Impacto de una mala operación de la desaladora de petróleo en el catalizador de la UFCC

INTRODUCCIÓN

En el complejo proceso de refino de petróleo, la desaladora, localizada en la unidad de destilación, desempeña un papel fundamental en la remoción de sales e impurezas del petróleo bruto, protegiendo los equipos y garantizando la eficiencia del proceso. Entretanto, su importancia va más allá de su función en la unidad de destilación, afectando también a la unidad de Craqueo Catalítico Fluidizado (UFCC). Problemas operacionales en la desaladora pueden comprometer la calidad del petróleo, interferir en la carga de la UFCC y contaminar el catalizador que puede impactar negativamente la producción y la calidad de los productos de la unidad.

¿Cuál es el objetivo de la desaladora de petróleo?

El objetivo de la desaladora (Figura 1) es disminuir el BS&W (basic sediment and water) y otros minerales del petróleo crudo por medio de lavado con agua. Esa remoción incluye:

• Sales: Principalmente cloruros y sulfatos de sodio (Na), potasio (K), calcio (Ca) y magnesio (Mg);
• Sedimentos: Como limo (tipo de suelo), arena, lodo, óxido de hierro y sulfuros;
• Agua: Presente en la forma soluble, emulsionada y finamente dispersa.

^{Figura 1: Diseño esquemático del equipo desaladora. Fuente: modificado de RAJ, V.}

Remover impurezas indeseables del petróleo bruto antes de procesarlo en la unidad de destilación es imprescindible, pues:

• Impurezas inorgánicas tales como cloruros de sodio, calcio y magnesio, pueden causar incrustaciones en las áreas donde ocurre el cambio de fase de agua para vapor ⁽³⁾ (intercambiadores de calor, bandejas de columna etc.) y pueden causar corrosión;
• Ácido clorhídrico (HCl) es formado por la descomposición de los cloruros de magnesio y calcio a altas temperaturas (cerca de 350 °C) causa corrosión en equipos resultando en una vida útil menor de lo que se espera ⁽³⁾;
• Arena o lodo presentes en el petróleo bruto pueden damnificar bombas y sistemas de tuberías, exigiendo más mantenimiento.

¿Cuáles son las variables que afectan la eficiencia de la desaladora?

Existen algunos factores que afectan la eficiencia de la desaladora tales como ⁽²⁾:

• Temperatura: La mezcla de petróleo bruto y agua debe tener una temperatura óptima para no afectar los rangos operacionales de viscosidad y densidad del petróleo que comprometan la eficiencia de la desalación; 
• Agua de lavado: Agua dulce debe ser inyectada en cantidad suficiente para la disolución del contenido de sal (de 4 a 8% v/v) ⁽²⁾; 
• Valor del pH del Agua de Lavado: Es necesario mantener el valor del pH del agua de lavado en 7 para mantener la eficiencia (no afectar la conductividad del agua);
• Nivel de la Interface Agua-Petróleo: Este nivel debe ser mantenido constante, para evitar arrastre de agua para el aceite o arrastre de aceite para el agua. Emulsiones pueden dificultar el control de la interface;
• Caída de Presión en la Válvula de Mezcla: Alta caída de presión resulta en la formación de una emulsión fina estable, consecuentemente, en un mejor lavado. Entretanto, si la caída de presión fuera excesiva, la emulsión puede ser difícil de quebrar;
• Densidad del Petróleo: Desalar petróleos pesados es un desafío mayor para los refinadores, una vez que la menor diferencia de densidad entre las fases acuosa y aceitosa hace difícil la separación, además del mayor contenido de compuestos que estabilizan las emulsiones en petróleos más pesados (asfaltenos, por ejemplo)⁽⁹⁾;
• Productos Químicos Desemulsificantes: La naturaleza del agente desemulsificante afecta la eficacia de la separación del agua del petróleo.

UFCC y contaminación del catalizador: ¿cuál es la relación con la desaladora?

Una baja eficiencia en la desaladora de la unidad de destilación comprometerá el desempeño del catalizador de la UFCC, al introducir más contaminantes en la carga y elevar los tenores de impurezas en el catalizador, especialmente de:

• Sodio;
• Calcio;
• Potasio;
• Magnesio;
• Cloruros.

Contaminantes del catalizador de UFCC y sus efectos

Metales Alcalinos (Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio)

El sodio presente en el catalizador de equilibrio es la suma del sodio de la carga y del catalizador fresco: 

La producción del catalizador fresco presenta una cantidad mínima de sodio fácilmente identificada por los análisis del fabricante. Sin embargo, el exceso de sodio contaminante proveniente de otros orígenes puede causar efectos deletéreos al catalizador:

• Hace que la estructura cristalina colapse a temperaturas más bajas (ese proceso es análogo al uso de sal para reducir la temperatura de fusión del hielo) (1) y causa reducción de área específica;
• Es un contaminante potente e irreversible que desactiva el catalizador neutralizando los sitios ácidos casi que instantáneamente;
• La pérdida de actividad de la zeolita significa conversiones más bajas, y mayor producción de fondos, además de pérdida de octanaje de la nafta. ⁽¹⁾
• Tiene actuación sinérgica con el vanadio, juntos pueden aumentar la destrucción de la zeolita en mayor efecto del que cuando separados;

La interacción del sodio con vanadio - además de vapor y alta temperatura presentes en el conversor de la UFCC - da origen a compuestos de bajo punto de fusión, conforme puede ser visto en la Tabla 1, lo que facilita la movilidad del vanadio y contribuye para el colapso de la estructura cristalina de la zeolita.

^{Tabla 1: Contaminantes del catalizador en la presencia de sodio y sus puntos de fusión (ELIZA, D. Análises de ecat,2023).}

La contaminación por calcio causa la desactivación del catalizador de la UFCC al neutralizar los sitios ácidos, de manera similar al sodio, y al disminuir la estabilidad hidrotermal, lo que lleva al colapso de la estructura de la zeolita. ⁽⁵⁾

El magnesio actúa de manera menos agresiva que el sodio para reducir la actividad. El envenenamiento por potasio es raro y su efecto es también es similar al del sodio, sin embargo, en menor extensión ^(1).

Cloruros

A pesar de no depositarse y no afectar el catalizador en sí, los cloruros presentan dos principales efectos deletereos en la UFCC:

• Catalizador: presencia de cloruros puede reactivar especies ya pasivadas de níquel en el catalizador aumentando los rendimientos de coque e hidrógeno de la unidad ⁽⁴⁾;
• Corrosión en equipos: los cloruros se transforman en ácido clorhídrico (HCl) cuando llegan al riser que tiende a la formación de NH₄Cl (cloruro de amonio) en el sistema superior de la fraccionadora. El NH₄Cl se deposita en platos e intercambiadores de calor ⁽⁶⁾ causando incrustación y corrosión;

La acción de esos contaminantes refuerza la importancia de monitorear continuamente la calidad de la carga y del ecat por medio de análisis frecuentes, pues causan efectos perjudiciales a la UFCC como un todo.

Referencias bibliográficas

1. LETZSCH, Warren S. Deactivation of FCC catalysts. Digital Refining, jul. 2022. Disponible en: https://www.digitalrefining.com/article/1003121/deactivation-of-fcc-catalysts. Accedido en: 25 jul. 2024.
2. RAJ, Vaibhav. Crude Oil desalter: Purpose, Working, Types, Parts, variables. All about piping, Mechanical Engineering. Disponible en: https://www.allaboutpiping.com/what-is-desalter/. Accedido en: 26 jul. 2024.
3. PEREIRA, J. et al. Crude Oil Desalting Process. Advances in Petrochemicals. InTech, 2015. Disponible en: http://dx.doi.org/10.5772/61274. Accedido en: 26 jul. 2024.
4. SENTER, Corbett, et al. Role of chlorides in reactivation of contaminant nickel on fluid catalytic cracking (FCC) catalysts. Applied Catalysis A: General, Volume 611,2021. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926860X20305718. Accedido en: 30 jul. 2024.
5. BAI, Peng et al. Fluid catalytic cracking technology: current status and recent discoveries on catalyst contamination. Catalysis Reviews 61 (2018): 333 - 405. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/01614940.2018.1549011. Accedido en: 30 jul. 2024.
6. DIAMANTE, Eliza. Integração de Unidades de Refino com o FCC: Destilação e Hidrodessulfurização de Naftas. FCC S.A. Artigo, 2024. Disponible en: https://www.fccsa.com.br/pt/fcc-connect/todas-publicacoes/integracao-de-unidades-de-refino-com-o-fcc-destila/. Acesso em 30 jul. 20024 
7. BERNOIT, B and ZURLO, J. Overcoming the challenges of tight/shale oil refining. Digital Refining, abr. 2014. Disponible en: https://www.digitalrefining.com/article/1000979/overcoming-the-challenges-of-tight-shale-oil-refining. Accedido en: 31 jul. 2024
8. MEIRA, A. S. e LUCENA, S. C. Características e Aspectos Econômicos do Refino de Petróleo. IBP – Instituto Brasileiro de Petróleo, Gás e Biocombustíveis, mar. 2014.
9. SILVA, M. W. da S. A short guide of problem solving for crude oil refining processes. Linkedin Publication, out. 2023. Disponible en: https://www.linkedin.com/pulse/short-guide-problem-solving-crude-oil-refining-da-silva-mba--qlfyf. Accedido en: 31 Jul.2024
10. DIAMANTE, Eliza. Análises de e-cat. Material interno FCC S.A., 2023.