas de la edad geológica, ubicación y profundidad, del yacimiento. Sin embargo puede decirse que en promedio su composición química oscila dentro de los siguientes rangos:

(*)Otros: Oxígeno y Metales (V, Ni y Fe)



Es una manera de expresar la densidad de un Petróleo o Crudo, que resulta de gran utilidad para su comercialización y refinación.

Este parámetro aplica también a fracciones, componentes y productos, derivados de un crudo.

La densidad en ºAPI se determina mediante la siguiente ecuación:

5.13160..

5.141

FegAPI

GRAVEDAD ºAPI:




En función de su gravedad API los crudos pueden clasificarse en:

Condensados > 43 ºAPI

Livianos 30 - 42.9 ºAPI

Medianos 23 - 29.9 ºAPI

Pesados 10 - 22.9 ºAPI

Extra-pesados < 10 ºAPI

TIPOS DE CRUDOS


En vista de la variedad de compuestos y la amplitud de puntos de ebullición de los compuestos contenidos en un crudo, se ha convenido en segregarlo en fracciones específicas en términos de Rangos de Ebullición:

Fracción o Corte Rango de Ebullic. (ºC) Rango de Ebullic. (ºF)

NaftaGasolinaNafta LivianaNafta PesadaKeroseneGasoilGasoil LivianoGasoil PesadoGasoil de Vacío (GOV) GOV LivianoGOV PesadoResiduo de VacíoNo Destilable

C4 - 205C4 - 180C4 - 150

150 - 205205 - 260

260 - 315315 - 425425 - 540350 - 455450 - 540

540+

700+

C4 - 400 C4 – 355C4 – 300300 - 400400 – 500

400 – 600600 - 800

800 – 1000

1070+

1290+

FRACCIONES DE LA REFINACIÓNRANGOS DE TEMPERATURAS DE EBULLICIÓN



FRACCIONES / PRODUCTOS DE LA REFINACIÓN

RANGOS DE TEMPERATURAS DE EBULLICIÓN



Crudos Pesados y Extrapesados: En términos generales en el ámbito petrolero se suele hablar de

Crudos Convencionales y No Convencionales. La diferencia básica entre ambas categorías está en la mayor densidad (menor °API) y mayor viscosidad de estos últimos.

La denominación de No Convencionales envuelve a los Crudos Pesados y Extra-Pesados (CP y XP).

La mayor gravedad API de los Crudos Convencionales conlleva a mayores rendimientos en destilados livianos más valiosos y menores costos de refinación, lo que se traduce en mayor precio del crudo.

La mayor viscosidad de los Crudos No Convencionales afecta los costos de producción y transporte. En estos casos la recuperación de los crudos requiere estimulación térmica del reservorio e incluso la aplicación de técnicas de recuperación secundarias y terciarias.



VISCOSIDAD

Viscosidad Absoluta o Dinámica: Es una medida de la

resistencia que ofrece un fluido a moverse o fluir a través de un espacio confinado: µabs = Fuerza/[Area.Velocidad]. La unidad de medida más utilizada en el sistema métrico es el Centipoise (cP).

Viscosidad Cinemática: Es la relación resultante entre la

Viscosidad Dinámica y la densidad del fluido. Es una medida

de la mayor o menor facilidad con la que se mueve un fluido

bajo la acción de la gravedad. La unidad de uso más común es

el Centistoke (cSt). µkin = µabs/ρ.



Crudos Pesados y Extrapesados: En términos de Viscosidad se denomina petróleo a todo aquel

material Hidrocarbonado que tiene una viscosidad dinámica igual o menor a 10.000 cP, a la temperatura del yacimiento, a presión atmosférica y libre de gas.

Esta definición fue adoptada por acuerdo entre: la SPE, Grupos de Estudios del WPC y la AAGP (Asociación Americana de Geólogos Petroleros. Incluso fue también adoptada por UNITAR.

La Viscosidad de los Crudos Convencionales puede oscilar entre 1 y 10 cP, mientras que la de los Crudos No Convencionales (CP y XP) oscila entre los 100 y 100.000 cP.

En Venezuela los Crudos de la FPO (con gravedades de 8 a 12 °API) tiende a estar por debajo de los 3000 cP. Mientras que la de

los Bitúmenes Naturales y las de aquellos contenidos en las Arenas Bituminosas del Canadá está por encima de los 10.000 cP.



Todo Crudo cuya densidad medida

en términos de Gravedad API es

menor que 10 °API, es decir es

más pesado que el Agua y su

viscosidad libre de gas está por

debajo de los 10.000 cP, a la

temperatura del yacimiento y a

presión atmosférica.

CRUDO EXTRAPESADO:



Es la masa de petróleo con una viscosidad dinámica igual o mayor a 10.000 cP, a la temperatura del yacimiento, a presión atmosférica y libre de gas. (Definiciones SPE/WPC/AAPG, Aníbal Martínez, 2000). Su

gravedad suele estar entre los 8 y 12 °API.

Los bitúmenes incluyen una amplia variedad de sustancias de color pardo a negro, viscoso hasta quebradizo que pueden ocurrir en la naturaleza, y al igual que los CXP, pueden ser emulsionados y transportados por tuberías

BITUMEN:



Son formaciones naturales con bitumen, el cual se encuentra llenando los espacios vacíos de las rocas (venas, fallas y fracturas) o impregnando arenas. Los mayores yacimientos, se localizan principalmente en cuatro áreas de la región de Alberta en Canadá, siendo éstas Athabasca, Wabasca, Cold Lake y Peace Rivers.

ARENAS BITUMINOSAS:



CLASIFICACIÓN DE LOS CRUDOS:

VISCOSIDAD ( cP) 10 100 1000 10.000 100.000

CRITERIO DE LIVIANO MEDIANO PESADO EXTRA + BITUMEN GRAVEDAD PESADO NATURAL

GRAVEDAD ESPECÍFICA 0,87 0,92 0,97 1,000 1,076

GRAVEDAD API 31,1 22,9 15 10 5

BITUMEN NATURAL

CRITERIO DE VISCOSIDAD

EXTRA PESADO

CRUDOS CONVENCIONALES LIVIANOS Y MEDIANOS

CRUDOSPESADOS

Refinación de Crudos Pesados 2009



Gravedad Específica en Grados API

Condensados

Crudo Liviano

Crudo Mediano

Crudo Pesado

Crudo Extra Pesado

70

60

50

40

30

20

10

0

Aceite de Oliva

Mayonesa

Agua

Bitumen


Es la fracción más pesada o de fondo

resultante de una Destilación

Atmosférica (Residuo Largo) o de una

Destilación al Vacío (Residuo Corto). Por

lo general son de muy baja Gravedad

API. En este último caso entre 2 y 8 API.

Se le suele dar la denominación de

“Fondo del Barril”

RESIDUO O FRACCIÓN RESIDUAL:



Crudo Sintético o Crudo Mejorado:

Es aquel Crudo transportable y mercadeable que se genera

como resultado del procesamiento /conversión (Mejoramiento o

“Upgrading”) de un Material como los anteriormente señalados

(Crudo Extrapesado, Bitumen, Carbón).

El aspecto clave del Mejoramiento es que se obtiene un

Crudo Sintético con una gravedad comprendida entre 24 y 34

API, es decir un crudo equivalente a uno convencional, por lo

que potencialmente podría ser procesable en una refinería

estándar.



Proceso que tiene por finalidad convertir un Crudo Pesado

o Extrapesado o un Material como los anteriormente

señalados (Bitumen, Arenas Bituminosas, Carbón, etc.), en

un Crudo Sintético o Crudo Mejorado, con características

similares a las de un crudo convencional, ya sea para ser

transportado de manera efectiva y a bajo costo, para su

venta, o para ser refinado directamente generando

productos de alto valor comercial.

MEJORAMIENTO / UPGRADING



Crudo Sintético Tipo I

* Transportable (Visc. 120 cSt a 30 ºC)

* Bajo contenido de metales y asfaltenos

* Alta producción de destilados que en el crudo original

* Material estable y compatible para mezclado

Tipos y Especificaciones de Crudos Sintéticos




Tipos y Especificaciones de Crudos Sintéticos Crudo Sintético Tipo II

Mínimo Óptimo

* C4 – 190 ºC Rendimiento (% v) 10 10 – 25

S (% en peso) 0.05 0.05

N2 (ppm) 2 2

* 190 – 343 ºC Rendimiento (% v) 25 25

S (% en peso) 0.2 0.2

Número de Cetanos 35 35

* 343 – 504 ºF Rendimiento (% v) 40 40

S (% en peso) 0.5 0.5

N2 (ppm) 0.12 (máx.) 0.10

Carbón Conradson (% en peso) 0.7 0.7

Metales (ppm) 2 2

* 540 ºC + Rendimiento (% v) 25 (máx.) 25

S (% en peso) 1.6 (máx.) 1.25

Metales (ppm) 300 (máx.) 150



MEJORAMIENTO DE CRUDOS: Esquema de Mejoramiento ParcialNafta pesada (diluente)

Dilución 15-16 °API

Ole

od

uc

to

Destilados pesados

Coque

Crudo8.0 °API

Azufre

Desvío de residuo largo

Naftas

MEZCLADO

16 °API2,5% de S100 ppm

metales30% de

fondos

COQUIFICACIÓN RETARDADA

Destilados

HDT

REMOCIÓN DE GASES ÁCIDOS

DESALACIÓN

SEPARACIÓN TRIFÁSICA

CD

U

CRUDO EXTRAPESADO8-10 °API

Crudo diluido

Agua

Gas

Gas de coque

Gas combustible

H2S RECUPERACIÓN DE AZUFRE

CRUDO SINTÉTICO



MEJORAMIENTO DE CRUDOS: Esquema de Mejoramiento Total

Nafta pesada (diluente)

Dilución 15-16 °API

Ole

od

uc

to

Nafta/destilados livianos

Coque

Crudo8.0 °API

Nafta

MEZCLADO

32 °API0,08% de SCero fondos

COQUIFICACIÓN RETARDADA

Destiladospesados

HDT

REMOCIÓN DE GASES ÁCIDOS

DESALACIÓN

SEPARACIÓN TRIFÁSICA

CD

U

Crudo extrapesado 8-10 °API

Crudo diluido

Agua

Gas

Gas de coque

Gas combustible

VD

U

MHCK

Destiladospesados

AzufreH2S RECUPERACIÓN

DE AZUFRE



MUCHAS GRACIASPREGUNTAS ?

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