simulacion del proceso d hidrotratamiento de naftas con hysys
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Simulacion del proceso de HT de NaftasTRANSCRIPT
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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERA QUMICA
SIMULACIN DEL PROCESO DE HIDROTRATAMIENTO DE NAFTAS
DE LA REFINERA ESMERALDAS UTILIZANDO HYSYS
TRABAJO DE GRADUACIN PARA LA OBTENCIN DEL TTULO DE
INGENIERO QUMICO
AUTOR: DAVID ROLANDO YALAM TAIMAL
QUITO ECUADOR
2011
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ii
CERTIFICACIN
Certifico que el trabajo de graduacin titulado SIMULACIN DEL PROCESO
DE HIDROTRATAMIENTO DE NAFTAS DE LA REFINERA
ESMERALDAS UTILIZANDO HYSYS, es original y ha sido desarrollado por el
Seor David Rolando Yalam Taimal, bajo mi direccin y conforme a todas las
observaciones realizadas.
Quito, 10 de mayo de 2011
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Ing. Pablo Araujo
DIRECTOR
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iii
MIEMBROS DEL TRIBUNAL
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Ing. Pablo Araujo G.
DIRECTOR
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Ing. Mario Calle M. Ing. Luis Calle G.
SEGUNDO MIEMBRO TERCER MIEMBRO
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iv
DEDICATORIA
El presente trabajo est dedicado a mi madre Clemencia que con su esfuerzo,
paciencia, amor y sacrificio me supo guiar y apoyar en todo momento durante los
momentos tristes y felices en el transcurso de mi vida, a mi to Jos que con sus
consejos me supo inculcar los valores de la honestidad, honradez y dems para ser
un buen profesional, a mi ao Fernando que con su apoyo moral e incondicional
me supo dar las fuerzas necesarias para seguir luchando en bsqueda de das
mejores, a mis abuelos Esther (+) y Floresmilo (+) que en vida supieron darme lo
mejor de s ensendome desde nio el respeto por la vida y el valor del sacrificio
para alcanzar los sueos anhelados. Gracias a todos ustedes por haber sido parte
de mi vida, y ser los pilares de ella.
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v
AGRADECIMIENTO
A Dios y en especial a la Virgen de El Quinche, por haberme dado la salud y vida
para culminar esta etapa de mi vida con felicidad.
A la Universidad Central del Ecuador, sobre todo a mi querida Facultad de
Ingeniera Qumica de la cual me llevo bellos recuerdos, a sus profesores, en
especial al Ing. Enrique Cobo Alvear (+) quien originalmente fuera Miembro de
este Tribunal, que con sus enseanzas, consejos nos transmitieron da a da en las
aulas con el propsito de ser cada da mejores seres humanos y podamos sacar a
nuestra Patria adelante.
Al personal de EP-PETROECUADOR del Centro de Transferencias
Tecnolgicas, en especial al Dr. Edward Jimnez que sin su apoyo no hubiese
sido posible este trabajo.
A todos mis amig@s y compaer@s que fueron un especial apoyo durante el
transcurso de mi carrera.
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vi
RESUMEN
En este trabajo se realiz la simulacin del proceso de hidrotratamiento de naftas
procedente de la Refinera Estatal de Esmeraldas, mediante el uso del software
Aspen Hysys, con el fin de estimar propiedades fisicoqumicas, el contenido final
de azufre de esta fraccin a determinadas condiciones de trabajo al momento de
salir de este proceso, de manera que cumpla con los requerimientos de calidad
para su posterior procesamiento en la unidad de Reformado Cataltico (CCR).
Dentro de la simulacin, se estudi la influencia de la presin para valores de
23, 23,3 y 24 kg/cm2
a temperaturas de operacin entre 290 y 330C con
intervalos de 10C, para el proceso de hidrotratamiento manteniendo constantes
las dems variables como la alimentacin de nafta, suministro de hidrgeno tanto
de reposicin como de reciclo al proceso, contenido de azufre. No se consider la
cantidad de metales y dems componentes de heterotomos ya que estos ingresan
en pequeas cantidades y no pueden ser cuantificados.
Se determin que a las condiciones de trabajo de 23,3 kg/cm2 y 290C son las
mejores ya que a stas la nafta cumple con los requerimientos en el contenido
final de azufre que es menor a 0,1 ppm, puesto que para obtener una disminucin
de azufre en 0,03 ppm aproximadamente en la salida del proceso se necesita
incrementar la temperatura en alrededor de 30 C aproximadamente, lo que
conlleva a mayor consumo de combustible para el calentamiento de la carga al
reactor.
DESCRIPTORES: / NAFTAS // HIDROTRATAMIENTO // SIMULACIN DE
PROCESOS // SOFTWARE ASPEN HYSYS // REFINERA ESTATAL DE
ESMERALDAS /
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vii
ABSTRACT
In this work, the simulation of naphtha hydrotreating process from the Refinera
Estatal de Esmeraldas, using the software Aspen Hysys, to estimate
physicochemical properties, the final content of sulfur in this fraction to specific
working conditions when it leaves this process, so that meets the quality
requirements for further processing in the catalytic reforming unit (CCR).
Within the simulation, we studied the influence of pressure values of 23, 23,3 and
24 kg/cm2 at operating temperatures between 290 and 330 C with intervals of 10
C, for the hydrotreating process holding constant other variables such as supply
of gas, both hydrogen supply replenishment and recycle to the process, sulfur
content. Not considered the amount of metals and other components of hetero
since they enter in small quantities and can not be quantified.
It was determined that the working conditions of 23,3 kg/cm2 and 290 C are the
best since these gasoline meets the requirements in the final sulfur content is
below 0.1 ppm, since for a decrease of approximately 0.03 ppm sulfur in the
process output is needed to increase the temperature at about 30 C., which leads
to higher fuel consumption for heating the reactor load
KEYWORDS: / NAPHTA / / HYDROTREATMENT / / SIMULATION
PROCCESS/ / SOFTWARE ASPEN HYSYS / / REFINERA ESTATAL DE
ESMERALDAS /
-
viii
CONTENIDO
pg.
PORTADA........i
CERTIFICACIN.......................................ii
MIEMBROS DEL TRIBUNAL.....iii
DEDICATORIA.........iv
AGRADECIMIENTO......v
RESUMEN......vi
ABSTRACT.......vii
CONTENIDO...........viii
LISTA DE TABLAS.........xii
LISTA DE GRFICOS....xiv
LISTA DE FIGURAS........xv
INTRODUCCIN...1
1. EL PROBLEMA
1.1.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..3
1.2.FORMULACIN DE PROBLEMA.....3
1.3.INTERROGANTES DE LA INVESTIGACIN.4
1.4.OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN.4
1.4.1. Objetivo General....4
1.4.2. Objetivos Especficos.........4
1.5.JUSTIFICACIN..........4
2. MARCO TERICO
2.1.ASPEN HYSYS.........6
2.1.1. Generalidades.........6
2.1.2. Paquetes termodinmicos Peng-Robinson y SRK.........6
2.1.3. Ecuacin de estado de Peng-Robinson......7
2.1.4. Caracterizacin de crudo mediante la herramienta Oil Manager.......8
2.1.5. Entorno de la Simulacin.......9
-
ix
2.1.6. Paleta de conos de Operaciones Unitarias......10
2.2.EQUIPOS.........11
2.2.1. Reactor de Hidrotratamiento....11
2.2.2. Bomba Centrfuga....12
2.2.3. Intercambiadores de Calor...12
2.2.3.1. Intercambiadores de calor de tubo y carcasa.....12
2.2.4. Horno...14
2.3.NAFTAS..........14
2.3.1. Generalidades...14
2.3.2. Caractersticas de las naftas.....15
2.3.3. Tipos de naftas.15
2.3.3.1. Naftas parafnicas......15
2.3.3.2. Naftas pesadas....16
2.4.HIDROTRATAMIENTO........16
2.4.1. Generalidades...16
2.4.2. Importancia del proceso de hidrotratamiento.......17
2.4.3. Variables que afectan al proceso de hidrotratamiento.18
2.4.3.1. Temperatura de reaccin............18
2.4.3.2. Presin parcial de hidrgeno......20
2.4.3.3. Velocidad espacial horaria.....21
2.4.3.4. Relacin Hidrgeno Hidrocarburo......22
2.4.4. Tipos de carga a plantas hidrodesulfuradoras..........23
3. DATOS
3.1.DATOS EXPERIMENTALES........25
3.2.DATOS ADICIONALES.....26
4. DESARROLLO DE LA SIMULACIN
4.1.SIMULACIN DEL PROCESO DE HIDROTRATAMIENTO DE NAFTAS..........31
5. CLCULOS Y RESULTADOS
5.1.CLCULOS.....48
5.1.1. Factor de caracterizacin Kuop........48
-
x
5.1.2. Densidad API...50
5.1.3. Alimentacin de nafta......50
5.1.4. Velocidad Espacial.......50
5.1.5. Influencia de variables.51
5.1.5.1. Temperatura.......51
5.1.5.2. Presin.......56
5.1.5.3. Relacin H2/HC.....61
5.2.ANLISIS ESTADSTICO.....63
5.2.1. Estadstica Descriptiva.....63
5.2.1.1. Temperatura.......63
5.2.1.2. Presin.......67
5.2.1.3. Relacin H2/HC.....68
5.2.2. Anlisis de Elasticidad.....68
5.2.2.1. Temperatura...68
5.2.2.2. Presin...71
5.3.RESULTADOS........72
5.3.1. Para el reactor.......72
5.3.2. Para el despojador....76
5.3.3. Propiedades de la corriente de nafta hidrotratada....80
6. DISCUSIN
6.1.DISCUSIONES GENERALES...81
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
7.1.CONCLUSIONES...........86
7.2.RECOMENDACIONES......88
BIBLIOGRAFA
Citas Bibliogrficas...90
Bibliografa........92
-
xi
ANEXOS
ANEXO A: Grficas de Maxwell..95
ANEXO B: Tabla t de Student...96
ANEXO C: Reporte de Hysys: Corriente de alimentacin al Proceso..97
ANEXO D: Reporte de Hysys: Corriente de salida del Proceso.....100
ANEXO E: Reporte proporcionado por Hysys: Equipo P1-P1...103
ANEXO F: Reporte proporcionado por Hysys: Equipo P1-H1..105
ANEXO G: Reporte proporcionado por Hysys: Equipo P1-R1..107
ANEXO H: Reporte proporcionado por Hysys: Equipo P1-V3..108
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xii
LISTA DE TABLAS
TABLA pg.
1. Presiones de operacin por tipo de carga..21
2. Tipos de cargas empleadas en la hidrodesulfuracin..24
3. Destilacin ASTM D-86 de naftas25
4. Composicin de la corriente Makeup de Hidrgeno.25
5. Composicin de la corriente Reciclo de Hidrgeno..26
6. Propiedades de la Nafta en la Alimentacin..26
7. Condiciones de Operacin del Reactor de Hidrotratamiento....27
8. Condiciones de Operacin del Despojador...27
9. Propiedades del Catalizador HR-306 C.28
10. Especificaciones de las bombas..28
11. Caractersticas de los intercambiadores de calor....29
12. Requisitos para la nafta industrial pesada..30
13. Factor de caracterizacin Kuop...........30
14. Conversin de azufre a presin constante...51
15. Flujo de azufre a diferentes presiones.....52
16. Formacin de H2S a la salida del reactor a diferentes presiones....53
17. Contenido de azufre final a diferentes presiones....55
18. Conversin de azufre a temperatura constante...56
19. Conversin de azufre a diferentes temperaturas.57
20. Flujo de H2S a la salida del reactor a diferentes temperaturas....58
21. Contenido de azufre a diferentes temperaturas...60
22. Corrientes a Condiciones Estndar.61
23. Relacin H2/HC a diferentes flujos de Gas de Reciclo...62
24. Anlisis estadstico de la temperatura y contenido final de azufre.65
25. Intervalo de confianza de la temperatura y contenido final de azufre66
26. Anlisis estadstico de la presin y contenido final de azufre67
27. Intervalo de confianza de la presin y contenido final de azufre67
28. Anlisis estadstico de la Relacin H2/HC y contenido final de azufre..68
29. Intervalo de confianza de la Relacin H2/HC y contenido final de azufre.68
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xiii
30. Ecuaciones de S (ppm) vs. Temperatura.....69
31. Elasticidad de la Temperatura.....70
32. Ecuaciones de S (ppm) vs. Presin.....71
33. Elasticidad de la Presin.....72
34. Conversin de azufre a lo largo del reactor a P = 23 kg/cm2......73
35. Conversin de azufre a lo largo del reactor a P = 23,3 kg/cm2...73
36. Conversin de azufre a lo largo del reactor a P = 24 kg/cm2..74
37. Contenido de azufre a la salida del reactor a P = 23 kg/cm2...74
38. Contenido de azufre a la salida del reactor a P = 23,3 kg/cm2....75
39. Contenido de azufre a la salida del reactor a P = 24 kg/cm2...75
40. Composicin del flujo de nafta a la salida del despojador a P = 23 kg/cm2.....76
41. Composicin del flujo de nafta a la salida del despojador a P = 23,3 kg/cm2..77
42. Composicin del flujo de nafta a la salida del despojador a P = 24 kg/cm2.78
43. Concentracin de azufre en la entrada y salida del despojador a P = 23 kg/cm2.79
44. Concentracin de azufre en la entrada y salida del despojador a P = 23,3 kg/cm2....79
45. Concentracin de azufre en la entrada y salida del despojador a P = 24 kg/cm2..79
46. Propiedades de la nafta hidrotratada.......80
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xiv
LISTA DE GRFICOS
GRFICO pg.
1. Curva TBP de los componentes hipotticos obtenidos en Hysys....9
2. Efecto de las variables de proceso sobre el hidrotratamiento23
3. Longitud del reactor vs. Contenido de azufre a P = cte....52
4. Temperatura vs. Flujo de azufre....53
5. Temperatura vs. Flujo de H2S...54
6. Temperatura vs. Contenido de azufre final...55
7. Longitud del reactor vs. Contenido de azufre a T = cte....57
8. Presin vs. Flujo de azufre....58
9. Presin vs. Flujo de H2S....59
10. Presin vs. Contenido final de azufre.....60
11. Relacin H2/HC vs. Contenido final de azufre...63
12. Elasticidad de la temperatura..70
13. Elasticidad de la presin.....72
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xv
LISTA DE FIGURAS
FIGURA pg.
1. Entorno de la Simulacin..10
2. Paleta de Operaciones Unitarias....10
3. Intercambiadores de calor de tubos y coraza.13
4. Horno simulado en Hysys.14
5. Simulacin de hidrotratamiento de naftas I...31
6. Simulacin de hidrotratamiento de naftas II.32
7. Simulacin de hidrotratamiento de naftas III33
8. Simulacin de hidrotratamiento de naftas IV33
9. Simulacin de hidrotratamiento de naftas V.....34
10. Simulacin de hidrotratamiento de naftas VI.35
11. Simulacin de hidrotratamiento de naftas VII35
12. Simulacin de hidrotratamiento de naftas VIII...36
13. Simulacin de hidrotratamiento de naftas IX.37
14. Simulacin de hidrotratamiento de naftas X...38
15. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XI.39
16. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XII39
17. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIII...40
18. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIV...41
19. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XV41
20. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVI...42
21. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVII.43
22. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVIII43
23. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIX...44
24. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XX45
25. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXI...46
26. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXII.46
27. Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXIII....47
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INTRODUCCIN
Uno de los procesos fundamentales de la refinacin del petrleo desde el punto de
vista tcnico, econmico y ambiental, que requiere de mayor investigacin
tecnolgica es el de hidrotratamiento. Dado la exigencia de que los productos
obtenidos del petrleo deben contener menor cantidad de contaminantes altamente
txicos como el azufre, aromticos y metales pesados, es en este proceso donde se
eliminan varios de ellos. De estos contaminantes, el azufre es el que ms
problemas presenta ya que al estar presente en las corrientes de alimentacin a
procesos como el de reformacin cataltica, envenena su catalizador, provoca
corrosin a los equipos de la planta, facilita la formacin de gomas en la gasolina
reformada obtenida en el proceso de reformado y es causante de la emisin de
contaminantes sulfurados a la atmsfera durante la combustin de combustibles.
El hidrotratamiento (HDT) consiste en hacer reaccionar un corte o fraccin de
petrleo (desde nafta ligera hasta residuo de vaco), as como tambin petrleo
crudo con hidrgeno en presencia de un catalizador de xido metlico a
condiciones severas de presin y temperatura, esto dependiendo de las
caractersticas que presente la carga, con el fin de remover azufre, nitrgeno,
metales pesados, adems desintegrar compuestos de alto peso molecular en otros
ms simples y tambin hidrogenar compuestos insaturados para reducir el
contenido de aromticos y olefinas.
Para el desarrollo de este trabajo se utiliza el simulador Aspen Hysys, es un
software diseado para la realizacin de procesos de refinacin para el petrleo
y/o fracciones. El simulador tiene la posibilidad de estimar propiedades fsicas de
una determinada fraccin a condiciones de trabajo establecidas, balances de masa
y energa, composiciones de los hidrocarburos presentes en una corriente.
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- 2 -
En el caso del hidrotratamiento de naftas es posible evaluar el grado de
desulfuracin que se obtendra en el reactor a distintas condiciones de presin,
temperatura, flujo de hidrgeno y carga.
Para esto se escogi los paquetes termodinmicos Peng-Robinson (P&R) y Soave-
Redlich-Kwong (SRK), que se encuentran dentro de la biblioteca del simulador,
P&R se utiliza con el fin de caracterizar la fraccin para lo cual se necesitan datos
como destilacin ASTM D-86, densidad, factor de caracterizacin Kuop, dando
como resultado un listado de componentes hipotticos con sus respectivas
composiciones y propiedades, se utiliza el paquete SRK con la finalidad de
simular el reactor ya que este trabaja con un listado de componentes propia de la
biblioteca de Aspen Hysys.
Cabe indicar que en toda aplicacin realizada mediante una simulacin debe
tenerse en cuenta que la validez de los resultados depender directamente de los
datos experimentales suministrados al simulador por el encargado del diseo, por
lo que se tuvo el mayor cuidado en recurrir a criterios tcnicos actuales obtenidos
en las recomendaciones bibliogrficas.
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- 3 -
1. EL PROBLEMA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el Ecuador, la produccin de crudos pesados, extra pesados y la disponibilidad
de productos residuales del petrleo con contenidos elevados de azufre y metales,
se han convertido en un problema ya que cada da la demanda de productos de
mejor calidad aumenta tanto en el mercado nacional como extranjero siendo
necesario la bsqueda de procesos de refinacin que sean capaces de lograr
producir productos que cumplan estas exigencias de calidad.
El hidrotratamiento de las corrientes de naftas de destilacin atmosfrica es un
proceso de gran importancia dentro de los actuales esquemas de refinera, ya que
permitir reducir el contenido de azufre, previo al proceso de Reformado
Cataltico para la produccin de combustibles, especficamente gasolinas de
mayor octanaje para que se apeguen a los requerimientos de calidad.
Las ventajas de este proceso, son que se pueden tratar las corrientes de naftas
provenientes de destilacin atmosfrica, residuos atmosfricos y de vaco con el
fin de reducir el contenido de contaminantes que puedan afectar otras unidades de
refinacin en la que se utilicen catalizadores para el procesamiento, como por
ejemplo la unidad de FCC donde el catalizador sufre de envenenamiento por la
presencia de compuestos de azufre, nitrgeno, oxgeno y metales pesados.
1.2. FORMULACIN DEL PROBLEMA
Qu variables se deben considerar dentro del estudio del proceso de
hidrotratamiento de naftas?
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- 4 -
1.3. INTERROGANTES DE LA INVESTIGACIN
Cules sern las mejores condiciones de trabajo de la planta de Hidrotratamiento
de Naftas de la Refinera Estatal de Esmeraldas?
Cules sern las variables que influyan en el proceso de hidrotratamiento?
Qu resultado se obtendrn de la simulacin del proceso de Hidrotratamiento de
Naftas?
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
1.4.1. Objetivo General
Simular el proceso de Hidrotratamiento de Naftas de la Refinera Estatal de
Esmeraldas utilizando el simulador Aspen Hysys.
1.4.2. Objetivos Especficos
Estimar mediante la simulacin del proceso de hidrotratamiento de naftas
de la Refinera Estatal de Esmeraldas las mejores condiciones de trabajo
para la planta de Hidrotratamiento.
Determinar que variables influyen en el proceso de hidrotratamiento de
naftas de la Refinera Estatal de Esmeraldas.
Obtener las propiedades ficticias de la corriente de salida como una mezcla
de componentes hipotticos producto de la simulacin del proceso de
hidrotratamiento.
1.5. JUSTIFICACIN
El estudio del presente trabajo se orienta en el anlisis de la simulacin del
proceso de hidrotratamiento de naftas de la Refinera Estatal de Esmeraldas
realizado en el simulador Aspen Hysys, con el fin de obtener resultados en
productos ficticios, que posean pseudo-propiedades como densidad, contenido de
azufre en la corriente de salida, entre otras.
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La simulacin ayuda a conocer aproximadamente el funcionamiento de la planta
de hidrotratamiento, las condiciones de operacin adecuadas que necesita esta
instalacin en la Refinera para obtener una corriente de salida que posea las
caractersticas ptimas para el envo a Reformado Cataltico y almacenamiento.
Como punto adicional, se requiere de la proyeccin de la cantidad de nafta que se
podra hidrotratar a futuro en la Refinera, puesto que el crudo que se produce en
nuestro pas cada vez es ms pesado, la posibilidad de obtener productos ligeros
es cada vez ms compleja, por tanto este trabajo tiene la finalidad de servir como
gua para el diseo de equipos que trabajen a las condiciones de operacin que se
obtengan de este trabajo.
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2. MARCO TERICO
2.1. ASPEN HYSYS
2.1.1. Generalidades
El simulador Aspen Hysys es una herramienta de diseo creada con la finalidad
de facilitar la interaccin con un ingeniero de procesos, de manera que los
clculos realizados en una simulacin se vean simplificados, tambin permite
variar las condiciones de operacin de una instalacin dada para obtener
diferentes resultados y establecer de esta manera cules son las condiciones
ptimas para un determinado proceso, adems de la interface grfica permite que
la simulacin adopte la forma de un diagrama de flujo.1
La coleccin completa de modelos de funcionamiento de unidad, incluida la
destilacin, reactores, las operaciones de transferencia de calor, equipos rotativos,
controladores, y operaciones lgicas, separadores, tanto en el estado de equilibrio
dinmico y estacionario.
Aspen Hysys proporciona a los ingenieros de procesos tecnologa en reactores de
refinera en la simulacin y los modos de calibracin en una forma perfecta. La
tecnologa de reactores de refinera que se integra dentro del entorno incluye
Craqueo Cataltico Fluidizado (FCC), Hidrocraqueo, Hidrotratamiento,
Reformado Cataltico, Unidad de Isomerizacin, adems para procesos de
Destilacin, Absorcin, Intercambio de Calor, Sistemas para transporte de fluidos
lquidos y gaseosos, etc.
2.1.2. Paquetes termodinmicos Peng-Robinson y Soave-Redlich-Kwong
El paquete de Peng-Robinson (P&R) es un grupo de ecuaciones de estado que
tiene una precisin aceptable para trabajo con petrleo, gas y aplicaciones
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- 7 -
petroqumicas. La ecuacin de estado de P&R soporta un amplio rango de
condiciones de operacin y una gran variedad del sistema.2
El paquete Soave-Redlich-Kwong (SRK) es utilizado dentro de la simulacin ya
que el reactor de hidrotratamiento trabaja con una lista de componentes que se
encuentra dentro de la biblioteca de Aspen Hysys, por lo cual es necesario hacer
una conversin de la lista original de componentes hipotticos que es producto de
la caracterizacin del corte de nafta a partir de los datos experimentales.
Las ecuaciones de estado de Peng-Robinson (P&R) y Soave-Redlich-Kwong
(SRK) generan directamente todas las propiedades de equilibrio y
termodinmicas. Los parmetros de eleccin, as como la descripcin del paquete
Peng-Robinson, se describen a continuacin:
Los rangos operativos de P&R son ms amplios que para SRK.
Las ecuaciones de estado de P&R son funcionales para la interaccin entre
algunos componentes, entre estos se tiene: He, H2, N2, CO2, H2S, H2O,
CH3OH, EG y TEG.3
2.1.3. Ecuacin de estado de Peng-Robinson
La formulacin de sta ecuacin est basada en la modificacin de la ecuacin
semiemprica de Van der Waals. Dentro del estudio de Peng y Robinson se
evidencia que sta aporte mejora significativamente la prediccin de presiones de
vapor para sustancias puras y relaciones de equilibrio Ki para mezclas.
Peng y Robinson en 1976 introdujeron una nueva ecuacin de estado con dos
constantes. Algunas de sus ms importantes caractersticas son:
Es una ecuacin relativamente sencilla que representa razonables
intervalos de tiempo para los clculos computacionales.
Los parmetros son expresados en funcin de Tc, Pc, y .
El modelo presenta un buen desempeo en la vecindad del punto crtico.
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Las reglas de mezclado no emplean ms de un parmetro de interaccin
binaria Kij.4
La ecuacin tiene la siguiente forma:
)()(
)(
bVbbVV
Ta
bV
RTP
Ec. 2.1
En su forma estndar
22 2 bbVV
a
bV
RTP
Ec. 2.2
Parmetros
c
c
P
TRa
22
*45724.0
Ec. 2.3
c
c
P
RTb *07780.0
Ec. 2. 4
25.02 126992.054226.137464.01 rT Ec. 2.5
2.1.4. Caracterizacin de crudo mediante la herramienta Oil Manager
La caracterizacin de petrleo y/o fracciones realizados por el simulador consiste
en convertir los datos de los ensayos de laboratorio en una serie de componentes
hipotticos que representen las propiedades del petrleo y sus distintos cortes.
A partir de los datos ingresados el simulador genera curvas de puntos de
ebullicin, (TBP, ASTM D-86, ASTM D-1160, ASTM D-2887), peso molecular,
densidad y viscosidad, estos ltimos pueden ser o no dependientes del volumen de
destilado. Dicha curva de destilacin permite obtener una serie de hasta 50
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componentes hipotticos que depender del rango de ebullicin de la muestra a
caracterizar, cuya mezcla se comporta como crudo o fraccin de crudo simulado.5
El grfico 1, indica la curva TBP de un crudo simulado en Hysys.
Grfico 1: Curva TBP de componentes hipotticos obtenidos en Hysys
Fuente: Scenna Nicols et al. (2003) Simulacin de un proceso de refinacin de petrleo, (p. 6)
El punto de ebullicin inicial (IBP) a partir del cual se generan los componentes
hipotticos es el correspondiente al del componente liviano ms pesado, salvo que
se especifique otro valor.
A partir de las curvas correspondientes, se determina grficamente el punto de
ebullicin (NBP = Normal Boiling Point), peso molecular, densidad y viscosidad
de cada pseudo-componente.6
2.1.5. Entorno de la Simulacin
En la figura 1 se aprecia la ventana general del ambiente o entorno de la
simulacin, la misma que consta barra de mens e iconos de acceso directo a las
diferentes herramientas que posee Aspen Hysys, previo a esto se debe ingresar
componentes gaseosos como metano, etano, etc., as como tambin agua, gases de
combustin, gases de contenido de azufre y nitrgeno como sulfuro de hidrgeno
y amonaco, respectivamente, esto depender del proceso que se desee simular,
luego se selecciona el paquete termodinmico que para el caso de estudio se
trabajar con Peng-Robinson (P&R) para la caracterizacin del corte de nafta en
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la herramienta Oil Manager y Soave-Redlich-Kwong (SRK), en la simulacin del
reactor. Finalizado este proceso se ingresa al ambiente de simulacin presionando
la pestaa Enter Simulation Enviroment.
Figura 1: Entorno de la Simulacin
Fuente: Manual de operacin del simulador Hysys 3.2
2.1.6. Paleta de conos de Operaciones Unitarias
La paleta de Operaciones Unitarias se muestra en la figura 2, y se tiene acceso a
ella pulsando la tecla F4 en la ventana del Entorno de la Simulacin.
Figura 2: Paleta de Operaciones Unitarias
Fuente: Manual de operacin del simulador Hysys 3.2
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En esta paleta se tiene acceso a los diferentes equipos y accesorios necesarios
dentro de un esquema de refinera y algn proceso industrial en el que intervengan
hidrocarburos como por ejemplo en la industria petroqumica, se tiene equipos
para separacin de fases que pueden ser bifsica o trifsica, de intercambio de
calor, de transporte de fluidos tanto gases como lquidos, reactores, operaciones
lgicas, columnas de destilacin, accesorios como vlvulas, segmentos de tubera,
adems de corrientes de proceso y energa.
2.2. EQUIPOS
2.2.1. Reactor de Hidrotratamiento
El reactor consiste en la parte medular del proceso, ya que en este equipo se llevan
a cabo las reacciones de hidrotratamiento. El diseo, configuracin, condiciones
de operacin del reactor depender de la naturaleza de la alimentacin, la cantidad
y tipo de los diferentes heterotomos presentes en la misma, entre los principales
se encuentran: azufre, nitrgeno y oxgeno, adems de metales como nquel y
vanadio.7
Las alimentaciones al reactor pueden ir desde fracciones de petrleo livianas
como naftas hasta las ms pesadas como residuo de vaco, por lo que el proceso es
individualmente optimizado de acuerdo la naturaleza y el rango de ebullicin de la
alimentacin a ser hidrotratada. En la actualidad a los reactores de
hidroprocesamiento se los puede dividir en tres grupos: Fixed-bed (FBR),
Moving-bed (MBR) y Ebullated-Bed (EBR).8
En el pasado los reactores FBR se utilizaban para procesar nicamente fracciones
livianas tales como naftas y destilados medios, pero en la actualidad se los han
diseado para hidrotratar fracciones ms pesadas. Sin embargo, cuando la
alimentacin contiene una alta cantidad de metales y otras impurezas como por
ejemplo asfaltenos, el uso de estos reactores tiene que ser cuidadosamente
examinado de acuerdo al ciclo de vida del catalizador. Por lo cual los reactores
MBR y EBR han sido empleados para este tipo de corrientes.
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- 12 -
2.2.2. Bomba Centrfuga
Consiste en un impulsor que gira alrededor de una carcaza fija que imparte
velocidad a un lquido, lo que conlleva que esta energa de velocidad que posee el
lquido al abandonar la bomba se convierta en energa de presin. Las bombas
centrfugas convencionales operan a velocidades entre 1200 a 8000 rpm, mientras
que las bombas centrfugas de alta velocidad pueden operar hasta 23000 rpm.9
2.2.3. Intercambiadores de calor
En las industrias de proceso, la transferencia de calor entre dos fluidos casi
siempre se lleva a cabo en intercambiadores de calor. El tipo ms comn es uno
en el cual el fluido caliente y el fro no entran en contacto directo el uno con el
otro, sino que estn separados por una pared de tubos o una superficie plana o
curva. La transferencia de calor se efecta por conveccin desde el fluido caliente
a la pared o la superficie de los tubos, a travs de la pared de tubos o placa por
conduccin, y luego por conveccin al fluido fro.10
Los intercambiadores de calor generalmente se clasifican en tubos concntricos,
tubo y carcaza, y de flujo cruzado, por tanto dentro del trabajo de investigacin se
dar mayor nfasis en los intercambiadores de calor de tubo y carcasa porque en
las instalaciones de la Refinera Estatal de Esmeraldas cuentan con este tipo de
equipos.
2.2.3.1. Intercambiadores de calor de tubo y carcasa
Este tipo de intercambiador es el ms importante en las industrias de proceso. El
flujo del fluido en estos intercambiadores es continuo. Consta de muchos tubos en
paralelo con uno de los fluidos circulando en su interior, se encuentran
encerrados en una sola coraza y el otro fluido fluye por el exterior de los mismos,
dentro de la coraza.
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En la figura 3-a se muestra el modelo ms simple de intercambiador de tubos y
coraza que corresponde a un solo paso por los tubos y un solo paso por la coraza,
es decir, se trata de un intercambiador l-l a contracorriente. El fluido fro entra y
circula por los tubos en paralelo en un solo paso, mientras que el fluido caliente
entra por el otro extremo y fluye a contracorriente por el exterior de los tubos.
Figura 3: Intercambiadores de calor de tubos y coraza: a) un paso por la coraza y
un paso por los tubos, (intercambiador I-I); b) un paso por la coraza y dos pasos
por los tubos (intercambiador I-2).
Fuente: Geankoplis C. (1998) Procesos de Transporte y operaciones Unitarias (p. 301).
En la figura 3-b se muestra un intercambiador 1-2 paralelo-contracorriente. El
lquido en los tubos fluye pasando dos veces y el lquido de la coraza fluye en un
solo paso. En el primer paso por los tubos, el fluido fro fluye a contracorriente
del fluido caliente de la coraza y en el segundo paso por los tubos fluye en
paralelo con el fluido caliente.
En ambos casos se observa que en el interior de los intercambiadores se usan
deflectores transversales de tal manera que el fluido caliente se ve forzado a fluir
perpendicularmente por la batera de tubos en lugar de hacerlo en paralelo. Esta
turbulencia adicional generada por el flujo transversal, aumenta el coeficiente de
transferencia de calor de la carcasa.
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2.2.4. Horno
Los calentadores de llama directa u hornos son de gran importancia en la
operacin de una refinera ya que proporciona cerca del 80% del requerimiento
energtico. Estos equipos cuentan con zonas de calentamiento por radiacin donde
se alcanzan las temperaturas ms altas y se transfiere cerca del 60% del calor
generado, y las zonas de calentamiento por conveccin, donde se aprovechan las
altas temperaturas de los gases de combustin y se transporta el 25% del calor,
donde el 15% restante corresponde a prdidas de calor en el equipo.11
Figura 4: Horno simulado en Hysys
En la figura 4 se visualiza un horno simulado en Hysys, en la cual 1 representa
una corriente de proceso que ingresa a una determinada temperatura y presin,
pero para estar especificada correctamente se necesita conocer su composicin y
flujo, que puede ser msico o molar, 2 puede ser especificada ya sea conociendo
las condiciones de salida de presin y temperatura manipulando la cantidad de
calor Q que necesita el horno para elevar la temperatura de la corriente 1
hasta el estado final en 2.
2.3. NAFTAS
2.3.1. Generalidades
La nafta industrial es un producto derivado del petrleo que se obtiene del domo
de la torre de destilacin atmosfrica, o del gas natural, no contiene aditivos, su
rango de ebullicin est comprendido entre 30C y 190C.12
De acuerdo a los
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balances de materiales de cada refinera y de las plantas HDS con que se cuente
las naftas pueden enviarse a los siguientes destinos:
A una planta fraccionadora de naftas, en donde se pueden obtener dos o
tres corrientes dependiendo de las necesidades de cada lugar. El corte ms
importante es aquel que se enva como carga a las plantas HDS, las cuales
a su vez alimentaran a las plantas reformadoras de naftas, en las cuales la
gasolina sufre transformaciones muy importantes que incrementan su valor
al subir el ndice de octano o producir algunas materias petroqumicas
como el benceno, tolueno y xilenos.
A tratamientos custicos con sosa de las naftas no hidrotratadas para
eliminarles al mximo los compuestos de azufre y posteriormente enviarse
a los tanques de almacenamiento para la preparacin de mezclas de
gasolinas.
Como diluentes a las plantas de asfalto o combustleos.13
2.3.2. Caractersticas de naftas
El peso molecular es 100 - 215; la gravedad especfica es 0.75 - 0.85; el punto de
ebullicin es 320 - 430 F; la presin del vapor se encuentra en un rango entre 800
g/cm2 absolutos en invierno y 650 g/cm
2 absolutos en verano. Las naftas son
insolubles en agua; lquido descolorido (olor del keroseno) o rojo marrn (del olor
aromtico); incompatible con los oxidantes fuertes.14
2.3.3. Tipos de Naftas
2.3.3.1.Naftas parafnicas
Las naftas menos densas tendrn un ms alto contenido de parafina. stos por lo
tanto tambin se refieren como nafta parafnica. El uso principal para estas naftas
est como materia de base en la produccin petroqumica de olefinas. sta es
tambin la razn que se refieren a veces como materia de base ligera del
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destilado o LDF (estos tipos de la nafta se pueden tambin llamar de la
gasolina derecho funcionado/SRG o de la nafta virginal ligero/LVN).
2.3.3.2.Naftas pesadas
Los tipos ms pesados o algo ms densos son generalmente ms ricos en
naftenos y compuestos aromticos y por lo tanto tambin se refieren como N&A.
stos se pueden tambin utilizar en la industria petroqumica pero se utilizan ms
a menudo como materia de base para los reformadores catalticos de la refinera
donde convierten la nafta de ms bajo a un producto ms alto del octano llamado
reformado cataltico. Los nombres alternativos para estos tipos son el benceno
(SRB) o la nafta pesada virgen (HVN).
2.4. HIDROTRATAMIENTO
2.4.1. Generalidades
El hidroprocesamiento de crudo se conforma por dos tipos de procesos: el de
hidrotratamiento (HDT) y el de hidrocrackeo o hidrodescomposicin (HYD). El
hidrotratamiento consiste principalmente de procesos de hidrodesulfuracin
(HDS), hidrodenitrogenacin (HDN), hidrodearomatizacin (HDA),
hidrodemetalizacin (HDM) de crudo y/o fracciones pesadas de provenientes de
destilacin atmosfrica o de vaco; adems procesos de hidrogenacin en
hidrocarburos livianos insaturados (olefinas); en esencia no se cambia la
distribucin del tamao molecular, por otra parte el proceso de hidrocrackeo s
cambia la distribucin del tamao molecular al hacer ms pequeo el tamao de
las molculas de los hidrocarburos.
El hidrotratamiento consiste en hacer reaccionar un corte o fraccin de petrleo
(desde nafta ligera hasta residuo de vaco) con hidrgeno, en presencia de un
catalizador a condiciones severas de presin y temperatura dependiendo del tipo
de carga al proceso. El fin de este proceso es el de remover contaminantes como
azufre en forma de H2S, nitrgeno y trazas de metales pesados como el nquel y
vanadio.
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- 17 -
Los procesos de hidrotratamiento tienen dos funciones bsicas. Una es mejorar las
caractersticas de los productos terminados al alcanzar sus especificaciones, en
trminos de calidad y emisiones estndar (contenido de azufre en particular). El
segundo es preparar las alimentaciones a unidades de conversin en la refinera
(isomerizacin, reformacin, craqueo cataltico e hidrocrackeo) cuyos
catalizadores son sensibles a impurezas como: el azufre para catalizadores
metlicos, nitrgeno para catalizadores cidos y metales de todos los tipos.15
En este sentido, hay dos principales categoras de procesos de hidrotratamiento
acorde a su objetivo, encontrar especificaciones de productos terminados o
preparar la alimentacin a otros procesos de refinera. Las principales unidades de
hidrotratamiento que son diseadas, para mejorar la calidad del producto, son el
hidrotratamiento de kerosn, gasoil y lubricantes, y las principales unidades que
preparan alimentaciones a otros procesos son el hidrotratamiento nafta y destilado
de vaco.
2.4.2. Importancia del Proceso de Hidrotratamiento
El hidrotratamiento (HDT) cataltico es uno de los procesos ms importantes
dentro de la refinacin del petrleo. El propsito del HDT es manejar las
diferentes fracciones del petrleo tales como naftas, diesel y gasleos
provenientes de la torre de destilacin atmosfrica y de vaco con el fin de reducir
compuestos contaminantes tales como azufre, nitrgeno y algunos metales.16
En la entrada de un reactor cataltico, se tiene la combinacin de un flujo gaseoso
de hidrgeno fresco, hidrgeno en fase gas de recirculacin y un flujo lquido de
hidrocarburos que al reaccionar generan hidrocarburos dulces (libre de azufre),
cido sulfhdrico, amoniaco e hidrgeno.
En el petrleo, el azufre se encuentra presente bajo muy variados tipos de
compuestos. En anlisis cuidadosos se han encontrado hasta 43 compuestos
orgnicos diferentes de azufre contenidos en una muestra de crudo, siendo los
mercaptanos y tiofenos los de mayor concentracin.
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- 18 -
En general, se observa que al aumentar el peso molecular de la fraccin de
petrleo que se estudia, aumenta la proporcin de tiofenos, que son conocidos
como elementos refractarios, denominados as por la dificultad que presentan al
tratar de desulfurarlos.
De aqu la gran importancia del HDT, ya que al remover el azufre contenido en
los hidrocarburos se evitan problemas de:
Corrosin del equipo de proceso.
Disminucin de la calidad del producto terminado.
Envenenamiento de los catalizadores del proceso de reformacin cataltica.
Contaminacin atmosfrica cuando se emplean como combustibles ya que
pueden ser el origen de lluvia cida.
2.4.3. Variables que afectan al proceso de hidrotratamiento
Las principales variables de operacin desde el punto de vista cintico y
termodinmico del proceso de hidrotratamiento, son la temperatura de reaccin, la
presin parcial del hidrgeno, la velocidad espacial horaria y la relacin
hidrgeno-hidrocarburo (H2/HC).
2.4.3.1.Temperatura de reaccin
Al incrementar la temperatura se afecta directamente la severidad del
hidrotratamiento debido al aumento en las velocidades de reaccin lo que genera
un incremento del depsito de carbn sobre la superficie del catalizador y una
consiguiente reduccin en su tiempo de vida, adems de la posibilidad de
producirse crackeo de las fracciones ms pesadas a temperaturas elevadas.
En combinacin con la presin parcial del hidrgeno, la temperatura del reactor en
general, determina los tipos de componentes que pueden ser retirados de la
alimentacin del hidrocarburo y tambin establece la vida til del catalizador. En
general, un aumento de la temperatura de la reaccin aumentar
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- 19 -
considerablemente las velocidades de reaccin y, en consecuencia, la eliminacin
de impurezas.
Sin embargo, a temperaturas superiores a 410 C el craqueo trmico es muy
severo y el rompimiento de las cadenas de hidrocarburos se hace ms prominente
y no puede ser manejada con la presin parcial del hidrgeno, lo que puede
conducir a la formacin de cantidades considerables de hidrocarburos lquidos de
bajo peso molecular y gases, tambin a la desactivacin del catalizador, mucho
ms rpidamente de lo que a temperaturas ms bajas.17
La mxima temperatura del lecho, depende del tipo de alimentacin y la calidad
del producto (contenido de azufre, estabilidad trmica, contenido de aromticos).
Debido a que las reacciones de hidrotratamiento son mayormente exotrmicas, la
temperatura del reactor se incrementar a medida que los reactantes fluyan a lo
largo del mismo, lo que significa que la temperatura de salida ser mayor que la
de entrada. Para medir la temperatura promedio en el reactor se utiliza el trmino
Weight Average Bed Temperature (WABT), que se obtiene de la siguiente
manera para un lecho cataltico.
3
2
3
2
3
1out
i
in
iout
i
in
ii
TTTTWABT
Ec. 2.6
El WABT global ser:
N
i
ii WcWABTWABT1
%)(*)( Ec. 2.7
Donde N es el nmero de lechos catalticos, iniT y out
iT son las temperaturas de
entrada y salida en cada lecho cataltico, respectivamente, y %iWc es el
porcentaje en peso de catalizador en cada lecho respecto al total.
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- 20 -
2.4.3.2.Presin parcial de hidrgeno
La presin parcial de hidrgeno est directamente relacionada con el efecto de la
presin total, composicin del gas de reciclo y la relacin hidrgeno/hidrocarburo.
Al existir un aumento de la presin se incrementa hasta cierto grado la remocin
de azufre, nitrgeno, oxgeno, la conversin de aromticos y la saturacin de
olefinas; adems se obtiene un efecto favorable para la disminucin del depsito
de carbn en el catalizador debido al incremento en la presin parcial de
hidrgeno, lo que es muy esencial para llevar a cabo las reacciones de
hidrodesulfuracin.
La presencia de compuestos heterotomos con reactividades variables en una
alimentacin al hidroprocesamiento hace que la hidrodesulfuracin de compuestos
refractarios de azufre con multianillos sea muy difcil y se requiere una demanda
mayor de hidrgeno en el proceso, cuya va pasa por pre-hidrogenacin de uno de
los anillos aromticos. Por lo tanto se requiere una presin parcial H2 alta, de lo
contrario:
La velocidad de HDN puede ser tan lento que los compuestos de nitrgeno
bloquean casi todos los sitios activos disponibles para HDS.
La velocidad de HDS de compuestos refractarios de azufre puede estar
limitado por una velocidad de hidrogenacin termodinmicamente bajo.
La presin total en un reactor de hidrotratamiento se fija por el diseo y es
controlado por la presin que se mantiene en el separador de alta presin (HPS),
mientras que la presin parcial del hidrgeno se obtiene multiplicando la presin
total (en la entrada del reactor) por la pureza de hidrgeno del gas de reciclo.
Operando el reactor a presiones parciales de hidrgeno se obtienen los siguientes
beneficios.
Larga vida del ciclo del catalizador
Capacidad para el procesamiento de alimentaciones ms pesadas
Capacidad de rendimiento superior
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- 21 -
Mayor capacidad de conversin
Mejor calidad de destilado
Purga eliminacin de gases 18
Tabla 1
Presiones de operacin por tipo de carga
PRESIN
TOTAL (bar)
PRESIN PARCIAL
DE HIDRGENO (bar)
NAFTA 15 25 6 9
DIESEL 34 69 25 44
RESIDUO DE VACO 118 172 98 147
Fuente: Mederos F. (2004), Desarrollo de un modelo dinmico de una planta piloto de
hidrotratamiento. (p. 12).
2.4.3.3.Velocidad espacial horaria
La velocidad espacial horario de lquido, se refiere a una relacin entre el flujo
volumtrico de la alimentacin y el volumen de catalizador. Esta depende de la
actividad del catalizador, el tipo de alimentacin y la presin parcial de hidrgeno.
hkgh
kg
rCatalizadodePeso
ocesodeFlujo 1
*
Pr
Ec. 2.8
Al disminuir la relacin espacio-velocidad y manteniendo las dems variables
constantes, se incrementa el grado de hidrotratamiento hasta un cierto lmite,
debido al aumento de tiempo de residencia en el reactor. Sin embargo, al operar
un espacio-velocidad bajo dificulta controlar la temperatura de reaccin debido al
carcter exotrmico de las reacciones de hidrotratamiento y se favorece un alto
depsito de carbn en el catalizador.
Al aumentar nicamente el espacio-velocidad trae como consecuencia una
disminucin en el grado de hidrotratamiento y por lo tanto, en la intensidad de las
reacciones catalticas; de esta forma el consumo de hidrgeno disminuye.19
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- 22 -
2.4.3.4.Relacin Hidrgeno / Hidrocarburo (H2/HC)
El gas de reciclo se utiliza para mantener la presin parcial del hidrgeno y el
contacto fsico del hidrgeno con el catalizador y de hidrocarburos para garantizar
la conversin adecuada y la eliminacin de impurezas y reducir al mnimo la
deposicin de carbono. A mayor relacin de H2/HC se obtiene un menor depsito
de carbn sobre el catalizador, aumentando con ello la vida de ste. La presin
parcial de hidrgeno aumenta la velocidad de reaccin sobre todo cuando las
cargas contienen compuestos pesados de hidrocarburos.
Al incrementar la velocidad del gas de reciclo, se incrementa la relacin H2/HC en
el reactor. Este incremento en la relacin acta mucho de la misma manera como
un incremento en la presin parcial de hidrgeno. La relacin H2/HC est
determinada por:
Bbl
SCF
daBblreactoraltotalentacinA
daSCFreactoraltotalGasHCH
/,lim
/,/2 Ec. 2.9
Adems de afectar la presin parcial del hidrgeno, la velocidad del gas es
importante, ya que acta para despojar a los productos voltiles de los lquidos del
reactor, y por lo tanto afecta a la concentracin de diversos componentes en la
fase lquida reactiva. Al igual que la presin parcial de H2, la relacin H2/HC debe
mantenerse en el valor de diseo, y cualquier reduccin de la misma por debajo
del mnimo de diseo tendr efectos perjudiciales sobre la vida del catalizador.20
En forma grfica de efecto de las variables de operacin del proceso de
hidrotratamiento se aprecia en la grfico 2.
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- 23 -
Grfico 2: Efecto de las variables de proceso sobre el hidrotratamiento.
Fuente: Cruz S. (2005), Diseo de un control difuso para la relacin de alimentacin
de hidrgeno en un reactor para una planta piloto de hidrotratamiento. (p. 15).
2.4.4. Tipos de carga a plantas hidrodesulfuradoras
Las plantas hidrodesulfuradoras que operan actualmente en la industria de
refinacin del petrleo pueden procesar las siguientes cargas:
Nafta (incluye a las naftas ligeras y las gasolinas provenientes de las
Plantas de Hidrodesulfuracin de Destilados Intermedios).
Destilados intermedios del petrleo (como son la turbosina, querosina y
diesel).
Destilados de alto punto de ebullicin (como son el gasleo atmosfrico o
primario y el gasleo de vaco, ligero y pesado).
Residuos (Residuo de vaco y mezcla de gasleos y aceites lubricantes).
Los tipos de carga que se utiliza en la hidrodesulfuracin se indican en la Tabla 2,
con sus respectivos propsitos de realizar este procedimiento de refinacin.
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- 24 -
Tabla 2
Tipos de cargas empleadas en la hidrodesulfuracin
TIPO DE CARGA PROPSITO
NAFTA Eliminacin de azufre para utilizarla como carga a reformacin
cataltica.
QUEROSINAS Y
DIESEL
Bajos niveles de azufre para disminuir la contaminacin
ambiental.
DESTILADOS DE
VACO
Reduccin del azufre para preparar cargas a desintegrado
cataltico (FCC) y reducir las emisiones de dixido de azufre.
RESIDUOS Reduccin de azufre en combustibles.
Fuente: Mederos F. (2004), Desarrollo de un modelo dinmico de una planta piloto de
hidrotratamiento. (p. 11).
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3. DATOS
3.1.DATOS EXPERIMENTALES
Tabla 3
Destilacin ASTM D-86 de naftas
% Destilado C, a 760mmHg
PIE 72
5 94
10 98
30 111
50 123
70 137
90 155
95 169
PFE 182
Prdidas 2,2 cm3
Residuo 1 cm3
Tabla 4
Composicin de la corriente Makeup de Hidrgeno
Componente % mol
H2 95,65
CH4 0,94
C2H6 1,14
C3H8 1,12
i-C4H10 0,56
n-C4H10 0,54
i-C5H12 0,03
n- C5H12 0,02
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Tabla 5
Composicin de la corriente Reciclo de Hidrgeno
Componente % mol
H2 92,93
CH4 1,52
C2H6 1,85
C3H8 1,83
i-C4H10 0,91
n-C4H10 0,88
i-C5H12 0,06
n- C5H12 0,02
3.2.DATOS ADICIONALES
Tabla 6
Propiedades de la Nafta en la Alimentacin
Propiedad Valor
Densidad, kg/m3
794,5
Gravedad API 57,3
Contenido de Azufre, ppm 70 - 120
Contenido de Nitrgeno, %V 10 - 20
Contenido de Aromticos, %V 6,00
Contenido de Parafinas, %V 54,00
Contenido de Naftenos, %V 40,00
Fuente: Laboratorio de Control de Calidad, Refinera Estatal de Esmeraldas,
Informe de rutina producto Nafta Pesada.
-
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Tabla 7
Condiciones de Operacin del Reactor de Hidrotratamiento
Condiciones de Operacin Valor
Presin de salida del reactor, kg/cm2 17 20
Temperatura del reactor, C
Entrada 290 340
Salida 290 340
Relacin de gas reciclo (nota 1) 90
Velocidad Espacial LHSV (nota 2) 5
Presin parcial de Hidrgeno, kg/cm2
7
*Nota 1: Expresado en litros de H2 puro por hora en el gas de reciclo para litros de carga fresca, ambos a 15 C y 1 atm.
*Nota 2: Expresado como flujo de carga en m3 a 15 C dividido para la cantidad de catalizador en m
3.
Fuente: Datos de Refinera Estatal de Esmeraldas, Departamento de Seccin Tcnica,
Manual de Operacin Unidad HDT, Volumen Recipientes/Reactor
Tabla 8
Caractersticas de Operacin del Despojador
Caracterstica Valor
Temperatura del domo, C 180 190
Temperatura del fondo, C 260 270
Presin del domo, kg/cm2 14,6
Presin del fondo, kg/cm2 15,0
Temperatura del tambor de reflujo, C 45
Presin del tambor de reflujo, kg/cm2 14,0
Nmero de platos 26
Plato de alimentacin 7
Fuente: Datos de Refinera Estatal de Esmeraldas, Departamento de Seccin Tcnica,
Manual de Operacin Unidad HDT, Volumen Recipientes/Despojador
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Tabla 9
Propiedades del Catalizador HR-306 C
PROPIEDAD VALOR
rea Superficial 210 m2/g
Densidad msica, cargado de golpe 0,67 g/cm3
Densidad msica, cargado denso 0,76 g/ cm3
Volumen del poro 0.5 cm3/g
Resistencia a la compresin msica 1,1 MPa
Duracin del ciclo estimado 2 aos
Vida estimada 6 aos
Fuente: Manual de Operacin Unidad de Hidrotratamiento de Naftas,
Unidad Catalticas II, Seccin Dos, Bases Tcnicas.
Tabla 10
Especificaciones de las bombas
Bombas Corriente Condiciones
de entrada
Condiciones de
salida Potencia, Kw
P1-P1
(A/B)
Nafta desde el
separador
trifsico P1-V5
T = 42C
P = 1,5 kg/cm2
T = 42C
P = 28,2 kg/cm2
87,04*
P1-P2
(A/B)
Efluente de nafta
del separador
P1-V1 hacia los
intercambiadores
de calor P1-E4
(A/B)
T = 45C
P = 17 kg/cm2
T = 45C
P = 18,6 kg/cm2
1,68*
P1-P6
(A/B)
Flujo de agua
hacia el efluente
del reactor P1-R1
T = 45C
P = 5 kg/cm2
T = 45C
P = 20,5 kg/cm2
0,18*
*Fuente: Resultados obtenidos en la simulacin a las condiciones de 23,3 kg/cm2 y 290 C
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Tabla 11
Caractersticas de los intercambiadores de calor
Intercambiador Corrientes Condicin
de entrada
Condicin
de salida
Tipo
Tubo Carcasa
P1-E1
(A/B/C/D/E)
Efluente del
reactor
P1-R1
Alimentacin
de nafta al
reactor P1-R1
T = 45 C
P = 28,2
kg/cm2
T = 250 C
P = 25,5
kg/cm2
AES
P1-E3 Agua de
enfriamiento
Efluente del
aircooler
P1-E2
T = 55 C
P = 18,2
kg/cm2
T = 45 C
P = 18
kg/cm2
AES
P1-E4 (A/B)
Efluente del
despojador
P1-V3
Alimentacin
al despojador
P1-V3
T = 45 C
P = 18,6
kg/cm2
T = 199 C
P = 15,8
kg/cm2
AES
P1-E6 Agua de
enfriamiento
Efluente del
aircooler
P1-E5
T = 55 C
P = 15,3
kg/cm2
T = 45 C
P = 15
kg/cm2
BEU
P1-E7 Agua de
enfriamiento
Efluente de
intercambiador
de calor P1-E4
T = 127,8
C
P = 14,9
kg/cm2
T = 42 C
P = 10
kg/cm2
BEU
Fuente: Datos de Refinera Estatal de Esmeraldas, Departamento de Seccin Tcnica, Manual de Operacin Unidad HDT, Volumen de Equipos de Transferencia de Calor
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- 30 -
Tabla 12
Requisitos para la nafta industrial pesada
REQUISITOS UNIDAD MIN MAX MTODO
Nmero de octano Research RON 50 NTE INEN 2102
Ensayos de destilacin
NTE INEN 926
10% C 60 110
50% C 90 130
90% C 120 170
Punto final C 160 190
Residuo %V 1.0
Presin de vapor Reid kPa -- 34,0 NTE INEN 928
Corrosin a la lmina de cobre -- -- 1 NTE INEN 927
Contenido de gomas mg/100ml -- 2,0 NTE INEN 933
Contenido de azufre %P -- 0,1 NTE INEN 929
Fuente: Calle L. (2004), Qumica y caractersticas del petrleo y productos bsicos, (p. 55).
Tabla 13
Factor de caracterizacin Kuop
NATURALEZA QUMICA Kuop
Parafnica (normal e iso) 13
Mixta o intermedia 12
Naftnica 11
Aromtica 10
Fuente: Calle L. (2004), Qumica y caractersticas del petrleo y productos bsicos, (p. 16).
-
- 31 -
4. DESARROLLO DE LA SIMULACIN
4.1. SIMULACIN DEL PROCESO DE HIDROTRATAMIENTO DE NAFTAS
Para el desarrollo de esta simulacin en Aspen Hysys, se utilizar los
denominados Fluid Pkgs o paquetes termodinmicos de Peng-Robinson (P&R)
y Soave-Redlich-Kwong (SRK), en P&R es necesario primeramente ingresar por
lo general hidrocarburos livianos, agua, gases como sulfuro de hidrgeno y
amonaco, para el proceso que se va a simular, ya que no necesariamente se deben
ingresar estos componentes, esto depender del caso en el que se trabaje, se lo
realiza en la pestaa Components como se indica en la figura 5 que servirn
para caracterizar el corte, con lo cual se obtendr una lista de componentes
hipotticos que representar los constituyentes ms pesados presentes en la
muestra, posteriormente se importar una lista de componentes propia del
simulador con el cual trabaja el reactor de hidrotratamiento en la que interviene el
paquete termodinmico Soave-Redlich-Kwong (SRK).
Figura 5: Simulacin de hidrotratamiento de naftas I
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- 32 -
Seleccionados los paquetes se elige la herramienta Oil Manager tal como se
indica en la figura 5 que permite ingresar datos de ensayos para la caracterizacin
ya sea de petrleo crudo o fracciones en la opcin Assay que se encuentra
dentro de esta herramienta, la informacin que puede ser suministrada depende
del caso, puede ir desde una destilacin TBP que es para petrleo crudo hasta una
ASTM D-86 que corresponde a fracciones como en este caso nafta, viscosidades a
diferentes temperaturas, factor de caracterizacin Kuop, densidad, cabe anotar que
mientras ms datos experimentales se suministre los clculos realizados por
Aspen Hysys sern ms exactos, se visualiza una pantalla como la siguiente.
Figura 6: Simulacin de hidrotratamiento de naftas II
Como se observa en la figura 6 los datos de destilacin ASTM D-86 han sido
ingresados en el Assay, se tendr un mensaje de Assay was not calculated, en
la barra inferior y ser de color amarilla por tanto hacemos click en la pestaa
Calculate para culminar la caracterizacin de la muestra, por lo que el mensaje
final ser Assay was calculated, cabe mencionar que cuando se ejecuta un
proceso o funcin en Hysys se aprecia una barra inferior de coloracin verde con
el mensaje OK para el caso de equipos lo que indica que los datos o
informacin suministrada estn correctos, caso contrario su coloracin ser
amarilla con un mensaje de Not Solved.
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- 33 -
Al hacer click en Cut/Blend de la figura 6, se abre una nueva ventana en la que
se puede observar los componentes hipotticos, como se aprecia en la figura 7.
Figura 7: Simulacin de hidrotratamiento de naftas III
Se selecciona Distribution Plot, la barra de coloracin verde que se muestra en
la figura 8 indica el rango de ebullicin que corresponde a naftas.
Figura 8: Simulacin de hidrotratamiento de naftas IV
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- 34 -
La caracterizacin del corte est finalizado, se escoge la opcin Return to Basis
Enviroment y luego Enter Simulation Enviroment para el inicio de la
simulacin, cuya pantalla se visualiza en la figura 9.
Figura 9: Simulacin de hidrotratamiento de naftas V
A partir de la figura anterior en la paleta de operaciones unitarias las flechas de
coloracin azul indican flujos de materia, mientras que las rojas son corrientes de
energa, los equipos se agregan haciendo click sobre el cono del mismo y
arrastrndolo al entorno de la simulacin, mientras que el reactor de
hidrotratamiento se lo realiza mediante otra paleta de operaciones especiales y se
accede a ella mediante F6.
En la figura 10, se tiene un separador trifsico, en el cual se eliminan residuos
gaseosos y lquidos que pudiesen existir antes de ingresar al proceso de bombeo y
calentamiento de nafta, previo al proceso de hidrotratamiento, como se aprecia
cuando un equipo est correctamente especificado aparece el mensaje OK en la
barra inferior verde.
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- 35 -
Figura 10: Simulacin de hidrotratamiento de naftas VI
La corriente de nafta es bombeada para ser mezclada con una corriente de
hidrgeno, para caracterizar la bomba se necesita que la corriente de entrada est
debidamente especificada, en la corriente de salida nicamente es necesario
conocer la presin a la que se desea llegar, Hysys calcula la potencia necesaria
para efectuar dicho trabajo.
Figura 11: Simulacin de hidrotratamiento de naftas VII
-
- 36 -
La carga de nafta se mezcla con hidrgeno, el mismo que tiene una pureza de
alrededor del 92% en peso que es el que promueve las reacciones de
hidrotratamiento, pero antes se realiza la conversin al paquete termodinmico
SRK.
Figura 12: Simulacin de hidrotratamiento de naftas VIII
El calentamiento de la nafta se lo realiza en un tren de intercambiadores de calor
de carga/efluente del reactor, la misma que ingresa por la carcasa y el efluente por
el interior de los tubos, al salir del tren la temperatura ser de unos 250 C a 260
C aproximadamente, para llegar a las condiciones de reaccin (290 C al inicio
del ciclo del catalizador) es necesario calentar an ms la carga en un horno que
emplea gas oil como medio energtico, Hysys calcula la cantidad de energa
necesaria para llegar a esta condicin, por tanto en el desarrollo de este trabajo no
se cuantific el consumo de combustible que se emplea en este proceso.
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- 37 -
Figura 13: Simulacin de hidrotratamiento de naftas IX
Continuando con la simulacin se ingresa la corriente al reactor de
hidrotratamiento, en el que es necesario introducir datos como la densidad del
catalizador, cantidad de catalizador empleado, el dimetro del rector, cabe
mencionar que la altura del reactor lo calcula Hysys dependiendo el dimetro que
tenga este, para nuestro caso el reactor es adiabtico ya que consta de un solo
lecho de catalizador, por cuanto no es necesario colocar corrientes de enfriamiento
quench que se lo realiza mediante hidrgeno, esto en reactores de dos o ms
lechos catalticos, cuya misin es controlar la temperatura a lo largo del reactor
por cuanto las reacciones de hidrotratamiento son exotrmicas, y a su vez prevenir
problemas de crackeamiento, en este caso se menciona que es adiabtico ya que
la cantidad procesada en la refinera no es suficientemente grande como en el
caso de otras unidades de refinacin, adems el contenido de contaminantes no es
alto y por tanto no requiere que las condiciones de operacin no sean tan severas.
A continuacin en la figura 14, se aprecia la eliminacin del azufre a lo largo del
reactor manteniendo constante su temperatura, y a su vez la cada de presin es
baja.
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- 38 -
Figura 14: Simulacin de hidrotratamiento de naftas X
En el reactor se producen las reacciones de hidrodesulfuracin e
hidrodenitrogenacin de la nafta, no se considera la hidrodemetalizacin por
cuanto los metales tienden a concentrarse en las fracciones ms pesadas como
asfaltenos, la temperatura se mantiene en trminos constantes y la cada de presin
del mismo es mnima por lo que se puede aseverar que efectivamente se trata de
un reactor que trabaja a condiciones adiabticas, es posible modificar las
condiciones de operacin llegando a obtenerse un alto porcentaje de remocin de
azufre, pero lo que no se toma en consideracin es el grado de desactivacin del
catalizador dentro del reactor.
El efluente del reactor es enviado al tren de intercambiadores para enfriarse hasta
una temperatura de 110 C para luego ser mezclado nuevamente con una corriente
de hidrgeno de reposicin (Makeup), la misma que es responsable de mantener
la pureza del hidrgeno de reciclo en el circuito, luego de esto se inyecta agua para
disolver cualquier sal de sulfuro y amonaco que puede precipitar a temperaturas
bajas, puesto que se necesita enfriar esta corriente antes de enviarla a un separador
trifsico. En la figura 15, se observa la adicin del hidrgeno de reposicin al igual
que el agua.
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- 39 -
Figura 15: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XI
El enfriamiento del efluente procedente del tren de intercambiadores de calor se lo
efecta primeramente con aircoolers hasta alcanzar una temperatura de 55 C para
luego alimentarlo a un cooler que emplea agua para descender hasta los 45 C, antes
del ingreso al separador trifsico.
Figura 16: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XII
-
- 40 -
En el separador se eliminan gases, los mismos que una parte se destina a la unidad
de tratamiento de aminas cuya cantidad no es representativa y la otra al reciclo de
hidrgeno para el proceso de hidrotratamiento, el agua igualmente al salir del
separador se divide en dos corrientes una de las cuales se destina al reciclo y la otra
a la unidad de tratamiento de aguas amargas.
Figura 17: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIII
La corriente de nafta procedente del separador se destina ahora a la etapa de
fraccionamiento, pero previo a esto debe ser bombeada y enviada a un nuevo
proceso de calentamiento en intercambiadores de calor, cuya fuente de energa es
la corriente de fondos procedentes del despojador, la nafta para entrar al
despojador debe tener una temperatura de 200 C aproximadamente.
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- 41 -
Figura 18: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIV
A continuacin en la figura 19, se aprecia el inicio de la especificacin del
despojador, el mismo que cuenta con 26 platos, cuyo plato de alimentacin es el
nmero 7, se coloca la corriente entrada y corrientes de productos, as como
tambin las corrientes de energa procedentes del condensador y reboiler.
Figura 19: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XV
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- 42 -
Luego de especificar el nombre de las corrientes de masa y energa se tiene una
nueva ventana, en la que se especifica la presin en el condensador y reboiler,
cuyos datos deben ser necesariamente ingresados caso contrario no se puede
continuar para la especificacin de la columna
Figura 20: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVI
En la figura 21 se especifica un cuadro de dilogo que indica la relacin de reflujo
y el tipo que puede ser molar o msico, y la velocidad de salida de los gases desde
el domo del despojador, estos datos pueden o no ser ingresados. Luego de esto se
hace click en la pestaa Done, para salir al entorno de la columna.
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- 43 -
Figura 21: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVII
En la figura 22 se aprecia que la columna no se encuentra convergida por lo que
es necesario suministrar mayor informacin para especificarla y esto se lo hace
con los mencionados grados de libertad que posee el equipo, por tanto se
selecciona la opcin Monitor, que se encuentra en el submen de la pestaa
Design.
Figura 22: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XVIII
-
- 44 -
Como se aprecia en la figura 23 los grados de libertad que se necesitan para
especificar la columna son dos, que se puede elegir por conveniencia dependiendo
de la informacin que se disponga, se activan las celdas en las que se ingresaron
los datos que se encuentran al extremo izquierdo y se hace click en el botn
Run.
Figura 23: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XIX
La columna se encuentra especificada conforme lo seala la figura 24 en la que
como en todos los casos se muestra la barra de color verde con el mensaje
Converged, es posible ingresar al entorno de la columna para visualizar de
mejor manera como est conformada, para esto se selecciona el botn Column
Enviroment.
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- 45 -
Figura 24: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XX
As es como se observa a la columna en su entorno, en esta no es posible agregar
equipos adicionales como bombas, hornos, etc. Por tanto se tiene el problema de
no poder especificar la bomba para el reflujo que procede del condensador hacia
la columna, equipos de enfriamiento como aircoolers y coolers que se emplean
antes de ingresar la corriente del domo hacia el condensador, adems se tiene el
caso que los fondos van en su totalidad hacia el reboiler, situacin que no es la
que se presenta en la Refinera Estatal de Esmeraldas ya que estos se dividen
previamente en dos corrientes y solo una de ellas se destina hacia el horno para su
calentamiento y posterior alimentacin hacia el fondo de la torre, por lo que la
corriente Fondos que se aprecia en la figura 25 sale a una temperatura ms alta
que la que se obtiene en la refinera, pero cuyo aumento no representa un
problema para continuar con la simulacin.
A lo que respecta a las condiciones de las corrientes de salida en el condensador,
estas presentan ciertas similitudes con las que se obtienen en la planta de
refinacin.
-
- 46 -
Figura 25: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXI
La corriente de fondos de la torre se destina como se mencion anteriormente al
calentamiento de la alimentacin de la nafta en un tren de intercambiadores de
calor, la corriente de salida de este proceso ya se considera que es una nafta que
rene las caractersticas necesarias para su almacenamiento o posterior envo al
proceso de Reformado Cataltico.
Figura 26: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXII
-
- 47 -
La nafta hidrotratada se divide ahora en dos corrientes, una de las cuales se
somete a un enfriamiento para destinarse a almacenamiento, mientras que la otra
con una temperatura ms alta sirve de alimentacin para el proceso de Reformado
Cataltico que es corriente debajo de este proceso, cuya simulacin observamos ya
culminada en la figura 27.
Figura 27: Simulacin de hidrotratamiento de naftas XXIII
-
- 48 -
5. CLCULOS Y RESULTADOS
5.1. CLCULOS
5.1.1. Factor de Caracterizacin Kuop
Se parte de la siguiente expresin:
d
TKuop
v3
Ec. 5.1
Donde:
Kuop: Factor de caracterizacin
Tv: Punto de ebullicin promedio ponderado (R)
d: Densidad relativa (60/60)F
Para el clculo del punto de ebullicin promedio ponderado se emplea la siguiente
ecuacin:
StT vv Ec. 5.2
Donde:
tv: Punto de ebullicin promedio volumtrico
S: Pendiente
En la evaluacin del punto de ebullicin promedio volumtrico, se emplean las
temperaturas que se obtienen al destilarse el 10%, 50% y 90% en volumen de
destilado, mediante el ensayo ASTM D-86, y se emplea la siguiente expresin:
4
2 905010 ttttv
Ec. 5.3
-
- 49 -
4
)155123*298( Ctv
C 124,75vt
Para el clculo de la temperatura de correccin, se hace uso de los grficos de
Maxwell para evaluar la pendiente en la que se utilizan las temperaturas cuando se
recupera el 10% y 70% en volumen de destilado, se emplea la siguiente ecuacin:
60
1070 ttS
Ec. 5.4
V
CS
%60
)98137(
VCS %/65,0
A partir de tv y S se interpolan en los grficos propuestos por Maxwell. (Anexo
A), y se obtiene un valor que se aade o disminuye a tv, de acuerdo al signo, en lo
que se constituye el punto de ebullicin promedio ponderado (Tv). A partir del
anexo A se obtiene un valor de 4 C, que al reemplazarlo en la ecuacin 5.2 se
tiene lo siguiente:
475,124 vT
CTv 75,120
El valor de Tv se encuentra en grados Centgrados, por tanto realizando la
conversin correspondiente a grados Ranking se obtiene que es igual a 676,35 R,
reemplazando en la ecuacin 5.1 se obtiene:
-
- 50 -
7495,0
35,6763Kuop
71,11Kuop
5.1.2. Densidad API
Para el clculo de la densidad API se utiliza la siguiente expresin, donde d es
la densidad relativa (60/60) F:
5,1315,141
dAPI Ec. 5.5
5,1317495,0
5,141API
29,57API
5.1.3. Alimentacin de nafta
En la unidad se procesan alrededor de 13000 barriles de nafta al da, por tanto
para mejor manejo en el simulador se utiliza el flujo en velocidad msica.
hkg 64538,50
24
1*5.749*
1000
1*
1
785,3*
1
42*13000
3
3
h
da
m
kg
l
m
gal
l
bbl
gal
da
bbl
Por tanto para fines de aproximacin se usar un flujo de nafta de 64540 kg/h en
la alimentacin.
5.1.4. Velocidad Espacial
El reactor de hidrotratamiento se encuentra cargado con 17,3 m3 de catalizador
HR 306C, cuya densidad es de 760 kg/m3, por tanto la carga en peso es de 13072
kg. Por tanto reemplazando en la ecuacin 2.8 se obtiene:
-
- 51 -
kgh
kg
*13072
64540
194,4 h
5.1.5. Influencia de variables
Culminada la simulacin, Hysys permite manipular las condiciones de operacin
del proceso, se realizar un estudio de la influencia al variar la temperatura,
presin de operacin, manteniendo constantes la alimentacin de nafta e
hidrgeno de reciclo, establecidas las mejores condiciones de trabajo se
determinar la relacin H2/HC que se ajuste para obtener un producto que cumpla
con los requerimientos para el posterior tratamiento y/o almacenamiento.
5.1.5.1. Temperatura
Respecto a la longitud del reactor
La tabla 14, indica la conversin de azufre a lo largo del reactor a una presin de
operacin de 23,3 kg/cm2.
Tabla 14
Conversin de azufre a presin constante
LONGITUD DEL
REACTOR,
m
TEMPERATURA C
290 300 310 320
AZUFRE, ppm
0,0000 71,973 71,973 71,973 71,973
1,1368 18,729 18,327 17,945 17,582
2,2736 0,620 0,376 0,250 0,186
3,0314 0,323 0,227 0,140 0,062
3,7893 0,143 0,114 0,089 0,069
4,2630 0,087 0,070 0,056 0,045
4,7366 0,052 0,043 0,035 0,029
-
- 52 -
En el grfico 3, se aprecia la conversin del contenido de azufre a lo largo del
reactor, a diferentes temperaturas manteniendo constantes la presin, flujo de
nafta e hidrgeno.
Grfico 3: Longitud del reactor vs. Contenido de azufre a P = cte.
Flujo de azufre a la salida del reactor
La tabla 15, indica el flujo msico de azufre a la salida del reactor que se obtiene a
diferentes presiones de operacin que se encuentran a la entrada del mismo.
Tabla 15
Flujo de azufre a diferentes presiones
PRESIN,
kg/cm2
TEMPERATURA, C
290 300 310 320 330
AZUFRE, kg/h
23 0,0082 0,0064 0,0050 0,0038 0,0028
23,3 0,0061 0,0047 0,0035 0,0025 0,0017
24 0,0027 0,0018 0,0011 0,0005 0,0001
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
S, p
pm
Longitud reactor, m
Longitud del reactor vs. Conversin de azufre a P = cte
290 C 300 C 310 C 320 C
-
- 53 -
El grfico 4, se observa la tendencia de la disminucin del flujo de azufre a
medida que aumenta de la temperatura, cuyas presiones se mantienen constantes.
Grfico 4: Temperatura vs. Flujo de azufre
Flujo de H2S a la salida del reactor
La tabla 16, indica el flujo de H2S que se forma en el reactor, debido a las
reacciones de hidrodesulfuracin obtenidas a diferentes presiones.
Tabla 16
Formacin de H2S a la salida del reactor a diferentes presiones
PRESIN,
kg/cm2
TEMPERATURA, C
290 300 310 320 330
H2S, kg/h
23 5,0295 5,0303 5,0309 5,0315 5,0319
23,3 5,0304 5,0310 5,0316 5,0320 5,0324
24 5,0319 5,0323 5,0327 5,0329 5,0331
0,0000
0,0020
0,0040
0,0060
0,0080
0,0100
290 295 300 305 310 315 320 325 330
S, k
g/h
Temperatura, C
Temperatura vs. Flujo de azufre
23 kg/cm2 23,3 kg/cm2 24 kg/cm2
-
- 54 -
El grfico 5, se observa la tendencia del aumento del flujo de H2S a medida que
aumenta de la temperatura, cuyas presiones se mantienen constantes.
Grfico 5: Temperatura vs. Flujo de H2S
Contenido final de azufre
El anlisis realizado anteriormente se refiere solo al reactor, por tanto se efectuar
un estudio ms detallado de cmo influye la temperatura de reaccin en el
contenido final de azufre obtenido a la salida del despojador en el producto ya
hidrotratado, y ms adelante establecer su influencia mediante un anlisis de
elasticidad.
Se procedi a variar la temperatura en la corriente de entrada al reactor en la
simulacin dentro del rango de operacin de 270C a 330C, manteniendo
constantes las variables de presin, flujo de nafta y gas de reciclo.
Los resultados productos de la simulacin se indican en la tabla 17, indican el
contenido de azufre a la salida del despojador en la corriente del producto
hidrotratado a diferentes presiones.
5,0290
5,0300
5,0310
5,0320
5,0330
5,0340
290 300 310 320 330
H2S
, kg/
h
Temperatura, C
Temperatura vs. Flujo de H2S
23 kg/cm2 23,3 kg/cm2 24 kg/cm2
-
- 55 -
Tabla 17
Contenido de azufre final a diferentes presiones
TEMPERATURA,
C
PRESIN, kg/cm2
23 23,3 24
AZUFRE, ppm
270 0,1221 0,1088 0,0853
280 0,1102 0,0985 0,0787
290 0,1000 0,0898 0,0730
295 0,0955 0,0864 0,0707
300 0,0915 0,0829 0,0686
310 0,0843 0,0768 0,0647
320 0,0784 0,0721 0,0632
325 0,0758 0,0698 0,0627
330 0,0734 0,0680 0,0623
En el grfico 6 se indica la variacin de la temperatura en funcin del contenido
de azufre a la salida del despojador a diferentes presiones, lo que constituye el
producto hidrotratado al final de este proceso.
Grfico 6: Temperatura vs. Contenido de azufre final
S = 6E-06t2 - 0,0043t + 0,8597R = 1
S = 5E-06t2 - 0,0037t + 0,7309R = 0,9998
S= 7E-06t2 - 0,0046t + 0,8127R = 0,997
0,0600
0,0700
0,0800
0,0900
0,1000
0,1100
290 295 300 305 310 315 320 325 330
S, p
pm
Temperatura, C
Temperatura vs. Contenido final de azufre
23 kg/cm2 23,3 kg/cm2 24 kg/cm2
-
- 56 -
5.1.5.2. Presin.
Respecto a la longitud del reactor
Los resultados que se ilustran en la tabla 18, indican la conversin del contenido
de azufre, a lo largo del reactor a una temperatura de 290 C.
Tabla 18
Conversin de azufre a temperatura constante
LONGITUD
DEL REACTOR,
m
PRESIN, kg/cm2
23 23,3 24
AZUFRE, ppm
0,0000 71,973 71,973 71,973
1,1368 19,201 18,729 17,680
2,2736 0,915 0,620 0,283
3,0314 0,444 0,323 0,083
3,7893 0,182 0,143 0,074
4,2630 0,110 0,087 0,048
4,7366 0,065 0,052 0,030
En el grfico 7, se indica la variacin de la longitud del reactor en funcin de la
conversin de azufre a la salida del reactor a diferentes presiones, manteniendo la
temperatura constante.
-
- 57 -
Grfico 7: Longitud del reactor vs. Contenido de azufre a T = cte.
Flujo de azufre a la salida del reactor
La tabla 19, indica el contenido de azufre a diferentes presiones en la salida del
reactor.
Tabla 19
Conversin de azufre a diferentes temperaturas
TEMPERATURA,
C
PRESIN, kg/cm2
23 23,3 24
AZUFRE, ppm
290 0,0082 0,0061 0,0027
300 0,0064 0,0047 0,0018
310 0,0050 0,0035 0,0011
320 0,0038 0,0025 0,0005
330 0,0028 0,0017 0,0001
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
S, p
pm
Longitud reactor,m
Longitud del reactor vs. Contenido de azufre a T = cte
23 kg/cm2 23,3 kg/cm2 24 kg/cm2
-
- 58 -
En el grfico 8, se tiene la representacin grfica de la presin en funcin del flujo
de azufre a la salida del reactor a diferentes temperaturas.
Grfico 8: Presin vs. Flujo de azufre
Flujo de H2S a la salida del reactor
Los resultados que se ilustran en la tabla 20, indican el flujo de H2S formado por
las reacciones de hidrodesulfuracin a diferentes temperaturas.
Tabla 20
Flujo de H2S a la salida del reactor a diferentes temperaturas
TEMPERATURA,
C
PRESIN, kg/cm2
23 23,3 24
H2S, kg/h
290 5,0295 5,0304 5,0319
300 5,0303 5,0310 5,0323
310 5,0309 5,0316 5,0327
320 5,0315 5,0320 5,0329
330 5,0319 5,0324 5,0331
0,0000
0,0020
0,0040
0,0060
0,0080
0,0100
22,8 23 23,2 23,4 23,6 23,8 24 24,2
S, k
g/h
Presin, kg/cm2
Presin vs. Flujo de azufre
290 C 300 C 310 C 320 C 330 C
-
- 59 -
En el grfico 9, se indica la variacin de la presin con respecto al flujo de H2S
formado por las reacciones de hidrodesulfuracin a la salida del reactor a
diferentes temperaturas.
Grfico 9: Presin vs. Flujo de H2S
Contenido final de azufre
El anlisis realizado anteriormente se refiere solo al reactor, por tanto se efectuar
un estudio ms detallado de cmo influye la presin de operacin en el contenido
final de azufre obtenido a la salida del despojador en el producto ya hidrotratado,
y ms adelante establecer su influencia mediante un anlisis de elasticidad.
Se procedi a variar la presin en la corriente de entrada al reactor en la
simulacin dentro del rango de operacin de 22,8 kg/cm2 a 24,4 kg/cm
2,
manteniendo constantes las variables de temperatura de reaccin, flujo de nafta y
gas de reciclo.
Los resultados productos de la simulacin se indican en la tabla 21, indican el
c