A matriz energética brasileira vem se modificando seguindo a tendência mundial por fontes de energia mais limpas. A queda do mercado interno de óleo combustível aliada à sazonalidade da demanda de asfalto implica em redução dos indicadores de desempenho. As importações de derivados tiveram forte alta nos últimos anos para atender à crescente demanda o que contribui para o desequilíbrio da balança comercial brasileira. Diante desse cenário, a Petrobras traçou metas desafiadoras para mitigar esse problema, que dentre outras, envolve a maximização da utilização dos ativos instalados. A modelagem desenvolvida servirá de suporte para decisões de ações corretivas e preventivas permitindo um bom desempenho operacional de uma refinaria da Petrobras, permitindo maior produção de derivados claros (diesel, querosene de aviação e gasolina) de alto valor agregado. Um modelo PNLIM (programação não linear inteira mista) foi desenvolvido e aplicado no subsistema em análise (suprimento de petróleo, refino e comercialização) sem êxito. Técnicas de linearização foram aplicadas a fim de se obter um modelo PLIM que foi utilizado com sucesso. As soluções obtidas no estudo de caso indicam que a busca pela minimização das importações de derivados claros garantem um elevado fator operacional para refinaria em análise. Dentre as variáveis de decisão avaliadas o investimento em uma nova unidade de Coqueamento (unidade de conversão) é a que apresenta maior valor marginal. O trabalho teve uma ampla abordagem dentro da cadeia de suprimento permeando as decisões no nível estratégico e tático da organização se caracterizando como uma excelente ferramenta para apoio de decisões.