Refino de crudos de oportunidad pesados y con alto contenido de azufre: rendimiento del desalador e impactos en la unidad de vacío

Los crudos de oportunidad parecen atractivos por su diferencial de precio, pero trasladan el problema al frente de la planta. Los crudos más pesados, con más azufre y más ácidos son viscosos y transportan más sal, sólidos y metales. También se sitúan más cerca del límite de estabilidad de los asfaltenos. El desalador suele ser la primera unidad en mostrarlo: salmuera que se filtra en el crudo, una capa de interfaz que se espesa o una tasa de desalado que no deja de caer. Las consecuencias viajan entonces aguas abajo. Un desalado deficiente introduce cloruros y sólidos en la columna de crudo y en el sistema de cabeza, y una mezcla marginal puede ensuciar los intercambiadores de precalentamiento y el calentador de vacío. Una unidad de vacío que se queda sin aceite de lavado o cuyos serpentines se obstruyen demasiado pronto puede limitar a toda la refinería. Por lo tanto, el caso económico para un cambio en la dieta de crudo debe incluir la capacidad del desalador, los límites de la unidad de vacío y la tolerancia en aguas abajo para la calidad del residuo y del gasóleo resultantes.

Contexto de normas y requisitos

Ninguna norma única rige los cambios en la dieta de crudo. Estos son los puntos de referencia a los que normalmente acudiría un equipo de procesos e integridad:

• API RP 571 describe los mecanismos de daño que afectan al equipo fijo en el refino, incluyendo la corrosión por ácido nafténico, la sulfidación y el ataque por cloruro de amonio. Una dieta más pesada, agria y ácida tiende a acelerar estos procesos.
• API RP 939-C proporciona pautas para evitar fallos por corrosión sulfídica en refinerías de petróleo. Utilícelo cuando el azufre del crudo y la temperatura de operación cambien conjuntamente.
• ASTM D3230 cubre las sales en el crudo mediante el método electrométrico. Es una comprobación rápida en la entrada y salida del desalador, pero no sustituye al trabajo de laboratorio sobre cloruros y sólidos.
• ASTM D664 determina el número de ácido mediante valoración potenciométrica, la base habitual para evaluar el riesgo de ácido nafténico.
• ASTM D7157 determina la estabilidad intrínseca de los residuos que contienen asfaltenos, los fuelóleos pesados y los crudos mediante la separación de fases con n-heptano con detección óptica. Se utiliza para comparar mezclas y juzgar los márgenes de compatibilidad.

Se requiere la gestión del cambio, una revisión de peligros de la nueva dieta (incluyendo H₂S en los sistemas de muestreo y drenaje) y planes de monitoreo de corrosión revisados, independientemente del ensayo del crudo.

Por qué los crudos de oportunidad pesados y agrios se comportan de forma diferente

Los crudos pesados y agrios son altamente viscosos y contienen mucho azufre, sal y metales. Cada propiedad afecta a una parte diferente de la planta:

• Viscosidad y densidad: Las gotas de agua sedimentan a través del aceite por gravedad. A medida que el aceite se vuelve más denso y viscoso, la diferencia de densidad se reduce y la sedimentación se ralentiza, por lo que un desalador diseñado para una dieta más ligera pierde capacidad.
• Sal y sólidos: Más sal y más sólidos finos significan más material a eliminar. Los sólidos estabilizan las emulsiones y se acumulan en la interfaz.
• Azufre y ácido: Estos impulsan la corrosión en los hornos, las líneas de transferencia y los internos de la columna de vacío, y cambian la metalurgia necesaria.
• Metales y contenido de residuo: Los metales y el residuo se concentran en los fondos de vacío y en el gasóleo pesado, que es donde las unidades de catalizador en aguas abajo sienten el cambio.

La misma lógica se aplica a las unidades existentes. Una unidad diseñada para una dieta más ligera conlleva suposiciones implícitas sobre la sedimentación, el tiempo de residencia en el serpentín del calentador y el comportamiento de la zona de lavado, y las alimentaciones más pesadas pondrán a prueba cada una de ellas.

Rendimiento del desalador con cargas pesadas

Qué suele fallar

Rara vez hay una sola causa.

Palancas prácticas

1. Temperatura. Una mayor temperatura reduce la viscosidad y mejora la sedimentación, pero está limitada por la presión de vapor del crudo a la presión del desalador y por las condiciones eléctricas en el recipiente. Verifique el margen de presión antes de aumentar la temperatura en una mezcla con componentes ligeros.
2. Energía de mezclado. Los crudos pesados necesitan suficiente mezcla para poner el agua de lavado en contacto con las gotas de salmuera. Sin embargo, un exceso genera una emulsión apretada que el campo eléctrico no puede romper. Ajuste la válvula de mezcla según la sal de salida y la calidad de la salmuera, no por un diferencial fijo.
3. Agua de lavado. Tanto la calidad como el caudal importan. Un agua de lavado de mala calidad, especialmente con alta dureza o aminas arrastradas en corrientes de reciclaje, puede socavar el programa químico.
4. Programa químico. Revise la selección del desemulsificante para cada cambio importante de dieta de crudos. Un producto que funcionó en la mezcla anterior puede fallar en un crudo con diferente carácter de sólidos o asfaltenos. Las pruebas de botella en mezclas representativas son un punto de partida, pero confirme los resultados en la unidad.
5. Gestión de la interfase. Trate el perfil de la interfase como una señal de rendimiento primaria, no secundaria. La acumulación de la capa de emulsión indica que el desalador está perdiendo capacidad antes de que la sal de salida varíe.

Dion y Perez señalan específicamente las aminas contaminantes. Pueden ingresar a través de slops o cargamentos contaminados y luego reportarse aguas abajo como salificación por cloruros en el domo. Sospeche de ellas cuando los indicadores de corrosión en el domo empeoren mientras la sal de salida del desalador parece aceptable.

Consecuencias en aguas residuales

La salmuera del desalador de crudos pesados puede arrastrar más petróleo, sólidos y orgánicos hacia la planta de tratamiento de efluentes. Un cambio en la química del desemulsificante, o un mayor arrastre de la interfase, puede llegar a la etapa de tratamiento biológico. Involucre al equipo de tratamiento de efluentes en las revisiones de cambios de dieta de crudo.

Estabilidad de asfaltenos y mezclas

Los asfaltenos permanecen en el crudo mientras el petróleo circundante los mantenga peptizados. Mezcle un crudo parafínico o ligero con uno pesado asfalténico y la mezcla puede precipitar, incluso cuando cada crudo es estable por sí solo. Los asfaltenos precipitados actúan como material de ensuciamiento y como estabilizadores de emulsión. Aparecen en la interfase del desalador y nuevamente en los intercambiadores de precalentamiento, tubos del horno y manejo de residuo de vacío.

Consecuencias prácticas:

• El orden y la proporción de la mezcla importan. Una mezcla estable en su proporción final puede pasar por una composición inestable mientras se llenan tanques o tuberías. Revise la transición, no solo el estado final.
• Las pruebas de estabilidad deben ser específicas para la mezcla. Use un método como ASTM D7157 en mezclas reales o representativas, y rastree el margen a medida que cambian las proporciones, en lugar de confiar en ensayos de crudos individuales.
• Trate la compatibilidad como un límite junto con la sal y la acidez. La programación de crudos debe tener una restricción de estabilidad del mismo modo que tiene una restricción de azufre o TAN.
• Vigile las señales aguas abajo. El aumento de las tasas de ensuciamiento en el precalentamiento, la caída de presión más rápida en los pases del horno y los sólidos en la interfase del desalador pueden apuntar a una estabilidad marginal, incluso cuando cada unidad parece tolerable por sí sola.

Impactos en la unidad de vacío

Aquí es donde se concentran los desafíos del crudo pesado. La alimentación es una fracción más grande del crudo, más pesada, con mayor contenido de metales y azufre, y más propensa al craqueo térmico.

Horno y línea de transferencia

El residuo atmosférico más pesado necesita una temperatura más alta para una vaporización determinada, y la temperatura de película en la pared del tubo alcanza la región de coquización más pronto. El coque acorta el tiempo de corrida y crea puntos calientes. La inyección de vapor y la velocidad en el serpentín son las herramientas principales para gestionar el tiempo de residencia, y ambas están limitadas por restricciones hidráulicas y de carga de vapor de la columna. Monitoree las temperaturas de piel, el balance de pasos y las tendencias de caída de presión del serpentín frente a la línea base limpia.

Zona de lavado y calidad del gasóleo pesado de vacío

Si la zona de lavado está poco humedecida o mal distribuida, el arrastre lleva metales y material formador de carbono al gasóleo pesado de vacío. Ese gasóleo suele ser la alimentación de una unidad de hidrocracking o FCC, por lo que los contaminantes afectan directamente la vida del catalizador. Los crudos pesados hacen que la gestión del aceite de lavado y el diseño del empaque o rejilla sean más críticos. El punto mencionado en el artículo de diseño de CDU/VDU, de que la práctica de diseño convencional conduce a tiempos de corrida cortos y pobre rendimiento y calidad, se aplica firmemente aquí.

Corrosión y metalurgia

El mayor contenido de azufre y ácido eleva la sulfidación y la corrosión por ácido nafténico en la columna de vacío, la línea de transferencia y el circuito de fondos. Utilice API RP 939-C y API RP 571 como base para revisar los materiales y el alcance de la inspección. Luego confirme que las selecciones de aleaciones existentes cubren la nueva combinación de azufre y ácido a las temperaturas de operación que realmente observa.

Eyectores y cabeza

Una alimentación más pesada que se craquea más en el horno genera más ligeros y no condensables, y eso carga el sistema de vacío. Verifique la capacidad del eyector y del condensador frente a la nueva carga de gas de craqueo, no solo el caso de diseño.

Impactos derivados en aguas abajo

• Hidrotratadoras e hidrocrackers: Más azufre, nitrógeno y metales en el gasóleo de vacío elevan el consumo de hidrógeno, reducen la vida del catalizador y estrechan el margen en el control de corrosión del efluente del reactor.
• FCC: Mayores metales y material formador de carbono en la alimentación cambian la reposición de catalizador y la carga del regenerador.
• Coquizador y manejo de residuos: Más residuo de vacío significa más demanda en el coquizador u otras salidas de fondos, y el carácter de los asfaltenos afecta el comportamiento y manejo del coque.
• Sistemas de cabeza: Un desalado deficiente se manifiesta como deposición de sales de cloruro y amonio y corrosión por agua ácida en la cabeza de la columna de crudo.

Escenario ilustrativo

Este escenario es ilustrativo y no proviene de una refinería específica.

Una refinería que procesa una dieta agria media está considerando un cargamento pesado y con alto contenido de azufre para su mezcla. El ensayo muestra que el cargamento es estable por sí solo y tiene sal moderada. La planificación propone elevar la fracción pesada en pasos durante sucesivas rotaciones de tanques.

Una revisión sólida procedería así:

1. Realizar pruebas de estabilidad en las proporciones de mezcla intermedias, no solo en la final, y encontrar el punto de menor margen.
2. Encargar pruebas de botella del desemulsionante existente en la mezcla más pesada, y pedir al proveedor de químicos que verifique calcio, aminas y sólidos transportados por el cargamento.
3. Aumentar la frecuencia de muestreo de la interfaz del desalador durante las primeras rotaciones de tanques, rastrear la capa de emulsión (rag layer) y el contenido de aceite en la salmuera, e informar a la planta de efluentes con anticipación.
4. Revisar las temperaturas de piel del horno de vacío, el balance de pasos y el rendimiento de la zona de lavado frente a la línea base anterior. Acordar un disparador para retirar la fracción pesada antes de que la coquización se acelere.
5. Pedir a los responsables de las unidades de aguas abajo que confirmen su tolerancia para el gasóleo de vacío y el residuo más pesados, incluyendo el balance de hidrógeno y el monitoreo del catalizador.

La decisión entonces descansa en las tendencias observadas en cada paso, con una ruta de reversión preacordada. No debe descansar únicamente en el diferencial de precio del cargamento. Cualquier muestreo de hidrocarburos o salmuera debe usar sistemas de lazo cerrado con precauciones para H2S. Cualquier inspección interna de desaladores o columnas de vacío requiere aislamiento, despresurización, energía cero verificada, bloqueo/etiquetado, detección de gases, controles de área clasificada y venteo seguro antes de que alguien entre o abra el equipo.

Lista de verificación para evaluar un cambio a dieta pesada y con alto azufre

• Confirmar que los ensayos de crudo incluyan sal, sólidos, calcio, número ácido, azufre, metales y contenido de asfaltenos, y cotejarlos con los recibos.
• Realizar pruebas de estabilidad de mezcla en las proporciones intermedias, no solo en la mezcla objetivo.
• Verificar la temperatura del desalador, el margen de presión, el rango de la válvula mezcladora y la capacidad de agua de lavado frente a la viscosidad de la alimentación más pesada.
• Probar el desemulsionante en la mezcla real y preguntar al proveedor sobre calcio, aminas y compatibilidad.
• Definir el perfil de interfaz y el contenido de aceite en la salmuera como indicadores de desempeño monitoreados.
• Notificar al equipo de tratamiento de efluentes antes de procesar el primer cargamento pesado.
• Revisar la velocidad del serpentín del horno de vacío, la inyección de vapor, el margen de temperatura de piel y las tendencias de caída de presión del serpentín.
• Verificar la tasa de líquido y la distribución de la zona de lavado de vacío frente a la alimentación más pesada.
• Revisar la metalurgia y el alcance de la inspección frente al riesgo de sulfidación y ácido nafténico.
• Verificar la capacidad del eyector y del condensador para la carga de gas de craqueo.
• Obtener confirmación de las unidades de aguas abajo para la calidad del gasóleo de vacío y del residuo.
• Establecer un disparador de reversión y una ruta de comunicación antes de que comience la prueba.

Conclusión

Los crudos de oportunidad pesados y con alto contenido de azufre son manejables cuando el desalador, la unidad de vacío y las unidades aguas abajo se evalúan en conjunto. El fallo habitual consiste en optimizar una unidad mientras la siguiente absorbe las consecuencias. Comience con pruebas de estabilidad específicas para la mezcla y una revisión de los productos químicos y el mezclado del desalador. A continuación, compruebe los márgenes del calentador de vacío y de la zona de lavado, así como la tolerancia de las unidades aguas abajo a gasóleos más pesados y residuos. Pruebe la dieta de crudos por etapas con criterios definidos de seguimiento y reversión, e incorpore a especialistas en integridad, tratamiento de efluentes y proveedores de productos químicos antes de que llegue el primer cargamento.