Bases de Diseño y Descripción Del Proceso
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República Bolivariana de Venezuela.
Ministerio del Poder Popular para la Defensa.
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la
Fuerza
Armada Nacional Bolivariana.
Núcleo Falcón – Extensión Punto Fijo.
Ingeniería Petroquímica: 8° Semestre Sección “A”.
Área: Diseño de Equipos y Plantas.
PROYECTO ISOMERIZACIÓN
I AVANCE
Prof.: Ing. Mairín Delgado. Integrantes:
Gómez Jesús
López Xavier
Mata Anyellys
Morales Misdelys
Naranjo Manuel
Rodríguez Wilmer
Punto Fijo; Septiembre de 2015
INDICE
Contenido Pág.
BASES DE DISEÑO………………………………………………………………..3
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO………………………………………………….
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA………………………………………..
REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES………………………..
DIAGRAMA DE FLUJO……………………………………………………….
2
BASES DE DISEÑO
1. Presenta Objetivo completo y bien definido; Alcance y breve descripción del Proceso.
Objetivo: Esta unidad tiene como objetivo procesar una corriente de normal
butano y transformar la molécula en isobutano, para luego enviar la corriente
a las plantas de Alquilación.
Alcance: Obtener una corriente de isobutano con una pureza de 50-60% y
enviarla a la Planta de Alquilación para obtener una gasolina de mayor
octanaje. Los productos se separan en un fraccionador. Los gases más
ligeros se utilizan como combustible de refinería y el butano reciclados como
alimento.
Breve descripción del Proceso: La alimentación de normal butano está
compuesta por varias corrientes que son debidamente tratadas en las
diferentes unidades, para eliminarle gran parte de contaminantes tales como
H2S, compuestos sulfurosos, fluoruro y trazas de HF. Este proceso de
isomerización de butano es licencia de UOP (Universal Oil Products) y
consiste en la conversión de parafinas normales (normal butano) a
isoparafinas (isobutano). Este proceso se lleva a cabo bajo un estricto control
de temperaturas y presión de reacción, relación de hidrógeno/hidrocarburos.
El proceso se subdivide en las siguientes secciones:
3
a) Secado de Butano: Se despojan de agua las corrientes de butano que
entran al proceso de manera que contengan un máximo de 1ppm en peso,
ya que el agua desactiva permanentemente el catalizador.
b) Secado de Hidrógeno: Al igual que en la sección anterior, se garantiza
que el hidrógeno esté libre de agua, además que se introduce hidrógeno
fresco para reponer la pérdida que se obtenga en las reacciones químicas.
c) Reacción: A esta sección se envía el butano seco por medio de bombas a
los reactores. La carga se mezcla con la corriente de gas de reciclo que
consiste básicamente en hidrógeno, con el fin de mantener la presión parcial
de hidrógeno. En presencia del catalizador se lleva a cabo la reacción de
isomerización del normal butano a isobutano. El producto es enviado al
separador, donde ocurre la separación física de la corriente líquida y la
corriente vapor.
d) Torre Estabilizadora: En ésta entra la corriente líquida de isobutano-
normalbutano (isomerizado) proveniente del separador de productos con el
fin de remover el hidrógeno, ácido clorhídrico y gases formados por craqueo,
además de una corriente de pentano.
e) Torre Lavadora de Gases: Los gases del acumulador de la torre
estabilizadora se envían a la torre lavadora de gases, donde entran en
contacto con una solución de soda cáustica o hidróxido de sodio (NaOH) al
10% en peso, para neutralizar el ácido clorhídrico (HCl) presente en dicha
corriente de gases (C1/C2).
2. Capacidad de la Planta.La planta de Isomerización se encuentra en la capacidad de operar 20
MBD de una corriente de normal butano, a fin de obtener un producto de
12.3 KBD de isobutano.
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3. Están Descritas las Instalaciones Existentes.La alimentación de normal butano a la Planta de Isomerización
consiste de tres corrientes provenientes de diferentes fuentes:
La más pequeña de estas corrientes proviene de la torre
Desbutanizadora DA-404 ubicada en la Unidad de Alquilación I, la cual es
tratada en una Torre de Alúmina y luego en una Torre de KOH para
removerle los fluoruros y posibles trazas de HF, antes de enviarla a la Planta
de Isomerización.
La segunda corriente de normal butano proviene de los campos de
producción y es traída por barco, generalmente desde el terminal de
distribución de Puerto Miranda. Este normal butano es almacenado en los
tanques esféricos DO-13;17 y 18/EO-3;5 y 6 ubicados en los Bloques DO/EO
y es enviado a la Unidad de Isomerización por medio de las bombas P-5201
A/B.
Por último, la mayor parte de la carga, consiste en el normal butano
proveniente de la Planta Alquilación II. Esta corriente se separa de los otros
productos de la reacción de alquilación en el Despojador de isobutano C-
5103, pasando posteriormente por unas Torres con alúmina y luego por una
Torre de KOH sólido, para remover trazas de ácido fluorhídrico, antes de ser
enviada a la Unidad de Isomerización.
5
4. Las condiciones de operación y diseño de todas las corrientes en los límites de batería, tanto de Procesos como de Servicios.
- Límites de Batería de Procesos:
Corrientes de Entrada:
a) Normal Butano:
Condiciones de Operación:
Propiedad ValorTemperatura 100 °F
Presión 120 PsigFase Líquida
Densidad 35,4 lb/ft3
Viscosidad 0,151 cp
b) Hidrógeno:Condiciones de Diseño:
Propiedad ValorTemperatura 110 °F
Presión 950 Psig
Corrientes de Salida:
a) Isobutano
Condiciones de Operación:
Propiedad ValorTemperatura 100 °F
6
Presión 376 PsigFase Líquida
Densidad 34,3 lb/ft3
Viscosidad 0,190 cp
b) Pentano
Condiciones de Operación
Propiedad ValorTemperatura 105 °F
Presión 159 PsigFase Líquida
Densidad 38 lb/ft3
Viscosidad 0,194 cp
- Límites de Batería de Servicios:
Corrientes de Entrada
a) Vapor de alta, Media y/o baja presión.Condiciones de Operación
Propiedad HS MS LSTemperatura 750 °F 460 °F 308 °F
Presión 600 Psig 145 Psig 60 Psig
Condiciones de Diseño
Propiedad HS MS LSTemperatura 800 °F 480 °F 480 °F
Presión 650 Psig 170 Psig 90 Psig
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b) Agua de Enfriamiento.Condiciones de Operación
Propiedad ValorTemperatura 85 °F
Presión 40 Psig
Condiciones de Diseño
Propiedad ValorTemperatura 125 °F
Presión 70 sig
c) Aire de Instrumento.Condiciones de Operación
Propiedad ValorTemperatura 110 °F
Presión 70 Psig
Condiciones de Diseño
Propiedad ValorTemperatura 160 °F
Presión 150 Psig
d) Aire de Enfriamiento.
e) Electricidad.
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f) Sistema de Agua Potable.
5. Especificadas las composiciones de las corrientes de entrada y salidas en el límite de batería.
- Corrientes de Entrada:Proceso:
a) Normal Butano:
Propano: 1% Isobutano: 15% Butano: 83% Isopentano: 1%
Servicios:
b) H2.
Composición %MolHidrógeno 94
Nitrógeno 0,11
Monóxido de Carbono (ppm vol.) <10
Dióxido de Carbono (ppm vol.) <10
Metano 4,62
H2O 0,45
Peso Molecular 2,97
c) C2Cl4.
d) NaOH.
e) Vapor de alta y/o baja presión.
f) Agua de Enfriamiento.
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g) Aire de Enfriamiento.
h) Electricidad.
i) Sistema de Agua Potable.
- Corrientes de Salida:Proceso:
a) Isobutano
b) C1/C2
c) Pentano
Servicios:
d) Vapor.
e) Agua de Enfriamiento.
f) Aire de Enfriamiento.
6. Definido el tipo, capacidad y filosofía de almacenamiento. Consideraciones de operación sobre el proceso.
Entrada: En la planta de isomerización se tiene como alimentación n-butano
a un porcentaje de concentración de 83%. Este se encuentra en fase liquida
y a unas condiciones de presión y temperaturas ideales, de tal forma que es
recomendable utilizar tanques esféricos a presión por lo que de acuerdo a
normas API, que considera el diseño del almacenamiento a presión como lo
hace el Código ASME (American Society of Mechanical Engineers) sección
VIII.
10
Salida: En el caso del producto isobutano, pentano e isopentano, según el
Código ASME (American Society of Mechanical Engineers) sección VIII, es
recomendable utilizar tanques esféricos a presión para su almacenamiento
debido a que por ser LGP existe una relación gas-liquido, es decir, que este
al ser sometido en su fase gaseosa a altas presiones se convierte en líquido,
pues el comportamiento de las partículas del gas dentro de la esfera es
limitado. Para este producto también se puede utilizar tanques cilindros
horizontales.
Adicionales:
• Hidrogeno (H2)
Se requiere de Hidrogeno puro por lo tanto se hace conexión con la
planta de Hidrogeno hacia la planta de isomerización por medio del
compresor hacia un recipiente de alta presión o un tanque cilíndrico
horizontal, certificándolo ASME (American Society of Mechanical Engineers)
como diseño recomendado, y luego hacia la línea donde se desea alimentar
en la planta de isomerización.
• Soda cáustica (NaOH)
Se selecciona el acero inoxidable AISI (American Iron and Steel
Institute) 304 y 316 para construcción de los tanques de hidróxido de sodio,
esto en base a que los materiales son altamente corrosivos. Se distingue en
vista que los tanques construidos con este tipo de material requieren menos
acciones de mantenimiento a diferencia de los tanques de acero al carbono
con algún tipo de recubrimiento o plásticos.
• Percloroetileno (C2Cl4)
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El percloroetileno tiene una particularidad de reaccionar con el zinc y
metales activos (bario, litio y berilio) y con agentes oxidantes (ozono), pero
esto se da si estos metales están finamente divididos. También reacciona
bajo la acción de la luz y la radiación ultravioleta por lo que es recomendable
almacenarlo en un tanque cilíndrico ubicado horizontalmente compuesto de
material fierro o hierro galvanizado. Sin embargo, el percloroetileno tiende a
evaporarse en el aire produciendo un olor parecido a éter, pero luego de un
corto periodo de tiempo el olor pasa desapercibido, por lo que en estos casos
es recomendable utilizar tanques de atmósferas inertizadas.
• Vapor
La caldera produce el vapor cuando es requerido por los consumos.
Esto sin embargo necesita unos minutos para alcanzar las condiciones de
funcionamiento y suministrar la cantidad requerida de vapor; además, puede
haber variaciones repentinas en la demanda de vapor, con demandas
inmediatas que exceden la producción máxima de la caldera. Es aquí donde
es recomendable instalar un acumulador de vapor conteniendo el agua de
vapor y sobrecalentada en el equilibrio termodinámico. Este está certificado
por la CE CERTIFICATION ACCORDING TO DIRECTIVE 97/23/EC.
• Catalizador de platino a base de alúmina
Su almacenamiento estará compuesto por silos, lo cuales son torres
con forma cilíndricas, cónicas, verticales. Esto debido a que el catalizador
puede estar en forma de polvo o granulado, haciendo más fácil su descenso
y extracción para su uso. Estas torres pueden estar hechas de material de
fierro planchado o corrugado y galvanizado.
7. Corrosión máxima permitida en los equipos.
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La corrosión puede provocar una pérdida uniforme o puede causar
una apariencia de picaduras, por lo cual es necesario determinar la corrosión
máxima permisible, para de esta manera tomar las medidas correctivas
necesarias y garantizar la integridad mecánica de los equipos. De acuerdo a
la geometría de los equipos ver las siguiente formulas. La vida remanente de
un componente puede ser determinada basada en el cálculo del mínimo
espesor requerido para las condiciones de servicios previstas, las lecturas de
la inspección, y la estimación de la tasa de corrosión. La vida restante del
componente es un parámetro importante para determinar en qué momento
deberán hacerse las siguientes inspecciones y para determinar durante qué
tiempo estimado el electo puede estar bajo las condiciones de servicio sin
representar algún riesgo para la segura operación del sistema.
De tal forma que la tasa de vida remanente de un componente o
elemento se puede calcular mediante la siguiente formula.
Dónde:TVR = Tiempo de vida remanente (años)
Crate = Tasa de corrosión (mm / años o m.p.y), calculada mediante la
siguiente fórmula.
Tmm = Mínimo espesor de pared leído al momento de la inspección. En
(pulg) o (mm)
tinicial = Espesor original (diseño) del elemento en pulgadas (in) o milímetros
(mm), en caso de no tener usar el espesor nominal de la tubería.
T = Tiempo (años) entre el tinicial y el tmm
13
TVR (años )=0 .8∗tmm−( tinicial−tmm )
C rate
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
La alimentación de normal butano está compuesta por varias
corrientes que son debidamente tratadas en las diferentes unidades, para
eliminarle gran parte de contaminantes, tales como H2S, compuestos
sulfurosos, fluoruro y trazas de HF. Este proceso de isomerización de butano
es licencia de UOP (Universal Oil Products) y consiste en la conversión de
parafinas normales (normal butano) a isoparafinas (isobutano). Este proceso
se lleva a cabo bajo un estricto control de temperaturas y presión de
reacción, relación de hidrógeno/hidrocarburos.
Para una mejor comprensión de la plata de isomerización, se
describen los flujos de procesos en forma detallada incluyendo los equipos,
los principales lazos de control y destaca algunas condiciones de operación
importante. Se ha subdividido en las siguientes secciones.
- Sección de secado de butano.
- Sección de secado de hidrógeno.
- Sección de reacción.
- Sección de la torre estabilizadora.
- Sección de la torre lavadora de gases.
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TasaCorrosión=tinicial−tmm
T
Sección de Secado de Butano: Las corrientes de normal butano
provenientes de las diferentes plantas y tanques se combinan antes de
entrar a los secadores de la carga 01-D-01 y 01-D-02. El objetivo de los
secadores es garantizar que la alimentación tenga un contenido máximo de
agua de 1 ppm en peso, ya que el agua desactiva permanentemente el
catalizador. La corriente de butano entra por el fondo del primer secador y
fluye a través del lecho de tamices moleculares en sentido ascendente para
salir por el tope. Luego, esta corriente es enviada al fondo del segundo
secador para salir por el tope hacia el tanque acumulador de la carga 01-D-
03.
Los secadores operan los dos en serie, excepto cuando uno de ellos
está siendo regenerado y sólo un secador estará en servicio. La
regeneración se lleva a cabo cuando el contenido de agua a la salida del
secador es mayor a 1 ppm en peso. Como medio regenerante de los
secadores se usa el producto isobutano-normalbutano de la misma planta,
luego de haber sido calentado y vaporizado a 288 °C para regenerar, o
enfriado a 38 °C para la etapa de enfriamiento de la regeneración.
Sección de Secado de Hidrógeno: En vista de que una pequeña
fracción de hidrógeno sale disuelta en la corriente de isobutano-
normalbutano del fondo del separador de productos, es necesario introducir
hidrógeno fresco para reponer esta pérdida, además del hidrógeno que se
pueda consumir en reacciones químicas.
Los secadores de hidrógeno fresco al igual que los secadores de
butano, normalmente operan en serie, excepto cuando se está regenerando
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uno de ellos y sólo está uno en servicio. El objeto de estos secadores es
garantizar que el hidrógeno que ingresa a la unidad está libre de agua.
La corriente de hidrógeno fresco tratada en los secadores se mezcla
con el gas de reciclo antes de combinarse con la carga de butano a la
entrada del intercambiador frío de carga.
Sección de Reacción: Una vez seco el butano, se almacena en el
tanque acumulador de carga, desde donde es enviado bajo control de flujo
hacia la sección de reacción, por medio de las bombas de carga 01-P-01-A/B
a los reactores.
Luego la carga se mezcla con la corriente de gas de reciclo que
consiste básicamente de hidrógeno, con el fin de mantener la presión parcial
del hidrógeno, inmediatamente se le inyecta hidrógeno fresco con la finalidad
de reponer las pérdidas producto de las reacciones. Luego pasa a través del
intercambiador frío de carga 01-E-01, donde se caliente con el efluente del
segundo reactor, a la salida de este punto se inyecta, percloroetileno (C2Cl4)
para obtener una dosis de 100 ppm basada en la carga. El C2Cl4 es
almacenado en un tanque bajo atmósfera de nitrógeno.
Posteriormente, la carga combinada con el gas de reciclo, pasa a
través del intercambiador caliente de carga 01-E-02, donde se calienta con el
efluente del primer reactor. Luego, el aumento final de temperatura da la
carga, se logra controlándola en el calentador de carga al reactor 01-E-03,
donde, el vapor le proporciona el calor requerido para la reacción. Desde
16
este último calentador, la carga combinada con el gas de reciclo entra por el
tope del reactor 01-R-01 donde, en presencia del catalizador se lleva a cabo
la reacción de isomerización del normal butano a isobutano. La corriente sale
por el fondo del primer reactor y se dirige al intercambiador de carga caliente
01-E-02, para ceder calor a la carga. Un instrumento de control de
temperatura regula e flujo por el desvío del lado tubos (efluentes de reactor)
del intercambiador de carga caliente para ajustar independientemente la
temperatura de entrada al segundo reactor.
A la salida de este intercambiador, la corriente pasa a través del
segundo reactor 01-R-02 en sentido descendente, para luego entrar al
intercambiador de carga fría 01-E-01 donde se enfría al ceder calor a la
carga.
Desde este intercambiador, el efluente pasa por los condensadores
del producto de los reactores 01-E-04 y 01-E-05, los cuales trabajan con aire
y agua, luego se dirige al separador de producto 01-D-04, donde ocurre la
separación física de la corriente líquida y de la corriente de gas. El gas que
sale al tope, básicamente hidrógeno, se envía a la succión del compresor de
gas de reciclo 01-K-01, para constituirse en el gas de reciclo. Los gases a la
descarga del compresor se combinan con la carga de butano, antes de entrar
a la sección de precalentamiento de los reactores, como ya se mencionó
anteriormente. La corriente de líquido que sale por el fondo del separador de
producto consiste principalmente en una mezcla de isobutano y normal
butano, acompañados de gases de hidrocarburos, hidrógeno y ácido
clorhídrico disueltos en el líquido. Esta corriente se envía bajo control de
nivel a la torre estabilizadora para remover los gases disueltos.
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Sección de la Torre Estabilizadora: El líquido del separador de
producto fluye bajo control de nivel hacia el intercambiador de carga-fondo
de la estabilizadora 01-E-06, donde se precalienta antes de entrar a la torre
estabilizadora 01-C-01. La corriente de isobutano-normalbutano, llamada
“isomerizado”, entra al plato 16 de la torre, con el objeto de remover el
hidrógeno, ácido clorhídrico y los gases formados por craqueo: metano,
etano y propano. El calor requerido para la separación lo suministra el
rehervidor 01-E-07, el cual utiliza vapor.
Por el tope de la estabilizadora salen los vapores que son
condensados y recogidos en el acumulador de tope 01-D-05, el líquido es
devuelto a la estabilizadora como reflujo y los gases a la torre lavadora. El
producto de fondo de la estabilizadora es enviado a la desisobutanizadora
01-C-03 para separar e isobutano por la parte superior, el butano como un
corte lateral y por el fondo pentano (C5+).
Sección de la Torre Lavadora de Gases: Los gases del acumulador
de la torre estabilizadora se envían a la torre lavadora de gases 01-C-02,
donde entran en contacto con una solución de soda cáustica o hidróxido de
sodio (NaOH) al 10% en peso, para neutralizar el ácido clorhídirco (HCl)
presente en dicha corriente de gases (C1/C2).
Los gases entran por el distribuidor del fondo de la torre, burbujean a
través del nivel de soda cáustica y luego pasan a través de un lecho de
anillos, ubicado en la sección superior de la torre. Los gases neutralizados
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salen por el tope de la torre y se envían al sistema de gas combustible, bajo
control de presión. La circulación de soda se realiza con la bomba 01-P-06,
la cual succiona del fondo de la torre y descarga mediante un distribuidor,
ubicado en el lecho de anillos. Cuando la concentración de la soda cáustica
se reduce a 3% en peso, se debe drenar parte de la soda e introducir soda
fresca desde las facilidades existentes.
BALANCE DE MASA Y ENERGÍA
BALANCE DE MASA Y ENERGÍAPropiedad Alimentación Productos
N-Butano C1-C2 C3 IC4 NC4 C5+
Flujo 20 MBD 12,3 KBDComposición 1% C3; 15% IC4; 83% NC4; 1% C5+Temperatura 100 °F 105 °F 105 °F
Presión 120 Psig 376 Psig 159 PsigFase Líquida Líquida Líquida
Densidad 35,4 lb/ft3 34,3 lb/ft3 38 lb/ft3
Viscosidad 0,151 cp 0,19 cp 0,194 cp
REQUERIMIENTOS DE SERVICIOS INDUSTRIALES
a) Sistema de Vapor de baja y alta presión.
b) Agua de enfriamiento.
c) Aire de enfriamiento.
d) Sistema de aire de instrumento.
e) Sistema de caldera.
f) Electricidad.
g) Sistema de agua potable.
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