Aprovechamiento y mejora de crudos extrapesados

Abstract

[ES] Durante la presente tesis doctoral se ha desarrollado un proceso de mejora parcial in-situ en superficie de un crudo extrapesado que ha permitido obtener un buen rendimiento a un crudo sintético que cumple con las especificaciones necesarias para ser transportado a través de un oleoducto, esto es, un crudo sintético con una gravedad API superior a 19, una viscosidad inferior a los 300 cSt y libre de asfaltenos. Además, se ha conseguido eliminar prácticamente el 99% en peso de los metales, níquel y vanadio, presentes en el crudo de partida, lo que facilita el posterior procesado de este crudo sintético en una refinería. Las reacciones necesarias para desarrollar este proceso se han llevado a cabo utilizado una unidad Micro-Downer (MDU). Dicha unidad consta de un reactor de lecho transportado descendente y permite obtener resultados a nivel de laboratorio similares a los que se obtendrían al procesar cualquier crudo en un reactor tipo FCC a escala industrial. Se han estudiado las condiciones de reacción (temperatura, tiempo de residencia y relación sólido a carga) más adecuadas para llevar a cabo el craqueo térmico de un crudo extrapesado en este tipo de reactores. Asimismo, se ha encontrado que entre varios materiales sólidos con diferentes propiedades ácidas y texturales, es con el caolín, una arcilla natural con un cierto grado de porosidad residual en su estructura cristalina, con el que se obtiene el mayor rendimiento a productos líquidos que cumplen los requisitos de densidad y viscosidad necesarios para poder ser transportados a través de un oleoducto. Estos resultados se han obtenido tras llevar a cabo la reacción en condiciones no severas (530ºC, 0,3 s de tiempo de residencia y una relación sólido a carga de 8 g g¿1), y que por tanto no requieren de un elevado gasto energético. En contrapartida, se ha detectado que con cada uno de los sólidos utilizados y en cualquiera de las condiciones de operación estudiadas, todos los crudos sintéticos recogidos son inestables con respecto a la floculación de los asfaltenos. Con el fin de subsanar esta limitación de la tesis doctoral, en el apartado siguiente se ha intentado eliminar la fracción de asfaltenos de los líquidos finales. Para ello se ha utilizado, ya sea como sustituto del caolín o como aditivo junto a él, un material sólido con actividad para el craqueo de fondo (BCA, del inglés Bottom Cracking Additive). De este modo se pretende eliminar esta fracción de asfaltenos mediante craqueo catalítico, dando lugar a la formación de otras fracciones más ligeras de crudo, y/o mediante reacciones de condensación dan- do lugar a la formación de coque. En este apartado ha quedado demostrado que la presencia de un cierto grado de acidez, aunque residual, en el sólido de intercambio de calor empleado para procesar un crudo extrapesado como el utilizado para realizar este estudio, conlleva un incremento en el rendimiento a coque cuya principal consecuencia es una importante bajada en el rendimiento a crudo sintético final sin que, en contrapartida, se consiga eliminar el problema de la presencia de asfaltenos en los líquidos finales. Tras comprobar que para obtener crudos sintéticos estables con respecto a la fioculación de los asfaltenos es necesario eliminar la fracción residuo, es decir, los hidrocarburos con puntos de ebullición superior a los 537ºC, el siguiente paso se ha centrado en encontrar una combinación de etapas con las que sea posible convertir, o reciclar hasta la extinción, esta fracción residuo. Con este fin se han ideado tres estrategias de procesos de mejora y se han llevado a cabo estimaciones teóricas que nos han permitido conocer la mejor estrategia de procesado para obtener el mayor rendimiento a crudo sintético estable. Finalmente, la validez de este nuevo procesos se ha estimado comparando estos resultados experimentales obtenidos a escala de laboratorio con los generados al procesar este mismo crudo extrapesado en una planta piloto de delayed coking.

[CA] Durant la present tesi doctoral s'ha desenvolupat un procés de millora parcial in-*situ en superfície d'un cru extrapesado que ha permès obtenir un bon rendiment a un cru sintètic que compleix amb les especificacions necessàries per a ser transportat a través d'un oleoducte, això és, un cru sintètic amb una gravetat API superior a 19, una viscositat inferior als 300 cSt i lliure de asfaltenos. A més, s'ha aconseguit eliminar pràcticament el 99% en pes dels metalls, níquel i vanadi, presents en el cru de partida, la qual cosa facilita el posterior processament d'aquest cru sintètic en una refineria. Les reaccions necessàries per a desenvolupar aquest procés s'han dut a terme utilitzat una unitat Micro-Downer (MDU). Aquesta unitat consta d'un reactor de llit transportat descendent i permet obtenir resultats a nivell de laboratori similars als que s'obtindrien en processar qualsevol cru en un reactor tipus FCC a escala industrial. S'han estudiat les condicions de reacció (temperatura, temps de residència i relació sòlid a càrrega) més adequades per a dur a terme el craqueig tèrmic d'un cru extrapesado en aquest tipus de reactors. Així mateix, s'ha trobat que entre diversos materials sòlids amb diferents propietats àcides i texturales, és amb el caolí, una argila natural amb un cert grau de porositat residual en la seua estructura cristal·lina, amb el qual s'obté el major rendiment a productes líquids que compleixen els requisits de densitat i viscositat necessaris per a poder ser transportats a través d'un oleoducte. Aquests resultats s'han obtingut després de dur a terme la reacció en condicions no severes (530 °C, 0,3 s de temps de residència i una relació sòlid a càrrega de 8 g g1), i que per tant no requereixen d'una elevada despesa energètica. En contrapartida, s'ha detectat que amb cadascun dels sòlids utilitzats i en qualsevol de les condicions d'operació estudiades, tots els crus sintètics arreplegats són inestables respecte a la floculació dels asfaltenos. Amb la finalitat d'esmenar aquesta limitació de la tesi doctoral, en l'apartat següent s'ha intentat eliminar la fracció de asfaltenos dels líquids finals. Per a això s'ha utilitzat, ja siga com a substitut del caolí o com a additiu al costat d'ell, un material sòlid amb activitat per al craqueig de fons (BCA, de l'anglès Bottom Cracking Additive). D'aquesta manera es pretén eliminar aquesta fracció de asfaltenos mitjançant craqueig catalític, donant lloc a la formació d'altres fraccions més lleugeres de cru, i/o mitjançant reaccions de condensació donen- do lloc a la formació de coc. En aquest apartat ha quedat demostrat que la presència d'un cert grau d'acidesa, encara que residual, en el sòlid d'intercanvi de calor emprada per a processar un cru extrapesado com l'utilitzat per a realitzar aquest estudi, comporta un increment en el rendiment a coc la principal conseqüència del qual és una important baixada en el rendiment a cru sintètic final sense que, en contrapartida, s'aconseguisca eliminar el problema de la presència de asfaltenos en els líquids finals. Després de comprovar que per a obtenir crus sintètics estables respecte a la fioculación dels asfaltenos és necessari eliminar la fracció residu, és a dir, els hidrocarburs amb punts d'ebullició superior als 537 °C, el següent pas s'ha centrat en trobar una combinació d'etapes amb les quals siga possible convertir, o reciclar fins a l'extinció, aquesta fracció residu. A aquest efecte s'han ideat tres estratègies de processos de millora i s'han dut a terme estimacions teòriques que ens han permès conèixer la millor estratègia de processament per a obtenir el major rendiment a cru sintètic estable. Finalment, la validesa d'aquest nou processos s'ha estimat comparant aquests resultats experimentals obtinguts a escala de laboratori amb els generats en processar aquest mateix cru extrapesado en una planta pilot de delayed coking.

[EN] During this doctoral thesis it has been developed an in-situ extra-heavy crude oil partial upgrading process that has allowed to obtain a good yield to a synthetic crude oil that meets the requirements of density and viscosity to be transported through a pipeline, that is, a synthetic crude with an API gravity grater than 19, a viscosity of less than 300 cSt and free of asphaltenes. Furthermore, practically all the metals, nickel and vanadium, have been removed from the starting extra-heavy crude oil, which greatly facilitates the further processing of this syncrude in a refinery. In order to develop this process a study has been conducted to determine the ideal reaction conditions (temperature, residence time and solid to oil ratio) to carry out the thermal cracking reaction of an extra-heavy crude oil in a downflow transported bed reactor. Moreover, it has been found that among several solid materials with different acidities and textural properties, it is the Kaolín, a natural clay with a small degree of porosity in its crystalline structure, which yields the largest amount of synthetic crude with the density and viscosity values required to be transported through an oil pipeline. These results have been obtained after performing the reaction under non-severe conditions (530ºC, 0.3 seconds and 8g g¿1) and therefore do not require a high energy expenditure. However, the liquids collected after each of the reactions carried out are unstable with respect to asphaltene flocculation, regardless of the solid heat exchanger or the reaction conditions used. To overcome this shortcoming, the next step has focused on eliminating asphaltenes from the synthetic crude. To do so, it has been employed, either alone or as an additive together with kaolin, a heat exchange solid with a certain grade of activity to performe the catalytic cracking of heavy molecules (BCA, Bottom Cracking Additive). This would allow asphaltenes removal by means of catalytic cracking reactions, giving rise to lighter hydrocarbons formation, and/or by means of condensation reactions, giving rise to coke formation. In this section it has been concluded that, due to the characteristics of the composition of the extraheavy crude oil used in the present study, the presence of any kind of acidity on the solid used as heat exchanger lead to a such increase in coke yield, with the concomitant reduction in the yield to syncrude, that made its used inadvisable. In addition, asphaltene flocculation continues to be observed within the reduced amount of liquids collected. So that, after assuming that in order to obtain stable liquids respect asphaltenes flocculation it is mandatory to get a syncrude free of residue fraction, hydrocarbon products with boiling points higher than 537ºC, in the next section has been analyzed the combination of different process steps to either thermally convert or recycle to extinction this heavy hydrocarbons fraction. Three different strategies of improvement processes have been schematized and the best one to produce the greatest amount of stable synthetic crude has been determined through theoretical calculations. Finally, this new partial upgrading process has been assessed by comparing these results obtained experimentally in the laboratory with the ones obtained after processing the same extraheavy crude oil in a Delayed Coking pilot plant.