Destilacion Al Vacio

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INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL

CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA | PP. 51-84

DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA Y AL VACÍO EN LA INDUSTRIA DEL

PETRÓLEO

Ricardo P. Rodrigo R. y Alexis R. Velásquez Barrios1

Departamento de Postgrados. Facultad de Ingeniería, Arquitectura, Arte y Diseño.

Especialización en Ingeniería de Procesos de Refinación y Petroquímicos Básicos.

Universidad de San Buenaventura – Seccional Cartagena. Cartagena D. T y C., 2012.

E- mail: [email protected] - [email protected]

Recibido: Noviembre 27 de 2012

Aprobado: Febrero 27 de 2013

RESUMEN

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que comúnmente se encuentran en la

naturaleza en forma de una mezcla homogénea llamada petróleo. La explotación del

petróleo para comercializar hidrocarburos y sus derivados es una actividad económica muy

importante ya que éstos son usados como combustibles y son la base de la industria

petroquímica.

El proceso de fraccionamiento del petróleo es llevado a cabo en plantas conocidas como

refinerías. Dentro de las refinerías, la operación unitaria usada para la separación del

petróleo en varias fracciones es la destilación. Este proceso es llevado a cabo en equipos

conocidos como torres de destilación, en los cuales se aprovecha los distintos puntos de

ebullición que presentan cada uno de los compuestos que componen el petróleo para

separarlo en fracciones.

En el siguiente trabajo se hará una descripción del proceso de destilación del petróleo, los

equipos utilizados, así como de las variables más importantes a tener en cuenta durante el

fraccionamiento del petróleo.

Palabras claves: Petróleo, Destilación, Hidrocarburos, Torres de destilación.

ABSTRACT

Hydrocarbons are organic compounds commonly found in nature in the form of a

homogeneous mixture called oil. Oil exploitation for commercialization of hydrocarbons

and derivatives, it’s a very important economic activity because they are used as fuels and

is the basis of the petrochemical industry.

1 Ingenieros Químicos egresados de la Universidad de San Buenaventura, seccional Cartagena

https://correo.usbctg.edu.co/owa/redir.aspx?C=b49fcd523ab14ad381e3b981352a4e1c&URL=mailto%3aalexis.velasquez%40propilco.com

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The oil separation process is carried out in plants known as refineries. In refineries, the

unitary operation used for separation of petroleum into various fractions is distillation.

This process is carried out in equipment known as distillation towers, which uses the

different boiling points that have each one of the compounds that comprise the oil to

separate it into fractions.

In this paper, we will make a description of the oil distillation process, the equipment used,

as well as the most important variables to consider when oil fractionation.

Keywords: Oil, Distillation, Hydrocarbons, Distillation towers.

1. INTRODUCCIÓN

El petróleo crudo tal como es obtenido a partir de la tierra es un material con un valor

relativamente bajo, ya que, en su estado natural éste raramente es usado de forma directa.

Sin embargo, puede ser refinado y adicionalmente procesado en cualquier número de

productos cuyo valor agregado es muchas veces mayor que el petróleo original.

Si bien es cierto, hoy por hoy las industrias dedicadas a la refinación de crudos atraviesan

una situación complicada en referencia a la escases de crudos prototipo o convencionales,

las grandes petroleras se ven obligadas a experimentar, trabajar y procesar crudos de tipo

pesados con el único fin de dar abastos con la demanda mundial de combustibles para el

transporte y demás actividades diarias que requieren de productos derivados y procesados a

partir del crudo.

En ese mismo orden de ideas, el primer paso en cualquier refinería es la separación del

crudo en varias fracciones mediante el proceso de destilación (R.N. Watkins, Pag. 3.). La

destilación de petróleo crudo es un proceso fundamental en el refinamiento del petróleo y

la industria petroquímica. Casi la totalidad de las refinerías en el mundo llevan a cabo el

proceso de destilación del petróleo en dos equipos o unidades, los cuales son comúnmente

conocidos como la torre atmosférica y la torre de vacío.

Una unidad de destilación de crudo (CDU) consiste en una torre de pre-flasheo (PF) la cual

es opcional, seguida de una unidad de destilación atmosférica (ADU) y una unidad de

destilación al vacío (VDU). Los productos típicos de un sistema de destilación son el Gas

Licuado de Petróleo (GLP), Nafta Ligera, Media y Pesada, Queroseno, Diesel, Gasóleo,

Gasóleo Ligero de Vacío, Gasóleo Pesado de Vacío y Residuo de Vacío (Raja Kumar et al,

2010).

La operación de un sistema de destilación de crudo debe caracterizarse por tener una alta

eficiencia y mantener un costo de operación relativamente bajo. Una solución popular al

problema de la reducción de costos consiste en el empleo de dispositivos de pre-flasheo, un

tambor o una torre, para ahorrar energía en las plantas de destilación. Los dispositivos de

pre-flasheo se encargan de remover los componentes ligeros del petróleo crudo antes de

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que entren al horno. La corriente de vapor obtenida puede ser introducida a la corriente de

salida del horno o directamente en la columna de destilación principal (Errico M, et al, pag.

1).

El presente trabajo es una revisión bibliográfica acerca de los procesos de destilación que

sufre el petróleo crudo en una refinería y las operaciones y dispositivos implicados para

lograr un buen desempeño.

2. DESTILACIÓN DEL PETRÓLEO

2.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

Una vez el petróleo ha pasado a través del desalador y ha sido despojado de la mayor parte

de agua, sales inorgánicas e impurezas que contiene; éste es conducido a la columna de pre-

flash, para retirar los compuestos volátiles presentes antes de que la mezcla de crudo entre

al horno. Los componentes volátiles retirados en la unidad de pre-flash son conducidos a la

corriente de salida del horno o son introducidos directamente a la torre de destilación

atmosférica La mezcla líquida que sale de la torre de pre-flash es conducida al horno donde

se le proporciona calor, lo cual provoca una vaporización parcial del petróleo. En éstas

condiciones, el petróleo es conducido a la primera columna de destilación la cual opera a

presión atmosférica y es comúnmente llamada torre atmosférica.

Sin embargo, el calor suministrado en el horno no es suficiente para lograr una

vaporización completa de la mayor parte de los compuestos del petróleo. Es por esto que

usualmente las torres de destilación atmosférica cuentan con un rehervidor, aunque

actualmente se está implementando el uso de vapor sobrecalentado el cual es alimentado

por el fondo de la torre.

Dentro de la torre atmosférica, el petróleo es separado en diferentes fracciones algunas de

las cuales son comercializadas directamente y otras son sometidas a otros procesos dentro

de la refinería. El producto de fondo de la torre atmosférica, el cual consiste básicamente en

hidrocarburos de cadena larga, es conducido a la torre de destilación al vacío. En ésta torre

se separan otras fracciones de petróleo, aprovechando el hecho de que al disminuir la

presión disminuye también el punto de ebullición de los líquidos, que de otra forma no se

pudieran haber separado debido a que si se le suministra demasiado calor para intentar

vaporizarlas, éstas pueden descomponerse.

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Figura 1. Torre atmosférica y al vacío.

Fuente: Tomado de T. Benali, Applied Thermal Engineering vol 40, pág. 133 The DeGraff process for crude

oil distillation.

La destilación atmosférica y al vacío son procesos cerrados, en los cuales debe hacerse un

control estricto de la corrosión para la seguridad de la planta y sus operadores por lo que

debe ser controlado el contenido de azufre, de nitrógeno y cloro en el crudo, en el caso de la

formación de HCl se inyecta amoníaco en la corriente superior antes de la condensación

inicial y luego suficiente agua de lavado, para evitar la acumulación de cloruro de amonio.

(Kraus, R.S). El esquema de las dos torres acopladas se presenta en la figura 1.

Las variables de proceso más importante para esta operación son la presión y la

temperatura; el control de la temperatura dentro de la torre es la referencia para realizar los

cortes de los productos que se desean extraer.

Un aumento en la presión normal de operación trae consigo una gran cantidad de

consecuencias dentro de las cuales destacamos:

http://ezproxy.unicartagena.edu.co:2120/science/journal/13594311

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- Una disminución en la volatilidad relativa de los componentes lo que trae consigo una

menor separación en alguno de los platos.

- El consumo de energía se incrementa.

- Puede ocurrir polimerización y degradación de los productos, sumándole además el

incremento en los costos de operación. (Wauquier J. P, 2000).

Una de las dos formas de aumentar los ingresos de los procesos en la industria de la

refinación del petróleo es: aumentando la capacidad de producción u optimizando cada uno

de los procesos; si tenemos en cuenta el primer ítem sabemos que se necesita un capital

extra para aumentar la misma, pero muchos países no cuentan con recursos suficientes para

realizar esto; es por este motivo, que las investigaciones encaminan a encontrar métodos de

optimización de los procesos ya existentes para obtener una mayor ganancia (Torres &

Castro, 2002).

Muchos de los procesos que se llevan a cabo en la industria del petróleo requieren

optimización dentro de estos tenemos el proceso de separación primaria (destilación

atmosférica), ya que este se caracteriza por ser de difícil control debido a las fluctuaciones

de las composiciones de cada uno de los componentes en la alimentación que ingresa a la

torre donde se realiza este proceso de transferencia de masa. En la tabla 1 se presenta un

resumen de algunas de las variaciones que pueden tener la alimentación y sus

consecuencias en los resultados del proceso.

TABLA 1. Consecuencias de la variación de propiedades de la alimentación tomada de

Wauquier J. P, 2000

FLUCTUACIONES VARIACIONES EN EL

DESTILADO DE LA TORRE

VARIACIONES EN EL RESIDUO

DE LA TORRE.

La velocidad de flujo de la

alimentación incrementa

-Leve modificación de la

velocidad de flujo del

destilado.

-Incremento en la

concentración de productos

livianos

-Incremento en la velocidad

de flujo del residuo,

llevando consigo grandes

cantidades de productos

ligeros.

Incremento en la

temperatura de entrada

-Hay un aumento en la

velocidad de flujo del

destilado, además de la

concentración de

compuestos pesados en el

mismo.

-Aumento de la velocidad de

flujo del residuo y trae como

consecuencia un aumento en

la concentración de

componentes ligeros en esta

corriente.

Incremento de la


ligeros en la alimentación.

-Flujo constante de

destilado.

-Flujo constante de residuo.

-Aumento de la

concentración de los

componentes ligeros en el

residuo.

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Incremento de la


pesados en la alimentación.

-Flujo constante de

destilado.

-Flujo constante de residuo.

-Aumento de la

concentración de los

componente pesado en el

residuo

Rigurosos modelos han sido implementados con la finalidad de mejorar el control de la

planta; sin embargo estos son muy difíciles de mantener, además que su implementación

acarrea grandes costos (Hussain 1999 citado por Khairiyah 2003). La red de neuronas

artificiales se ha implementado con resultados satisfactorios para el control avanzado de

estas operaciones, además que no es muy costosa su implementación.

La red neuronal artificial es utilizado para el tratamiento de la información, cuya unidad de

procesamiento está basada en la unidad fundamental del sistema nervioso que es la

neurona; este modelo se caracteriza por emular ciertas capacidades de los seres humanos

como son la de memorizar y relacionar hechos, estudios han demostrado que la

inteligencia del ser humano proviene de la interconexión de miles de estas unidades, y que

esto se debe a que ellas reciben una señal y que después de procesar la información estas

activan señales para dar una respuesta, es así como mediante las sensaciones el ser humano

es capaz de aprender, la cantidad de información que recibe a diario lo hace un ser capaz de

responder a cualquier problema que se le presente (Matiz, 2001)

Las redes neuronales artificiales son entonces unidades de procesamiento que intercambian

información; se podría decir que tienen la capacidad de aprender; la utilización de esta

herramienta en los procesos de separación por destilación los hace muy atractivo debido a

que las condiciones de operación de esta son muy variables y complejos. Khairiyah et al,

estudiaron la aplicación de esta tecnología en una columna de destilación de crudo dulce (es

decir petróleo con bajo contenido de azufre) ya que presentaba problemas debido a la

composición de las fracciones y el condensado de la alimentación, los resultados obtenidos

muestran que las variables de salida son predichas con un margen de error de

aproximadamente de 10-3, lo que permite estimar la cantidad de cada uno de los productos

que se producen.

3. CARACTERIZACIÓN DEL PETRÓLEO.

Un aspecto importante durante la destilación del petróleo y que además debe ser tenido en

cuenta para el diseño de las torres de destilación es la caracterización o descripción de la

composición del petróleo crudo.

Debido a que un análisis completo, componente por componente, de una muestra de

petróleo crudo es difícil de realizar, la composición de cualquier muestra de petróleo puede

ser aproximada por una destilación True Boiling Point, o destilación TBP. Este método

consiste básicamente en una destilación batch usando un gran número de etapas y una alta

relación de reflujo. La curva que de temperatura vs porcentaje del volumen de petróleo

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vaporizado obtenida de esta manera, representa el actual (verdadero) punto de ebullición de

la mezcla de hidrocarburos presente (Watkins, 1979).

Otra forma de caracterizar el petróleo crudo es por medio de las curvas EFV, las cuales son

una representación gráfica del porcentaje en volumen destilado con respecto al total del

vapor en equilibrio con el líquido no vaporizado. Cada punto de la curva corresponde a una

medición física de la temperatura y presión determinada (Urpí, 2008).

La siguiente figura (ver figura 2) muestra la forma común de las curvas TBP y EFV para

una muestra de crudo.

Figura 2. Curvas TBP y EFV para una muestra de crudo.

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4. TORRE ATMOSFÉRICA

Este es un equipo donde se realiza un proceso de separación, que tiene como fin el

fraccionamiento de los distintos constituyentes del crudo gracias a los efectos de la

temperatura, sin el surgimiento de nuevos productos. En primera instancia, el crudo

proveniente del horno ingresa por la parte inferior de la columna fraccionadora, la cual se

caracteriza por ser una torre que generalmente supera los 50 metros de altura y en su

interior presenta a diferentes alturas bandejas o platos que promueven la separación

dependiendo de los diferentes puntos de ebullición de los componentes del crudo, de tal

manera que provocan la condensación de los vapores más pesados y la evaporación de los

líquidos más livianos (ver figura 3). La destilación atmosférica, también conocida como

destilación primaria o topping se realiza a presión atmosférica y a no más de 450 °C. En

la parte superior de la torre se obtienen gases etano, propano y butano, mientras que debajo

se logran fracciones con punto de ebullición más elevado, como nafta, querosene, gas oil

liviano y gas oil pesado. En el fondo queda una fracción más pesada, llamada crudo

reducido, a la que si se pretende extraer aún más destilados, hay que someterla a presión

reducida, ya que si se aumenta la temperatura del proceso, generaría craqueo térmico o

ruptura de moléculas (Instituto Argentino de la Energía, 2008).

Algunos de los combustibles de las unidades de destilación atmosféricas se comercializan

directamente ya que tienen la calidad de combustibles para despacho, siendo de gran

contribución económica, pero la ventaja económica más importante, es que se obtienen

cortes de hidrocarburos que son carga de unidades de conversión, que las transforman en

productos valiosos y de fácil comercialización.

En las unidades de topping, se obtienen los siguientes productos finales y cargas de otros

procesos.

Nafta liviana, se envía como carga a isomerización donde se mejora el R.O.N.

(Research Octane Number; Es el que suele figurar en la estaciones de servicio.

Representa, de manera aproximada, el comportamiento en ciudad: Bajo régimen con

numerosas aceleraciones) y MON (Motor Octane Number; Octanaje probado en un

motor estático. Intenta reproducir la situación en carretera, alto régimen y conducción

regular).

Nafta pesada, se envía como carga a hidrotratamiento de naftas y reforming, donde se

mejora el RON.

Kerosene, se envía a tanque de despacho.

Gas Oíl liviano, se envía a tanque de despacho.

Gas Oíl pesado, se envía como carga a hydrocracking, convirtiéndolo en Gas Oíl y JP o

a las unidades de cracking catalítico fluido (Univ de Buenos aires, 2007).

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Figura 3. Torre atmosférica y contacto liquido/vapor.

4.1 DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA Y EL AHORRO DE ENERGÍA EN LA

REFINERÍA

Aun cuando desde 1970 se han aplicado gran cantidad de técnicas de integración de calor

para el ahorro de energía a plantas de refinería de petróleo (Yasuki et al, 2011) estas siguen

consumiendo grandes cantidades de energía, en particular en la unidad de destilación

atmosférica, donde se ha informado que se consume alrededor del 50% de la cantidad de

combustible suministrado a la planta, Por lo tanto, se puede decir que podría lograr una

reducción notable en las emisiones de CO2 y el consumo de energía en las plantas de

refinería de petróleo si se pudiera reducir el consumo de energía de la destilación del

petróleo crudo.

Una opción para la ahorro de energía en esta sección de la refinería es en la utilización de la

tecnología de auto recuperación de calor donde el proceso funciona sin ninguna adición de

calor, proponiéndose entonces un ahorro energético aproximadamente hasta del 48%

(Phipps & Hoadley, 2003).

4.1.1. Variables de operación en una columna de destilación atmosférica:

Las principales variables que se deben tener en cuenta para la obtención de un producto con

especificaciones requeridas son las que se describen a continuación:

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Temperatura de salida del calentador y de entrada en la columna de destilación:

Esta variable debe ser controlada con precisión porque determina el grado de vaporización

del crudo y la cantidad de calor que debe ser suministrada al calentador. La temperatura de

entrada del crudo en la columna depende directamente de las características propias del

crudo y la cantidad y la calidad de las fracciones a producir; cualquier variación en

temperatura en la alimentación crea una perturbación en el perfil de equilibrio entre las

fases y de la temperatura a lo largo de la columna, tal como para causar una variación en las

características de los productos. Una temperatura de salida baja del calentador produce una

menor cantidad de material vaporizado, y, en consecuencia, una cantidad reducida de

destilado, mientras que una temperatura demasiado alta provoca reacciones de craqueo con

la formación de gas y depósitos de carbono.

Presión de operación de la columna de destilación

Esta se especifica indicando la presión en el condensador junto con la pérdida de presión en

cada etapa de la columna, teniendo en cuenta las características del crudo, las condiciones

de los sistemas de refrigeración (agua de refrigeración o aire) y la posibilidad de obtener el

mayor grado de condensación para evitar la pérdida de producto. Normalmente, por

cuestiones de economía, la presión en el condensador se fija de forma que la temperatura

del destilado sea ligeramente superior (unos 10-50ºF o 6-28ºC) a la temperatura de entrada

del agua utilizada como refrigerante en el condensador de la columna. Sin embargo, si esta

presión se aproxima a la presión crítica de los componentes más volátiles, se trabajará a

presiones inferiores y se utilizarán otros fluidos refrigerantes.

A la hora de seleccionar la presión de operación de una columna hay que tener en cuenta

que, en general, un aumento de la presión de operación de la columna tiene los siguientes

efectos:

Desfavorables:

o La volatilidad relativa disminuye y por tanto aumenta la dificultad de la separación:

aumentan los requerimientos de número de platos, reflujo y consumo en el

condensador y en la caldera.

o Hace aumentar la temperatura de la columna: aumentan las reacciones de

degradación química, polimerización, etc.

o Para presiones manométricas por encima de 6-7 atm, hay que aumentar el espesor

del material de la columna.

o Aumenta la temperatura en la caldera y por tanto se requiere un medio de

calefacción más costoso.

o Para separaciones a altas presiones, las fugas son mayores, y aumenta el peligro

potencial en el caso de usar materiales tóxicos o inflamables.

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Favorables:

o Aumenta el punto de ebullición del destilado, lo que permite el uso de refrigerantes

más económicos.

o Aumenta la densidad del vapor, y por tanto, la capacidad de la columna.

o En la destilación de gases licuados, aumentan los puntos de ebullición del líquido

que circula por la columna, lo que permite utilizar materiales de construcción más

baratos.

o Disminuye el diámetro de las tuberías y el tamaño de las válvulas por las que circula

el vapor.

Flujo y temperatura de reflujo en la columna:

El calor que no se elimina por medio de los productos que salen de la columna debe

extraerse mediante eliminación de líquido en las secciones correspondientes de la columna

y enviarlo de nuevo a la columna después de enfriamiento. En general, en una columna de

destilación atmosférica, hay presentes tres reflujos intermedios: en la cima, el de queroseno

y el de gas-oil. Obviamente la cantidad de calor que obtenga el sistema de reflujo circulante

variará dependiendo de la temperatura de los líquido de extracción, la temperatura del

retorno y la velocidad del flujo. La distribución del calor extraído a lo largo de la columna

está determinada por el grado de fraccionamiento requerido, así como por el nivel térmico

con el que se elimina el calor. Además de la temperatura, los caudales de los diversos

reflujos en la columna también tienen un efecto sobre el fraccionamiento. Los altos

caudales de reflujo en la columna pueden causar la inundación de la zona de retorno y

lloriqueo en las bandejas inferiores, causando así una reducción de la eficiencia de las

propias bandejas. Las tasas bajas de reflujo, en cambio, puede inducir arrastre del vapor

hacia el bandejas por encima del punto de retorno en la columna, de nuevo causando una

reducción en los eficiencia de fraccionamiento.

Arrastre de vapor en la columna

El vapor sobrecalentado se inyecta en la parte inferior de la columna de destilación

atmosférica con el fin de eliminar los componentes con puntos de ebullición menor. El

efecto del vapor de agua es tal que reduce la presión parcial de la fase de hidrocarburo,

haciendo que los componentes con una menor temperatura de ebullición pasen de la fase

líquida a la fase de gas. Un caudal típico para estas inyecciones es 2% en peso, en relación

con la velocidad de flujo de residuo atmosférico que sale de la parte inferior de la columna.

Un caudal demasiado bajo tiende a dejar una parte del destilado ligero en los residuos del

fondo, mientras que una tasa demasiado alta puede causar que el destilado superior pueda

estar contaminado con trazas de producto pesado Jennings, 2000) .

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Las velocidades de flujo de las extracciones laterales de la columna de destilación

En cada punto a lo largo de la columna atmosférica, y especialmente en el punto de

extracción en la columna de una corriente o un corte lateral, la temperatura del líquido

refleja la temperatura de ebullición del líquido a ese punto exacto. Un aumento en la

velocidad de flujo de líquido extraído de la columna conduce a una reducción del reflujo

interno dando como resultado que el líquido se vuelve más rico en componentes menos

volátiles y, como consecuencia, eleva la temperatura en la sección correspondiente. Por el

contrario, una reducción de la velocidad de flujo de la fracción a extraer hace que más

líquido permanezca en la sección de la columna inmediatamente debajo del punto de

extracción, con la consiguiente reducción de la temperatura.

5. TORRE DE VACÍO

Con el fin de seguir separando los productos del petróleo, el crudo reducido proveniente de

la columna de destilación atmosférica, es ingresado a una torre de vacío (ver figura 4), la

cual a partir de la baja presión se evita que por efectos de las altas temperaturas se produzca

un craqueo térmico, el cual no es deseado. En estas condiciones se pueden obtener

volúmenes adicionales de destilados, diesel liviano y pesado de vacío, a temperaturas

semejantes a las del proceso anterior. El residuo o “fondo de vacío” puede destinarse a

combustible de la refinería, o como componente de fuel oil, de asfalto o como carga en la

unidad de coqueo retardado. Por lo general estas columnas son de lechos empacados con

una presión aproximadamente de 20 mm Hg y una temperatura máxima de 390°C

REPSOL, 2009).

En esta unidad, la energía necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada

totalmente en hornos, diseñados para minimizar pérdidas de presión. La carga parcialmente

vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilación, donde se produce una

corriente ascendente de vapores y otra descendente de líquidos.

La torre tiene características particulares, que la diferencian de las atmosféricas. Los

dispositivos para producir el contacto liquido vapor, son rellenos especiales (flexi-rings)

ubicados en lechos ordenados que permiten incrementar la superficie de interface,

favoreciendo la transferencia de masa. El diámetro de la columna es diferente en zona de

condensación, respecto de la zona superior o inferior, ya que las pérdidas de carga deben

ser despreciables para mantener el vacío homogéneo en la totalidad de la torre (Univ. De

Buenos aires, 2007).

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Figura 4. Perfil de Temperatura en la torre de vacío.

En estas unidades, solo se obtienen cargas para unidades de conversión.

Gas oíl liviano de vacío, se envía a otros procesos donde se obtiene gas oíl, JP, naftas

carga de hidrotratamiento de naftas e isomerización y propano-butano.

Gas oíl pesado de vacío, se envía a las unidades de cracking catalítico fluido, donde se

obtienen nafta de alto RON, propano carga petroquímica o despacho, butano carga a

petroquímica, gases combustibles, diesel oíl carga a hidrotratamiento de diesel que lo

convierte en gas oíl.

Asfalto, se envía a las unidades de craqueo térmico, donde se convierte en naftas carga

de hidrotratamiento de naftas, diesel oíl carga de hidrotratamiento de diesel, gas oíl

pesado de coque que es carga de las unidades de cracking catalítico fluido, carbón

propano- butano y gases combustibles (La comunidad petrolera.com, 2009).

Torre preflash

El material proveniente de la destilación atmosférica, es calentado e ingresa a la torre de

preflash, donde se consigue una pequeña porción de producto de cabeza y la gran parte que

permanece como producto de fondo se dispone para ingresar en el proceso de vacío, lo

anterior si el proceso al vacío contempla dos etapas; de lo contrario se omite el proceso de

precalentamiento y se alimenta directamente la columna de destilación al vacío con los

productos de la destilación atmosférica. Por su parte la corriente de arrastre puede o no, ser

empleada en la medida como se considere necesario.

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Sistema generador de vacío

Existen básicamente 3 tipos de sistemas que pueden ser empleados: eyectores de vapor con

condensador barométrico, eyectores de vapor con condensador de superficie y las bombas

mecánicas de vacío.

o Eyectores de vapor con condensador barométrico.

El vacío es creado por la remoción de gases no condensables y vapor del proceso por

eyectores de chorro de vapor. Estos vapores y no condensables, consisten primordialmente

en productos de bajo punto de ebullición, gases producidos por sobrecalentamiento, aire

disuelto y vapor disuelto en la generación de vapor. En este proceso se emplean

condensadores barométricos para mantener el vacío por la condensación del vapor presente

en la corriente al contacto con agua fría [18].

o Eyectores de vapor con condensadores de superficie

Estos han alcanzado más protagonismo que los eyectores de condensación debido a que los

gases no condensables al igual que los vapores no se mezclan directamente con el agua de

refrigeración, lo cual reduce satisfactoriamente las aguas de desecho que precisan ser

procesadas en el sistema de tratamiento. La desventaja de estos condensadores en

comparación con los barométricos está relacionado con es su elevado costo y

mantenimiento (Mohd et al, 2003).

o Bombas mecánicas de vacío

Son las más empleadas en comparación con los eyectores de condensación y de superficie,

básicamente por los costos de mantenimiento y el tratamiento de aguas de desecho que se

emplear en los primeros.

a. b.

Figura 5. Remoción de no-condensables por: a. eyector, b. bombas

mecánicas

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Las bajas presiones que se requiere generar durante la destilación al vacío, y que se

traducen en ventajas para el proceso, se tornan indeseables cuando las caídas de la presión

en torres bien sean empacadas, o de platos dificultan la operación satisfactoria en las

mismas. Razón por la cual, es necesario garantizar que la destilación se lleve a cabo sin

descender más allá de los límites mínimos de presión. En la industria una práctica común

para compensar los descensos bruscos de la presión se emplean corrientes de gas inerte, por

lo general Nitrógeno; teniendo en cuenta que los alivios de vacío resultan preponderantes

en las zonas donde se presentan estas pérdidas de presión, la mayoría de estas pérdidas

además del carácter contributivo de los demás accesorios en la torre, son ocasionados en el

condensador por el cambio de estado de los vapores condensables presentes (Kraus, 1998).

El gas inerte empleado, influye en la capacidad del condensador para cambiar de estado los

vapores, razón por la cual se requiere calcular la velocidad, cantidad y ubicación exacta por

la que debe ingresar el Nitrógeno al sistema, la eficiencia del mecanismo dependerá de

combinación satisfactoria de estos factores en la medida como se disminuyan los

requerimientos de gas inerte.

Conforme las exigencias de la industria aumentan los requerimientos en volumen de

producto, se incrementan del mismo modo los riesgos y la importancia del control de las

variables que garanticen un proceso seguro, económico y continuo; Existen múltiples

variantes del procedimiento de alivio de vacío por medio de gases inertes, en los cuales

Figura 6. Esquema del alivio de vacío mediante inertes.

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debe tenerse presente la velocidad a la que pueden presentarse descensos bruscos de

presión evento que puede ocurrir en cuestión de segundos (Kraus, 1998).

6. ANÁLISIS EXERGETICO A UNA PLATA DE DESTILACIÓN:

El análisis de exergía es una herramienta muy importante a la hora de determinar

eficiencias energéticas en equipos de una planta industrial, y por consiguiente de manera

más general a la planta misma. En estudios realizados por Benali et al. (2012) se lleva a

cabo este tipo de análisis a un proceso de destilación atmosférica de crudo, con el fin de

encontrar los principales factores que se involucraban en la degradación de la energía que

en ultimas representaba un gasto energético debido a las irreversibilidades que presentaba

el sistema de estudio.

Por medio de ecuaciones matemáticas y en forma de arreglo matricial, los autores pudieron

determinar que la contribución de las especies ligeramente evaporadas en el tren de

precalentamiento, al ser pasadas por el horno para luego ser ingresadas por el fondo de la

columna representaban en gran medida forma de irreversibilidades que se convertían en

destrucción de la exergía, por lo que los autores proponen de acuerdo a la matriz de

destrucción de exergía eliminar estos términos ingresando estos productos ya evaporados al

tope de la columna mediante un flash adiabático y de esta forma las contribuciones a las

irreversibilidades por estas especies serian insignificantes (Cavado et al, 2005).

Mediante un software de simulación se pudieron probar ambos sistemas (con y sin flash),

bajo las mismas condiciones para apreciar si se presentaba un efecto significativo sobre la

destrucción de la exergía. Los datos arrojados por el simulador muestran que las

irreversibilidades se minimizan y se puede obtener hasta un ahorro en la energía

suministrada al horno hasta de un 21%.

Finalmente se puede concluir que para tener datos más confiables y probar con certeza que

se aprecia un ahorro significativo de energía, se deben tener en cuenta más contribuciones y

un modelo matemático más robusto y menos simplificado, aun así se presenta como una

buena herramienta para mejoramiento de los procesos de destilación el análisis exergético o

de degradación de la energía, pues revela los puntos débiles en cuanto a eficiencia

energética se refiere.

7. ASPECTOS ACERCA DE LA CORROSIÓN:

En la actualidad, la gran mayoría de los equipos empleados en la industria petrolera son

fabricados de acero al carbón, debido a que las corrientes no corroe éste tipo de acero a

temperaturas no superiores a los 450°F (230°C), excepto en los sistemas de sobre-cabezales

o domos de destilación flash y de la columna atmosférica. Cuando este rango de

temperaturas es sobrepasado se manifiesta en gran medida los problemas de ataque con

azufre y ácido nafténico.

67



Como es bien sabido, el crudo está constituido por diferentes compuestos químicos e

impureza, las cuales pueden causar un grado amplio de corrosión dependiendo de las

condiciones de operación de la unidad de crudo; este tipo de impurezas pueden ser sales

inorgánicas [cloruro de sodio (NaCl), cloruro de magnesio [MgCl2] y cloruro de calcio

[CaCl2], ácidos orgánicos, compuestos de azufre y cloruros orgánicos. Las sales empleadas

al precalentarse comienzan a hidrolizarse formando vapores de HCl los cuales al

solubilizarse en agua se disuelve en el agua condensada para formar ácido clorhídrico, el

cual es altamente corrosivo causando severos problemas en el domo de la columna, en los

condensadores y la línea del sobre-cabezal.

Por su parte, los problemas asociados a los compuestos de azufre están estrechamente

relacionados con el ácido sulfhídrico (H2S) por debajo del punto de rocío del agua (estado

acuoso) y por encima de los 500°F (260°C), a esta temperatura el H2S reacciona con el

hierro desgastando con ellos el material, dicho desgaste está asociado a la temperatura, la

velocidad de la corriente y la composición del material. La corrosividad causada por el

azufre afecta principalmente las partes calientes de la columna de destilación atmosférica,

en la columna de pre-destilado instantáneo, la columna de destilación al vacío, tuberías e

intercambiadores de calor (Shuncheng & Begajewicz, 2002).

Otro aspecto a tener en cuenta en los procesos que implican la transformación del crudo en

otros productos industriales llevados a cabo en plantas de destilación al vacío es la

corrosión con ácido nafténico (NAC), constituyéndose en una unidad delicada frente a la

corrosión debido a que dichos ácidos se acumulan en puntos de ebullición similares a los

que se encuentran en la unidad de destilación al vacío a más de 450°F (250°C); este

desgaste se presenta en zonas que el azufre ataca a altas temperaturas tales como los tubos

del horno y los codos, las líneas de transmisión, paredes y bandejas en la columna de vacío,

manifestándose en picaduras, ranuras de filo liso y en algunos casos en forma de agujeros,

por esta razón se recomienda que su construcción sea en acero inoxidable con aleaciones

considerables en molibdeno, dado que los aceros AISI 316 y AISI 317 no pueden resistir el

ataque del ácido nafténico (Robles & Arellano, 2002). El molibdeno presente en las

aleaciones influye de buena manera en las propiedades y características de la película de

acero aumentando consigo la estabilidad de la capa pasiva.

Es por esta razón, que se hace necesario realizar inspecciones de manera periódica

mediante la observación visual, el análisis de uso de microscopía de barrido y óptica, y

espectrometría de rayos X (Vassiliou, 2009). Estas evaluaciones se llevan a cabo dando

prioridad a las zonas de mayor daño producido por el ácido nafténico mencionadas

anteriormente que corresponden a las zonas donde se produce gasóleo pesado de vacío

(HVGO) en rangos de temperaturas de 365°C a 394°C teniendo en cuenta que en estas

zonas los valores de índice de acidez total son mayores.

Investigaciones realizadas en unidades de destilación al vacío después de 5 años de

operación muestran los siguientes resultados:

68



Empaquetadura de la Torre

Se presentaron ataques por picaduras, en este caso se

deben emplear acero inoxidable con mayor contenido

de molibdeno como el acero inoxidable AISI 316 que

contiene 2% en peso más de molibdeno.

Bandeja y copas de burbujeo

Se presenta un desgaste mecánico por la fricción

desarrollada entre las copas de burbujeo y la bandeja

alrededor de los 350°C, este movimiento va

eliminando las películas protectoras contribuyendo de

esta manera a un ataque corrosivo acelerado.

Pared de la columna de la zona de

vaporización instantánea

Presenta un desgaste debido a las altas temperaturas,

además la corrosión por ácido nafténico se da por el

choque ocasionado por un fluido de expansión.

Rejilla de soporte

Es el caso común de ataque corrosivo por picaduras

ocasionado por condensación del ácido alrededor de

355°C

Línea de transferencia

Se manifiesta un daño producido por ácido nafténico

a 380°C, aumentando el grado de corrosividad por el

régimen de caudales del fluido.

Otras de las mediciones para el control de la corrosión aparte de la buena selección del

material para unidades de destilación son:

Tabla 2. Ataque por ácido nafténico en diferentes zonas en unidades de destilación al vacío.

69



Desalado, cuyo propósito principal es eliminar la cantidad de sales presentes en el

aceite crudo a menos de 3 ppm debido a que con esto se reduce la probabilidad de

formación de ácido clorhídrico en el precalentamiento a partir de la hidrolisis.

Adición de sosa caustica con el fin de eliminar el HCl liberado y convertirlo en NaCl

reduciendo la cantidad liberada de HCl, sin embargo, se debe tener cuidado con las

cantidades a adicionar debido a que al aplicar grandes cantidades se corre el riesgo de

obstruir el tren de precalentamiento de crudo, problemas de contaminación en el

catalizador, entre otros, lo cual se evita con una buena mezcla en la inyección de la sosa

caustica al proceso.

Inhibidores de corrosión generalmente orgánicos, forman una película continua y

delgada que actúa como barrera protectora entre los ácidos en el sistema y la superficie

del metal debajo de la película formada (Speight & Ozum, 2002).

7.1 FUENTES DE CONTAMINACIÓN:

Los sistemas de creación de vacío en las industrias de refinación, son las causantes de gran

parte de la contaminación generada. En los condensadores del sistema, durante la creación

del vacío gran parte de gases hidrocarburos y orgánicos no condensables se disipan a la

atmosfera, mientras que los vapores condensables se mezclan con el agua de enfriamiento

(Wilson et al, 1951). Ambos mecanismos son fuente de contaminación si no se tienen en

cuenta los procedimientos y los procesos adecuados para mitigar tal situación.

En el petróleo además de sus componentes principales, están presentes gran cantidad de

compuestos indeseables tanto para el proceso de refinación, como para la calidad del

producto finalmente requerido. Dependiendo del tipo de impurezas se llevan a cabo

procesos como pre-tratamiento antes de poder ser procesado el petróleo tales como lavados

con agua y desalinización (este último también se halla relacionado con el mantenimiento

de los equipos debido a que contrarresta la corrosión y el ensuciamiento de los mismos).

Sin embargo existen siempre cantidades de sustancias que no son retenidas completamente

en estos procesos preliminares; razón por la cual las aguas de desecho provenientes de los

sistemas de creación de vacío implican un especial cuidado y tratamiento, debido en parte a

que en ella se dispone de gran cantidad de sulfuros (en especial cuando se están refinando

crudos ácidos), y de contaminantes solubles, cloruros, mercaptanos y fenoles.

La composición de los contaminantes depende de diversos factores que van desde el

funcionamiento y las condiciones de la torre de destilación, hasta las concentraciones de la

alimentación y el producto final deseado. La situación debe ser especialmente analizada

debido a que se deben implementar mecanismos satisfactorios de control de contaminación,

por ejemplo si se aumenta la temperatura del agua refrigerante son menos las emisiones a la

atmosfera de gases no condensables, pero entonces aumenta la cantidad de estos

componentes disueltos en las aguas de desecho.

Dos de los métodos que han mostrado mejores resultados en el control de las sustancias no

condensables son mediante la recuperación del vapor y la absorción. La primera es el de

mayor empleo, y consiste básicamente en la ventilación y combustión de estos no

70



condensables para la generación de energía; por otra parte, cuando se recurre al empleo de

la absorción, se pasan no condensables por una cascada de petróleo pobre, cuando la

cantidad de estos gases justifica el costo de inversión inicial y mantenimiento.

8. CONTROL MULTIVARIABLE PARA UNA PLANTA DE DESTILACIÓN AL

VACÍO DE HIDROCARBUROS.

Figura 7. Esquema simplificado de la Planta.

El trabajo de planta en el ámbito industrial requiere en la mayoría de las instancias el

control de las variables que regulan el proceso. Por lo tanto, el trabajo llevado a cabo por

los estudiantes de pregrado de la Universidad de Carabobo en Venezuela, plantea el diseño

de un control multivariable que ejerza función en una planta de destilación al vacío que

hace parte de la refinería El Plaito, ubicada en Venezuela. La labor se justifica, bajo el ideal

de que la implementación de un controlador multivariable automatizado garantiza una

mayor estabilidad en el proceso, así como también la obtención del máximo beneficio a

escala económica, obteniéndose productos bajo especificaciones estandarizadas e

incrementando incluso la permanencia operacional.

La planta de destilación al vacío consta básicamente de un horno, acompañado de eyectores

junto con la misma torre de vacío (ver figura 5). Esta planta trabaja con 80000 barriles al

71



día de crudo reducido provenientes del fondo de la torre de destilación atmosférica. Un

diagrama ejemplificado de la planta se muestra en la figura 7, donde es evidente la

obtención de gasóleo liviano, gasóleo pesado de vacío y así mismo fuel oil.

En esta investigación luego de conocer las condiciones de operación de la planta, se

establecieron las variables a manipular, a controlar y a perturbar. Determinándose, la

necesidad de controlar trece variables, manipular 6 y perturbar dos. Seguidamente, se

predicen los modelos matemáticos (41 en total), posteriormente con ayuda de un software

se construyó el controlador por modelo predictivo (MPC) multivariable. Ahora, vale la

pena resaltar que el control por modelo predictivo se basa en el modelo del proceso en lazo

abierto, que permite al controlador predecir el comportamiento del proceso en el futuro

(Yildirim et al, 2011).

Para terminar, la investigación arrojó y mostró que aunque la complejidad para el diseño de

estos supervisores multivariables es realmente alta, los resultados que arrojan su

implementación son realmente buenos e inclusive satisfactorios. Sin embargo los softwares

son una herramienta facilitadora y sencilla en la elaboración de controladores

multivariables.

9. UN NUEVO RETO PARA LAS REFINERÍAS

Como se había citado con anterioridad, hace algunos años era mucho más fácil trabajar con

crudos ligeros de bajo contenido en azufre lo que permitía el empleo de prácticas

convencionales en la obtención de queroseno con finalidades de uso en la aviación. Sin

embargo, los crudos que hoy se procesan no permiten la fácil obtención de la gama de

querosenos que el mercado de los combustibles para aviación reclama. Por tanto el reto de

las refinerías consiste en satisfacer esta necesidad de combustible para aviación así como

también su calidad. Es así como el trabajo realizado por los investigadores Alberto Cavado,

Neyda Om, Yordanka Reyes, Gisel Chenard y Rubén Martínez evalúa la tecnología

convencional de destilación atmosférica y de hidrocraqueo moderado – ¨Mild

Hydrocracking¨ – en la obtención de querosenos para la aviación a partir del procesamiento

de crudos pesados (Mao, 2010).

Ahora bien, esta investigación permitió la fijación de metodologías y normativas que

pudieran servir como guías en la producción de queroseno de aviación con la evidente

intervención de petróleos crudos nacionales extra pesados con elevada contención de

azufre.

En el desarrollo de la investigación se utilizaron crudos importados y crudos producidos en

Cuba cuyas Características de cada crudo así como también de la mezcla de ambos, con un

20 % de crudos nacionales (Jaruco y Varadero) se muestran en la tabla N° 3.

72



Tabla 3. Propiedades físico-químicas del inyecto y de los crudos que lo componen: Crudo

Mesa 30 y Crudo Nacional (80:20).

Con este trabajo investigativo se buscó en primera instancia el reconocimiento y la

consecución de queroseno (combustible para aviación) que cumpliera con la normativa

establecida por ASTM y el Check List para el combustible Jet A-1. Lo anterior bajo la

determinación del porcentaje óptimo de mezclado de los crudos de trabajo.

Ahora bien, en cuanto a la unidad de destilación atmosférica de la localidad de Santiago de

Cuba donde se encuentra ubicado el complejo de refinería usado como sitio de desarrollo

de labores investigativas, trabaja bajo los siguientes parámetros de operación durante el

seguimiento realizado (ver tabla 7).

Tabla 4. Principales parámetros operacionales de la unidad industrial de destilación

atmosférica

73



La destilación TBP de esta mezcla de crudos, según el método ASTM D 2892, en una

columna de 15 platos teóricos demostró que, en dependencia del punto inicial de la

destilación y el régimen de tratamiento en la planta de Hidrofinación Catalítica, los

rendimientos de la fracción base de querosina se encuentran entre el 16 – 20 % m/m. La

fracción obtenida en la Unidad de Destilación Atmosférica fue utilizada como un inyecto a

la Unidad de Hidrofinación Catalítica (Gary & Handwerk, 2001).

Para finalizar, en cuanto a actualidad se refiere en lo vinculado estrechamente con la

destilación atmosférica y demás unidades sistemáticas de trabajo, se determina que la

experiencia con crudos extrapesados con contenidos relevantes de azufre mezclados con

determinado porcentaje de crudos ligeros permiten la obtención de fracción de querosina

que bajo posterior hidrofinacion conllevan a la obtención de queroseno de aviación (jet A-

1) con indicativos de calidad de aceptación internacional.

9.1 NORMATIVA

Las características del crudo y sus productos son de vital importancia en la seguridad y

desarrollo de productos derivados de este, especialmente en el caso de combustibles y

solventes hidrocarbonados. El rango de evaporación suministra información acerca de la

composición, propiedades y el comportamiento de los combustibles durante su

almacenamiento, transporte y uso. En los solventes, la velocidad de evaporación es un

factor importante especialmente en la industria de la pintura y el recubrimiento.

Los límites de destilación son incluidos en las especificaciones de productos del petróleo,

en contratos comerciales, control en los procesos de refinería y para cumplimiento de varias

regulaciones.

La ASTM 86 cubre los test para la destilación de productos del petróleo, para la obtención

de datos en un laboratorio para determinar cuantitativa de las características del rango de

evaporación de productos tales como la gasolina natural, destilados livianos y medios,

combustibles de automóviles, de aviación, turbinas, diesel, “espíritu del petróleo”, naftas,

“espíritu blanco”, keroseno, y combustibles de caldera de grado 1 y 2. Los solventes

hidrocarbonados también son incluidos en esta norma. Esta norma es diseñada para

combustibles productos de la destilación, y no es aplicable a productos que contienen

cantidades apreciables de residuos.

Para la destilación atmosférica los métodos de test son la ASTM D 86-04b “Standard Test

Method for Distillation of Petroleum Products at Atmospheric Pressure” y la D850-03

“Standard Test Method for Distillation of Industrial Aromatic Hydrocarbons and Related

Materials” y D1078 “Standard Test Method for Distillation Range of Volatile Organic

Liquids”, estas normas deben seguirse en un estricto sentido de precision y reproducibilidad

por sus altos costos, la norma ASTM D86 parte de unos parámetros sencillos y permite

medir las características del crudo dependiendo de sus volatilidades y su separación en la

destilación atmosférica, siempre parte de una clasificación a priori en grupos como se

presentan en la tabla 5.

74



Para la de destilación al vacío, las normas usadas son La ASTM D2892-03 “Standard Test

Method for Distillation of Crude Petroleum” aunque no aparezca como una especificación

oficial es usada para la valoración del crudo y su procesabilidad, en el cual se consigue el

cut point (punto de ebullición) y la eficiencia además de una gráfica de temperatura vs

porcentaje de masa destilado, la cual es definida en una columna de 15 platos teóricos, con

una razón de reflujo de 5 dando una TBP “True boiling point”, aunque esta debe ser de

mucho cuidado ya que este término no es la sugerida, no está permitido que la temperatura

de vapor exceda los 210°C ni que la temperatura de ebullición del líquido exceda los

310°C” esto implica que solo se trabaja hasta 400°C AET (temperatura atmosférica

equivalente) que es calculada con la ecuación Maxwell y Bonnell (Maxwell, J. B., and

Bonnell, L. S., Industrial Engineering Chemistry, Vol. 49, 1957, pp. 1187–1196.) y aunque

la ecuación es corregida por varios valores del factor K de Watson, solo se usa con un

factor K de Watson igual a 12.

TABLA 5. Grupos de crudos según la norma ASTM D86

GRUPO

0

GRUPO

1

GRUPO

2

GRUPO

3

GRUPO

4

CARACTERISTICAS DE LA

MUESTRA

TIPO DE DESTILADO Gasolina

Natural

PRESION DE VAPOR (KPA)

A 37,8°C

≥ 65.5 < 65.5 < 65.5 < 65.5

NORMAS D323 D4953,

D5190, D5191, D5482,

IP69 O IP394

DESTILACION

IBP °C

≤ 100 > 100

EP(END POINT)°C ≤ 250 ≤ 250 > 250 > 250

Fuente: R. Montenegro, Distillation and Vapor Pressure Measurement in Petroleum

Products, caracteristicas grupales

La D5236-03 “Standard Test Method for Distillation of Heavy Hydrocarbon Mixtures"

[Método de vacío en potstill (alambique)], es denominada una extensión de la D2892, y su

gran diferencia radica en el punto máximo de temperatura alcanzado que es de 565°C, es

75



usada determinar la curva de destilación estándar a la mayor AET posible y los

procedimientos para la producción de fracciones de destilado de gasoil y lubricantes así

como la producción de residuos estándar. Ademas se usa la D1160-03 “Standard Test

Method for Distillation of Petroleum Products at Reduced Pressure”.

9.2. TÉCNICAS DE DESTILACIÓN EFICIENTE

El aumento de la demanda energética, la creciente contaminación por el indiscriminado e

ineficiente uso de combustibles fósiles y los elevados precios del crudo ha motivado a los

investigadores a explorar procesos más eficientes y favorables al medio. Entre las

investigaciones más amplias, los siguientes aspectos necesarios son primordiales para la

columna de destilación de calor integrado: modelado dinámico riguroso, diseño óptimo, el

análisis multivariable de estado estacionario, identificación de sistemas, la síntesis y la

aplicación de alta calidad de control no lineal, y la evaluación experimental (Anayansi &

Ruiz, 2000), estas investigaciones han permitido desarrollar diseños y montajes dentro de

los cuales se destacan los siguientes:

Columna de pared dividida

Esta configuración de columna de destilación se muestra en la Fig. 5 se refiere a menudo

como columna con pared divisoria (DWC según sus siglas en ingles). Esto se logra cuando

una partición vertical (pared) se introduce en una columna de destilación para organizar una

pre-fraccionador y una columna principal dentro de una única carcasa. La ventaja ofrecida

por esta columna particionada es una mezcla ternaria que puede ser destilada en corrientes

de producto puro con estructura de destilación única, contando con un rehervidor y un

condensador. Esto implica en una reducción del costo de separación. La inversión inicial

seria baja (Cabrera et al, 2012).

Se diseñó un esquema donde se incluye una columna vertical, que posee un divisor

longitudinal para separar la sección de agotamiento junto con la sección de rectificación,

conservando una diferencia de presión entre las dos partes mencionadas. Una serie de tubos

se pasan entre la sección de agotamiento y la de rectificación, para tener un

aprovechamiento de transferencia de calor por el fluido de trabajo que viene por la sección

de rectificación y se dirige a la sección de agotamiento. La sección de rectificación trabaja a

una temperatura mayor que la sección de agotamiento (Matiz, 2001).

76



Figura. 8. Una representación esquemática de una columna de destilación Petlyuk (también

conocido una columna con pared divisoria).

Columna Petlyuk

La estructura Petlyuk en comparación con una unidad de destilación convencional, tiene

muchos grados más de libertad en tanto a la operación y el diseño causando dificultad en el

diseño tanto de la columna, así como el sistema de control, no obstante se requiere una

menor inversión inicial y los costos de operación suelen ser más reducidos. Como se

representa en la Fig. 6, el esquema de Petlyuk de dos columnas consta habitualmente de un

pre-fraccionador conectado con una torre de destilación que está equipado con un solo

intercambiador de calor y el condensador. El acople de dispositivos de intercambio de calor

a este sistema es el responsable de los ahorros de energía. El inconveniente con esta

columna son los acoplamientos entre el procesamiento de unidades el cual dificulta el

manejo de operación y control. (Perry, 2001).

77



Figura 9. Representación esquemática de una estructura Petlyuk de dos columnas.

Columna de destilación adiabática

En las columnas de destilación adiabática, el calor sólo se suministra a la caldera de la parte

inferior y se extrae del condensador de reflujo. Como se muestra en la Fig. 7, la

transferencia de calor entre la columna y el entorno tiene lugar en cada bandeja de la

columna utilizando un medio fluido a través de la bobina. En la destilación adiabática, cada

bandeja necesita un circuito de intercambio de calor individual, por lo que el coste de

inversión aumenta sustancialmente. Para aliviar el problema se simplificó el diseño de la

columna diabática con el uso de dos redes de intercambio de calor, una es para la sección

de rectificación y otro para la sección de extracción. Esta columna relativamente

simplificada consiste en un fluido de calentamiento único (generalmente vapor) que circula

desde la bandeja hasta la bandeja de alimentación (zona de separación) y un fluido de

enfriamiento único (generalmente agua) que circula por encima de la bandeja de

alimentación (zona de rectificación). Debido a los ya mencionados factores la inversión

inicial es más alta que para una columna convencional, (Perry, 2001).

Figura 10. Una representación esquemática de una columna de destilación adiabática.

78



9.3. MALFUNCIONAMIENTOS COMUNES DE LAS TORRES DE DESTILACIÓN

AL VACÍO EN LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA.

Tabla 6. Malfuncionamientos comunes en torres de destilación (Anayansi & Ruiz, 2000).

TIPO DE COLUMNA BREVE DESCRIPCION ENSEÑANZA

Residuo de crudo en la

columna de destilación

al vacío

La eficiencia del plato fue

menor de lo esperado. Las

copas de los platos en la

columna contuvieron y

operaron cargas bajas de

líquido y con amplias

variaciones en las cargas de

vapor.

Se debe tener cuidado con

la predicción de eficiencia

debida las cargas del

líquido.

Residuo de crudo en los

platos de burbuja de la

columna de destilación

al vacío

Se produjo lloriqueo por la baja

carga de líquido, el cual no

permitió la circulación del

líquido en una sección de

bombeo. Remplazando las

válvulas equipadas con nibs

boca abajo (evitando que se

peguen) con válvulas que están

al ras con el soporte para

resolver el problema.

Evitar que los platos

equipados tengan nibs boca

abajo cuando las fugas del

líquido sean críticas.

Platos de copa en

columna de vacío

Una parte de las válvulas de

tres platos y se abrieron

huecos. Extremos de las

bandejas y bandejas de

distribución fueron soldados.

Se redujo la fuga, la separación

y se mejoró la recuperación de

calor.

La reducción de la válvula

de densidad y la soldadura

de las bandejas pueden

reducir la fuga

10. OPTIMIZACIÓN Y MEJORAS DEL PROCESO DE DESTILACION DE CRUDO

La unidad de destilación de crudo es probablemente el método de separación más

ampliamente empleado en la industria de refino de petróleo, donde el mayor factor de

complejidad es la gran variedad de productos que puede ofrecer, que van desde gases

licuados hasta asfalto. Los equipos utilizados son generalmente grandes debido a la

capacidad típica en una refinería, lo que hace que consuman energía en cantidades

considerables. Además, los productos destilados que se obtienen deben cumplir con unas

restricciones de calidad, lo que obliga a que se deban manejar ciertas condiciones de

operación para alcanzar esos requisitos. Por lo anterior, es de gran importancia la

79



optimización en el diseño y operación de estos equipos si se quiere minimizar el consumo

de energía o maximizar los flujos de productos valiosos u otro objetivo específico.

Torres. J.E., et al., reportó el uso y la aplicabilidad de la optimización de procesos con el

lenguaje de modelado GAMS y simulador Simsci Pro/II para una columna de destilación

atmosférica de crudo de cinco productos: nafta, queroseno, diesel, gasóleo y crudo

reducido. La optimización del proceso consiste en maximizar la producción de diesel o

queroseno, sujeto a condiciones de calidad, restricciones hidráulicas, relaciones de

equilibrio, balances de materia y energía. La obtención de los parámetros óptimos es un

proceso iterativo, donde un procedimiento de optimización genera un conjunto de valores

de los parámetros y los alimenta a la simulación que estima el desempeño del sistema,

repitiéndose lo mismo hasta que se satisface el criterio deseado. El propósito de los

metamodelos es aproximar las relaciones entre las variables de salida de la simulación y las

variables de entrada con modelos matemáticos computacionalmente eficientes; otra ventaja

adicional de los metamodelos es la facilidad de ser incorporados a softwares dedicados a la

optimización [42].

En 2011 Benhali Tahar, et al., desarrollaron mejoras al proceso de destilación atmosférica

del crudo por integración de energía mediante la introducción de un destello en el tren de

precalentamiento de un proceso de destilación atmosférica de petróleo, junto con una

introducción adecuada del vapor resultante en la columna; lo que potencialmente podría

suponer un ahorro sustancial de energía, reduciendo el trabajo del horno de

precalentamiento, haciendo algunos prefraccionamientos y reduciendo las irreversibilidades

de la columna.

Una segunda investigación fue realizada en el 2012, manteniendo el rendimiento y las

características del producto sin cambios. El resultado es que la colocación de varios

destellos después de los intercambiadores de calor y la alimentación de las corrientes de

vapor correspondientes a las bandejas apropiadas de la columna, reduce los flujos de reflujo

circulante y el calor traído al tren de precalentamiento. El déficit de calor resultante puede

entonces ser compensado en un intercambiador de calor adicional mediante el uso de calor

de bajo nivel recuperado de los productos de la destilación y/o importados de otros

procesos. El uso de este calor residual reduce el deber del horno por una cantidad

aproximadamente equivalente. La simulación con un diagrama de flujo de ejemplo muestra

que los ahorros en combustible podrían ser alrededor del 21% (Benali et al, 2011).

Ponce G. Marco, et al., desarrollaron en el 2001 un método integral para mejorar el diseño

de columnas de destilación a partir de conceptos de energía, mediante el uso de curvas de

entalpía-temperatura que relacionan la operación simulada con una ideal reversible. Este

método fue aplicado a una torre de destilación en la planta combinada de la refinería de

Tula (México) que consta de 34 platos teóricos, para la cual se demostró que la adición de

un pumparound refleja la reducción en los consumos de energía del orden de 400 millones

de BTU/día, sin detrimento de la cantidad y calidad de los productos destilados.

80



Dazi Li., et al, reportaron en el 2009 la aplicación práctica de un IMC (Internal model

control)-PID en una unidad de destilación atmosférica y al vacío. En este estudio se

presenta una estrategia de identificación de sistema en un ciclo cerrado basado en

algoritmos ya reportados. La aplicación del modelo planteado en el estudio permitió

optimizar y ajustar el controlador. Las condiciones antes y después de la optimización

mostraron mejoras en cuanto a la calidad y la relación de reflujo y una reducción en el

consumo de energía.

11. CONCLUSIONES

Una vez abordado el proceso de destilación del petróleo crudo es posible concluir que:

El proceso de destilación, así como las variables críticas ha sido descrito en los trabajos de

investigación estudiados y reportados. Las torres de destilación y su eficiencia condicionan

el funcionamiento y capacidad de operación de la refinería. La alimentación de las

columnas debe estar libre de agua y sales para evitar daños en los equipos. Presiones muy

bajas garantizan buen fraccionamiento en las columnas de vacío. Los malfuncionamientos o

fallas en las columnas de destilación generalmente son debidos a fallas presentadas durante

la operación y no durante el diseño. El cracking térmico dentro de las columnas es

indeseado porque se genera coque que obstruye las tuberías y daña los equipos. La energía

necesaria durante el proceso condiciona la eficiencia de la destilación.

El aprovechamiento al máximo de los recursos tanto energéticos como de materia prima es

un aspecto primordial durante el proceso de fraccionamiento del petróleo, ya que en lo

posible, se debe disminuir la cantidad de combustible usado para la generación del calor

necesario para la separación y además se deben recuperar las fracciones de petróleo hasta

cuando sea rentable.

Debido a las grandes dimensiones de los equipos de las refinerías, se produce un consumo

energético en cantidades considerables y además los productos deben cumplir una

normativa específica de calidad, lo que obliga a que se deban manejar ciertas condiciones

para alcanzar dichos requisitos, por tanto es de gran importancia la optimización del diseño

y operación de los equipos que garanticen minimizar el consumo de energía y maximizar la

producción de los productos.

Para un buen fraccionamiento de los crudos pesados es necesario mejorar las propiedades

físicas que impiden la fácil circulación del fluido, tales como la densidad y la viscosidad, lo

cual se logra al mezclarlos con petróleos de corte más liviano.

La destilación es una de las principales operaciones que permiten obtener derivados de

mayor valor comercial, convirtiéndose en un producto fundamental para el desarrollo de

todos los procesos, por mencionar algunos se encuentra el combustible que emplean loa

autos, aviones o camiones para desplazarse; el asfalto que cubre carreteras y autopistas; el

gasóleo que alimenta la calefacción; los plásticos empleados para la fabricación de

computadoras, juguetes, electrodomésticos; los disolventes que permiten separar un

componente en especial o auxilian algún proceso de producción, entre otros derivados.

81



El éxito de la separación y por ende del proceso de refinación depende de la sincronización

entre las variables que afectan la operación, el control de las mismas y su incidencia en el

producto deseado; la presión que se maneja en la destilación no es una propiedad ajena a

esta situación, en torres de destilación al vacío es necesario garantizar las bajas presiones;

caso contrario en las torres de destilación atmosféricas las cuales incluso cuentan con

sistemas de alivio de vacío. Sin embargo, ambas circunstancias guardan en común la

relevancia de la presión y los diversos métodos que se emplean para su control y el proceso

de destilación.

Además, es importante tener en cuenta al momento de llevar a cabo un proceso de

destilación cada una de las variables que pueden influir directamente al deterioro de los

equipos, tener en consideración cada uno de los perjuicios que pueden presentarse y que

contribuirían a la avería de las unidades de destilación, con el fin de evitar el desgaste por

corrosión causado por distintos componentes ya sea ácido nafténico, compuestos de azufre,

ácidos orgánicos y cloruros orgánicos, entre otros, así como los materiales empleados para

la construcción de los diferentes equipos utilizados en la industria petroquímica y los

debidos mecanismos correctivos al momento de presentarse cualquier tipo de anomalía

asociada al desgaste de las unidades del proceso.

Y para finalizar, las simulaciones y los análisis exegéticos sirven para comprender los

fenómenos y los mecanismos de optimización en los procesos de destilación que se llevan a

cabo en la industria del petróleo.

REFERENCIAS

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