Ajuste de los puntos de corte de refinería y la severidad del hidrocracker para aumentar el rendimiento de diésel

El problema: el diésel se pierde en los márgenes

La mayoría de las refinerías que desean más diésel ya tienen los barriles dentro de la planta. Simplemente están en la unidad equivocada. Las moléculas del rango del diésel terminan en la carga de FCC, en los cortes de nafta pesada y queroseno, y en los ligeros del hidrocracker por sobrecraqueo. Un punto de corte establecido hace años para un escenario de márgenes diferente puede mantenerlos allí. Si se opera un hidrocracker con severidad para obtener productos del rango de la nafta, este convertirá gustosamente los precursores de diésel, y a veces el propio diésel, en nafta y gas.

Solucionar esto no es solo cuestión de subir la temperatura o mover un corte. Cada movimiento ejerce presión sobre el suministro de hidrógeno, la calidad del producto (flujo en frío, densidad, cetano) y la vida útil del catalizador. Un reequilibrio que parece correcto en el modelo de planificación puede fracasar por un déficit de hidrógeno, un exceso en el punto de enturbiamiento o un ciclo de catalizador que no llegará a la parada de planta. Lo que sigue cubre cómo interactúan las palancas y cómo elegir cuál accionar primero.

Contexto de normas y requisitos

El rendimiento de diésel está limitado por lo que el producto puede ser legal y comercialmente. Las especificaciones y métodos de prueba a continuación establecen ese límite.

• ASTM D975 (aceites combustibles diésel) y EN 590 (diésel de automoción) establecen la especificación del producto que limita hasta dónde se pueden llevar el punto final y el contenido de fracciones pesadas.
• ASTM D86 (destilación de productos petrolíferos a presión atmosférica) y ASTM D2887 (distribución del rango de ebullición por cromatografía de gases) son las herramientas principales para verificar si los puntos de corte del fraccionador entregan la destilación prevista. La D2887 reporta una destilación simulada, por lo que debe conciliarse con la D86 cuando una especificación está escrita en términos de D86.
• ASTM D613 (número de cetano) y ASTM D2500 (punto de enturbiamiento) son las puertas de calidad habituales. Extender el punto final tiende a perjudicar primero el flujo en frío. El cetano es más a menudo el problema con las corrientes craqueadas.
• ASTM D93 (punto de inflamación por copa cerrada Pensky-Martens) es relevante cuando se vuelven a empalmar los cortes de queroseno y diésel.

Cualquier cambio en los puntos de corte, la severidad o el ruteo de hidrógeno en una unidad de hidrógeno a alta presión pasa por el proceso de gestión de cambios de la planta. Los límites de la ventana operativa y del sistema de disparos se revisan frente al nuevo caso antes de su ejecución. Una excursión de temperatura del reactor en servicio de hidrocraqueo es un evento de seguridad de procesos, no solo una pérdida de rendimiento.

Cuerpo técnico

Dónde se gana el diésel: puntos de corte frente a conversión

Existen dos familias de palancas, y tienen costes diferentes.

Las palancas de destilación mueven moléculas entre unidades sin cambiar su química. Las refinerías suelen extraer material diésel del rango de ebullición de queroseno/gasóleo de aproximadamente 150–360°C TBP (equivalente a D86), y pueden subir algo más con instalaciones de mejora (Naphtha to diesel via novel routes, Digital Refining).

Las palancas de conversión cambian las moléculas mismas. En un hidrocracker, las principales son la temperatura del reactor, la conversión por paso, el punto de corte de reciclo, la selección del catalizador y la presión parcial de hidrógeno.

Cambios en el punto de corte aguas arriba del hidrocracker

Las sesiones de preguntas y respuestas de AFPM sobre la extensión de los puntos finales de destilados (Pregunta 39) y sobre los impactos del punto de corte de la carga de FCC (Pregunta 66) cubren qué corrientes de carga priorizar. Evalúan el impacto operativo, la vida útil del catalizador y la optimización del punto de corte entre las unidades de destilados y la FCC. Las mismas preguntas se aplican a cualquier planta:

• Punto final del diésel de la unidad de crudo. Elevarlo recupera material en el rango del diésel que, de otro modo, iría a la carga de vacío o de FCC. El precio es la calidad del flujo en frío, además de una carga más pesada para el hidrotratador de diésel. Ese hidrotratador necesita más severidad o acepta ciclos más cortos.
• Corte gasóleo/VGO. Hacer el corte más ligero envía más material al pool de destilados y menos a la FCC o al hidrocracker. Hacerlo más pesado produce lo contrario. Qué dirección compensa depende de si el hidrotratamiento de destilados y la capacidad de hidrógeno pueden absorber el material más pesado.
• Punto de corte de la carga de FCC. La discusión de AFPM sobre el punto de corte de FCC señala que mover el corte de la carga cambia la conversión y los rendimientos de la FCC. El material extraído de la carga de FCC suele valer más como componente de mezcla de diésel que como aceite de ciclo de FCC, que es aromático y bajo en cetano. Sin embargo, la FCC pierde algo de calidad y volumen de carga, y el modelo LP debe reflejar eso.
• Punto final de la carga del hidrocracker. Una carga más pesada aumenta el rendimiento potencial de destilados. También aumenta la carga de aromáticos polinucleares y precursores de coque, lo que puede provocar una desactivación más rápida y ensuciamiento en el bucle de reciclo. Debe tratarse como una decisión sobre la vida útil del catalizador, no solo sobre el rendimiento.

Severidad del hidrocracker: la ventana del diésel

Para un objetivo de máximo diésel, los puntos de corte y la severidad del hidrocracker se establecen conjuntamente.

• Conversión por paso. Aumentar la severidad incrementa la conversión de carga pesada. Sin embargo, pasado un punto, el producto extra es nafta y gas ligero. El rendimiento de diésel alcanza un máximo y luego cae. El pico se desplaza según el tipo de catalizador, la calidad de la carga y los puntos de corte del fraccionador, por lo que hay que encontrarlo en los datos de la planta. No lo asuma.
• Puntos de corte del fraccionador. Bajar los cortes nafta/queroseno y queroseno/diésel desplaza el producto hacia el diésel. Elevar el corte diésel/aceite no convertido recupera más diésel, pero puede sacar el flujo en frío de especificación y devolver material del rango de diésel al reciclo. La conversión se define en relación con el punto de corte de fondos, por lo que un cambio ahí altera la conversión aparente sin tocar el reactor.
• Selección del catalizador. Los catalizadores selectivos para destilados medios están diseñados para mantener abierta la ventana de diésel a una mayor conversión. Por eso, el artículo de Topsoe sobre la optimización de la producción de destilados medios hace hincapié en el diseño del catalizador y del modo operativo para maximizar los rendimientos. También es la razón por la que la elección del catalizador en una recarga suele importar más que los ajustes diarios de temperatura.
• Operación de reciclo. Reciclar el aceite no convertido permite la conversión total de los fondos pesados, pero concentra compuestos refractarios y aromáticos polinucleares. Estos ensucian los intercambiadores y aceleran la desactivación del catalizador. La estrategia de purga o purga debe formar parte del caso reequilibrado desde el principio.

Hidrógeno: la restricción que establece el techo

El hidrocraqueo convierte moléculas pesadas mediante el craqueo y la saturación de aromáticos. Más conversión consume más hidrógeno. Más saturación eleva el cetano y baja la densidad, pero también cuesta hidrógeno. Los límites prácticos son:

• Disponibilidad de hidrógeno de reposición. Si la planta de hidrógeno, el suministro de subproductos del reformador o las importaciones son el cuello de botella, no habrá severidad adicional disponible, por muy bueno que parezca el margen.
• Pureza y presión parcial del gas de reciclo. La presión parcial de hidrógeno en el reactor impulsa tanto la saturación como la estabilidad del catalizador. Dejar que la pureza disminuya para mantenerse dentro del balance de hidrógeno acorta la vida útil del catalizador.
• Capacidad del compresor. Los compresores de reposición y reciclo pueden limitar el caudal de gas de tratamiento antes que el suministro. Compruebe ambos.
• Consumidores competidores. El hidrógeno enviado al hidrocracker no está disponible para el hidrotratador de diésel. Si un cambio en el punto de corte carga el hidrotratador con una carga más pesada, la asignación de hidrógeno entre unidades debe recalcularse conjuntamente.

Duración del ciclo del catalizador: el coste que llega más tarde

La severidad y el punto final de la carga se pagan con la vida útil del catalizador. Una temperatura más alta para mantener la conversión, una carga más pesada y una presión parcial de hidrógeno más baja aceleran la desactivación. La duración del ciclo es un objetivo de diseño que se protege. No es un subproducto que se acepta. Sea cual sea el caso de rendimiento, el catalizador debe llegar a la parada de planta.

Comparación de palancas

Escenario ilustrativo

Este escenario se ha construido con fines ilustrativos y no es un caso reportado.

Una refinería opera su hidrocracker en modo orientado a nafta. La señal de margen se ha desplazado hacia el diésel. El modelo LP recomienda aumentar la severidad del reactor y extender el punto final del diésel de la unidad de crudo.

1. Verificar primero el hidrógeno. El balance de hidrógeno muestra capacidad de reposición sobrante solo cuando el hidrotratador de diésel no está operando al máximo. Extender el punto final del diésel de crudo carga más al hidrotratador, por lo que los dos movimientos compiten. El aumento de severidad espera hasta que se recalcule la asignación de hidrógeno.
2. Mover primero la palanca barata. Reajustar los cortes del fraccionador. Bajar el corte nafta/diésel, luego usar datos de destilación (D86, con D2887 para la cola más pesada) para confirmar que el material en el rango de diésel que antes estaba en la nafta pesada ahora se reporta al diésel. El rendimiento mejora sin aumentar la temperatura del reactor.
3. Probar el flujo en frío. Mover el punto final del diésel por etapas y verificar el punto de nube (D2500) en cada una, hasta que se agote el margen de calidad.
4. Aumentar la severidad al final, en pasos pequeños. Incrementar la temperatura del reactor gradualmente y rastrear la producción de ligeros sobre la marcha. Cuando la ganancia incremental de nafta y gas exceda la ganancia incremental de diésel, la ventana de diésel se habrá agotado. Retroceder la severidad.
5. Proyectar el ciclo del catalizador. Comparar la tasa de desactivación bajo el nuevo caso con el objetivo del ciclo. Si el catalizador ya no llega a la parada de planta, reducir la severidad o retroceder el punto final de la carga pesada.

El método es simple. La tasa de producción incremental de diésel por paso es ΔV̇ = Σ(ṁᵢ × Δyieldᵢ), donde ṁᵢ es el flujo másico de carga a la unidad i y Δyieldᵢ es el cambio en la fracción de rendimiento de diésel, sumado sobre todas las corrientes y unidades afectadas. El beneficio neto tiene que incluir el volumen perdido de otras unidades, no solo la ganancia del hidrocracker.

Lista de verificación y guía de decisión

• Confirmar los límites de especificación del diésel (flujo en frío, cetano, destilación) antes de cambiar cualquier punto final.
• Restablecer la línea base del rendimiento del fraccionador con D86 y D2887 para que los cambios en los puntos de corte se midan, no se asuman.
• Comenzar con ajustes en los cortes del fraccionador y de la unidad de crudo antes de tocar la severidad del reactor.
• Construir un balance de hidrógeno combinado que cubra el hidrocracker, el hidrotratador de diésel y otros consumidores antes de aprobar un aumento de severidad.
• Verificar la pureza del gas de reciclo y la capacidad del compresor, no solo el suministro de hidrógeno de reposición.
• Rastrear la producción de ligeros y nafta frente a la ganancia de diésel para encontrar el pico de rendimiento. Detenerse en el pico.
• Seguir la tendencia de desactivación del catalizador frente a la línea base de puesta en marcha y del ciclo anterior, y proyectar el fin del ciclo frente a la fecha de parada de planta.
• Revisar los cambios en el punto final de la carga pesada por su impacto en el ensuciamiento del reciclo y aromáticos polinucleares pesados.
• Someter todos los cambios a la gestión del cambio, incluyendo los límites de temperatura del reactor y la revisión de salvaguardas.
• En la próxima recarga de catalizador, evaluar un catalizador selectivo para destilados medios en lugar de compensar una mala elección de catalizador con severidad.
• Volver a verificar la carga a FCC y los efectos en el rendimiento cada vez que se mueva el corte de gasóleo o VGO.

Conclusión

Elevar el rendimiento de diésel es un problema de secuenciación. Mover primero los cortes de destilación, porque son los más baratos y fáciles de revertir. Aumentar la severidad del hidrocracker solo una vez que se confirmen el balance de hidrógeno y los márgenes de flujo en frío. Tratar la duración del ciclo del catalizador como una restricción rígida que aún debe alcanzar la parada de planta.

Como siguiente paso, extraer el último conjunto de datos de operación estable, reconstruir la curva de rendimiento frente a la conversión y marcar dónde alcanza su pico el rendimiento de diésel. Luego, probar cada movimiento de punto de corte en aguas arriba frente al balance de hidrógeno compartido antes de comprometerse con la recomendación del LP.