Planta De Aceites Lubricantes 4z596j

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Trabajo Práctico N° 17 Planta de Aceites Lubricantes INTRODUCCIÓN El primer paso en el procesamiento de aceites lubricantes es la separación en las unidades de destilación de crudo de las fracciones individuales de acuerdo a las especificaciones de viscosidad y rango de ebullición. Las materias primas más pesadas de los aceites lubricantes están incluidas en el fondo de las torres fraccionadoras de vacío en conjunto con asfaltenos, resinas y otros materiales no deseados. Las materias primas de los aceites lubricantes provenientes de la mayoría de los crudos contienen componentes que no tienen características deseadas en los aceites lubricantes finales. Por lo tanto, deben eliminarse o reconstituirse mediante procesos tales como extracción líquido-líquido, cristalización, hidrocracking selectivo y/o hidrogenación. Las características indeseables incluyen altos puntos de escurrimiento, cambios en la viscosidad con la temperatura (bajo Índice de Viscosidad), pobre estabilidad al oxígeno, pobre color, altos puntos de enturbiamiento, alta acidez orgánica, y altas tendencias a formar carbón y lodos. Los procesos que se utilizan para cambiar estas características son: 1. Desasfaltización para reducir las tendencias a formar carbón y lodos. 2. Extracción con solventes para mejorar el Índice de Viscosidad. 3. Desparafinado con solventes para disminuir los puntos de escurrimiento y enturbiamiento. 4. Hidrotratamiento para mejorar el color, la estabilidad al oxígeno y disminuir la acidez orgánica. Por cuestiones económicas, la secuencia del proceso generalmente es en orden de Desasfaltización, extracción con solventes, desparafinado, y finalizado. Sin embargo, los procesos de desparafinado y finalizado pueden invertirse. Por lo general, los procesos aumentan su costo y complejidad en este mismo orden.

ESQUEMA GENERAL DE UN COMPLEJO DE LUBRICANTES

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DESCRIPCIÓN DEL COMPLEJO Al sistema completo que derivará en la obtención de los lubricantes para la venta, generalmente se lo denomina Complejo de Lubricantes. Arbitrariamente se puede dividir al “complejo” en dos partes, plantas básicas y de refinación, como puede verse en el diagrama de bloques anterior, agregándose la casa de mezclas, lugar donde se realizan las mezclas de los cortes básicos para lograr la calidad final, de acuerdo a cada clase de lubricante elaborado.

Destilación al Vacío Lubricantes El crudo reducido proveniente de topping se carga en la torre de vacío. El crudo reducido contiene la base del aceite lubricante y una porción muy pequeña de fuel oil pesado para ser usado como reflujo en la torre de vacío. El primer objetivo en la fabricación de aceites lubricantes, es la separación inicial de productos livianos y la separación de destilados parafínicos y cylinder stock (aceite grado cilindro para motor), sin ninguna descomposición o ruptura (cracking) de las fracciones lubricantes, por ello la torre de vacío se utiliza para separar los destilados parafínicos y cylinder stock a menor temperatura. La torre de vacío, produce por cabeza fuel oil, el cual es despachado como un producto final o enviado a otra área de la destilería para ser procesado o mezclado. Los dos productos principales de la torre de vacío, son: destilado parafínico (con un intervalo de punto de ebullición de 357 ºC a 510 ºC), el cual es extraído cercano a la mitad de torre, y el cylinder stock se extrae por el fondo. Ambas corrientes contienen cantidades convenientes de constituyentes para aceites lubricantes, y son interesantes que integren los productos finales. El destilado parafínico es cargado directamente a la unidad Desparafinadora. El producto de fondo (cylinder stock) es cargado en la unidad Desresinadora o Desasfaltadora. Las materias primas básicas para la fabricación de los aceites lubricantes son el destilado parafínico y el llamado cylinder stock, aunque algunas refinerías producen grandes cantidades de residuos, a partir de las cuales se pueden producir diferentes tipos de lubricantes de grado motor. Materias Primas Petroquímicas – 2010 3

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Vapor

Vapor

Vapor Vapor

E

E

Planta de Vacío Lubricantes

E E

A la Atmósfera

Al desalador Bomba

Bomba

Fuel Oil a producción o a procesado Destilado parafínico , corte de lubricante, a Unidad desparafinadora

Vapor de H 2O

Cylinder Stock, corte de lubricante, a Desresinadora o Desfaltadora

Crudo Reducido Horno

Bomba

Fuel Oil

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Desasfaltizado con propano (PDA) Las corrientes de destilado más livianas para producir cortes base de aceites lubricantes pueden enviarse directamente a unidades de extracción con solventes, pero el fondo de vacío requiere desasfaltizado para removerle los asfaltenos y las resinas antes de enviarlo a extracción con solventes. En algunos casos, las corrientes destiladas de alto punto de ebullición también pueden contener suficiente cantidad de asfaltenos y resinas que justifiquen este proceso. El propano es el solvente empleado por excelencia para el desasfaltizado, pero puede también usarse con etano o butano para ajustar las propiedades del solvente. El propano tiene propiedades como solvente inusuales. En el rango de 40 a 60 ºC, disuelve muy bien las parafinas, pero esta solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura hasta la temperatura crítica del propano (96,8 ºC), donde todos los hidrocarburos se vuelven insolubles. En el rango de 40 a 96,8 ºC, los asfaltenos de alto peso molecular y las resinas son ampliamente insolubles en propano. La alimentación se pone en o con entre 4 y 8 volúmenes de propano líquido a la temperatura de operación deseada. La fase de extracto contiene entre 15 y 20% en peso de aceite siendo el resto solvente. Cuanto más pesada sea la alimentación, mayor será la relación propano/aceite requerida. La fase de refinado contiene entre 30 y 50% en volumen de propano y no es una verdadera solución sino una emulsión de material asfáltico precipitado en propano. Como en la mayoría de los otros procesos de refinería, la sección de extracción básica del proceso es relativamente simple, consistiendo en una torre cilíndrica con baffles de hierro arreglados en filas horizontales escalonadas o baffles perforados utilizando flujo contracorriente de aceite y solvente. Algunas unidades utilizan ores de discos rotativos (RCD) para este propósito. En la figura siguiente se muestra una unidad típica de desasfaltizado con propano. El propano se inyecta en el fondo de la torre de extracción, y el fondo de la torre de vacío entra cerca del tope de la torre de extracción. A medida que el propano sube por la torre, disuelve el aceite del residuo y lo lleva hacia arriba. Entre el punto de alimentación del resido y la cima de la torre, existen serpentines de calentamiento que aumentan la temperatura de la fase extracto propano-aceite por lo tanto se reduce la solubilidad del aceite en propano. Esto casusa que algo del aceite salga de la fase extracto creando una corriente de reflujo. El reflujo escurre hacia debajo de la torre e incrementa el grado de separación entre la porción de aceite del residuo y la porción de asfaltenos y resinas. La fase de asfaltenos y resinas deja el fondo de la torre y constituye la fase de refinado, la mezcla propano-aceite que sale por cabeza es el extracto. El sistema de recuperación de solvente del proceso PDA, al igual que todos los procesos de extracción de solventes, es mucho más complicado y costoso de operar que la sección de tratamiento. Se utilizan técnicas de evaporación flash en dos etapas o supercríticas para recuperar el propano de las fases de refinado y extracto. En los sistemas flash, la primera etapa se opera a elevadas presiones, suficientes para condensar los vapores de propano con agua de enfriamiento como medio de intercambio calórico. En la torre de alta presión flash de refinado, la espuma y el arrastre de asfalto puede ser un Materias Primas Petroquímicas – 2010 5

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problema serio. Para minimizar esto, la torre flash opera a cerca de 290 ºC para mantener la viscosidad del asfalto en un nivel razonablemente bajo. La segunda etapa despoja el propano remanente en el refinado y en el extracto a presión cercana a la atmosférica. Este propano se comprime y condensa antes de ser retornado al acumulador de propano. La torre de desasfaltizado de propano se opera a una presión suficientemente alta como para mantener el solvente en fase líquida. Eso es usualmente alrededor de 500 psig (34,5 bar). El asfalto recuperado del refinado puede ser mezclado con otros asfaltos para hacer combustibles pesados o utilizado como alimentación de la unidad de coking. El aceite pesado recuperado del residuo de vacío se llama bright stock. Es un producto de alta viscosidad, que posteriormente procesado, se utiliza para la formulación de aceites lubricantes pesados para camiones, automóviles, y aviones.

Extracción con solventes Existen tres solventes utilizados en la extracción de aromáticos de las materias primas para aceites lubricantes. Los solventes son furfural, fenol y N-metil-2-pirrolidona (NMP). El propósito de la extracción con solventes es mejorar el índice de viscosidad (IV), la resistencia a la oxidación y el color del corte base de aceite lubricante y reducir las Materias Primas Petroquímicas – 2010 6

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tendencias de formar carbón y lodos mediante la separación de la porción aromática de las porciones nafténicas y parafínicas de la materia prima. El furfural es el solvente selectivo más utilizado, por lo tanto, se explicará aquí su proceso.

Extracción con furfural La unidad de extracción con furfural es muy similar a la de desasfaltizado con propano salvo en la sección de recuperación de solvente, que es más compleja. El corte base para el aceite (proveniente de la unidades de vacío y desasfaltizado) se introduce en un extractor continuo contracorriente a una temperatura que es función de la viscosidad de la alimentación; cuanto mayor sea la viscosidad, mayor será la temperatura a utilizar. La unidad de extracción es generalmente una torre empaca con anillos raschig o un or de discos rotatorios con un gradiente de temperatura desde cabeza hasta fondo de 30 a 50 ºC. La temperatura de cabeza es función de la temperatura de miscibilidad del furfural y del aceite. Está por lo general en el rango de 105 a 150ºC. La fase de aceite es una fase continua, y la fase con furfural disperso pasa a través del aceite. El extracto se recicla con una relación de 0,5:1 para mejorar la eficiencia de extracción. Las relaciones furfural/aceite varían desde 2:1 para cortes livianos hasta 4,5:1 para cortes pesados. Las pérdidas de solvente normalmente son menores a 0,02% en peso de los caudales de refinado y extracto. El furfural se oxida fácilmente por lo tanto se mantienen corrientes de gas inerte en el sistema para reducir la oxidación y la polimerización. Algunas veces se utilizan torres de desaireación para eliminar el oxígeno disuelto en la alimentación. El furfural está sujeto a cracking térmico, por lo que las temperaturas de pared del equipo de intercambio calórico deben controlarse cuidadosamente para evitar polimerización del furfural y ensuciamiento en los intercambiadores. El furfural se elimina de las corrientes de refinado y extracción mediante flasheo y stripping con vapor. El furfural forma un azeótropo con agua y esto genera un sistema único de recuperación de furfural. El furfural se purifica en la torre de furfural destilando por cabeza al azeótropo furfural-agua que condensado se separa en una capa rica en agua y en otra rica en furfural. La capa rica en furfural se recicla a la torre como reflujo y el furfural de la capa rica en agua se separa mediante stripping con vapor. Los vapores de cabeza del stripper, formados por el azeótropo, se condensan y se retornan al separador furfural-agua. El fondo de la torre de furfural es una corriente pura de furfural, que se envía al tanque de furfural solvente. Las variables operativas más importantes de la unidad de extracción con furfural son: la relación furfural/aceite, la temperatura de extracción, y la relación de reciclo del extracto. La relación furfural/aceite tiene el mayor efecto en la calidad y el rendimiento del refinado, mientras que la temperatura se selecciona de acuerdo a la viscosidad el aceite y a la temperatura de miscibilidad. La relación de reciclo del extracto determina en cierto punto el punto de rechazo del aceite y el grado de separación de los aromáticos, naftenos y parafinas. Materias Primas Petroquímicas – 2010 7

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Si de desean conocer los procesos de extracción de los otros solventes, consultar la bibliografía adjunta.

Desparafinado Todos los cortes para aceites lubricantes, excepto aquellos provenientes de crudos altamente nafténicos, deben ser desparafinados o en caso contrario no fluirán adecuadamente a temperatura ambiente. El desparafinado es uno de los procesos más importantes y difíciles en la manufactura de aceites lubricantes. Existen dos tipos de procesos en uso hoy. Uno utiliza la refrigeración para cristalizar las parafinas y solventes para diluir la porción de aceite suficientemente para permitirle una rápida filtración para separar la parafina del aceite. El otro proceso utiliza hidrocraqueo selectivo para romper las moléculas de parafinas en hidrocarburos más livianos. La parafina es el producto que mayores problemas provoca en la manufactura de aceites lubricantes. Su presencia en los lubricantes hace que el mismo no fluya libremente a bajas temperaturas, sin embargo, una vez separado, es un producto valioso de la refinería.

Desparafinado con solventes El desparafinado con solventes es el aprovechamiento más común para separar la parafina y su ventaja radica en qué cargas livianas y pesadas pueden ser cargadas alternativamente en la unidad de desparafinado con solvente. Materias Primas Petroquímicas – 2010 8

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Usualmente, la metil etil cetona (MEK), y solventes aromáticos, tales como el tolueno, son los más utilizados. El MEK hace que la parafina en el aceite paralice, mientras que el tolueno se usa para disolver el aceite, este es el principio de los procesos de fabricación y separación de parafina por inyección de solvente y enfriamiento. La mezcla de solvente, a una temperatura cuidadosamente controlada, se agrega en cantidades medidas a las cargas livianas y pesadas que contienen parafinas de forma tal que el enfriamiento produce la adecuada cristalización de la parafina. El aceite, la parafina, y la mezcla de solvente se enfría más allá de la temperatura a la cual se produce el punto de derrame del aceite desparafinado. Esta operación es completada en intercambiadores de calor de pared doble con rascadores de tubo. Se utiliza amoníaco o propano como refrigerante, el filtrado frío se bombea a través del intercambiador para maximizar el intercambio de calor. La mezcla enfriada es luego filtrada en filtros rotativos de vacío, en donde se mantienen uniformemente una tasa constante de alimentación fría. Dentro del filtro, un tambor gira dentro de la mezcla de aceite, parafina y solvente. La parafina de la mezcla forma una costra en el exterior del tambor y se lava continuamente con solvente enfriado para desplazar el aceite en la torta de parafina. Antes que la torta de parafina se separe, ésta se seca y se desprende con una corriente de gas frío. La solución de parafina, y la solución de aceite son destiladas para separar el solvente (para ser reutilizado) y proveer así parafina libre de solvente y aceite. Así, los dos productos son parafina libre de aceite y un aceite libre de parafina. El aceite libre de parafina debe pasar luego por una etapa de finalización para mejorarle su color y la estabilidad del color. La parafina libre de solvente se utiliza como carga del cracking catalítico o bien pasa a una etapa de desaceitado antes de venderse como parafina industrial.

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El aceite lubricante fabricado después de separar la parafina del destilado parafínico es el Neutral Stock, el cual tiene una viscosidad algo menor que un SAE 10. El aceite lubricante fabricado después de separar la parafina del Cylinder Stock es el Bright Stock, el cual tiene una viscosidad un poco mayor que un SAE 70. Los solventes, utilizados para precipitar hidrocarburos con un alto punto de fusión, para reducir la viscosidad de la fracción lubricante a la temperatura de cristalización y facilitar así la operación de filtración de la parafina. Un solvente desparafinado ideal debería caracterizarse por tener las siguientes características: • •

Buena solubilidad de las fracciones lubricantes de alto peso molecular. Mínima diferencia entre la temperatura de filtración y el punto de escurrimiento del aceite desparafinado.

Desafortunadamente, ninguno de los solventes conocidos da resultados satisfactorios en los tres aspectos citados. Los solventes que se emplean en el desparafinado de aceites lubricantes pueden ser divididos en dos grupos básicos: • •

Solventes simples. Mezclas de solventes precipitantes y disolventes.

Los solventes simples, que pueden ser empleados en el desparafinado de aceites lubricantes, son gasolina liviana y propano. La gasolina liviana como solvente precipita la parafina, pero no es selectivo y por lo tanto no es muy usado. Propano El porqué de su extraordinario empleo se debe a sus propiedades de fraccionamiento, y es el más popular de los solventes utilizados en las unidades desparafinadoras en las refinerías que producen aceites lubricantes. El propano tiene tres grandes ventajas en comparación con otros solventes: • Es un producto usualmente disponible como resultado de la refinación de crudos livianos, por lo tanto, este es relativamente barato. • El enfriamiento de la mezcla aceite–propano puede realizarse simplemente por vaporización de algún solvente reduciendo así sensiblemente los costos por enfriamiento. • La velocidad de filtración es relativamente alta debido a la menor viscosidad, aún a bajas temperaturas. • Por otro lado, le propano proporciona una diferencia bastante grande, entre la temperatura de filtración y el punto de escurrimiento del aceite desparafinado. Por ejemplo, para alcanzar el punto de escurrimiento de – 20 ºC la mezcla aceite–propano ha sido enfriada a unos –30/35ºC.

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Metil etil cetona (MEK) Es el más popular de los solventes, mezclado con benceno y/o tolueno. El MEK precipita muy eficientemente y selectivamente hidrocarburos parafínicos, pero desafortunadamente, al mismo tiempo es un pobre solvente de los hidrocarburos típicos para lubricantes. Por esta razón se agrega hasta un 20% de benceno y 20% de tolueno al MEK para mejorar la solubilidad del aceite en el solvente. El desparafinado con MEK tiene varias ventajas significativas: • Gradiente de temperatura excepcionalmente bajo. • Buena velocidad de filtración. • Bajo contenido de aceite en la parafina. • Baja pérdida de solvente. • Poco enfriamiento (el enfriamiento rápido debe ser empleado sobre un gran intervalo de tiempo).

Hidroterminado El hidroterminado de los cortes base para aceites lubricantes ya desparafinados se necesita para remover compuestos químicamente activos que afectan el color y la estabilidad del color de los aceites lubricantes. La mayoría de las operaciones de hidrotratamiento utilizan catalizadores Co-Mo y se operan la severidad fijada por la mejora de color necesaria. Los compuestos orgánicos nitrogenados afectan seriamente el color y su estabilidad, y su eliminación es el principal requerimiento de la operación. El flujo de proceso es el mismo que el de una unidad típica de hidrotratamiento. Las condiciones operativas representativas son:

Los rendimientos de aceite terminado rondan el 98% de la alimentación de aceite desparafinado.

BIBLIOGRAFÍA • • •

GARY, J.H., HANDWERK, G.E. Petroleum Refining. Technology and Economics. 4th Ed. New York (USA), Marcel Dekker, Inc., 2001. 441 p. CERUTTI, A.A. La Refinación del Petróleo. Tomo III. Buenos Aires (Argentina), IAPG. 143 p. MATERIAS PRIMAS PETROQUÍMICAS. Material de Cátedra. San Rafael, Mendoza (ARG), Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria, UNCuyo. Materias Primas Petroquímicas – 2010 11