Cómo funciona una refinería de petróleo
(construction-physics.com)- Una refinería transforma el crudo, una mezcla de miles de sustancias químicas, en productos como gasolina, diésel, combustible para aviones y lubricantes mediante procesos de destilación, craqueo, reformado y tratamiento
- La primera etapa clave, la destilación atmosférica, divide el crudo en varias fracciones aprovechando que cada molécula tiene un punto de ebullición distinto; el crudo que entra a la refinería se desala y luego se calienta hasta unos 650~750°F
- Las fracciones pesadas se convierten en moléculas más ligeras y valiosas mediante craqueo catalítico, destilación al vacío, craqueo térmico y coquización, y su estructura y calidad también se ajustan con reformado catalítico, isomerización e hidrotratamiento
- La refinería Chevron Richmond puede procesar unas 250 mil barriles por día y produce varios derivados del petróleo combinando equipos de destilación atmosférica, destilación al vacío, craqueo catalítico y reformado catalítico
- La capacidad de una refinería no se refleja por completo solo con el volumen procesado por día; el Nelson Complexity Index muestra qué tan capaz es de producir una variedad de productos refinados de alto nivel según la capacidad de cada proceso y su coeficiente de complejidad
Estructura básica del petróleo y la refinación
- El mundo consume más de 100 millones de barriles de petróleo al día, y en 2023 el petróleo representó el 30% del uso mundial de energía, la mayor proporción entre las fuentes individuales
- En la fabricación de químicos, la participación del petróleo y el gas es aún mayor: el 90% de las materias primas químicas proviene del petróleo o del gas
- El crudo, cuando sale de la tierra, es una mezcla compleja de miles de sustancias químicas, y la refinería convierte esa mezcla en químicos y productos realmente utilizables
- Las grandes refinerías ocupan terrenos de miles de acres, cuestan miles de millones de dólares construirlas y procesan cientos de miles de barriles de crudo al día
- El crudo es principalmente un líquido formado a lo largo de millones de años a partir de materia orgánica como plancton y algas que se asentaron en antiguos fondos marinos y luego quedaron cubiertos por sedimentos
- La mayor parte de los componentes del crudo son hidrocarburos, desde moléculas simples como el propano hasta moléculas complejas como los asfaltenos, que pueden contener miles de átomos
- En sentido estricto, los asfaltenos no son hidrocarburos puros; aunque están compuestos sobre todo de carbono e hidrógeno, también pueden incluir otros átomos como azufre o metales pesados
- La composición del crudo varía según su origen: el crudo pesado de lugares como las arenas bituminosas de Canadá contiene más moléculas pesadas, mientras que el crudo ligero de sitios como el campo Ghawar de Arabia Saudita contiene más moléculas ligeras
- Los crudos dulces como el del campo Brent del Mar del Norte tienen bajo contenido de azufre, mientras que los crudos agrios como algunos del Golfo de México tienen alto contenido de azufre
Cómo se separa el crudo mediante destilación
- El proceso más importante de una refinería es la destilación, que aprovecha que las distintas moléculas del crudo hierven y vuelven a condensarse como líquido a diferentes temperaturas
- Las moléculas pequeñas y ligeras hierven y se condensan a temperaturas bajas, mientras que las grandes y pesadas lo hacen a temperaturas más altas
- El rango de ebullición del crudo puede representarse con una curva de destilación; en una curva de ejemplo, aproximadamente la mitad del crudo hierve a unos 350°C y cerca del 80% hierve a 525°C
- La gasolina no es una sola sustancia química, sino una mezcla de hidrocarburos con entre 4 y 12 átomos de carbono
- La EIA define la gasolina terminada como una sustancia con un rango de ebullición de 122~158°F en el punto de recuperación del 10% y de 365~374°F en el punto de recuperación del 90%
- El punto de recuperación es la temperatura a la que se recolecta una determinada proporción del líquido después de haberse vaporizado
- El crudo que entra a la refinería primero se desala y luego se calienta hasta unos 650~750°F, con lo que la mayor parte se convierte en vapor
- El vapor entra en una torre de destilación alta con bandejas que contienen líquido a distintas alturas, y al ascender atraviesa el líquido de cada bandeja y se enfría gradualmente
- Las moléculas más pesadas se condensan primero en la parte inferior de la torre, las más ligeras se condensan después en niveles más altos, y las más ligeras de todas permanecen en estado gaseoso hasta salir por la parte superior
- Las moléculas más pesadas de todas permanecen líquidas desde el inicio y salen por el fondo de la torre, lo que permite separar moléculas de distintos pesos
- Casi todas las refinerías primero dividen el crudo en varias fracciones dentro de una torre de destilación, y como esta primera etapa ocurre a presión atmosférica, se llama destilación atmosférica
Principales procesos de refinación
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Planta de gas
- El gas que sale por la parte superior de la torre de destilación atmosférica es una mezcla de varias moléculas ligeras, como propano, metano, butano e isobutano
- La refinería puede enviar esta mezcla a una planta de gas, compuesta por varias torres de destilación, para separarla
- Por ejemplo, una debutanizing tower separa butano, propano y gases más ligeros del resto de la mezcla, y una depropanizing tower separa el propano del butano
- La mayor parte del gas que se envía a la planta de gas no tiene enlaces dobles; como los hidrocarburos sin enlaces dobles son hidrocarburos saturados con la máxima cantidad de átomos de hidrógeno, este tipo de instalación se llama sats gas plant
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Craqueo catalítico
- Del fondo de la torre de destilación sale un líquido pesado, y las moléculas más pesadas que no se evaporaron en ningún momento del proceso de destilación se llaman residuo
- Muchas moléculas pesadas no tienen mucho valor por sí solas, por lo que una función clave de la refinería es el craqueo, que rompe fracciones pesadas como el combustóleo para convertirlas en fracciones más ligeras y valiosas como la gasolina
- El craqueo se inventó a principios del siglo XX para obtener más gasolina de cada barril de crudo, en respuesta al aumento de la demanda causado por el uso del automóvil
- Hoy en día, la mayoría de las refinerías utilizan craqueo catalítico, mezclando las fracciones pesadas provenientes de la destilación atmosférica con un catalizador y aplicando calor y presión para dividir las moléculas pesadas en otras más ligeras
- Luego, unos separadores ciclónicos extraen el catalizador pesado de la mezcla para limpiarlo y reutilizarlo, y el aceite craqueado que puede evaporarse vuelve a enviarse a una torre de destilación para separarlo en varias fracciones
- La mayor parte del craqueo catalítico es craqueo catalítico fluidizado, que usa un catalizador parecido a la arena y que, al mezclarse con fracciones pesadas, se comporta como un fluido
- Cada empresa ha desarrollado procesos distintos de craqueo catalítico fluidizado, y una misma refinería puede usar varios craqueadores catalíticos en distintos puntos del proceso
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Destilación al vacío
- A temperaturas elevadas pueden ocurrir reacciones de craqueo incluso dentro de la torre de destilación, pero como el craqueo interfiere con la destilación, las refinerías limitan la temperatura de la destilación atmosférica a unos 650~750°F
- Por esta limitación, en el fondo de la torre queda una mezcla de hidrocarburos pesados que no llegó a hervir
- Para separar más esta mezcla habría que elevar aún más la temperatura, pero entonces podría comenzar el craqueo, por lo que es difícil procesarla solo con destilación atmosférica
- La solución es enviar la mezcla a una torre de destilación separada con presión baja, cercana al vacío, en un proceso llamado destilación al vacío o vacuum flashing
- A menor presión, también baja el punto de ebullición, por lo que las fracciones pesadas pueden destilarse sin calentarlas hasta el punto en que comenzaría el craqueo
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Craqueo térmico y coquización
- Algunas fracciones pesadas obtenidas de la destilación al vacío pueden enviarse directamente a unidades de craqueo catalítico para convertirlas en moléculas más ligeras
- Las moléculas más pesadas que salen por el fondo de la torre de vacío pueden contener metales pesados que contaminan el catalizador o formar fácilmente coque que lo obstruye, por lo que no son adecuadas para el craqueo catalítico
- Para romper estas moléculas extremadamente pesadas, algunas refinerías usan procesos de craqueo térmico, que separan las moléculas mediante calor
- Un coquer es una unidad de craqueo térmico que divide las moléculas más pesadas en moléculas más ligeras y coque
- Las moléculas ligeras se envían a torres de destilación para separarlas, y el coque puede quemarse como combustible o usarse como insumo industrial, por ejemplo en electrodos para fundición de aluminio
- El visbreaking es una forma de craqueo térmico que rompe parte de las moléculas y reduce la viscosidad de la fracción restante
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Procesos que cambian la estructura molecular
- El reformado catalítico expone la fracción de nafta, cuyo punto de ebullición está aproximadamente entre 122°F y 400°F, al calor y la presión en presencia de un catalizador para producir una nueva mezcla de sustancias químicas llamada reformate, utilizada en la fabricación de gasolina
- La isomerización cambia la disposición física de moléculas como el butano para producir isómeros, que tienen la misma fórmula química pero una estructura diferente
- El hidrotratamiento hace reaccionar fracciones del petróleo con hidrógeno en presencia de un catalizador para eliminar impurezas y mejorar la calidad
- El hidrocraqueo combina hidrotratamiento y craqueo catalítico, mientras que la conversión por hidrógeno del residuo combina hidrotratamiento y craqueo térmico
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Instalaciones de almacenamiento
- Las refinerías cuentan con parques de tanques capaces de almacenar millones de galones de líquidos para guardar entradas y salidas de varios procesos
- Gases como el propano y el butano suelen almacenarse como líquidos comprimidos en tanques superficiales, cavernas subterráneas o domos salinos
Disposición de procesos en la refinería Chevron Richmond
- La refinería Chevron Richmond es una refinería mediana a grande ubicada en Richmond, California, con capacidad para procesar unas 250 mil barriles de crudo por día
- La mitad sur del terreno está ocupada por el parque de tanques, y el área de procesamiento se distribuye rodeando los lados norte y este
- Chevron Richmond tiene una capacidad de aproximadamente 257 mil barriles de destilación atmosférica, 123 mil barriles de destilación al vacío, 90 mil barriles de craqueo catalítico y 71 mil barriles de reformado catalítico
- Chevron Richmond no tiene capacidad de coquización, pero la refinería Chevron El Segundo de Los Ángeles sí cuenta con unidades de coquización
- El informe detallado de impacto ambiental que Chevron presentó cuando remodeló de forma importante esta refinería incluye diagramas de flujo del proceso, como parte del cumplimiento de la legislación ambiental de California
- El proceso de refinación comienza con la destilación atmosférica, pero parte del heavy gas oil se procesa saltándose la destilación
- Las fracciones separadas por la destilación atmosférica se envían a otros procesos: los gases ligeros van a la planta de gas, y la nafta pasa a hidrotratamiento, reformado catalítico e isomerización
- El combustible para aviones y el diésel se envían a sus respectivos procesos de hidrotratamiento, y las fracciones más pesadas se mandan a varios procesos de craqueo catalítico
- Los productos finales incluyen combustóleo, diésel, combustible para aviones, lubricantes, gasolina y otros derivados del petróleo
Capacidad y complejidad de refinación
- En Estados Unidos hay 132 refinerías operables, que en conjunto pueden refinar más de 18 millones de barriles de crudo por día
- Las refinerías estadounidenses están fuertemente concentradas en la costa del Golfo de Texas y Luisiana, y también hay agrupaciones en Nueva Jersey, el Medio Oeste y California
- Chevron Richmond es grande incluso dentro de Estados Unidos, pero no está entre las más grandes; alrededor de una quinta parte de las refinerías del país son de tamaño similar o mayor
- En Estados Unidos hay 6 refinerías que pueden refinar más de 500 mil barriles por día, es decir, más del doble del tamaño de Chevron Richmond
- La refinería de Jamnagar en India es la refinería más grande del mundo por capacidad de procesamiento primario y puede refinar 1.4 millones de barriles de crudo por día
- El número de barriles procesados por día esencialmente indica la capacidad de destilación atmosférica, por lo que no basta por sí solo para mostrar qué productos puede fabricar realmente una refinería
- Una refinería simple puede tener solo destilación atmosférica, mientras que una refinería compleja cuenta con largas cadenas de procesos para producir una variedad de productos refinados de mayor nivel
- El Nelson Complexity Index calcula la complejidad multiplicando la capacidad de cada proceso de una refinería por un coeficiente de complejidad que compara su costo con el de la destilación atmosférica, y luego dividiendo el resultado entre la capacidad de destilación atmosférica
- Por ejemplo, en una refinería con 100 mil barriles de destilación atmosférica y 50 mil barriles de destilación al vacío, si el coeficiente de complejidad de la destilación al vacío es 2, el índice sería
1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2 - Si además se agregan 25 mil barriles de craqueo catalítico con un coeficiente de complejidad de 6, el índice sube a
1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5 - Las refinerías estadounidenses suelen ser complejas: en 2014, menos del 3% tenía un índice de complejidad de 2 o menos, y el promedio era de 8.7
- En 2014, el índice de complejidad de Chevron Richmond era 14, por encima del promedio de Estados Unidos
- La refinería de Jamnagar no solo es la más grande del mundo, sino que además tiene un índice de complejidad de 21, un nivel de complejidad superior al de casi todas las refinerías de Estados Unidos
El significado industrial de la escala
- La disposición de los procesos de refinación puede ser muy compleja, pero muchos procesos individuales son, en términos conceptuales, sorprendentemente simples
- La refinación es costosa no solo por la complejidad de los procesos en sí, sino porque el volumen de material que debe procesarse es enorme
- La refinería Chevron Richmond tiene el tamaño de una ciudad pequeña y puede procesar toda la carga de crudo de un Very Large Crude Carrier en poco más de una semana
- Chevron Richmond no es una refinería particularmente grande; en Estados Unidos hay 25 refinerías de tamaño igual o mayor, y 6 que son más del doble de grandes
- Para sostener la demanda mundial de petróleo se necesitarían unas 400 refinerías del tamaño de Richmond
- Estados Unidos consume más de 20 millones de barriles de petróleo al día, y hacer posible ese consumo requiere enormes complejos de refinación
1 comentarios
Comentarios en Hacker News
Hubo dos cosas que se me quedaron grabadas. Aunque la planta estaba operando normalmente, casi no vi a otras personas mientras caminábamos por las instalaciones y recorríamos el lugar en auto; el personal estaba solo en la sala de control, y ni siquiera ellos parecían muy ocupados.
La otra fue que casi no había olor. La planta estaba cerca de una zona residencial de alto nivel, así que si se escapaba olor a azufre u otros gases eso podía terminar en quejas y multas, y parte de los documentos que estaba traduciendo en ese momento trataban sobre sistemas de detección y prevención de emisiones de malos olores. Si mal no recuerdo, la gente caminaba periódicamente por el perímetro de la planta y por el vecindario cercano para comprobarlo con el olfato, y el día de la visita solo se percibía olor a petróleo cerca de la torre de refinación; en el resto, lo único que se olía era la bahía de Tokio.
Al final, parece depender mucho del poder económico de la comunidad vecina.
Esta planta fue la más grande del mundo durante más de 10 años y, al verla en persona, de verdad se siente como una maravilla del mundo. Es un resultado increíble de la perseverancia y la ingeniería, y me dio gusto ver este post en la portada de HN; además, está muy bien escrito.
Los sueños son sueños, pero haber levantado realmente una instalación de producción tan gigantesca y a esa escala es un logro extraordinario. Debió requerir una enorme determinación, dedicación, fuerza en todos los sentidos y talento de primer nivel.
Al principio trabajaba en una torre de destilación y luego pasó a desulfuración de diésel. Ojalá no hubiera sido así, pero era un trabajo peligroso, y estuvo a punto de verse involucrado en varios accidentes, incluyendo un terrible incendio de nafta que costó muchas vidas.
Es interesante cómo los grandes conglomerados asiáticos y las EPC están dominando cada vez más la cadena petroquímica, y cómo una industria que antes lideraba Estados Unidos se está volviendo más dependiente de esos socios. Es un cambio enorme en apenas 25 años.
[0] - https://www.bloomberg.com/news/articles/2026-03-11/reliance-...
https://news.ycombinator.com/item?id=43761572
https://archive.is/kLFxg
Y de ahí lleva otra vez a “Planet Money Buys Oil”.
https://www.npr.org/sections/money/2016/08/26/491342091/plan...
https://www.myabandonware.com/game/simrefinery-e65
En realidad fue hecho para Chevron.
Y también está el manual.
https://archive.org/details/sim-refinery-tour-book_202006/mo...
Entiendo que la viabilidad económica importa muchísimo, y que hoy por hoy resulta más rentable quemar una gran parte del crudo. Pero con la inversión adecuada y un poco de suerte, esa economía puede cambiar, y me gustaría ver que eso pase.
Además, supuestamente la etimología viene del acadio. ¿Cuántas palabras en acadio conoce uno siquiera?
Me pregunto si todavía simplemente queman ese gas.
El metano que sale como subproducto de la producción petrolera muchas veces se quema porque el volumen es demasiado pequeño como para justificar montar la infraestructura y la cadena de suministro necesarias. También puede pasar que el fluido esté muy contaminado con compuestos de azufre y similares, lo que encarece mucho su refinación, o que la producción sea inestable o intermitente y no permita sostener un proceso continuo.
De todos modos, hoy en día existen sistemas de recuperación de gas de antorcha, y normalmente se usan para generación eléctrica en sitio dentro de la propia refinería.
Un efecto secundario lamentable es que lastima aves, sobre todo rapaces. Les gusta posarse en las antorchas y, cuando se encienden de repente, con suerte solo se les dañan las plumas y luego tienen que ser rescatadas y rehabilitadas. Se podría reducir si las torres se diseñaran para que sea difícil posarse en ellas, pero no siempre se hace.
Para volverlo útil habría que licuar ese gas o reunirlo por tubería. Recuerdo haber leído que las refinerías modernas aprovechan el gas en lugar de hacer flareo, pero no tengo claro exactamente cómo lo hacen.