LAD00798_Refino_Petroleo_II_M3_T3

EMISIONES DE CO2 Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
LA GESTIÓN ENERGÉTICA EN UNA REFINERÍA

CURSO DE INGENIERÍA Y NEGOCIO DEL Emisiones REFINO de Co2 DE y PETRÓLEO. eficiencia energética PARTE IIP.
Módulo 1
EL CRUDO DE PETROLEO
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La gestión energética en una refinería
INDICE
INDICE ........................................................................................................................................................................... 3
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................... 4
2. DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA EN UNA REFINERÍA .......................................................... 6
3. MEDIDAS GENERALES DE AHORRO ENERGÉTICO EN UNA REFINERÍA ........................................................ 9
3.1 Cogeneración ........................................................................................................................................................ 9
3.2 Mejoras en los equipos de combustión ................................................................................................................. 9
3.3 Sistemas de distribución de vapor ....................................................................................................................... 12
3.4 Aislamiento de equipos........................................................................................................................................ 13
3.5 Cambiadores de calor.......................................................................................................................................... 14
3.6 Recuperación de gas de antorcha ....................................................................................................................... 15
3.7 Otras formas de reducir las pérdidas energéticas ............................................................................................... 15
3.8 Consideraciones generales para el ahorro energético en una refinería .............................................................. 16
4. AHORROS ENERGÉTICOS EN REFINERÍA. LOS PROCESOS........................................................................... 18
4.1 Introducción ......................................................................................................................................................... 18
4.2 Destilación ........................................................................................................................................................... 18
4.3 Unidades de Hidrodesulfuración .......................................................................................................................... 25
4.4 Unidades FCC ..................................................................................................................................................... 28
4.5 Unidades de Reformado ...................................................................................................................................... 30
5. GESTIÓN ENERGÉTICA EN REFINERÍAS. EQUIPOS ......................................................................................... 31
5.1 Hornos ................................................................................................................................................................. 31
5.2 Bombas ............................................................................................................................................................... 31
5.3 Motores ................................................................................................................................................................ 32
5.4 Compresores ....................................................................................................................................................... 33
5.5 Iluminación .......................................................................................................................................................... 33
6. SITUACIÓN ACTUAL ............................................................................................................................................. 36
7. REFERENCIAS ....................................................................................................................................................... 38
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
1. INTRODUCCIÓN
El consumo de energía es el coste de operación variable principal en una Refinería, alrededor
del 60-80% de dicho coste. Según la complejidad y eficacia de la instalación, el consumo
energético de una refinería puede llegar a suponer entre el 12 y el 17% del petróleo que trata.
Por eso las medidas de ahorro energético constituyen la mejor forma de disminuir los costes
del proceso.
Además ese ahorro incide directamente en la contaminación ambiental, por lo que es también
la mejor forma de que dispone la industria del refino para proteger el Medio Ambiente.
Aproximadamente el 75% del consumo energético de una refinería es el procesos térmicos
(hornos, calderas, turbinas de gas) y el 25% restante se consumó como fuerza motriz (vapor
para turbinas o motores eléctricos).
Un Sistema de Gestión Energética (SGE) es el conjunto de elementos de una organización,
interrelacionados o que interactúan, para establecer una política y unos objetivos energéticos y
para alcanzar dichos objetivos.
El Sistema de Gestión Energética (SGE) se basa en el ciclo de mejora continua, o también
llamado la rueda de Deming: Planificar-Ejecutar-Verificar-Actuar.
Un Sistema de Gestión Energética en un Refinería tiene como objetivo establecer los
sistemas y procesos para mejorar la eficiencia energética, permitiendo disminuir el consumo
energético, reduciendo costes y emisiones de gases de efecto invernadero a través de una
gestión sistemática.
Como referencia internacional, la norma europea UNE-EN ISO 50001:2018. Sistemas de
Gestión de la Energía. Requisitos con orientación para su uso, es una norma certificable e
integrable con otras normas de gestión.
Pretende ayudar a las organizaciones a mejorar su rendimiento y eficiencia energética, así
como a reducir su impacto en el cambio climático.
La norma establece el marco para gestionar la energía en plantas industriales,
establecimientos comerciales y otras organizaciones.
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La gestión energética en una refinería
Alcance:
• Desarrollar una política para un uso más eficiente de la energía.
• Fijar objetivos para cumplir con la política.
• Utilizar los datos para entender mejor y tomar decisiones sobre el uso y consumo de
energía.
• Medir los resultados.
• Revisar la eficacia de la política.
• Mejorar continuamente la gestión de la energía
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
1. DISTRIBUCIÓN DE LOS CONSUMOS DE ENERGÍA EN UNA
REFINERÍA
Un índice que se usa habitualmente para establecer de una manera rápida del grado de
eficiencia de una refinería en cuanto a consumo energético, es el denominado “Índice de
autoconsumo”, que se define como el porcentaje del crudo refinado que se utiliza para producir
la energía necesaria en todo el proceso de refino.
El Índice de autoconsumo depende de la capacidad de refino: generalmente a mayor
capacidad menor consumo específico, o sea, menos consumo de energía por tonelada de
crudo tratada.
También depende de la utilización real de la capacidad de refino. Un grado de utilización bajo,
esto es cuando la refinería opera a capacidad de carga menor que la de diseño, los consumos
específicos de energía suben.
La antigüedad de la instalación hace que los consumos energéticos sean mayores ya que esas
refinerías se diseñaron con precios bajos del crudo y por tanto no era rentable introducir
medidas severas de ahorro energético.
Finalmente también es decisivo en el consumo específico de energía el esquema de
fabricación, esto es, la complejidad del proceso de refino. De hecho cuando se comparan los
consumos energéticos de diferentes refinerías hay que agruparlas por esquemas similares de
fabricación.
Una refinería de Hydroskimming que sólo tiene destilación y reformado consume alrededor del
3% del crudo tratado para producir energía. Si tiene planta de fabricación de lubricantes, se
llega al 5%.
Si existen unidades de petroquímica se llega al 10-12%.
Finalmente, con unidades de conversión el consumo energético asciende hasta un 14-17% del
crudo tratado.
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La gestión energética en una refinería
Diagrama de flujo simplificado de los procesos de refinación y de los flujos de productos. Los procesos menores no
son representados. Es posible que el diagrama de flujo no se aplique a una refinería en particular. Adaptado de Gary
et al (2007) .
Fuente: Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for Petroleum Refineries. Feb 2015.
Una refinería moderna es un sistema altamente complejo e integrado que separa y transforma
el crudo en una amplia variedad de productos, incluyendo combustibles para transporte,
aceites combustibles residuales, lubricantes, y muchos otros productos.
El tipo de refinería más simple es una instalación en la que se separa el petróleo crudo en
fracciones más ligeras y pesadas mediante el proceso de destilación.
Las refinerías modernas han desarrollado sistemas mucho más complejos e integrados en los
que los compuestos de hidrocarburos no sólo se destilan, sino que también se convierten y
mezclan en una mezcla más amplia de productos.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
La estructura general de la industria de refinería ha cambiado en los últimos años debido a una
creciente demanda de productos más ligeros. Esto ha llevado a un aumento de las refinerías
complejas con mayores capacidades de conversión.
El aumento de la conversión dará lugar a un aumento correspondiente del consumo específico
de energía, al tiempo que se produce una gama más valiosa de productos.
Todas las refinerías deben destilar petróleo crudo antes de que ocurra la conversión.
Las dos destilaciones más importantes son la Destilación Cruda o Atmosférica (CDU) y la
Destilación al Vacío (VDU).
La conversión dispone de diferentes tecnologías para aprovechar los procesos térmicos o
catalíticos, como por ejemplo el uso de un reformador catalítico en el que la nafta pesada
producida en la unidad de destilación de crudo se convierte a gasolina, o un craqueador
catalítico fluidizado (FCC) que convierte el destilado de las unidades de destilación al vacío.
Los procesos más recientes, como los hidrocraqueadores, se utilizan para producir productos
ligeros a partir de los productos pesados. productos de fondo.
Finalmente, todas las salidas pueden ser tratadas para mejorar la calidad del producto (por
ejemplo, azufre con un hidrotratador).
Procesos secundarios que se utilizan para acondicionar insumos y/o productos el hidrógeno o
sus subproductos incluyen el acondicionamiento del crudo (por ejemplo, la desalinización), la
producción de hidrógeno, la producción de electricidad y la producción de energía eléctrica y
producción de vapor, y producción de asfalto.
Por regla general, los principales procesos de consumo de energía en las refinerías, por orden
de consumo total de energía son:
• Unidades de Destilación de Crudo (o Atmosférico) y Destilación a Vacío,
• Hidrotratadores,
• Reformadores
• Producción de Alquilatos
• Craqueadores Catalíticos
• Hidrocraqueadores.
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La gestión energética en una refinería
2. MEDIDAS GENERALES DE AHORRO ENERGÉTICO EN UNA
REFINERÍA
En capítulos posteriores de este módulo se verán estrategias de ahorro energético en
determinadas unidades de la refinería.
En este capítulo se van a revisar los procedimientos típicos generales que permiten ahorros
importantes.
2.1 Cogeneración
Una buena parte de los consumos energéticos de una refinería se obtiene a través de vapor de
agua, generalmente a presiones moderadas, por lo que energéticamente es muy atractiva la
instalación de cogeneraciones vapor-energía eléctrica.
La cogeneración más adecuada a una refinería es la que utiliza una turbina de gas.
2.2 Mejoras en los equipos de combustión
Del orden del 75% de la energía utilizada en una refinería se obtiene quemando combustibles
líquidos y gaseosos.
Se pueden quemar en hornos para calentar o vaporizar productos o bien en calderas para
producir vapor que se distribuye a todas las unidades de proceso.
Hay que tener en cuenta que suele ser el proceso que se realiza a mayor nivel térmico, por lo
que las pérdidas son muy importantes.
Debido a eso, cualquier mejora o ahorro que se introduce en esos equipos repercute en
ahorros importantes.
Las consideraciones que se hacen a continuación son aplicables tanto a hornos como a
calderas.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
2.2.1. Pérdidas por las paredes
Hay que tener siempre en cuenta que, dado el elevado volumen de consumo energético del
proceso de refino, incluso ahorros aparentemente pequeños pueden suponer un ahorro
importante a lo largo de un año. Por ejemplo, en una refinería de tamaño mediano (8 millones
de Tm al año de crudo), con un consumo energético del 12.5% sobre crudo, implica un
consumo de combustible del orden de 1000000 de Tm a año. A un precio actual de 600 $ la Tm
de gas combustible, un 1% de disminución de pérdidas supone un ahorro de 6000000 de $ al
año
Aunque en el diseño de hornos se estima unas pérdidas por pared del orden del 3% del
consumo total del horno, existen medios para minimizar esas pérdidas.
Dado que la elección de refractario es un cometido importante para el diseñador de hornos
porque generalmente hay que recurrir a mezclas de diversos tipos de refractarios y su espesor
es un criterio de diseño, una colocación generosa de refractario puede suponer un ahorro
importante.
Por la misma razón, es importante un mantenimiento adecuado del refractario de los hornos y
las calderas.
2.2.2. Pérdidas por los humos
El calor que se pierde por los humos es el componente principal de la pérdida de rendimiento
en el horno.
Dado que para conseguir una combustión suficientemente rápida hay que mantener un exceso
de aire sobre el estequiométrico, hay que vigilar constantemente para que ese exceso sea
mínimo, sin que lleguen a producirse inquemados que, además de ser una fuente de pérdida
de rendimiento, provocan ensuciamiento de la zona convectiva. La instalación de analizadores
de oxígeno continuo en los humos se amortiza rápidamente en términos de ahorro energético.
Por la misma razón es aconsejable la instalación de buenos sopladores con vapor de la zona
convectiva, para mantenerla limpia de hollín. Eso repercute en aumentos importantes del
rendimiento.
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La gestión energética en una refinería
La temperatura de salida de humos por la chimenea debe ser la mínima compatible con el
punto de rocío de los humos para evitar corrosiones en los tubos del horno. La temperatura de
salida de humos debe ajustarse a unos 15ºC por encima de la temperatura de rocío de los
mismos, que como es sabido depende del contenido en azufre del combustible y del exceso de
aire con que se está operando el horno.
En la misma dirección apunta la instalación de cambiadores de calor entre los humos del horno
y el aire que de ese modo se precalienta y ahorra combustible. Aunque tradicionalmente sólo
era rentable instalar esos precalentadores de aire en hornos grandes, el incremento continuo
del precio de los combustibles aconseja instalar ese tipo de equipos en hornos cada vez más
pequeños.
2.2.3. Recuperación de las pérdidas de calor por humos
En el apartado anterior se vio la importancia de minimizar las pérdidas de calor con los humos.
En un horno sin zona convectiva que expulsa los humos a 800ºC, se pierde el 45% del
combustible.
Si existe una zona convectiva pequeña o sucia, es frecuente ver salidas de humos entre 350º y
400ºC, que también suponen una pérdida muy importante de energía.
Se pueden conseguir mejoras de rendimiento notables aprovechando el calor residual de los
humos (esto es, el calor de que disponen en la base de la chimenea) bien en un economizador
calentando el aire de combustión, el fluido de proceso, recalentamiento de vapor de agua o
producción de vapor de agua etc.
También se puede conseguir el mismo efecto instalando zonas convectivas más grandes.
En cuanto a la producción de vapor utilizando el calor de los humos, hay que tener en cuenta
que el óptimo se consigue produciendo vapor saturado cuya temperatura de saturación sea del
orden de 50ºC inferior a la de salida de humos, lo que fija ya la presión del vapor obtenible. Por
tanto, en los hornos sólo puede producirse vapor de baja presión para conseguir una
recuperación adecuada del calor de los humos.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
2.3 Sistemas de distribución de vapor
Las redes de vapor deben dimensionarse de modo que en los equipos más alejados llegue el
vapor en las condiciones adecuadas de presión y temperatura.
Para decidir el diámetro de una tubería de una red de vapor hay que establecer un equilibrio
entre el hecho de que a mayor diámetro menor pérdida de carga y por tanto el vapor llegará en
mejores condiciones, pero teniendo también en cuenta que a mayor diámetro las pérdidas de
calor son mayores y el coste de inversión también es mayor.
De modo general, cuanto menor sea la presión del vapor transportado mayor debe ser el
diámetro de la tubería. En el mismo sentido apunta el hecho de que a mayor presión el vapor
posee mayor nivel térmico y por tanto mayores serán las pérdidas de calor en la conducción lo
que aconseja utilizar diámetros menores.
En definitiva, el diseño de una red de vapor debe alcanzar el equilibrio entre la presión del
vapor, diámetro de tubería y espesor de aislamiento.
Como es inevitable que el vapor circulante por la red ceda calor al medio ambiente, parte del
vapor se condensará. Si el vapor es saturado, puede llegar a condensar hasta el 10% del vapor
que circula incluso en tuberías aisladas adecuadamente.
La presencia de condensado en una tubería de vapor es indeseable, fundamentalmente porque
puede revaporizarse aumentando súbitamente de volumen lo que produce una onda de choque
que habitualmente se llama golpe de ariete.
Además disminuye el aporte de calor a los equipos, puede dañar a los álabes de las turbinas
etc.
Es necesario separar con cierta rapidez ese condensado de la tubería de vapor, lo que se
consigue instalando purgadores.
Un factor decisivo en el diseño de una red de distribución de vapor es elegir bien los
purgadores de vapor.
Si no dejan salir todo el condensado que se produce se puede llegar a los problemas
enunciados antes.
Si deja escapar vapor además del condensado, se pierde un producto energéticamente valioso
y disminuye la eficiencia energética de la planta. Además se presuriza la red de descarga de
condensado por lo que el vapor que escapa de un purgador dificulta la descarga de los demás
purgadores.
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La gestión energética en una refinería
Por otra parte, los purgadores deben tener un mantenimiento constante y preventivo.
El personal de operación debe vigilar constantemente el funcionamiento de los purgadores:
deben dejar salir gotas de condensado y un ligero penacho de vapor. Si no es así, el purgador
está funcionando mal.
Si el caudal de condensado es grande puede instalarse un depósito de recogida de
condensados.
La recuperación de condensados es otro factor que influye en la eficiencia energética. Por una
parte los condensados son agua ya tratada para la producción de vapor. Si se reutiliza se
ahorra el coste del agua y el de su tratamiento.
Además aumenta el número de los ciclos de operación de la caldera y de las turbinas y
consecuentemente reduce las purgas necesarias para mantener la calidad del agua exigida en
el interior de la caldera.
Y no hay que olvidar que el calor contenido en el condensado si se utiliza adecuadamente
puede influir en la disminución de consumo de combustible.
En la práctica en las refinerías se recupera poco condensado, en parte por el temor de que
esté contaminado y contamine la caldera. Pero también influye en el poco interés por recuperar
el condensado el hecho de que no se considera un producto energéticamente valioso a pesar
de serlo.
2.4 Aislamiento de equipos
La selección del espesor óptimo de aislamiento para un equipo determinado es función de las
condiciones ambientales (temperatura ambiente y velocidad del viento), de la temperatura que
hay que mantener en el interior del equipo o tubería, del coste de adquisición e instalación del
aislamiento, de las condiciones financieras establecidas por la empresa y del coste del
combustible utilizado en la producción de vapor.
Aunque algunas de esas condiciones permanecen estables a lo largo del tiempo, otras varían.
Especialmente el precio del combustible está subiendo progresivamente. Por tanto, un espesor
óptimo cuando se diseñó la planta es energéticamente insuficiente cuando han pasado algunos
años.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
Evidentemente no se puede cambiar todo le aislamiento cuando sube el precio del combustible,
pero sí debe tenerse en cuenta el nuevo espesor óptimo cuando hay que hacer una reparación
importante o cuando se instalan equipos o tuberías nuevas.
Lamentablemente, las especificaciones de aislamiento de la mayoría de las empresas no se
revisan periódicamente, por lo que se instala aislamiento inadecuado y con ello se producen
pérdidas evitables de energía.
2.5 Cambiadores de calor
La clave de la optimización energética de los cambiadores de calor es la fase de diseño. Pero
también pueden tomarse algunas medidas cuando el cambiador ya está en operación.
En la fase de diseño hay que recordar que se establece un compromiso entre la optimización
energética de los cambiadores aumentando el área de transferencia de calor, la consideración
de que sucesivos aumentos de área producen aumentos de intercambio cada vez menores y el
hecho de que cuanto mayor es el área mayor es el coste del cambiador. El límite al área debe
fijarse en el punto en que el valor del calor economizado al aumentar el área sea inferior al de
la inversión necesaria. Pero de nuevo hay que tener en cuenta que el valor del calor
economizado aumenta con el precio del combustible, por lo que el criterio limitante citado debe
revisarse con cierta frecuencia.
Además, en la fase de diseño, se puede actuar sobre el coeficiente de transferencia de calor.
Mejora el coeficiente de transferencia al aumentar la velocidad de los fluidos, aunque eso
produce también un aumento de la pérdida de carga.
Si sucede un cambio de fase es muy importante el estado de la superficie de intercambio. Si se
trata de una vaporización hay revestimientos que favorecen la formación de burbujas de vapor
mejorando la cinética de transferencia, lo que da lugar a coeficientes de transferencia de 4 a 6
veces mayores que los obtenidos con tubos convencionales. También una superficie ondulada
favorece la vaporización de la película de líquido.
Si los coeficientes locales de transferencia de ambos fluidos son muy diferentes, es
conveniente, por el lado de fluido de menor coeficiente de transferencia, instalar superficies
extendidas, generalmente aletas.
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La gestión energética en una refinería
Si se desea un cruce importante de temperaturas es conveniente utilizar cambiadores en
contracorriente pura: o bien cambiadores de doble tubo o bien cambiadores de un paso por
carcasa y otro por tubos.
Este tipo de cambiadores son especialmente rentables cuando son del tipo carga-efluente: por
ejemplo, precalentar la carga a una unidad de reformado catalítico con el efluente del reactor.
Para los casos de no altas presiones ni altas temperaturas (máximo 20 Kg/cm2 y 200ºC) se
pueden utilizar cambiadores de placas, que tienen un elevado rendimiento térmico.
2.6 Recuperación de gas de antorcha
La red de antorcha de una refinería tiene muchos aportadores: purgas, venteos, productos
fuera de especificación, toma de muestras de equipos, despresurizaciones etc. Se pueden
conseguir ahorros importantes de combustible instalando unos compresores, los de anillo
líquido dan buen resultado, en los depósitos de antorcha de modo que todos esos productos
que se quemarían en la antorcha se recuperen en la red de fuel gas.
Para decidir sobre la instalación de un compresor de gas de antorcha hay que considerar la
cantidad de gas que se pierde frente al costo de la inversión, la operación y el mantenimiento.
2.7 Otras formas de reducir las pérdidas energéticas
Aunque se dedicará algún capítulo de este módulo a ahorros energéticos posibles en las
unidades de refinería, se citan algunos que pueden aplicarse de modo general:
• Optimizar la relación hidrógeno/hidrocarburos en las hidrogenaciones.
• Optimizar la relación de reflujo en las columnas de destilación.
• Operar las columnas de destilación a la mínima presión posible.
• Utilizar bombas de calor
• Optimizar la selección de catalizadores.
• Recuperar el calor desprendido en las reacciones exotérmicas.
• Utilizar corrientes de proceso frías que deban calentarse para enfriar los
condensadores.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
• Utilizar corrientes calientes para precalentar la carga antes de los hervidores de fondo
de las columnas.
• Utilizar turbinas a contrapresión en vez de motores eléctricos o turbinas a
condensación cuando se pueda utilizar el vapor de salida de las turbinas.
• Evitar reducciones de presión de fluidos (laminaciones) utilizando turbinas de
expansión.
• Ajustar al mínimo necesario el salto térmico en las torres de refrigeración parando
ventiladores o cambiando el ángulo de ataque de las aspas.
• Aprovechar al máximo el calor de los productos intercambiándolo con otras corrientes
de proceso evitando el empleo de agua refrigerada.
2.8 Consideraciones generales para el ahorro energético en una refinería
2.8.1. Integración termodinámica
La oportunidad más importante de integración termodinámica en una Refinería es la
Cogeneración, porque facilita el autoabastecimiento de vapor y energía eléctrica.
También hay que conseguir la mejor integración termodinámica de la gran cantidad de
operaciones de calentamiento y enfriamiento necesarias en la Refinería: aprovechar corrientes
que se enfrían con agua para calentar otro producto, nuevos intercambiadores de calor,
bombas de calor, calderas de recuperación, turbinas etc.
2.8.2. Operación de hornos
El diseño de hornos implica que son equipos poco eficientes. No obstante, en la operación de
hornos no siempre el exceso de consumo de combustibles es la causa principal de esa eficacia
escasa. Hay otras causas operativas que penalizan fuertemente la eficacia del horno:
deficiencias en la combustión y en la forma y condiciones de la llama, poca continuidad
operativa (factor de marcha), ya que las paradas y puestas enmarca implican la pérdida de
mucha energía, los fallos de mantenimiento de los tubos y el refractario, fallos de
mantenimiento o de diseño de quemadores etc.
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La gestión energética en una refinería
2.8.3. Circuitos de vapor y condensado
Las redes de vapor y condensado son tan extensas en una refinería, que cualquier deficiencia
en el mantenimiento de las mismas, supone una pérdida energética muy importante. La
eficacia de una red de distribución de vapor y de recuperación de condensados, incluida la
situación de los purgadores, es una fuente de ahorros importantes en cualquier refinería, a lo
que lamentablemente muchas veces no se hace caso.
2.8.4. Aislamiento térmico
En este apartado se incluyen los aislamientos y el refractario, tantos de los equipos como de la
red de tuberías. Además, al ir subiendo el coste de la energía los aislamientos se van
quedando insuficientes.
Por eso el personal que atiende a este capítulo debe estar adecuadamente formado para
seleccionar el espesor y tipo óptimo de aislamiento en cada caso y para vigilar el buen estado
del mismo.
2.8.5. Gestión energética
Como ya se ha visto, la primera parte de la gestión energética implica la contabilidad correcta
de los consumos. Por eso es importante disponer de medidores adecuados.
Cualquier proyecto nuevo debe incluir el Sistema de Gestión Energética, que permita planificar
actividades, definir funciones y responsabilidades del personal y analizar permanentemente el
cumplimiento de los objetivos establecidos.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
3. AHORROS ENERGÉTICOS EN REFINERÍA. LOS PROCESOS
3.1 Introducción
En este capítulo se van a ver algunos ejemplos de reducción de consumo energético en
algunas unidades fundamentales de una refinería como la destilación atmosférica y a vacío, el
craqueo catalítico, el reformado y la hidrodesulfuración.
Varios de los criterios utilizados en los ejemplos que se exponen a continuación pueden
extenderse a otros procesos de la refinería.
3.2 Destilación
Generalmente dentro de la destilación de crudo se incluyen las torres de destilación
atmosférica y de destilación a vacío.
3.2.1. CDU. Unidad de Destilación de Crudo
En todas las refinerías, el petróleo crudo desalado y pretratado se divide en tres fracciones
principales a través de un proceso de destilación fraccionada de acuerdo a su rango de
ebullición.
El petróleo crudo se calienta en un horno a aproximadamente 750°F (390ºC), y posteriormente
se introduce en la cámara de combustión torre de fraccionamiento o destilación.
La mayoría de las CDU tienen un proceso de calentamiento de dos etapas.
• Primero el gas caliente, las corrientes de reflujo y las corrientes de producto se utilizan
para calentar el crudo desalado a aproximadamente 550°F. (290ºC).
• En segundo lugar, se calienta en un horno de gas a unos 390ºC .
La alimentación se realiza en la torre de destilación a una temperatura de 340-390ºC (650-
750ºF). La eficiencia energética del proceso de calentamiento puede mejorarse utilizando el
reflujo por bombeo para aumentar la transferencia de calor (a temperaturas más altas en los
puntos más bajos de la columna).
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La gestión energética en una refinería
En la torre, los diferentes productos se separan en función de sus puntos de ebullición.
El punto de ebullición es una buena medida para el peso de la molécula (o longitud de la
cadena de carbono) de los diferentes productos. Las torres de destilación contienen entre 30 y
50 bandejas de fraccionamiento, dependiendo de la pureza deseada y el número de flujos de
productos producidos en una determinada CDU.
• La fracción más ligera incluye gas combustible, GLP y gasolina. La sobrecarga, que es
la parte superior o La fracción más ligera de la CDU, es un flujo gaseoso y se utiliza
como combustible o para mezclar.
• La fracción media incluye queroseno, nafta y gasoil. Las fracciones medias se utilizan
para la producción de gasolina y queroseno. La nafta se transfiere al reformador
catalítico o utilizado como materia prima para la industria petroquímica.
• La fracción más pesada es el fuel oil, que tiene el valor económico más bajo de los
productos de petróleo crudo. El fuel-oil puede ser procesado en una unidad de
conversión para producir productos más valiosos.
Dependiendo del petróleo crudo, aproximadamente el 40% de los productos de la CDU (sobre
la base de la energía) no se pueden utilizar directamente y se introducen en la unidad de
destilación al vacío (VDU), donde se realiza la destilación realizado bajo baja presión.
Debido a que la CDU procesa todo el petróleo crudo entrante, consume una gran cantidad
bruta de energía, aunque en comparación con el proceso de conversión, esta demanda de
energía es relativamente baja.
Las oportunidades de eficiencia energética incluyen la mejora de la recuperación y el
intercambio de calor (proceso) y la mejora de la eficiencia de la separación. Integración del
calor de la CDU y otras partes de la refinería puede dar lugar a ahorros adicionales de energía.
La unidad de destilación de crudo utiliza energía de alto nivel térmico. También se necesita una
cantidad considerable de vapor tanto para stripping de las extracciones laterales para eliminar
los restos de compuestos ligeros como para favorecer la vaporización en el fondo de las torres
de vacío.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
Además en el fondo de la torre hay que mantener un exceso de vaporización (normalmente
llamado “overflash” para evitar la coquización en la zona de lavado. Tanto el vapor al fondo
como el overflash facilitan la separación entre la extracción lateral más pesada y el residuo de
fondo. En las torres atmosféricas debe mantenerse como mínimo un 3% de overflash. En las
de vacío, el mínimo es el 2%.
En cuanto al vapor para stripping de las extracciones laterales existe una cantidad óptima: si se
utiliza menos disminuye el fraccionamiento; si se utiliza demasiado, no se mejora el
fraccionamiento y se sobrecarga el condensador de cabeza en las torres de crudo. En las de
vacío además se sobrecargan los eyectores.
Energéticamente se puede elegir entre aportar una gran cantidad de reflujo a la torre por la
cabeza, o aportar tan sólo la cantidad necesaria para condensar los vapores de las
extracciones superiores e instalar reflujos circulantes para las estaciones inferiores.
La reducción del reflujo de cabeza permite disminuir el diámetro de la sección superior de la
torre, lo que disminuye la inversión. Pero hay que compensar instalando más platos de
fraccionamiento. O sea, hay que elegir entre una torre de mayor diámetro o de mayor altura.
La utilización de reflujos recirculantes (pumparound) permite disponer de productos a alta
temperatura que se utilizan para precalentar la carga a la torre con lo que disminuye el
combustible necesario y el tamaño del horno.
Ahorro energético en las unidades de crudo
En una torre de nuevo diseño pueden tomarse los siguientes criterios de diseño:
• Aumentar el número de platos permite disminuir la cantidad de reflujo. Con eso se
aprovecha mejor el calor de las extracciones inferiores.
• Si se reduce la pérdida de carga en la torre (instalando, por ejemplo, relleno
ordenado en vez de los platos convencionales), se disminuye la temperatura de la
zona flash y la cantidad de vapor de stripping necesaria.
Ambas soluciones aumentan el coste de inversión pero disminuyen el consumo energético.
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La gestión energética en una refinería
En una torre ya existente, se pueden cambiar los platos existentes por otros de mayor
eficiencia. El aumento de eficiencia en los platos se logra utilizando platos que maximicen el
contacto entre el líquido y el vapor y el tiempo de residencia en cada plato. Se puede conseguir
aumentando el recorrido del fluido o aumentando el tamaño del tabique de rebose del plato.
Las medidas de aumento de eficiencia deben aplicarse en primer lugar a las secciones de la
torre cuyo diámetro sea mayor que el exigido por la circulación de líquido y vapor. Es típico que
la zona de stripper de fondo sea mayor que la necesaria por el fraccionamiento para permitir la
circulación correcta de líquido. Ese exceso de capacidad puede ser utilizado para instalar
platos de mayor eficacia y disminuir con ello el consumo de vapor.
3.2.2. VDU. Unidad de Destilación a Vacío o Unidad de Alto Vacío (HVU).
La VDU/HVU destila además la fracción más pesada (por ejemplo, fueloil pesado) de la CDU
en condiciones de vacío.
La presión reducida disminuye los puntos de ebullición, lo que permite una mayor separación
de las fracciones más pesadas al tiempo que se reducen las reacciones de craqueo térmico no
deseadas y las incrustaciones asociadas.
Las tecnologías de baja presión requieren equipos de proceso mucho más grandes.
En la VDU el flujo de alimentación entrante es calentado en un horno a 390-450ºC (730-850ºF).
Las condiciones de vacío se mantienen mediante el uso de eyectores de vapor, bombas de
vacío, y condensadores.
Es esencial obtener una caída de presión muy baja sobre la columna de destilación para
reducir los costes de explotación.
De los productos de la VDU,
• La fracción más ligera se convierte en gasóleo.
• La fracción media, light fuel-oil se envía al hidrocraqueador (HCU) o al craqueador
catalítico fluidizado (FCC).
• La fracción pesada, fuel-oil pesado puede enviarse al cracker térmico (si existe este
proceso en la en la refinería).
21

Emisiones de Co2 y eficiencia energética
Los productos de destilación son procesados posteriormente, dependiendo de la mezcla de
productos deseada. El gas de refinería se utiliza como combustible en las operaciones de
Refinería para generar calor (hornos), vapor (calderas) o electricidad (turbinas de gas).
El gas de refinería también puede utilizarse para su mezcla con el GLP, para la producción de
hidrógeno, o pueden ser enviados a la antorcha.
El hidrógeno se utiliza en diferentes procesos de la refinería para eliminar el azufre (p. ej,
hidrotratamiento) y para convertirlos en productos más ligeros (por ejemplo, el hidrocraqueo).
Eyectores de vacío
Normalmente se instalan los eyectores de vacío en el condensador de cabeza de la torre. Si los
eyectores se instalan aspirando directamente de la cabeza de la torre, se consigue una
disminución de la presión que se traduce en menor necesidad de vapor a la torre para lograr la
presión de vapor especificada para el producto.
Esta modificación permite además disminuir el tamaño del condensador debido a la menor
carga de vapor y a la mayor diferencia de temperaturas disponible.
Utilización del vapor de cabeza como Vapor de stripping
Para favorecer la destilación en los procesos de destilación a vacío se añade el llamado “vapor
de stripping” que disminuye la presión parcial de los vapores por arrastre y con ello que
destilen más productos ligeros, agotando el residuo.
Ese vapor, que en principio debería meterse en el fondo de la torre, se distribuye entre los
tubos finales del serpentín del horno-reboiler y el fondo de la torre.
El meter un parte (entre el 30 y el 40% al serpentín del horno es para que por la tubería que
une el horno con la torre se consigue un tipo de flujo mixto adecuado.
La mayor parte del vapor de agua condensa en el condensador de cabeza y se envía a la
planta de tratamiento de aguas residuales. Otra parte es arrastrada por el tren de eyectores
que aspira del condensador para producir vacío, y, junto al vapor motriz, también termina en la
planta de aguas residuales.
22

La gestión energética en una refinería
Ahorro de vapor de stripping
Como se ve en el esquema adjunto, instalando un termocompresor que eleve la presión del
parte del vapor que llega al condensador de cabeza y utilizando la salida del termocompresor
como vapor de stripping, se reutiliza una parte del vapor, que puede estar en torno a las 15
Tm/h de vapor para una refinería mediana de 150000 BPD
Utilización del calor residual del condensador de cabeza de la torre de vacío
Actualmente en la mayoría de las torres de vacío el reflujo de cabeza se enfría con agua o con
aire perdiéndose una cantidad importante de calor. Debido a la baja temperatura del reflujo, no
se integra esa corriente en el tren de intercambio de la unidad.
Sin embargo, puede aprovecharse intercambiando el reflujo de cabeza con agua de
alimentación al desaireador de la alimentación a las calderas. Con ello se precalienta el agua
de alimentación pudiéndose ahorrar hasta un 30% de vapor.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
Integración de las unidades de destilación atmosférica y destilación a vacío
Tradicionalmente el residuo de la torre de destilación atmosférica, que está alrededor de 370ºC,
se enfría hasta 70 ºC para poder almacenarlo en un tanque convencional a menos de 100ºC.
Posteriormente este Residuo que es la materia de alimentación a la destilación a vacío, hay
que precalentarlo de nuevo para alcanzar los 390ºC.
Parte del enfriamiento del residuo atmosférico se hace aprovechando para calentar alguna
corriente de proceso, pero, a partir de unos 130-140ºC se termina de enfriar con agua
refrigerada.
La propuesta de ahorro energético consiste en eliminar los cambiadores de agua refrigerada y
alimentar directamente el residuo atmosférico a 130-140ºC al tren de precalentamiento de la
alimentación a la torre de destilación a vacío.
Para una refinería de 150000 BPD el ahorro en combustible puede alcanzar las 14000 Tm/año.
Otras consideraciones energéticas.
Generalmente la recuperación de calor en las unidades de crudo suele estar bien resuelta en
los diseños. Pero conviene comprobarlo porque puede haber posibilidad de mejoras, bien por
deficiencias en el diseño o bien por cambio en los criterios.
Por ejemplo: En los diseños antiguos la aproximación de temperaturas en los cambiadores era
alta, ya que no compensaba aumentar el área del cambiador porque la energía era barata.
El criterio de aproximación en los diseños debe reducirse al aumentar el coste de la energía.
También era frecuente recuperar calor tan sólo hasta temperaturas del orden de 140ºC. A los
precios crecientes de la energía puede ser rentable instalar algún cambiador adicional para
aprovechar también esa energía de bajo nivel térmico, mientras lo permita la pérdida de carga
disponible.
Sin olvidar que puede disminuirse la pérdida de carga en los cambiadores cambiando su
estructura: por ejemplo un cambiador 1-2 introduce una pérdida de carga notablemente menor
que un 2-4.También conviene comprobar la calidad de los productos obtenidos. Si la calidad
está ajustada a lo requerido, no se puede hacer nada. Pero si la calidad es superior a la exigida
se puede reducir el reflujo, el vapor de stripping o la temperatura de operación.
24

La gestión energética en una refinería
Minimizar la relación de overflash
El overflash ayuda a subir la temperatura del 95% de la destilación ASTM. Pero el aumento de
overflash es cada vez menos efectivo: por ejemplo, en la destilación de un crudo típico,
aumentar el overflash del 3 al 5% disminuye la temperatura 95% ASTM en unos 7ºC. Pero
aumentar hasta el 9% sólo disminuye esa temperatura en 4ºC.
Reducir el overflash puede ser especialmente interesante cuando la calidad de la extracción
lateral más pesada no es crítica.
Vapor de stripping
Análogamente, la efectividad del vapor de stripping en las extracciones laterales disminuye al
aumentar la cantidad de vapor. Generalmente la eficacia del vapor de stripping es mayor en las
extracciones inferiores de la torre.
3.3 Unidades de Hidrodesulfuración
Muchas veces en las refinerías se tratan de manera conjunta todos los procesos consumidores
de hidrógeno, sin embargo conviene distinguir los procesos de hidrodesulfuración de los de
hidrocraqueo.
La nafta es desulfurada en el hidrotratador y procesada en un reformador catalítico.
Los contaminantes como el azufre y el nitrógeno se eliminan de la gasolina y de las fracciones
más ligeras mediante hidrógeno sobre un lecho de catalizador caliente.
La eliminación del azufre es necesaria para evitar la intoxicación por catalizadores aguas abajo,
y producir un producto limpio. La gasolina ligera tratada se envía a la unidad de isomerización y
la nafta tratada al reformador catalítico o reformador de plataforma para que aumentar su
octanaje.
Los hidrotratadores también se utilizan para desulfurar otras corrientes de productos en la
Industría.de refinería.
Aunque se comercializan muchos diseños diferentes de hidrotratadores, todos funcionan de la
misma manera principio. La corriente de alimentación se mezcla con hidrógeno y se calienta a
una temperatura de entre 500 y 1.000 ºC. 800°F (260-430ºC).
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
En algunos diseños, la corriente de alimentación se calienta y luego se mezcla con el
hidrógeno. La temperatura de reacción no debe exceder los 800°F (430ºC) para minimizar el
agrietamiento.
La mezcla de gas es conducida sobre un lecho de catalizador de óxidos metálicos (más a
menudo óxidos de cobalto o de molibdeno en diferentes soportes metálicos). Los catalizadores
ayudan al hidrógeno a reaccionar con el azufre y el nitrógeno para formar sulfuros de hidrógeno
(H2S) y amoníaco.
El efluente del reactor se enfría, y el aceite se alimenta y se transporta a la planta de
tratamiento.
La mezcla de gases se separa en una columna de decapante. Parte del gas extraído puede
reciclarse para el reactor.
En el hidrotratador, la energía se utiliza para calentar la corriente de alimentación y la energía
para transportar los flujos. El hidrotratador también tiene un uso indirecto significativo de
energía debido al consumo de hidrógeno.
En la refinería, la mayor parte del hidrógeno se produce mediante el reformado (véase más
adelante) y parte como subproducto del cracking.
El objetivo de la hidrodesulfuración es eliminar el azufre bien por exigirlo las especificaciones
de los productos comerciales (por ejemplo la hidrodesulfuración de los gasóleos) bien para
evitar el envenenamiento de los catalizadores, como es el hidrotratamiento de la nafta pesada
previo al reformado para aumentar su Índice de Octano.
Todos esos procesos utilizan altas presiones y temperaturas, además de una gran cantidad de
hidrógeno.
3.3.1. Hidrodesulfuración del gasoil de vacío
Actualmente los procesos de hidrodesulfuración de gasoil de vacío condensan y enfrían el
efluente del reactor para, en un separador frío, separar el hidrógeno del gasoil.
Se puede ahorrar energía si se instala un separador en caliente del efluente del reactor. Los
gases de ese separador se envían al condensador-enfriador mientras que el líquido caliente se
utiliza para precalentar la carga en un nuevo intercambiador de calor.
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La gestión energética en una refinería
Se consigue así elevar la temperatura de la carga antes de entrar al horno, por lo que también
se aumenta la capacidad de la planta que generalmente está limitada por la capacidad del
horno.
3.3.2. Ahorro en el compresor de gas de reciclo
El gas reciclado en la unidad de hidrodesulfuración debe ser comprimido en una compresor de
gas de reciclo para compensar las pérdidas de carga que suceden en el reactor, en el tren de
intercambio y en las válvulas de control. Si las válvulas de control operan un 70% abiertas, del
orden del 20% de la pérdida de carga se produce en las válvulas.
Se puede ahorrar energía en el compresor si se opera con las válvulas completamente
abiertas. Para ello es necesario instalar un sistema computerizado de reducción de velocidad
del compresor, para adaptarse a las nuevas condiciones de operación.
Si el compresor se mueve con vapor, en una refinería de tamaño medio se consigue una
reducción de unas 2 Tm/h de vapor.
3.3.3. Aumento de la concentración de amina en el proceso de regeneración de
hidrógeno en la desulfuración
En la planta de aminas, se trata el gas rico en H2S procedente de la hidrodesulfuración con
una solución de amina para absorber el H2S. Posteriormente la amina rica en H2S se calienta
con vapor para desorber el H2S y volver a utilizar la amina. La cantidad de vapor que se utiliza
para calentar la amina rica es proporcional a la cantidad de amina circulante.
Se puede disminuir la cantidad de solución de amina recirculante y con ello el consumo de
vapor, aumentando la concentración de amina.
Hay que operar con cuidado, ya que si solamente se reduce la cantidad recirculante se puede
escapar parte del sulfhídrico. Hay que aumentar a la vez la concentración, pero también con
cuidado porque si se aumenta excesivamente la concentración de la solución de amina, se
pueden producir espumas.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
3.4 Unidades FCC
El fueloil de la CDU se convierte en productos más ligeros a partir de un lecho catalizador
caliente en el FCC. La FCC es el proceso de conversión más utilizado en refinerías.
FCC produce gasolina, diésel y fuel oil, y se utiliza principalmente para convertir fuelóleos
pesados en gasolina y productos más ligeros. La FCC ha reemplazado virtualmente a los
procesos de craqueo térmico, thermal craking.
En un reactor de lecho fluidizado lleno de partículas que transportan el catalizador caliente y
una alimentación precalentada (500-800°F, 260-425ºC), a una temperatura de 900-1000°F
(480-540ºC) el alimento es craqueado a moléculas con cadenas más pequeñas, generándose
diferentes productos, dependiendo de la alimentación y condiciones.
Durante el proceso, el coque se deposita en los catalizadores. El catalizador utilizado es
continuamente regenerados para su reutilización quemando el coque hasta obtener una mezcla
de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2), o completamente a CO2. Si se
quema en una mezcla de CO/CO2, el CO se incinera a CO2 en una caldera de recuperación de
calor residual separada que quema CO para producir vapor.
El proceso de regeneración es más fácil de controlar si el coque se quema directamente en
CO2, pero un calor residual se debe instalar una caldera de recuperación para recuperar el
exceso de calor en el regenerador.
En el craking las reacciones son endotérmicas y las reacciones de regeneración exotérmicas,
proporcionando una oportunidad para integración térmica de estos dos procesos
Los procesos FCC son usuarios netos de energía, debido a la energía necesaria para
precalentar la alimentación de la corriente. Sin embargo, los diseños modernos de FCC
también producen vapor y energía (si la recuperación de energía turbinas) como subproductos.
Las turbinas de recuperación de potencia también se pueden utilizar para comprimir el aire
para la galleta. La turbina de recuperación se instala antes de la caldera de CO o de calor
residual, si la FCC trabaja a presiones superiores a 15 psig.
La eficacia energética de las unidades de craqueo catalítico (FCC), compuestas básicamente
por el reactor, el regenerador y la columna de fraccionamiento primario están unidas a tres
factores: la conversión, la temperatura del regenerador y la calidad de la carga.
28

La gestión energética en una refinería
• El consumo energético medio de las unidades operando a un 50% de conversión está
en torno al 2.5% de la alimentación. Si la conversión llega al 85% el consumo es del
orden del 5.5% de la alimentación, para una misma composición de la carga.
• Para una misma conversión (por ejemplo 60%), si la carga es de mala calidad lo que
fundamentalmente significa que es de menos de 22ºAPI y contenido en compuestos
nitrogenados superior al 0.12%, el consumo es el 3.5% de la carga. Si la alimentación
es de calidad media (más de 22ºAPI y menos de 0.12% de nitrógeno), el consumo es
del 2.8%.
• Operando a una temperatura del regenerador elevada, se reduce el consumo
energético entre 0.2 y 0.3% de la carga.
3.4.1. Instalación de una turbina de expansión (Expander)
El humo de combustión del regenerador que contiene mucho CO se quema en una caldera
para producir vapor.
Previamente hace falta disminuir su presión lo que se hace bien con una válvula reductora de
presión o con un orificio de restricción. Es frecuente que se instalen ambos.
Es posible recuperar una parte de la energía de los humos realizando la expansión en una
turbina de expansión.
La fuerza motriz de esa turbina puede emplearse para mover la soplante que introduce aire en
el regenerador o bien para producir energía eléctrica.
Para una unidad de FCC con una alimentación de 200 m3/h el ahorro energético en un año de
8000 horas asciende a unos 50000 Mwh.
3.4.2. Reducción de la presión en el regenerador
Se puede disminuir la presión en el FCC aumentando la capacidad del refrigerante de la
cabeza de la torre de fraccionamiento. Se consigue así reducir la presión en el regenerador y
con ello disminuir el consumo de la soplante que introduce el aire en la columna de
regeneración.
29

Emisiones de Co2 y eficiencia energética
3.5 Unidades de Reformado
La opción principal para reducir el consumo energético en el reformado catalítico es reducir la
cantidad de gas reciclado, que frecuentemente es superior al necesario.
No obstante, como la cantidad de hidrógeno incide en la vida del catalizador, no debe nunca
superarse el reciclo mínimo establecido en cada caso.
El reformador se utiliza para aumentar el octanaje de la gasolina. La nafta desulfurada y las
corrientes de gasolina se envían al reformador catalítico. El producto, llamado reformate, se
utiliza en la mezcla de diferentes productos de refinería.
Como ejemplo, el reformador catalítico procesa entre el 30 y el 40% de toda la gasolina
producida en los Estados Unidos.
Debido a que el catalizador del reformador usa platino como catalizador, el alimento necesita
ser desulfurado para reducir el peligro de envenenamiento por catalizador.
Actualmente se están introduciendo nuevos catalizadores en el mercado con mayor actividad,
robustez y tolerancia a los contaminantes de las materias primas. Aumentar la tolerancia de los
catalizadores a (por ejemplo, azufre y agua) reduce la necesidad de pretratamiento de la
materia prima.
El reformado se lleva a cabo haciendo pasar la corriente de alimentación en caliente a través
de un reactor catalítico. En el varias reacciones, tales como deshidrogenación, isomerización e
hidrocraqueo ocurren para reformular las fórmulas químicas de la corriente. Algunas de las
reacciones son endotérmicas y otras exotérmicos. Los tipos de reacciones dependen de la
temperatura, la presión y la velocidad en el reactor.
Pueden producirse reacciones laterales no deseadas y es necesario limitarlas. El hidrógeno es
un valioso subproducto del proceso de reformado catalítico que se utiliza en otras partes de la
refinería, pero que a menudo es insuficiente para satisfacer las necesidades totales de
hidrógeno de una refinería.
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La gestión energética en una refinería
4. GESTIÓN ENERGÉTICA EN REFINERÍAS. EQUIPOS
Las acciones que se pueden realizar en los diferentes equipos para mejorar su eficiencia
energética pueden ser de dos tipos: mejoras en la operación por aplicación de buenas
prácticas lo que no necesita ningún tipo de inversión y mejoras en los equipos existentes que
necesitan inversión así como en los nuevos diseños.
Entre las buenas prácticas desde el punto de vista energético, que no necesitan inversión,
pueden citarse:
4.1 Hornos
Los hornos deben operarse a la temperatura de diseño. La operación de hornos a temperaturas
mayores es una pérdida de energía porque se pierde un exceso de calor por las humo y por
las paredes. A temperaturas menores baja la eficacia de los hornos porque se obtienen peores
coeficientes de transferencia.
La operación de los hornos debe ser continua. Si se operan de forma intermitente, suceden
pérdidas excesivas de combustible durante el calentamiento y el enfriamiento.
Es muy importante la regulación de la correcta relación aire/combustible en los quemadores.
Menos aire conduce a la formación de inquemados que además de suponer una mala
combustión ensucian los tubos del horno. Un exceso anormal de aire pierde mucha energía ya
que calienta inútilmente el aire que no se utiliza en la combustión.
El refractario de los hornos debe mantenerse adecuadamente. Desperfectos en el mismo
producen pérdidas de energía a través de las paredes.
Debido al coste creciente del combustible, cada vez es económicamente rentable la instalación
de recuperadores de calor de humos calentando el aire de combustión en hornos más
pequeños.
4.2 Bombas
Las condiciones de caudal y diferencia de altura para la que se diseña una bomba coinciden
con las de mayor rendimiento. Operar una bomba en un punto distinto de la curva disminuye, a
veces mucho, el rendimiento y con ello la pérdida de energía.
31

Emisiones de Co2 y eficiencia energética
El responsable de la operación de la bomba debe tener siempre en cuenta tanto la curva de
operación como la de rendimiento suministradas por el fabricante de la bomba.
Cuando se estrangula la impulsión de la bomba para operar a menor capacidad que la de
diseño, afecta al rendimiento del equipo. Si ese es modo habitual de operación debe recortarse
el rodete de la bomba.
Se pierde energía cuando, para operar a un caudal superior al de diseño se ponen dos bombas
iguales en paralelo. Lo mismo sucede si, para obtener mayor carga de altura, se utilizan dos
bombas en serie.
Dado que las bombas, especialmente las centrífugas, son máquinas muy flexibles, es frecuente
cambiar una bomba de un punto a otro del proceso, sin tener en cuenta que, aunque se
consigan el caudal y la altura deseados, puede verse perjudicado el rendimiento.
Un diámetro demasiado pequeño de las tuberías de impulsión produce una gran pérdida de
carga y con ello un consumo elevado de energía. Dentro del intervalo de velocidades de
impulsión recomendado para el diseño de las bombas, al ir aumentando el coste de la energía
debe disminuirse la velocidad de diseño para el sistema de tuberías aún a costa de un mayor
importe de la inversión original.
La existencia de recirculaciones indeseadas debidas a fugas en válvulas o a orificios de
restricción anormalmente grandes, producen un exceso de consumo de energía en la bomba.
4.3 Motores
• No mantener funcionando un motor en vacío
• No arrancar varios motores a la vez, ya que, debido al bajo rendimiento de la bomba en
esas condiciones, se originan picos de demanda de potencia excesivamente elevados.
Cuando se intercambian motores en el proceso, siempre se tiene en cuenta que su potencia
nominal sea superior a la demandada por la bomba. Pero lo que muchas veces no se
consideran son los casos en que el motor es de potencia nominal notablemente superior a la
potencia al eje de la bomba, operando por tanto con bajo rendimiento y excesivo consumo de
energía.
• Se mantienen equipos obsoletos que ocasionan gran consumo de energía.
• Se mantienen cables antiguos, que se recalientan y tienen mal aislamiento.
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La gestión energética en una refinería
4.4 Compresores
Se aumenta la presión de operación del compresor para compensar las fugas en las líneas de
distribución. Las fugas deben repararse.
Cuando hay varios compresores se operan de manera desordenada. Debe instalarse un
tanque pulmón entre los compresores y la red de distribución.
La aspiración de los compresores de aire debe estar alejada de cualquier fuente de calor.
Cuanto mayor sea la temperatura de entrada de aire al compresor mayor es su volumen
específico y por tanto mayor es la energía consumida.
Si un compresor se necesita de forma intermitente, no debe mantenerse siempre arrancado.
4.5 Iluminación
• Es un coste energético que normalmente no se considera en la refinería y por eso no se
atiende a su utilización adecuada.
• No deben mantenerse encendidas las luminarias de zonas en las que no hay nadie
trabajando. Por ejemplo: el almacén de repuestos o las oficinas.
• No deben encenderse todas las luces de un recinto industrial con el mismo interruptor.
• La iluminación debe ser la adecuada a las tares que se están realizando.
En cuanto a la mejoras que necesitan inversión, las que se están realizando con mayor
frecuencia en las refinerías son:
4.5.1. Hornos
Reforzar el refractario en su función de aislamiento de las paredes del horno. Muchos diseños
admiten como buena una temperatura de 60ºC en la envolvente del horno, lo que supone una
pérdidas de un 3% del combustible empleado. Mejoras en la capacidad aislante del refractario
o colocación de mayor espesor pueden disminuir ese consumo.
Utilizar adecuadamente los humos de combustión para precalentar bien el aire que se alimenta
al horno o bien alguna otra corriente del proceso.
33

Emisiones de Co2 y eficiencia energética
Reemplazar los quemadores antiguos por otros más eficientes.
Si el combustible utilizado es fuel oil, instalar los equipos necesarios para que llegue siempre
con la viscosidad óptima al quemador.
En hornos grandes se puede pensar la posibilidad de cogenerar energía eléctrica
aprovechando los humos
4.5.2. Bombas
• Si la bomba es demasiado grande instalar un rodete menor o recortar el existente.
• En bombas grandes, considerar la posibilidad de añadir al producto un aditivo que
disminuya el coeficiente de rozamiento con la tubería.
• El tamaño de la bomba debe adaptarse al servicio requerido en cada caso.
Evaluar la posibilidad de redimensionar el diámetros de las tuberías de impulsión, su recorrido
y los accesorios existentes para disminuir la pérdida de carga del sistema y con ello la energía
consumida en la bomba.
4.5.3. Motores
En algunos casos conviene considerar la sustitución del motor por otro de alto rendimiento. Por
ejemplo:
Se tiene un motor de 100 HP que opera 8000 horas al año. El motor es de eficiencia estándar
(85%) y se plantea su sustitución por otro de alta eficiencia, con un rendimiento del 91.5%.
El ahorro de energía será: 0.746*100*8000* ((100/85)-(100/91.5)= 49900 Kwh al año.
Además permite la reducción de la potencia contratada en: 0.746*100*((100/85)-(100/91.5)=6.2
Kw.
Instalación de variadores de frecuencia para adecuar la velocidad de la bomba o compresor a
las condiciones de caudal y presión que en cada momento requiera el sistema. Eso evita
estrangulamientos en la impulsión que son energéticamente un despilfarro.
Si se adquieren motores nuevos, deben ser de alta eficiencia.
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La gestión energética en una refinería
Deben actualizarse frecuentemente los cálculos de costes de operación e inversión de un
motor nuevo antes de su adquisición. Con la variación de los costes de la energía varía el
resultado.
Los motores nuevos, especialmente los de tamaño mediano o grande, deben adquirirse con
variador de velocidad.
4.5.4. Compresores
• Aprovechar adecuadamente el calor residual del compresor.
• Utilizar lubricantes de alto Índice de Viscosidad.
• Si el aire que aspira un compresor de aire se caliente, puede instalarse un ducto para
que el aire entre desde un lugar más frío.
• Utilizar motores de alta eficiencia en el compresor.
• Instalar controladores de máxima demanda si el proceso lo permite.
4.5.5. Iluminación
• Reemplazar lámpara por otras más eficientes en las áreas de producción.
• Instalar sensores de ocupación que enciendan la luz sólo cuando sea necesaria,
especialmente en áreas de almacenamiento, talleres etc.
• Si es posible usar lámparas LED.
• Instalar temporizadores y sensores de luz natural.
• Usar reductores de intensidad luminosa cuando no sea necesaria la intensidad máxima.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
5. SITUACIÓN ACTUAL
La industria del refino de hidrocarburos ha sido ampliamente estudiada a nivel mundial para
determinar los consumos eficientes de energía ya que estos representan gran parte de los
costos totales de las plantas.
El consumo energético depende en gran medida del nivel de complejidad de la refinería, el
diseño y la antigüedad de la misma.
Existen estadísticas y lineamientos ampliamente estudiados a nivel mundial para aplicar las
mejores prácticas en cada una de las operaciones que se presentan en las refinerías
(destilación, reformado catalítico, utilidades, etc.)
Esta industria es consciente del alto potencial de ahorro en energías térmica y eléctrica,
aunque para ello se deba buscar buenas prácticas para replicar en cada operación de la
refinería.
Mientras que todos los proyectos incurren en costos de operación y requieren recursos de
ingeniería para desarrollar e implementar, las experiencias de varias compañías petroleras han
mostrado que la mayoría de las inversiones son relativamente modestas.
Cada refinería es única, por lo que la selección más favorable de las oportunidades de
eficiencia energética debe hacerse sobre una base de plantas específicas.
Con la disminución del consumo energético se genera la reducción de emisiones
contaminantes que afectan el ambiente.
De acuerdo a las proyecciones de la Administración de Información Energética del
Departamento de Energía de Estados Unidos (EIA), se espera que aunque los derivados del
petróleo puede llegar a enfrentar la competencia del gas no convencional y de las energías
renovables, la demanda de crudo crecerá entre 2011 y 2035 a una tasa anual del 1% para
llegar a 110 millones de barriles diarios, mientras el gas y el carbón lo harán al 1,4% y 2,6%
respectivamente. Por lo tanto, en 2035 el crudo concentrará el 30% de la energía consumida.
El proceso de refino de hidrocarburos es considerado altamente energo‐intensivo, en forma de
combustible aplicado en numerosos hornos y calderas y en forma de energía eléctrica utilizada
para accionamiento de motores y en menor medida en el alumbrado de las plantas.
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La gestión energética en una refinería
Los costes energéticos representan 40% de los costos totales, incluyendo amortizaciones, y el
80% de los costes variables.
Lo anterior implica una oportunidad para implementar medidas de eficiencia energética con el
fin de reducir los costos y a su vez cumplir con las metas de disminución de emisiones
contaminantes formadas durante la combustión, SO2 y NOx, responsables de la lluvia ácida y
CO2 principal causante del cambio climático.
Los procesos de refino utilizan combustible y vapor para calentar los flujos de proceso y
proporcionar la energía necesaria para provocar reacciones químicas, y utilizan electricidad
para hacer funcionar bombas, compresores, entre otros equipos.
Algunas refinerías compran combustible (gas natural), electricidad y/o vapor. Otras generan
algunos o todos sus servicios en el lugar.
Esta generación en el lugar implica el uso de una caldera de vapor tradicional e instalaciones
de generación de energía o cogeneración.
Los procesos térmicos consumen del orden del 70% de la energía total del sector; la
generación de fuerza motriz y electricidad es el segundo gran consumidor, representando un
20% aproximadamente.
Existe una gran variedad de oportunidades en las refinerías de petróleo para reducir el
consumo de energía, manteniendo o mejorando la productividad de la planta, como lo
demuestran los estudios de varias compañías en las industrias de refino de petróleo.
Los datos de benchmarking competitivos indican que la mayoría de las refinerías de petróleo
pueden mejorar económicamente la eficiencia energética en un 10% a 20%.
Las principales áreas para la mejora de la eficiencia energética son las utilidades (30%), los
calentadores (20%), la optimización del proceso (15%), los intercambiadores de calor (15%),
las aplicaciones motoras (10%) y otras áreas (10%).
Estas mejoras potenciales pueden llegar a ahorrar costes anuales de millones a decenas de
millones de euros para una refinería, dependiendo de su eficiencia y tamaño.
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Emisiones de Co2 y eficiencia energética
6. REFERENCIAS
1. Exxon.; Energy Conservation Directory.
2. Campos Avella, J.C.; Ahorro de energía en la industria del refino.
3. S.A.C.; Proyectos para una optimización energética integral en refinerías.
4. Cosmo oil; Energy Conservation in Refineries.
5. H.P.C.; Refinery Energy Management.
6. Guía Minem.; Uso eficiente de energía en refinerías.
7. Andrés,J.; Guía MTD en España.
8. Buthod,Paul.; Process Componente Design
9. ENERGY STAR® es un símbolo de la eficiencia energética respaldado por el gobierno
de Estados Unidos.
• https://www.energystar.gov/about/about_energy_efficiency
• Mejora de la Eficiencia Energética y Oportunidades de Ahorro de Costos para
Refinerías de Petróleo - Guía ENERGY STAR® para Gerentes de Energía y
Plantas Febrero 2015. Energy Efficiency Improvement and Cost Saving
Opportunities for Petroleum Refineries an ENERGY STAR® Guide for Energy
and Plant Managers.
10. Ejemplos de Gestión Energética en Refinerias:
• ENAP.
http://www.mch.cl/2018/02/05/enap-reconocida-empresa-lider-eficienciaenergetica
• PETRONOR.
http://petronor.eus/es/2018/12/petronor-certificado-con-la-norma-de-gestion-dela-energia-iso-50001/
• PEMEX.
https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/234656/6_SGEn_PEMEX.pdf
• Gobierno de Canada.
https://www.nrcan.gc.ca/energy/efficiency/industry/20397
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La gestión energética en una refinería
11. Organización de los Estados Americanos. Grupo de Trabajo en Eficiencia Energétca
Informe Final.
• http://www.oas.org/en/sedi/dsd/energy/oea_reportefinal_web_single.pdf
12. UNE EN ISO 50001:2018. UNE - Asociación Española De Normalización,
• https://www.une.org/encuentra-tu-norma/busca-tu-norma/norma?c=N0060594
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