En general hom projecta les refineries per al proveïment del mercat energètic; darrerament, però, el desenvolupament de la petroquímica ha fet concebre un nou tipus de refineria, la refineria petroquímica, en la qual el petroli brut és transformat totalment en productes intermedis emprats com a primeres matèries de síntesi. La senzillesa o la complexitat de les instal·lacions d’una refineria depenen de la diversitat i del grau d’especificació dels productes que ha de subministrar, com també de la variabilitat o de la constància de les característiques del petroli brut que hom ha de tractar.
Deixant de banda les instal·lacions d’emmagatzematge i serveis auxiliars (vapor, aigua de refredament i altres), hom pot dividir els processos d’una refineria en tres grups: de preparació de la càrrega i fraccionament, de transformació i d’acabament dels productes.
Refineria de petroli
© Corel
Dins els processos de preparació, el primer tractament a què hom sotmet el petroli és el dessalatge, en el qual hom elimina les sals minerals que conté i que produirien incrustacions en els feixos tubulars, corrosions i embussaments. En el dessalatge hom barreja el petroli brut amb aigua a una temperatura que oscil·la entre 65 i 175°C i després a una decantació, que pot ésser activada per mitjà de separadors electroestàtics. A continuació hom escalfa el petroli a 320-340°C en forns de foc directe i l’introdueix en les processos de preparació, el primer tractament a què hom sotmet el petroli és el dessalatge, en el qual hom elimina les sals minerals que conté i que produirien incrustacions en els feixos tubulars, corrosions i embussaments. En el dessalatge hom barreja el petroli brut amb aigua a una temperatura que oscil·la entre 65 i 175°C i després a una decantació, que pot ésser activada per mitjà de separadors electroestàtics. A continuació hom escalfa el petroli a 320-340°C en forns de foc directe i l’introdueix en les unitats de fraccionament o topping, que pot ésser d’una, dues o tres etapes. La unitat fonamental és la columna atmosfèrica, que pot ésser precedida per la columna de pressió i seguida de la columna de buit, la qual només existeix en les refineries que produeixen olis lubrificants. La columna atmosfèrica rep l’alimentació per la part inferior, per on hom introdueix també vapor d’aigua per tal d’afavorir la destil·lació. D’aquesta columna hom fa extraccions laterals, que constitueixen les fraccions en les quals es divideix el petroli i que depenen del plantejament de cada refineria. En general, pel cap de la columna hom obté els gasos liqüefactes del petroli (GLP) i la gasolina lleugera; en ordre descendent, hom obté després nafta, querosè, dièsel-oil, gasoli i, pel fons de la columna, el residu atmosfèric. D’aquest residu atmosfèric hom obté el fuel, els olis lubrificants i els asfalts, mitjançant un procés consistent en la introducció del residu atmosfèric en la columna de buit, que opera entre 35 i 50 mm de Hg, de la qual hom extreu, en ordre descendent, gasoli de buit, olis lleugers, olis mitjans, olis pesants i residu de buit (del qual hom obté l’asfalt). Les fraccions pesants destinades a la producció d’olis lubrificants han d’ésser sotmeses a processos d’extracció, desasfaltatge, desparafinatge i adsorció, en funció de llurs propietats. El desasfaltatge és un procés d’extracció que produeix una fracció rica en asfalt i una altra d’oli desasfaltat. L'extracció amb solvents permet de millorar la quantitat de l’oli, especialment el seu índex de viscositat. Hom empra com a solvents, preferentment, el furfural, el fenol, el nitrobenzè i el diòxid de sofre, que tenen afinitat per les olefines, resines, aromàtics, composts de sofre i altres elements nocius per als olis. El desparafinatge elimina les parafines sòlides (ceres) dissoltes en l’oli; hom empra la metiletilcetona o altres dissolvents selectius i recupera posteriorment les ceres per refredament i destil·lació al buit. L'adsorció és un procés d’acabament que serveix per a clarificar els olis i en el qual hom empra bauxita activada com a principal element d’adsorció.
Refineria. Esquema d’una unitat de cracking catalític en llit fluïditzat
© Fototeca.cat
Els processos de transformació permeten d’obtenir productes d’una fracció determinada a partir dels productes d’una altra fracció. Així hom pot ajustar a la demanda del mercat la producció a partir d’un determinat petroli brut. Per mitjà d’aquests processos hom millora les propietats de les fraccions lleugeres (reforming, isomerització) o bé transforma en aquestes fraccions productes de les fraccions pesants (craqueig tèrmic, craqueig catalític i hydrocracking) o de les fraccions gasoses (polimerització i alquilació). El craqueig tèrmic produeix el trencament molecular de les cadenes d’hidrocarburs per efecte de la temperatura (entre 425 i 1.000°C) per tal d’augmentar la proporció de les fraccions lleugeres, disminuir la viscositat per a un procés ulterior (visbreaking) o bé per obtenir coc de petroli (coking). El craqueig catalític augmenta la proporció de la gasolina a partir de gasoli en presència de catalitzadors a base de sílice i alúmina en llit fluid. L'hydrocracking permet de tractar fraccions pesants molt variades, dièsel-oil, gasoli, etc. L’operació és molt flexible, de manera que hom pot optimitzar la producció. El procés té lloc a 250-425°C i a pressions de fins 130 atm, i hom empra catalitzadors bifuncionals (zeolita amb platí, òxid de tungstè i níquel), que actuen tant en les reaccions de craqueig com en les d’hidrogenació. Els productes efluents de totes les operacions de craqueig presenten un ampli ventall de punts d’ebullició, de manera que hom els sotmet a una destil·lació per tal de separar les fraccions desitjades i reciclar la resta. Amb la polimerització hom pot fabricar gasolina (anomenada gasolina polimèrica) a partir de les olefines (obtingudes, per exemple, en les operacions de craqueig tèrmic o catalític). L'alquilació produeix també gasolines per reacció d’alcans i d’alquens procedents del craqueig. La reacció té lloc a 50°C i a pressions elevades i en presència de catalitzadors d’àcids protònics, àcid sulfúric o clorur d’alumini. El reforming és una operació en la qual es produeixen reaccions de deshidrogenació de naftens (amb producció d’aromàtics), d’isomerització i ciclització de parafines (amb producció de naftens) i d'hydrocracking (aquesta darrera molt limitada) per tal de millorar la qualitat de les gasolines. Hom l’efectua a 455-540°C i a 14-55 atm i en presència de catalitzadors bifuncionals a base d’alúmina o zeolita amb platí (llit fix), òxids de crom i d’alumini (llit mòbil) o bé òxids de molibdè i d’alumini (llit fluid) ( platforming). Amb la isomerització hom augmenta el nombre d’octà de les gasolines constituïdes per hidrocarburs de cadena lineal (per transformació de les cadenes en ramificades) o bé produeix isobutà a partir del n-butà. Els productes de les fraccions lleugeres necessiten ésser sotmesos, en general, als processos d’acabament per a l’eliminació del sofre i dels productes colorants que contenen. Per a la purificació dels gasos hom empra, entre altres, el rentatge amb mono-, di-, i tri-etanolamina en una torre d’adsorció, on se separen el sulfur d’hidrogen i el gas carbònic, i, posteriorment, en una torre de desorció que regenera l’amina. El rentatge amb sosa càustica serveix per a eliminar, a més, els mercaptans. L'endolciment de les gasolines té per objecte transformar els mercaptans àcids en disulfurs o polisulfurs neutres per mitjà de l’acció d’oxidants tals com el clorur cúpric, l’hipoclorit sòdic i el plumbit sòdic.
Entre els processos d’acabament són més i més emprats els tractaments amb hidrogen, per a eliminar el sofre, el nitrogen i les impureses metàl·liques, i la hidrodesulfuració, que hom aplica a qualsevol fracció, des dels destil·lats fins a gasolines i lubrificants.