UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA Y TEXTIL

Escuela Profesional de Ingeniera Qumica

Laboratorio de Instrumentos de Control

PI 415 B

Trabajo MonogrficoINSTRUMENTACION DE UNA REFINERIA DE PETROLEOProfesora: Ing. Magali Vivas Cuellar

GRUPO ABravo Len, ngel Orlando

20112102DCadenas Vsquez, Walter Jess

20110388HFlores Estrada, Fabrizio Alexander

20114049C

Flores Gil, Kevin Andrei

20112140CSoto Moreno, Miguel Eduardo

20114003CLima, 16/06/2015

Contenido

PginaiiiRESUMEN

ivINTRODUCCIN

11.Fundamento terico

122.Objetivos

123.Metodologa

4.Resultados13165.Discusin de Resultados

176.Conclusiones

187.Bibliografa

188.Apndice

188.1.Diagramas del Proceso

RESUMEN

RESUMEN

En la instrumentacin de la refinera en las reas de destilacin atmosfrica y destilacin a vaco obtuvimos buenos resultados, debido a que se realiz una total instrumentacin del proceso de la refinacin del crudo, para ello se sigui paso a paso el uso de las estrategias de control; con la informacin brindada de la descripcin del proceso y de las variables a analizar y a controlar. Gracias al conocimiento brindado en el curso de Instrumentos de Control los conceptos de variable controlada y variable manipulada se tienen claros, realizndose una adecuada instrumentacin. De acuerdo a los resultados se realizaron diecinueve estrategias de control de las cuales nueve son de control por retroalimentacin, cuatro son de control de cascada, dos de control de accin adelantada, dos de control de relacin, uno de control de rango compartido y finalmente uno de control de punto final.Estas estrategias se escogieron de manera selectiva, por ende se analizaron todas las variables presentes en la refinera, es decir que variables estn sujetos a cambios y se necesita controlar.

ABSTRACTIn the implementation of the refinery in the areas of atmospheric distillation and vacuum distillation, we obtained good results, because a full implementation of the process of refining crude was conducted for the step it is followed by step using control strategies; with the information provided in the description of the process and the variables to analyze and control. Thanks to the knowledge provided in the course of Control Instruments concepts of controlled variable and manipulated variable have clear, performing adequate instrumentation. According to the results nineteen control strategies which nine are feedback control, four are waterfall control, two action of feed forward control, two ratio control, one on split range control and finally the last one made one endpoint control.

These strategies were chosen selectively, thus all variables were analyzed in the refinery, if variables that are subject to change and control is needed.

INTRODUCCIN

El petrleo tiene una importancia fundamental en la vida moderna, particularmente para el funcionamiento de la economa peruana que se caracteriza por el uso intensivo de este recurso. Ello determina crecientes importaciones pues la produccin interna no abastece los requerimientos de la demanda local. Ms del 68% de la energa comercial que se utiliza en nuestro pas tiene su fuente en el petrleo y derivados.

As que en el mbito de la refinacin, actividad de transformacin que aade valor agregado, que consiste en la conversin del crudo en derivados se debe tener presente las siguientes unidades refineras:

Refinera La Pampilla, ubicada en la ciudad de Lima, se caracteriza por tener una capacidad de tratamiento de 102 000 barriles diarios de petrleo, es la refinera ms importante que existe en nuestro pas. Fue privatizada el 11 de junio de 1996 cuando se concluy el proceso de subasta del 60% de acciones de esta refinera ex unidad de Petroper.

Refinera de Talara, ubicada en la ciudad del mismo nombre, en el noroeste del Per. Es una refinera mediana que todava no ha sido privatizada y pertenece a la Actividad Empresarial del Estado, Petroper S.A., esta unidad tiene una capacidad de refinacin diaria de 62 000 barriles diarios de petrleo, operando en la prctica al 100% de su capacidad para poder satisfacer el mercado interno.

Esta unidad refinera en la prctica opera como reguladora de los precios de los combustibles a nivel interno; es la principal pro-ductora de la gasolina de 84 octanos, de 90 octanos, gas licuado de petrleo y kerosene. En 1997 sus ventas fueron del orden de los US$ 700 millones de dlares con una utilidad neta de US$ 119 millones. Por estas razones y su contribucin fiscal, el gobierno ha postergado su privatizacin.

Ahora la Instrumentacin y Control de Procesos Industriales es un campo de la ingeniera en el que la integracin de tecnologas se enfoca en la optimizacin de procesos que el sector productivo requiera. Para lograr su objetivo, la Instrumentacin y Control de Procesos Industriales se soporta en ramas de laingeniera como laAutomatizacin de Procesos, Sistemas de Control, Telemetra y Seguridad de Procesos.

La Instrumentacin y Control de Procesos Industriales tiene como propsito fundamental el anlisis, diseo y automatizacin de procesos en diversos sectores de la industria tales como GeneracinElctrica, Alimenticia, Hidrocarburos, Petroqumica, Pulpa y Papel.

La importancia de la Instrumentacin y Control de Procesos Industriales se ha incrementado con la necesidadde ofrecer soluciones de optimizacin de procesos productivos con la capacidad garantizar la confiabilidad de los mismos.TECNICONTROL, consciente de la necesidad de la industria de cumplir con estos objetivos, contribuye desde el rea de Instrumentacin y Control de Procesos Industriales prestando servicios como: Seguridad Funcional.

Ingeniera Bsica, de Detalle y Conceptual.

Pre-comisionamiento y Comisionamiento.

QA/QC (Aseguramiento y Control de calidad)

Auditoras Respecto a Normas.

Gestin de Repuestos y Anlisis de Obsolescencia.

Calibracin y Certificacin de Sistemas de Transferencia en Custodia.

Anlisis de Criticidad y Planeacin de Mantenimiento.

Diagnstico de Instrumentacin de Campo y Vlvulas de Control.

En el presente trabajo mostramos la destilacin atmosfrica y la destilacin a vaco para la extraccin de los hidrocarburos presentes en el crudo de una refinera, donde brindamos la informacin del proceso y de las condiciones de operacin. Se realiz una instrumentacin de la refinera usando las estrategias de control para optimizar mejor el proceso con un mejor control de las variables de proceso y de las variables manipuladas.

Trabajo Monogrfico:

INSTRUMENTACION DE UNA REFINERIA DE PETROLEO1. Fundamento tericoDESTILACIN ATMOSFRICA Y DESTILACIN AL VACOEl objetivo es extraer los hidrocarburos presentes en el crudo por destilacin, sin afectar la estructura molecular de los componentes. En las Unidades de Destilacin Primaria (Topping), el objetivo es obtener combustibles terminados y cortes de hidrocarburos que sern procesados en otras unidades, para convertirlos en combustibles ms valiosos.

En las Unidades de Vaco, solo se produce cortes intermedios que son cargas a unidades de conversin, las cuales son transformadas en productos de mayor valor y de fcil comercializacin.

El crudo antes de ser fraccionado, debe ser acondicionado y preparado debidamente para lograr una operacin eficiente. La primera etapa se lleva a cabo en los tanques de recepcin. El petrleo que se recibe en las Refineras, contiene impurezas que son perjudiciales para los equipos y procesos.Las impurezas que trae el petrleo crudo son: Sales, fundamentalmente cloruros de sodio, calcio y magnesio, presente en el agua de formacin del crudo. xidos de hierro, productos de la corrosin de los equipos y medios de transporte. Arcilla, arena, slidos en general, provenientes de la formacin productora. Compuestos rgano metlicos, que afectan los catalizadores de unidades de conversin, desactivndolos. Cristales de sal u xidos en suspensin.

Para evitar o minimizar los efectos perniciosos de estas impurezas se realizan fundamentalmente tres tratamientos: Decantacin en Tanques. Desalado. Inyeccin de Hidrxido de Sodio.

Fundamentos del Proceso de DestilacinLa destilacin del crudo, se basa en la transferencia de masa entre las fases liquido-vapor de una mezcla de hidrocarburos. La destilacin permite la separacin de los componentes de una mezcla de hidrocarburos en funcin de sus temperaturas de ebullicin.

Para que se produzca la "separacin o fraccionamiento" de los cortes, se debe alcanzar el equilibrio entre las fases lquido-vapor, ya que de esta manera los componentes ms livianos o de menor peso molecular se concentran en la fase vapor y por el contrario los de mayor peso molecular predominan en la fase liquida, en definitiva se aprovecha las diferencias de volatilidad de los hidrocarburos.

El equilibrio lquido-vapor, depende principalmente de los parmetros termodinmicos, presin y temperatura del sistema. Las unidades se disean para que se produzcan estos equilibrios en forma controlada y durante el tiempo necesario para obtener los combustibles en especificacin.El proceso consiste en vaporizar los hidrocarburos del crudo y luego condensarlos en cortes definidos. Lo que se logra modificando la temperatura a lo largo de la columna fraccionadora. La vaporizacin o fase vapor se produce en el horno y en la zona de carga de la columna fraccionadora. En el Horno se transfiere la energa trmica necesaria para producir el cambio de fase y en la Zona de Carga (zona flash) se disminuye la presin del sistema, producindose el flash de la carga, obtenindose la vaporizacin definitiva.

La fase liquida se logra con reflujos de hidrocarburos que son retornados a la torre. Estos reflujos son corrientes lquidas que se enfran por intercambio de calor (ceden energa trmica) con crudo o fluidos refrigerantes. La funcin principal de estos, es eliminar o disipar en forma controlada la energa cedida en el horno. De esta manera se enfra y condensa la carga vaporizada, en cortes o fracciones de hidrocarburos especficas, obtenindose los combustibles correspondientes.La columna posee bandejas o platos donde se produce el equilibrio entre los vapores que ascienden y los lquidos descendentes. En puntos o alturas exactamente calculadas existen platos colectores, donde se extraen los combustibles destilados.

La diferencia fundamental entre las unidades de Topping y Vaco es la presin de trabajo.

El Topping o Destilacin Primaria opera con presiones tpicas de 1 kg/cm2 (manomtrica), mientras que en el Vaco trabaja con presiones absolutas de 20 milmetros de mercurio (mm Hg). Esto permite destilar hidrocarburos de alto peso molecular que se descompondran o craquearan trmicamente, si las condiciones operativas normales del Topping fuesen sobrepasadas.Variables del ProcesoLos parmetros termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y presin del sistema, por tal motivo se considera como variables del proceso todas aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido. Temperatura de transferencia.- Esta es la mxima temperatura a la que se eleva el crudo para vaporizarlo, el rendimiento en destilados depende de esta variable. Presin de trabajo.- Es la presin a la cual se produce la operacin. Si bien afecta directamente el equilibrio liquido-vapor, generalmente se trabaja a la menor presin posible, y por ende no se varia frecuentemente. Temperatura de cabeza.- Es la temperatura en la zona superior de la columna fraccionadora, se controla con el reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fra que genera la corriente de lquidos que se contactan con los vapores, producindose los equilibrios liquido-vapor. Temperatura del corte.- Es la temperatura a la cual se realiza la extraccin lateral de un combustible. Esta temperatura es controlada con el volumen extrado, con el reflujo de cabeza y reflujos circulantes. Estos ltimos tienen un efecto semejante que el reflujo de cabeza y adems precalientan el crudo, recuperando energa. Inyeccin de vapor.- El vapor de agua (o incondensable) disminuye la presin parcial de los hidrocarburos, estableciendo nuevos equilibrios vapor-lquidos, favoreciendo la vaporizacin de los componentes ms voltiles.

La inyeccin de vapor se aplica en la columna fraccionadora principal (por el fondo de la columna), como en los despojadores (strippers) de los cortes laterales.Economa AsociadaAlgunos de los combustibles de la destilacin atmosfrica se comercializan directamente ya que tienen la calidad de combustibles para despacho. Pero la ventaja econmica ms importante, es que se obtienen cortes de hidrocarburos que son carga de unidades de conversin, que las transforman en productos ms valiosos.

En las unidades de Topping, se obtienen los siguientes productos finales y cargas de otros procesos. Nafta liviana, se enva como carga a isomerizacin donde se mejora el RON y MON. Nafta pesada, se enva como carga a Hidrotratamiento de naftas-Platforming, donde se mejora el RON. Kerosene, se enva a tanque de despacho. Gas Ol liviano, se enva a tanque de despacho. Gas Ol pesado, se enva como carga a lsomax, convirtindolo en Gas Ol y JP o a las unidades de Cracking Cataltico Fluido.

En las unidades de Vaco, solo se obtienen cargas para unidades de conversin. Gas Ol liviano de Vaco (LVGO), se enva como carga a lsomax, se obtiene gas ol, JP, naftas carga de Hidrotratamiento de naftas e isomerizacin y propano-butano. Tambin se puede enviar al Blending de Diesel. Gas ol pesado de Vaco (HVGO), se enva a las unidades de Cracking Cataltico Fluido, donde se obtienen nafta de alto RON, propano carga petroqumica o despacho, butano carga a MTBE- alquilacin, gases combustibles, diesel carga a Hidrotratamiento de Diesel que lo convierte en gas ol. Asfalto, se enva a las unidades de craqueo trmico y se convierte en naftas carga de Hidrotratamiento de naftas, diesel ol carga de Hidrotratamiento de Diesel, gas ol pesado de coke que es carga de las unidades de Cracking Cataltico Fluido, carbn, propano-butano y gases combustibles.

El impacto econmico de estas unidades se ve reflejado en el lucro cesante que se origina cuando estas unidades no operan, estas unidades tienen el mayor impacto en las refineras.DESTILACIN ATMOSFRICAFraccionamiento de CrudoEl primer proceso que se le practica al petrleo crudo en las Refineras, es la destilacin conservativa del mismo, esta operacin consiste en la extraccin de todos aquellos hidrocarburos que pueden ser obtenidos por destilacin, sin afectar su estructura molecular.

La destilacin o fraccionamiento del crudo permite separarlo en cortes o combustibles determinados.

El principio fsico en el que se basa el proceso es la diferencia de volatilidad de los componentes, por tal motivo en la columna de destilacin o fraccionadora se adecuan las condiciones termodinmicas para obtener o "condensar" los combustibles en especificacin.

El fraccionamiento del crudo se completa en dos etapas, en primer lugar se procesa en unidades de destilacin atmosfrica o Topping, donde la presin de trabajo es tpicamente 1 kg/cm2, en segundo lugar se completa la destilacin de los fondos provenientes de la destilacin primaria en una unidad de destilacin a vaco.Los combustibles obtenidos por este fraccionamiento son enviados a tanques de despacho o como carga de otras unidades que completan su refinado.

Gran parte del crudo procesado en los Topping no se vaporiza, ya que para lograrlo sera necesario elevar la temperatura de trabajo por sobre el umbral de descomposicin trmica.

Por lo explicado en el prrafo anterior, este residuo atmosfrico, denominado crudo reducido, se bombea a la unidad de Vaco, donde se baja la presin a 20 mm Hg (lo que permite destilarlo sin necesidad de elevar la temperatura por encima del lmite de descomposicin de la estructura molecular por efecto trmico). Desalado de CrudoEl propsito de este proceso, es eliminar las sales e impurezas que contienen los petrleos crudos, carga a las unidades de Topping.

Los slidos en suspensin y las sales disueltas en muy pequeas gotas de agua, dispersas en el seno del petrleo son extrados en los desaladores ya que es imprctico y antieconmico decantarlas y eliminarlas por gravedad en los tanques de almacenamiento.

Bsicamente el proceso de desalacin consiste en precalentar el crudo para disminuir la viscosidad, inyectar agua de lavado (exenta de sales), producir una mezcla intima entre ambos, contactarla con el agua residual del crudo y posteriormente separar el agua contendiendo la mayor proporcin de impurezas. Se logra disolucin de las sales presentes en el crudo, generndose pequeos electrolitos (gotas), sensibles a las variaciones de un campo elctrico. Para lograr la mezcla se usan vlvulas emulsificadoras o mezcladores estticos. Posteriormente se le enva a un acumulador donde se hace fluir la corriente uniformemente a travs de un campo elctrico de alto voltaje (20.000 V), generado por pares de electrodos.

Las fuerzas elctricas dentro del campo provocan que las pequeas gotitas de agua coalezcan, formando gotas ms grandes que pueden decantar en el equipo. El crudo libre de sales (crudo desalado) sale por la parte superior del equipo.

La coalescencia de las gotas en el desalador es provocada por fuerzas elctricas generadas entre las gotas de agua. El campo elctrico induce a que las pequeas gotas se conviertan en dipolos elctricos, que interactan entre si generndose atracciones entre las gotitas agrupndose en gotas mayores, que pueden decantar por gravedad. El efecto del campo alternativo hace que las gotas se muevan (vibrando) en fase con el campo, lo que favorece la coalescencia de las gotas.

1. Inyeccin / Dispersin Agua-Crudo2. Aplicacin de Campo Elctrico

Polarizacin de las gotas de agua.

3. Coalescencia4. Separacin / DecantacinDestilacin Atmosfrica o ToppingComo ya se indic, la separacin de los componentes del petrleo se realiza en funcin de sus temperaturas de ebullicin, aprovechando las diferencias de volatilidad de los mismos.

La carga parcialmente vaporizada ingresa en la zona flash o zona de carga. Los hidrocarburos vaporizados ascienden por la columna fraccionadora a travs de bandejas o platos de fraccionamiento, donde se contactan ntimamente lquidos y vapores, producindose la transferencia de masa y calor necesaria para fraccionar los diferentes combustibles. Los componentes livianos pasan a la fase vapor y los pesados a la fase lquida, los productos son extrados lateralmente mediante platos colectores y enviados a torres despojadoras (strippers) donde se ajusta el punto de inflamacin de los cortes.

Los productos obtenidos por la parte superior o cabeza son gases y nafta. El gas es comprimido y enviado a unidades de concentracin de gases.La Nafta es fraccionada nuevamente para obtener dos cortes. La nafta liviana que se enva a isomerizacin o a tanque como carga petroqumica y nafta pesada que es enviada a las unidades de Hidrotratamiento donde se eliminan los contaminantes, venenos, de los catalizadores de Platforming (reformacin cataltica).

El primer corte lateral es el kerosene, el cual se enva a tanque. Previamente intercambia calor con crudo y es enfriado a temperatura de almacenaje mediante aeroenfriadores y enfriadores con agua.

El segundo corte lateral es el gas ol liviano, el cual es tratado en forma semejante al kerosene. El tercer y ltimo corte lateral es el gas ol pesado de Topping, el cual es enviado como carga a las unidades de lsomax o Craqueo Cataltico Fluido.

El producto de fondo es el residuo que no se vaporiz en el horno, ya que sera necesario elevar la temperatura por sobre el umbral de craqueo o descomposicin trmica de los hidrocarburos de alto peso molecular. Por tal motivo esta corriente es enviada a la unidad de Vaco.

DESTILACIN AL VACOLas unidades de Vaco, estn diseadas para operar en condiciones termodinmicas adecuadas para destilar las fracciones pesadas del crudo, sin que se produzca la descomposicin trmica de los mismos. Para lograrlo se baja la presin de trabajo hasta alcanzar presiones absolutas de 20 mm Hg en la zona de carga de la columna de destilacin. El Vaco es obtenido con eyectores de vapor.

En esta unidad, la energa necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada totalmente en hornos, diseados para minimizar la perdida de carga (perdidas de presin) de modo de operar con la menor presin posible en los puntos donde se inicia la vaporizacin. La carga parcialmente vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilacin, donde se produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de lquidos. En estas columnas el principio de operacin es la condensacin de los vapores.

La torre tiene caractersticas particulares, que la diferencian de las fraccionadoras atmosfricas. Los dispositivos o elementos mecnicos para producir el contacto liquido vapor, son rellenos especiales (flexi rings, ubicados en lechos ordenados) que permiten incrementar la superficie de interfase, favoreciendo la transferencia de masa. El dimetro de la columna es diferente en las diferentes zonas. La zona de condensacin o fraccionamiento tiene el mayor dimetro ya que las prdidas de carga deben ser despreciables para mantener el Vaco homogneo en la totalidad de la torre. La zona de cabeza es de dimetro menor ya que el caudal de vapores en esta zona es muy bajo debido a que los productos solo son obtenidos lateralmente y no por cabeza. El menor dimetro es para reducir el costo de construccin. El fondo de la columna tiene el menor dimetro para minimizar el tiempo de residencia del asfalto y evitar la descomposicin trmica y formacin de carbn.El primer corte lateral producido es el Gas Ol Liviano de Vaco (LVGO), el cual es carga de la unidad de Isomax o FCC, o tambin puede ser enviado a Diesel. Debido a las caractersticas del proceso Isomax (Hidrocracking) las especificaciones de los productos son muy importantes, ya que se afecta fuertemente la performance de esa unidad si se daa el catalizador.

El segundo corte lateral es el Gas Ol Pesado de Vaco (HVGO) e intercambia calor con el crudo de la unidad de Topping y es la carga por excelencia de las unidades de Cracking Cataltico Fluido (FCC). Como parmetro de calidad fundamental, se controla el contenido de Carbn Conradson, (< 0.5 %), este afecta directamente el balance de carbn y por ende el balance de calor de esas unidades, lo que modifica la performance de las mismas.

El producto de fondo es residuo asfltico, que es enviado a las unidades de Cracking Trmico o viscorreduccin.

Definiciones Factor de Caracterizacin KUOP: Es un valor que permite identificar o caracterizar el tipo de crudo en cuanto a su composicin qumica, (base parafnica, mixta, naftnica, aromtica):

K= 13 BASE PARAFINICA

K= 12 BASE MIXTA

K= 11 BASE NAFTENICA

K = 10 BASE AROMATICA Gravedad API :Los grados API es una forma de expresar la densidad, la cual fue definida por el AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE de la siguiente manera: API = 141.5 / (Peso especfico a 60F 131.5)

Punto Inicial: Es la menor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos inicia la ebullicin. Punto Final: Es la mayor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos finalizan la ebullicin. Punto Inflamacin: Es la menor temperatura a la que los componentes de una mezcla de hidrocarburos inflaman espontneamente en presencia de llama. Torres Fraccionadoras: Permiten separar los diferentes cortes de hidrocarburos presentes en la carga previamente vaporizada, producindose condensaciones controladas, establecindose transferencias de energa y masa adecuados para obtener los combustibles especficos. Las etapas de equilibrio se logran con dispositivos que permiten un ntimo contacto entre la fase vapor (ascendente) y la fase liquida (descendente) Los ms comunes son campanas de burbujeo, platos de vlvulas, platos perforados, rellenos, etc. En estos equipos se ajusta la curva de destilacin de los combustibles. Torres Preflash: Son equipos donde no es necesario obtener un fraccionamiento de alta calidad. El objetivo es lograr una etapa de equilibrio, donde los hidrocarburos de bajo peso molecular (agua, nafta e inferiores) pasen a la fase vapor, para ser enviados directamente a la torre fraccionadora, solo el producto de fondo contina como carga del horno. Strippers: Su funcin principal es eliminar los componentes de bajo peso molecular (voltiles) de los combustibles extrados lateralmente en las torres fraccionadoras, el principio fsico es la disminucin de la presin parcial de los componentes por la inyeccin de un fluido (fase vapor) en el equipo. En estos equipos se ajusta el punto de inflamacin de los combustibles. Los fluidos normalmente usados son vapor o gas seco.

CRACKING CATALTICO FLUIDO (FCC)El proceso de craqueo cataltico fluido se basa en la ruptura de cadenas de hidrocarburos del orden de los 45 tomos de carbono, mediante la accin de un catalizador que favorece que las reacciones se produzcan a una temperatura ms baja que la necesaria para el craqueo trmico de la misma carga. Las reacciones producidas son mucho ms rpidas y selectivas que las de craqueo trmico. Las reacciones generan una cantidad de carbn que se deposita sobre la superficie del catalizador. Los procesos se desarrollan en forma continua, mediante una circulacin de catalizador que se contacta ntimamente con la carga. Posteriormente el catalizador se regenera por medio de la combustin del carbn producido, lo que produce la energa que requiere el sistema para funcionar.Economa del procesoLa carga de la unidad es un producto intermedio de bajo valor. Puede ser comercializado como fuel oil o carga de FCC. Mediante este proceso se obtiene: Mayor expansin volumtrica (110 m3 de productos/ 100 m3 de Carga) Mayor nivel de conversin a productos de alta demanda y valor comercial. La nafta producida aporta el mayor volumen de octanos del pool de naftas. Es el proceso de mayor produccin de LPG. Butano como materia prima para la produccin de MTBE y Alkilato. Propileno de alto precio y creciente demanda.Principales Reacciones

Cargas y producciones. Tipos y calidades.La carga de la unidad de FCC esta fundamentalmente compuesta por Gas Oil pesado que puede ser: de Vaco, de Coque o de Topping.

Los aspectos ms importantes de calidad de la carga son los siguientes: Contenido de carbn Conradson: mide el potencial de generacin de carbn de la carga. Nivel de contaminantes: en especial nquel y vanadio que son venenos permanentes del catalizador. Composicin qumica de la carga: las especies qumicas predominantes definen la calidad de los productos resultantes y la cantidad de carbn producido.

Si bien las unidades de FCC son muy flexibles y pueden procesar cargas muy diversas, es importante conocer sus caractersticas para adecuar la operacin.Producciones

Las Unidades de FCC: Son las productoras de naftas por excelencia, en calidad y cantidad. Producen menor cantidad de gas residual que el Cracking Trmico. Producen alta calidad de propano y propileno, butilenos, isobutanos y butanos. Estas corrientes son la materia prima para los procesos Petroqumicos.

Seccin de ReaccinLos equipos de reaccin de las unidades de cracking tienen tres partes fundamentales: Reactor (RX)

Es el lugar donde se producen las reacciones de craqueo. Hay distintos tipos de tecnologas. Actualmente operan con tiempo de contacto (carga: catalizador) muy bajo donde la parte principal del RX es el riser. Este es el lugar fsico donde se producen las reacciones, en tanto que el resto del equipo es para separar catalizador de los productos.

Las unidades de tecnologas anteriores operan en lecho fluido con tiempos de contacto mayores y menores rendimientos en LPG y naftas.

La temperatura de operacin es de 500 C - 540 C.

En el RX existen ciclones que permiten separar catalizador arrastrado de los productos de la reaccin. Estn revestidos con material refractario que impiden la erosin y las altas temperaturas sobre las paredes metlicas. Regenerador (RG)

Es la parte de la unidad donde se quema el carbn depositado sobre el catalizador, posee un sistema de distribucin del aire necesario para la combustin provisto por un compresor de aire (soplador o turbosoplador). Dicho compresor es la mquina ms importante de la unidad ya que si no hay aire para regeneracin debe detenerse la unidad.

Posee ciclones que separan los gases de la combustin del catalizador arrastrado.

Estn revestidos por material refractario que impiden la erosin y protege a las paredes metlicas de la alta temperatura.

La temperatura de operacin de 705 C - 740 C.

Estas unidades operan a combustin total (formacin de CO2), para lo cual se adiciona un promotor de combustin. Stripper (ST)

En esta parte del equipo se inyecta vapor para despojar de hidrocarburos del catalizador agotado. La inyeccin se realiza a travs de un distribuidor.

La funcin ms importante es reducir el contenido de hidrocarburos depositados sobre el catalizador, disminuyendo la demanda de aire en el regenerador, aumentando el rendimiento en productos lquidos. El equipo cuenta con bafles que mejoran el contacto vapor - catalizador.

Funcionamiento del sistema de reaccin:La unidad opera con vlvulas deslizantes de control automticas, de tal manera que se mantengan los diferenciales de presin y no se invierta el flujo.CatalizadorLa circulacin del catalizador es un factor preponderante en el funcionamiento de la unidad.

El pasaje de catalizador del RG al RX se consigue manteniendo un diferencial de presin positivo en el RG de 200 gr/cm2 controlado automticamente. La circulacin del RX al RG se establece por el peso de columna de catalizador ms la presin propia del RX.

Descripcin del funcionamientoEl catalizador que circula por el riser se contacta con la carga que es inyectada parcialmente vaporizada por picos de alta eficiencia, en ese instante se inician las reacciones de craqueo. El catalizador con los productos de la reaccin contina por el riser y descargan en el recinto del RX, donde caen las partculas de catalizador por prdida de velocidad y diferencia de densidad. Los gases ingresan a los ciclones, que retienen las partculas de catalizador arrastradas y luego son devueltas al lecho del RX. Los gases ingresan en la zona flash de la fraccionadora. El catalizador desciende por el ST y recibe una inyeccin de vapor que ingresa por la parte inferior para despojar los hidrocarburos absorbidos sobre la gran superficie especfica del catalizador. A la salida del ST hay una vlvula que regula la transferencia de catalizador al RG.Descripcin de las variables del procesoVariables operativas independientes:

Temperatura de reaccin: temperatura de la mezcla catalizador y carga en el punto donde se considera han finalizado las reacciones Temperatura de precalentamiento de carga: es la temperatura a que se levanta la carga previamente al ingreso al RX. Relacin de reciclo: es la cantidad de producto ya craqueado (reciclo) que se incorpora a la carga fresca. Actividad de catalizador: es la capacidad que tiene el catalizador para convertir una carga determinada en productos de menor peso molecular. Modo de combustin: mide el grado de conversin de monxido de carbono a dixido de carbono, y por ende modifica la cantidad calor que se libera en el regenerador. Calidad de la carga: de acuerdo a la naturaleza de la carga, sern los productos a obtener. Velocidad Espacial: se define como el cociente entre el caudal de carga total y la cantidad de catalizador existente en el RX.Variables operativas dependientes: Temperatura de RG: es la temperatura existente en el lecho denso del regenerador. Velocidad de circulacin: se define como el caudal de catalizador que circula vs. el rea media del reactor. Conversin: es el porcentaje de volumen de carga fresca que se convierte en nafta (de punto seco predeterminado) y productos ms livianos. Requerimiento de aire: es la cantidad de aire requerida para realizar la combustin del carbn depositado sobre el catalizador. Relacin catalizador /carga: es la relacin entre el rgimen de circulacin del catalizador (ton/h) y el de la carga combinada (fresca + reciclo) expresada tambin en ton/ h.

Balances:

Balance de calor

El balance de calor liga las variables independientes con las dependientes.

El balance de carbn est ntimamente vinculado con el de calor ya que es el que aporta el combustible que mantiene el balance de calor. La nica fuente de calor de la unidad es la combustin del coque absorbido sobre el catalizador agotado. El calor generado por el quemado de coque deber proveer el calor necesario para los siguientes requerimientos: Elevar la temperatura de la carga y productos hasta la temperatura del RX. Satisfacer la endotermicidad de las reacciones de craqueo. Compensar las prdidas del convertidor. Elevar la temperatura del aire de combustin y transporte hasta la temperatura de los efluentes del regenerador. Producir la desorcin de coque del catalizador agotado. El calor perdido por radiacin de las paredes del equipo.

Balance de carbn

El balance de carbn relaciona todas las fuentes de generacin de carbn de la unidad y est ntimamente vinculado con el balance de calor.

El carbn formado en el proceso responde a la siguiente ecuacin:Ct = coque total formado

Ccat = coque producido por las reacciones de cracking.

Ccarga = coque residual debido a la naturaleza de la carga.

Ccirculacin = coque de circulacin funcin del rgimen de circulacin

Ccontaminante = coque producido por la presencia de contaminantes en la carga.

Balance de presin

El balance de presiones gobierna la circulacin del catalizador, y permite la operacin de la unidad. Adems se debe controlar estrictamente por la seguridad de la operacin, ya que si se produce una inversin de flujo el equipo puede explotar por ingreso de aire y catalizador Calientes al reactor. El equilibrio significa mantener un diferencial de presin positivo en el RG que permita transportar el catalizador hasta el RX, venciendo la presin de RX.

La presin en el RG generada por la descarga de los gases producidos en la combustin, se controla a travs de un controlador diferencial de presin. La presin en el RX se controla en el acumulador de tope (de cabeza) de la torre fraccionadora.AditivosSe utilizan algunos tipos de catalizadores con caractersticas especiales, que favorecen determinadas reacciones, lo que preferencia caractersticas determinadas en la produccin.

Los de mayor uso son los promotores de olefinas (comercialmente ZM5), que producen mayor cantidad de olefinas en el LPG. Otros aditivos son los promotores de combustin que permiten obtener una combustin completa en el regenerador.

2. Objetivos Identificar, conocer y aplicar los tipos de estrategias empleadas en la instrumentacin.

Conocer al detalle el procesamiento de una refinera de petrleo, para su posterior instrumentacin de los equipos. Asignar un modo de control a cada lnea instrumentada, utilizando los conocimientos previos vistos en el curso.3. Metodologa

1) Se debe tener conocimiento el proceso y los equipos que se utilizan en l( en este caso es: destilacin al vaco, destilacin atmosfrica y cracking cataltico)

2) Se debe analizar las lneas que entran y salen en los equipos utilizados en el proceso.

3) Previo a la instrumentacin se debe reconocer las variables que se pueden manipular y las variables que se pueden controlar(teniendo en cuenta que con la variable manipulada puede mantener mi variable de proceso en el set point)

4) En el momento de la instrumentacin se elegir el tipo de estrategia a utilizar.

Por ejemplo en la destilacin atmosfrica en un plato de la torre la variable a controlar es la temperatura el cual es regulado con el flujo del destilado y es por ello que es sumamente importante instrumentar en la line a del flujo de destilado para manipularla y con ella controlar la temperatura de los platos, como las dos variables tienen importancia se elige la estrategia de control en cascada, siendo la variable principal la temperatura y la variable esclava o secundaria el flujo.

5) En el caso de las vlvulas se analizar si es air to open o air to close, eso depender de la lnea del proceso, ser air to open si se necesita que la vlvula se cierre en caso de cualquier falla en la lnea, ser air to close el caso que se necesite que la vlvula se abra en caso de falla en la lnea. Adems se deber definir el tipo de vlvula ms conveniente a utilizar (globo, compuerta, mariposa, etc.)

6) En el caso de los sensores, estos se elegirn dependiendo lo que se quiera medir, si se quiere medir presin entonces ser un sensor de presin y a su vez tambin se deber decidir el tipo de sensor y esto depender de la lnea de proceso donde se quiera colocar el sensor. Tener mucho cuidado al elegir el tipo de sensor, debi a que estos estn diseados para un especfico funcionamiento. Por ejemplo en la lnea de alimentacin de crudo a la planta, ste contiene muchas sales, metales, arcillas estos podran daar el sensor, es por ello que se utiliza el Vrtex para medir el flujo de crudo de la alimentacin.

7) Por ltimo se elegir el modo de control segn conveniencia pero teniendo en cuenta que stas dependern de las variables de proceso y del proceso mismo.

4. ResultadosTabla 1. Estrategias de control del proceso.NEquipoEstrategiaVariable ControladaVariable ManipuladaTipo de Sensor(es)Modo de ControlTipo de VlvulaVlvula de SensitividadAir to Open/ Air to CloseTipo de AccinObservaciones

1Lnea de alimentacin de crudo a la plantaFeedback FC-1Flujo de crudo de alimentacinFlujo de crudoFlujo: VortexPIVlvula de compuertaDecrecienteAir to Open InversaEl crudo contiene sales, metales, arcilla y agua que puede daar el sensor

2Horno de la UDPFeedforward TC-1Temperatura de crudo a la entrada del hornoFlujo de combustibleTemperatura: Termocupla tipo TPIDVlvula de globoCrecienteAir to Open InversaEl modelo matemtico que emplea el controlador es un balance de energa

3Tope de la UDPFeedback PC-1Presin de la columna de destilacin primariaFlujo de GLPPresin: Diafragma metlicoPIDVlvula de globoLinealAir to CloseDirectaLa presin manomtrica en la columna de la UDP es alrededor de 1 kg/cm2

4Tope de la UDPPunto final TC-2-k-FC-2Principal: Temperatura de tope - Secundaria: Reflujo de gasolinaReflujo de gasolinaTemperatura: Termocupla tipo T - Flujo: TurbinaPIDVlvula de globoCrecienteAir to Open DirectaPara una determinada temperatura de tope se fijara una relacin de reflujo (k)

5Tanque separador de fases de topeFeedback LC-1Nivel de agua en el tanqueFlujo de agua Nivel: Presin diferencial de diafragma PIDVlvula de globoLinealAir to CloseDirectaEl agua por ser ms denso se depositara en el fondo del tanque

6Tanque separador de fases de topeFeedback LC-2Nivel de gasolina en el tanqueFlujo de gasolinaNivel: Ultrasnico PIDVlvula de globoLinealAir to CloseDirectaEl nivel y la presin hidrosttica en el tanque es del agua y la gasolina

7Plato colector de Nafta en la UDPCascada TC-3-FC-3Principal: Temperatura de corte de Nafta - Secundario: Flujo de NaftaFlujo de NaftaTemperatura: Termocupla tipo T - Flujo: VortexPIDVlvula de globoCrecienteAir to CloseDirectaLa viscosidad de la nafta es baja y no perjudica la medicin del sensor de flujo

NEquipoEstrategiaVariable ControladaVariable ManipuladaTipo de Sensor(es)Modo de ControlTipo de VlvulaVlvula de SensitividadAir to Open/ Air to CloseTipo de AccinObservaciones

8Plato colector de Gas oil en la UDPCascada TC-4-FC-4Principal: Temperatura de corte de Gas oil - Secundario: Flujo de Gas oilFlujo de Gas oilTemperatura: Termocupla tipo T - Flujo: VortexPIDVlvula de globoCrecienteAir to CloseDirectaEl sensor de flujo puede verse perjudicado si aumenta la viscosidad

9Fondo de la UDPFeedback LC-3Nivel de crudo reducido en el fondo de la columna de destilacin primariaFlujo de crudo reducidoNivel: Flotador con transmisorPIDVlvula de compuertaDecrecienteAir to CloseDirectaEl crudo reducido por ser muy viscoso podra obstruir una vlvula de globo

10Horno de la UDVFeedforward TC-5Temperatura de crudo reducido a la entrada del hornoFlujo de combustibleTemperatura: Termocupla tipo JPIDVlvula de globoCrecienteAir to Open InversaEl modelo matemtico que emplea el controlador es un balance de energa

11Tope de la UDVFeedback PC-2Presin de la columna de destilacin de vacoFlujo de succin de los eyectoresPresin: Fuelle PIDVlvula de globoLinealAir to Open DirectaLa presin absoluta en la columna de la UDV es alrededor de 20 mmHg

12Corte lateral de Gas oil ligero de vaco (LVGO)Cascada TC-6-FC-5Principal: Temperatura del corte de LVGO - Secundario: Flujo de LVGOFlujo de LVGOTemperatura: Termocupla tipo J - Flujo: Vortex PIDVlvula de globoCrecienteAir to CloseInversaLa temperatura de cortes laterales de UDV son mayores que los de UDP

13Corte lateral de Gas oil pesado de vaco (HVGO)Cascada TC-7-FC-6Principal: Temperatura del corte de HVGO - Secundario: Flujo de HVGOFlujo de HVGOTemperatura: Termocupla tipo J - Flujo: Vortex PIDVlvula de globoCrecienteAir to CloseInversaEl sensor de flujo puede verse perjudicado si aumenta la viscosidad

14Fondo de la UDVFeedback LC-4Nivel de asfalto en el fondo de la columna de destilacin de vaco Flujo de asfaltoNivel: Flotador con transmisorPIDVlvula de compuertaDecrecienteAir to CloseDirectaEl asfalto podra obstruir una vlvula de globo por ser muy viscoso

NEquipoEstrategiaVariable ControladaVariable ManipuladaTipo de Sensor(es)Modo de ControlTipo de VlvulaVlvula de SensitividadAir to Open/ Air to CloseTipo de AccinObservaciones

15Regenerador de la unidad de FCCFeedback PC-3Presin en el RegeneradorFlujo de gases de combustinPresin: Transductor piezoelctrico PIDVlvula de globoLinealAir to CloseDirectaLos gases en el regenerador se deben a la combustin del coque

16Reactor de la unidad de FCCFeedback PC-4Presin en el ReactorFlujo de gas en la fraccionadoraPresin: Transductor piezoelctrico PIDVlvula de globoLinealAir to CloseDirectaLos gases en el reactor son producto del craqueo cataltico en el riser

17Lnea de recirculacin de carbn al Riser Split Range TC-8 Temperatura del catalizador regeneradoFlujo de Gas oil pesado y flujo de SlurryTemperatura: Termocupla tipo R PIDVlvula de compuerta (ambas)Creciente (ambas)Air to Open (ambas) HGO: Directa - Slurry: Inversa La combustin origina temperaturas altas en el regenerador

18Tanque de Blending de Gas oil ligero (LGO)Relacin FE-1-k-FC-7Flujo de LGO de la FCCFlujo de LGO de la FCCFlujo: CoriolisPIVlvula de globoDecrecienteAir to CloseInversaEl mezclado o Blending se puede realizar en % volumtrico o % msico

19Tanque de Blending de GasolinasRelacin FE-2-k-FC-8Flujo de gasolina de la FCCFlujo de gasolina de la FCCFlujo: CoriolisPIVlvula de globoDecrecienteAir to CloseInversaLa relacin de flujos (k) depender del producto que se est formulando

5. Discusin de Resultados

La alta viscosidad de algunos productos intermedios como el crudo reducido o productos terminados como el asfalto podran obstruir las vlvulas de globo debido a que el cambio en la direccin del flujo causara una gran prdida de carga, lo cual detendra el flujo de estos productos; por esta razn es recomendable emplear una vlvula de compuerta en estos casos, ya que este tipo de vlvula ocasiona una prdida de carga mucho menor.

La manipulacin de los flujos de productos (cortes laterales) de la destilacin primaria y de vaco deberan estar a cargo de vlvulas de control del tipo Air to Close, ya que en caso de falla de aire, la vlvula quedara totalmente abierta para permitir la descarga de productos a los tanques de almacenamiento evitando la inundacin de la columna de destilacin.

La medicin del flujo de alimentacin de crudo y los flujos de los cortes laterales obtenidos en la columna de destilacin primaria y de vaco se llevaron a cabo por el sensor de flujo tipo Vortex debido a su amplia rangeabilidad y que no es afectado por cambios en la densidad o temperatura; sin embargo debemos tener especial cuidado cuando se estn midiendo los flujos de los productos ms pesados como el Gas oil pesado de vaco (HVGO), ya que la mayor viscosidad de estos productos podran perjudicar la medicin del flujo e inducir al error.

Para poder emplear la estrategia de control de accin adelantada (Feedforward) es necesario tener un modelo matemtico que me permita anticipar el comportamiento de la variable que quiero controlar a partir de la manipulacin de otra variable que forme parte del modelo; para nuestro caso se pudo emplear esta estrategia en los hornos ubicados antes de la columna de destilacin primaria y de vaco, para lo cual empleamos el balance de energa como modelo matemtico: el calor de combustin que estar directamente relacionado con el flujo de combustible (variable manipulada) deber ser igual a la diferencia de entalpias a la salida (fijada por el proceso) y entrada del horno, los cuales son funcin de la temperatura (variable controlada). El tanque de separacin de fases contiene gasolina y agua en la fase liquida, cuyo nivel es controlado por los flujos de estos lquidos. El agua al ser ms denso que la gasolina se depositara en el fondo del tanque por lo cual la extraccin de este lquido se llevar a cabo por el fondo, el nivel total de lquido es medido por un sensor ultrasnico y con ayuda de un sensor de presin diferencial de diafragma que mide la presin hidrosttica se determinar la altura de agua y gasolina por separado, con la finalidad de que la gasolina no salga por la lnea de agua y genere prdida de producto y contaminacin. Los sensores de temperatura en las diferentes unidades fueron escogidos en funcin a los rangos de trabajo, por lo cual las termocuplas tipo T cuyo rango va de -300 a 700 F fueron empleadas en la Unidad de Destilacin Primaria (UDP), las termocuplas tipo J cuyo rango va de -310 a 1800 F fueron empleadas en la Unidad de Destilacin al Vaco (UDV) debido a que con el vaco se puede elevar ms la temperatura de la columna sin craquear el crudo y las termocuplas tipo R cuyo rango va de 32 a 3200 F fueron empleadas en la Unidad de Cracking Cataltico Fluido (FCC), en la cual las temperaturas requeridas son mucho mayores debido a que esto favorece la actividad del catalizador. La temperatura del tope de la columna de destilacin primaria (variable principal) puede ser controlada con la relacin de reflujo, para lo cual podemos emplear un control de relacin (k) entre el flujo de gasolina que regresa a la columna (variable secundaria) y el flujo de gasolina que sale como producto cuyo set point estar fijado por el controlador de temperatura; a esta estrategia que combina el control de relacin con el control en cascada se denomina estrategia de punto final. La presin en el regenerador de la unidad de FCC se debe a los gases generados por la combustin del coque depositado sobre la superficie del catalizador cuando este retorna del reactor, el cual se controla con la manipulacin del flujo de estos gases producidos; y la presin en el reactor se debe principalmente a los gases generados por la reaccin de cracking cataltico llevado a cabo en el riser, el cual se controla con el gas que sale por el tope de la fraccionadora; estas presiones deben estar muy bien controladas para evitar la inversin del flujo, ya que esto podra originar una explosin en el reactor debido a la presencia de aire en contacto con el catalizador caliente y el coque en su superficie. En caso exista falla por aire en las vlvulas de control estn quedaran totalmente abiertas para evitar la acumulacin de los gases y posiblemente la explosin del regenerador y reactor. Para la medicin de las presiones se emplearon sensores piezoelctricos debido a que estos abarcan el rango de trabajo requerido para esta unidad (superior a los 30 psi). La temperatura del catalizador regenerado (variable controlada) depender de la cantidad de coque que se queme en el regenerador, la cual a su vez depende del flujo de Gas ol pesado (HGO) y slurry que se recircule al Riser (variables manipuladas). Cuando la temperatura del catalizador se encuentra debajo de su set point, se aumenta el flujo de slurry cuyo contenido de coque es mucho mayor que el de HGO, lo cual permitir que se queme ms carbn en el regenerador y la temperatura del catalizador aumente. En la formulacin de productos se calcula una relacin de flujos (k) msicos o volumtricos con la finalidad de obtener productos terminados que cumplan con todas las especificaciones requeridas (%azufre, octanaje, viscosidad, presin de vapor, etc.); por esta razn el mezclado o Blending podra llevarse a cabo empleando la estrategia relacional; adems sera muy til usar sensores de flujo del tipo Coriolis, ya que estos poseen la ventaja de medir directamente la masa y adicionalmente la densidad, con lo cual podra realizar el mezclado empleando flujos msicos o volumtricos.6. Conclusiones

Para fluidos de alta viscosidad como el asfalto o el crudo reducido es recomendable emplear vlvulas de compuerta en lugar de las vlvulas de globo. Las vlvulas de control empleadas en la manipulacin de los flujos de productos de la destilacin primaria y de vaco debern ser siempre Air to Close. Para la medicin de los flujos de los cortes laterales obtenidos en la columna de destilacin primaria y de vaco debern emplearse sensores de flujo del tipo Vortex. En los hornos ubicados antes de la columna de destilacin primaria y de vaco se podr emplear una estrategia de control de accin adelantada o Feedforward aplicando el modelo matemtico del balance de energa. El nivel de lquido en el tanque de separacin de fases estar controlado por el flujo de agua y gasolina. Los sensores de temperatura en la UDP debern ser termocuplas tipo T, en la UDV termocuplas tipo J y en la unidad de FCC termocuplas tipo R.

El control de la temperatura de tope en la columna de destilacin primaria deber ser llevada a cabo con la relacin de reflujo (k) para lo cual se emplear la estrategia de punto final.

La presin en el regenerador y reactor de la unidad de FCC sern controlados por el flujo de gases de combustin y el flujo de gas en la fraccionadora respectivamente, para lo cual debern emplearse sensores de presin piezoelctricos y vlvulas de control del tipo Air to Close. El control de la temperatura de reaccin en el Riser se llevar a cabo por la manipulacin de los flujos de HGO y Slurry empleando la estrategia de rango compartido (Split Range). Para realizar la formulacin de productos o ms conocido como Blending se deber emplear la estrategia de relacin, adems se deber usar sensores de flujo del tipo Coriolis. 7. Bibliografa

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Proton (2012). Val. Consultado el 15 de junio de 2015. Disponible en http://proton.ucting.udg.mx/somi/memorias/CONTROL/Con-16.pdf

8. Apndice

8.1. Diagramas del Proceso