É constante o desafio das refinarias de petróleo na busca pela maximização da rentabilidade diante da natureza dinâmica das variáveis que afetam seus processos, como: demanda e especificações de produtos, qualidade de carga e preços de matéria-prima e derivados. Com a expectativa de mudanças nestas variáveis, um planejamento estratégico integrado para definir as necessidades de investimento em novas unidades de processo e ampliação de capacidade de unidades existentes pode contribuir para os melhores resultados do negócio de refino. Em face destas oportunidades e desafios, este trabalho propõe uma análise do planejamento de investimentos em refino, considerando o crescimento da demanda de diesel com ultra baixo teor de enxofre (S10) e também o crescimento plurianual da demanda de derivados, tendo como estudo de caso uma das maiores refinarias brasileiras. Como ferramenta de análise, foi utilizado um modelo matemático para planejamento integrado de refino de petróleo, que considera a otimização do planejamento operacional para definir as necessidades de investimento na refinaria, uma integração temporal, resultando em um modelo não linear inteiro misto (MINLP), cuja resolução utiliza uma lógica de decomposição em dois problemas integrados. Foi analisado o planejamento estratégico de refino, no horizonte de 19 anos e foram feitos vários cenários de demanda, com análises de sensibilidade para preços de petróleo e produtos, limite de importação e restrição de investimentos. Os resultados mostraram alinhamento com situação atual do mercado de derivados, com importação favorecida e com a expectativa de investimento mínimo em refino.