academia mexicana de ingenieria de... · 2011-07-06 · tratamiento frontal de crudos pesados antes...

ACADEMIA MEXICANA DE INGENIERIA

M E X I C O

PRODUCCION DE ENERGIA LIMPIA, UNA ESTRATEGIA DE DESARROLLO

SUSTENTABLE PARA PETROLEOS MEXICANOS

ESPECIALIDAD: INGENIERIA QUIMICA

Enrique Aguilar Rodríguez Maestro en Ciencias en Ingeniería Química

18 de Enero de 2007 México, D.F.

Producción de Energía Limpia, una estrategia de desarrollo sustentable para Petróleos Mexicanos

Especialidad: Ingeniería Química

Contenido

i 1

6

11

21

26

38

45 48

Resumen Ejecutivo

El papel de la Energía y los Combustibles

Producción y Demanda de Energía

Combustibles, Eficiencia e Impacto Ambiental

Una estrategia sustentable para la producción de Combustibles

Conclusiones

I

II

III

V

Una Prospectiva de los nuevos Combustibles

VI

Referencias y Bibliografía

Tecnologías de Producción de Combustibles Limpíos

IV 1

Reconocimientos

Curriculum Vitae


Especialidad: Ingeniería Química i

Resumen Ejecutivo


Especialidad: Ingeniería Química ii

RESUMEN EJECUTIVO

La energía le ha proporcionado al hombre la capacidad para subsistir, para evolucionar y para darle confort, para hacer su vida más digna y disfrutable. Pasan muchos siglos desde que el hombre descubre el fuego y concibe la máquina que mediante el calor sustituye la fuerza bruta del hombre. Es en el “cinquecento” cuando el cerebro humano conceptualiza la máquina, siendo Leonardo Da Vinci el gran exponente de la revolución intelectual de ese siglo XV, en que inicia en forma incesante el desarrollo tecnológico que conduce finalmente, a finales del siglo xIX, al concepto de máquina de combustión interna y a la obtención de combustibles fósiles a partir del petróleo. Así se inicia en los albores del siglo XX la era de la energía del petróleo y se desarrolla la tecnología que permite la producción de combustibles a través de los llamados procesos de refinación, que en un principio sólo lograban separar físicamente las fracciones combustibles y que posteriormente permitieron procesos de descomposición y rearreglo a nivel molecular de los hidrocarburos, lo que permitió un mayor rendimiento por barril procesado y una mayor calidad técnica de los combustibles. Es en 1970 que se inicia una nueva revolución del pensamiento, al descubrirse el deterioro ambiental que ocasiona el uso de los hidrocarburos y surge el estudio de sus efectos, y como consecuencia una gran presión social que se concreta en la imposición de normas para establecer por primera vez el concepto de “calidad ambiental”, determinada por limitaciones en el contenido de diversos compuestos en el combustible y de las emisiones provocadas por su utilización en motores o para producción de energía eléctrica. A pesar del impacto ambiental bien conocido del uso de los hidrocarburos, nuestra civilización todavía depende fundamentalmente de esta fuente de energía ya que diversos estudios prospectivos señalan que el petróleo y el gas seguirán contribuyendo con más del 50% de la energía requerida en el mundo, cuando menos en los próximos 25 años, a pesar de la presión que el crecimiento demográfico ejerce en la sociedad (se estima que la población mundial actual es de 6,100 millones de habitantes). En el caso particular de México, de la producción total de energía, el petróleo contribuye con el 71.5% y el gas con casi 20%, es decir, existe una dependencia casi total de los hidrocarburos para generar la energía que requiere el país. Es evidente la pregunta: ¿porqué los hidrocarburos?, y la respuesta tiene múltiples facetas destacando (1) la alta disponibilidad de reservas, que en el escenario pesimista proveerían de energía al mundo para los próximos 50 años pero que según otras corrientes podrían llegar hasta 140 años; (2) tecnologías maduras para producción, transformación, transporte y distribución de combustibles; (3) alta concentración de energía por unidad de volumen en los combustibles fósiles con gran potencial de transferencia rápida de energía y que además se acumula y produce, continua y establemente hasta el usuario final. De esta discusión se concluye que deberemos seguir utilizando el petróleo, pero que deberán desarrollarse e instalarse nuevos esquemas de procesamiento en la refinación, que permitan producir combustibles cada vez más limpios que minimicen o inclusive o anulen el impacto ambiental por su utilización. El dilema es atender los requerimientos


Especialidad: Ingeniería Química iii

sociales de cuidado del ambiente con combustibles cada vez más limpios pero garantizando la rentabilidad de la industria de refinación. Para lograr lo anterior es necesario tener una visión de largo alcance que permita a la industria en general, y a Pemex Refinación en particular, producir combustibles de calidad y de bajo impacto ambiental con tecnologías y procesos de alto desempeño que garanticen la rentabilidad de las operaciones. Bajo cualquier escenario, la producción de combustibles limpios será mandatoria ya que según estudios de salud realizados en los Estados Unidos y en otras partes del mundo, los ahorros por muertes prematuras, enfermedades respiratorias, admisiones hospitalarias y en general por los días de trabajo perdidos a causa de las emisiones provocadas por el uso de combustibles fósiles es mucho mayor que el costo de la implantación de proyectos de refinación orientados a la producción de combustibles muy limpios. Esta cuantificación ha sido la base para justificar y además regular su calidad. Se ha encontrado que el contenido de azufre es el factor de mayor impacto en las emisiones; o establecido de otra forma, la reducción en el contenido de azufre hasta los niveles que actualmente se han establecido como norma (30 partes por millón, tanto en gasolina como en diesel), reducen el impacto ambiental de las emisiones nocivas en más de 98% con respecto al que se tenía cuando todavía no se regulaba el contenido de este compuesto en los combustibles. Las figuras siguientes muestran el impacto de la reducción de azufre para gasolina y diesel:

Impacto en emisiones del azufre en gasolina

Muertes prematuras

Admisiones Hospitalarias

Días de trabajo pérdidos

BronquitisCrónica

10, 000 20, 000 30, 000

Número que se evitará anualmente (en 2030)

Más de 30 millones

Muertes prematuras



BronquitisCrónica

10, 000 20, 000 30, 000


Más de 30 millones

Programa Fase 2 para vehículos ligeros

20,000 40, 000 60, 000

Millones US$ en 203080, 000

Programa 2007 Vehículos Pesados en carretera

Programa Fase 4 en ciudad Beneficio

Beneficio

Beneficio

Costo

Costo

Costo


20,000 40, 000 60, 000




Beneficio

Beneficio

Costo

Costo

Costo

Impacto del Contenido de Azufre en la GasolinaEmisiones (Kg/año-vehículo)

Nivel 0 Nivel 1 Nivel 2Norma de Emisiones

1,000 300 30/80Contenido de azufre

(ppm)

32.0

4.23.2

Nivel 0 Nivel 1 Nivel 2

42.2

1040

42.2 26.2

Reducción98%

Reducción97%

HC CO

Sin Control

1,000 300 30/80


12.6

50

5.0

Reducción98%

NOx


3600

5400

3400 3000

Reducción44%

Rendimiento

Gasolina

(lt/-año-veh)

0.6




(ppm)

32.0

4.23.2


42.2

1040

42.2 26.2

Reducción98%

Reducción97%

HC CO

Sin Control

1,000 300 30/80


12.6

50

5.0

Reducción98%

NOx


3600

5400

3400 3000

Reducción44%

Rendimiento

Gasolina

(lt/-año-veh)

0.6


Especialidad: Ingeniería Química iv

Impacto en Emisiones del azufre en diesel Pemex-Refinación ha trabajado formalmente desde 1985, con su “Paquete Ecológico” en la modernización del Sistema nacional de Refinación (SNR), para producir combustibles cada vez más limpios y culmina esta etapa con la reconfiguración de sus 6 refinerías que incluye proyectos estratégicos para la producción de combustibles limpios de ultratrabajo azufre para que a partir del último trimestre del 2006 y concluyendo en el último trimestre del 2009, se introduzca y generalice su producción. Finalmente llegará a producir en forma generalizada gasolina y diesel de ultrabajo azufre y aumentará su capacidad de procesamiento de 1.3 hasta 1.65 MM BPD. Pero ha llegado al límite técnicamente posible.

Se estima que la demanda interna de gasolina crecerá en los próximos años a un ritmo de 2.6% anual y que llegará a 804,000 barriles por día en 2013; por otro lado, aún con la modernización del SNR, la oferta llegará en ese año, a un valor límite de 734,000 barriles diarios, lo que representa un déficit de 70,000 barriles por día y que seguirá creciendo en el tiempo. En la siguiente figura se muestra la oferta/demanda de gasolina al 2013.

Oferta y demanda de gasolina en el Sistema Nacional de Refinación

1990 200219981994 2006 20100.0

0.1

0.5

0.4

0.3

0.2

0.6

0.0

1.0

5.0

4.0

3.0

2.0

6.0Partículas (g/bhp-h ) NOx (g/bhp-h)

Reducción de 98%

5,000 ppm S 500 ppm S 15 ppm S

PM

NOx

1990 200219981994 2006 20100.0

0.1

0.5

0.4

0.3

0.2

0.6

0.0

1.0

5.0

4.0

3.0

2.0


Reducción de 98%


PM

NOx

531

671700

801

423 423

489502

825804

553

734

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2010 2013

NuevaRefinería 70

SalamancaSalina Cruz 181Tula

(miles de barriles diarios)

Oferta

Demanda

2.9%

2.6%

1.5%

6.5%

Minatitlán: 64Incluye 5 mbd de otras corrientes.

531

671700

801

423 423

489502

825804

553

734

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2010 2013

NuevaRefinería 70



Oferta

Demanda

2.9%

2.6%

1.5%

6.5%



Especialidad: Ingeniería Química v

Por esta razón en este estudio se propone iniciar en el futuro cercano, la construcción de una nueva refinería de al menos 150,000 barriles diarios de capacidad, con lo cual se establecería un equilibrio oferta/demanda del mercado interno, no sólo de gasolina sino también de diesel. Por la naturaleza de este tipo de proyectos, cuyo tiempo de ejecución es de 4 años, se hace necesario iniciar en el corto plazo los estudios de planeación y la ingeniería, que permita su instalación y el arranque en forma oportuna. Una bondad adicional de este proyecto es que podrá contar con plantas cuya tecnología hará posible procesar preferentemente crudos pesados lo que daría un alto margen de utilidades, que podrían llegar a precios actuales a alrededor de 13 US $/barril que es casi 75% mayor que las obtenidas en promedio en el actual SNR. La configuración de la nueva refinería deberá cumplir con los criterios de sustentabilidad que demanda nuestra sociedad y que son: • Sustentabilidad económica, para cumplir con los requerimientos sociales de combustibles y mantener la rentabilidad en su producción, manejo y distribución. • Sustentabilidad de recursos, promoviendo la utilización de materias primas y otros componentes renovables. • Sustentabilidad energética, con la mejora en la eficiencia de procesos y equipos, para minimizar el desperdicio de energía. • Sustentabilidad ambiental y de seguridad, produciendo combustibles de mínimo o nulo impacto ambiental en un ambiente de producción libre de emisiones y con sistemas que minimicen el riesgo en las operaciones. Los retos tecnológicos asociados a este nuevo esquema de desarrollo involucran el tratamiento frontal de crudos pesados antes de su procesamiento en refinerías, mayor producción de olefinas en los procesos de craqueo (FCC e hidrocraqueo) para tener un bloque de construcción de gasolinas “sintéticas” muy limpias, plantas de hidrotratamiento más eficientes, quizá con catalizadores biológicos ultra-activos, producción de combustibles a partir de gas (gas a líquidos) y procesos de fondo de barril “profundos”, incluyendo cogeneración eléctrica. Los paradigmas y retos en las diversas etapas de la refinación en México, incluyendo la futura, se presentan en la siguiente figura.

Cambio de paradigmas y retos de la Industria de Refinación

Paradigma Original

Plantas de “fondo de barril”

Llevar plantas a máxima

capacidad



capacidad

Paradigma de Modernización

actual

Paradigma de nuevas

refinerías

Retos Retos

1950-1980 1980-2000 2000-2015

Periodo

Procesamiento de crudos

ligeros

Bajos precios del crudo

Energía barataY abundante

Calidad técnica de

combustibles

Demanda moderada

Procesar crudos

pesados en alta proporción

Alta demanda de gasolina y

diesel

Muy baja demanda de residuales

Atención a la rentabilidad

de operaciones

Combustibles reformulados en atención al

ambiente

Declinación de reservas y

altos precios de crudo y gas

Procesamiento muy limpio

(ceroemisiones)

Seguridad en Operaciones

Procesar diversos crudos y cargas

(flexibilidad)

Mayor y más severo

hidrotratamiento

Plantas de Gasolina

Reformulada

Modificaciones para procesar crudos más

pesados

Optimizar eficienciaen uso de energía

Plantas de “fondo de barril”y cogeneración

eléctrica

Tratamiento de Crudos Pesados

Plantas de Gas a Líquidos

Hidrotratamiento más eficiente

Mas olefinas y gasolina sintética

Producción de Hidrógeno y

Biocombustibles

- Rentabilidad- Ambiente- Crudos Pesados

- Sustentabilidad

Mas plantas de tratamiento y colección de

efluentes

Combustibles totalmente limpios y mínimos

residuales


Especialidad: Ingeniería Química vi

Con esta base, los esquemas de refinación incluirán cambios importantes como el pretratamiento del crudo pesado para eliminar azufre y convertir pesados a destilados desde la destilación primaria; plantas de hidrotratamiento con catalizadores ultraactivos que permitirán operar con mucho menor severidad; plantas de descomposición catalítica con alta conversión a olefinas, que serán el tronco de un árbol de síntesis de nuevas gasolinas muy limpias; procesos de conversión de residuales (“fondo de barril”) para obtener mas conversión a destilados y un manejo integral del azufre que incluirá la producción de compuestos de azufre de utilidad. Todo esto bajo un esquema de procesamiento limpio de casi cero emisiones. Deberá evaluarse la conveniencia de integrar la Refinería con un complejo petroquímico, con lo cual habrá una gran sinergia con mayor rentabilidad de las operaciones, vía integración de hidrógeno, gas combustible y craqueo térmico de fracciones pesadas de la refinación. La visión a largo plazo para la sustentabilidad de los esquemas de procesamiento, evolucionará de los paradigmas actuales a otros que modificarán el concepto y la filosofía para diseñar y operar plantas. Esta visión se muestra en la figura siguiente: Con respecto a los combustibles alternos, éstos deberán lograr cualidades similares a los derivados de los hidrocarburos, como son: (a) ser producido en grandes cantidades en forma económica; (b) tener un buen contenido energético por volumen de combustible, de alrededor de 160,000 joules/galón, que permita dar una autonomía satisfactoria al usuario; (c) posibilidad de ser almacenado en recipientes que puedan ser llenados muchas veces y en forma segura, para asegurar su disponibilidad en un mercado de alto consumo y con múltiples puntos de venta; d) posibilidad de ser transportado (preferentemente en tubería) en forma económica, eficiente y segura, tanto en grandes como en pequeños volúmenes; (e) que el usuario final pueda cargar combustible, a razón de un millón de joules por minuto para el caso de automóviles, lo

Paradigmas Actuales

Reducir laintensidadenergética

Gran Visión de Futuro

Retos

2006 2100 Año

Combustibles Fósiles

Procesos intensivos en consumo de

energía

Procesos generadores de efluentes indeseables

Ignorancia de los sistemas

vivos

Energía renovable

Ceroemisiones

Conocimiento y respeto a los

sistemas vivos

Materias primas

renovables

Manejo adecuado del carbón

Desarrollo de la cultura de

Sustentabilidada Combustibles renovables

Conocimiento y aplicación de los Ciclos

de Vida

Cargas químicas renovables

Química e ingeniería “verde”

Predominancia de combustibles fósiles

Efectos Toxicológicos

2025

Declinación de combustibles fósiles


Especialidad: Ingeniería Química vii

cual también se reflejará en la autonomía requerida por el usuario y (f) no tener impacto ambiental severo. La discusión sobre los nuevos combustibles es todavía no concluyente. Una gran corriente de opinión, asegura que los biocombustibles (etanol, biodiesel, etc.) serán el siguiente escalón, sin sustituir pero complementando a los combustibles fósiles. La mejora en la tecnología para su obtención, así como un análisis integral de los factores de la producción y transformación de granos, plantas y biomasa, seguramente los harán más competitivos. El hidrógeno parece ser la mejor alternativa futura, pues se vislumbra su obtención, primero del gas natural y después del agua, con lo que se tendría el “combustible ideal” que se obtendrá a partir del agua y producirá energía y agua como subproducto, un círculo virtuoso “ideal”. Sin embargo todavía es necesario un mayor desarrollo tecnológico para producir, distribuir, almacenar y utilizar el hidrógeno en forma segura y confiable. La celda de hidrógeno modifica el paradigma de la generación de energía. Mientras que los combustibles fósiles generan calor para producir trabajo mecánico, la celda produce energía eléctrica, con menor pérdida de calor y mayor eficiencia de conversión, como se aprecia en la siguiente tabla: Esto no solo reduce las emisiones tradicionales sino también la producción de CO2, disminuyendo el efecto invernadero y el cambio climático. Este concepto se ilustra en la figura siguiente:

Los Combustibles Fósiles


Energía de Enlaces Químicos


Energía de IonesQuímicos


Batería o Celda de H2

Motor de Combustión Interna

Calor “útil”Calor “útil” Trabajo MécanicoTrabajo Mécanico

Motor

Trabajo MécanicoTrabajo MécanicoElectricidadElectricidad

Motor










Motor


Motor

EFICIENCIADEL MOTOR

(%)

EFICIENCIAGLOBAL

(%)

EMISIONES DECO2

(gr/ Km)

NIVEL DEAZUFRE

REQUERIDOENLA GASOLINA

(ppm)

MOTOR DECOMBUSTIÓN

INTERNA25 15 220 15-30

MOTOR CONCELDA DE

COMBUSTIBLE60 31 110 15 - 30

EFICIENCIADEL MOTOR

(%)

EFICIENCIAGLOBAL

(%)

EMISIONES DECO2

(gr/ Km)

NIVEL DEAZUFRE


(ppm)

MOTOR DECOMBUSTIÓN

INTERNA25 15 220 15-30

MOTOR CONCELDA DE

COMBUSTIBLE60 31 110 15 - 30


Especialidad: Ingeniería Química viii

Desde mi perspectiva, se tendrán 4 etapas en la evolución de los combustibles, la actual dominada por los combustibles fósiles pero incorporando masivamente alrededor de 2010, vehículos híbridos con energía eléctrica de baterías; la siguiente, a partir de 2025, con altos precios del crudo que harán factible la producción de combustibles líquidos del gas (gas a líquidos) y totalmente limpios, hasta llegar a la era del hidrógeno, después del 2040, en que se habrá dominado la tecnología de producción, distribución, almacenamiento y utilización cotidiana de este combustible. Esta prospectiva, con los rasgos más importantes en cuanto a escenarios y evolución tecnológica, se muestra en la siguiente figura:

Prospectiva de la evolución combustibles-vehículos

Palabras clave: Combustibles, Refinación, Energía, Prospectiva

Hay Hidrocarburos y Tecnología de Procesamiento y Emisiones


1887- 2010• Hay disponibilidad de

Hidrocarburos• Hay tecnologías

“rentables” paraeliminar azufre, inclusive con métodos novedosos

• Emisiones casi cero





•Hay tecnología automotrizhíbrida•mayores presiones poremisiónes de CO2


2010 - 2025• Hay indicios de

agravamiento del “calentamiento global”por CO2

• Mayor eficiencia de motor

• Costos competitivos de autos híbridos

• Mejor tecnología de baterías eléctricas






Hay tecnología competitivaGTL y precios competitivos

del metano, etanol y biodiesel vs. petróleo



2025- ?• Los precios de crudo se

mantienen por arriba$100 US$/Barril

• Hay reservas de gas “barato”

• Hay tecnologíasradicales para producirmetanol

• Hay integración de factores de producciónde etanol de maíz, azúcar, yuca, etc)






•Tecnología de producción, almacenamiento y distribucion de H2•Tecnología de celdasdesarrollada


2040+• Tecnología de

producción de H2 (reformación) másbarata

• Tecnología de almacenamiento de H2 segura

• Tecnología automotrizde celdas alcanza sumadurez





Eliminación casitotal de emisiones

Era de los Combustibles Tradicionales(Gasolina-Diesel)


VehículosHíbridos

Vehículos de Celdas de

CombustibleGas a Líquido

Vehículos de Celda de H2 y producción de H2

Era de Combustiblesdel Gas y Bio

Era de Combustiblesdel Gas y Bio Era del H2Era del H2

12

34
































































































VehículosHíbridos






12

34


El papel de la Energía y los Combustibles I


Especialidad: Ingeniería Química 1

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA LIMPIA, UNA ESTRATEGÍA DE

DESARROLLO SUSTENTABLE PARA PETRÓLEOS MEXICANOS

I. EL PAPEL DE LA ENERGIA Y LOS COMBUSTIBLES La energía le proporcionó al hombre capacidad para subsistir en la primera etapa de su evolución, más tarde para conquistar y acumular riqueza y finalmente para darle confort y en general, para hacer su vida más digna y disfrutable. Sin embargo el camino que el hombre ha tenido que recorrer para generar, controlar y utilizar la energía, ha sido muy largo. En épocas tan remotas como el 500,000 AC, se tienen los primeros vestigios de que el hombre sabe producir y controlar el fuego; este descubrimiento trascendente es uno de los elementos centrales que provoca el cambio de la vida nómada a la sedentaria y se da un paso gigantesco para lograr la supervivencia de la especie. Prácticamente en todas las culturas antiguas se deifica el fuego, porque se sabe indispensable para la vida humana. Pasa mucho tiempo para que el hombre encuentre un uso adicional al fuego, más allá de obtener calor para superar las inclemencias del tiempo y preparar sus alimentos. En el 4500 AC los egipcios aprenden a fundir el acero, lo cual evidencia un crecimiento intelectual de grandes proporciones en el hombre, ya que tiene la capacidad de desprender el metal de otros componentes con los que se encuentra en forma natural, y con la aplicación del fuego separar, beneficiar y moldear herramientas que lo consolida como el homo faber, es decir, el animal que hace herramientas, rasgo distintivo de nuestra especie. Se sabe que alrededor del 1000 AC, los chinos funden el acero, pero lo hacen ya con diversas fuentes de calor como el carbón y el gas. Es hasta el siglo IX de nuestra era, cuando los árabes descubren la capacidad de la energía térmica para separar el alcohol por destilación. Un momento trascendente del uso de la energía se da cuando el hombre busca y encuentra la forma de utilizarla para dignificar su vida al sustituir la fuerza humana con elementos que descubre a su alrededor. Este momento se encuentra en el año 1100 DC con el descubrimiento y la aplicación de los molinos de viento que son la forma más elemental del concepto de “máquina”, entendida como la utilización de una cierta forma de energía en un dispositivo específico para producir movimiento, lo que más tarde se conocerá como trabajo mecánico. Es en el “cinquecento“ (1400-1500 DC) en que el cerebro humano conceptualiza íntegramente el concepto de “máquina”, siendo Leonardo Da Vinci, el gran exponente de esta revolución intelectual que inventa un helicóptero y diseña máquinas específicas para la cocina, la guerra y otras actividades. Alrededor de 1600, Francis Bacon en su teoría sobre “la observación y la experimentación”, que estableció las bases de la ciencia actual, filosofa sobre la energía y define el calor como movimiento local; un poco más tarde, René Descartes y Robert Hooke describen el calor como el movimiento perpetuo de las partículas que conforman la materia.



Sin embargo en esta etapa el desarrollo tecnológico se da en forma prácticamente intuitiva pues todavía no se conceptualiza el método científico ni se busca la explicación última del comportamiento de la materia y la energía sino que se explora en forma empírica la energía, su generación, su aplicación y las máquinas para su utilización. Otra etapa disruptiva en la historia de la energía se encuentra en el periodo comprendido entre 1650 y 1750, en que se inventa la forma de generar electricidad y se descubre que ésta es una forma de energía útil y versátil. Al término de ese periodo, Franklin desarrolla una gran diversidad de aparatos eléctricos de producción de energía mecánica y luminosa que culmina hasta 1879 con la invención del foco incandescente por Thomas Edison. Todos los avances anteriores son el preámbulo de la gran revolución intelectual representada por el advenimiento de la máquina térmica, punto de apoyo que en el ámbito social, da origen a la revolución industrial en Europa y trastoca en sus raíces a la sociedad, incluyendo sus posiciones religiosa, filosófica, social y económica. La máquina térmica, elemento central creado por la tecnología, surge a partir de los descubrimientos de James Watt, James Joule y William Thomson en Inglaterra y de Sadi Carnot en Francia, como principales protagonistas, quienes encuentran que el calor aplicado en forma controlada a una máquina puede producir trabajo mecánico. Un hecho trascendente y que influye grandemente en la manera de desarrollar y aplicar tecnología en el hombre, es que encontró primero la máquina en forma empírica, la construyó y la aplicó en base a conocimientos rudimentarios y fue posteriormente que encontró principios universales del comportamiento de la materia que, aún hoy en día, son los cimientos de gran parte de la física y química moderna, como son los principios de conservación de energía y de la unidireccionalidad de los procesos, establecidos por la primera y la segunda Ley de la Termodinámica. Así en 1790 Watt desarrolla la máquina y el bote de vapor, en 1824 Carnot desarrolla su máquina térmica que funciona por etapas bien establecidas, en 1816 Stirling inventa una máquina de vapor a alta presión y como punto culminante en 1860, Nicolaus August Otto desarrolla el motor de combustión interna que en términos simples, contiene una cámara para la generación de calor por combustión de alcohol para generar movimiento, que más tarde se aplicará, mediante la instalación de dispositivos de transmisión, en el movimiento rotatorio de la rueda, dejando así la escena lista para el advenimiento del automóvil y de los hidrocarburos combustibles como fuente de calor. A partir de entonces, se da un maridaje casi perfecto entre el motor de combustión interna, como la máquina, y los hidrocarburos, como la fuente de energía térmica para moverla, hecho que subsiste hasta nuestros días. En este escenario se detona y da inicio el gran proceso histórico que permite el uso intensivo de la energía para liberar al hombre, casi en su totalidad, del uso de su fuerza bruta para producir alimentos, vestidos, materiales y herramientas y para transportarse, lo que le da una nueva dimensión a su vida, a partir prácticamente de los albores del siglo XX. Así, en 1879 aparece la primera patente de un automóvil y un poco más tarde se fabrica el primer automóvil de 4 ruedas. El Siglo XX nace y trae consigo la fabricación del primer avión que usa combustible y Henry Ford inicia la producción en serie de su automóvil tipo T. Este gran episodio de la creatividad humana se cierra con la invención del proceso de destilación continua para producir combustibles a partir del petróleo crudo, y en 1913 con el advenimiento del primer proceso de descomposición química del petróleo llamado craqueo térmico.



A partir de los eventos anteriores, corren en paralelo el avance de la tecnología automotriz, la de generación de energía eléctrica y la de producción de combustibles a partir del petróleo. A partir del Siglo XX, se presentan cuatro etapas claramente definidas en la evolución de las tecnologías para producir combustibles que se desarrollan “jaladas” por necesidades específicas, tanto de la industria automotriz como, en últimas épocas, de la sociedad civil que demandan tanto calidad técnica como productos limpios que puedan ser utilizados bajo un criterio de bajo impacto ambiental y sustentabilidad de largo plazo. En la figura 1 se esquematizan las cuatro etapas en la evolución en la producción de combustibles, señalando cuales han sido las necesidades a cubrir y los procesos tecnológicos que en forma específica han dado respuesta a esas necesidades. Figura 1. Evolución Histórica e Impulsores en la Producción de Combustibles

Se observa que, de una producción incipiente en cantidad y calidad de combustibles en los inicios del Siglo XX, se pasa rápidamente a un crecimiento sustantivo en la demanda, lo que obliga a buscar procesos más complejos de descomposición química que permitan aumentar el rendimiento de gasolinas principalmente. La gran velocidad con que evoluciona la tecnología automotriz y aeronáutica, hacen que el mercado evolucione en forma tal que se demandan diversos tipos de combustible como gasolina, diesel, turbosina y combustóleo. Este nuevo escenario coincide con la 2ª. Guerra Mundial que también es un elemento histórico que impulsa un gran desarrollo tecnológico, alrededor no sólo de la producción de combustibles, sino también de productos obtenidos a partir de síntesis químicas, con lo cual se logra una gran sinergia entre las diversas disciplinas científicas y tecnológicas, que permiten la creación de los grandes procesos que, aún hoy, conforman la base de la refinación del petróleo para la producción de combustibles (la reformación de naftas, el hidrotratamiento y en forma relevante la desintegración catalítica) Estos procesos conjugan los avances en la química del petróleo, la catálisis y el diseño de equipos especiales para su procesamiento.

Se desarrolla y perfeccionala destilación del petróleo


1900• Destilación Continua

(Primaria y de Vacío)• Lubricantes









•Se desarrollantecnologías para producirmás gasolina no natural


1920• Desintegración térmica

de fracciones pesadas• Plantas de Absorción

para recuperación de licuables












Se desarrollan tecnologíasde descomposición de fracciones y aditivos


1935- 45• Reformación de Naftas• Hidrotratamiento• Desintegración

Catalítica (gasolina)• Hidrocracking (diesel)• Alquilación (turbosina)• Plomo en gasolinas• Reformación de gas

para producir H2



para producir H2





para producir H2



para producir H2

Demanda de Gasolina para

automóviles en serie

DEMANDADEMANDA

Crecimiento de la demanda de

gasolina

Se demanda menorimpacto ambiental de

vehículos y combustibles

CALIDAD TECNICACALIDAD TECNICA CALIDAD AMBIENTALCALIDAD AMBIENTAL

12

4Demanda de mayor calidad Y diversidad

de combustibles(gasolina,diesel,

turbosina)

3

Vehículos HíbridosVehículos de Celdas


1970- 2006• Reformación Contínua• Isomerización• Alquilación• Oxigenados• Hidrotratamiento profundo

(cargas pesadas)• Biocombustibles• H2



Se desarrollan tecnologías de producción de fraccioneslimpias de combustibles y de eliminación de contaminantes


Sistemas de Control de Emisiones
























El último factor, que generan nuevas necesidades en la producción de combustibles, lo conforma la creciente demanda social en el mundo, para disminuir el impacto ambiental que provoca la combustión de los hidrocarburos en sus diferentes formas; se desarrollan desde entonces y hasta la fecha, nuevos procesos tanto para “limpiar” los combustibles como para incorporarles otros compuestos cuya estructura molecular los haga más benignos en su comportamiento durante la combustión en los automóviles y otros equipos industriales. Así, la refinación del petróleo ha sufrido diversos cambios en su estructura de procesamiento, tal como se ilustra en la Figura 2.

Figura 2. Estructura del proceso de Refinación

En una primera etapa se estableció el esquema de “Separación”, conformado por la destilación atmosférica y de vacío, con lo que se obtenían solo destilados directos. Más tarde se incorporan los procesos de conversión, de naftas y de gasóleos, para dar lugar a la Reformación de Naftas e incrementar el contenido de aromáticos y nafténicos en esa fracción y con ello el número de octano, y al Craqueo Catalítico de gasóleos, para producir gasolina de desintegración, rica en olefinas, que también mejoran el octano de la gasolina. Aún hoy en día, ambos procesos son el corazón de la refinación, que le dan el mayor valor agregado y la hacen económicamente viable. La eliminación del azufre, como requerimiento de proceso, hizo necesaria también la introducción del hidrotratamiento de naftas.

CRUDO DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

AL VACIO HID

RO

TR

ATA

MIE

NTO

TAME MTBE

FCC

RECUPERACIONY ENDULZAMIENTODE GAS SATURADO

RECUPERACIONDE AZUFRE

REFORMACION

C5/C6ISOMERIZACION

n C4ISOMERIZACION

C3/C4 A LPG H2

AZUFREH2S

H2

GASOLINA

DIESEL

GASCOMBUSTIBLE

LPGC3=

nC4

H2

COMBUSTOLEO

ACL

ACEITE DECANTADO

METANOL

DESTILADOS

COQUE

C5=‘s

C4=‘s

H2S

H2

ENDULZ. Y RECUP.DE LIGEROS DE

GAS NO SATURADO

ALQUILACIONC3’s - C4’s

SEPARACION

CONVERSION

REDUCCION DE RESIDUALES

ISOMERIZACION Y SINTESIS

COQUIZACION

REFORMACIONDE GAS

CRUDO DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

AL VACIO

DESTILACION

AL VACIO HID

RO

TR

ATA

MIE

NTO

TAMETAME MTBEMTBE

FCCFCC





REFORMACIONREFORMACION

C5/C6ISOMERIZACION

C5/C6ISOMERIZACION

n C4ISOMERIZACION

C3/C4 A LPG H2

AZUFREH2S

H2

GASOLINA

DIESEL

GASCOMBUSTIBLE

LPGC3=

nC4

H2

COMBUSTOLEO

ACL

ACEITE DECANTADO

METANOL

DESTILADOS

COQUE

C5=‘s

C4=‘s

H2S

H2


GAS NO SATURADO


SEPARACION

CONVERSION



COQUIZACIONCOQUIZACION

REFORMACIONDE GAS

CRUDO DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

AL VACIO

DESTILACION

AL VACIO HID

RO

TR

ATA

MIE

NTO

TAMETAME MTBEMTBE

FCCFCC






C5/C6ISOMERIZACION

C5/C6ISOMERIZACION

n C4ISOMERIZACION

C3/C4 A LPG H2

AZUFREH2S

H2

GASOLINA

DIESEL

GASCOMBUSTIBLE

LPGC3=

nC4

H2

COMBUSTOLEO

ACL

ACEITE DECANTADO

METANOL

DESTILADOS

COQUE

C5=‘s

C4=‘s

H2S

H2


GAS NO SATURADO


SEPARACION

CONVERSION




REFORMACIONDE GAS

CRUDO DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

ATMOSFERICA

DESTILACION

AL VACIO

DESTILACION

AL VACIO HID

RO

TR

ATA

MIE

NTO

TAMETAME MTBEMTBE

FCCFCC






C5/C6ISOMERIZACION

C5/C6ISOMERIZACION

n C4ISOMERIZACION

C3/C4 A LPG H2

AZUFREH2S

H2

GASOLINA

DIESEL

GASCOMBUSTIBLE

LPGC3=

nC4

H2

COMBUSTOLEO

ACL

ACEITE DECANTADO

METANOL

DESTILADOS

COQUE

C5=‘s

C4=‘s

H2S

H2


GAS NO SATURADO


SEPARACION

CONVERSION




REFORMACIONDE GAS



La demanda de combustibles más limpios dio lugar a la incorporación de los procesos de “Isomerización y Síntesis”, en los cuales se producen fracciones sintéticas de gasolina como isomerizado, alquilado y éteres, que al añadirse a las fracciones tradicionales, las mejoran en cuanto a su desempeño ambiental. Finalmente se incorporaron los procesos de “Reducción de Residuales” para disminuir la producción de combustóleo, que por su alto contenido de azufre, carbón y metales, se utiliza cada vez menos como combustible. El proceso más aceptado para este propósito es la coquización, con la cual se aumenta el rendimiento de destilados. En paralelo se desarrollan y mejoran los procesos de recuperación final de azufre de los gases amargos de la refinación.


Producción y Demanda de Energía II



II. PRODUCCION Y DEMANDA DE ENERGIA A lo largo del Siglo XX y hasta la actualidad, el petróleo ha sido por mucho, la fuente más importante de energía primaria, que se ha utilizado de muy diversas formas para proporcionar la energía de los vehículos, el calor y la electricidad para la industria y el hogar y por tanto ser la fuente de la mayor parte de la energía requerida en todo el mundo. A raíz de las modificaciones en los patrones de crecimiento demográfico a partir de la segunda mitad del Siglo XX, la demanda de energía se ha incrementado sustancialmente en la última década y las previsiones hacia el 2025 muestran que mientras la población aumentará a una tasa de 1.5% anual, la demanda de energía lo hará en un 3%, es decir esta última crecerá a un mayor ritmo, debido principalmente al progreso social esperado en el mundo y también al mayor consumo per capita, ya que los requerimientos cotidianos (domésticos, de trabajo, de transporte, etc.) por el uso de nuevos equipos y herramientas de mayor intensidad energética, irán en aumento. La Figura 3 presenta el crecimiento histórico de la población a partir de 1750 y la expectativa de crecimiento hacia el 2025 (1). Asimismo, la Figura 4 presenta para este mismo lapso de tiempo, la expectativa de consumo de energía en el mundo.

Figura 3 Crecimiento Histórico y Esperado de la Población mundial En este mismo contexto, se espera que aún en el 2025, los hidrocarburos sigan siendo la fuente de energía primaria más importante mediante la utilización del petróleo y el gas natural, que actualmente suministran más del 60% de los requerimientos totales de energía en el mundo, esperándose que para 2025 se incremente su aportación a casi las dos terceras partes de los requerimientos totales. Le siguen en importancia, como fuentes de energía primaria, el carbón y la energía nuclear, los cuales se estima que mantendrán aproximadamente su contribución actual, con un modesto desarrollo y crecimiento de la contribución de energías alternas, que se espera lo hagan con solamente el 10% de la demanda total. Esta situación puede observarse en la Figura 4, que son datos prospectivos que reporta Exxon-Mobil(2) .

Población en miles MM

Paises menos desarrollados

Paises más desarrollados

20006100 Millones




20006100 Millones




20006100 Millones



0

50

100

150

200

250

300

350

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

OtrosCarbónGasPetróleo

Figura 4. Estimación del consumo de diversas formas de energía

al 2030, según Exxon-Mobil

En cuanto al tema de la oferta de los hidrocarburos, actualmente hay un gran debate en el mundo ya que una corriente sostiene que el crudo se está agotando y han formulado la teoría llamada del cenit del petróleo (peak oil), en la que se sostiene que se mantendrá la producción global de crudo en los próximos 10 años y que después declinará a la misma velocidad con que creció. Quienes respaldan esta teoría consideran que a este fenómeno se debe el reciente aumento de los precios del crudo que ha preocupado grandemente a la sociedad sobre la fiabilidad de largo plazo del petróleo como fuente de energía. Esta corriente sostiene que en los próximos años la industria habrá extraído la mitad de todo el crudo existente y que en consecuencia la producción tendrá que bajar de manera constante y acelerada. Sin embargo en los últimos meses varias empresas petroleras como Exxon-Mobil y Saudi Aramco(3) están insistiendo firmemente en que el mundo cuenta con suficiente petróleo para su consumo y consideran que existen probablemente más de 4.5 billones de barriles de crudo, lo que equivaldría, según las tendencias de consumo, a 140 años de disponibilidad del petróleo. Los estimados de Aramco reportados en septiembre de 2006, se presentan en la Figura 5.



Billones de Barriles de Petróleo Crudo

1.5

1.21

1

1

Crudo noconvencional

Reservasprobadas

Hallazgosfuturos

Recuperaciónmejorada dereservasCrudo yaproducido

Figura 5. Existencia de Petróleo Crudo según Aramco En cuanto a la situación de México, la Secretaría de Energía (SENER, 2004)(4), reporta cuál ha sido la evolución en la producción (balanceada con la demanda) de energía en el país, la que se muestra en la Figura 6, en intervalos de 10 años a partir de 1965. Se hace evidente que el crecimiento de la economía y particularmente el desarrollo industrial que se presentó en las décadas de los 70's y 80's permitió que en el lapso de 1965 a 1985 se tuviera un aumento de casi cinco veces en la producción de energía, gracias principalmente al aumento en la capacidad de producción y procesamiento de los hidrocarburos así como de las plantas de generación eléctrica. Se observa también una desaceleración en el crecimiento de la producción, y un modesto crecimiento en los últimos años de apenas el 1% anual. Es evidente la correlación entre el crecimiento económico y el de la demanda de energía. Si se desea una mejoría en los indicadores económicos en México, se hace evidente la necesidad de incrementar la oferta energética con respecto a la que se tiene actualmente.

Figura 6. Producción Nacional de Energía

2,200

1,600

1,200

800

400

19941965 1975 1985

PETACALO

RIA

S

2,000

1,400

1,000

600

200

0

1,800

23.5 %

1.5 %

32.4 %42.6 %

17.6 %2.3 %

29.5 %

50.6 %419

770

2,077

8.1 %

1.5 %

18.7 %

71.7 %

2,103

6.8 %

0.5 %

19.2 %

71.5 %

2.0 %

OTROS

GAS NATURAL

CARBON

NUCLEAR

PETROLEO

2,200

1,600

1,200

800

400

19941965 1975 1985

PETACALO

RIA

S

2,000

1,400

1,000

600

200

0

1,800

23.5 %

1.5 %

32.4 %42.6 %

17.6 %2.3 %

29.5 %

50.6 %419

770

2,077

8.1 %

1.5 %

18.7 %

71.7 %

2,103

6.8 %

0.5 %

19.2 %

71.5 %

2.0 %

OTROS

GAS NATURAL

CARBON

NUCLEAR

PETROLEO



Las reservas de petróleo crudo en México, según Pemex Exploración y Producción(5), han decrecido en los últimos años y son en este momento de 46500 MM bpce, como se muestra en la Figura 7; el ritmo de producción de crudo así como de procesamiento interno y exportación (6), se muestra en la Figura 8. Hoy en día se producen 3 337000 BPD, lo que indica que hay disponibilidad de reservas por menos de 14 años.

Figura 7. Reservas de Crudo en México

Figura 8. Evolución de la Oferta y demanda de Crudo

Fuente: Pemex Exploración y Producción(1) Criterio de la WPC y SPE hasta 1998. Criterio de la SEC de 1999 en adelante

Reservas totales(1)

MMMbpceProbableProbada

Posible

34.225.1 23.5 21.9 20.1 20.1 18.9 17.6 16.5

12.121.2 21.3 20.8

17.0 17.0 16.0 15.8 15.8

11.5 12.0 11.3 10.313.0 13.0 13.1 13.4 14.2

1998 2002 20061999 2000 2001 2003 2004 2005


Reservas totales(1)


Posible

34.225.1 23.5 21.9 20.1 20.1 18.9 17.6 16.5

12.121.2 21.3 20.8

17.0 17.0 16.0 15.8 15.8

11.5 12.0 11.3 10.313.0 13.0 13.1 13.4 14.2

1998 2002 20061999 2000 2001 2003 2004 2005


Reservas totales(1)


Posible

34.225.1 23.5 21.9 20.1 20.1 18.9 17.6 16.5

12.121.2 21.3 20.8

17.0 17.0 16.0 15.8 15.8

11.5 12.0 11.3 10.313.0 13.0 13.1 13.4 14.2

1998 2002 20061999 2000 2001 2003 2004 2005

Reservas totales(1)


Posible

34.225.1 23.5 21.9 20.1 20.1 18.9 17.6 16.5

12.121.2 21.3 20.8

17.0 17.0 16.0 15.8 15.8

11.5 12.0 11.3 10.313.0 13.0 13.1 13.4 14.2

1998 2002 20061999 2000 2001 2003 2004 2005

-Fuente: Anuario Estadístico. Pemex, 2006

3,3333,3833,3713,1773,1273,0122,906

3,0703,0222,8582,617

3,337

1,6201,5511,7381,7311,552 1,757 1,716 1,848 1,8741,833

1,311

1,895

1,280 1,276 1,267 1,318 1,339 1,367 1,3491,447 1,509 1,489 1,487 1,426

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Producción Exportación A Refinerías

M BPD

-Fuente: Anuario Estadístico. Pemex, 2006

3,3333,3833,3713,1773,1273,0122,906

3,0703,0222,8582,617

3,337

1,6201,5511,7381,7311,552 1,757 1,716 1,848 1,8741,833

1,311

1,895

1,280 1,276 1,267 1,318 1,339 1,367 1,3491,447 1,509 1,489 1,487 1,426

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Producción Exportación A Refinerías

M BPD



Si se reflexiona en los números que se presentan sobre las reservas de hidrocarburos existentes en el mundo, es posible proponer que: (1) El petróleo y el gas, bajo cualquier escenario de los que se proponen actualmente, seguirá siendo la fuente central de Energía Primaria, al menos en los próximos 30 años, y si se consideran los escenarios optimistas en cuanto a las reservas mundiales y a la evolución de la tecnología para recuperar los hidrocarburos y procesarlos eficientemente, este período podría extenderse quizá a 50 años. (2) Aún bajo el escenario anterior, en el que podría pensarse que no es necesario dedicar esfuerzos a la búsqueda y desarrollo de nuevas fuentes de energía para soportar las necesidades de nuestra sociedad en los próximos 50 años, es importante señalar que la investigación, el desarrollo y la implantación de cualquier nueva tecnología en este campo requerirá largos períodos de maduración, pues ya sea que se tengan fuentes naturales o no naturales de energía, éstas presentan actualmente retos tecnológicos de gran dimensión, para los cuales se deberán considerarse décadas para su desarrollo pleno y puesta en operación comercial.


Combustibles, Eficiencia e Impacto Ambiental

III



III. COMBUSTIBLES, EFICIENCIA E IMPACTO AMBIENTAL ¿Por qué los hidrocarburos? Para establecer la perspectiva sobre la situación tecnológica de los hidrocarburos y los retos que deberá enfrentar cualquier forma de energía que los reemplace, es necesario reflexionar sobre algunos aspectos relevantes sobre este tema y preguntarse, por ejemplo: ¿Por qué los hidrocarburos son el sustento y tienen capacidad para producir la energía primaria requerida actualmente? La energía que proviene de los hidrocarburos tiene su origen en los enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos que forman sus compuestos. Así por ejemplo, en el metano, de fórmula molecular CH4, los cuatro átomos de hidrógeno están ligados al átomo de carbono por enlaces químicos que para romperse requerirían 1118 calorías por cada gramo de metano, que es equivalente a su calor de formación, tal como se representa en la Ecuación (1).

(1) Todos los compuestos químicos tienen esta energía de enlace, que mantiene unidos a sus átomos, pero los hidrocarburos tienen la particularidad de que la pueden liberar en forma relativamente sencilla y controlable a través del proceso de combustión o quemado con el oxígeno del aire, elemento que también rompe su enlace en este proceso, y esta energía que se "desprende", lo hace en forma de calor como se muestra en la Ecuación (2).

(2) Esta capacidad de los hidrocarburos para liberar su significativamente grande energía química, les da su carácter distintivo como una fuente fundamental de producción de calor, el cual puede utilizarse directamente en los motores de combustión para producir energía mecánica, en las turbinas para generar energía eléctrica o simplemente para inyectar este calor a procesos de transformación. De la discusión anterior, se observa entonces que el gran atractivo de los hidrocarburos como fuente de energía primaria se debe fundamentalmente a cuatro atributos: 1.- Alta disponibilidad de reservas de hidrocarburos (petróleo crudo y gas natural) en la naturaleza. 2.- Tecnologías maduras para producción, transformación, transporte y distribución del combustible. 3.- Alta "densidad" de energía por volumen de combustible, con gran potencial de transferencia rápida (flux) de calor, que se acumula y produce, continua y establemente hasta el usuario final. 4.- Una economía mundial "estable" en términos de costos de la cadena energética, incluyendo a la industria petrolera y automotriz.

C + 2 H2 CH4 (ΔHf = 1118 cal/g)

CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2O + 8372 cal/g



Sin embargo, a pesar de estas virtudes existen tres condiciones por las cuales es necesario buscar y encontrar fuentes alternas a los hidrocarburos, que son las siguientes: a) El petróleo y el gas son fuentes naturales de energía, finitas y no renovables.

Más allá de la certidumbre en las cifras de disponibilidad de reservas de hidrocarburos, es evidente que con el crecimiento poblacional y la demanda de energía, en algún momento no serán suficientes, parcial o totalmente, para suministrar la energía que requieren nuestras sociedades en forma cada vez más creciente.

b) La energía química del petróleo se utiliza esencialmente para producir calor, el cual es una forma degradada de energía, y su conversión en otras formas más útiles se realiza con muy baja eficiencia, es decir, con pérdidas energéticas considerables.

c) Por la naturaleza de los componentes contenidos en los hidrocarburos (principalmente carbón, hidrógeno, nitrógeno y azufre) y debido a que liberan su energía a través de la combustión, se producen emisiones "inevitables" de componentes adversos al ambiente que además reaccionan en la atmósfera, y por lo cual han emergido desde la década de los 70's, presiones sociales en el mundo, que han conducido a establecer normas para las propiedades físicas y composicionales de los combustibles para su utilización, y que son cada vez más difíciles de lograr económicamente con las tecnologías disponibles actualmente.

En cuanto a la eficiencia en el uso de la energía de los hidrocarburos, puede decirse en primer término, que los procesos para producir y para refinar el petróleo son altos consumidores de energía, ya que aproximadamente el 15% de la energía contenido en el petróleo crudo se utiliza en su propia producción y procesamiento, por lo que de origen hay ya una eficiencia de utilización de únicamente el 85% de su contenido energético total, para su uso posterior. La Cadena de transformación de energía de los hidrocarburos Si se analiza la cadena de transformación de energía en el motor de combustión interna, que es el elemento más representativo de conversión de la energía de los hidrocarburos en energía de movimiento, se puede observar que a lo largo de las diferentes etapas de transformación se va perdiendo energía útil hasta llegar a un sorprendente 15% de aprovechamiento de la energía que contiene el crudo(7). El proceso de transformación de energía se ilustra en la Figura 9.

Figura 9. Eficiencia en el proceso de transformación de energía

Energía en el Crudo

Pérdidas de Energía

Energía Química

en el Combustible

Energía Térmica útil

Energía Mecánica

en el motor

Energía Mecánica

en la rueda

100 % 85 40 25 15

85

Manejo y Procesamiento

Calor al Exterior Fricción en el Motor

Fricción en Transmisión y

rueda

Energía en el Crudo

Pérdidas de Energía

Energía Química

en el Combustible

Energía Térmica útil

Energía Mecánica

en el motor

Energía Mecánica

en la rueda

100 % 85 40 25 15

85

Manejo y Procesamiento

Calor al Exterior Fricción en el Motor

Fricción en Transmisión y

rueda



Esta baja eficiencia de conversión de energía es inherente a la naturaleza de la máquina de combustión interna, ya que el motor es la “máquina” que convierte la energía química en energía mecánica a través del calor producido en la combustión. Esta máquina es “ineficiente” por naturaleza, independientemente de sus características de diseño, ya que el calor es una energía ya degrada y que sólo puede convertirse en trabajo útil en una pequeña proporción, pues sabemos, por la Segunda Ley Universal de la Termodinámica, que su máxima eficiencia de conversión está dada por la ecuación (3):

η = 1 – (T2 / T1) (3) donde T1 se refiere a la temperatura a la que se realiza la ignición y T2 a la temperatura de salida de los gases. Para una operación de alta eficiencia (cercana a uno) la temperatura de ignición debería ser muy alta y la de salida muy baja, lo cual no ocurre en la combustión por la naturaleza misma del fenómeno. Lo anterior establece que independientemente del tipo y diseño del motor, no pueden esperarse altas eficiencias porque opera esencialmente caliente sin posibilidad de disminuir su temperatura de operación en forma importante. La Figura 10 muestra la eficiencia que puede lograrse en un motor de combustión interna en función de la velocidad de crucero del automóvil, ilustrándose la magnitud de las pérdidas presentes(8)

Figura 10. Eficiencia del Motor de Combustión Interna Los Hidrocarburos y la preocupación por el Ambiente A partir de la década de los 70's la preocupación por el efecto de las emisiones en el ambiente y la salud ha ido en aumento y actualmente se establecen normas ambientales cada vez más restrictivas en cuanto al contenido de componentes adversos en los combustibles, lo que se ha convertido en un importante reto tecnológico y económico para su utilización. La estructura de las emisiones por la producción y consumo de combustibles(9) se muestra en la Figura 11 y da una idea de la complejidad de este problema.

%

Eficiencia si no hubierafricción o pérdidas

40

30

20

10

30 65 100 135

Velocidad de cruceroKm / h

Fricción

Pérdidas porCalor

Eficiencia Realdel Motor



Figura 11. Estructura de las emisiones por producción y consumo de combustibles

El problema ambiental es preocupante, ya que de los datos históricos y las tendencias futuras se espera un aumento muy importante en la existencia de vehículos a nivel mundial, que es probable que se acerque a la cifra de 1,000 millones de unidades en la década del 2020, como se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Existencia de vehículos a nivel mundial

A partir del inicio de la década de los 70’s se inicio un fuerte movimiento social que demandaba la disminución del impacto ambiental de los combustibles, ya que se empezó a medir la cantidad de contaminantes en la atmósfera y se comprobó su influencia directa en enfermedades de diversos tipos, principalmente respiratorias. Este movimiento se inició en los Estados Unidos y fue seguido muy de cerca por Europa, lo que se tradujo en la creación de agencias ambientales encargadas de monitorear a los contaminantes en aire, agua y tierra y establecer medidas regulatorias para combustibles y motores que permitieran la disminución del impacto ambiental.

1930 1950 1980 1996 20202002

200

400

1000

800

600

Mundial

Estados Unidos

Año

Millones

1930 1950 1980 1996 20202002

200

400

1000

800

600

Mundial

Estados Unidos

Año

Millones

ESTACION DESERVICIO

REFINERIA

MOTORES AGASOLINA O

GAS

TERMOELECTRICA

MOTORES ADIESEL

ESTACION DESERVICIO

CRUDO DIESEL

COMBUSTOLEO

Emisiónes porcombustión

(sólidas y gaseosas)

Fugas

Desfogues

Lodos Ysedimentos

Agua deproceso

EMISIONESDE ESCAPE

OZONO

EMISIONESEVAPORATIVAS

SOXHCCONOXCO2Pb

COV

EMISIONES

SOXPARTICULASCO2

GASOLINAO GAS

EMISIONES

SOXPARTICULASCO2



El impacto en la salud de diversos componentes en la atmósfera se muestra en la Figura 13.

Figura 13 Efecto en la salud de diversas emisiones Así en los Estados Unidos se determina la eliminación del plomo en las gasolinas en 1975, por lo que en ese momento la recuperación del número de octano se logra con la introducción de más compuestos aromáticos provenientes del proceso de reformación de naftas. Más tarde se encontró que los aromáticos, principalmente benceno, tenían efectos cancerígenos en el sistema respiratorio, por lo que en la década de los 80’s se introdujo el control de las emisiones evaporativas y la reducción de la presión de vapor en las gasolinas para restringir el uso de aromáticos e hidrocarburos más ligeros que eventualmente se incorporarían con facilidad a la atmósfera. Una tercera etapa se da en la década de los 90’s con la introducción de oxígeno químico a las gasolinas, a través de compuestos oxigenados como los éteres. Esta reglamentación se basó en la premisa de que el oxígeno químico presente en el proceso de combustión en el motor, la hacia más completa, disminuyendo la cantidad de monóxido de carbono CO en las emisiones de escape. A mediados de los 90’s se desarrollan reglamentaciones con una visión a largo plazo. Así es como se establece la fase 1 de nuevos combustibles que tiene 2 vertientes: La primera con la introducción de diesel de bajo azufre (500 partes por millón), cuando antes de esa etapa el contenido de este compuesto era mayor a 1000 ppm; la segunda vertiente se estableció para producir la llamada “gasolina reformulada”, con la cual por primera vez se obliga a incorporar compuestos “sintéticos” a este combustible, principalmente alquilado, oxigenados e isómeros.

TETRATETILO DE PLOMO (TEP) PLOMO

CONTAMINACIÓN

DE SANGRE

ELIMINAR EL TEP

(PÉRDIDA DE OCTANO)

NO PLOMO

PRESIÓN DE VAPOR

(VOLATILIDAD)

COMPUESTOS ORGÁNICOS

VOLÁTILES (COV)

EMISIÓN DE COV

PRECURSORES DE OZONO

ELIMINAR LAS CORRIENTES

LIGERAS (PÉRDIDA DE OCTANO)

PVR máx.

COMBUSTIÓN INCOMPETA

MONÓXIDO DE

CARBONO

IRRITACIÓN RESPIRATORIA

INVERSIÓN TÉRMICA

ADICIÓN DE OXIGENADOS O2 mín.

OLEFINAS HIDROCARBUROS NO QUEMADOS


CANCEROGENI-GINIDAD

ADICIÓN DE ISÓMEROS Y ALQUILADO

OLEFINAS

máx.

AROMÁTICOS PRECURSORES DE OZONO


BENCENO máxAROMÁTICOS máx

AZUFRESOX

+PARTÍCULAS PM10

IRRITACIÓN RESPIRATORIA Y

VENENO DE CONVERTIDORES

CATALÌTICOS

DESULFURACIÓN AZUFRE máx.

COMBUSTIÓNDIÓXIDO DE

CARBONO (CO2)

CALENTAMIENTO GLOBAL

(EFECTO INVERNADERO)

NO EXISTEN

(TODAVÍA)

% C EN EL COMBUSTIBLE.

HIDROCARBUROS NO QUEMADOS

FU

EN

TE

S D

E E

MIS

ION

ES

EN

CO

MB

US

TI B

LES

TETRATETILO DE PLOMO (TEP) PLOMO

CONTAMINACIÓN

DE SANGRE

ELIMINAR EL TEP

(PÉRDIDA DE OCTANO)

NO PLOMO

PRESIÓN DE VAPOR

(VOLATILIDAD)

COMPUESTOS ORGÁNICOS

VOLÁTILES (COV)

EMISIÓN DE COV


ELIMINAR LAS CORRIENTES

LIGERAS (PÉRDIDA DE OCTANO)

PVR máx.

COMBUSTIÓN INCOMPETA

MONÓXIDO DE

CARBONO

IRRITACIÓN RESPIRATORIA

INVERSIÓN TÉRMICA

ADICIÓN DE OXIGENADOS O2 mín.

OLEFINAS HIDROCARBUROS NO QUEMADOS


CANCEROGENI-GINIDAD


OLEFINAS

máx.

AROMÁTICOS PRECURSORES DE OZONO


BENCENO máxAROMÁTICOS máx

AZUFRESOX

+PARTÍCULAS PM10

IRRITACIÓN RESPIRATORIA Y

VENENO DE CONVERTIDORES

CATALÌTICOS

DESULFURACIÓN AZUFRE máx.

COMBUSTIÓNDIÓXIDO DE

CARBONO (CO2)

CALENTAMIENTO GLOBAL

(EFECTO INVERNADERO)

NO EXISTEN

(TODAVÍA)

% C EN EL COMBUSTIBLE.

HIDROCARBUROS NO QUEMADOS

FU

EN

TE

S D

E E

MIS

ION

ES

EN

CO

MB

US

TI B

LES



A partir del 2000 se presentan modificaciones a los combustibles que dan origen a otros nuevos, llamados de fase 2, iniciando con una gasolina reformulada más estricta en cuanto al contenido de aromáticos (reformado) y olefinas (principalmente proveniente de gasolina de craqueo catalítico). La reglamentación que estará en vigor a partir del 2006, tanto para gasolina como para diesel, se orienta a disminuir drásticamente el contenido de azufre en ambos combustibles para establecerse en niveles tan bajos como 30 ppm para la gasolina y 15 ppm para el diesel. En la Figura 14 se muestra la evolución histórica de las medidas de mejoramiento de los combustibles en los Estados Unidos.

Figura 14 Medida de mejoramiento de los combustibles Esta evolución tan rápida y estricta en las especificaciones de los combustibles ha requerido modificar sustancialmente los esquemas de refinación con el consiguiente aumento en los costos de producción. Es importante resaltar que la producción de combustibles más limpios tiene un impacto directo en el beneficio económico logrado. Así en los Estados Unidos se han hecho mediciones del número de incidencias en la salud que podrán evitarse por la adaptación de los programas de combustibles limpios y se han hecho también cálculos de la relación de beneficio/costo de estos programas siendo sorprendentemente altos, como se muestran en las figuras 15 y 16 (10).

1A. ETAPA DE CONTROL DE EMISIONES EVAPORATIVAS / PRESIÓN DE VAPOR


INTRODUCCIÓN DE OXÍGENO (OXIGENADOS) A LA GASOLINA

INTRODUCCION DE DIESEL DE BAJO AZUFRE (500 PPM) (PROGRAMA FASE 1)

GASOLINA REFORMULADA (FASE 1)

GASOLINA DE BAJO AZUFRE (120 ppm) ( PROGRAMA FASE 2)

GASOLINA DE ULTRABAJO AZUFRE (30 ppm) (FASE 3)

ELIMINACION DEL PLOMO EN GASOLINAS


DIESEL DE ULTRABAJO AZUFRE (15 ppm) ( PROGRAMA FASE 2)

19751975

19891989

20042004

20002000

19951995

19931993

19921992

19911991

20062006



INTRODUCCIÓN DE OXÍGENO (OXIGENADOS) A LA GASOLINA

INTRODUCCION DE DIESEL DE BAJO AZUFRE (500 PPM) (PROGRAMA FASE 1)


GASOLINA DE BAJO AZUFRE (120 ppm) ( PROGRAMA FASE 2)

GASOLINA DE ULTRABAJO AZUFRE (30 ppm) (FASE 3)

ELIMINACION DEL PLOMO EN GASOLINAS


DIESEL DE ULTRABAJO AZUFRE (15 ppm) ( PROGRAMA FASE 2)

19751975

19891989

20042004

20002000

19951995

19931993

19921992

19911991

20062006



Figura 15. Impacto de la introducción de combustibles limpios en Estados Unidos

Figura 16 Estimación del Costo/Beneficio de los proyectos de combustibles limpios en Estados Unidos

Puede considerarse que los combustibles limpios de fase 2 representan una mejora disruptiva en su impacto ambiental. En la gasolina por ejemplo, se logra una reducción de las emisiones en el escape de contaminantes, tales como hidrocarburos, CO y NOx de prácticamente 98% y con las mejoras en los motores preparados para esta calidad de combustible una reducción del 44% en el rendimiento de gasolina (11), tal como puede observarse en la figura 17 .


20,000 40, 000 60, 000




Beneficio

Beneficio

Costo

Costo

Costo


20,000 40, 000 60, 000




Beneficio

Beneficio

Costo

Costo

Costo

Muertes prematuras



BronquitisCrónica

10, 000 20, 000 30, 000


Más de 30 millones

Muertes prematuras



BronquitisCrónica

10, 000 20, 000 30, 000


Más de 30 millones



Figura 17 Impacto del azufre en emisiones de gasolina Con respecto al diesel se tiene también una mejora sustantiva en la emisión de partículas (PM) y NOx, llevándolos prácticamente a 0. En la figura 18 se puede observar la evolución en la disminución de la emisión de estos contaminantes cuando la presencia de azufre pasa de 5,000 ppm a 500 ppm y finalmente a 15 ppm que es la especificación de la fase 2 para el diesel (12).

Figura X

Figura 18 Impacto del azufre en emisiones de diesel

1990 200219981994 2006 20100.0

0.1

0.5

0.4

0.3

0.2

0.6

0.0

1.0

5.0

4.0

3.0

2.0


Reducción de 98%


PM

NOx

1990 200219981994 2006 20100.0

0.1

0.5

0.4

0.3

0.2

0.6

0.0

1.0

5.0

4.0

3.0

2.0


Reducción de 98%


PM

NOx




(ppm)

32.0

4.23.2


42.2

1040

42.2 26.2

Reducción98%

Reducción97%

HC CO

Sin Control

1,000 300 30/80


12.6

50

5.0

Reducción98%

NOx


3600

5400

3400 3000

Reducción44%

Rendimiento

Gasolina

(lt/-año-veh)

0.6




(ppm)

32.0

4.23.2


42.2

1040

42.2 26.2

Reducción98%

Reducción97%

HC CO

Sin Control

1,000 300 30/80


12.6

50

5.0

Reducción98%

NOx


3600

5400

3400 3000

Reducción44%

Rendimiento

Gasolina

(lt/-año-veh)

0.6



En resumen, la eliminación de azufre en gasolina y diesel tiene un alto impacto en el abatimiento de emisiones y es un aspecto fundamental, con el que se logra prácticamente eliminarlas. Los criterios centrales son entonces: - El azufre es veneno para el catalizador del sistema de control de emisiones del

motor diesel - Eliminar el azufre en el diesel es equivalente a eliminar el plomo de las gasolinas,

ya que permite la máxima eficiencia del catalizador de emisiones - La reducción del azufre en el diesel disminuye la emisión de material particulado

(PM) así como de óxidos de nitrógeno (NOx) - Los vehículos para el programa de Fase 2 de combustibles, requieren gasolina de

ultrabajo azufre para lograr casi cero emisiones. Aún los vehículos de gasolina actuales mejoran sustancialmente su nivel de emisiones

Tanto la industria de los hidrocarburos como la automotriz, a la que está íntimamente vinculada, se han planteado una serie de retos tecnológicos, que deberán resolverse, si se quiere mantener al petróleo como fuente de energía primaria, , para cancelar o amortiguar los problemas que se han mencionado, de su uso actual. Estos retos tienen que ver con una visión integral del problema, incluyendo el combustible y el motor, como se muestra en la Figura 19.

Figura 19. Componentes y problemas tecnológicos del sistema energético de los hidrocarburos

Aún con este enfoque de solución pero tomando en cuenta los aspectos del aumento de población esperado y del consumo de energía per cápita para este siglo, es evidente la necesidad de plantearse la pregunta; ¿qué fuente alterna deberá desarrollarse para eventualmente sustituir a los hidrocarburos como fuente de energía?

EMISIONES EN ESCAPE

COMBUSTIBLESMOTORES

Requerimientos:• Emisiones muy bajas.• Alto desempeño y eficiencia• Sustentabilidad de largo plazo.• Costos accesibles.

Desarrollo

Tecnológico

armónico

e integrado

EMISIONES EN ESCAPE

COMBUSTIBLESMOTORES

Requerimientos:• Emisiones muy bajas.• Alto desempeño y eficiencia• Sustentabilidad de largo plazo.• Costos accesibles.

Desarrollo

Tecnológico

armónico

e integrado

Desarrollo

Tecnológico

armónico

e integrado

Desarrollo

Tecnológico

armónico

e integrado



Un tema aparte es la preocupación por el cambio climático. La emisión de los llamados “gases invernadero” preocupa grandemente a la sociedad. El gas invernadero más importante es el CO2, producto de la combustión de los hidrocarburos y cuya formación es inherente a este proceso. En otras palabras, mientras los combustibles fósiles sean la fuente de energía para los vehículos, la producción de CO2 es inevitable y prácticamente proporcional a su consumo. En este caso, la única medida de “amortiguamiento” en la producción de gases invernadero, se tiene mediante la mejora de la eficiencia global del motor, es decir, en el rendimiento de recorrido del combustible.


Tecnologías de Producción de Combustibles Limpios

IV 1



IV. TECNOLOGÍAS DE PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLES LIMPIOS La eliminación de azufre, tanto de gasolina como de diesel se realiza por medio del proceso de hidrotratamiento tradicional, en el cual este compuesto reacciona químicamente en presencia de un catalizador para formar H2S que es posteriormente eliminado como gas amargo. El nivel de eliminación de azufre depende de la severidad del proceso, la cual se determina en función de la temperatura y la presión de operación, así como de la concentración de hidrógeno y la cantidad de catalizador utilizado. El esquema conceptual y las secciones de una planta de hidrotratamiento se muestran en la Figura 20.

Figura 20. Esquema Típico del proceso de Hidrotratamiento Para el caso de las gasolinas, en la Figura 21 se muestran las corrientes que conforman el “pool”, destacando los gasóleos que se alimentan a la unidad FCC y que son los que prácticamente incorporan azufre a la gasolina final. El problema es entonces eliminar el azufre, ya sea en los gasóleos de carga (pretratamiento) o en la gasolina catalítica obtenida en esa planta (postratamiento). Por aspectos de costos de inversión, el llamado “postratamiento” es la opción más atractiva y es la que se representa en la figura 21.

Figura 21. Esquema de Postratamiento de Gasolina

Hidrodesulfurización

MTBE

Reformaciónde

Naftas

Isomerización

Desintegraciónde gasóleos (FCC)

Alquilaciónde

Butanos

Destilacióna baja

Presión

Destilaciónal

altovacío

HFi-C4

CH3OH

H2

Gasolinaa

ventas

Nafta

Querosina

Gasóleoligero

Gasóleopesado

Dieselamargo

Aceite cíclico ligero Corrientes con azufre

H2

Hidrotratamiento

Crudo

Hidrodesulfurización

MTBE

Reformaciónde

Naftas

Isomerización

Desintegraciónde gasóleos (FCC)

Alquilaciónde

Butanos

Destilacióna baja

Presión

Destilaciónal

altovacío

HFi-C4

CH3OH

H2

Gasolinaa

ventas

Nafta

Querosina

Gasóleoligero

Gasóleopesado

Dieselamargo

Aceite cíclico ligero Corrientes con azufre

H2

Hidrotratamiento

Crudo

Purga

Gasolina

Gas

H2 Fresco

Diesel

H2 Recirculación

DieselEstabilización

Separaciónde LigerosReacción

R-S + H2 RH + H2S R-NH + H2 RH + NH3

Eliminaci ón del azufre del hidrocarburo

Purga

Gasolina

Gas

H2 Fresco

Diesel

H2 Recirculación





Purga

Gasolina

Gas

H2 Fresco

Diesel

H2 Recirculación





Purga

Gasolina

Gas

H2 Fresco

Diesel

H2 Recirculación







Dado que la gasolina catalítica contribuye con aproximadamente 1/3 del “pool”, la reducción del azufre de esa corriente debe llevarse hasta aproximadamente 100 ppm. La tecnología más exitosa para lograr esta reducción se basa en un proceso de Destilación Catalítica en dos lechos, el primero para esterificar los compuestos de azufre y para isomerizar la gasolina y el segundo para la hidrodesulfuración y la indeseable hidrogenación de olefinas, que hace perder octano a la fracción. El arreglo de proceso se muestra en la Figura 22.

Figura 22. Estructura del Sistema de Reacción

En el caso del diesel, la Sección de Reacción tiene como núcleo el reactor catalítico, en el cual se llevan a cabo las diferentes reacciones del proceso. Las reacciones químicas en el proceso de hidrotratamiento pueden dividirse en 4 categorías: (1) hidrodesulfurización; (2) hidrodesnitrificación; (3) saturación de olefinas; (4) saturación de aromáticos. En todas estas reacciones se requiere y consume hidrógeno como reactivo. La hidrodesulfurización consiste en la eliminación del azufre de los hidrocarburos que lo contienen. Típicamente es posible remover alrededor de 80% del azufre total mediante este proceso. Las reacciones de hidrodesulfurización son exotérmicas por lo que siempre van acompañadas de generación de calor, el cual debe ser eliminado para minimizar las reacciones de desintegración y la desactivación del catalizador. Las reacciones de desulfurización no están limitadas por la termodinámica y dependen entonces de la eficiencia del catalizador para promover la velocidad de reacción. Las reacciones de hidrodesnitrificación permiten la eliminación del nitrógeno contenido en los compuestos nitrogenados que se encuentran en forma natural en las fracciones del petróleo. Los hidrocarburos de anillos de 6 átomos contienen el llamado nitrógeno básico y el llamado nitrógeno natural, es el que está contenido en los hidrocarburos con anillos de 5 átomos. En términos generales, por la complejidad de los compuestos nitrogenados, la desnitrificación es más difícil que la desulfurización. Un paso previo a

Nafta Ligera

Nafta Media/Pesada

Gasolina FCC

H2

Nafta Media

Nafta Pesada

CatalizadorNi/γ-Al2O3

CatalizadorCo-Mo/γ-Al2O3

Pd/γ-Al2O3

1er. Columna Destilación Catalítica, (esterificación, isomerización)

2ª. Columna Destilación Catalítica

(HDS, hidrogenación de olefinas)

Nafta Ligera

Nafta Media/Pesada

Gasolina FCC

H2

Nafta Media

Nafta Pesada

CatalizadorNi/γ-Al2O3

CatalizadorCo-Mo/γ-Al2O3

Pd/γ-Al2O3

1er. Columna Destilación Catalítica, (esterificación, isomerización)

2ª. Columna Destilación Catalítica

(HDS, hidrogenación de olefinas)



la desnitrificación es la saturación de los anillos aromáticos, la cual es una reacción controlada por el equilibrio y por lo tanto limitante del grado de conversión para las reacciones de desnitrificación. La eliminación del nitrógeno a través de estas reacciones da lugar a la formación de amoníaco (NH3), el cual debe ser removido en etapas posteriores para evitar la formación de incrustaciones desales de amonio. Las reacciones de saturación de olefinas ocurren rápidamente y son altamente exotérmicas. En términos relativos la mayor proporción del calor generado en el reactor se debe precisamente a las reacciones de saturación de olefinas y si éstas se encuentran en alta concentración en la carga, se requiere un cuidado especial en el diseño del reactor para lograr una adecuada eliminación del calor producido. La saturación de aromáticos ocurre por la adición de hidrógeno a los dobles enlaces que se encuentran en sus anillos. Estas reacciones son también altamente exotérmicas, por lo que se requiere un adecuado control de la temperatura del lecho catalítico para evitar la desactivación del catalizador. La sección de reacción de un proceso tradicional de hidrotratamiento (Ver Fig. 23), incluye típicamente un calentador para llevar la carga a la temperatura apropiada y después enviarla a un lecho catalítico fijo, el cual contiene un catalizador que promueve las reacciones de hidrotratamiento. Por el aumento de temperatura provocado por la generación de calor que se da en el reactor, el efluente intercambia calor con la carga, mejorando la recuperación térmica del proceso.

Figura 23. Sección de Reacción Con la incorporación de procesos de conversión de residuales a los esquemas de refinación del petróleo como es el caso en Petróleos Mexicanos, actualmente las cargas de diesel no solamente provienen de gasóleo atmosférico de las plantas de destilación primaria, si no que ahora se integran además a esta corriente, cortes provenientes de procesos de desintegración, como es el caso del aceite cíclico ligero (ACL), producido en las unidades de desintegración de craqueo catalítico (FCC) y también el diesel producido en las unidades coquizadoras de residuos de vacío.

Diesel

H2

• Gas + H2S + NH3• Líquidos• Diesel desulfurado

Calentador

Interenfriador

Reactor

Diesel

H2


Calentador

Interenfriador

Reactor

Diesel

H2


Calentador

Interenfriador

Reactor



Esta nueva integración establece importantes retos al proceso de hidrotratamiento de diesel, ya que la incorporación de corrientes de descomposición, aumenta considerablemente el contenido de aromáticos como es el caso del ACL (ya que esta fracción es muy poliaromática) y de olefinas en el caso del diesel de coquizadora. Desde el punto de vista del sistema de reacción las nuevas cargas tienen un potencial mayor de generación de calor por la saturación de aromáticos y olefinas. Así mismo estas nuevas cargas incorporan mayores concentraciones de azufre, presente en compuestos aromáticos y poliaromáticos, más refractarios a las reacciones de hidrodesulfuración, y que por lo tanto requieren un mayor nivel de severidad en el reactor para la eliminación de este compuesto. Para producir diesel de ultrabajo azufre (15 ppm), es posible utilizar las unidades existentes en la refinería, llevándolas a condiciones de mayor severidad, lo que generalmente se logra con la introducción de 8 medidas de proceso: (1) Introducir un reactor frontal con un catalizador de sacrificio para eliminación de

metales. (2) Aumentar el volumen del catalizador (3) Lograr una mayor eficiencia de contacto entre la carga líquida y el hidrógeno en

fase gas. (4) Introducir hidrógeno de mayor pureza (5) Introducir corrientes de apagado en el lecho catalítico que permitan eliminar el

exceso de calor por la hidrogenación de olefinas. (6) Realizar la separación del efluente del reactor en 2 etapas (7) Eliminar las sales de amonio formadas por la mayor concentración de nitrógeno

en la carga, mediante el lavado con agua. (8) Eliminación del H2S del hidrógeno de circulación El factor que más ha evolucionado en esta década para lograr producir diesel de bajo azufre, lo representa el catalizador, que actualmente está conformado por nanopartículas que permiten aumentar la actividad catalítica hasta en 3 veces con respecto a los catalizadores de primera generación aparecidos en los 80’s. La mejora en la actividad y los niveles de azufre logrados se muestra en la Figura 24.

Figura 24. Evolución de la actividad de catalizadores de hidrodesulfuración

100

200

300

400

1980 1985 1990 1995 2000 2005

% A

ctiv

idad

Vo

lum

étr

ica

Rela

tiva

Diesel con S=2000 ppm

500 ppm

50 ppm10 ppm

Año100

200

300

400

1980 1985 1990 1995 2000 2005

% A

ctiv

idad

Vo

lum

étr

ica

Rela

tiva

Diesel con S=2000 ppm

500 ppm

50 ppm10 ppm

Año



Una de las modificaciones que mayor impacto tiene para lograr una hidrodesulfurización mucho más profunda consiste en la introducción de nuevos platos distribuidores de líquido que permiten mejorar sustancialmente el área de contacto líquido–vapor que en términos prácticos equivale a aumentar la cantidad de catalizador, sin hacerlo, lo cual tiene un alto beneficio económico en el proceso. La mejora de estos platos con respecto a los convencionales se muestra gráficamente en la figura 25 en la que por medio de tomografía se hace evidente la mejora en el desempeño de los platos al permitir un flujo mezclado entre las fases líquido y vapor.

Figura 25. Mejora en el desempeño de Platos Distribuidores

Las mejoras señaladas pueden realizarse en instalaciones existentes como es el caso de las modificaciones a la planta de hidrotratamiento de diesel de una refinería mexicana cuy esquema de proceso y las modificaciones realizadas en él, se muestran en la figura 26.

Fig. 26 Modificaciones a una planta existente para producir Diesel de ultrabajo azufre

SEPARADORFRIO

DIESEL DE ALMACENAMIENTO

AMARGO

HIDROGENODE

REPOSICIÓN

Amina pobre ( DEA al 20% peso)

Agua de lavado

A. A.

DIESELPRODUCTO

GENERADOR DE VAPOR

REACTOR HDS

CALENTADOR DE CARGA

ACL

TANQUE DE CARGA

INTERENFRIADORDEL REACTOR

PRIMER INTERCAMBIADOR

DE CARGA

SEPARADORCALIENTE

SECCION DEENDULZAMIENTO

GASDULCE NAFTA

PRODUCTO

TORRELAVADORA

SECCION DE REGENERACION

DE AMINA

A. A.

A. A.

A.E.

COMPRESOR DE HIDROGENO DE RECIRCULACIÓN

COMPRESOR DE GAS AMARGO

REHERVIDOR ESTABILIZADORA

TORREESTABILIZADORA

REACTOR HDM

H2

H2

45% MÁS DE CATALIZADOR

INTERNOS ALTA EFICIENCIA

ELIMINACION DE METALES

99.9% PUREZA DE H284.39% PUREZA DE H2

SISTEMA DE LAVADO DE SALES

SEPARADORFRIO

DIESEL DE ALMACENAMIENTO

AMARGO

HIDROGENODE

REPOSICIÓN

Amina pobre ( DEA al 20% peso)

Agua de lavado

A. A.

DIESELPRODUCTO

GENERADOR DE VAPOR

REACTOR HDSREACTOR HDS

CALENTADOR DE CARGACALENTADOR DE CARGA

ACLACL

TANQUE DE CARGA

INTERENFRIADORDEL REACTOR

PRIMER INTERCAMBIADOR

DE CARGA

SEPARADORCALIENTE

SECCION DEENDULZAMIENTO

GASDULCE NAFTA

PRODUCTO

TORRELAVADORA

TORRELAVADORA

SECCION DE REGENERACION

DE AMINA

A. A.A. A.

A. A.A. A.A. A.

A.E.

COMPRESOR DE HIDROGENO DE RECIRCULACIÓN

COMPRESOR DE GAS AMARGO

REHERVIDOR ESTABILIZADORA

TORREESTABILIZADORA

REACTOR HDMREACTOR HDM

H2

H2

45% MÁS DE CATALIZADOR

INTERNOS ALTA EFICIENCIA

ELIMINACION DE METALES

99.9% PUREZA DE H284.39% PUREZA DE H2

SISTEMA DE LAVADO DE SALES

Comparación de flujos internosa 1.5 ft. dentro del Lecho Catalítico con Tomografía.

Plato Distribuidor Convencional

Nuevo Plato Distribuidor de última generación

Alto Flujo de Gas

Alto Flujo de

Líquido

Flujo Mezclado


Una estrategia sustentable para la producción de Combustibles

V 1



V. UNA ESTRATEGIA SUSTENTABLE PARA LA PRODUCCION DE COMBUSTIBLES Actualmente Pemex Refinación se enfrenta a diversos retos para mantener su oferta de combustibles en el mercado nacional, ya que por un lado debe incorporar una mayor proporción de crudo pesado a sus cargas a refinería para mantener un sano equilibrio entre la oferta y la demanda de este crudo que representa casi la mitad del crudo a consumir en México; por otro lado debido al abatimiento de la demanda de combustóleo para generación eléctrica se hace necesario incorporar procesos de “fondo de barril” para reducir la producción de residuales y en consecuencia aumentar el rendimiento a destilados; finalmente debe hacer las modificaciones necesarias en sus plantas de refinación para producir gasolina y diesel de ultrabajo azufre para cumplir con las normas requeridas para los automóviles y vehículos pesados a partir de 2006 y hasta 2009. Alrededor de las 3 premisas anteriores se ha establecido un programa de proyectos estratégicos que han iniciado ya con los que se muestran en la Figura 27, y que de realizarse apropiadamente, deberán culminar con la construcción de una nueva refinería, cuyo esquema de proceso y diseño deberá ajustarse a las necesidades aquí planteadas.

Figura 27. Gran Visión y Proyectos Estratégicos en Pemex-Refinación Puede observarse que los proyectos para la producción de combustibles limpios de ultrabajo azufre, deberán concluirse en 2009. Las premisas para estos proyectos son las siguientes: - Producir, únicamente, Gasolina Pemex Premium y Pemex Magna con niveles de

azufre máximos de 30 ppm - Elaborar, exclusivamente, un Pemex Diesel que contenga solamente 15 ppm de

azufre como máximo - Asegurar una producción ecológica, técnica y económicamente rentable de los

combustibles de Ultra Bajo Azufre en las 6 Refinerías del SNR.

Procesar másCrudo Pesado

Reducción de Residualesy mayor conversióna destilados

Producir combustiblesde ultrabajo azufre

2008 2009

Nuevo Tren de Refinación de 150 MBPD

Reconfiguración de MinatitlánProceso de 70% Crudo Pesado

2010 2014

Coquizadora en Tula y Salamanca para procesar Residuo de vacío

Producción de gasolina y dieselde Ultrabajoazufre Reconfiguración

de Salina CruzProceso de 60% Crudo Pesado en el SNR

Procesar másCrudo Pesado

Reducción de Residualesy mayor conversióna destilados

Producir combustiblesde ultrabajo azufre

2008 2009

Nuevo Tren de Refinación de 150 MBPD

Reconfiguración de MinatitlánProceso de 70% Crudo Pesado

2010 2014

Coquizadora en Tula y Salamanca para procesar Residuo de vacío

Producción de gasolina y dieselde Ultrabajoazufre Reconfiguración

de Salina CruzProceso de 60% Crudo Pesado en el SNR



Con respecto a la gasolina, Pemex Refinación ha decidido reducir el contenido de azufre de la fracción de gasolina proveniente de las unidades FCC, habiendo seleccionado la tecnología descrita en el capítulo III. Esta selección se ha basado en que por un lado este proceso de post-tratamiento tiene costos de inversiones mucho menores que los de una planta de hidrotratamiento del gasóleo de carga a la unidad FCC y en particular la tecnología de destilación catalítica presenta también las mejores condiciones de rentabilidad del proceso. Estos proyectos se han iniciado ya para Tula, Salamanca y Cadereyta en una primera etapa y se continuará Madero, Salina Cruz y por último Minatitlán. Esta secuencia para el proyecto se establece por el compromiso que ha adquirido Petróleos Mexicanos de introducir la gasolina de ultra bajo azufre tipo Premium desde octubre del 2006 y de Pemex Magna en 2 etapas: la primera para las zonas metropolitanas del Valle de México, Guadalajara y Monterrey para octubre del 2008 y para el resto del país en enero de 2009. Estas fechas se han negociado con los fabricantes de vehículos que requerirán este tipo de combustible en los motores a gasolina que se introducirán en el mercado a partir de 2009. Con respecto al diesel, es posible introducir las mejoras descritas en el capítulo III en prácticamente en todas las unidades de hidrotratamiento de destilados intermedios del sistema nacional de refinación, que suman un total de 18 y a las que se agregarán 4 nuevas plantas a localizarse en Minatitlán (2), Cadereyta (1) y Madero (1). La estrategia de modernización en las plantas de diesel se ha definido en forma tal de establecer una introducción de diesel de ultrabajo azufre por etapas en tres zonas bien establecidas del país: La primera para la zona fronteriza, la cual se atenderá con el nuevo diesel a partir de enero de 2007, posteriormente la zona metropolitana de México, Guadalajara y Monterrey en enero de 2009 para concluir con la introducción del combustible en el resto del país en septiembre del mismo año. En la Figura 28 se presenta el programa de introducción de combustibles de bajo azufre, cuyas especificaciones están establecidas en la norma mexicana NOM-086 (13).

Figura 28 Programa de introducción de gasolina y diesel de ultrabajo azufre

PEMEXPEMEXMagnaMagna

PEMEXPEMEXDieselDiesel

2011201020092008200720062005

250 / 300 30 prom / 80 máx

ZMZM 500 max 30 prom / 80 máx

RPRP 1,000 máx 30 prom / 80 máx

OCT

OCT

ZFZF 500 máx 15 máx

ENE

RPRP 500 máx 15 máx

SEP

ZMZM 300 máx 15 máx

ENE

ENE

ZM Zonas Metropolitanas: Valle de México, Guadalajara y MonterreyRP Resto del paísZF Zona fronteriza Los valores representan partes por millón de azufre

PEMEXPEMEXPremiumPremium

Fecha de entrada de la Norma

PEMEXPEMEXMagnaMagna

PEMEXPEMEXDieselDiesel

2011201020092008200720062005

250 / 300 30 prom / 80 máx

ZMZM 500 max 30 prom / 80 máx

RPRP 1,000 máx 30 prom / 80 máx

OCT

OCT

ZFZF 500 máx 15 máx

ENE

RPRP 500 máx 15 máx

SEP

ZMZM 300 máx 15 máx

ENE

ENE

ZM Zonas Metropolitanas: Valle de México, Guadalajara y MonterreyRP Resto del paísZF Zona fronteriza Los valores representan partes por millón de azufre

PEMEXPEMEXPremiumPremium

Fecha de entrada de la Norma



Asociadas a estas mejoras, se incluirán 3 nuevas plantas de azufre para recuperación de gas residual y 4 nuevas plantas reformadoras para producción de hidrógeno, las cuales abastecerán la demanda adicional de este componente para su consumo en las unidades de hidrotratamiento nuevas y modernizadas. Sin embargo debe recordarse que estos proyectos se orientan exclusivamente a la mejora en la calidad de los combustibles y específicamente a la reducción del contenido de azufre, por lo que no se incrementa la oferta de gasolina y diesel. De un análisis prospectivo de la demanda de gasolina hasta el año 2013 se observa un severo incremento de la demanda en aproximadamente 3% anual y que bajo el esquema actual de refinación, no será satisfecho, por lo que se requerirá continuar aumentando la importación de gasolinas. Bajo este escenario se estima que para 2013 la importación de gasolinas será de 336,000 BPD, lo que representaría el 40% del consumo interno y que a precios actuales de la gasolina de importación representaría un costo de 14,500 millones de dólares anuales. En la Figura 29 se presenta la prospectiva de oferta/demanda de gasolina hasta 2013(13).

Figura X. Prospectiva de la Oferta/Demanda de Gasolina a 2013

Figura 29. Oferta y demanda de gasolina en México Por esta razón adquiere una relevancia estratégica y económica la ampliación de la capacidad de procesamiento en el SNR, hasta llevar cada refinería a su capacidad límite. De esta forma se plantea la reconfiguración de la Refinería de Minatitlán, que incluye procesar hasta 70% de crudo pesado; esta modernización representará la incorporación de 64,000 BPD adicionales de gasolina, a partir de 2008. También se propone la introducción del proceso de coquización para procesar el residuo de vacío en las refinerías de Tula y Salamanca así como la reconfiguración de la refinería de Salina Cruz que podrá procesar hasta 60% de crudo pesado. Estos proyectos podrán incorporar hasta 181,000 BPD adicionales al SNR a partir del 2010.


Ofertanacional

Demandade gasolina

Mayor dependencia si no aumenta la oferta

531

671700

801

423 423

489 489

825

502

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2012 2013


336

14 500 MMUSD/año *


Ofertanacional

Demandade gasolina


531

671700

801

423 423

489 489

825

502

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2012 2013


336

14 500 MMUSD/año *



Los esquemas de modernización propuestos llevan a su límite la capacidad de producción de gasolinas en el SNR por lo que a partir de 2010 el incremento en la demanda ya no podrá ser satisfecho con las instalaciones actuales (14), como se muestra en la Figura 30.

Figura X. Prospectiva de la Oferta/Demanda de Gasolina a 2013 con los proyectos de modernización propuestos para el SNR

Figura 30. Oferta y demanda de gasolina con nuevos proyectos

Se puede observar la necesidad de ampliar la capacidad de refinación con al menos, una nueva refinería de 150,000 BPD de capacidad de procesamiento de crudo para 2013, con lo cual se agregarían 70,000 BPD de gasolina al mercado interno y se lograría el equilibrio oferta demanda para este combustible. Con una capacidad de procesamiento de 250 a 300, 000 BPD adicionales (2 nuevas refinerías) se garantizaría la oferta de gasolina hasta aproximadamente 2016 y se tendría un mayor margen de utilidad por la escala de producción. Debe destacarse que un proyecto de esta naturaleza requiere un periodo de ejecución de 3-4 años, por lo que su diseño conceptual y planeación deberán realizarse en 2007 y 2008. Esta opción tiene la ventaja adicional de que se podrán diseñar las refinerías bajo un esquema de procesamiento con crudos más pesados, si se justifica, y con baja producción de residuales, lo que incrementa sustancialmente el margen de utilidad de la refinería hasta casi un 75% con respecto al promedio actual del SNR y de más del doble con respecto al peor esquema actual de procesamiento, como se puede observar en la Figura 31.

531

671700

801

423 423

489502

825804

553

734

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2010 2013

NuevaRefinería 70



Oferta

Demanda

2.9%

2.6%

1.5%

6.5%


531

671700

801

423 423

489502

825804

553

734

350400450500550600650700750800850

1995 2000 2005 2008 2010 2013

NuevaRefinería 70



Oferta

Demanda

2.9%

2.6%

1.5%

6.5%




Figura YY. Utilidades en la refinación de crudo

Figura 31. Margen de utilidad en la refinación de crudo Con respecto al diesel, en la Figura 32 se presenta un anlisis histórico ý futurooferta/demanda asociado a la capacidad de procesamiento total de crudo en el SNR.

Figura 32. Oferta/demanda de diesel en el SNR 2000-2017

Se puede apreciar que hasta 2007 hay un equilibrio satisfactorio entre la oferta y la demanda; con la entrada en operación de las nuevas plantas de diesel de ultrabajo azufre, aumenta la oferta para llegar casi al equilibrio con la demanda. La introducción de una nueva refinería con dos trenes de refinación, haría que la oferta supere la demanda más allá de 2017.

7.34

4

13

11

Procesamiento de100% Crudo PesadoCon baja producciónde residuales

Promedio Típicodel SNR


Procesamiento de60% Crudo PesadoCon alta producciónde residuales

7.34

4

13

11





7.34

4

13

11





7.34

4

13

11





100

200

300

400

500

600

700

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

2300

/1 La oferta considera producción del crudo./2 Diferencia oferta demanda en millones de dólares.

Precios 2007 a 2014 promedio del 1er semestre 2006.

Configuración Minatitlán

Coquización Salina Cruz

CoquizaciónSalamanca

Coquización Tula

Arrancan plantas de

diesel ultra bajo azufre

Proceso de crudo

Demanda

Oferta \1

.

.

2 Nuevos trenes de refinación

100

200

300

400

500

600

700

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017500

700

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1100

1300

1500

1700

1900

2100

2300

/1 La oferta considera producción del crudo./2 Diferencia oferta demanda en millones de dólares.

Precios 2007 a 2014 promedio del 1er semestre 2006.

Configuración Minatitlán

Coquización Salina Cruz

CoquizaciónSalamanca

Coquización Tula

Arrancan plantas de

diesel ultra bajo azufre

Proceso de crudo

Demanda

Oferta \1

.

.

2 Nuevos trenes de refinación



Una Visión Sustentable del esquema de procesamiento de la Nueva Refinería Debemos recordar que la mayoría de los procesos que conforman una refinería se implantaron en la primera mitad del siglo XX y por lo tanto han evolucionado hasta contar con tecnologías maduras, bien conocidas y dominadas en sus aspectos de catalizadores, equipos, condiciones de operación, desempeño y rentabilidad. Sin embargo, la demanda de mayor rentabilidad de las operaciones, con producción de combustibles de mejor calidad técnica y ambiental, en un ambiente de procesamiento más limpio con casi cero emisiones, ha dado lugar a la necesidad de mejoras tecnológicas, aun en los procesos más maduros. Las empresas y licenciadores de tecnología así como los gobiernos de diversos países, están apoyando el desarrollo de nuevas tecnologías que seguramente modificarán el esquema de refinación en el futuro cercano. Los criterios de sustentabilidad, que se buscan cumplir con el desarrollo de nuevas tecnologías, son los siguientes:

- Sustentabilidad económica, para cumplir con los requerimientos sociales de combustibles y mantener la rentabilidad en su producción, manejo y distribución.

- Sustentabilidad de recursos, promoviendo la utilización de cargas, materias

primas y otros componentes renovables.

- Sustentabilidad energética, con la mejora en la eficiencia de procesos y equipos, para minimizar el desperdicio de energía.

- Sustentabilidad ambiental y de seguridad, produciendo combustibles de

mínimo o nulo impacto ambiental en un ambiente de producción libre de emisiones y con sistemas que minimizen el riesgo en las operaciones

De una primera etapa en el desarrollo del Sistema Nacional de Refinación, que se caracterizó por disponer de crudo ligero y energía baratos así como de una demanda moderada de combustibles, sin normatividad ambiental alguna, fue necesario llevar a cabo proyectos de alta inversión para otro escenario de mayor presencia de crudos pesados, requerimientos de combustibles bajo normatividad ambiental y un alto costo de crudos y energía, y con un fuerte énfasis en la rentabilidad de las operaciones. Los proyectos realizados a partir de entonces, se realizaron bajo esa óptica, destacando: - “Paquete Ecológico” en 1985, por medio del cual se incluyeron plantas para las nuevas gasolinas reformuladas (alquilación, MTBE, TAME) y la modernización de otras (reformación, hidrotratamiento de diesel, etc.). - Cierre de la refinería de Azcapotzalco y traslado y modernización de varias de sus plantas a otras refinerías (FCC y Alquilación a Cadereyta)

- Reconfiguración de prácticamente todas las refinerías del SNR, para la reducción de residuales (nuevas plantas de coquización), mayor producción de destilados (modernización y nuevas unidades FCC) y aumento de capacidad de procesamiento, que a la conclusión de los proyectos pasará de 1.3 MMBPD a casi 1.65 MMBPD hacia 2010.



Sin embargo para el futuro cercano, el SNR deberá modernizarse bajo otro nuevo paradigma, el de la sustentabilidad, que involucra producir combustibles cada vez más limpios, incorporando las cargas de crudo tradicionales pero también otras cargas más limpias y algunas provenientes de biomasa. Se exigirán procesos que operen con altos estándares de seguridad y que tengan prácticamente cero emisiones. Los retos tecnológicos asociados a este nuevo esquema de desarrollo involucran el tratamiento frontal de crudos pesados antes de su procesamiento en refinerías, mayor producción de olefinas en los procesos de craqueo (FCC e hidrocraqueo) para tener un bloque de construcción de gasolinas “sintéticas” muy limpias, plantas de hidrotratamiento más eficientes, quizá con catalizadores biológicos ultra-activos, producción de combustibles a partir de gas (gas a líquidos) y procesos de fondo de barril “profundos”, incluyendo cogeneración eléctrica. Los paradigmas y retos en las diversas etapas de la refinación en México, incluyendo la futura, se presentan en la Figura 33.

Fig. 33 Paradigmas y Retos en la Configuración de Refinerías De acuerdo a las tendencias tecnológicas y a los factores que impulsarán la refinación en los próximos años, el esquema conceptual de la refinería cambiará en sus cargas y productos. Resalta la posibilidad de contar con cargas adicionales al crudo, como el gas y la biomasa, que cada vez se integrarán en mayor proporción; asimismo se prevé la producción de otros productos como metanol y cargas para petroquímica como son las fracciones pesadas precursoras de olefinas petroquímicas; la cogeneración eléctrica y eventualmente la producción de compuestos derivados del azufre(15). Este esquema se muestra en la Figura 34.

Paradigma Original



capacidad



capacidad

Paradigma de Modernización

actual

Paradigma de nuevas

refinerías

Retos Retos

1950-1980 1980-2000 2000-2015

Periodo

Procesamiento de crudos

ligeros

Bajos precios del crudo

Energía barataY abundante

Calidad técnica de

combustibles

Demanda moderada

Procesar crudos

pesados en alta proporción

Alta demanda de gasolina y

diesel

Muy baja demanda de residuales

Atención a la rentabilidad

de operaciones

Combustibles reformulados en atención al

ambiente

Declinación de reservas y

altos precios de crudo y gas

Procesamiento muy limpio

(ceroemisiones)

Seguridad en Operaciones

Procesar diversos crudos y cargas

(flexibilidad)

Mayor y más severo

hidrotratamiento

Plantas de Gasolina

Reformulada

Modificaciones para procesar crudos más

pesados

Optimizar eficienciaen uso de energía

Plantas de “fondo de barril”y cogeneración

eléctrica

Tratamiento de Crudos Pesados

Plantas de Gas a Líquidos

Hidrotratamiento más eficiente

Mas olefinas y gasolina sintética

Producción de Hidrógeno y

Biocombustibles

- Rentabilidad- Ambiente- Crudos Pesados

- Sustentabilidad

Mas plantas de tratamiento y colección de

efluentes

Combustibles totalmente limpios y mínimos

residuales



Figura 34. Cambio conceptual en el esquema de Refinación En forma más específica en cuanto a los procesos químicos que podrán incorporarse al esquema de una nueva refinería, destacan los siguientes: Pretratamiento y destilación de crudo Se deberán incorporar procesos nuevos para desulfurar y desmetalizar el crudo, con lo que lo que podrá lograrse convertir crudos pesados a ligeros, con un costo competitivo. En la destilación primaria es posible que se incorporen catalizadores para “adelantar” el craqueo de fracciones pesadas a las condiciones de operación de ese proceso y convertir la destilación tradicional en una destilación catalítica, que aumente el rendimiento a destilados. Hidrotratamiento Una modificación importante se debe dar en el bloque del actual hidrotratamiento de fracciones, ya que seguramente se incorporarán nanocatalizadores de ultra actividad a condiciones más moderadas o el advenimiento de catalizadores biológicos que modifiquen de raíz el concepto de desulfurización y desnitrogenación. Será posible lograr gasolina y diesel con 15 ppm de azufre a bajas severidades y en plantas de menor tamaño. Craqueo catalítico El proceso de craqueo catalítico de gasóleos (FCC), tradicionalmente “la máquina que produce gasolina”, será también el tronco productor de olefinas, lo que requerirá procesos que aumenten su rendimiento hasta al doble del actual (de 15 a 30%) aún sacrificando conversión a gasolina. Esta es una mejora que buscan ya los licenciadores de esta tecnología.

PRETRATAMIENTO DE CRUDO PESADO

DESTILADOS

H2

METANOL

ELECTRICIDAD

COMPUESTOSDE AZUFRE

2015

PETROQUÍMICOS

COMBUSTIBLES MEJORADOS Y ULTRALIMPIOS

CRUDO

GAS NATURAL

CRUDO

EMISIONES

DESTILADOS

AZUFRE

COMBUSTOLEO

COQUE

2006EFLUENTES

REFINERIA

REFINERIA

BIOMASA

PRETRATAMIENTO DE CRUDO PESADO

DESTILADOS

H2

METANOL

ELECTRICIDAD

COMPUESTOSDE AZUFRE

2015

PETROQUÍMICOS

COMBUSTIBLES MEJORADOS Y ULTRALIMPIOS

CRUDO

GAS NATURAL

CRUDO

EMISIONES

DESTILADOS

AZUFRE

COMBUSTOLEO

COQUE

2006EFLUENTES

REFINERIA

REFINERIA

BIOMASA



Para aumentar el rendimiento de diesel, se requerirá evaluar la ventaja de introducir el proceso de hidrocraqueo al esquema de refinación. Su desventaja de requerir un alto consumo de hidrógeno puede equilibrarse con la mayor producción de diesel, olefinas y cargas mejoradas a la planta FCC. Tren de Lubricantes Se deberá evaluar la incorporación de un nuevo tren de lubricantes, con la incorporación de nuevas tecnologías para producir lubricantes de mayor calidad, ya que actualmente sólo existe una planta de lubricantes en Salamanca, con más de 50 años de antigüedad. Procesos para producción de fracciones de Gasolina Reformulada Se mantendrá un grupo de plantas para producir fracciones “limpias” de gasolina, destacando la alquilación, la isomerización de naftas y posiblemente metanol o etanol, como sustituto de los éteres. Procesos de “Fondo de barril” La coquización mantendrá su atractividad como proceso de fondo de barril, ya que se ha encontrado un mercado suficiente para el coque residual de este proceso. Sin embargo será necesario evaluar otros procesos alternos como la gasificación integrada a ciclos combinados de producción de energía eléctrica e hidrógeno. La cogeneración deberá aparecer como un elemento central en el ahorro de energía del proceso de refinación. La alta demanda de hidrógeno será un elemento determinante en el esquema, que requerirá plantas de reformación con vapor del gas natural. Manejo de azufre Se deberán incluir plantas de alta recuperación de azufre del tipo post-Claus y se deberá buscar una salida “química” al azufre recuperado para garantizar su adecuada disposición. Un esquema de opciones de procesos para una nueva refinería se muestra en la Figura 35.



Figura 35. Procesos potenciales en una nueva refinería Integración con plantas petroquímicas Con objeto de aumentar la rentabilidad de las operaciones globales de Petróleos Mexicanos, es conveniente evaluar la integración de la refinería con un complejo petroquímico, lo que en principio crea sinergias importantes, como son: (1) el utilizar el hidrógeno producido en las plantas de etileno y olefinas, para abastecer a la refinería con su alta demanda para el hidrotratamiento (2) recuperar la gasolina de pirólisis para su incorporación a la red de gasolinas (3) abastecer de residuos a una posible planta de craqueo profundo para producción de propileno y otros petroquímicos (4) intercambio de gas residual entre plantas de refinación y petroquímica. Este concepto se muestra en la Figura 36.

PRETRATAMIENTO

•DESALADOELECTROQUÍMICO

•HIDROTRATAMIENTO

DESTILACIÓNREACTIVA

•ATMOSFÉRICA

•DE VACÍO

SISTEMA SLURRYCON NANOCATALIZA-DORES

ENDULZAMIENTOCON MEMBRANAS

RECUPERACIÓN DEAZUFRE

HIDROTRATAMIENTO

REACTORES SLURRYCON NANOCATALIZA-

DORES

PROCESAMIENTO DE AZUFRE

ISOMERIZACIÓN

REFORMACIÓN CCR

HIDROGENACIÓN DEAROMÁTICOS

OXIDACIÓNSELECTIVA DEGASOLINA FCC

ALQUILACIÓN

DIMERIZACIÓN

ISOMERIZACIÓNESQUELETAL

COQUIZADORA

HIDROSESINTEGRA-CIÓN + ULTRASONIDO

REDUCTORA DEVISCOSIDAD

GASIFICACIÓN

SÍNTESIS DE

FISHER-TROPSCH

REFORMACIÓN CONVAPOR

CRUDO

GASNATURAL

PRODUCTOS DEAZUFRE

GASOLINA

GASAMARGO

NAFTA

DESTIL

AD

OS

GASO

LINA F

CC

HIDRO-DESPARAFINADO

FCC DE ALTACONVERSIÓN A

OLEFINAS

OLEFI-NAS

TURBOSINA YQUEROSINA

LUBRICANTES

GASOLINADE FCC

GASOLINA

RESIDUO

OPCIONES DEFONDO DE BARIL

COMBUSTOLEO

ELECTRICIDAD

GASOLINAULTRALIMPIA

TRATAMIENTOEN POZO Y/O

DUCTO

OXIDACIÓN SELECTIVA


ALCOHOLES

POLIMERIZACIÓN

ALQUILACIÓN

GASOLINA

GASOLINA

BIO-DESULFURACIÓN DIESEL

OXIDACIÓN PARCIAL

OXIDACIÓN PARCIAL

CONVERSIÓNCO APETROQUÍMICAFIBRAS DECARBÓN

C1-C2

C3-C4

PRETRATA-MIENTO DE

CRUDO

MANEJO DE AZUFRE

HIDROTRATAMIENTO

OPCIONES DE SÍNTESISDE GASOLINA

PRETRATAMIENTO

•DESALADOELECTROQUÍMICO

•HIDROTRATAMIENTO

DESTILACIÓNREACTIVA

•ATMOSFÉRICA

•DE VACÍO

SISTEMA SLURRYCON NANOCATALIZA-DORES

ENDULZAMIENTOCON MEMBRANAS

RECUPERACIÓN DEAZUFRE

HIDROTRATAMIENTO

REACTORES SLURRYCON NANOCATALIZA-

DORES

PROCESAMIENTO DE AZUFRE

ISOMERIZACIÓN

REFORMACIÓN CCR

HIDROGENACIÓN DEAROMÁTICOS

OXIDACIÓNSELECTIVA DEGASOLINA FCC

ALQUILACIÓN

DIMERIZACIÓN


COQUIZADORA

HIDROSESINTEGRA-CIÓN + ULTRASONIDO

REDUCTORA DEVISCOSIDAD

GASIFICACIÓN

SÍNTESIS DE

FISHER-TROPSCH

REFORMACIÓN CONVAPOR

CRUDO

GASNATURAL

PRODUCTOS DEAZUFRE

GASOLINA

GASAMARGO

NAFTA

DESTIL

AD

OS

GASO

LINA F

CC

HIDRO-DESPARAFINADO

FCC DE ALTACONVERSIÓN A

OLEFINAS

OLEFI-NAS

TURBOSINA YQUEROSINA

LUBRICANTES

GASOLINADE FCC

GASOLINA

RESIDUO

OPCIONES DEFONDO DE BARIL

COMBUSTOLEO

ELECTRICIDAD

GASOLINAULTRALIMPIA

TRATAMIENTOEN POZO Y/O

DUCTO

OXIDACIÓN SELECTIVA


ALCOHOLES

POLIMERIZACIÓN

ALQUILACIÓN

GASOLINA

GASOLINA

BIO-DESULFURACIÓN DIESEL

OXIDACIÓN PARCIAL

OXIDACIÓN PARCIAL

CONVERSIÓNCO APETROQUÍMICAFIBRAS DECARBÓN

C1-C2

C3-C4

PRETRATA-MIENTO DE

CRUDO

MANEJO DE AZUFRE

HIDROTRATAMIENTO

OPCIONES DE SÍNTESISDE GASOLINA



Figura 36. Integración Refinería-Petroquímica

Para definir el esquema de procesamiento de la nueva refinería se hace crítico el proceso de “gestión de la tecnología”, ya que será necesario adquirir procesos cuyas tecnologías tengan visión de largo plazo y se integren armónicamente con el resto de los que conformarán la refinería, para lograr una optimización con múltiples variables: la rentabilidad, el impacto ambiental, la flexibilidad de cargas, entre otras. La cuidadosa planeación y conceptualización del esquema de procesamiento es un factor crítico en el proyecto de una nueva refinería. Con una visión de más largo plazo, los criterios de sustentabilidad tendrán mayor arraigo en la concepción y el diseño de nuevas plantas industriales, por lo que se tendrán modificaciones fundamentales en los paradigmas que sustentan el desarrollo industrial. Así por ejemplo, se buscará introducir materias primas renovables como apoyo y relevo parcial de los combustibles fósiles; se buscará eliminar los procesos intensivos en energía e introducir fuentes de energía renovable; se tendrán sistemas de procesamiento totalmente limpios con cero emisiones y se diseñarán los procesos y plantas químicas con base a un respeto a los ciclos de vida, que se conocerán con mayor profundidad. Un esquema de esta visión de largo plazo para la sustentabilidad se muestra en la Figura 37.

Refinería Complejo Petroquímico

Petróleo Crudo

Gas Natural- Naftas- Residuos- Olefinas de FCC

- Gas Residual

- Hidrógeno- Gasolinas- Gas Residual

Combustibles

PetroquímicosRefinería Complejo Petroquímico

Petróleo Crudo

Gas Natural- Naftas- Residuos- Olefinas de FCC

- Gas Residual

- Hidrógeno- Gasolinas- Gas Residual

Combustibles

Petroquímicos



Figura 37. Una visión a largo plazo para la sustentabilidad

Paradigmas Actuales

Reducir laintensidadenergética

Gran Visión de Futuro

Retos

2006 2100 Año

Combustibles Fósiles

Procesos intensivos en consumo de

energía

Procesos generadores de efluentes indeseables

Ignorancia de los sistemas

vivos

Energía renovable

Ceroemisiones

Conocimiento y respeto a los

sistemas vivos

Materias primas

renovables

Manejo adecuado del carbón

Desarrollo de la cultura de

Sustentabilidada Combustibles renovables

Conocimiento y aplicación de los Ciclos

de Vida

Cargas químicas renovables

Química e ingeniería “verde”

Predominancia de combustibles fósiles

Efectos Toxicológicos

2025

Declinación de combustibles fósiles


Una Prospectiva de los nuevos Combustibles

VI



VI. UNA PROSPECTIVA DE LOS NUEVOS COMBUSTIBLES El dilema mundial actual en la producción de energía en el mundo es una combinación de tres factores determinantes, que son (1) una demanda creciente que, como se ha visto, crecerá en forma sostenida a una tasa de alrededor de 1.6% anual cuando menos hasta el 2030; (2) una oferta declinante hasta el día de hoy, tanto en cantidad como en calidad ya que los crudos ligeros y obtenidos a baja profundidad disminuyen su presencia en el mercado lo que ha tenido un fuerte impacto en los precios del crudo en los últimos años; y (3) restricciones ambientales cada vez más estrictas que requieren formular combustibles cada vez más limpios con el consecuente aumento en sus costos de producción en las refinerías. Estos factores se ilustran en la Figura 38.

Figura 38. El dilema actual en la producción de combustibles Las opciones energéticas alternativas Cualquier fuente alterna que pretenda competir con los hidrocarburos deberá presentar las siguientes características, que sí tienen estos combustibles: a) Ser producido en grandes cantidades en forma económica. b) Tener un buen contenido energético por volumen de combustible, de alrededor de 160,000 joules/galón, que permita dar una autonomía satisfactoria al usuario. c) Posibilidad de ser almacenado en recipientes que puedan ser llenados muchas veces y en forma segura, para asegurar su disponibilidad en un mercado de alto consumo y con múltiples puntos de venta. d) Posibilidad de ser transportado (preferentemente en tubería) en forma económica, eficiente y segura, tanto en grandes como en pequeños volúmenes. e) Que el usuario final pueda cargar combustible, a razón de un millón de joules por minuto para el caso de automóviles, lo cual también se reflejará en la autonomía requerida por el usuario. f) No tener impacto ambiental severo. Diversas formas alternas de producir energía útil se han estudiado, principalmente a partir de la última mitad del Siglo XX. Por ejemplo, la energía nuclear fue en las décadas de los 60's y 70's de ese siglo, la alternativa que se consideró más viable ya que presenta importantes atractivos como son tener una muy alta densidad energética, el no depender de situaciones climáticas, no emitir carbón hacia la atmósfera y la posibilidad de construir plantas nucleoeléctricas en lugares aislados de las zonas urbanas pero sobre todo que puede generar energía con recursos prácticamente inagotables.

OFERTA DECLINANTE RESTRICCIONESAMBIENTALES

DEMANDACRECIENTE

OFERTA DECLINANTE RESTRICCIONESAMBIENTALES

DEMANDACRECIENTE

RESTRICCIONESAMBIENTALES

DEMANDACRECIENTE



Sin embargo, los accidentes en la planta de Tres Millas en Estados Unidos en 1979 y de Chernobyl en la Unión Soviética en 1986, prácticamente derrumbaron el desarrollo de esta fuente de energía ya que se ha considerado demasiado riesgosa y peligrosa para que se convierta en el fundamento energético de nuestra sociedad. Desde el punto de vista tecnológico se mantienen sus ventajas y, a pesar de los accidentes mencionados, el riesgo de una catástrofe no es tan grande como se piensa. El manejo de los residuos nucleares, que es otra de las preocupaciones centrales en la aplicación de esta tecnología, es superable ya que podrían encontrarse depósitos geológicos en lugares subterráneos estables. Sin embargo, el efecto que han tenido entre la sociedad los accidentes mencionados, ha frenado y muy probablemente no permitirá en el mediano plazo, el pleno desarrollo de la energía nuclear como alternativa a los hidrocarburos. Por su parte, el carbón que fue el combustible del Siglo XIX y el cual todavía se encuentra en gran abundancia en el planeta, se cree que seguirá siendo una alternativa complementaria a los hidrocarburos, como lo ha sido hasta la fecha, ya que proporciona actualmente casi la sexta parte del consumo mundial. El carbón, a pesar de ser un combustible sucio con restricciones ambientales en su utilización, seguramente seguirá alimentando muchas plantas de generación eléctrica, cuando menos en los próximos 20 años. Sin embargo, dadas las tendencias ambientales, y si se confirman las teorías sobre el calentamiento global del planeta por las emisiones de dióxido de carbono, el carbón está destinado a desaparecer como energético. Otras dos formas de energía alterna, como son la solar y la eólica, tienen como principal limitación la poca capacidad de almacenamiento y conversión masiva a formas de energía útiles. La energía eólica ha despertado interés en puntos muy específicos del planeta donde se tienen rachas de viento regulares que justifican la instalación de generadores tipo turbina que convierten a la energía del viento en energía eléctrica. Su principal ventaja es que es una forma de energía neutral desde el punto de vista ambiental pero todavía muy costosa para competir con los combustibles fósiles. Aún los grupos que apoyan esta opción consideran que desde el punto de vista económico, no será competitiva antes de 2020, por lo que su utilización como complemento o sustituto de los hidrocarburos todavía espera el largo plazo. El costo de la tecnología solar sigue siendo prohibitivo y requiere además grandes superficies de captación. Su gran dependencia de las condiciones climatológicas requiere necesariamente el desarrollo de la tecnología de acumulación de energía que permita absorber calor solar durante cortos tiempos de captación y disponer de ella en cualquier otro momento. Actualmente se han encontrado sales que fundidas por el calor solar logran cierta capacidad de almacenamiento que les permite impulsar turbinas generadoras de electricidad durante la noche. Con respecto a su economía se considera que sólo un decremento desproporcionado de los combustibles fósiles podría impulsar y hacer competitivos la generación a partir de la energía solar. De todas las opciones alternativas a los combustibles fósiles, el concepto más radical se encuentra en la sustitución del motor de combustión interna por la celda de combustible, ya que el primero requiere el calor de la combustión como fuente primaria de energía; en la celda en cambio, se genera energía eléctrica, y es precisamente la electricidad la energía primaria para el motor. Este concepto nace del principio químico de que el hidrógeno al reaccionar con el oxígeno produce energía eléctrica sin generación de contaminantes (el proceso inverso a la electrólisis del agua), de acuerdo a la reacción química, dada por la siguiente reacción:



H2 + 1/2 O2 H2O + Energía Eléctrica (4) El primer reto a considerar es la producción misma del hidrógeno, ya que es un elemento que no se encuentra en la naturaleza en su forma química H2, por lo que deberá obtenerse siempre a partir de otro u otros componentes que lo contengan. El contenido de hidrógeno del planeta es de alrededor de 12% y está presente principalmente en el agua, en los hidrocarburos y en las sustancias que conforman a los seres vivos, por lo que su disponibilidad es prácticamente inagotable. Las fuentes potenciales de producción de hidrógeno son los hidrocarburos, gas natural o gasolina, metanol y agua, como se muestra en la Figura 39.

Figura 39 Rutas de Producción de Hidrógeno

El hidrógeno puede producirse en grandes cantidades, ex-situ al vehículo, a través del conocido proceso de reformación del gas natural. Sin embargo sus características físico químicas tan particulares en cuanto a propiedades críticas, densidad y densidad energética, hace necesario sistemas muy especiales para su transportación y almacenamiento tanto en la estación del servicio como en el propio vehículo. (ver Figura 40)

Figura 40. Comparación de propiedades del H2 vs. otros combustibles

Celda deCombustible

Electrólisis

Reformación

ReformaciónEnergíaEléctrica

Aire

Agua

Agua

Hidrocarburos(Gas Naturalo gasolina)

MetanolH2

Metanol Gasolina GasNatural

Hidrógeno

1.0

0.5

gr / cm³

0.792 0.72

0.415

0.07

cal / cm³

10,000

5,000

7683

4960

2006

Gas NaturalGasolina Hidrógeno

Densidad de combustiblesDensidad Energéticade combustibles

Metanol Gasolina GasNatural

Hidrógeno

1.0

0.5

gr / cm³

0.792 0.72

0.415

0.07

cal / cm³

10,000

5,000

7683

4960

2006

Gas NaturalGasolina Hidrógeno

Densidad de combustiblesDensidad Energéticade combustibles



El metanol, sería un intermedio, que se obtiene por síntesis del hidrógeno y los óxidos de carbono y que es el “combustible” a utilizar ya en el vehículo a partir del cual se produce hidrógeno por reformación. Su estructura química le permite producir hidrógeno a temperaturas relativamente bajas de alrededor de 250 °C. En este proceso los productos de la reformación son hidrógeno, CO2 y una pequeña cantidad de CO; la baja temperatura de reacción produce un diseño relativamente simple de la cámara de reformación en el vehículo. Una ventaja fundamental es que debido a las bajas temperaturas de operación, se evita prácticamente la emisión de óxido de nitrógeno. Una desventaja en el uso del metanol es que su reformación tiene carácter endotérmico y requiere suministro de calor, por lo que es necesario instalar un reactor adicional para quemar una parte del combustible. Por esta razón los reformadores de metanol requieren un tiempo relativamente largo para alcanzar su óptima temperatura de operación. Los diseños actuales requieren hasta 30 minutos para que el sistema empiece a producir energía. Por otro lado hay un factor económico que limita actualmente el uso masivo del metanol ya que en los últimos 10 años, sus costos de producción han sido prácticamente el doble de los de la gasolina. El esquema de operación y las reacciones que se presentan en el vehículo provisto de celda de combustible, se muestran en las Figuras 41 y 42.

Figura 41. Estructura de la Celda de Combustible

GASOLINA

H2O

O2 (AIRE)

MOTOR

TRANSMISIÓN

CALOR

ENERGÍA MECÁNICA

ENERGÍA ELECTRICA

•GAS•GASOLINA•METANOL

H2O

O2

H2, CO, CO2

H2,CO2

H2O,CO2

ENERGÍA ELECTRICA

ENERGÍA MECÁNICA

CALOR

OXIDACIÓN PARCIAL

OXIDACIÓN FINAL

SÍNTESIS DE AGUA

REFORMACIÓN CON VAPOR

GASOLINA

H2O

O2 (AIRE)

MOTOR

TRANSMISIÓN

CALOR

ENERGÍA MECÁNICA

ENERGÍA ELECTRICA

•GAS•GASOLINA•METANOL

H2O

O2

H2, CO, CO2

H2,CO2

H2O,CO2

ENERGÍA ELECTRICA

ENERGÍA MECÁNICA

CALOR

OXIDACIÓN PARCIAL

OXIDACIÓN FINAL

SÍNTESIS DE AGUA

REFORMACIÓN CON VAPOR



Figura 42. Estructura de la Celda de Combustible La introducción del vehículo de celda de combustible, presenta ventajas conceptuales relevantes en comparación con el vehículo de motor de combustión interna, ya que por un lado se cancelan las emisiones contaminantes, inclusive de gases invernadero, como se muestra en la Figura 43 y por otro lado, la eficiencia global es mayor (menor consumo de energía, para el mismo recorrido), como se observa en la Figura 44.

Figura 43. Diferencia conceptual en el desempeño de motor y celda de combustible










Motor


Motor










Motor


Motor

2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22O + E.E.O + E.E.

Vaporizador de combustible

Reactor de oxidación parcial

Convertidor gas de agua

Oxidación de CO

Celda de combustible

1

2

3

4

5

CCx x HHyy((ll) C) Cx x HHyy((gg) )

xCO + xHxCO + xH22O(O(gg) xH) xH22 + xCO+ xCO22

CCx x HHyy((gg) + ) + OO22 HH2 2 + xCO + xCO 2x

2y

rCO + rCO + OO22 rCOrCO222r

Compresor/Expansor

Radiador

Ruedas movidas por electricidad

Control

Tanque de Gasolina

Baterías

2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22O + E.E.O + E.E.




Oxidación de CO


1

2

3

4

5




2y


2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22O + E.E.O + E.E.2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22O + E.E.O + E.E.2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22O + E.E.O + E.E.




Oxidación de CO


1

2

3

4

5




2y


CCx x HHyy((ll) C) Cx x HHyy((gg) ) CCx x HHyy((ll) C) Cx x HHyy((gg) ) CCx x HHyy((ll) C) Cx x HHyy((gg) )

xCO + xHxCO + xH22O(O(gg) xH) xH22 + xCO+ xCO22xCO + xHxCO + xH22O(O(gg) xH) xH22 + xCO+ xCO22xCO + xHxCO + xH22O(O(gg) xH) xH22 + xCO+ xCO22


2yCCx x HHyy((gg) + ) + OO22 HH2 2 + xCO + xCO 2

x2y

rCO + rCO + OO22 rCOrCO222rrCO + rCO + OO22 rCOrCO222rrCO + rCO + OO22 rCOrCO222r

Compresor/Expansor

Radiador

Ruedas movidas por electricidad

Control

Tanque de Gasolina

Baterías



Figura 44. Comparación del desempeño de motor y de celda de combustible

El uso del hidrógeno ha despertado gran interés a nivel mundial, aunque las tecnologías para su uso se encuentra todavía en una etapa de investigación y desarrollo, orientada principalmente a contestar preguntas conceptuales relevantes, en cuanto a la producción, almacenamiento y manejo del hidrógeno y de los compuestos que intervienen para su utilización. Entre estas preguntas se encuentran las siguientes:

• ¿Cuáles son los métodos económicamente viables para producir hidrógeno y cuál es la eficiencia global de la cadena de transformación energética, desde la obtención y transformación de la materia prima para producir hidrógeno, hasta la energía generada por éste?

• ¿Cuál es el balance global de emisiones para toda la cadena de producción, manejo, almacenamiento y uso final del hidrógeno?

• ¿Cuáles son los problemas intrínsecos y tecnológicos para producir, manejar y almacenar el hidrógeno?

• ¿Cuál es el impacto ambiental de la incorporación de H2 a la atmósfera, un hecho inédito, el cual inevitablemente ocurrirá por evaporación y que parece romper el llamado ciclo virtuoso "agua-hidrógeno-agua"?

• ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de producir el H2 en una localización remota al sitio de consumo y de producirlo "in situ" en el automóvil o en la máquina consumidora de energía?

• ¿Cuáles son los costos asociados a la producción y manejo de H2 y cómo comparan con el esquema técnico, logístico y económico de los hidrocarburos?

Finalmente la evolución de los combustibles irá asociada siempre a la de los vehículos, tanto en el concepto de motor como del sistema de control de emisiones. Las tendencias tecnológicas hacen prever que hasta 2010 se mantendrá la era de los combustibles tradicionales (gasolina y diesel), ya que se ha logrado reducir el contenido de azufre en forma importante y con ello las emisiones de los vehículos serán casi cero, pero persistirá la emisión de CO2, como gas invernadero. A partir de 2010 y muy probablemente hasta después de 2025, se introducirán masivamente vehículos híbridos, con baterías de mayor autonomía, que darán mayor eficiencia al motor y con ello se disminuirán las emisiones de CO2 por kilómetro recorrido, atendiendo las preocupación social sobre el calentamiento global. Actualmente en el mundo se impulsa el uso de combustibles “bio” provenientes de recursos renovables. Así, se busca que las gasolinas contengan un mínimo de componentes “bio”, como el etanol proveniente de azúcar, yuca, maíz, etc. Esta práctica no se ha generalizado porque todavía los precios de producción de estos

EFICIENCIADEL MOTOR

(%)

EFICIENCIAGLOBAL

(%)

EMISIONES DECO2

(gr/ Km)

NIVEL DEAZUFRE


(ppm)

MOTOR DECOMBUSTIÓN

INTERNA25 15 220 15-30

MOTOR CONCELDA DE

COMBUSTIBLE60 31 110 15 - 30

EFICIENCIADEL MOTOR

(%)

EFICIENCIAGLOBAL

(%)

EMISIONES DECO2

(gr/ Km)

NIVEL DEAZUFRE


(ppm)

MOTOR DECOMBUSTIÓN

INTERNA25 15 220 15-30

MOTOR CONCELDA DE

COMBUSTIBLE60 31 110 15 - 30



componentes son altos, con respecto a las gasolinas fósiles. Sin embargo, los altos precios del crudo y un análisis costo-beneficio más integral, que involucre productores del campo, industriales, autoridades y usuarios, inducen a una posible utilización cotidiana de esos combustibles. Antes de 2025, seguramente se habrán mejorado y hecho más competitivas las tecnologías para producir combustibles líquidos (como metanol) a partir del gas natural, así como biocombustibles como el etanol y el biodiesel, ya que incidirán también los posibles altos precios del crudo, lo que aumentará la factibilidad económica de esos nuevos combustibles en el mercado. Los expertos en tecnología del hidrógeno, consideran que a partir del 2040 se dispondrá de tecnologías, instalaciones y equipos eficientes y seguros para la producción, el manejo y la distribución de hidrógeno en el mercado. Seguramente los automóviles contarán con sistemas de almacenamiento de hidrógeno de gran autonomía y motores de mayor eficiencia, quizá más del doble de los motores actuales más eficientes. Las celdas de hidrógeno habrán alcanzado un alto grado de madurez y confiablidad en su desempeño. El uso intensivo del hidrógeno será más rápido si se encuentran tecnologías para producirlo a partir del agua o para recuperar gas natural de sus hidratos, ubicados en altas profundidades marinas. La figura 45 ilustra la prospectiva que se identifica para la evolución combustibles-vehículos.

Figura 45. Una prospectiva de la evolución combustibles-vehículos


















































VehículosHíbridos






12

34
































































































VehículosHíbridos






12

34


Conclusiones



CONCLUSIONES a. La energía ha sido un factor central en el desarrollo de las sociedades y de la

humanidad en sí. Fue hasta el Siglo XIX en que se encontró la tecnología para transformar el calor producido por los hidrocarburos en energía de movimiento lo que permitió el surgimiento de las máquinas térmicas que permitieron el gran desarrollo logrado durante la Revolución Industrial.

b. A partir del Siglo XX y debido al auge de la industria automotriz y la petroquímica,

el petróleo se convierte en el eje central y la base de la sociedad para producir energía, siendo su contribución actual de más del 60% de los requerimientos totales, esperándose que aún para el 2025 su aportación sea cuando menos similar o aún mayor. México no escapa a esta tendencia, teniéndose una contribución del petróleo y del gas aún mayor que alcanza actualmente el 90% de la demanda total.

c. Los hidrocarburos se han convertido en el sustento energético de la sociedad,

principalmente por su alta disponibilidad en la naturaleza, pero sobre todo por su gran contenido de energía térmica que puede ser almacenada, liberada y consumida, en forma relativamente sencilla y controlable.

d. Durante el Siglo XX se desarrolló la tecnología para producir, procesar, almacenar y

producir los hidrocarburos de acuerdo a las necesidades de la sociedad y puede decirse que en la actualidad se dispone de conocimientos y tecnologías muy maduras que permiten el manejo de los hidrocarburos en forma eficiente y segura. Los procesos de refinación han evolucionado en armonía con los requerimientos de energía y combustibles de calidad y limpios. Actualmente con los combustibles de ultrabajo azufre, el nivel de emisiones se llevará prácticamente a cero.

e. En cuanto a los combustibles fósiles, principalmente gasolina y diesel, se ha

encontrado que el contenido de azufre es el factor que tiene mayor impacto en las emisiones, por lo que se ha establecido una norma que establece que en México, a partir de 2006, estos combustibles deberán paulatinamente contener niveles de este compuesto no mayores a 30 ppm para la gasolina y 15 ppm para el diesel. Con esta medida se sabe que las emisiones como hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno disminuirán en un 98%, es decir se tendrá un mínimo de emisiones con respecto al caso en que no había control sobre el contenido de azufre.

f. Para lograr lo anterior Pemex deberá implementar proyectos que incluyan nuevas

tecnologías para reducción de azufre. En el caso de gasolinas, nuevas plantas de hidrotratamiento de la gasolina catalítica con novedosos sistemas de destilación catalítica; para el caso de diesel, la modernización de las plantas actuales de hidrotratamiento e inclusión de algunas nuevas, todas ellas con el uso de nuevos catalizadores de muy alta actividad como la modificación de mayor impacto.

g. Adicionalmente se ha establecido la reconfiguración de todas las refinerías del SNR,

que permitirá, una vez concluida, disminuir el contenido de residuales, procesar una mayor proporción de crudo pesado y aumentar la capacidad de procesamiento



de 1.3 hasta 1.65 MM BPD. Con estos proyectos se llegará al límite técnico en producción y calidad de destilados.

h. Por lo anterior se propone en este trabajo la inclusión de una nueva refinería en el

SNR con una capacidad al menos de 150,000 barriles/día, con lo cual se logrará el equilibrio oferta/demanda de gasolina hacia el 2013 y se lograrán pequeños excedentes para el diesel. Sin embargo es aconsejable que este nuevo tren (o en su caso 2 refinerías) llegará a una capacidad de procesamiento hasta de 300 000 barriles/día, ya que con el crecimiento que se prevé en la demanda de gasolina, mayor del 2% anual, esta capacidad permitiría asegurar su abasto hasta después de la segunda década de este siglo.

i. La nueva refinería deberá conceptualizarse con criterios de sustentabilidad,

económica, energética y ambiental, por lo cual se deberá configurar con una filosofía que permita una alta flexibilidad para procesar diversos tipos de crudos, preferentemente pesados; que incluya el esquema de fondo de barril para garantizar la mínima producción de residuales y por tanto máxima conversión a gasolina y diesel; que incluya tecnologías de alto desempeño para la eliminación de azufre para producir combustibles de ultrabajo azufre; que oriente sus procesos de descomposición catalítica (cracking e hidrocracking), a una alta conversión a olefinas, con las cuales se puedan producir mayores fracciones de gasolina reformulada; y la inclusión de sistemas de tratamiento y conversión de efluentes que aseguren un procesamiento limpio con prácticamente cero emisiones.

j. Deberá evaluarse a profundidad la conveniencia de integrar la refinería con un

complejo petroquímico, ya que se sabe la sinergia que provoca esta integración al intercambiar corrientes de alto valor como son el hidrógeno y las olefinas y procesar fracciones pesadas de la refinación para agregarles valor petroquímico.

k. La visión más avanzada para que la nueva refinería cumpla con los criterios de

sustentabilidad que demandará la sociedad, involucra un cambio en los paradigmas actuales en la refinación que son fundamentalmente la producción de combustibles fósiles, la inclusión de procesos intensivos en energía, la generación de fuentes indeseables y la ignorancia que se tiene actualmente de los sistemas vivos, sus ciclos de vida y el impacto del procesamiento de los hidrocarburos tiene en ellos. Por lo cual la gran visión a largo plazo requerirá la inclusión de materias primas renovables, es decir la producción de biocombustibles competitivos; el uso de energía renovable; la inclusión de tecnologías que procesen eficientemente los efluentes para producir cero emisiones; y finalmente el desarrollo del conocimiento de los sistemas vivos para que los procesos se realicen con respeto a ellos.

l. Con esta visión de futuro se observa que las nuevas tecnologías surgirán en el área

de producción de biocombustibles, que permitan una producción competitiva de biogasolina y biodiesel. Las tendencias normativas a este respecto, presionarán a Petróleos Mexicanos en el corto plazo al incluir en sus procesos de refinación, la producción de estos biocombustibles.

m. Las tendencias de tecnología automotriz indican que seguramente hasta 2025 los

combustibles fósiles seguirán siendo predominantes pero habrá cada vez mayor participación de los vehículos híbridos que tomarán la energía eléctrica, tanto de baterías químicas como de celdas de hidrógeno, que estarán ya incluidas en los vehículos comerciales en forma masiva en los Estados Unidos para 2007. Esto augura una situación similar para México, quizá a partir de 2010.



n. A más largo plazo y seguramente después del 2040, con el dominio de la

tecnología para producir, almacenar y distribuir hidrógeno, este compuesto podrá emerger como el combustible predominante, ya que además se habrá perfeccionado la tecnología de las celdas que permitirán su conversión química para producir electricidad. Con el hidrógeno aumentará sustancialmente la eficiencia de los motores y disminuirá en forma sustantiva la producción de CO2 y en consecuencia el efecto del uso de la energía en el cambio climático.

M E X I C O


Referencias y Bibliografía



Referencias Bibliográficas 1. Energy Information Administration Agency, (EIA), EUA, 2004,

http//:www.eai,doe.gov 2. Becker,R, “Energy Outlook 2030”, Exxon-Mobil, Conferencia “La Energía, una

Mirada al futuro”, ESIQIE, IPN, 23 de Mayo de 2006. 3. Bahree B., Ball J., The Wall Street J. Americas, en el diario Reforma, Sección

Negocios, p. 10, 14 de Septiembre, 2006. 4. Balance Nacional de Energía, Secretaría de Energía, México, 2004 5. Pemex Exploración y Producción, Anuario Estadístico, 2005.

http//:www.pemex.gob.mx 6. Pemex-Refinación, Anuario Estadístico 2005, http//:www.pemex.gob.mx 7. Ramage J., Energía, pp. 158-159, Edamex, 1987 8. Ibid. 9. Aguilar, E., "Situación Actual y Perspectivas para la Refinación del Petróleo",

Rev. IMIQ, México, Año XLIII, vol. 11-12, Nov-Dic, 2002 10. Zaw-Mon M. Partnership for Clean Fuels and Vehicles Conference, Mexico City,

Nov. 3-5, 2005 11. Rodríguez N., Conferencia “La Contaminación Atmosférica, la Tecnología

Automotriz y la Calidad de los Combustibles: Evolución y Perspectivas” ESIQIE,IPN, Septiembre, 2004.

12. http//www.dieselforum.org 13. Tame M., Conferencia: “La Energía, una mirada al futuro”, ESIQIE, IPN, 23 de

Mayo, 2006 14. Toscano F., Conferencia: “Producción de Combustibles Limpios en Pemex-

Refinación”, XII Foro de Avances en la Industria de Refinación, IMP, septiembre de 2006

15. Aguilar E. et al., Prospectiva de la investigación y el desarrollo tecnológico del

sector petrolero al año 2025, Instituto Mexicano del Petróleo, 2001 Bibliografía Profile of the Petroleum Refining Industry in California, Berkeley National Laboratories, March 2004. New forces at work in Refining, Peterson D.J., Mahnovski, S, RAND Corp, 2006.



RECONOCIMIENTOS Este trabajo no hubiera sido posible sin las discusiones, largas y amenas con Miguel Tame Domínguez, Francisco Toscano Martínez y Nicolás Rodríguez Martínez, expertos en el tema y con un espíritu fuerte, abierto y constructivo. Les reconozco y agradezco su estímulo para que yo intentara reflejar en este trabajo mi visión de la industria de refinación, que estoy seguro compartimos en cierta medida. También les agradezco su amistad. A la memoria de mis padres, Dionisio y Guadalupe, y de Jorge. A Carmen, David, Donají y Enrique, combustibles limpios, que alimentan el motor de mi emoción e intelecto.

Curriculum Vitae, Enrique Aguilar Rodríguez 2006

1

CURRICULUM VITAE

ENRIQUE AGUILAR RODRIGUEZ

Estudios Profesionales:

Ingeniería Química en la Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas (ESIQIE) del Instituto Politécnico Nacional 1967 – 1971

Tesis Profesional:

"Obtención de Gasolina de Alto Octano por Síntesis", 30 de julio de 1972. Mención Honorífica.

Estudio de Postgrado:

Maestría en Ciencias en Ingeniería Química en el Imperial College of Science and Technology de la Universidad de Londres, Inglaterra. 1973 – 1974

Tesis de Grado: aDynamical Study of the Evaporator Loop of a Fractional

alliser" Mark of Distinction

Distinciones Académicas y Profesionales

Premio "Estanislao Ramírez" que se otorga al alumno de mayores calificaciones de cada generación por la ESIQIE, IPN, en 1971. Premio "Los Mejores Estudiantes de México", otorgado anualmente por el periódico "Diario de México" a los alumnos más destacados de Universidades y Escuelas Superiores del país, 1971. Mención Honorífica en su examen profesional por el IPN en 1972. Mark of Distinction, otorgada por el Imperial College of Science and Technology. Departamento de Ingeniería Química en 1974. Premio al mejor trabajo en la LIX Reunión de Expertos en Olefinas de Asistencia Recíproca Petrolera Estatal Latinoamericana (ARPEL), 1986. Incluido en la Publicación "Who's Who in Mexico", Edición 1987. Perito Profesional en el área de Diseño de Procesos, otorgado por el Colegio Nacional de Ingenieros Químicos y Químicos de México. Julio de 1987. Investigador Nacional por Sistema Nacional de Investigadores de julio de 1988 a julio de 1996, y de enero de 2004 a la fecha.


2

Director Académico del Colegio Nacional de Ingenieros Químicos y Químicos, A.C. (CONIQQ), de 1988 a 1991. Pro-Secretario Académico del CONIQQ, de 1991 a 1993. Secretario del Consejo Directivo del CONIQQ de 1993 a 1995. 1er. Premio en Aportaciones Científicas y Tecnológicas en Ingeniería del Sector Petrolero, otorgado por PEMEX, con motivo de su 50 Aniversario. Mayo de 1988. 3er. Premio en Labor Docente de Excelencia en Ingeniería del Sector Petrolero, otorgado por PEMEX, con motivo de su 50 Aniversario. Mayo de 1988. Investigador Numerario (Nivel 4) del Instituto Mexicano del Petróleo, desde 1989 hasta 1993. Mención IMIQ 1990, por el trabajo presentado en la XXX Convención Nacional, Guadalajara, Jal., Noviembre de 1990. Invitado a ofrecer la Conferencia Magistral en el XIV Encuentro Nacional de la Academia Mexicana de Investigación y Docencia en Ingeniería Química (AMIDIQ), Morelia, Mich, Abril de 1993. Premio a la Dirección de la Mejor Tesis de Posgrado, 1993. "Desarrollo de un Modelo Matemático para la Simulación del Proceso de Reformación Catalítica de Naftas" Instituto Politécnico Nacional, 1993. Miembro del Jurado del Premio Nacional de Química “Andrés Manuel del Río” en el Area Industrial, Agosto de 1994. Participación por invitación como autor de Capítulo en la “Encyclopedia of Chemical Processing and Design” de J.Mc Ketta (Referencia Mundial en Ingeniería de Procesos). Premio al Desarrollo Profesional “Ernesto Ríos del Castillo”, 1996. Otorgado por el Colegio Nacional de Ingenieros Químicos y Químicos Noviembre, 1996 Premio Institucional a la Trayectoria Distinguida por el Instituto Mexicano del Petróleo, con motivo de su 35 Aniversario. 23 de Agosto de 2000.


3

Reconocimiento y mención personal del C. Presidente Constitucional de los Estados Unidos Mexicanos, Dr. Ernesto Zedillo Ponce de León, con motivo de la entrega del Premio a la Trayectoria Distinguida en el IMP, en la Residencia Oficial de los Pinos. 23 de Agosto de 2000 Incluido en el Libro “Galardonados Politécnicos”, Instituto Politécnico Nacional. Edición 2000 Miembro de la Comisión de Certificación del Consejo Nacional de la Enseñanza y del Ejercicio Profesional de las Ciencias Químicas, A.C. Septiembre de 2001 a septiembre de 2003 Presea “Carlos Vallejo Márquez” al Servicio Docente Distinguido Instituto Politécnico Nacional Mayo de 2002 Premio Nacional de Química en el área de Tecnología Sociedad Química de México Septiembre de 2003 Ganador del Primer Premio "Bruno Mascanzoni" al Libro IMP por el libro: Diseño de Procesos en Ingeniería Química Instituto Mexicano del Petróleo Mayo de 2004 Incluído por invitación personal en Who's Who in Science and Engineering 2005, Marquis Who's Who, New Providence, NJ, EUA, Enero, 2005. Premio “Hilario Ariza Dávila“, como Egresado Distinguido de la ESIQIE, IPN, por el Consejo de Egresados de la ESIQIE, IPN, A.C. Agosto de 2006. Miembro del Consejo de Egresados de la ESIQIE, A.C Agosto de 2006 a agosto de 2008.


4

Experiencia Profesional:

De diciembre de 1970 a marzo de 1972, como ayudante de investigador (becario) en la División de Química de la Subdirección de Investigación Científica y Aplicada del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). De abril de 1972 a septiembre de 1973, como Ingeniero de Proceso de la Subdirección de Proyectos del IMP. De diciembre de 1974 a septiembre de 1977, como Ingeniero de Desarrollo en el Departamento de Desarrollo de Ingeniería Básica de la División de Proceso del IMP. De septiembre de 1977 a junio de 1981, Jefe de Grupo en el Departamento de Desarrollo de Ingeniería Básica del IMP. De junio de 1982 a junio de 1983, Jefe de la Oficina de Asistencia Técnica en el Departamento de Desarrollo de Ingeniería Básica del IMP. De julio de 1983 a septiembre de 1985, Jefe de la Oficina de Desarrollo de Tecnología de Procesos en el Departamento de Desarrollo de Ingeniería Básica del IMP. De octubre de 1985 a marzo de 1993, Jefe del Departamento de Desarrollo de Ingeniería Básica de la Subdirección de Ingeniería de Proyectos de Plantas Industriales del IMP, teniendo a su cargo los trabajos de planeación, definición y supervisión de esta especialidad. De marzo de 1993 a septiembre de 1995, Gerente de Desarrollo Tecnológico en la Coordinación de Proyectos de Plantas Industriales de la Subdirección General de Ingeniería de Proyecto del IMP. De octubre de 1995 a enero de 2000, Gerente de Desarrollo Tecnológico de Procesos de la Subdirección de Transformación Industrial del IMP. De febrero de 2000 a noviembre 2002, Gerente de Desarrollo y Competencias del IMP. De diciembre de 2002 a la fecha es Gerente Ejecutivo de Gestión Tecnológica.


5

Experiencia Académica:

De febrero de 1972 a la fecha, Profesor Titular de la ESIQIE del Instituto Politécnico Nacional en licenciatura y posgrado. De junio de 1976 a noviembre de 1983, Jefe del Departamento de Fisicoquímica de la ESIQIE del IPN. De marzo de 1987 a octubre de 1989, Jefe del Departamento de Ingeniería Química y Petroquímica de la Sección de Estudios de Posgrado en la ESIQIE. De 1980 a la fecha es Profesor Titular en el Departamento de Energía de la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco (UAM-A). De 2004 a la fecha es profesor del Programa de Posgrado del Instituto Mexicano del Petróleo. Ha dirigido 20 tesis de Maestría y 23 tesis de Licenciatura en diversos campos de la Ingeniería Química.

Patentes:

"Equipo de Separación de Gases de Sistemas Líquido-Sólido y Sólido-Líquido-Gas" (Registrada y con aplicación industrial en las plantas Geotérmicas de la CFE en Cerro Prieto, BCN) "Aparato Mejorado para la Atomización de Polvos Metálicos" (Registrada y en aplicación industrial en planta de polvos metálicos en las instalaciones experimentales del IMP en la Reforma, Hgo.) "Proceso para la Producción de Oxígeno de Alta Pureza" (Registrada y con aplicación industrial en Industrias Herdel, S.A., Tlanepantla,México) "Proceso Mejorado para la Hidrodesulfuración Profunda de Diesel". (Registrada y con aplicación industrial en la planta HDS de diesel de Petróleos Mexicanos, Pemex Refinación, en la Refinería de Cadereyta, N.L.)


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Libros:

Teoría Básica del Equilibrio Químico Homogéneo Ed. ESIQIE-IPN 1978 “Thermal Integration Analysis, Optimum FCC Revamp” Autor del Capítulo del Libro: Encyclopedia of Chemical Processing and Design Editor: John J. Mc Ketta, 1996 Vol. 57, Pags. 282-292 Evaluación de Tecnologías en la Industria de la Refinación del Petroleo© Editor: Pemex-Refinación/IMP 1998 Prospectiva de la Investigación y el Desarrollo Tecnológico del Sector Petrolero al año 2025 © Autor principal en 2 Capítulos (Refinación y Petroquímica) Editor: Instituto Mexicano del Petróleo 2001 Diseño de Procesos en Ingeniería Química© Editor: IPN/IMP, en prensa

academia mexicana de ingenieria de... · 2011-07-06 · tratamiento frontal de crudos pesados antes...

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