UNIVERSIDAD DE ORIENTENCLEO DE ANZOTEGUIESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADASDEPARTAMENTOS DE INGENIERA DE PETRLEO Y QUMICAAREAS ESPECIALES DE GRADO

VARIABLES DE CONTROL EN SISTEMAS DE DESTILACION ATMOSFERICA Y AL VACIO

PROFESOR:Ing. Isvelia Avendao

REALIZADO POR:Boada, EunicePenzo, OscarinaPrez, Israel

Seccin: 01Grupo: 01

BARCELONA, FEBRERO 2013

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CAPITULO IINTRODUCCION

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

La destilacin es un proceso fundamental en la industria de refinacin del petrleo, pues permite hacer una separacin de los componentes de una mezcla de hidrocarburos aprovechando sus diferentes puntos de ebullicin. La destilacin atmosfrica y al vaco es el primer proceso que aparece en una refinera de petrleo. El petrleo se separa en fracciones que despus de procesamientos adicionales, darn origen a los productos principales que se venden en el mercado: el gas licuado (GLP), gasolina para los automviles, combustible para los aviones, diesel, etc. Todo este proceso de fraccionamiento se lleva en una torre de destilacin, la cual puede trabajar a la presin atmosfrica o a una presin menor que esta llamada presin de vaco. La temperatura tambin juega un papel importante en el proceso, ya que sin la variacin de esta en la columna afectara el rendimiento de los destilados y por ende la calidad de los productos. Los parmetros de presin y temperatura son las variables a controlar en el proceso de destilacin ya que sin el control de estos parmetros el proceso se vera afectado la calidad de los productos a obtener.

1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar las variables de control en un sistema de Destilacin Atmosfrica y al Vaco. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS Explicar el proceso de destilacin atmosfrica y al vaco. Describir los Mtodos de diseo de una torre de destilacin. Definir las variables que gobiernan el proceso de destilacin. Definir las variables crticas que gobiernan el proceso de destilacin. Diseo de un Diagrama de control para una torre de destilacin atmosfrica. Diseo de un Diagrama de control para una torre de destilacin al vaco.CAPITULO IIMARCO METODOLOGICO2.1 METODOLOGA La investigacin es de tipo Documental; la cual es un proceso basado en la bsqueda, recuperacin, anlisis e interpretacin de datos secundarios, es decir los obtenidos y registrados por otros investigadores en fuentes documentales: impresas, audiovisuales o electrnicas. La investigacin se clasifica como documental y no experimental, ya que se realiz a travs de consultas bibliogrficas.2.2 REVISIN BIBLIOGRFICA El propsito principal es disponer de las bases tericas necesarias para el desarrollo del proyecto, proveniente de fuentes escritas tales como manuales, textos universitarios, informes tcnicos, trabajos de grado, internet, entre otros; Una vez recopilada la informacin, se procedi a la etapa de lectura, anlisis e interpretacin de la misma, con el objeto de seleccionar lo ms apropiado para el desarrollo de los objetivos planteados.2.3 CLASIFICACIN DE LOS MTODOS PARA DISEAR TORRES DE DESTILACIN. Despus de revisiones bibliogrficas y anlisis de la informacin recopilada se procedi a analizar los mtodos de disear torres de destilacin, siendo estos: grficos, rigurosos, y cortos.

2.4 PLANTEAMIENTO DE LAS VARIABLES CRITICAS QUE GOBIERNAN LA DESTILACION ATMOSFERICA Y AL VACIO. En sta parte del informe se realiz una caracterizacin y clasificacin de Las variables crticas que gobiernan el proceso de destilacin atmosfrica y al vaco a travs de la filosofa operacional de las torres.165

CAPITULO IIIMARCO TEORICO3.1 PROCESO DE DESTILACIN ATMOSFRICA Y AL VACO.3.1.1 DESTILACIN ATMOSFRICA DEL CRUDO:La destilacin atmosfrica es el primer proceso de refinacin al que es sometido un crudo despus de la deshidratacin, es una etapa clave e imprescindible en la refinacin; la destilacin de un crudo de cualquiera de sus fracciones, no genera compuesto puros sino grupos de compuestos, denominados indistintamente cortes y fracciones. El objetivo es extraer los hidrocarburos presentes naturalmente en el crudo por destilacin, sin afectar la estructura molecular de los componentes basndose en los puntos de puntos de ebullicin. La temperatura es variable de acuerdo al tipo de crudo, rendimiento de destilados, presin de operacin, y su rango mximo de operacin limitada es de 350 450 C y con presiones no mayores de 5 atm.

Figura 1. Corte transversal columna destilacin atmosfrica.3.2 CORTES FRACCIONES DE LA DESTILACIN ATMOSFRICA: Gas Combustible (Fuel Gas): Constituido por metano, etano y etileno. Por el contenido de mercaptanos se enva a la Unidad de Merox. Punto de ebullicin de 0 C. LPG Gas Licuado de Petrleo: Constituido por propano y butano. Pueden ser separados para la comercializacin de los productos en forma individual. Punto de ebullicin de 0 C. Gasolina o Nafta Liviana: Constituida por cadenas de hidrocarburos C5 y C6. Rango de ebullicin de 32 a 88C. Se enva a la Unidad de Isomerizacin. Gasolina o Nafta Pesada: Constituida por cadenas de hidrocarburos C7 a C11. Rango de ebullicin de 87,7 a193,3 C. Se enva al Reformador Cataltico. Kerosn o Jet Fuel: Constituido por cadenas de hidrocarburos C10 a C14. Rango de ebullicin de 193,3 a 271 C. Se enva a la Unidad de Merox. Gasoil Liviano: Constituido por cadenas de hidrocarburos C13 a C24. Rango de ebullicin de 271 a 321 C. Se enva a Hidrotratamiento o Hidrodesulfuracin. Gasoil Mediano: Constituido por cadenas de hidrocarburos C13 a C24. Rango de ebullicin de 321 a 427 C. Se enva a Hidrotratamiento o Craqueo Cataltico. Residuo Atmosfrico: Constituido por cadenas de hidrocarburos C25 +. Rango de ebullicin de 427C +. Se enva a Destilacin a Vaco.

3.3 UNIDAD DE DESTILACIN ATMOSFRICA:La unidad de Destilacin Atmosfrica est conformada por las siguientes plantas de procesos: Unidad de Crudo, Planta de Gasolinas y Planta de Tratamiento Custico de Kerosn.

Figura 2. Unidad de destilacin atmosfrica

3.4 UNIDAD DE CRUDO: El objetivo de la unidad de Crudo es el de fraccionar el petrleo crudo proveniente de los campos de produccin en diversas corrientes que sern alimentadas a otros sistemas aguas abajo mediante el proceso de destilacin simple. Este proceso consiste en calentar el crudo de alimentacin, para que se produzca la vaporizacin de las fracciones ms livianas sin que se provoque la reaccin de craqueo trmico. Una vez vaporizadas, estas fracciones livianas se introducen en una columna de platos (y/o empaques) en donde se condensan por medio del enfriamiento que proporcionan los reflujos y recirculaciones de la torre. Debido a la diferencia existente entre los puntos de ebullicin de los diversos cortes, los que tienen valores ms altos condensan en primer lugar a medida que ascienden por la columna, mientras que los que poseen valores ms bajos alcanzan el tope. La columna opera con varias salidas laterales para extraer la fraccin condensada correspondiente y obtener el producto con una determinada calidad.Para lograr el objetivo anterior, el crudo debe ser sometido a un proceso de calentamiento aprovechando el calor contenido en las corrientes de productos por lo cual es necesario el uso de intercambiadores de calor as como de hornos. Adems se deben proteger los equipos de la corrosin debida a las sales que posee el crudo, para lo cual existen ciertos equipos que remueven sales y agua (desaladores). Los productos que se obtienen de la columna son: Gases, gasolinas livianas y pesadas (o naftas), Kerosn, Gasleos liviano y pesado y el residual atmosfrico, el cual es el producto de fondo que no puede vaporizar a las condiciones de operacin de dicha columna. Los gases y parte de las naftas se envan a la Planta de Gasolinas para continuar el proceso de fraccionamiento. 3.5 DESTILACION AL VACIO: Se diferencia de la destilacin atmosfrica bsicamente por la baja presin y la mayor temperatura del horno (alimentacin). Los dispositivos o elementos mecnicos para producir el contacto lquido vapor, son rellenos especiales ubicados en lechos ordenados que permiten incrementar la superficie de interface, favoreciendo la transferencia de masa. El dimetro de la columna es diferente en zona de condensacin, respecto de la zona superior o inferior de la misma. 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 fondo de la columna tiene el menor dimetro, ya que se debe minimizar el tiempo de residencia del asfalto para evitar la descomposicin trmica y formacin de carbn en la torre. Usa como materia prima el residuo largo proveniente del fondo de la torre de destilacin atmosfrica. Esta alimentacin, precalentada, entra a la torre de vaco en donde la mezcla lquido-vapor es separada al instante en cuatro tipos de corriente: gasleos livianos y pesados, enviados en conjunto a la Unidad de Desintegracin Cataltica, pero en algunos casos son enviados directamente a Diesel, con el objeto de obtener mayor cantidad de este producto. El residuo corto o producto de fondo, intercambia calor con la alimentacin de la Unidad de Destilacin Atmosfrica y retorna nuevamente donde se aprovecha la energa para la produccin de vapor. Posteriormente se mezcla con aceites craqueados y con destilados de la destilacin atmosfrica a fin de lograr las especificaciones finales, para luego ser enfriados y enviados a tanques de almacenamientos. Al calentar un crudo a temperaturas por encima de los 380C, o ms altas, a presin atmosfrica, dependiendo del crudo se producen reacciones de Craqueo Trmico o descomposicin trmica. Como resultado de estas reacciones se generan componentes inconvenientes, como lo son (C1C3), hidrocarburos insaturados (olefinas) que quedan en las naftas y destilados y Coque. Los gases tienden a sobrecargar la seccin de enfriamiento de productos de tope y por supuesto la Planta de gas, por otro lado se generan compuestos insaturados en el rango de las Naftas y Destilados que ocasionan problemas de inestabilidad a la oxidacin degradacin del calor. El craqueo trmico ocasiona tambin la formacin de coque lo cual se acumula gradualmente en los platos inferiores, en el fondo de la torre y en las lneas de transferencia hacia el horno de la destiladora al vaco, ocasionando problemas por obstruccin.La estrategia tecnolgica que permite evitar estos inconvenientes consiste en bajar la presin de operacin a niveles de Vaco o Alto Vaco, de manera que a temperaturas de 380 400C, y a esas bajas presiones, puedan vaporizase componentes o fracciones que no se vaporizan a dichas temperaturas de 380C 400C, las cuales a presin atmosfrica no v De la Destilacin al Vaco se generan por lo general unos tres a 5 cortes, conocidos por lo general como Gasleos de Vaco (GOV o VGO). 3.6 CORTES FRACCIONES DE LA DESTILACIN AL VACO: GOP: Muy similar al Gasleo ms pesado de la Destilacin Atmosfrica. Rango de ebullicin (350- 390C). LVGO: Gasleo de Vaco MVGO: Gasleo de Vaco. ( no siempre) Rangos de ebullicin se distribuyen HVGO: Gasleo de Vaco. entre 390 y 500-530C Residuo de vaco: Se obtiene por el fondo de la Torre, tambin conocido como Residuo Corto. Rango de ebullicin (500C+, 530C+)

Figura 4. Torre de destilacin al vaco.3.7 MTODOS DEL DISEO DE UNA TORRE DE DESTILACINEl mtodo grfico, solo es posible el anlisis de una torre de destilacin con una mezcla binaria, y solo son tiles para un diseo muy preliminar. Los mtodos grficos mas empleados son McCabe- Thiele y Ponchon Savarit, El primero emplea un diagrama de fracciones mol en liquido y vapor para el anlisis, mientras que el segundo utiliza un diagrama entalpia contra fraccin mol a presin constante.Los mtodos cortos emplean ecuaciones que relacionan los parmetros importantes en la torre sin integrar mtodos de prediccin de propiedades en sus clculos, y son aplicables a destilacin multicomponente. Algunos de estos mtodos son Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) y Edminster.Los mtodos rigurosos involucran modelos matemticos de prediccin de propiedades en sus clculos para obtener los parmetros de la torre. Este tipo de mtodo son bastante complejos, de tal manera que ya se encuentra programados en simuladores de procesos. Estos mtodos son cada vez mas usados dada su exactitud y tambin a que si bien las desventajas son su laboriosidad y prolongado tiempo de clculo, los programas computacionales ahora dejan de lado estos aspectos. Algunos ejemplos de estos mtodos son punto de burbuja, correccin simultnea e inside-out.3.8 VARIABLE QUE GOBIERNAN EL PROCESO DE DESTILACIN Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y presin del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido. 3.8.1 CONTROL DE PRESIN. La presin es uno de los parmetros que intervienen con mayor influencia para mantener constante la calidad de los productos, tanto en cima como en fondo de la columna. Esto se debe a que la presin afecta en gran medida la volatilidad relativa de los componentes, y por tanto, el grado de separacin entre ellos. Debido a lo anterior, la presin en columnas de destilacin normalmente se mantiene en el mnimo valor posible. Tpicamente en las refineras se opera a la mxima transferencia de calor en el condensador, esto implica la mnima presin y por tanto mxima volatilidad relativa. Sin embargo, es importante prevenir un cambio fuerte en la presin, puesto que un incremento sbito en la presin disminuye el flujo de vapor causando flashing, mientras que un decremento sbito puede causar lloriqueo en la columna.3.8.2 CONTROL DE NIVEL. En columnas de destilacin convencionales se debe controlar el nivel del tanque acumulador y del rehervidor. Si el acumulador se llena presionara la columna mientras que si el rehervidor est lleno o vaco causara serios problemas de operatividad en la columna. Para controlar el nivel en estos tanques las variables ms adecuadas para manipular son los flujos de las corrientes de reflujo L y destilado D para el acumulador, y el producto de fondos (B) o el vapor (V) para el rehervidor. Lo convencional es utilizar la corriente de destilado y de fondos para controlar el nivel en el acumulador y rehervidor respectivamente. Esta configuracin permite que las corrientes L y V queden libres para controlar otras variables, por esta razn se conoce como configuracin LV. 3.8.3 CONTROL DE TEMPERATURA. La medicin de temperatura es simple, rpida, econmica, fiable y no necesita un sistema de muestreo complejo que muchos analizadores requieren. El control de la temperatura provee una forma simple de estabilizar el perfil de composicin y temperatura a lo largo de la columna. Los lazos de presin y nivel no pueden realizar esto por si solos.3.9 VARIABLES DE UNA TORRE DE DESTILACIN: Caudal de reflujo (L). Caudal de destilado (D). Relacin reflujo/destilado (L/D). Vaporizacin producida por el fluido calefactor (V). Caudal de fondo (B). Relacin Vaporizado/fondo (V/B). Composicin del componente ligero en cabeza (y). Composicin del componente ligero en fondo (x).

Figura 7. Variables de una torre de destilacin.

3.10 VARIABLES CRITICAS DE OPERACIN DE LAS UNIDADES:3.11 DESTILACIN ATMOSFRICA. TEMPERATURA DE SALIDA DE CRUDO DEL HORNO: Esta temperatura debe ser lo suficientemente alta para garantizar la evaporacin de todos los productos ms 4% de la alimentacin. Esta evaporacin comienza en el horno y termina en la zona de vaporizacin instantnea. Se controla mediante regulacin de gas combustible en las cmaras de combustin. Valor operacional: entre 380 y 420C por encima de este valor se produce descomposicin trmica a gran escala, formando coque. Una alta temperatura en el fondo de la torre incrementa la velocidad de vapor lo suficiente como para causar inundacin. Accin impacto: Un aumento de la temperatura ocasiona: Aumento de la temperatura de vaporizacin. Aumento en el consumo de gas combustible. incrementa la velocidad de vapor lo suficiente como para causar inundacin.

TEMPERATURA DE LA ZONA DE VAPORIZACIN INSTANTNEA. La temperatura de la zona se utiliza como una indicacin del grado de vaporizacin instantnea. Esta depende de la presin parcial de los hidrocarburos en la zona y del calor suministrado a la alimentacin al horno. Se controla a partir de la temperatura de salida del horno. Sin embargo, un cambio en el flujo de vapor de despojamiento o la presencia de algn reflujo interno (rebose de overflash) afectar la relacin temperatura de salida del horno. Valor operacional: entre 300 y 360C.. Accin impacto: Un incremento en la temperatura de la zona ocasiona: Aumento de viscosidad y rendimiento del corte. Disminucin de la penetracin y el rendimiento del fondo de vaco.

PRESIN EN EL TOPE DE LA TORRE: Se controla en el menor valor posible para asegurar la mxima recuperacin de destilados livianos. Se controla con el flujo de gases de salida del tambor acumulador de tope. Valor operacional: entre 8 y 10 psig. Accin Impacto: Una disminucin en la presin de la torre puede causar un incremento en la velocidad del vapor el cual arrastrar el lquido hacia la parte superior de la torre causando inundacin.

TEMPERATURA EN EL TOPE: Se controla con el reflujo de tope de la torre. Valor operacional: entre 100 y 125C. Accin impacto: un aumento de la temperatura de tope Aumento del flujo de vapores hacia el condensador.

TEMPERATURA EN LOS PLATOS DE RETIRO: Se controla con el flujo retirado del corte. valor operacional: La temperatura de cada corte oscila en toda la columna. Accin impacto: Cuando un plato est seco la cada de presin a travs de l disminuye. Las causas que lo originan pueden ser bajo reflujo interno o externo, de modo que para corregir este problema se debe incrementar el reflujo externo. Debe tomarse en cuenta que un bajo reflujo interno no siempre es causado por un bajo reflujo externo, sino tambin por una excesiva extraccin lateral.

NIVEL EN LOS PLATOS DE RETIRO: Accin impacto: si el nivel es muy bajo se debe a que el plato est seco, debido a las causas mencionadas anteriormente.

NIVEL DE LQUIDO EN TAMBOR ACUMULADOR DE TOPE: Se controla con el flujo de destilado retirado del tambor. NIVEL DE LQUIDO EN EL FONDO DE LA TORRE: Se controla con el flujo de residuo atmosfrico retirado por el fondo. El Incremento del nivel de fondos hasta que alcance la seccin de los platos provoca inundacin. VAPOR DE DESPOJAMIENTO: Se controla mediante un control de relacin de flujo de vapor a flujo de residuo atmosfrico. El control de relacin ajustar el flujo de vapor a inyectar. Una disminucin de la presin del sistema incrementa los requerimientos de vapor del sistema de eyectores y Un aumento en la presin de sistema incrementa los requerimientos de vapor y tambin incrementa los requerimientos de rea seccional.3.12 DESTILACIN AL VACO Presentan las mismas variables salvo a la presin de vaco que se genera en la torre: TEMPERATURA DEL TOPE Controlar el punto inicial de la cabecera de vaco. Se controla Por medio de la inyeccin del reflujo superior fro hacia el tope dela torre. Valor operacional: entre 60 y 75C y el mximo operacional es 80C. Accin impacto: Un aumento de la temperatura ocasiona: Aumento del punto inicial de la cabecera. Aumento del flujo de vapores hacia el condensador. eyectores. Un aumento excesivo de los flujos de vapores trae como consecuencia un descenso en el vaco de la torre.

FLUJO DE VAPOR DE DESPOJAMIENTO Reducir las presiones parciales de los hidrocarburos con la finalidad de aumentar su vaporizacin en la zona de vaporizacin instantnea. Se controla por medio de un control de flujo. .Accin impacto: Una disminucin en el flujo de vapor ocasiona un aumento de las presiones parciales de los hidrocarburos, lo cual significa aumentar la temperatura de salida del horno F-100 para obtener la misma vaporizacin.

3.13 DIAGRAMA DE CONTROL PARA UNA TORRE DE DESTILACIN ATMOSFRICA.

3.14 DIAGRAMA DE CONTROL PARA UNA TORRE DE DESTILACIN AL VACIO.

CAPITULO IV DISCUSION DE RESULTADOSLa destilacin es el proceso de separacin donde se busca separar los componentes de una mezcla a travs de sus puntos de ebullicin, sin afectar la estructura molecular de estos. Existen 2 tipos de destilacin en las plantas procesadoras de crudo: la destilacin atmosfrica y la destilacin al vaco. La diferencia fundamental entre las unidades atmosfricas y al vaco es la presin de trabajo, siendo de 1 a 5 atmosferas y 20 mm Hg respectivamente, dependiendo del tipo de crudo a destilar.Para disear una torre de destilacin existen varios mtodos y se clasifican en mtodo grficos, mtodos cortos y mtodos rigurosos. El mtodo grfico, es solo para el anlisis de una torre de destilacin con una mezcla binaria, y solo son tiles para un diseo muy preliminar entre ellos tenemos McCabe-Thiele. Los mtodos cortos emplean ecuaciones que relacionan los parmetros importantes en la torre sin integrar mtodos de prediccin de propiedades en sus clculos, y son aplicables a destilacin multicomponente. Algunos de estos mtodos son Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) y Edminster. Los mtodos rigurosos involucran modelos matemticos y son bastante complejos, de tal manera que se encuentra programado en simuladores de procesos. Estos mtodos son cada vez ms usados dada su exactitud. Algunos ejemplos de estos mtodos son punto de burbuja, correccin simultnea. Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y presin del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases liquido-vapor. Las variables crticas del sistema son todas aquellas que afectan directamente a la calidad de los productos, y estas se ven afectadas por las variaciones de la presin y la temperatura de la columna debido a alguna perturbacin. La variable crtica principal es la temperatura del fondo de la torre, esta es la variable principal ya que a travs de esta se obtiene la temperatura necesaria para obtener los cortes laterales en las columnas de despojamiento. Una alta temperatura en el fondo de la torre incrementa la velocidad del vapor lo suficiente como para causar inundacin. Una disminucin en la presin de la torre puede causar un incremento en velocidad del vapor el cual arrastrar el lquido hacia la parte superior de la columna causando inundacin, mientras que un aumento de la presin causa flashing. La temperatura a lo largo de la columna va disminuyendo haciendo posible la extraccin de los cortes laterales. Esto se controlan por medio el reflujo de externo, su nivel de lquido se controla por la cantidad de flujo extrada.

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CONCLUSIONES La destilacin permite hacer una separacin de los componentes de una mezcla de hidrocarburos aprovechando sus diferentes puntos de ebullicin. La destilacin atmosfrica y al vaco es el primer proceso que aparece en una refinera de petrleo. El objetivo de la destilacin es extraer los hidrocarburos presentes naturalmente en el crudo, sin afectar la estructura molecular de los componentes. La destilacin atmosfrica es el primer proceso de refinacin al que es sometido un crudo despus de la deshidratacin. Para disear una torre de destilacin existen varios mtodos y se clasifican en mtodo grficos, mtodos cortos y mtodos rigurosos. Los paramentos termodinmicos que gobiernan la destilacin son la temperatura y presin del sistema. La presin intervienen con mayor influencia para mantener constante la calidad de los productos, tanto en cima como en fondo de la columna. El control de la temperatura provee una forma simple de estabilizar el perfil de composicin y temperatura a lo largo de la columna. Las variables crticas de operacin de la unidad son: Temperatura de salida de crudo del horno, Presin en el tope de la torre, Temperatura en el fondo y en los platos de retiro, y los niveles de lquido en el fondo, rehervidor y las columnas laterales de despojamiento.

BILIOGRAFIA

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