Destilación fraccionada

El proceso primario para separar los componentes de hidrocarburos del petróleo crudo es la destilación fraccionada. Los destiladores de petróleo crudo separan el petróleo crudo en fracciones para su posterior procesamiento en unidades tales como reformadores catalíticos, unidades de craqueo, unidades de alquilación o coquizadores. A su vez, cada una de estas unidades de procesamiento más complejas también incorpora una torre de destilación fraccionada para separar sus propios productos de reacción.

Las unidades de destilación modernas de petróleo crudo operan de forma continua durante largos períodos de tiempo y son mucho más grandes que las unidades de destilación fraccionada empleadas en la industria química u otras industrias. Las tasas de proceso se delinean comúnmente en barriles estadounidenses; las unidades capaces de procesar 100,000 barriles por día son comunes, y las unidades más grandes son capaces de cargar más de 200,000 barriles por día.

Los principios de funcionamiento de una unidad de destilación moderna de petróleo crudo se muestran en la figura. El petróleo crudo se extrae de los tanques de almacenamiento a temperatura ambiente y se bombea a una velocidad constante a través de una serie de intercambiadores de calor para alcanzar una temperatura de aproximadamente 120 °C (250 °F). Se introduce una cantidad controlada de agua dulce y la mezcla se bombea a un tambor de desalinización, donde pasa a través de un campo eléctrico y se separa una fase de agua salada. (Si la sal no se eliminara en esta etapa, se depositaría más tarde en los tubos del horno y causaría taponamiento.) El petróleo crudo desalado pasa a través de intercambiadores de calor adicionales y luego a través de tubos de aleación de acero en un horno. Allí se calienta a una temperatura entre 315 y 400 °C (600 y 750 °F), dependiendo del tipo de petróleo crudo y los productos finales deseados. Una mezcla de vapor y aceite no evaporizado pasa del horno a la columna de fraccionamiento, una torre cilíndrica vertical de hasta 45 metros (150 pies) de altura que contiene de 20 a 40 bandejas de fraccionamiento espaciadas a intervalos regulares. Las bandejas de fraccionamiento más comunes son del tipo de tamiz o válvula. Las bandejas de tamiz son placas perforadas simples con orificios pequeños de aproximadamente 5 a 6 mm (0,2 a 0,25 pulgadas) de diámetro. Las bandejas de válvula son similares, excepto que las perforaciones están cubiertas por pequeños discos metálicos que restringen el flujo a través de las perforaciones en ciertas condiciones de proceso.

Los vapores de aceite se elevan a través de la columna y se condensan en un líquido en un condensador refrigerado por agua o aire en la parte superior de la torre. Una pequeña cantidad de gas permanece sin condensar y se canaliza al sistema de combustible y gas de la refinería. Una válvula de control de presión en la línea de combustible y gas mantiene la presión de la columna de fraccionamiento en la cifra deseada, generalmente cerca de una presión de atmósfera estándar, medida como aproximadamente 1 bar, 100 kilopascales (kPa) o 15 libras por pulgada cuadrada (psi). Parte del líquido condensado, llamado reflujo, se bombea de nuevo a la parte superior de la columna y desciende de bandeja en bandeja, en contacto con los vapores ascendentes a medida que pasan a través de las ranuras de las bandejas. El líquido absorbe progresivamente los componentes más pesados del vapor y, a su vez, deja los componentes más ligeros a la fase de vapor. La condensación y la reevaporación tienen lugar en cada bandeja. Finalmente se alcanza un equilibrio en el que hay una gradación continua de la temperatura y las propiedades del aceite en toda la columna, con los componentes más ligeros en la bandeja superior y los más pesados en la inferior. El uso de bandejas de contacto de reflujo y vapor-líquido distingue la destilación fraccionada de las columnas de destilación simples.

Los productos intermedios, o «líneas secundarias», se retiran en varios puntos de la columna, como se muestra en la figura. Además, las unidades modernas de destilación de crudo emplean corrientes de reflujo intermedias. Las corrientes laterales se conocen como productos intermedios porque tienen propiedades entre las del producto superior o superior y las de los productos que salen de la base de la columna. Los rangos de ebullición típicos para varias corrientes son los siguientes: la luz directamente nafta (sobrecarga), 20-95 °C (70-200 °F); heavy naphtha (parte superior sidestream), 90-165 °C (195– 330 °F); crudo de petróleo (segunda sidestream), 150-245 °C (300-475 °F); luz de gas de petróleo (tercera sidestream), 215-315 °C (420-600 °F).

El aceite no evaporizado que entra en la columna fluye hacia abajo sobre un conjunto similar de bandejas en la parte inferior de la columna, llamadas bandejas de extracción, que actúan para eliminar cualquier componente ligero que quede en el líquido. Se inyecta vapor en la parte inferior de la columna para reducir la presión parcial de los hidrocarburos y ayudar en la separación. Por lo general, se retira una sola corriente lateral de la sección de extracción: gasóleo pesado, con un rango de ebullición de 285-370 °C (545-700 °F). El residuo que pasa desde la parte inferior de la columna es adecuado para mezclarse en combustibles industriales. Alternativamente, se puede seguir destilando en condiciones de vacío para obtener cantidades de aceites destilados para su fabricación en aceites lubricantes o para su uso como materia prima en un proceso de craqueo de gasóleo.