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versión impresa ISSN 0253-5777versión On-line ISSN 2223-4861

cen. az. vol.46 no.2 Santa Clara abr.-jun. 2019  Epub 01-Jun-2019

 

ARTICULOS ORIGINALES

ESQUEMA DE MEZCLADO PARA LA GASOLINA POR PARADA DE LAS UNIDADES MHC+HCK DE LA REFINERÍA DE CIENFUEGOS

GASOLINE FOR STOPPING THE MHC + HCK UNITS OF CIENFUEGOS REFINERY MIXING SCHEME

Neilys Alicia Sust Cano1 

Gabriel Orlando Lobelles Sardiñas1  * 

Mayelín Gutiérrez Brunet1 

1Refinería de petróleo "Camilo Cienfuegos". Finca Carolina, km 3½. Código Postal- 55400. Cienfuegos, Cuba.

RESUMEN

La refinería Camilo Cienfuegos se encuentra inmersa en un proceso inversionista con el objetivo de elevar los índices de rentabilidad económica, para ello ha diseñado un esquema de refinación con conversión profunda, donde las corrientes componentes de la mezcla de gasolina a partir de los nuevos procesos implementados, aumentarán en cantidad y calidad. Es de vital importancia una vez diseñado el esquema de la mezcla de gasolina y su calidad, mantenerlo. En tal sentido, ante la parada de las unidades de Hidrocraqueo e Hidrocraqueo Moderado, es objetivo de este trabajo determinar el esquema de mezclado óptimo que garantice los estándares de calidad exigidos. Para esto se realizó una revisión bibliográfica sobre los esquemas de refinación, del proceso de mezclado y de las corrientes que conforman la mezcla. Se empleó como herramienta matemática el Sistema de Modelación de Procesos Industriales: PIMS quien garantiza la factibilidad económica del proceso ante una parada de dichas unidades. El esquema de mezclado de gasolina resultante maximiza los ingresos de la Refinería ante el escenario de trabajo.

Palabras clave: Calidad; gasolina; mezclado; sistema PINS

ABSTRACT

The Camilo Cienfuegos refinery is immersed in an investment process to raising the economic profitability indexes, for this reason a refining scheme with deep conversion has been designed where the gasoline mixture from the new implemented processes component streams, will increase in quantity and quality. It is vitally important once the gas mixture scheme and its quality are designed, keep it. In this sense, with Hydrocracking and Moderate Hydrocracking units’ stoppage, the objective of this work is to determine the optimal mixing scheme that guarantees the required quality standards. A bibliographic review was made on the refining schemes, the mixing process and the currents that make up the mixture. The Industrial Process Modeling System PIMS was used as a mathematical tool, which guarantees process economic feasibility in shutdown event of these units. Resulting gasoline blending scheme maximizes the refinery's revenues in work scenario.

Key words: Quality; gasoline; blending; PINS system

1. INTRODUCCIÓN

En Cuba es necesario elevar la capacidad de refinación de crudo hasta volúmenes que permitan reducir la importación de productos derivados. En este esfuerzo las nuevas inversiones en la refinería de petróleo de Cienfuegos, Cuba, juegan un importante papel.

El esquema tecnológico de refinación actual de dicha refinería es muy sencillo pues solo posee unidades de destilación atmosférica, hidrofinación y reformación catalítica. De acuerdo con LLuch-Urpí (2008), este esquema no logra una conversión de más del 50 %, salvo el caso de las refinerías que usan como materia prima los crudos ligeros o medios-ligeros, de bajo nivel de azufre. Es por eso, que en la mayoría de los casos aproximadamente la mitad del crudo se convierte en Fuel Oil, un subproducto con bajo valor en el mercado (Teixeira, 2008).

Con el interés de mitigar esta situación la refinería de Cienfuegos se encuentra inmersa en un proceso inversionista que ha sido convenientemente concebido en etapas, en aras de alcanzar resultados económicos a corto plazo. Una de las ideas más atractivas, desde el punto de vista económico, es la implementación de un esquema de refinación con Conversión Profunda, lo que elevaría considerablemente los índices de rentabilidad económica (Gary y Handwerk, 2006). Con este nuevo esquema además de la destilación atmosférica se incorporarían procesos de vacío, craqueo en cualquiera de sus variantes, hidrocraqueo, una unidad de coquificación retardada, tratamiento de productos y almacenamiento asociado. El nuevo esquema reportará un incremento en la producción de gasolina. La calidad de la gasolina, vista como uno de los productos de refinación de mayor valor agregado, depende de las corrientes que conformen la mezcla (Verruschi, 2006) la cual se verá comprometida ante una parada de planta de algunas unidades de proceso.

En tal sentido es objetivo de este trabajo proponer el esquema de mezclado para los componentes de la gasolina, para que cumpla sus especificaciones de calidad ante una parada de las unidades de Hidrocraqueo (HCK) y de Hidrocraqueo Moderado (MHC).

2. MATERIALES Y MÉTODOS

Gasolina, es el resultado de una mezcla de distintos componentes obtenidos en los procesos de refinación (Guanipa, 2012); (Fahim et al., 2010), (Usman, 2016) constituidos por hidrocarburos desde 4 hasta 11 átomos de carbono, que destilan entre 25 - 220 ºC (Speight, 2006). Su calidad está definida por una serie de propiedades entre las que se encuentra el número de octanos, Presión de Vapor de Reid (RVP), contenido de azufre, aromáticos y benceno.

  • Número de octanos: Es la medida de la resistencia de la gasolina a la detonación y es un factor determinante en la calidad del producto (Al-Fahemi et al, 2014), (Pasadakis et al., 2006), (Hunter, 2011).

  • RVP: Es la presión que alcanza un producto determinado en un volumen de aire cuatro veces superior al del líquido a 38 °C. La prueba RVP indica la tendencia lineal hacia la vaporización, mientras que la prueba de destilación proporciona una medida de la extensión que alcanzará la vaporización de un determinado conjunto de condiciones (ASTM D 323, 2014).

  • El contenido de azufre: Es indicativo de la posibilidad de formación de óxidos de azufre durante la combustión y a partir de los mismos de ácido sulfúrico, que ataca u oxida a los elementos con los que entra en contacto.

El mercado internacional establece restricciones para estas propiedades que se reflejan en la Tabla 1. El proyecto expansión de la refinería de Cienfuegos pretende producir gasolina DON 87, destinada al mercado europeo, a partir de la instalación de las unidades de proceso que completan el esquema de refinación con Conversión Profunda.

Tabla 1 Especificaciones de la Gasolina DON 87 

Gasolina DON 87 Unidad Límites
Azufre ppm peso 25 máx.
MON - 82 mín.
DON = (RON + MON)/2 - 87 mín.
RVP kg/cm2 0,63 mín.
Olefinas % vol. 30 máx.
Aromáticos % vol. 29 máx.
Benceno % vol. 0,62 máx.

Para lograr esta gasolina las corrientes que conforman la mezcla son:

  • Nafta polimerizada: Proveniente de la unidad de Polinafta donde la reacción fundamental es la oligomerización profunda o lo que es lo mismo la combinación de moléculas similares

  • Nafta Ligera y pesada hidrocraqueada: Proveniente de la unidad de Hidrocraqueo (HCK) cuyo proceso combina el craqueo catalítico y la hidrogenación. Las alimentaciones más pesadas se craquean en presencia de hidrógeno para producir productos más deseables.

  • Nafta Craqueada: Proveniente de la unidad de Craqueo Catalítico (CCU) donde se intensifica la paridad de los productos mediante la transformación de las moléculas de alimentación pesada en más ligeras.

  • Isomerizado: Proveniente de la unidad de Isomerización (ISO) cuyo proceso catalítico convierte las n-parafinas contenidas en la nafta ligera en iso-parafinas con números de octano superiores

  • Reformado pesado: Esta nafta procede de la unidad de Reformación Catalítica Continua (CCR) cuyo objetivo es incrementar el número de octano de los cortes de nafta para ajustarlos a la manufactura de gasolina.

  • Nafta Liviana: Esta corriente proviene de la unidad de Destilación Atmosférica.

Para proponer el esquema de mezclado de estos componentes de refinación se empleó el Sistema de Modelación de Procesos Industriales (PIMS) (Aspen Technology, 2005); debido a que es un software diseñado específicamente para la industria petrolera. Algunas de las aplicaciones del PIMS en las refinerías de petróleo, de acuerdo con Verruschi (2009); (Khalid et al., 2011), Khalgui (2013) son las siguientes:

  • Evaluación de crudos y otros insumos: ¿Qué crudo se debe comprar y a qué precio?

  • Plan de operaciones - Procesando una dieta: ¿Qué productos se deben producir y cómo se mezclan para maximizar beneficios?

  • Planes de inversión a mediano y/o largo plazo: Capacidad de la expansión o planta nueva. ¿Es rentable?

  • Planificación de paradas de plantas: ¿Cuál es el impacto económico de una parada de planta?, ¿Se debe programar?

  • Impacto de nuevos mercados o restricciones ambientales: ¿Cuál oportunidad de mercado es más beneficiosa?

  • Políticas de inventario.

Un modelo en PIMS genera infinitas soluciones factibles, pero solo una solución óptima que genera una ganancia máxima expresada en términos de función objetivo (Tarifa, 2012); (Taha, 2012). Esta función, de acuerdo con la ecuación (1), engloba los ingresos debido a las ventas de los productos de refinación y los costos asociados a la compra de materia prima y los insumos necesarios para la operación de las unidades.

F.O($día)=Ventas($día)Costos($día) (1)

Para elaborar el esquema de mezclado se debe establecer el escenario a considerar:

  • Fuera de servicio las unidades de Hidrocraqueo (HCK) y la de Hidrocraqueo Moderado (MHC).

Según Gutiérrez (2015), el procedimiento para la obtención del esquema de mezclado de gasolina ante el escenario planteado parte de realizar modificaciones al CASO BASE (condiciones normales de operación),

2.1 Acciones a realizar

  1. Eliminar del modelo las unidades que entran en parada y modificar las capacidades de las unidades que se vean afectadas.

    • Modificar la Tabla CAPS para garantizar que el modelo no incluya las unidades MHC+HCK.

    • Colocar un cero en la capacidad MAX de estas unidades.

    • Reducir la capacidad del CCU en un 30% ya que, teniendo en cuenta las especificaciones del licenciante, ante cambios en la materia prima solo se garantiza la operación de CCU a un 70 % de su capacidad.

  2. Reubicar las corrientes que alimentan las unidades que entran en parada.

    • Modificar la tabla SUBMODS específicamente el submodelo CFP (corriente de alimentación al pool)

    • Activar como posibles alimentaciones las corrientes LV1 (corte ligero del vacío 1), HV1 (corte pesado del vacío 1) y HV2 (corte pesado del vacío 2) que van a pasar directamente de la destilación al craqueo.

  3. Correr el modelo, eliminando posibles errores e inconsistencias hasta lograr la convergencia del mismo.

  4. Analizar el cumplimiento de los requisitos de calidad y la variación con respecto al Caso Base.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las Tablas 2 y 3 muestran los resultados para el caso A sin modificación y el caso B después de la modificación.

Tabla 2 Tabla CAPS del PIMS. Fuente: Reporte del PIMS 

Texto Mínimo. Máximo. Texto Mínimo. Máximo.
CR07 Craqueo CR07 Craqueo
CHCK Hidro Craqueo TPD 0 Diseño CHCK Hidro Craqueo TPD 0,00 0,00
CMHC Hidro Craqueo Moderado TPD 0 Diseño CMHC Hidro Craqueo Moderado TPD 0,00 0,00
CCFP Corriente de alimentación catalítica 0 Diseño CCFP Corriente de alimentación catalítica 0,00 0,7*Diseño
CCCU Craqueo catalítico TPD 0 Diseño CCCU Craqueo catalítico TPD 0,00 0,7*Diseño
A (Sin modificación) B (Con modificación)

Como resultado de la corrida del programa, con las modificaciones realizadas se obtuvo el siguiente reporte: En el caso de estudio aparecen 3 corrientes fuera de balance (LV2: Corte ligero del vacío 2, HR8: Reformado pesado 98 y HRF: Reformado pesado) pues no cumplen con las especificaciones.

Tabla 3 Tabla SUBMODS: CFP del PIMS. Fuente: Reporte del PIMS. 

  Texto GOH MUC !LV1 !HV1 !HV2 CFP
WBALGOH No convertido de HCK 1          
WBALMUC No convertido de MCK   1        
*WBALLV1 LVGO     1      
*WBALHV1 HVGO       1    
*WBALHV2 HVGO         1  
WBALCFP Corriente de alimentación catalítica -1 -1 -1 -1 -1  
A (Sin modificación)
  Texto !GOH !MUC LV1 LV2 HV1 HV2 CFP
*WBALGOH No convertido de HCK 1            
*WBALMUC No convertido de MCK   1          
WBALLV1 LVGO     1        
WBALLV2 LVGO       1    
WBALHV1 HVGO         1  
WBALHV2 HVGO           1  
WBALCFP Corriente de alimentación catalítica -1 -1 -1 -1 -1 -1  
B (Con modificación)

Para revertir esta situación será necesario realizar algunos cambios a las restricciones del proceso y así mejorar la rentabilidad económica del mismo.

Como los valores especificados del contenido de benceno y aromáticos en la gasolina se encuentran en el máximo permisible se decide mover estas restricciones a valores superiores para así poder incorporar al proceso de mezclado las corrientes que quedan fuera de balance (Tabla 4), teniendo en cuenta que para comercializar la gasolina en el mercado local no existe restricción para estos parámetros.

Tabla 4 Calidad de los productos establecidos en Especificaciones del mezclado. Fuente: Reporte del PIMS. 

Cualidades del Producto Mínimo Producto Máximo
RVI RVP Índice 15,1997 15,1997
MON MON min 82,0000 82,2113
DON DON (RON + MON)/2 min 87,0000 87,2372
ARO Aromáticos, (% vol) 29,0000 29,0000
BEN Bencenos, (% vol) 0,6200 0,6200
AZU + Azufre, (% peso total) 0,0005 0,0010
OLF Olefinas, (% vol) 22,8223 30,0000
RON RON min 92,2630
SPG Gravedad específica 0,7316

Para ello en la Tabla 5 del PIMS se modifica la restricción del contenido de benceno y de aromático moviendo sus valores desde 0,62 hasta 0,8 % vol. y de 29 a 32 % vol. respectivamente.

Además se decide destinar el LVGO a la mezcla de fuel, ya que también queda fuera del balance. Anteriormente esta fracción pesada formaba parte de la alimentación al HCK y al entrar en parada dicha unidad es enviado directamente al craqueo, quien estará operando a menor capacidad, lo que provoca que esta corriente no tenga ningún destino. Además enviando este corte a fuel se logra disminuir la viscosidad del mismo y se evita el empleo de productos finales para este fin.

Tabla 5 Tabla BLNSPEC del PIMS. Fuente: Reporte del PIMS 

Texto M87 Texto M87
* RVP Máx Espec, PSI 8,80 * RVP Máx Espec, PSI 8,80
XRVI RVP Índice 15,20 XRVI RVP Índice 15,20
NMON MON mín 82,00 NMON MON mín 82,00
NRON RON mín NRON RON mín
NDON DON (RON + MON)/2 mín 87,00 NDON DON (RON + MON)/2 mín 87,00
XARO Aromáticos, (% vol) 29,00 XARO Aromáticos, (% vol) 32,00
XBEN Bencenos, (% vol) 0,62 XBEN Bencenos, (% vol) 0,80
XAZU Azufre, (% peso total) 0,001 XSUL Azufre, (% peso total) 0,001
A (Sin modificación) B (Con modificación)

Los resultados del esquema de mezclado de gasolina se muestran en la Tabla 6. En ella se aprecia que al estar fuera de operación las unidades MHC+HCK el PIMS establece un nuevo esquema de mezclado para la gasolina garantizando maximizar, en lo posible, la función objetivo. Este esquema, comparado con el Caso Base, incrementa la proporción de nafta craqueada a un 45,88 % y disminuye el reformado pesado a 36,94 % y el isomerizado a un 5,11 %. Se redujo además la cantidad de nafta ligera debido a su bajo RON, MON y DON.

Tabla 6 Esquema de mezclado óptimo para el Caso sin MHC+HCK 

Caso sin MHC + HCK Producto Final
Nafta liviana i-butano de PNU Reformado Pesado Isomerizado n-butano de PNU Gasolina Polinafta Nafta Craqueada Especificaciones Mezcla Especificaciones Don 87
RVP índice 13,4 206,1 10,17 24,7 139,6 6,1 10,4 15,2 15,2 máx.
MON 69,9 89,1 81 85,6 89,1 83,8 80,6 82 82 mín.
DON 71,9 91,55 87,5 86,8 91,55 91,5 85,7 87 87 mín.
ARO (% v) 4,18 0 55 0 0 1 18,3 30 32,00 máx.
BEN (% v) 0 0,2 0 0 0,1 1,09 0,72 0,8 máx.
AZU (% v) 0,0006 0 0 0 0 0 0,001 0,0005 0,001 máx.
OLF (% v) 1,0 0 0,1 0 0 95 33,9 21,34 30 máx.
RON Min. 68,0 94 94 88 94 98 90,8 92,1 reporte
SPG 0,68 0,55 0,77 0,66 0,59 0,74 0,72 0,7342 reporte
(% v) 2,94 0,35 36,94 5,11 2,80 5,97 45,88 100

Por otra parte, para ajustar las propiedades y cumplir con las especificaciones, incorpora un 0,35 % de i- butano de PNU y se aumenta a un 2,80 % el n- butano.

De acuerdo con las normas de calidad de la gasolina DON 87, no se cumplen las especificaciones de contenido de aromáticos y de benceno, por consiguiente no puede ser exportada, aunque se puede comercializar como Gasolina Motor 90 octanos, clasificación establecida en el catálogo de especificaciones de Cupet, para el mercado local.

4. CONCLUSIONES

  1. Con la implementación de un esquema de refinación con Conversión Profunda se logran índices de rentabilidad económica superiores a los actuales en la refinería Camilo Cienfuegos.

  2. El Sistemas de Modelación de Procesos Industriales (PIMS) fue la herramienta de trabajo utilizada para la obtención del esquema de mezclado óptimo de la gasolina en la refinería Camilo Cienfuegos, ante un escenario de parada de planta.

  3. Ante la parada de las unidades MHC+HCK el esquema de mezclado óptimo de la gasolina es: 2,80% de n- butano de PNU, 45,88% de nafta craqueada, 36,94 % de reformado pesado, 5,11 % de isomerizado, 2,94 % de nafta liviana, 5,97 % de gasolina polimerizada y se incorpora un 0,35 % de i- butano de PNU.

  4. Ante el escenario de parada de las unidades MHC+HCK y para un esquema de mezclado óptimo es imposible cumplir con los requerimientos del contenido de aromáticos y benceno especificados para la calidad de la gasolina DON 87.

  5. El esquema de mezclado propuesto para la gasolina, ante la parada por emergencia de las unidades MHC+HCK, cumple con las especificaciones de la Gasolina Motor 90 octanos destinada al mercado local.

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Recibido: 19 de Abril de 2018; Revisado: 18 de Junio de 2018; Aprobado: 29 de Octubre de 2018

*Autor para la correspondencia: Gabriel O. Lobelles, Email:globelles@refcfg.cu

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