Analisis y Simulación de Procesos de Refinacion Del Petroleo

ANLISIS Y SIMULACINDE PROCESOS DE REFINACIN DEL PETRLEO

ANLISIS Y SIMULACINDE PROCESOS DE REFINACIN DEL PETRLEO

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

MXICO

RAFAEL TORRES ROBLESJ. JAVIER CASTRO ARELLANO

INSTITUTO POLITCNICO NACIONALDireccin de Publicaciones

Arturo Salcido BeltrnDIRECTOR

Jess Espinosa MoralesDIVISIN EDITORIAL

Alicia Lepre LarrosaCUIDADO EDITORIAL

Consuelo Andrade GilCORRECCIN DE ESTILO

Ins Mendoza HernndezFORMACIN

Primera edicin: 2002

D.R. Instituto Politcnico NacionalDireccin de PublicacionesTresguerras 27, 06040, Mxico, DF

ISBN: 970-18-7990-2

CONTENIDO

Prefacio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Subdivisin de una refinera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Equipo principal en los procesos de una refinera . . . . . . . . . . . . . 24Principios para el anlisis y simulacin de procesos de refinacin 26Base de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Anlisis termodinmico de procesos de refinacin . . . . . . . . . . . . . . 33Balance de materia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Sistemas con reaccin qumica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Sistema sin reaccin qumica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35La conservacin de la masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Conservacin de masa en procesos en estado no estacionario 38

Balance de energa y entropa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Balance de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Sistemas cerrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Compresores y expansores operando en rgimen permanente 42Balance de entropa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Aprovechamiento y recuperacin de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . 47El reactor tubular cataltico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48El regenerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Simulacin de procesos de refinacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Cmo realizar una simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Las tcnicas de simulacin digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Diagramas de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67El problema de reflujos en plantas petroqumicas . . . . . . . . . . 68La unidad de cmputo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

7

8 Anlisis y simulacin de procesos de refinacin del petrleo

Diagramas de informacin de flujo a partir de informacindel proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Informacin numrica a partir de diagramas de informacinde flujo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Base de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Propiedades fsicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Informacin sobre el equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Informacin sobre costos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Estrategia en la simulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74La decisin de modelar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Ejemplos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Desarrollo de un programa para modelar un mezclador de

gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Anlisis macroscpico de los fenmenos de transporte en proce-sos de refinacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Transporte de momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Fluidos en reposo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Fluidos en movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Segunda ley de Newton del movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86La ecuacin de Bernoulli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Flujo en conductos cerrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Transporte de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Conduccin de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Conveccin de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Radiacin de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95Mecanismos combinados de transferencia de energa . . . . . . . 96Equipo industrial de transferencia de energa . . . . . . . . . . . . . . 97Anlisis de intercambiadores de paso sencillo. . . . . . . . . . . . . . 98

Transporte de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Transferencia de masa de interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102Teora de la doble resistencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Equipo de transferencia de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Ecuaciones diferenciales para las transferencias de masa, mo-

mentum y de energa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Bibliografa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

PREFACIO

Mxico es considerado en el mundo como un pas con recursos econmi-cos pues tiene petrleo. Sin embargo, esta riqueza se ajusta al vaivn de losprecios internacionales del crudo aunque existe un sentir en todos los sec-tores del pas, que el verdadero problema no son estos precios, sino la grandependencia que tiene el pas en cuanto a los ingresos petroleros; la cargafiscal de Petrleos Mexicanos (Pemex) debe ser mucho menor que la esta-blecida en la actualidad (estimada en 33.4% del ingreso pblico total parael cierre del ao 2000 por la Secretara de Hacienda y Crdito Pblico).

Los recursos que tiene Mxico en el crudo son abundantes y deben seradministrados para prever el futuro y para cuando cambien las condicio-nes econmicas de los precios del crudo. Una de las formas de generar ri-queza con el crudo es procesndolo ya que por cada peso que se puedaobtener al exportar crudo se generan alrededor de diecisis, si ste se pro-cesa o refina y se obtienen productos con un mayor valor agregado.

Dentro de la refinacin del petrleo existen dos caminos para incremen-tar los ingresos: a) aumentando la capacidad de refinacin y b) optimizan-do los procesos de refinacin. Una inversin extra, en el pas, para aumentarla capacidad nacional de refinacin est limitada por la capacidad para al-canzar el financiamiento necesario, lo cual en las condiciones econmicasactuales se antoja difcil. As, la optimizacin de los procesos de refinacinparece ser la alternativa ms viable para mejorar la economa del petrleoen Mxico. Sin embargo, la industria de la refinacin del petrleo es consi-derada como una ciencia compleja y sofisticada, que desde la posguerra haexperimentado tremendos cambios y expansiones.

Por otro lado, de acuerdo con la Memoria de labores (marzo, 2000) expues-ta por Pemex, la tendencia que se observa en la produccin de crudo es quecon el tiempo es mayor la produccin de los aceites crudos y pesados msque la de los ligeros, lo cual representa un reto adicional, por el tipo de pro-cesamiento que se tiene que realizar en el sistema actual de refinacin debi-do a que no fue diseado para este tipo de crudo.

Lo anterior seala la importancia que se debe tener del actual sistema de

9


refinacin del petrleo, por la incidencia en los procesos y su administra-cin, su operacin, su mantenimiento y ahora su optimizacin.

Una de las profesiones que ms relacin tiene con los procesos de la refi-nacin del petrleo es la del ingeniero qumico y a pesar de las estrategiasque se usen para conocer dichos procesos stas no son parte de la currculade materias que cursa durante su carrera, por lo menos en la mayora de lasinstituciones de enseanza superior en nuestro pas. Por lo anterior, aquelque necesite conocer los procesos de refinacin del petrleo lo hace en for-ma autodidacta, recurriendo, en la mayora de los casos a la consulta debibliografas extranjeras.

La intencin que hemos tenido los autores de esta obra es la de subsanaralgunas de esas deficiencias como son: a) no contar con una obra en espaol(en el pas) que permita familiarizarse con los procesos de refinacin delpetrleo y b) una obra que permita ver lo que est detrs de la optimizacinde los procesos de refinacin del petrleo. Ya que la informacin que sepuede encontrar en la literatura abierta no es lo suficientemente precisa, elanlisis que se puede realizar para los procesos no es definitiva y puede me-jorarse, siempre y cuando se cuente con la informacin de los rendimientosy selectividades de los procesos, especialmente los catalticos.

Por lo tanto creemos que el material que se encuentra en esta obra puedeservir al ingeniero de procesos o al estudiante de ingeniera qumica comoherramienta para realizar estudios de anlisis de operacin, que combina-dos con la economa de los procesos pueden convertirse en estudios defactibilidad y tambin de optimizacin. En esencia, trata de cubrir las nece-sidades de entendimiento sobre la naturaleza y los alcances de la industriade la refinacin del petrleo y el conocimiento de los principios fsicos yqumicos que tienen relacin con el anlisis de los procesos de refinacindel petrleo. Adems, contiene una amplia bibliografa la cual puede seruna valiosa herramienta para este tipo de anlisis.

Ningn libro en cualquier parte del mundo ha sido escrito del vaco.Nosotros los autores debemos mucho a varias personas e instituciones: anuestros padres que nos formaron, a nuestras familias que sin ellas no hu-biramos tenido el apoyo moral y sobre todo espiritual, adems del entu-siasmo contagioso que se requiere para realizar una obra como sta, a todosnuestros maestros que nos han ayudado a aprender, a nuestros estudiantesque son la esencia del proceso enseanzaaprendizaje, y principalmente alInstituto Politcnico Nacional, nuestra Alma mater que siempre nos ha apo-yado. Todos han contribuido a lo que somos y al contenido de este libro.

INTRODUCCIN

La industria del petrleo es la ms grande y la que ms se puede extenderde las industrias qumicas de proceso. El impacto que tiene en la economay en la vida, no solamente nacional sino mundial, es tremendo. Adems, deque es la ms compleja, fsica y qumicamente hablando, de todas las in-dustrias qumicas de proceso.

La operacin de una refinera de petrleo es muy compleja tambin ypara reducir esta complejidad al entendimiento de un grupo de procesosse requiere del conocimiento fundamental de los mismos. Por lo tanto, enesta obra describimos en trminos generales una refinera tpica de petr-leo, discutimos tambin en forma genrica las unidades de procesamientoque la conforman y a su vez describimos la relacin funcional que tienendichas unidades de procesamiento o procesos con equipos clave como to-rres de destilacin, bombas, compresoras, turbinas, cambiadores de calor,expansores, etc.; por otro lado, realizamos un anlisis de los fundamentostermodinmicos en que se basa el funcionamiento de los equipos mencio-nados y sobre los fundamentos que rigen la transferencia ya sea de mo-mentum, de calor o de masa que se llevan a cabo en cada equipo. Adems,presentamos un panorama de la simulacin que se puede realizar de unproceso utilizando modelos matemticos que describen en forma aproxi-mada el funcionamiento de los equipos mencionados.

El objetivo global que perseguimos es que sea el vehculo a travs delcual se actualice a un ingeniero de proceso en sus conocimientos funda-mentales de termodinmica y fenmenos de transferencia, as como ini-ciarlo en el campo de la simulacin de procesos.

Como objetivos secundarios pretendemos con este libro que el lectorsea capaz de:

1. Conocer las operaciones principales en una refinera de petrleo.2. Conocer los equipos que se pueden identificar en las operaciones

principales en la refinera.

11


3. Realizar balances de materia, energa y entropa en un equipo delos que se encuentran en la operacin de una refinera, identifican-do las entradas y salidas.

4. Analizar la o las transferencias de momentum, calor y masa que seestn llevando a cabo en un equipo.

5. Conocer los pasos fundamentales para la simulacin de la opera-cin de un equipo.

6. Ayudar a desarrollar la habilidad para realizar un anlisis crticode ingeniera de proceso en las operaciones principales que se pue-den encontrar en una refinera de petrleo.

El trabajo no incluye un tratamiento matemtico riguroso de lasecuaciones que en l se presentan; es decir, se da por sentado que el lectorcuenta con los antecedentes acadmicos necesarios para tomar como cier-tas todas las formulaciones de las leyes y de los principios involucrados enel libro. Tampoco incluye la parte econmica relacionada con la inversinque se requiere para la instalacin de una planta con cualquiera de los pro-cesos que se tratan en el libro; en este aspecto se recomienda consultar laobra de Speight (1991).

La primera pregunta que se hace uno alrededor del petrleo es la de:qu se hace en una refinera de petrleo? A continuacin se responde entrminos de la utilidad que tiene para el ser humano.

Una refinera es una planta de manufactura de productos qumicos ycombustibles. Como se puede observar en la figura 1, la materia prima espetrleo crudo y los productos finales son gasolina, querosina, nafta, com-bustleos, lubricantes, asfalto, azufre, gas y otros productos tiles para elhombre derivados del petrleo; aunque la proporcin en que se elaboranestos productos cambia con el tiempo (Martin,1997) como se muestra acontinuacin:

Ao 1973 1990 2000

Productos ligeros 29.5 35.0 38.0Destilados intermedios 30.0 36.0 40.0Productos pesados 40.5 29.0 22.0

Por otro lado, la dinmica que se observa de la refinacin del petrleoen Mxico seala que aunque la tendencia sea procesar ms crudo pesado,

13Introduccin

la cantidad y la calidad de la gasolina va en aumento (Martin, 1997) y serequiere de una integracin de refinacin y petroqumica (Martin, 1997;Purvis, et al., 1997 y Gonzlez, 1997).

Las variaciones en caractersticas del crudo explican tambin las dife-rencias en su valor econmico (Budusynski, 1988). En trminos generales,los crudos ligeros, comnmente de base parafnica o mixta, cuestan msque los crudos pesados ya que es ms fcil obtener gasolina de ellos pormtodos simples de refinacin; sin embargo, se ha descubierto (Green, etal., 1997) que la gasolina proveniente de crudos pesados tiene comnmentemayores propiedades antidetonantes que la proveniente de crudos ligeros,esto ha cambiado drsticamente la situacin tecnolgica y de operacin deuna refinera.

En Mxico, en una dcada, se han tenido cambios en las reservas depetrleo, as como tambin lo han hecho las caractersticas de los petrleoscrudos. Esto se puede observar en el cuadro 1. Debido a los descubrimien-tos en la Sonda de Campeche ahora se cuenta con el crudo denominadoMarino Ligero, aunque el sistema de refinacin de Pemex procesa 1.3 mi-llones de barriles por da de crudos Istmo-Maya-Olmeca en una relacin56.8/41.7/1.5, respectivamente (Manriquez, et al., 2000).

La refinera convierte el petrleo crudo y produce una variedad dederivados a travs de una serie compleja de reacciones qumicas y de cam-bios fsicos que se pueden englobar bsicamente en las seis siguientes ope-raciones principales:

FIGURA 1. Entradas y salidas en una refinera.

ServiciosCompuestos de plomo

y otros aditivos

Desechostratados

Azufre(subproducto)

Gas licuado de petrleo

Gasolinas con y sin plomo

Combustleos

Asfaltos

Coque

Petrleo crudoREFINERA


Fraccionar: porque separa una mezcla de hidrocarburos lquidos en di-versos grupos especficos que incluyen a la gasolina, el diesel, los combus-tibles y otras sustancias ms ligeras.

Desintegrar: porque rompe los hidrocarburos grandes, conviertin-dolos en compuestos ms pequeos y de mayor utilidad. La desintegra-cin puede llevarse a cabo trmica o catalticamente.

Rearreglar: porque con altas temperaturas y con catalizadores rearre-gla la estructura qumica de los hidrocarburos del petrleo. Algunos hidro-carburos de cadena lineal son transformados en hidrocarburos cclicos o decadena circular; del mismo modo los hidrocarburos cclicos son transfor-mados.

Combinar: porque hace reaccionar dos o ms hidrocarburos o no hi-drocarburos, tales como el azufre o el hidrgeno, para obtener otros pro-ductos que son considerados como mejorados.

Tratar: porque convierte materiales contaminantes a una forma talque pueden ser desechados al medio ambiente sin causar problemas eco-lgicos.

Mezclar: porque combina diferentes lquidos para producir los mate-riales finales con ciertas propiedades deseadas.

CUADRO 1. Propiedades del petrleo crudo mexicano y su evolucin

Crudo, Istmo Maya Olmeca Marino ligero

propiedades 1991 2000 1991 2000 1991 2000 1991 2000

Gravedad, API 34.8 32.9 22.2 21.5 39.8 38.9 N E 34.5Azufre, % peso 1.5 1.4 3.3 3.4 0.8 0.93 N E 1.23

Viscocidad, cst 7.4 8.8 205.0 170.1 4.1 4.22 N E 6.7125 C 20 C 20 C 20 C 20 C 20 C 20 C

Punto de fluidez, C 45 36 36 30 39 45 N E 42Residuo de carbn 4.0 4.5 12.0 10.8 1.5 2.8 N E 3.87Conradson, % peso

Acidez, 0.14 0.46 0.28 0.43 0.029 0.8 N E 0.26mg KOH/g

Vanadio/niquel, ppm 41/7 38/8 314/52 278/53 0.9/0.1 8/2.5 N E 23.9/5.2

C5, % en volumen 0.2 1.3 0.1 0.3 1.0 1.8 N E 0.2

(C4) (C4

) (C4)

Fuente: Manriquez, et al., (1991) y Manriquez, et al., (2000)

15Introduccin

As, una refinera recibe petrleo crudo, fracciona, desintegra, refor-ma, combina y mezcla materiales para producir: gasolina con o sin mejo-rador del octanaje o tambin llamado antidetonante que es un compuestooxigenado que se le adiciona a la gasolina (Chang y Leiby ,1992), gas licua-do de petrleo o gas LP, combustleos, asfaltos, coque y azufre como sub-producto, agrega otros compuestos aditivos. As como, usa (genera y/ocompra) una variedad de servicios y materiales tales como la electricidad,aire, agua, nitrgeno, hidrgeno y catalizadores y finalmente retorna mate-riales de desecho al medio ambiente, despus de que se les ha dado un tra-tamiento adecuado para evitar la contaminacin.

Subdivisin de una refinera

Una refinera tpica podra ser subdividida en doce procesos o unidades,aunque en ocasiones podr contar con ms, dependiendo de si se integranlos procesos que elaboran compuestos oxigenados. En este libro solamentemencionaremos brevemente la relacin operacional que tienen estos pro-cesos, as como la funcin principal que cumplen, los flujos que manejan ylos productos elaborados en cada uno de ellos. Esta relacin se puede ob-servar esquemticamente en la figura 1.

Destilacin primaria de crudo: este proceso inicia la refinacin del petr-leo y su funcin es separar los diferentes componentes del crudo en unatorre de destilacin. Los productos del proceso son gas combustible, gaso-lina de destilacin directa, naftas ligera y pesada, combustleos y crudo re-ducido (vase la figura 2).

Destilacin al vaco: en este proceso se alimenta el crudo reducido de ladestilacin primaria y su funcin es la de separar an ms esta fraccinrealizando una destilacin al vaco. Los productos obtenidos son los si-guientes: gasleos ligero y pesado, aceites lubricantes, asfalto o combust-leo pesado y la alimentacin del coquizador (vase la figura 3).

Hidrodesulfuracin: en esta unidad se purifica la corriente alimentadaeliminndole bsicamente los compuestos de azufre; tambin se eliminannitrgeno, oxgeno y metales pesados. Todo esto es con objeto de protegerlos catalizadores empleados en otros procesos de la refinera. Los flujos deentrada que se manejan en este proceso son hidrocarburos seleccionadosde la destilacin primaria con hidrgeno convirtiendo los compuestos de


FIGURA 3. Destilacin al vaco.

Crudoreducido

CALENTADORAL VACO

725F

Asfalto o combustleo pesado

Alimentacin a coquizador

TORREAL

VACO

Gasleo pesadomateria prima para

aceite lubricante

Gasleo ligero

Eyectores

40 a 50% de capacidad de la primariarecuperacin de energa: calentamiento.

FIGURA 2. Destilacin primaria.

Petrleocrudo

Cambiadorde calor

270-290 F DESALADORA

Electricidad

470-500 FCambiador

de calor

CALENTADORDE CRUDO

640-670 FFR

AC

CIO

NA

DO

R D

E C

RU

DO

Crudo reducido

Combustibles destilados

Nafta

Gasolina de destilacin

(65-80 octano)

Gas combustible

Recuperacin de energacambiadores de calor

(Corrosin)

17Introduccin

azufre en sulfuro de hidrgeno el cual se elimina en forma gaseosa. Losproductos del proceso son: gasolina desulfurizada, naftas ligera y pesadadesulfurizada, o combustleos desulfurizados o combustleos catalticosdesulfurizados (vase la figura 4).

Reformacin: la nafta desulfurizada se bombea a este proceso, el cualcumple la funcin de rearreglar los hidrocarburos por medio de desinte-gracin en catalizadores de platino-aluminio y bimetlico para producirgasolina de alto octano. Los productos de la unidad son: gasolina reforma-da de alto octano, hidrgeno, gas combustible y residuos ligeros como lospropanos C3s y butanos C4s (vase la figura 5).

Isomerizacin: en este proceso se emplea como materia prima la gasoli-na producto de la destilacin primaria y desulfurizada por la hidrodesul-furizacin. En este proceso tambin son rearreglados o reacomodados los

FIGURA 4. Hidrodesulfuracin.

TAMBORDE CARGA

CALEN-TADOR

RE

AC

TO

R

SEPA

RA

DO

R

TAMBOR DEFLASHEO

COMPRESOR DERECIRCULACIN

DE GAS

ACUMULADORDE

EVAPORADOS

Gasolinadesulfurizada de

destilacin directa

Evaporadosdel

separador

Gas H2S aunidades de azufre

Condensador

Co-MoNi-Mo

Hidrgenode repuesto

Gas H2S aunidad de azufre

600-760 F

Nafta desulfurizada

Combustibles destiladoscombustleosdesulfurizados

Combustleo ligero

Combustleo pesado

La alimentacin puede ser gasolina de destilacin directa o nafta ocombustibles destilados o gasleo ligero o gasleo pesado, los prime-ros provenientes de unidades de destilacin de crudo y coquizador ylos ltimos provenientes del desintegrador cataltico.


hidrocarburos de la gasolina, en presencia de un catalizador de platino ode cloruro de aluminio. El producto es la gasolina de alto octano y gas com-bustible (vase la figura 6).

Desintegracin cataltica: el gasleo ligero producido en la destilacinal vaco sirve esencialmente de carga en este proceso, el cual cumple la fun-cin de romper los hidrocarburos del gasleo con ayuda de un catalizadorque normalmente es de compuestos de slice-aluminio. Durante el proce-so se forma coque (depsitos de carbn), que se deposita en el catalizadorreduciendo con esto su actividad cataltica. El catalizador se regenera que-mando el coque con aire. Los productos en este proceso son gasolina cata-

FIGURA 5. Reformacin.

CALENTADORES

850-1000 F

200 a 900 psigREACTORES

Gas combustible

Hidrgenoa hidrodesulfurizador

y a la plana de H2 Agua deenfriamiento

ACUMULADORDE

EVAPORADOS

Residuos ligeros aprocesamiento

adicional C3s y C4s

REHERVIDOR

Vapor

Gasolina reformadade alto octano

EST

AB

ILIZ

AD

OR

COMPRESOR DERECIRCULACIN

TAM-BORDE

FLA-SHEO

Agua deenfriamiento

Nafta pesadadesulfurizada

C6 a C12Parafinas decadena larga

19Introduccin

ltica, destilados ligeros y gasolina que se emplean como combustleosdestilados (vase la figura 7).

Alquilacin: los compuestos de cuatro tomos de carbono, butilenos ybutanos y algunas veces los de tres tomos de carbono, propilenos, queprovienen de otros procesos en la refinera, se hacen reaccionar en esta uni-dad de alquilacin para formar el alquilado ligero. En esta unidad se utili-za como catalizador el cido fluorhdrico o cido sulfrico. Los productosdel proceso son: alquilado ligero de alto octano y gas licuado del petrleo oLP (vase la figura 8).

Polimerizacin: en este proceso son aprovechados los polipropilenosque se producen en la desintegracin cataltica hacindolos reaccionar en-tre s y en presencia de un catalizador con base en el cido fosfrico o deslice. En este proceso se producen la gasolina de polimerizacin de altooctano y gas licuado del petrleo o LP (vase la figura 9).

Coquizacin: los residuos de la destilacin al vaco son desintegradostrmicamente para convertirlos en combustibles ligeros y en coque. Losproductos en este proceso son: gas combustible, nafta, gasleos ligeros ypesados y coque (vase la figura 10).

Recuperacin de azufre: en varios procesos de una refinera se producecido sulfhdrico (H2S); en la mayora de las hidrodesulfuradoras ste esrecolectado en forma gaseosa o disuelto en soluciones de amina y es con-

FIGURA 6. Isomerizacin.

Gasolina desulfurizadade destilacin directa

C5s o C6s

CALEN-TADOR

450 a 500 F

REACTORDE

ISOMERIZACIN

Hidrgeno derepuesto

Gasolina dealto octano

Gascombustible

REACTOR DE ISOMERIZACIN

DE RESIDUOS

TAMBORDE FLASHEO

EST

AB

ILIZ

AD

OR


FIGURA 8. Alquilacin.

Gas LP

DE

PR

OPA

NIZ

AD

OR

Acumulador

N-C4 (Butano)a almacenaje

Isobutano

Desechos alquemador

RE

GE

NE

RA

DO

RD

E

CID

OFL

UO

RH

DR

ICO

(H

F)

Recirculacin deisobutano

SEDIMENTADORDE CIDO

cidofluorhdrico

Cambiadorde calor

SEPA

RA

DO

RD

E I

SM

ER

OS

Faselquida

Agua

Butanos deresiduos ligeros

60-90 F

Isoclano u octanoalquilado ligero de

alto octano

ACUMULADORDE EVAPORADOS

ACUMULADORDE EVAPORADOS

REACTOR

FIGURA 7. Desintegracin cataltica.

REACTOR850 a

1020 F10 a 25

psigGas dechimenea

SEPARADOR

VaporElevado

res

Aire

caliente

Carga degasleo

vaporizadaRecirculacin

CsC44 =C3C2C2 =

Gasleo ligerode circulacin

Gasleo pesado

Separador

90 a 95 octano

Destilados ligeros

Gasleoligero

ACUMULADOR

FRA

CC

ION

AD

OR

REGENE-RADOR1100 F

21Introduccin

FIGURA 9. Polimerizacin.

REACTORES

Propilenoscatalticos Gasolina de

polimerizacin

VaporREHERVIDOR

Gas LP

Agua deenfriamiento

350 a400 F

DOMO DE VAPOR

Vapor derefinera

Agua dealimentacin

de caldera

DEPRO-PANI-

ZADOR

RECEPTOR DEEVAPORADOS

FIGURA 10. Coquizacin.

COQUE

CALEN-TADOR

900 a 950 F

TAM-BORES

DECOQUE

COQUE

ACUMU-LADOR

Gas combustible

Nafta

Vapor

Gasleo pesado Gasleoligero

SEPA

RA

DO

RD

E G

AS

LE

OL

IGE

ROFRACCIONADOR

Residuos dedestilacin al vaco


vertido en materiales ms comerciales que son el azufre y el cido sulfri-co. El producto de la unidad es azufre (vase la figura 11).

Mezclado de gasolina: en esta unidad se reciben todos los componentespara el mezclado de gasolinas, estas provienen de diferentes unidades.Una vez formada una mezcla se le agregan aditivos que son compuestosoxigenados (Chang y Leiby, 1992); ter metil ter-butlico (MTBE) o termetil ter-amlico (TAME)) que sirven como antidetonantes y que dan losgrados de octanaje necesarios en las gasolinas con antidetonante de alto ybajo octano. Cuando no se les agrega ningn compuesto oxigenado se ob-tienen las gasolinas de alto y bajo octano y gasolina de aviacin (vase lafigura 12).

Unidad de servicios auxiliares: en esta unidad se da un soporte tcnico alos otros once procesos suministrndoles vapor de agua de alta, media ybaja presin, electricidad, aire comprimido y agua de enfriamiento. En al-

FIGURA 11. Recuperacin de azufre.

Agua dealimentacin Vapor

Aire

Sopladorde aire

Gas H2S

REACTORTRMICO 250 F

Quemadorelevado

REACTORESCATALTICOS

600 F

Gas residual

FOSA DE AZUFRE

Azufre

CONDENSADORES DE AZUFRE

23Introduccin

b) Mezclado por carga.FIGURA 12. Preparacin o mezclado de gasolinas (el mejorador del octanaje es un com-puesto oxigenado que puede ser el ter metil ter-butlico (MTBE) o el ter metil ter-amlico(TAME)).

GASOLINA DE AVIACIN,BAJO PLOMO100 OCTANO

GASOLINA DE AVIACIN,100 OCTANO


GASOLINA SINPLOMO

ALTO OCTANO

GASOLINA SIN PLOMOREGULAR

GASOLINASIN PLOMO

GASOLINACON PLOMO

GASOLINA CONPLOMO REGULAR

GASOLINA CON PLOMOALTO OCTANO

PLOMO

BOMBASDE MEZCLA

TANQUES DEALMACENAJE

GASOLINA DEISOMERIZACIN

GASOLINA DEREFORMADO

GASOLINACATALTICA

GASOLINA DEALQUILADO

GASOLINADIRECTA

GASOLINA DEPOLIMERIZACIN

a) Mezclado continuo.

PLOMO

BOMBAS DEMEZCLA

GASOLINA DEISOMERIZACIN

GASOLINA DEREFORMADO

GASOLINACATALTICA

TANQUES DEALMACENAJE

GASOLINA DEALQUILADO

GASOLINADIRECTA

GASOLINA DEPOLIMERIZACIN

GASOLINASIN PLOMO

GASOLINACON PLOMO

GASOLINA SINPLOMO REGULAR

GASOLINA SINPLOMO ALTO OCTANO



GASOLINA DE AVIACINBAJO PLOMO100 OCTANO

GASOLINA CONPLOMO REGULAR

GASOLINA CONALTO OCTANO


gunas refineras se utiliza parte del vapor para producir electricidad y enotras la electricidad se compra y se utiliza totalmente el vapor generadoen una caldera para los procesos. El calor necesario para la produccin delvapor proviene del quemado de combustibles y derivados del petrleo debajo valor comercial provenientes de los diferentes procesos (vase la fi-gura 13).

Equipo principal en los procesos de una refinera

A pesar de las diferencias en funcin, y en los flujos y productos que mane-ja cada uno de los doce procesos esenciales de una refinera el equipo deproceso con que cuenta cada unidad es muy similar. De ah que se puedahacer un listado del equipo principal que se tiene en cada proceso y se pue-den resumir operaciones modulares que sirvan para cualquiera de ellos.

Destilacin primaria: bombas, cambiadores de calor, desaladora, calen-tador, y torre de fraccionamiento (vase la figura 2).

Destilacin del vaco: calentador, torre de destilacin al vaco, eyector(vase la figura 3).

FIGURA 13. Unidad de servicios auxiliares.

ABASTECIMIENTODE AGUA (LAGO,

RO, ETC.)

UNIDAD DETRATAMIENTO

DE AGUA DEALIMENTACIN

A CALDERA

DRENAJE DETRATADO

AGUA DEDESECHO

VAPOR AUNIDADES

CLOROAIRE

A USUARIOSEN LA PLANTA

AIRE DEINSTRUMENTOS SECADOR

Y FILTRO

A USUARIOS

AIRECOMPRIMIDO

COMPRESORESDE AIRE

AIREATMOSFRICO

COMBUSTLEO OGAS COMBUSTIBLE

AIRE

TURBINA

GENERADOR

VAPOR DEESCAPE

CALDERA

VAPOR

VAPOR AGUAA UNIDADES

ENERGA ELCTRICADE ALTO VOLTAJEUNIDAD DE

DISTRIBUCINELCTRICA

GASES RESIDUALESA CHIMENEA

PRINCIPAL

AGUA DEALIMENTACIN

DE CALDERA

25Introduccin

Hidrodesulfuracin: tanque de carga, bomba, cambiador de calor, ca-lentador, reactor, tanque de vaporizacin instantnea (flasheo), compresor,separador, rehervidor, condensador y acumulador (vase la figura 4).

Reformacin: bombas, cambiadores de calor, calentador, reactor, en-friador, tanque de flasheo, compresor, estabilizador, rehervidor, condesa-dor y acumulador (vase la figura 5).

Isomerizacin: calentador, reactor, cambiador de calor, enfriador poraire, tanque de flasheo, compresor y estabilizador (vase la figura 6).

Desintegracin cataltica: reactor, sedimentador, regenerador, separa-dor, rehervidor y torre de destilacin depropanizadora (vase la figura 7).

Alquilacin: reactor-sentador, separador de ismeros, torre de destila-cin (depropanizadora), sedimentador, acumulador y regenerador de ci-do (vase la figura 8).

Polimerizacin: bomba, cambiador de calor, domo de vapor, reactor,torre de destilacin depropanizadora, condensador, receptor y rehervidor(vase la figura 9).

Coquizador: tanques de coque, calentador, torre de fraccionamiento,enfriadores por aire, acumulador, bombas, cambiadores de calor, separa-dor (vase la figura 10).

Recuperacin de azufre: soplador, reactores, condensadores, quemador,fosa y bomba (vase la figura 11).

Mezclado de gasolina: tanques de almacenamiento y bombas (vase lafigura 12 ).

Servicios auxiliares: calderas, bombas, compresor, generador elctricoy sistemas de tratamiento de agua (vase la figura 13).

En esta manera se pueden resumir, en forma modular; las operacio-nes en donde cada mdulo tiene cierta funcin que vara de proceso enproceso. La diferencia entre aplicar un cierto mdulo de operacin deun proceso a otro, sern los flujos de entrada y salida y sus caractersticasde composicin.

Los mdulos comunes son: bomba, cambiador de calor, compresor,expansor, torre de destilacin, turbina, eyector, tanque, recipiente, reactory flash. Los reactores pueden ser de diferente tipo segn su geometra, sucontenido y sus alimentaciones.


Principios para el anlisis y simulacinde procesos de refinacin

Desde el punto de vista fsico y qumico la industria del petrleo es la mscompleja de todas las industrias qumicas de proceso. Sin embargo, se pue-de lograr un entendimiento total de su funcionamiento, sin adentrarse enlos problemas de diseo, construccin y funcionamiento, a travs del estu-dio de los principios o fundamentos en que se basa la operacin de estaindustria.

Como se ha mencionado la refinacin del petrleo es esencialmenteun proceso de separacin que involucra principalmente la destilacin y se-guido de algunas modificaciones qumicas necesarias para poder obtenerproductos deseables (procesos de reaccin). As, podra asegurarse queesta industria posee dos tipos de procesos: los fsicos y los qumicos. El es-tudio de estos procesos se puede realizar tomando en cuenta que stos de-ben de cumplir ciertos requisitos fundamentales o principios en los cualesestn basados. Estos principios son:

a) La conservacin de la materiab) La conservacin de la energac) La conservacin del momentumd) El principio del incremento de entropa

Un anlisis completo de los procesos se realiza cuando se estudianbajo estos principios. Cuando se aplican nicamente los tres primeros sedice que se aplican los fenmenos de transferencia o transporte de masa,energa y momentum, respectivamente y que se llevan a cabo en ellos comoresultado de su operacin o funcionamiento.

Por otro lado, como ya se ha dicho, el nmero de compuestos conteni-dos en el petrleo es vasto y as se hace necesaria la caracterizacin de losproductos del petrleo en funcin de sus propiedades fsicas, termodin-micas y de transporte, para con ello identificar las corrientes involucradasen una operacin.

De aqu que, con la identificacin de los fenmenos de transferencia,la caracterizacin de las diferentes corrientes y la aplicacin de los princi-pios fundamentales en cada operacin del proceso de refinacin del petr-leo se puede lograr un anlisis integral del mismo. El anlisis se facilita atravs del uso de la simulacin del proceso.

27Introduccin

A continuacin daremos una breve y concisa descripcin de lo que seconsidera ms importante en el anlisis de cualquier proceso lo cual co-rresponde a la base de datos fsicos, termodinmicos y de transporte de loscomponentes que conforman las corrientes en las operaciones de la re-finacin del petrleo.

CUADRO 2. Fracciones obtenidas en la destilacin primaria.

Distribucion aproximadaIntervalo en punto de hidrocarburos presentes

Fraccin de ebullicion en C en la fraccinGas Abajo de 32.2 C1 a C5Nafta ligera 32.2 a 93.3 C5 a C7Nafta pesada 76.7 a 204.4 C6 a C12Querosina 176.7 a 287.8 C12 a C18Combustleo 198.9 a 326.7 C15 a C18Gasleo Arriba de 260.0 C16 a C21Residuo primario Arriba de 301.7 C20 en adelante...

Base de datos

La caracterizacin de las fracciones del petrleo en trminos de sus propie-dades fsicas, termodinmicas y de transporte, es necesaria para realizarun anlisis de las operaciones de la refinacin del petrleo. La diversidadde productos y su composicin es muy vasta en las corrientes que se ma-nejan en la refinacin; como ejemplo que ilustra lo anterior, se tienen lasfracciones resumidas en el cuadro 2 en donde se puede observar una carac-terizacin en trminos del intervalo de punto de ebullicin y la distribu-cin de hidrocarburos presentes (Miquel y Castells 1993). Los parmetrosbsicos necesarios para el uso de mtodos de correlacin y prediccin delas propiedades que se enlistan en el cuadro 3 son: promedios de puntosde ebullicin (medio, molar, en peso, cbico o volumtrico); gravedad es-pecfica; peso molecular; curvas de pendientes en el punto de ebullicin; elfactor de Watson, la temperatura crtica; la presin crtica; los parmetrosde estados correspondientes, y ciertos anlisis de tipo molecular (Kayan yYorulmaz, 1977).


CUADRO 3. Propiedades necesarias para la caracterizacin de un productoo corriente en la refinacin del petrleo.

Termodinmicas Capacidad calorficaEntalpaCalor vaporizacinRelacin o constante de vaporizacinCurva de vaporizacin instantnea (flash)Factor de compresibilidad

Transporte ViscosidadConductividad trmicaDifusividad

Fsica Volumen especficoDensidad

T. Daubert (1980, 1991) ha revisado los mtodos predictivos de pro-piedades fsicas, termodinmicas y de transporte de productos y fraccio-nes del petrleo. Esta referencia representa un buen punto de partida paraconocer el estado actual en que se encuentran este tpico.

Con respecto al equilibrio lquido-vapor y la prediccin en fraccio-nes del petrleo Mikolaj y Dev (1971) han encontrado una correlacin quepredice este equilibrio y es aplicable a una amplia variedad de especiesqumicas y sobre un amplio intervalo de temperatura y presin. Todo estorepresenta para un ingeniero de proceso, desenvolvindose en las indus-trias de la refinacin del petrleo y petroqumica, no slo algo deseablesino esencial. Por otro lado, los avances que se han logrado en materia deecuaciones de estado y reglas de mezclado para la prediccin no tan slodel equilibrio lquido-vapor sino del equilibrio lquido-lquido, ayudan alingeniero de proceso a manejar las corrientes en forma analtica (Daz,2000).

Las corrientes que se tienen en un proceso qumico llevan a cabo cam-bios en composicin, temperatura y presin por lo que el problema demantener un conocimiento total sobre cada una de ellas es compleja. Sinembargo, ya que se ha entendido el cmo cada equipo afecta a cada co-rriente, el problema se transforma en una manipulacin adecuada de lasleyes de conservacin de momentum, materia y energa. En los temas subse-

29Introduccin

cuentes se har una revisin de los principios fundamentales relaciona-dos con:

1) El anlisis termodinmico de los procesos de refinacin2) La simulacin de los procesos de refinacin3) El anlisis macroscpico de los fenmenos de transferencia en los

procesos de refinacin.

A continuacin se realiza un clculo que muestra el manejo de co-rrientes, la base de datos termodinmicos y el equilibrio lquido-vapor demezclas de hidrocarburos que se pueden encontrar en cualesquiera de losdoce procesos hasta ahora descritos.

CUADRO 4. Composicin tpica de una gasolina desulfurizada de destila-cin directa.

Componente Fraccin Molar

n-Butano 0.0061Neo-pentano 0.2831Iso-pentano 0.2859n-pentano 0.0271Ciclopentano 0.03982 metil-pentano 0.12003 metil-pentano 0.0690n-hexano 0.1219Metil-ciclopentano 0.0268Benceno 0.0142Ciclohexano 0.0050n-heptano 0.0020

La figura 6 muestra el proceso de isomerizacin que se utiliza para ge-nerar gasolina de alto octano a partir de gasolina desulfurizada que contie-ne esencialmente hidrocarburos con cinco y seis tomos de carbono. Unacomposicin tpica, de esta gasolina, se muestra en el cuadro 4. Cuandosta es mezclada con la corriente de hidrgeno y gases ligeros (contenien-do el hidrgeno de repuesto) da como resultado la alimentacin al calenta-dor que es la misma que la del reactor de isomerizacin (vase la figura 7);


la composicin de esta corriente se muestra en el cuadro 5. La temperaturaque alcanza esta mezcla est por debajo de la que debe ser alimentada alreactor de isomerizacin. Por esto se tiene el calentamiento previo hastaalcanzar una temperatura de entre 450 a 500F (232 a 260C).

CUADRO 5. Composicin tpica de la alimentacin al reactor de isomeri-zacin y su composicin a la temperatura de roco (463.8 K) a una presinde 33.8 bar.

Fraccin molarFraccin molar del lquido en el

Componente de la alimentacin punto de roco

Hidrgeno 0.1371 0.0265Metano 0.0066 0.0018Etano 0.0064 0.0027Propano 0.0053 0.0030Iso-butano 0.0001 9.4x10-5n-Butano 0.0050 0.0039Iso-pentano 0.2392 0.2362n-pentano 0.2417 0.25222,2-dimetil butano 0.0225 0.0271Ciclopentano 0.03389 0.03892 metil-pentano 0.10162 0.13113 metil-pentano 0.05831 0.0773n-hexano 0.10304 0.1425Metil-ciclopentano 0.02251 0.0319Benceno 0.01144 0.0162Ciclohexano 0.00403 0.0061n-heptano 0.00135 0.0024

Despus se muestra el clculo del equilibrio de fases de la mezcla ali-mentada al calentador para mostrar los diferentes estados de agregacinque se pueden alcanzar con una misma mezcla; sta es manejada a diferen-tes condiciones de temperatura y presin. La presin a la que opera el reac-tor es de aproximadamente 34kg/cm2 (33.8 bar). Realizando un clculo,utilizando la ecuacin de estado de Peng Robinson (1976), de la temperatu-ra a la que puede condensarse la primera gota de la mezcla, en caso de que

31Introduccin

estuviera completamente en fase gaseosa (temperatura de roco) resultarade 463.72K (834.7R). Por otro lado, si la mezcla estuviera completamenteen estado lquido y se deseara conocer la temperatura a la que la mezclaproducira el primer vapor (temperatura de burbuja), la misma ecuacinde estado da la respuesta de 50.0K (90R).

CUADRO 6. Equilibrio lquido-vapor de la mezcla reaccionante antes de lareaccin de isomerizacin a T = 433.15 K , P = 37.8 bar y V/F = 0.295*.

Fraccin molar Fraccin molarComponente en el lquido en el vapor

Hidrgeno 0.0369 0.3766Metano 0.0027 0.0157Etano 0.0041 0.0119Propano 0.0043 0.0076Iso-butano 0.0001 0.0001n-Butano 0.0049 0.0053Iso-pentano 0.2577 0.1951n-pentano 0.2658 0.18392,2-dimetil butano 0.0258 0.0144Ciclopentano 0.0385 0.02302 metil-pentano 0.1194 0.05913 metil-pentano 0.0690 0.0327n-hexano 0.1233 0.0546Metil-ciclopentano 0.0271 0.0116Benceno 0.0138 0.0059Ciclohexano 0.0049 0.0019n-heptano 0.0017 0.0005

* V/F es la relacin entre la masa de vapor y la masa alimentada y es comnmente deno-minada fraccin vaporizada.

Por lo tanto, suponiendo que la presin se mantiene en la requeridapara realizar la alimentacin al reactor, al mezclar las corrientes de gasoli-na desulfurizada de destilacin directa y el hidrgeno requerido en la reac-cin de isomerizacin, la temperatura resultante podra estar entre la delpunto de roco y la del punto de burbuja y con ello se estara manejandouna mezcla lquido-vapor a la entrada del calentador. El cuadro 6 mues-


tra un clculo de equilibrio de fases a una temperatura intermedia entre lade burbuja y la de roco para mostrar la porcin de la mezcla que ira co-mo lquido y la de vapor, as como sus composiciones en ambas fases; esteclculo fue realizado empleando tambin la ecuacin de estado de PengRobinson (1976).

El cuadro 5 tambin muestra la composicin que tendra la primeragota de lquido que se obtiene en el punto de roco de la mezcla gaseosa alas condiciones de presin de 37.8 bar. Como puede observarse la composi-cin de los compuestos isopentano y n-pentano es parecida en las fasesvapor y lquida. Si se continuaran los clculos del equilibrio lquido-vapor,a presin constante, se observara que esta pequea diferencia se mantienehasta alcanzar la temperatura de burbuja de la mezcla. La composicin dela mezcla que se toma en el equilibrio lquido-vapor descrito en el cuadro 6es la que se indica en el cuadro 5.

33Anlisis termodinmico de procesos de refinacin

ANLISIS TERMODINMICO DEPROCESOS DE REFINACIN

Los principios bsicos de los procesos de refinacin se pueden expresar enforma sencilla; sin embargo, su aplicacin a situaciones prcticas es en oca-siones bastante difcil. En este captulo desarrollamos y aplicamos los ba-lances de masa, energa y entropa. Tambin hacemos observaciones acercade dnde y cmo puede haber aprovechamiento y recuperacin de energaen la refinacin del petrleo.

Balance de materia

La ley de la conservacin-reacciones atmicasPara un sistema abierto como el que se muestra en la figura 1.1, la

masa y la energa deben conservarse. En la figura Re y Rs son, en el caso msgeneral, las entradas y salidas de materiales totales al y del sistema, respec-tivamente y Ra son las acumulaciones en el sistema de las masas de las es-pecies nucleares elementales o sus equivalentes de masa o de energa.

Para un sistema abierto a un cierto intervalo de tiempo, el balance demasa es:

R R Re s a = (1.1)

Cuando existen flujos de masa de entrada y de salida en el sistemaabierto, el volumen que se encuentra dentro de la lnea punteada, en la fi-gura 1.1, se le llama volumen de control y a la superficie que denota la lneapunteada se le llama superficie de control.

Sistemas con reaccin qumica

Como se ha visto hasta ahora, varias fracciones de la destilacin fracciona-da del crudo necesitan de una modificacin qumica para obtener produc-

33


tos tiles. Cuatro son los procesos de una refinera bsica y que principal-mente contribuyen con productos tiles para la elaboracin de combusti-bles: el cracking cataltico, la reformacin cataltica, el hidrocraqueo, laisomerizacin y la alquilacin.

En trminos generales, la situacin en una reaccin qumica es que nose obtienen 100% de productos a partir de los reactantes, ya sea porque lasreacciones son incompletas o porque hay otras reacciones que compitencon la que se quiere. Sin embargo, el balance de materia debe tomar encuenta toda la masa de entrada y toda la de la salida y no solamente lascantidades que reaccionan, as como tambin los reactantes que entran enexceso y aquellas sustancias que no reaccionan, los que son consideradasinertes y las que pueden llegar a estar presentes.

As para realizar un balance de materia en presencia de reaccionesqumicas, los sistemas, que intervienen en estos procesos, adems de obe-decer la ley de conservacin de masa debe seguir las leyes de las pro-porciones definidas, de las proporciones mltiples y de las proporcionesrecprocas.

La ley de las proporciones definidas dice as: un compuesto qumico enparticular siempre contiene los mismos elementos y en las mismas proporciones enpeso.

La ley de las proporciones mltiples dice as: si dos o ms elementos secombinan para formar ms de un compuesto, ellos se combinarn en pesos mlti-ples que estn en la relacin de pequeos nmeros enteros.

La ley de las proporciones recprocas dice as: los pesos de dos o mssubstancias que reaccionan en forma separada con pesos idnticos de un terceroson mltiplos simples de los pesos que reaccionan entre cada uno.

Estas leyes fueron establecidas en el ao de 1800 y llevaron al investi-gador Dalton a establecer su hiptesis de que los elementos se conservan

Frontera

FIGURA 1.1. Conservacin de masa en un sistema cerrado.

Frontera

R e

Entrada

R eSalida

R eAcumulacin


en una reaccin qumica. As, se pueden hacer balances de masa elementalas como total.

Sistema sin reaccin qumica

En una refinera de petrleo en la mayora de los procesos se tienen opera-ciones de separacin y/o mezclado en donde no se lleva a cabo una reac-cin qumica y as los compuestos qumicos, la masa total y los elementosindividuales son conservados.

La conservacin de la masa

Aunque comnmente se tiene una idea global de los procesos, siempresurge la pregunta acerca de cunto producto puede elaborarse a partir dela cantidad disponible de materia prima? o cunta materia prima se re-quiere para surtir cierta demanda de producto? Lo que realmente se pre-gunta es cules sern los flujos de materia prima, de producto y de des-perdicio? Responder a estas preguntas es considerar lo que es llamado unbalance de materiales el cual toma en cuenta cuidadosamente este flujo demateriales utilizando el concepto de volumen de control.

FIGURA 1.2. Volumen de control.

m

EA

E

m

E

A

Sms

Masa =mo+ma

VOLUMENDE

CONTROL

VOLUMENDE

CONTROL

Masa =mo

SUPERFICIE DE CONTROL

FRONTERA DEL SISTEMA

a)

b)


La figura 1.2, representa un sistema abierto en el cual se observa el vo-lumen de control que est aislado de los alrededores por una superficie decontrol A, la cual se encuentra estacionaria.

La masa entra (vase la figura 1.2a) y sale (vase la figura 1.2b) del vo-lumen de control pero sta no cruza las fronteras del sistema. Para un cier-to intervalo de tiempo de t0 = 0 a t = t0 + t, una cierta cantidad finita demasa ME entra al volumen de control y una cierta masa MS sale de l. Pues-to que MS no es necesariamente igual a ME la cantidad de masa en el vo-lumen de control es m0 a tiempo t = 0 y m0 + MA a tiempo t + t. La cantidadMA representa el trmino llamado acumulacin, que en realidad represen-tara una prdida ms que una acumulacin para cuando MS > ME.

La masa se conserva por lo que la acumulacin es igual a la diferenciaentre la masa de entrada y la masa de salida. Para una refinera de petrleocon una distribucin de procesos, como la que se muestra en la figura 1.3,el balance total de masa que se presenta cuando se alimentan 100 unidades

Des

tila

cin

pri

mar

ia

FIGURA 1.3. Diagrama esquemtico de una refinera de petrleo.

Crudo

Gas

Reflujo

Nafta pesada

Agotador

Agotador

Destilacinal vaco

Condensado

Destilacinfraccionada

Desulfurizacin

Nafta ligera

Desulfurizacin

Desulfurizacin

Desulfurizacin

Desulfurizacin

Hidrodesintegracincataltica

Alquilacin

Reformadorcataltico

Desintegracincataltica


Naftapesada




Gas

Hidrgeno, metanoEtano, propano, butanoPentano

Alquilado

Gasolina primaria

Gasolina

Gasolina

Querosina primaria

Diesel primarioDiesel cataltico

Combustleo

Aceites

Asfalto


Se debe notar que este balance corresponde a la operacin en estadoestacionario (sin variacin con la variable tiempo) de la refinera. Para uncierto intervalo de tiempo el balance de masa tomar la forma siguiente:

(M0 + MA) M0 = MA = ME MS (1.2)

dividiendo esta ecuacin entre t y tomando el lmite cuando t 0, se tiene:

dMdt

dMdt

dMdt

A E S= (1.3)

En muchas aplicaciones se desean expresar estas ecuaciones en trmi-nos de la velocidad del fluido ; puesto que la velocidad del flujo de masaa travs de la superficie de control es el producto ( dA), se tiene que:

de masa, de petrleo crudo, se obtendra una distribucin de productoscomo se muestra en la figura 1.4. Es decir, se obtendran rendimientos ha-cia: gases (13/100), gasolina (41/100), combustibles (24/100), combustleo(13/100) y residuos (9/100). Este rendimiento es de un crudo que presentaun rendimiento de productos rentables (gases + gasolina + combustibles +combustleo) de 91% el cual es considerado alto.

FIGURA 1.4. Balance total de materia en una refinera de petrleo.

8 H23 ETANO2 PENTANO

6 ALQUILADO9 GASOLINA PRIMARIA

13 GASOLINA DE REFORMACIN

13 GASOLINA CATALTICA7 QUEROSINA PRIMARIA

12 DIESEL PRIMARIO5 DIESEL CATALTICO

9 COMBUSTLEO

4

3 ACEITES LUBRICANTES6 ASFALTO

GASOLINA41

GASES13

COMBUSTIBLES24

COMBUSTLEO13

RESIDUOS9

654

1393

29

7

12

36

20 45

29 35

6

7

100

16 18

10

9

613

4 19

6

38

1120

9 19

2 6


dMdt

v dAS S S S= y

dMdt

v dAE E E E= La velocidad neta de flujo de masa que cruza la superficie de control

dA es ( cos dA) en donde cos representa la componente de veloci-dad normal a dA. Si se toma como el ngulo entre la velocidad y la su-perficie externa, el flujo es positivo para la masa que fluye hacia afuera ynegativo para el fluido que fluye hacia adentro, partiendo del balance demasa esto es igual al trmino de acumulacin; tomando en cuenta el volu-men y superficie de control total se obtiene:

V

dMAdt

dVV

dMSdt

dMEdt

dVA

dA

= = cos (1.5)

Debindose tomar la integral sobre toda la superficie de control.El trmino de acumulacin, para el caso cuando la densidad constan-

te ( = constante), puede expresarse como una integral de volumen como:

V

dMAdt

dVddt

dVV

= (1.6)

Combinando las ecuaciones (1.5) y (1.6) se obtiene la ecuacin de con-tinuidad.

ddt V

dV dAA

= cos (1.7)

Por lo que se puede decir que:

acumulacin + flujo neto = 0; o

ME MS = MSistema = MA (1.8)

Conservacin de masa en procesos en estado no estacionario

Si alguna de las variables, hasta ahora descrita, est en funcin del tiempo,la operacin de un proceso es no estacionario. En una planta qumica estopuede ocurrir cuando:


1. Las operaciones se llevan a cabo por cargas (batch).2. Hay un arranque o una parada de una operacin continua.3. La operacin es semicontinua debido a que uno de los reactivos se

agota durante la operacin o se presenta un disturbio en el proceso.

Para el caso de coordenadas rectangulares la ecuacin de continui-dad, en estado no estacionario, vendra expresada de la manera siguiente:

+

( ) +

( ) +

( ) =

t

xvx

yv

yzv

z0

La cual es la ecuacin (3.32) y que es conocida como la ecuacin de con-tinuidad en su forma diferencial.

Balance de Energa y Entropa

Una ecuacin matemtica que expresa la conservacin de energa es uncaso especial de la que se le ha llamado la primera ley de la termodinmica;como ya se mencion en la derivacin de la ecuacin (1.1), para la conser-vacin de masa y por comparacin, el balance de energa incorpora tam-bin los trminos de:

a) Adicin de energa al sistemab) Remocin de energa del sistemac) Acumulacin de energa del sistema

A continuacin se examinarn brevemente los trminos que se debenincluir para establecer la ecuacin del balance de energa.

Trabajo

En el anlisis termodinmico, el tipo de trabajo importante es aquel que sederiva de un cambio de volumen de un fluido (compresin o expansin) yest dado por la expresin:

W PdV= (1.9)


en donde W es el trabajo suministrado al o por el sistema, V es el volumeny P la presin. Otro tipo de trabajo til, es el trabajo de flecha y en termodi-nmica se expresa segn la ecuacin:

W VdPflecha = (1.10)

El trabajo de flecha es la mxima cantidad de trabajo que puede ser ob-tenido del flujo de un fluido a travs de un equipo de proceso. Dos trmi-nos adicionales que se usan en el desarrollo del balance de energa, son laenerga cintica y la energa potencial, de tal manera que el trabajo suministra-do a un cuerpo o a un sistema de masa m con una velocidad inicial v1 esigual al cambio en energa cintica del cuerpo o bien:

W E cinm

gc= =

22 (1.11)

y el trabajo requerido para elevar un cuerpo o sistema de masa m es igual alcambio de la cantidad mzg/gc o bien al cambio en su energa potencial:

W E potmzg

gc= =

(1.12)

en las ecuaciones anteriores, gc es un factor de proporcionalidad:

gcIbm ft

Ib f seg

kg m

kg f seg=

=

32 174 9 8

2 2. .

donde g es el valor de la aceleracin local de la gravedad y z es el cambio enelevacin o altura con respecto a un punto de referencia.

Calor

Calor se define como la transferencia de energa que ocurre entre el sistemay los alrededores en virtud de una diferencia o gradiente de temperatura;


un proceso en donde no exista calor transferido entre el sistema y los alre-dedores, es llamado adiabtico.

Por convencin, el trmino de calor es positivo cuando se transfierecalor hacia el sistema, pero si el sistema suministra calor a los alrededores,el trmino de calor deber ser negativo; de la misma forma, el trmino detrabajo ser positivo cuando el sistema suministra trabajo a los alrededoresy negativo cuando se suministra trabajo sobre el sistema.

Balance de energa

La ley de la conservacin de la energa, se estable como: la energa nuncapuede ser creada o destruida, solamente cambiada de forma; esta declaracin no esvlida para procesos atmicos o en los cuales la masa es convertida a energa deacuerdo con la ecuacin de Einstein (E = mc2).

Para un sistema abierto como el de la figura (1.5), el balance total deenerga se puede expresar como:

Energa de entrada (Eentra) Energa de salida (Esale) = Energa acumulada

Si en la figura 1.5 tambin se considera que una cantidad de calor (Q),fluye hacia o del sistema a los alrededores, y que el sistema realiza o se rea-liza sobre l una cantidad de trabajo (W), entonces combinando el balancede masa con el balance de energa, la ecuacin (1.13), expresada en formadiferencial, quedar de la siguiente forma:

(1.13)

FIGURA 1.5. Sistema abierto (E = energa asociada con flujo demasa, Q y W son el calor y el trabajo que se tiene en o por el siste-ma, respectivamente.

Esale

Eentra

W

Q


hg

c

gz

gc

M entra hg

c

gz

gc

M sale

Q W d M ug

c

gz

gc

entra sale

sistema

+ + + + +

= + +

2 2

2

2 2

2

(1.14)

en donde h y u son la entalpa molar y la energa interna molar, respectiva-mente; y d representan trminos diferenciales inexactos y exactos, respec-tivamente. El trabajo W que se puede realizar en o por el sistema y puede serde varios tipos: PV (llamado de flecha), elctrico o de tensin superficial.

Sistemas cerrados

Para sistemas cerrados, la ecuacin (1. 14) toma la forma:

Q W = M d {(u + 2/(2 gc) + gz/gc)}sistema (1.15)y para sistemas cerrados que no se aceleran y no cambian su altura en for-ma considerable:

Q W = M du = dUsistema (1.16)

La ecuacin (1.16) es la ecuacin de la primera ley de la termodinmica quees un caso especial de la ecuacin general (1.14).

Compresores y expansores operando en rgimen permanente

Para procesos operando en rgimen permanente, el trmino de la derechadel signo de igualdad de la ecuacin (1.14) desaparece y para estos equiposen forma integrada queda como:

h

g

gz

gq w

c c

+ + =

22

(1.17)


Si los equipos son adiabticos y se desprecian los trminos de energacintica y potencial:

h = w (1.18)

La conservacin de la energa en la refinacin del petrleo ha sido untema que ha interesado siempre pues es un tpico en donde incide la eco-noma de todos los procesos involucrados en ella (IFP publications, 1988).

Balance de entropa

El balance de energa es insuficiente para analizar muchos sistemas y mu-chos procesos termodinmicos ya que la naturaleza ha impuesto ciertasrestricciones sobre la transferencia y conversin de energa. El tratamientocuantitativo de estas restricciones se ha facilitado con la introduccin delconcepto de entropa. De esta manera cualquier proceso real deber cumplircon los principios de conservacin de masa, conservacin de energa y ba-lance de entropa.

Un sistema puede sufrir un cambio en entropa como resultado de unproceso en donde su energa, masa o volumen pueden cambiar. El procedi-miento seguido para obtener la expresin del balance de entropa es simu-lar al del balance de energa; entonces, si se considera un sistema abierto,como el de la figura 1.6, el balance de entropa se puede escribir como:

Entropa de entrada (Sentra) Entropa de salida (Ssale)+ Entropa generada (Sgenerada) + Flujo de entropa= Entropa cumulada (1.19)

FIGURA 1.6. Sistema abierto (S = entropa asociadacon flujo de masa).

Flujo de entropa

Sentra SsaleSgenerada


Como en el caso del balance de energa, se tienen los trminos de en-trada y salida como flujo de entropa asociada con el flujo de masa (debidoal flujo de calor); puesto que la entropa no es una propiedad conservativa,se debe tomar en cuenta, en el balance de entropa, la produccin deentropa que se debe a irreversibilidades del sistema; la ecuacin (1.19)quedar:

(SM)entra (SM)sale + (Flujo de entropa)+ (entropa generada) = (MS)sistema (1.20)

Flujo de entropa

Es el flujo de calor que produce un flujo de entropa y se usa para sistemasreversibles:

(Flujo de entropa) = Q

T(1.21)

en dnde T es la temperatura absoluta del sistema en el punto en donde elflujo existe. Si la temperatura del sistema en las fronteras no es constantesobre el rea donde la transferencia de calor ocurre, la ecuacin (1.21), sedeber escribir como:

( )Flujo de entrop a = q

TdA

A(1.22)

en donde:q = calor finito transferido por unidad de rea de la frontera

q = calor diferencial transferido por unidad de rea de la fronteraA = rea de la frontera

El flujo total de entropa debido al flujo de calor ser:

( )Flujo de entrop a

proceso= q

TAdA (1.23)


Generacin de entropa (trabajo perdido)

El cambio de entropa asociado con una irreversibilidad interna (prdidaspor friccin por ejemplo), o generacin de entropa, est dado para un pro-ceso diferencial por:

(entropa)generada

sistema

= LWT

(1.24)

en donde LW es el trabajo perdido por irreversibilidades en el sistema. Silas irreversibilidades se distribuyen en todo el volumen del sistema y latemperatura vara dentro del sistema, el trmino de generacin de entropadebe ser evaluado integrando la diferencial, (d LW/T ) dV, sobre todo elvolumen del sistema, a lo largo del proceso total entre los estados inicial yfinal:

Generacin de entrop a entre los estados 1 y 2

proceso{ } = LW

TVdV (1.25)

en donde:LW = trabajo perdido finito por unidad de volumen del sistemaLW = trabajo perdido diferencial por unidad de volumen del sistema

La evaluacin del trabajo perdido y produccin de entropa no sepuede efectuar con precisin debido a la naturaleza extremadamente com-pleja de los fenmenos disipativos causados por prdidas por friccin.Aunque se puedan medir cambios en otras propiedades con las cuales sepuedan calcular cambios en entropa provenientes de irreversibilidades,una prediccin a priori de LW es extremadamente difcil y generalmenteimprctica.

La evaluacin directa de los efectos del trabajo perdido en equipos deproceso tales como turbinas y compresores est lejos de las capacidadesactuales; por lo tanto, cuando se requiere analizar procesos que involucrenoperaciones de esta naturaleza, a menudo, es necesario aproximar la situa-cin real con una reversible en la cual LW = 0. Experiencias pasadas conmuchos equipos, tales como compresores y turbinas, permiten al ingenierorelacionar operaciones reversibles con condiciones reales. La relacin se


expresa por medio de un factor de eficiencia. Para equipos tales como unabomba y un compresor, los cuales utilizan trabajo de los alrededores, la efi-ciencia est definida como:

eficiencia rev

real

= WW

100% (1.26)

Para una turbina y otros equipos de expansin que suministran traba-jo a los alrededores, la definicin se invierte para darnos:

eficiencia real

rev

= WW

100% (1.27)

en donde Wrev es el trabajo producido si el proceso es operado reversible-mente y Wreal es el trabajo real involucrado. Conociendo la eficiencia de unequipo en particular, acoplado con un anlisis basado sobre un proceso re-versible, se facilita la estimacin de los requerimientos actuales de energapara un equipo especfico, con razonable aproximacin.

Acoplando las ecuaciones (1.24) y (1.19), se tendr la ecuacin del ba-lance de entropa en forma diferencial:

(SM)entra (SM)sale +

qTA

dA + + =

LWTV

dV d MS( )sistema (1.28)

Si la temperatura del sistema es uniforme, la ecuacin (1.28) se reduce a:

( ) ( ) ( )S M S M

QT

IWT

d MS entra sale sistema + + = (1.27)

Sistemas cerrados

Para un sistema cerrado, los trminos (SM)entra y (SM)sale desaparecen, ascomo el trmino d(MS)sistema; si adems, la temperatura es constante, el ba-lance de entropa se reduce a:


[ ]MdS Q

T

LW

Tsistema= + (1.30)

Para un proceso reversible LW = 0 y (1.28) quedar:

dS MdS

QTsistema sistema

[ ]= = (1.31)

Sistemas abiertos

Cuando un sistema abierto opera en estado estacionario d(MS)sistema = 0 yMentra = Msale el balance se reduce a:

S S M

QT

LWTentra sale

( ) + + = 0 (1.32)Para un proceso adiabtico Q = 0, mientras que para un proceso re-

versible LW = 0. Estos factores se pueden usar para modificar tambin lasecuaciones (1.30) y (1.31).

Aprovechamiento y recuperacin de energa

El propsito de esta seccin es mostrar cmo estn relacionados el balancede materia y el balance de energa y la ingeniera de reactores en uno de losprocesos de la refinacin del petrleo que es la desintegracin cataltica. Estarelacin tan estrecha sirve para que a travs de modelos matemticos quedescriben el proceso se pueda pensar en un aprovechamiento y en una re-cuperacin de la energa que se maneja en el proceso.

Una representacin simplificada del proceso se observa en la figura 1.7,el catalizador circula entre el reactor tubular y el regenerador y la corrientede gasleo y el aire en forma separada fluidizan las partculas de cataliza-dor en el reactor y en el generador. El anlisis de la operacin de la desinte-gracin cataltica en lecho fluidizado (FCC) requiere del desarrollo de mo-delos para el reactor tubular y para el regenerador y tomar en cuenta su


operacin en serie; particularmente el balance entre el calor producido enel regenerador con el calor consumido en el reactor cataltico.

El reactor tubular cataltico

La figura 1.8 describe esquemticamente el transporte de movimiento queprevalece en el reactor tubular. El gasleo y el vapor de agua dispersanteacarrean, por as decirlo, al catalizador regenerado hacia arriba en un flujode dos fases (gas-slido).

FIGURA 1.7. Diagrama simplificado del procesode desintegracin cataltica.

Gasolina

Catalizador

Vapor

VaporGasleo

Aire

Compresor

CSTR

PFR

Mezclado axialconsiderable

FIGURA 1.8. Caractersticas del flujoen el reactor tubular.

Densidad deltope 3 lb/ft3(0.05 g/cm3)

Velocidad delgas 20-25 ft/s(600-750 cm/s)

Densidad en labase 5 lb/ft3(0.08 g/cm3)

Regas 1.2 106

V gas 2.5 3.5V catalizador


Las partculas de gas y catalizador se mueven hacia arriba con dife-rente velocidad; las partculas slidas van siempre detrs del gas. As, larelacin entre slidos a gas en la mezcla que fluye a lo largo del reactor esmayor que la relacin slido a gas en la alimentacin y el tiempo de resi-dencia de los slidos es mayor que la del gas. En este reactor se presentanlas reacciones de desintegracin y de formacin de coque; desde el puntode vista de la ingeniera de reactores, la prdida de actividad cataltica en elcatalizador causada por la formacin del coque puede representarse poruna ecuacin simple y emprica que fue desarrollada por Voorhies (1947).Este autor encontr que para muchos catalizadores que se desactivan, lafraccin remanente de la actividad inicial puede expresarse como:

/o = exp( t ) (1.33)donde:

/o = fraccin remanente de la actividad inicial = parmetro emprico de formacin de coquet = tiempo al que estn expuestos los slidos al gasleo

La ecuacin (1.33) se puede escribir para tomar en cuenta el coque re-manente en el catalizador regenerado alimentado al reactor, tomando laforma:

= o exp( t ) (1.34)

Generalmente este coque no se quema en la regeneracin, se asumeque la fraccin de actividad remanente es linealmente dependiente delcontenido de coque en el catalizador, al menos cuando la fraccin peso decoque en el catalizador es baja; as, la actividad inicial o es dada como(Voltz, et al., 1971):

o = 1 Wc (1.35)

en donde es un parmetro de desactivacin emprica y Wc es la fraccinpeso de coque en el catalizador.

Si se asume que la mayora del coque es producido en reacciones late-rales, durante la desintegracin, el nivel de coque y la actividad catalticaremanente debern ser correlacionados con el tiempo. Froment (1977) hasostenido que la actividad cataltica debera estar relacionada con la con-


centracin de coque en el catalizador, lo cual es un argumento similar alanterior y ha dado la cintica detallada de la formacin de coque; esto per-mite predecir la concentracin de coque en el catalizador en cualquier pun-to dentro del reactor. Por otro lado, la experiencia de planta industrial su-giere una independencia aparente de la actividad cataltica y la velocidadde formacin de coque y por lo tanto la ecuacin convencional (1.34) es uti-lizada para la simulacin de la planta; en forma correspondiente, el tiempode residencia del catalizador en el reactor tubular de lecho fluidizado (tpi-camente de 5 a 7 segundos), es un parmetro importante en la operacin deuna planta de desintegracin cataltica.

Aunque la modelacin y simulacin del proceso FCC (Theologos, et.al., 1997)) es un tpico que est siempre en revisin, actualizacin y mejora,a continuacin se describe el modelo ms simple de ingeniera de reactorespara la desintegracin cataltica y que fue desarrollado por Weekman(1968) y Nace (et. al., 1971); Nace (1970) y Weekman, y Nace (1970).

A pesar de que el nmero de componentes, que se manejan en lasmezclas del proceso FCC agrupados como saturados y aromticos, es dedieciocho (Green, et. al., 1997) se ha considerado que los vapores en el reac-tor tubular consisten de tres componentes: gasleo, gasolina y gases lige-ros. Aunque los estudios con compuestos puros han mostrado que la des-integracin cataltica es una reaccin de primer orden con respecto a laconcentracin del hidrocarburo (al menos para parafinas de bajo pesomolecular) la reaccin con gasleo como pseudocomponente indica unacintica de segundo orden con respecto al hidrocarburo.

Ya que es complicado describir el patrn de flujo del gas en el reactorde lecho fluidizado, la situacin se puede aproximar con el flujo de gasidealizado como un flujo pistn o tapn. Con esta simplificacin se puededescribir el balance de masa en el reactor, incorporando la consideracinde la cintica del gasleo como de segundo orden, como sigue:

d Wd Z

kWo o o

LHSV= 2 (1.36)

en donde:Wo = fraccin masa de gasleo en la corriente vapor

Z = z/L fraccin distancia hacia abajo de la entrada al reactor = ecuacin (1.34)


LHSV (lquid hourly space velocity) = espacio velocidad = volumen de l-quido alimentado al reactor por unidad de volumen de reactor y por hora:

k ko o

o

L

F

C

= ( )1 2

es la constante de velocidad de reaccin del pseudocomponente de primerorden por hora. La definicin de ko dada por Weekman incluye la densidaddel catalizador en el reactor. Para convertir el reactor con lecho de catali-zador movible usado por Weekman y Nace al reactor con lecho fluidizado,ko deber ajustarse por la relacin de las densidades de los reactores, comosigue:

k k

F

oWN F

WN=

(1.37)

en donde:ko

WN = valor reportado para el parmetro de desintegracin porWeekman y Nace (1970).

FWN = densidad del catalizador en el reactor con cama movible =50 lb/ft3 o 0.8 g/cm3.

kol = constante de velocidad de reaccin de segundo orden por

unidad de volumen de catalizador por hora. No se han repor-tado valores de esta constante en la literatura.

o = densidad del gasleo a la entrada del reactorL = densidad del lquido usada para definir LHSVF = densidad del catalizador fluidizado en el reactorc = densidad del catalizador como slido

Si el reactor se opera isotrmicamente, la fraccin de gasleo rema-nente en el producto puede encontrarse mediante:

W

k LHSV Uo

o

= + ( )1

1 /(1.38)


en donde:

u dZ= 01 = parmetro distancia modificado para tomar en cuenta la des-activacin del catalizador

=

( ) o t c Zct

1 exp

cuando la relacin entre la velocidad del gas y la velocidad del catalizadora lo largo del reactor tubular es constante y en donde tc es el tiempo de con-tacto del reactante con el catalizador en el reactor tubular. Las ecuacionesanteriores toman en cuenta la conversin del gasleo; las expresiones parala produccin de gasolina son ms complejas debido a que la gasolina pue-de del gasleo y perdida por una sobre-desintegracin cataltica; el balancede masa para la produccin de gasolina quedara entonces como:

dWdZ

kW

kWc o G

LHSV LHSV= 1 2 2 (1.39)

El primer trmino del segundo miembro de la ecuacin (1.39) repre-senta la produccin de gasolina a partir del gasleo. Voltz y sus colaborado-res (1971) encontraron que k1 es una fraccin de ko la cual a su vez dependebsicamente de la relacin aromtico-naftnico en el gasleo. El segundotrmino representa la sobre desintegracin cataltica de la gasolina queproduce gases ligeros; aqu k2 es la constante de velocidad de desintegra-cin cataltica de la gasolina. La ecuacin (1.39) puede integrarse, conside-rando la operacin isotrmica y se obtiene que:

W W

W

W E EW

G o

o

oo

= ( )

+

1 2 2

2

2 2

2 22

exp

exp( )

exp( ) ( )(1.38)


en donde:1= k1 / ko2 = k2 / ko

E x

eu

ux du( ) = = integral de una exponencial cuyos valores se pue-

den encontrar en cuadros de esta funcin en un manual de matemticas.Algunos resultados que se pueden obtener a partir de estas ecuaciones sonmostrados en la figura 1.9.

FIGURA 1.9. Resultados de la simulacin del reactor de lecho fluidizado de desintegracincataltica.

b) Mximo rendimiento de obtencin de gasolinacomo una funcin de la relacin gasolina/gasleodesintegrado (Weekman y Nace, 1970).

Ren

dim

ient

o m

xim

o de

gas

olin

a(fr

acci

n pes

o)

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.50.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

k2/ko

a) Efecto sobre la selectividad al variarla relacin gasolina/gasleo desinte-grado a una cierta selectividad inicialconstante (Weekman y Nace, 1970).

Ren

dim

ient

o(fr

acci

n pes

o de g

asoli

na)

Conversin, fraccin peso

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

k2/ko = 0.9k2/ko = 0

0.01

0.1

0.3

c) Efecto de la temperatura sobre la se-lectividad para formar gasolina en ladesintegracin cataltica (Weekman yNace, 1970).

Ren

dim

ient

o(fr

a cc i

n pe s

o de g

a soli

na)

Conversin, fraccin peso

1.0

0.9

0.8

0.7

0.6

0.50.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Energa de activacinEo = 10 000 cal/molE2 = 18 000 cal/mol

454C482C

510C


Con

stan

te d

e ve

loci

dad

de

des

inte

grac

in

del

gas

leo

k1

e) Relacin en peso de aromtico/naftnico

Con

stan

te d

e ve

loci

dad

de

des

inte

grac

in

del

gas

leo

ko

d) Relacin en peso de aromtico/naftnico

FIGURA 1.9. (Conclusin). Resultados de la simulacin del reactor de lecho fluidizado dedesintegracin cataltica, (Voltz, et al., 1971).

Con

stan

te d

e ve

loci

dad

de

dec

aim

ient

o

f) Relacin en peso de aromtico/naftnico

100

70

50

30

20

10

7

100

70

50

30

20

10

7

100

70

50

30

20

10

0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 100

0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 100

0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 100

482C

482C

482C


Un anlisis ms detallado de la desintegracin toma en cuenta latransferencia de actividad cataltica que da el hidrgeno en catalizadoresde zeolita. En ste anlisis la gasolina se representa como dos fracciones:una fraccin inestable olefnica y una fraccin estable la cual puede ser for-mada a partir de la fraccin inestable. En stos trminos se pueden asumirlos puntos con los que se puede mejorar el funcionamiento de los catali-zadores de desintegracin cataltica:

1) Aumentando la relacin entre k1 / k02) Disminuyendo el parmetro de sobre desintegracin k23) Incrementando el parmetro de estabilizacin de la gasolina

Estos parmetros pueden ser relacionados en forma global a la estruc-tura de las zeolitas y de la matriz de slice-almina; sin embargo, estas co-rrelaciones no estn disponibles en la literatura.

La ingeniera del reactor tubular es mucho ms compleja de lo que seha representado, ms la experiencia industrial dice que los resultados obte-nidos no son aproximaciones malas. Las complicaciones que se deben con-siderar son en dos direcciones: 1) el reactor no es isotrmico sino ms bienadiabtico y 2) la dispersin axial de la fase gaseosa afecta la conversin (elmezclado en la direccin del flujo representa una desviacin del flujo tipopistn o tapn que se ha asumido) y el rendimiento en forma significativa,especialmente a altos niveles de conversin.

Con respecto al inyector se pueden hacer los comentarios siguientes:un inyector bien diseado debe lograr un equilibrio trmico en forma rpi-da entre el gasleo y el catalizador regenerado con el que se mezcla. Se asu-me que el equilibrio se logra antes de que ocurra conversin alguna; latemperatura de la mezcla a la entrada del reactor puede calcularse a travsde un balance de calor en esa parte resultando que:

TC T R C T R C T

C R C R Co

p o oc

pc

c ow

pw

w o

po c

pc w

pw

= + ++ +

, , ,(1.41)

en donde:Cp = capacidad calorfica del gasleo por unidad de masaC cp = capacidad calorfica del catalizadorCwp = capacidad calorfica del vapor dispersante


Rc = relacin entre catalizador/gasleo en sus flujos de circulacin.Rw = relacin vapor/gasleo en sus flujos de circulacin e igual a ce-

ro si no se usa vapor.To,o = temperatura absoluta del gasleo a la entrada.To = temperatura del gasleo a la entrada, resultado del mezclado.

Tc,o = temperatura absoluta del catalizador que regresa del regene-rador.

Tw,o = temperatura absoluta de entrada del vapor dispersante.

El reactor tubular puede ser considerado como un reactor adiabticoy as, realizando un balance de energa en el reactor se llega a la expresinsiguiente para la temperatura de la mezcla gas-slido en el reactor:

T Th h W h h W

C R C R Co

g o o g G G

po c

pc w

pw

= + + +

( )( ) ( )1

(1.42)

en donde:ho = calor de formacin del gasleo por unidad de masa y evaluado a

las condiciones de entradahg = calor de formacin de los gases ligeros por unidad de masahG = calor de formacin de la gasolina por unidad de masa

En el segundo miembro de la ecuacin (1.42) el primer trmino delnumerador representa la energa que se requiere para convertir todo elgasleo el cual reacciona para producir gases ligeros. El segundo trminorepresenta la energa que podra se recuperada si los gases ligeros fueranconvertidos a gasolina. Esta ecuacin no toma en cuenta el pequeo calorde reaccin asociado a la formacin de coque. Los valores de los calores deformacin dependen en forma significativa de la composicin del gasleo,gasolina o gases ligeros; por comparacin, el error que resulta de despreciarlas variaciones con la temperatura y la composicin en las capacidadescalorficas es pequeo: To es comnmente el punto de control en la opera-cin industrial.


El regenerador

El regenerador es un reactor de lecho fluidizado en el cual el coque deposi-tado sobre el catalizador se quema regenerndose con ello su actividadcataltica. La energa que se necesita para la reaccin endotrmica de de-sintegracin cataltica es suministrada por la combustin exotrmica delcoque para dar monxido y bixido de carbono. La operacin del regene-rador es limitada por la temperatura a la que se pueden someter los materia-les de construccin del regenerador y por la capacidad del compresor deaire; ya que los compresores grandes son costosos, las unidades de regene-racin se disean para operar cerca de la capacidad mxima. La cintica decombustin del coque de un catalizador de desintegracin cataltica se hadeterminado por los investigadores Veisz y Goodwin (1963) y viene expre-sada como:

d Cdt

k C CcO

O2

2= (1.43)

en donde Cc es la concentracin del coque (porcentaje en peso) en el catali-zador. La rapidez con que se quema un cierto coque en particular es unafuncin de la alimentacin a partir de la cual se form; por ejemplo, si setienen concentraciones bajas de compuestos organometlicos en el gas-leo, ellos se descomponen dejando depsitos metlicos sobre el catalizadory esos depsitos pueden acelerar la combustin del coque. De aqu que, losparmetros cinticos para el quemado deben ser determinados para cadatipo de carga alimentada al reactor de desintegracin. Sin embargo, la ex-periencia ha mostrado que aparentemente la cintica del quemado esla misma para el coque depositado en slica-almina densa y sobre cata-lizadores comerciales de desintegracin de tipo zeolita.

El reactor de lecho fluidizado del regenerador en apariencia manejados fases, una fase burbuja que consiste de burbujas que van desde aproxi-madamente 0.1 a 1 metro de dimetro y la fase llamada emulsin la cual esrealmente una mezcla de gas y partcula fluidizadas. Las burbujas se ele-van rpidamente a travs de la fase emulsin y se lleva a cabo una transfe-rencia rpida de gas entre las dos fases (vase figura 1.10).

El gas fluye a travs de la fase emulsin a una velocidad cercana a lavelocidad mnima que se requiere para la fluidizacin de las partculas;


la velocidad de fluidizacin mnima es baja ( 5cm/seg) y un lecho flui-dizado operando con esta velocidad no producir resultados econmica-mente satisfactorios. Sin embargo, afortunadamente las burbujas fluyen atravs del lecho a una velocidad mucho mayor la cual depende del dime-tro de la burbuja.

En esta operacin el gas y las partculas slidas en la fase emulsin semezclan bien debido al paso de las burbujas a travs de la fase. As, no hayvariacin en la composicin de la fase emulsin con la posicin. En con-traste, hay poco mezclado en la fase burbuja y sta puede representarsecomo si fuera un flujo pistn.

La velocidad de intercambio del gas entre las fases emulsin y burbu-ja es grande y as no hay diferencias substanciales entre las composicionesde salida de las dos fases.

El tratamiento cuantitativo de estas observaciones se realiza practi-cando balances de materia por componente sobre el carbn y el oxgeno yas se pueden conocer las composiciones de las fases burbuja y emulsin.

El balance de materia para el carbn en la fase emulsin da una terce-ra ecuacin. Estas tres ecuaciones pueden entonces resolverse para deter-minar el consumo de oxgeno en el regenerador. Los parmetros externosnecesarios son los de la cintica de quemado, la fraccin hueca de las bur-bujas en el reactor y la velocidad mnima de fluidizacin. La operacin enel regenerador es estable y directa.

FIGURA 1.10. Regenerador en el proceso FCC.

Salida de gas

Cicln

Cama diluida

Cama densa

Fase burbuja

Fase diluida

Fase emulsin

Entrada de gas

Flujo vBcruzado

v1


El balance de energa en el regenerador puede realizarse en formasencilla si algunos de los detalles de la seccin o zona de desatraccin y delos ciclones en el regenerador se desprecian. La seccin de desatrac

Analisis y Simulación de Procesos de Refinacion Del Petroleo

Documents

Transcript of Analisis y Simulación de Procesos de Refinacion Del Petroleo