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UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERIA D I V I S I ~ N DE POSTGRADO

"EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DE LA PLANTA DE

FRACCIONAMIENTO BAJO GRANDE"

POR LA ING. ZOILY LOPEZ PARA OPTAR AL TITULO DE

MAGISTER SCIENTIARUM EN INGENIERIA DE G.4S.

MARACAIBO, JUNIO 2002

A mi esposo John, amor y complemento de mi vida. ..

A mi hija Danida, inspiración y razón de seguir

adelante ... A mis padres Esthei: y Tijo,

quienes son mi mejor ejemplo a seguir.. .

AGRADECIMIENTO

A Dios por darme la oportunidad de vivir y darnie las herramientas para lograr todo lo que me propongo ...

A mi amado esposo John, por ser mi apoyo y compañero i.ncondiciona l, "Gracias por confiar en mi y hacer de este amor lo niás grande de nuestras vidas."

A mis Padres Esther y Tijo, por quienes me han enseñado ei valor dcil trabajo y el estudio, por que con todo su amor hicieron de mi lo que soy, "Estaré siempre orgullosa de ser su hija."

A mi familia adoptiva y especialmente a Judith, Luis, Nerie y José, pcr haberme ayudado cuando más los necesitaba y hacerme sentir conlo parte de S-J

familia, "Gracias por contar con ustedes." A mis hermanos José Alejandro y Carito, quienes han estado en las buenas

y en las malas, siendo incondicionales y demostrándome que puedo contar con ellos, " Estaré siempre con ustedes hasta que logren mas de lo que yo he logrado."

A dos persona muy especiales: el Ing. Edison Alvarado y el Ing. Jorge Rarrientos, sin su ayuda no hubiera podido alcanzar la culminación de esta etapa de mi vida, "Gracias por compartir conmigo sus conocimientos t a ! ~ valiosos."

De ustedes también es mi éxito ... Zoily

RESUMEN

Trabajo Especial de grado "Evaluación del Sistema de Rt:frigeración del área de proceso de la Planta de Fraccionamiento Bajo Grande de PDVSP, GAS."Presentado por la Ingeniero Zoily Esther López Hernández, para optar al titulo de Magíster Scientiarum en Ingeniería de Gas en la Universidad de Zuli'i.

El propósito fundamental de este estudio es "Evaluar el Sistema de Refrigeración del área de proceso de la planta de fraccionamientc Bajo Grande* de PDVSA GAS, con el fin de mejorar los métodos de operación y funcionamicntc~ del mismo, ya que actualmente dicho sistema presenta deficiencias tanto a n ve1 de procesos de operación como de fluctuaciones de alimentación, lo cual S,?

traduce en paradas del compresor, pérdidas de refrigerante y producto fuera de especificación.

Para alcanzar los objetivos propuestos se realiza un análisis detallado del proceso de Fraccionamiento, Refrigeración, Almacenamientc) y Despacho. Seguidamente se recolecta la información necesaria para la elaboración de la:; simulaciones con parámetros de diseño y reales, haciendo especial hincapié eri 1ii identificación de las variables críticas y la definición del proyecto. Al realiza:. el levantamiento de la información de campo se prosigue con la simulación eri estado estacionario del Sistema de Refrigeración utilizando el simula(loi. comercial PRO-11. Adicionalmente se realiza la evaluación del sistema antioleaje asociado a los compresores de refrigeración utilizando los datos tomados tiel sistema de control distribuido PROVOX. A continuación se evaluan 121

instrumentación y controladores de esta parte del proceso para verificar su bt eri funcionamiento y calibración. Finalmente se realiza presentación cle resultados 12

conclusiones y recomendaciones necesarias para garantizar condiciones de refrigeración estables para las características de operaci6n actual de la planta, e ;te se traduce en la estabilidad de las condiciones de refrigeracitln de propano, isobutano, normal butano y gasolinas (C5+), siempre y cuando el sistema cumpla con los requerimientos operacionales mínimos especificados.

wk PDVSA &A Gas Índice í;enenzl -- --

DEDICATORIA

AGRADECIMIENTO

RESUMEN

LISTA DE FIGURAS Y GRÁFICAS

LISTA DE TABLAS Y ANEXOS

INTRODUCCI~N

CAPÍTULO 1: EL PROBLEMA

1.1 .- Planteamiento y Formulación del Problema.

1.2.- Justificación e Importancia de la Investigación.

1.3.- Objetivos

1.3.1.- Objetivo General.

1.3.2.- Objetivos Específicos.

1.3.3.- Alcance.

CAPITULO 11: MARCO 'EORICO

2.1.- Antecedentes.

2.2.- Bases Teóricas.

2.2.1.- Procesos de Fraccionamiento.

2.2.1.1.- Desetanizadora

2.2.1.2.- Despropanizadora

2.2.1.3.- Desbutanizadora.

2.2.1.4.- Desisobutanizadora.

2.2.2.- Equipos d e Intercambio de calor.

2.2.3.- Principios de Refrigeración.

2.2.3.1 .- Expansión Joule-Thompson.

2.2.3.2- Turbo Expansión.

PDVSA Gas jntlice GeneAval - -- --

2.2.3.3.- Refrigeración Mecánica. - 7

2.2.4.-Funcionamiento de los compresores. 9

2.2.4 -1 .- Compresor Centrífugo ' 9

2.2.4.2.- Oleaje en los compresores. :!O

2.2.4.3.- Sistemas de control de un cornpresor. 21

2.2.5.- Control automático de procesos. .-- Y)

2.2.6.- Operaciones de un sistema de control de proceso. 22

2.2.7.- Descripción del proceso de la Planta de Fraccioriamiento

Bajo Grande.

2.2.7.1.- Sistema Despropanizador. 24

2.2.7.2.- Sistema Desbutanizador. 25

2.2.7.3.- Sistema Desisobutanizador. 26

2.2.7.4.- Sistema de Refrigeración. 27

2.2.7.5.- Sistema de Almacenamiento. 28

CAPÍTULO 111. MARCO METODOLÓGICO

3.1.- Metodología de la Investigación. 31

3.2.- Materiales Necesarios para la Investigación. 32

CAPÍTULO IV. EXPRESIÓN Y ANÁEISIS DE RESULTADOS

4.1.- Consideraciones Generales. 34

4.2.- Simulación del Diseño. 35

4.3.- Simulación del Caso Real. 36

4.4.- Evaluación de Enfriadores de Refrigeración. 37

4.5.- Evaluación del Condensador de Refrigeración (C-303). 41

4.6.- Evaluación de los Compresores de Refrigeración K-301. 42

4.7.- Evaluación del Sistema Antioleaje del Compresor K-301 C. 47

CONCLUSIONES 53

RECOMENDACIONES 56

BIBLIOGRAFÍA 59

ANEXOS 62

PDVSA Gas I.i.s?tc r í e Figuras y Gráficu.~ -- --

LISTA DE F1GUR.M

Figura # 1: Sistema de Fraccionamiento.

Figura # 2: Planta Compresora.

Figura # 3: Ciclo de Refrigeración Mecánica.

Figura # 4: Operaciones básicas de un Sistema de Control.

LISTA DE GRÁFIc&~

Gráfica # 1: Límites de un rompresor.

Gráficas # 2: Variaciones de Caudal de producto vs. flujo de refrigeración.

Graficas # 3: Variación de Caudal de producto vs. flujo de ref1:igaación.

Gráficas # 4: Curva del comportamiento de etapa 1 del comprc:sor.

Gráficas # 5: Curva del comportamiento de etapa 11 del compi-esor.

Gráficas # 6: Curva del comportamiento de etapa 111 del compresor.

Gas Listrr dz T a h k r s ~ ~ Anexos -- --

LISTA DE TABLA-

Tabla # 1: Resultados de simulación del Diseño.

Tabla # 2: Resultados de simulación Real.

Tabla # 3: Características del condensador C-303.

Tabla # 4: Sensibilidades del Condensador.

Tabla # 5: Características del Compresor K-301C.

Tabla # 6: Sensibilidades del compresor K-301C.

LISTA DE ANEXWi

Anexo # 1: Diagrama de Flujo de la Planta de Fraccionamiento Bajo Grand L.

Anexo # 2: Diagrama del Sistema de Refrigeración clel área de Procesos.

Anexo # 3: Especificaciones del Compresor K-301.

Anexo # 4: Especificaciones de los Enfriadores.

Anexo # 5: Curvas Características del compresor.

Anexo # 6: Gráficas del Greene para cálculos de eficiencias del compresor.

Anexo # 7: Reporte de la Simulación del Diseño.

Anexo # 8: Reporte de la Simulación Real.

Anexo # 9: Reporte de algunas sensibilidades de los enfriadores.

Anexo # 10: Reporte de algunas sensibilidades del CIompresor K-301C.

Anexo # 11: Reporte de algunas sensibilidades del condensador C-303.

PRVSA 9th Gas Introducción - -

Las Mantas de Fraccionamiento de gas constituyen una pa-te

fundamental en la industria del procesamiento de hidrocarburos, por cuai-ito

tienen como objetivo separar los componentes del gas natural, produc!.os

utilizados principalmente en el área energética (gis doméstico), refinación

(aditivos para gasolina) y petroquímica (como materia prima), los cuales

tienen una gran demanda a escala nacional e interriacional y son produc:os

de alto valor comerciaI.

La Planta de Fraccionamiento Bajo Grande cumple co:i la función cica

fraccionar el LGN en propano, isobutano, normal butano y gasolina natui-al.

Tanto el propano como los butanos, a presión y temperatura atmosféricas se

presentan en forma de gas, condición inapropiada para realizar s ~ i

almacenamiento, de esta forma se necesitarían recipientes excesivamentci

grandes para contener una-cantidad sigdicativa de estos productos. Por esta

razón, deben ser licuados para almacenarlos a baja presión y temperat~ra

crioghica. Para tai efecto son necesarios sistemas de refrigeración efecti.aois

proporcionando condiciones de almacenamiento apropiadas y estables.

Las fallas ocasionadas por deficiencias en la capacidad de enfriamiento

y limitaciones en los sistemas de control de los procesos c.e refrigeracjón,

originan la inestabilidad de las condiciones de almacenamiento (incremento

de la presión y temperatura), generando muchas veces la necesidad d.?

ventear y a la vez obtener productos fuera de especificación.

El presente estudio tiene la finalidad de evaluar el sistema de

refrigeración de la Planta de Fraccionamiento Bajo Grande, con el fin de

T 4 PDVSA e& Gas - lntrodu ccicít r -- --

mejorar los métodos de operación y funcionamient(,~ del mismo.

Para tal fin, la presente investigación se ha estructurado en cuatro

capítulos distribuidos de la siguiente manera: I;n el prirner capítulo S(-

plantea y justifican los objetivos y realización del presente estudio. El

segundo capítulo contiene los fundamentos teóricos que sostienen I i i

investigación, los cuales dan pie a la formulación de las variables de estudio

y permiten un mejor tratamiento de los conceptos manejados a lo largo del

estudio. El tercer capítulo contiene la metodología empleada para consegpir

los objetivos planteados. Por último, en el cuarto capítulo se plasman los

resultados arrojados por la investigación, en el cual se describen los aspectos

relacionados con la descripción del proceso, se presentan además las

conclusiones y recomendaciones generadas por la iqvestigacitjn.

-4 PRVSA @& Gas C(:pítulo 1: - El Prohlemn -. -.

EL PROBLEMA

1.1.- PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Al extraerse el petróleo de los yacimientos es enviado a las estaciories,

de flujo donde se realiza la separación de crudo o líquido y gas. El crudo es;

bombeado a los patios de tanques mientras los gases son enviados a las

plantas compresoras, una parte va hacia las plantas de fraccicmamiento. Ctra

es destinada al aprovechamiento para recuperación secundaria y una tercxa

parte para la venta.

El proceso de fraccionamiento puede describirse €11 cuatro eta2as

principales: Fraccionamiento, Refrigeración, Almacenamiento y Despacha.

La primera comprende los procesos donde se llevan z. cabo para 1.3

separación de LGN en sus productos derivados. La etapa de refrigeració?

proporciona condiciones adecuadas de presión y temperatura a los derivados

para ser almacencidos. El 'almacenamiento se realiza en tanques e~peci~liles

dependiendo de las condiciones del fluido. La cuarta etapa correspond? al

despacho, en la cual se incluyen las actividades de distribucitin, a través de la

carga de barcos o el envío de productos por líneas hacia otras plantas o

refinerías.

Entre las Plantas de Fraccionamiento de Gas, PDVSA cuenta con :ia

planta de fraccionamiento Bajo Grande, ubicada en el Municipio Urdaneta

del Estado Zulia, la cual, tiene como objetivo la ex-tracción de los líquidosc del

gas natural del petróleo, proveniente de las plantas Lama, Idamar Líquido y

El Tablazo. Posee capacidad de procesamiento para 25.600 barriles por día

(BPD) de GLP con un máximo de 1% de etano, para obtener 11.500 BPII (le

propano, 8.600 BPD de butanos (2.600 BPD de isobutano y 6000 BPI) (le

- -- Q la; .=ApX'. ;

PRVSA @A Gas Capítulo I: El Problema -. -.

normal butano) y 5.500 BPD de gasolina como último componente y

comprende la fracción del pentano en adelante, productos esenciales y sirven

de materia prima a la industria petroquímica y de refinación.

Actualmente, la planta opera a un 65% de la capacidad total de diseiio,

es decir, recibe alrededor de 20.000 BPD de GLP. Esto se debe a que sus.

principales suplidores de materia prima se encuentran fuera cle servicio. Este

flujo es fraccionado en 5500 BPD de propano, 2500 BPD de isobutano, 5EiOCl

BPD de normalbutano y 6500 BPD de gasolina. Esta proporc:!ón es produ ztc)

de que parte de la alimentación proviene de El Tablazo, la cual contiene bajo

porcentaje de propano y es rica en butanos y más pesados (gasolinas).

El Proceso de Refrigeración del Área 300 de la planta dti

fraccionamiento posee actualmente problemas de ef.ciencia, conio

consecuencia de la variación de las condiciones del proceso,. generadas po::

diversos factores tales como: baja carga de productos, fallas en el

funcionamiento de los equipos, incapacidad de operación de los misrros,

entre otros factores trayendo como consecuencia paros del compresor y .2or

ende producto fuera de especificación y pérdidas del mismo. Por lo

anteriormente expuesto, se hace necesaria la "Evaluación ,del Sistema di.

Refrigeración del Área de Procesos (Área 300) de la Planta de

Fraccionamiento Bajo Grande".

1.2.- JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESZ"I'GACIÓN

En la actualización el sistema de refrigeración del área 300 de la Planta

de Fraccionamiento Bajo Grande, presenta condiciones operacionalei; .y

esquema de control deficientes produciendose inestabilidad en el procc?so,

trayendo como consecuencia que los productos (propano, isobutzno,

PDVSA Gas Capítulo I : - El Prohlenii,* -- --

normalbutano, y gasolina natural), no sc encuei-itren en las condiciones

requeridas para su almacenamiento.

. Las evaluaciones del sistema realizadas a partir del análisis;,

simulación e identificación de las variables críticas del prmeso, tomarid12

información de campo y haciendo uso de la instrumenta(:itjn existent? .y

materiales disponibles hace posible el mejoramiento de la operación actual

del sistema de refrigeración, garantizando en los prodiictos presióii y

temperatura necesaria para mantenerlos en estado líquido.

La Evaluación del Sistema de Refrigeración reviste suma importai~cia

debido a que el mismo origina los fluidos líquidos producidos en el proceso

de fraccionamiento de LGN, estando en esta conciici6n pueden ser

almace~ados para posteriormente ser despachados o enviatlos a su destino

final.

1.3.1.- OB JETWO GENERAL

Evaluar el Sistema de Refrigeración del iírea 300 de la plank cle

Fraccionamiento Bajo Grande, con el fin de mejora:r los métodos de operaziíbn

y funcionamiento del mismo.

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Analizar el proceso de fraccionamiento desde la recepción del I,GN

hasta la distribución de sus derivados, con el objeto de entender la filosofía

operacional de la planta e identificar las variables crítica:; del sistemii de

refrigeración del área de proceso.

- Ejecutar la simulación del sistema de refrigeración co:n la finalidad (le

evaluar el comportamiento actual, tanto de los procesos como de los sistomas

asociados a este proceso, determinando la capacidad actual cle los equipos.

-4 PDVSA e4 Gas CupítuIo 1: El Prnhlemn -- --

- Revisar la instrumentación y los controladores de las áreas cle

refrigeración del área de proceso, a fin de verificar su fiincionamien.:~ y

calibración.

- AnaIizar el sistema de refrigeración y verificar su adecuado manejo cle

acuerdo a los parámetros de proceso establecidos por el diseíío.

- Efectuar la evaluación del Sistema Antioleaje para verificar que tan cerca

se encuentran las condiciones del proceso de este punto crítico de operacifjn.

1.3.3.- ALCANCE

Al realizar el análisis del proceso de fraccionamiento y hacitnclo

especial hfasis en el Sistema de Refrigeración, se podrán efectuar 1,js

simulaciones necesarias para determinar las variables críticas hacicnclo

varían las condiciones preestablecidas para su correcto f~lncionamienio, a

partir de las cuales se optimizarán las estrategias aplicadas actualmente 3ara

la estabilización del proceso.

Realizada la evaluación y adecuación al Sistema de Refrigeracion

estará apto para realizar su principal función la cual es bajar la temperatura

de los productos hasta convertirlos en Iíqilidos para su postc:ri;>r

almacenamiento.

Un Sistema de Refrigeración operando eficientemente traerá beneficios

para los operadores, al personal de mantenimiento y a la planta en generd,

representando un ahorro de tiempo y dinero, de esta manera se evit2irí;in

paros de los compresores del sistema de refrigeración y por ende no ;eiSía

necesario perder gran cantidad de refrigerante o propano producto.

MARCO EÓRI~CO

w PRVSA A

Gas C(1pítu1o II: M(~rco Teórico -. -.

2.1.- ANTECEDENTES

La planta de fraccionamiento de Bajo Grandc se encue~itra ubicada en

el Municipio La Cañada de Urdaneta, en la parte siir-occidental del Lago de

Maracaibo. Fue construida en el año 1.969 por la Venezuelan Sun Oil

Company, bajo diseño de la Lunmus Co, e inicij F,US cperuclsnec e n e! año

1.972, cuando se completó la construcción y puesta en marcha de las plan.:as

de extracción de Ics grupos Sun/Atlantic/Phillips/Shell en el lago. La plarita

fue diseñada originalmente para procesar 25.600 barriles por día (BPD) de

LGN y obtener como productos propano, mezcla de butanos y gasolir-.as

naturales o nafta liviana.

Inicialmente, la planta contaba con un tren de fraccionamierito

compuesto por una torre despropanizadora (V-301), y una torre

desbutanizadora (V-303), además de todos los sistemas auxiliares para su

funcionamiento. En el añb de 1.984 se incorpora ai proceso un sistema

desisobutanizador, en el cual se incluyó la torre desisobutani:zadora (V-31.7),

a fin de separar las mezclas de butanos provenientes de la desbutani7xidc)ra

(V-303), y de las plantas El Tablazo y La Paz.

Este mismo año, la planta La Paz quedó destruida por un incendio, y

la planta Bajo Grande se quedó sólo con las alimentaciones procedentes de

Lama Proceso, Lamar Líquido y El Tablazo. En el aiio de 1.9912, debido a una

expansión realizada por Pequiven en el Complejo de Olefi.nas, arrancó la

planta Tablazo 11, la cual comenzó a enviar a la planta Bajo Grande una

mezcla de butanos y más pesados, estas se alinearon hacia la torre V-303

(desbutanizadora). En 1.994 otro incendio destmy6 la planta Lama, pero es

reconstruida en el año 1.998, y puesta en marcha en 1.999.

-4 PDVSA @A Gas (:(~pítulo II: Marco Teóricw -- --

Actualmente la planta recibe alimentación riel Lago, Lamu y LUI1 ----.? .U&,

las cuales están alineadas hacia la torre despropa nizadora 'J-301. Aden- ás,

debido a cambios en la composición de la corriente de El Tablazo 1, Csta

corriente se alineó también hacia la V-301, mientras que la corriente de

Tablazo 11 se mantiene alimentando la torre desbutanizadora V-303. Hoy eri

día la planta está fraccionando entre 18.000 y 20.000 barriles por día de LGN,

teniendo como compromiso final la entrega de propano a Pequiven para la!;

plantas de olefinas, e isobutano y normalbutano como materia prima para la:;

plantas de alquilación. Igualmente vende productos según las necesidalle:;

del mercado nacional e internacional vía terminal marino.

Las instalaciones de la planta de fraccionamiento I3ajo Grande se

pueden dividir en las siguientes áreas:

El Área 300, constituida por un tren de tres columnas de fraccionamierito,

equipos asociados y un sistema de refrigeración.

El Área 500, empleada para el almacenamiento, consta de cuatro tanqle:;

para la disposición y despacho de los productos fraccionacl~s.

El Área 600, donde está ubicado el muelle, para despacho!; y descargas dit

los buques de productos refrigerados y gasolina para el mercado local 17 la

exportación.

El sistema de refrigeración del área de proceso (Área 300), posee

actualmente un sistema de control totalmente automati.zado donde la;

señales son recibidas en un panel de control. Los compre:sores poseen uii

sistema antioleaje el cual fue implantado en el año 1.997. El proceso di-.

Refrigeración ha sido objeto de varias evaluaciones, las cuales sirven de

soporte a esta investigación. Estos trabajos se describen a continuación:

vg PDVSA @A Gas C~1pÍfi4lo 11: .Wurco Te(jricfi - - -

En el año 1.997, Viclal D. realizó un trabajo acerca del "Control de las

actividades de mantenimiento de equipos priricipales d2 la Planta de

Fraccionamiento Bajo Grande." La investigación. incluyó los compresoises

del Área 300 (K-301 A/B/C/D), a los cuales se evaluó e -inspeccionó !os

controles de protección, interruptores, alarmas y demás equipos asociac.os

al compresor. Se detectaron fallas mecánicas en partes importantes tiel

compresor, como son : Cojinetes de la caja de engranaje, inotor eléctrizo,

fallas de acople por desalineación, sello del sumidero, entre otros.

En Junio de 2.000, Chavez 1. realizó una tesis de grado titulaja:

"Optimización de los sistemas de control para minimizar la quema de

productos en fosa en la Planta de Fraccionainiento Bajo Grande". El

estudio arrojó resultados donde se muestra la inestabilidad de la:;

condiciones de almacenamiento de productos. La recorriendación diida

fue la optimización de los procesos de frac<:ionamieni:o para reducir

impurezas en los productos destilados, facilitando el control de preció2

de los tanques de almacenamiento. Se sugirió la realizaci6n de un plan de

mantenimiento y calibración de los instrumentos de :los sistemas de

refrigeración y almacenamiento, y se hace necesario un estudio profu:.-ido

a nivel de proceso para determinar las fallas y deficiencias.

Una evaluación del funcionamiento del sistema de refrigeración del

Área 300 de la planta de fraccionamiento Bajo Grande fue realizada por

Armando Santos en Agosto de 2.000, donde se concluyt5 que existe uria

considerable desviación entre los valores reales e ideales obtenidos para

la compresión del propano refrigerante, y que termodinámicameni.e el

sistema de refrigeración optirniza su funcionamiento al emplear dos

compresores en paralelo.

--VA\- Gas

C:a~ítulo II: Mrrrco Teórii o

2.2.- BASES TEÓRICAS

2.2.1.- PROCESO DE FRACCIONAMIENTO.

El sistema de fraccionamiento es usado para separar una mezcla dci

componentes en productos individuales, éste es posible cuando los clos

productos a ser separados tienen diferentes puntos de ebullición. La

dificultad del fraccionamiento puede estar relacionada con la diferencia

existente entre los puntos de ebullición de 1.0s productos deseados,

usualmente se remueve primero el o los elementos inás livianos de la mezcla.

L,as partes esenciales de un sistema de fraccionamierito son: la torre

fraccionadora, un condensador de producto de tope, un rehervidor de fon jo,

y un acumulador de reflujo. Las plantas de fraccionamiento son requerida:;

generalmente para obtener productos puros, entonces debe existir mucho

contacto entre líquidos y vapores dentro de la torre. Para conseguir cste

contacto se requiere de un gran número de platos en la torre, gran canticlacl

de calor proporcionada por el rehervidor de fondo y tina porción de

producto enfriado por el acumulador de reflujo y el coiidensador.

Los sistemas fraccionadores son llamados generalmente por el nombrcs

del producto de tope. Por consiguiente, una desetanizadora indica quci e1

producto obtenido en el tope de la torre es etano; para una despropanizadora

el producto separado es propano obtenido por el tope. Los sister-na,~

fraccionadores son representados en la figura # 1.

T 4 PWSA e& Gas Cqnítrrlo 11: Afarco Teórico - -

1;igura # 1: Sisrcma dc 1;raccionamiento

ITucnte: 1 r ípcz. ZoiI!. (1:ricro 2007)

2.2.1.1- DESETANIZADORA: El primer paso en la secuencia d12l

fraccionamiento del gas natural es separar el etano del propano. A través ce

la desetanizadora, se obtiene etano por el tope dejando 1.1 propano y

componentes más pesados en el fondo de la torre. La operación de :a

desetanizadora consiste en controlar el contenido de propano en el etano y

viceversa, el contenido de etano en el propano y más pesados.

2.2.1.2.- DESPROPANIZADORA: El siguiente paso de la secuencia es

separar el propano e isobutano, obteniendo el propario por el tope de la torre

despropanizadora y el isobutano y componentes más pesados por el fondo.

De esta manera, la filosofía operacional de unii despropanizadora 6:s

controlar el contenido de butano en el propano y de propano eri el butano. En

ciertos casos, cuando la alimentación de una torre de:;propaniziidora contiene

etano, la desetanizadora puede omitirse y utilizar la despropanizadora para

obtener una mezcla de propano y etano por el tope.

2.2.1.3.- DESBUTANIZADORA: En una toi-re desbuianizadora, !;e

lleva a cabo la separación de la mezcla de butanos (normal e isobutano) cle

Gas Cqrítulo 11: Marco Tecíricn

los pentanos y más pesados (gasolina natural). Los butanos pasen al tope y 1'1

gasolina natural es obtenida por el fondo. Algunas veces, se deja ciert'i

cantidad de butanos en el fondo de la torre para controlar la presión de vapo -

de la gasolina natural, cuando es requerido. La desbutanizadora es la Ilavt!

de control de pentano en los butanos y de butanos en la gasolina natural.

2.2.1.4.- DESISOBUTANIZADORA: Cuando se desea separar 10:;

butanos, esta mezcla debe ser pasada a través de una desisobuti~nizadora. Eri

ésta pueden ser separados en isobutano que se evapora hacia el tope 17

normalbutano obtenido por el fondo. La función de una desiscbutanizador'i

es controlar la proporción de iso en el normal butano y de normal en cl

isobutano.

2.2.2.- EQUIPOS DE INTERCAMBIO DE CALOR.

Cuando existen dos sistemas con temperaturas diferentes y se pone11

en contacto, directo o indirecto, se produce una transferencia de calor. Est?

tipo de energía no se puede medir, pero sí sus efectos, lo cual hii permitido !a

postulación de las leyes que rigen dicho fenómeno.

Un intercambiador de calor es un equipo donde se realiza la

transferencia de calor de un fluido a otro. El tipo más sencillo de

intercambiador de calor es aquel en el cual se ponen en contacto, sin

separación de material, una corriente de fluido caliente y ot:a fría. En tal

sistema ambos fluidos alcanzan la misma teinperatura final. Otro

intercambiador de calor es el de tubo-carcaza, ampliamente usado para la

transferencia de calor Iíquido/Iíquido, pa.ra ap1ic:aciones de

líquido/condensado de vapor y para sistemas vapor/ev.aporación de

líquidos.

-4 PDVSA @A Gas C y í t ~ lo 11: Murco Tecíric o

-. -.

Como su nombre lo indica, su objetivo es intc2rcambiar calor entre cos

Auicios que pasari, ul-io a ti-avés de un haz de tuberías internas, y el otro por

la parte externa de los tubos (carcaza). Los enfriadores de tuho carcaza tiene

una eficiencia relativamente alta y su mantenimiento es senci:.lo y fácilmeiite

adaptable a casi todos 10s casos de enfriamiento de 1 iquido.

Los equipos de transferencia de calor en los cuales :se vaporiza ur.

líquido volátil para eliminar calor de un espacio c) producto refrigerado se

denominan evaporadores. Debido a las muchas y diversas aplicaciones de

refrigeración mecánica, los evaporadores se fabrican en una gran variedad de

tipos, formas, tamaños y diseños y se pueden clasificar de diferentes

maneras, tales como en función del tipo de construcci~~n, método de

alimentación del líquido, de las condiciones de operación, entre otras.

2.2.3.- PRINCIPIOS DE REFRIGERACIÓN.

Eri general se define la refrigeración conio cualquier proceso de

eliminacióii de calor. Más específicamente, se define a la refrigeración como

la rama de la ciencia que trata de los procesos de reducción y mantenimiento

de temperatura de un espacio o material a temperatura inferior con resptrto

a los alrededores correspondientes. Refrigerar una corriente de gas natural,

es fundamentalmente reducir notablemente su temperatura para condersar

como líquido en un mayor o menor porcentaje de acuerdo al nivel de

temperatura alcanzado los diversos componentes que constituyen la mezcla.

Específicamente en el caso de las plantas de fraccionamiento de gas. el

sistema de refrigeración permite producir hidrocarburos líquidos por

enfriamiento de las corrientes de productos destilaclos.

El enfriamiento de gases puede llevarse a cabo mediante una

reducción de la presión de la corriente al expandirse. Pai-a producir una

Gas Cirpítulo 11: Alarco Teórico - -

expansión pueden ponerse en práctica los principios de la expansión Joule -

Thompson (expansión isentálpica) o 12 Turbo-cxpu~sió:.: (expu~sió?

isentrópica). Además existe otra forma de enfriamiento de gases, mediante 111

uso de un ciclo de refrigeración mecánica.

2.2.3.1.- EXPANSIÓN JOULE - THOMPSOK': debe sii nombre a la

corriente de gas la cual conserva su valor de entalpía unitaria durante la

expansión. Este tipo de expansión encuentra su aplicación cuando se

pretende aumentar la recuperación de líquidos de una corriente de gas

húmedo provenientes de una fuente de alta presión. Con tal objeto, la

corriente de gas húmedo y caliente de alta presión se expande a través de

una válvula reguladora de presión. Al reducirse la presión la ccrriente de gas

experimenta simultiineamente una reducción de temperatura, por lo que una

fracción, sobre todo los intermedios y pesados, coridensan como líquido!;.

Estos líquidos se retiran de la corriente de gas en un sepa]-ador de baja

presiói~, donde por el tope se obtiene una corriente de gas frío y seco.

2.2.3.2.- TURBO-EXPANSIÓN: El segundo método de enfriamiento

por expansión, consiste en reducir la presión de la corriente de gas, haciendo

que esta fluya a través de un turbo expansor o un expansor reciprocante, con

lo que además de reducir la temperatura de la corriente de ga.s, ésta realiza

un trabajo el cual se encuentra disponible en el eje de salida del expanso:..

Este trabajo se puede utilizar para accionar una bomba, un generador, un

compresor, o cualquier otro elemento que pueda hacer uso de él.

La Figura # 2 muestra una planta expansora simplificada. El turbo-

expansor es simplemente una turbina altamente eficiente operando bajo e1

mismo principio de las turbinas de vapor, pero con el objetivo principal de

reducir la temperatura más que obtener energía, como se mencionó con

anterioridad.

-4 PDVSA Qi4 Gas

2.2.3.3.- REFRIGERACZON M E C ~ I C A : Es de naturaleza cícli<:a,

donde un fluido refrigerante recoge calor del sistema donde se desea enfriar

para disiparlo en el medio ambiente o en otro sistema el cual actúa cor-io

sumidero de calor. Una vez disipado el calor recogido por el flui~lo

refrigerante este retorna al sistema refrigerado para reiniciar el ciclo.

Como se dijo anteriormente, la refrigeración debe sustraer calor clel

cuerpo que va a ser refrigerado, por ello la refrigeración mecánica se basa en

la transferencia de calor desde el cuerpo a ser refrigerado a iin cuerpo cuya

temperatura es inferior.

Debido a que el calor siempre fluye de una región de temperatura alta

a una región de temperatura baja, siempre se tendrá un flujo d.e calor hacia la

región refrigerada de los alrededores calientes. Para limitar el flujo de calor

hacia la región refrigerada de manera que sea mínimo, resulta necesa::io

aislar la región de sus alrededores con un material aislante de calor.

Gas Capítrr lo 11: Af(~rco Techico - - -

V I J*1 I I U I I I L L W L L El refrigerante circula a través del sistema, éste pasa pnr - - nv;mnrn .- cambios en su estado o condición, cada uno de los cuales es llainado proceso.

El refrigerante empieza en algún estado o condicitin inicial, pasa por ura

serie de procesos en una secuencia definida y regresa a su coridición inicial.

Esta serie de procesos es llamado ciclo. El ciclo teóricamente comienza en ~1

punto 1 (Figura # 3), donde el vapor sobrecalentado entra en el condensador,

proveniente de un compresor. En el condensador el gas sobi.ecalentado t!s

enfriado hasta transformarlo totalmente en líquido, punto 2.

Condrn~acióii

Compresi

Gráfico 8- 1 :Ciclo dc Refngcraciorl Mecánica \. Fuente: Ihpez, Zoily. (Enero, 2002)

El líquido saturado entra en la válvula de expansión, pi.oveniente d ~ l

condensador. El flujo de refrigerante a través de una válvula de expansión (!S

un proceso de estrangulamiento sin cambio de entalpía (expansión Juole-

Thompson). Cuando el líquido refrigerante se expande hasta la presión de1

evaporador en el punto 3, parte de él se transforma en vapor y enfría el resto

del líquido hasta la temperatura del evaporador. Después de absorber 1.1

calor del fluido de operación del evaporador, el vapor de rel'rigerante sale

PDVSA Gas (2Tapítitlo II: Mrrrco Tecíril:o

-- --

del serpentín en 4 y entra al compresor. El gas es entonces cornyrimido de:;de

una baja presión hasta una alta presión, desde 4 hasta 1, ccrr6nd~sc de :ist!.

modo el ciclo.

2.2.4.- FUNCIONAMIENTO DE LOS COMPRESORES.

El compresor es un equipo capaz de incrementar una presión de uri

fluido gaseoso el cuaI pasa por él. Al fluido se le entrega la energía, la cua: e:;

transformada en energía de presión.

2.2.4.1.- COMPRESOR CENTRÍFUGO: Es un compresor

dinámico cuyo interno esta en la dirección radial. Está diseñado para

comprimir gas entre ciertos límites de presión. Esta compresiljn se efectúa eIi

el rotor, cuyas paietas entregan eriergfa al fluido, aumentando su energía

cinética y su presión. El gas sale del rotor a gran velocidad, entra en el

,i ca. difusor que transforma esa alta energía cinética en presión est.'ti

Los compresores presentan varios límites o frontera:; dentro de lo:;

cuales se puede considerar un funcionamiento normal par03 determinatia:;

condiciones de diseño, como se muestra en la siguiente figura.

P R E S I ~ N

-Límite de Velocidad

Velocidad mínima Límite de Surgf

FLUJO VOLUMÉTRICO

17igura # 4: L h t c s de un compresor. Fuente: López, Zoily. Pnc ro , 3003)

@4 PDVSA Gas C'anítulo 11: Marco Tecírico

2.2.4.2.- OLEAJE EN LOS COMPRESORES: 1 3 oleaje es ur

fenómeno de operación inestable que se puede presentar en los compreso-es

centrífugos y el sistema conectado a él, caracterizado por oscilaciones rápidas

en el fluido manejado por el compresor, fluctuaciones de la presión en el

sistema de tubería que a este se conectan y altos niveles de vibración en sus

componentes internos y desplazamiento axial.

A continuación se mencionan las características principz les del oleajca :

- El fluido invierte su movimiento en 20 a 50 milisegundos.

- Los ciclos de oleaje son de razón de 1/3 a :3 hertz.

- El compresor vibra, la temperatura aumenta, ruido impetuoso clel

compresor.

- Pueden ocurrir disparos del compresor y los instrumentos

conve,ricionales y los operadores humanos pueden fallar en

reconocer el surge.

Los factores más comunes para el inicio del surge son:

Arranque, Paro, Operación con conductividad reducida, Operaciljn

con conductividad pesada, Disparos, Errores de operadore:;, Cambios de

carga, Problemas del enfriador, Problemas de impulsor, Pérdida de potenc :a,

Desórdenes en el proceso, Cambios de composición del gas y Problemas c el

filtro.

Como consecuencia de la operación en condición de oleaje se originan

severos daños mecánicos en el compresor como son:

Daños a 10s cojinetes, fluido y presión inestable, vibración radial y

desplazamiento axial, daños en secuencia con aumento de severidad de 1 , ~ s

sellos, Chumaceras, rotor, eje, entre otros. Recalentamiento por aumento de la

temperatura, Disminuye la eficiencia del compresor, reducci6n de vida ú ti1

del compresor, aumento de los costos de mantenimiento.

-4 PDVSA Gas Capítulo II: ~Mnrco Tecírico - - -

2.2.4.3.- SISTEMAS DE CONTROL DE UN CIOPVIPRESG'T.:

Los sistemas de control y de protección de compresores tienen una gr:n

importancia, pues los encargados de mantener los equipos trabajando baio

parámetros normales de operación y ejecutar acciones de paro automático d 31

proceso cuando se presentan desviaciones de dichos parámetros, los cuales

pueden generar condiciones peligrosas comprometiendo la integridad de los

equipos y el personal que labora en tales instalaciones.

Existen varias estrategias de control, tanto del producto conio d ~ l

fenómeno del oleaje, dependiendo del tipo de instalación. La estrategia mis

conveniente es aquella que combina un margen de protección lo

suficientemente grande para prevenir que el compresor opere en las zonas de

inestabilidad (oleaje) y lo suficientemente pequeño para no producir

recirculaciones innecesarias, para garantizar la integridad de los equipos y 3

su vez obtener la mayor eficiencia en el proceso de corrección.

Las protecciones más importantes asociadas a un compresor son la;

siguientes:

Alta temperatura de aceite en la caja de engranaje.

Alta temperatura de aceite en el compresor.

Baja presión de aceite en compresor.

Baja nivel de aceite en compresor.

= Alta presión diferencial en el filtro de aceite en compresor.

Protección por vibración.

Alta presión de descarga en el compresor.

Baja presión succión en la lera etapa.

Alta temperatura de descarga.

Exceso de corriente.

T 4 PDVSA +A - Gas Ca~jítulo 11: Marco Teórico -

2.2.5.- CONTROL AUTOMATICO DE PROCEISOS. - uentro de ios objetivos del sistema de control de una planta están:

- Mantener la calidad del producto ( pureza, composici~~n, color, etc. i

- Mantener la capacidad de prociucción de la .planta.

- Minimizar paros iiuiecesarios del proceso.

- Prevenir daños al personal de la planta y equipos.

2.2.6.- OPERACIONES DE UN SISTEMA DE CONTROL DI3

PROCESOS.

Todos los sistemas de control presentan generalmente alguno:;

componentes básicos, ellos son:

- Censor: frecuentemente llamados elementos priniarios y st:

encuentran en contacto con la variable del proceso para detectarla, utilizando

y absorbiendo energía del medio controlador, para dar al sistema de medida

una indicación en respuesta al cambio de la variable medida. El efecto

producido por el elemento primario puede ser un canibio de presión, fuerza,

posición, y otros.

- Transmisor: también llamado elemento secundario y se encarga de

medir la variable del proceso a través del elemento primario transmitiéndoki

a distancia en forma de una señal neumática o eléctrica. Eil transmisoi-

convierte la señal del sensor a una señal equivalente.

- Controlador: Es el cerebro del sistema de control; Los controladores

comparan la variable controlada con el valor deseado y ejercen una accióri

sobre el elemento final de control.

- Elemento final de control: Reciben la señal del controlador 1.

modifican el agente de control (frecuentemente es una válvula de control).

El sensor, el transmisor y la válvula de control sor1 físicamentci

localizados sobre los equipos de proceso. El conti.olador es. usualmentci

PDVSA @A Gas Cmítulo II: ,Wurco Teórict~

localizado sobre el panel o computadora en una sala de control, el cual está

ubicada ha cierta distancia de los equipos de proceso.

La importancia de esos componentes es que ellos ejecutan las cuatro

operaciones básicas las cuales pueden estar presentes en todos los sistemas

de control, tal como se muestra en la figura:

Figura # 5. Operaciones básicas de un sistema de control. Fuente: López, Zoiiy. (Enero, 2002)

Proceso: Consiste en una asociación de equipos y mai:eriales que .;e

relacionan para alguna secuencia de producción. Muchas variables dinámic'is

pueden ser envueltas en un proceso dado, y estas pueden ser deseables pa:ra

el control del mismo; existiendo procesos de variables múltiples en el cual

muchas variables, algunas interrelacionadas, pueden requerir regulación.

Medición: Está referida a la conversión de la variable en una señal

análoga a ésta, tal como presión neumática y voltaje eléctrico o corriente. 21

resultado de alguna medición es la conversión de la variable dinámica a

alguna información proporcional requerida por otro elementc en el lazo cle

control del proceso.

Evaluación: Esta etapa consiste en la comparación de la medición (

variable controlada) y el valor deseado, y en consecuencia la determinacien

de la acción correctiva que debe tomarse para mantener la variable

controlada en el valor deseado. La evaluación. puede ser ejecutac.a

manualmente por el operador, o neumáticamente por un procedimiento Le

señal electrónica, neumática, una computadora o una combin:ición de todas

-4 PDVSA +A Gas Capítulo II: Murco Teórico

- -- --

éstas. El valor requiere, la medición de la variable dinámica y la

representación del valor deseado de esta.

• Control: Como resultado de la decisión de la evaluación, el sistexa

puede entonces tomar una acción. Esto es usualmente ejecutado por e::

elemento final de control, el cual, en un lazo de control de procesos, es e::

aparato que ejerce una influencia directa sobre éste. Dicho eleinento acept: la

entrada desde el controlador y transforma esto dentro de alguna operacióri

proporcional ejecutada sobre el proceso.

2.2.7.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DI': FRACCXONAMIENTQ

EN PLANTA BAJO GRANDE.

2.2.7.1.- SISTEMA DESPROPANIZADOR: Irucialmente las

alimentaciones provenientes del Lago, Lama Proceso y Lamar Líquido Ilep-m.

a la planta a través de una línea de 8 pulg (20.32 cm) . De diámetro y se

precalienta con el fondo de la torre desbutanizadora I:V-303), en el

intercambiador E-301 A/B, y el intercambiador E-303B con aceite calier.te.

Además, llega a la planta alimentación desde El Tablazo 1, a través de una

línea de 6 pulg (15,24 crns). de diámetro, que pasa por el intc-rcambiador E-

302 A. Estas corrientes de alimentación son luego mezcladas, y enviadas al

tanque estabilizados V-314 A/B, a fin de mantener un flujo constante de

alimentación a la torre despropanizadora V-301.

La torre despropanizadora V-301 tiene como func:ón separar el

propano de la alimentación. Tiene 40 platos Ballast Tray de dos pasos. La

alimentación proveniente de los tanques V-314 A/R, entran en la torre en el

plato 20, sin embargo, la torre posee dos puntos alternos de alimentación en

los platos 16 y 24, que son los utilizados cuando la composicjón de propano

cambia. Por el tope de la columna se obtienen los vapores de propano y rriás

livianos, los cuales pasan por el condensador C-301, donde se condensar y

PDVSA @A Gas Chpítulo II: Marco Teórico -. --

éstas. El valor requiere, la medición de la variable dinámica y la

representación del valor deseado de esta.

• Control: Como resultado de la decisión de la evalua<:i6n, el sisteina

puede entonces tomar una acción. Esto es usualmente ejecutado por el

elemento final de control, el cual, en un lazo de control de procesos, es el

aparato que ejerce una influencia directa sobre éste. Dicho elemento aceptc 1;

entrada desde el controlador y transforma esto deritro de a l p n a operaciórt

proporcional ejecutada sobre el proceso.

2.2.7.- DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE FRACC:[ONAMIEN'CCi

EN PLANTA BAJO GRANDE.

2.2.7.1.- SISTEMA DESPROPANIZADOR: Iiucialmente las

alimentaciones provenientes del Lago, Lama Proceso y Larnar Líquido 1lef;ari

a la planta a través de una línea de 8 pulg (20.32 cms). De diámetro y sc!

precalienta con el fondo de la torre desbutanizadora (V-303), en el

intercambiador E-301 A/B, y el intercambiador E-303B con aceite caliente.

Además, llega a la planta alimentación desde El Tablazo 1, ;a través de tina

línea de 6 pulg (15,24 cms). de diámetro, que pasa por el intercainbiador E.-

302 A. Estas corrientes de alimentación son luego mezclada!;, y enviadas' al

tanque estabilizados V-314 A/B, a fin de mantener un flujo constante de

alimentación a la torre despropanizadora V-301.

La torre despropanizadora V-301 tiene como función separar el

propano de la alimentación. Tiene 40 platos Ballast Tray de dos pasos. La

alimentación proveniente de los tanques V-314 A/.B, entran cm la torre eri el

plato 20, sin embargo, la torre posee dos puntos alternos de .alimentación eri

los platos 16 y 24, que son los utilizados cuando la. composic,ión de proplino

cambia. Por el tope de la columna se obtienen los vapores de propano y rnás

livianos, los cuales pasan por el condensador C-301, donde se c0ndensa.n .ir

-4 PDVSA Gas Capítulo II: Marco Teórico - -

subenfrían hasta 119°F. El C-301 es un condensador por aire de tiro forzadc;

ei cuai tiene doce ventiiaciorcs con motores de 50 Hp.

El líquido condensado pasa al tanque acumulador de reflujo V-302, dl-

cuyo fondo se obtiene una corriente la cual se subdivide en dos: una parte so.

recircula a la torre como reflujo, y la otra se pasa a los tamices moleculare;

para su deshidratación y posterior refrigeración y almacenamiento como

propano producto. El fondo de la torre es calentado por el rehervidor E-302,

donde se vaporiza parcialmente al intercambiar calor con aceite caliente. El

vapor se recircula a la columna, mientras que el líquido, compuesto

principalmente por butanos y más pesados, alimentan la torrl.

desbu tanizadora.

2.2.7.2.- SISTEMA DESBUTANIZADOR: E.n la torre

desbutanizadora (V-303) donde se une la corriente que viene del fondo de 1ii

torre V-301 y la alimentación de El Tablazo 11, se lleva a cabo la separación dl-

la mezcla de butanos (normal e isobutano) de los pentanos y mAs pesado;

(gasolina natural). p -

La torre posee 34 platos Ballast Tray internos (tipo vAl.vula) de do;

pasos. Esta columna es alimentada en el plato 26, pero posee, al igual que 1ii

despropanizadora, puntos alternos de alimentación en los platos 14 y 18, eri

caso que la composición de butanos cambie. Los vapores de la mezcla de

butanos pasan al tope, que luego van al condensildor C-302 donde sori

condensados y subenfriados hasta 116°F. El C-302 es un conderlsador de aire

de tiro forzado, y posee 8 ventiladores con motores de 40 Hp.

La gasolina natural es obtenida por el fondo de la V-303 la cual pasa al

tanque de reflujo V-304, de cuyo fondo se obtiene una corriente que se divide

Gas Gipítulo 11: lMnrco Teórico - - -

en dos: una parte se recircula hacia la columna como reflujo, y otra se envía a

los tanques de estabilización V-316 A/B.

El fondo de la torre pasa al rehervidor E-304, donde se vaporiza

parcialmente al intercambiar calor con aceite caliente, el vapor es recirculaclo

a la columna, y el líquido compuesto principalmeiite por pentanos y mis

pesados, pasan al intercambiador E-301 A/B donde se enfrían con la

corriente de LGN que alimenta la torre despropanizadora V-30:l.

2.2.7.3.- SISTEMA DESISOBUTANIZADOR: El tope de la

torre desbutanizadora V-303 pasa a los tanques de estabilizacitjn V-316 A/ 3,

a fin de asegurar un flujo constante a la torre desisobutanizaclora V-317. La

corriente de alimentación primero intercambia calor con el producto que sa .e

del fondo de la torre en las unidades E-314 A/B y luego pasa a la torre.

La torre desisobutanizadora V-317 tiene como funcitjn separar isl

isobutano del normal butano. Posee 105 platos reales Linde internos de cinco

pasos. Ce alimenta la torre en el plato N" 53, sin embargo, la torre posee dos

puntos alternos de alimentación en los platos 61 y 45, que son empleadc~s

cuando la relación entre los butanos de la alimentación cambia. Por el tope de

la columna se obtiene vapor de isobutanos, este pasa al condensador C-305,

donde se condensa y se subenfría hasta 139°F. El C-305 es un condensador de

aire de tiro forzado con 20 ventiladores de motor 20 Hp.

El líquido condensado pasa al tanque acumulador de reflujo V-318 de

cuyo fondo se obtiene una corriente que se divide en dos: una parte se

recircula hacia la columna, como reflujo, y la otra pasa un tren de

refrigeración antes de aImacenamiento como isobutano producto. El fondo de

la torre pasa al rehervidor E-312 A/B, donde se vaporiza parcialmente z1

-4 PDVSA %!A -

Gas Capítulo II: 174urco Teóricc a a

intercambiar calor con aceite caliente. El vapor se recircula a la torre,

mientras tanto ei líquido (normal butano), se enfría intercambiiindo calor ccn

la alimentación de la torre, pasando luego a la seccióri de almacenaje.

2.2.7.4.- SISTEMA DE REFRIGERACI~N: El objetivo de es.:e

sistema es enfriar los productos fraccionados en la planta para realizar su

almacenaje en los tanques refrigerados. Este sistema, además cumple con 1.1

propósito de enfriar los vapores del tanque de propano S-501.

El propano que sale de la descarga del compresor K-301 A/B/C/D cis

enfriado y condensado en los C-303, para ser recolt~ctado en el tambor (L1-

311), a partir de ahí se alimentan las carcazas de los siguientes enfriadores: El-

305 y E-306 (enfriadores primario y secundario de propano), E318 y E-308

(enfriadores primario y secundario para los normal butanos), E.-307 enfriador

de gasolinas, E-316 y E-317 (enfriadores primario y sc:cundario de

isobutanos) y E-309 y E-310 son empleados para condensar los vapores de

propano generados en el tanque S-501.

El sistema de refrigeración con propano es un sistema cerrado que

utiliza tres etapas de compresión centrífuga. La distribución del propan3

refrigerante en las tres etapas se lleva a cabo de la siguiente manera:

Una fracción del propano refrigerante del tambor de recolección V-311

pasa a través del lado carcasa de los intercambiadores E-305, 1:-307, E-316

E-318. Los vapores generados de estos enfriadores se alimentan al recipient.

interetapa V-307, al cual se introduce el resto del propano refrigerante de V-

311. La función del recipiente V-307 es mantener los líquidos fuera de 1,1

tercera etapa de compresión.

w @A$ a PDVSA Gas Capítulo II: hrarco Teórico - -

Una vez en el recipiente, los vapores son alimentados a la segundii

etapa de compresión en los compresores K-301 A/B/C/D, y el líquido pasa,

una parte al lado carcasa del enfriador E-308, y el resto se introduce en el

recipiente interetapa V-308 es mantener los líquidos fuera de la segunda

etapa de compresión.

Una vez en el recipiente, 10s vapores son alimentados a la segunda

etapa de compresión en los compresores K-301 A/H/C/D, y el líquido sr.

hace pasar a través del lado carcasa de los enfriadores E-306, E-309, E-310 F.

E-317. Los vapores generados en estos intercambiadores son enviados a:

recipiente interetapa V-309, a la primera etapa de los compresores K-301

A/B/C/D.

Los compresores están instalados de forma que se encuentran uno c

dos de ellos en operación y los otros se mantienen en como respaldo por si

alguno de los compresores en operación llegase a fa.llar. El propano de la

descarga de los compresores es subenfriado a 120°F con el condensador C-

303, el cual es un condensador de aire de tiro forzado posee 10 ventiladores

con motor de 40 Hp.

2.2.7.5.- SISTEMA DE ALMACENAJE DE PRODUCTO: El

propano. normal butano e isobutano, necesitan ser licu-ados y así se reduce el

volumen de gas en cientos de veces mediante el aumento de presión y

disminución de temperatura. El propano es almacenado en el Tanque S501 a

condiciones criogénicas de -44°F a -51°F y una presión de 4 a 13 plg de agua,

teniendo una capacidad de 250.000 Bls. Las condiciones en el S501 se

mantienen gracias a un sistema de recirculación (le vapores donde el

compresor K-501 (A/B) succiona el propano y luego de ser coridensado en

los chiller E-309 y E310, luego son regresados al tanque.

-4 PDVSA @A Gas Cnnítidu II: .2.lnrco Tecírico

El tanque 5-502 sirve para aImacenar el normal butimo, tiene u-la

capacidad de 180.000 Bls y posee unas condiciones que oscilan entre 20" v

35°F y una presión desde 4 hasta 13 plg. de agua, la cual es ,mantenida por

un sistema de recirculación a través del enfriador E-502 donde se enfría con

propano.

Las condiciones de almacenaje para isobutano son: -I5"F y 25°F y

presión de 4 a 30 plg. de agua. Estas condiciones se mantienen al recircular el

isobutano y enfriándose en el E-501 con propano refrigerante y el producto

retorna frío al tanque estabilizando las condiciones de este.

La capacidad del tanque S505 es de 100.000 Bls. L.a gasolina 12s

almacenada en el S503 con una capacidad de 180.00r3 Bls, a una temperatu-a

de 80°a 140" F y a presión atrnosfprica.

El diagrama de flujo de la Planta se presenta en el anexo # 1.

4% PDVSA - r#&,p- Gas Cnpiti4io 111. Metorlologin (le In Inr~estigctción. - -

3.1.- METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN.

Una vez analizado el proceso de fraccionamiento de la planta y luego

de haber entendido la filosofía operacional de los sist:emas que hacen posible

la obtención de los productos ( propano, isobutano, nornial butaiio y

gasolinas ), es necesario establecer las técnicas y procedimiento:; para realizi- r

la presente investigación.

- Levantamiento de Información: Esta actividad corrcisponde a la descripción

de la situación actual del proceso y en la cual se reflejan los datos referentes a

deficiencias, limitaciones y condiciones en general del proceso.

- Sistema de Refrigeración Acfwal: Se realizará uri estudio detallado del

proceso de refrigeración determinando las condiciones de diseño y las

variables críticas, ya que se debe tener una amplia visión de los cambios qce

se han realizado en sistema y las consecuencias que ha traído para su

funcionaniiento en generaI.

- Simulaciones en Estado Estacionario: Esta fase contempla la simulación c e

los modelos matemáticos del proceso de refrigeración (área 300) de la plana

con el paquete de simulación PRO-11. Esta etapa contiene las

consideraciones tomadas para realizar las simulaciones de diseño y cle

condiciones actuales, los objetivos que se persiguen con las mismas y uria

discusión de los resultados obtenidos.

- Revisión de Instrumentación y Controladores del Proceso: Es importante

verificar que los sistemas que controlan los compresores y los c:ondensadori:s

asociados de refrigeración, ya qiíe de estos depende el comportamiento y

manejo del mismo.

"4 PDVSA Qfi Gas Capitulo III. Metodología de In Investigación. - -

- Evaluación del Sistema A~ztioleaje: Los datos utilizados en esta parte de 1ii

investigación serán extraídos del SCD PROVOX, este posee la facilidad di.

obterier una base de datos históricos donde se configuran los datos de interé:;

del proceso a una rata de tiempo mínimo de 5 segundos hasta un máximo de

24 horas, con un límite de días que dependen de la capacidad que dispone el

sistema en esos momentos.

La data es transferida a archivos "ftp" a través de la red de PDVSP.

donde se pueden almacenar en cualquier computador personal de manera

que se transforman en archivos "txt" y luego se guardan como "'xls" para sel.

utilizados en una hoja de cálculo excel.

La evaluación se realizará graficando valores reales cont-a valores dc*

diseño dados por el fabricante. Se determinará que tan alejada de la zona dc

oleaje se encuentra operando el compresor de refrigeración.

- Conclusiones y Recomendaciones: Basándose en los análisis de los proceso:

de la planta y en los resultados arrojados por las simulaciones, SI. realizan la:

conclusiones y las recomendaciones necesarias para obtener un mejor

funcionamiento del sistema de refrigeración.

3.2.- MATERIALES NECESARIOS PARA LA INVESTIG;ACI~N

Los fundamentos teóricos constituyen la base de toda irivestigación.

Para la realización del presente estudio es necesario consultar textos,

manuales, tesis, informes, páginas Web, planos de instrumentacitjn y tuberías

(P&ID) entre otros, con el objeto de sustentar las teorías que en él se

plantean.

Al mismo tiempo, se utilizaran diversos equipos y herramientas

tecnológicas tales como:

Gas Capitulo III. Metodología de In !n i~estigcrcicíu.

- Paquete de simulación de procesos PRO-11, versión 5.1.

- Sistema de Control Distribuido PRO'v'OA.

- Una serie de software para la realización del informe escrito, entrct

ellos: Microsoft Word, PowerPoint, Excel y otros.

E X P R E S I ~ N Y ANÁ LISIS DE RESULTADOS

@#$ PDVSA Gas Capitr4lo 1 V. Expresiótz-y Anúlisíj de ResuIta~Ios

4.1.- Consideraciones Generales.

Los resultados obtenidos en el presente estudio están ba:;ados en la

Evaluación del Sistema de Refrigeración del Área 300 de la Planta de

Fraccionamiento Bajo Grande, dicha evaluación se realizó de manera detallada y

revela que posee gran cantidad de fallas a nivel de procesos, además existe una

inadecuada aplicación de los métodos y procedimientos de operación, los cuales

fueron establecidos por el fabricante desde que fue diseñaaa, construida y puesta

en funcionamiento.

El Sistema de Refrigeración utiliza como fluido refrigerante el propano y

est5 formado por un bloque de cuatro compresores centrífugos de tres etapas

cada uno, K-301 A/B/C/D, operando en paralelo. Este sistema tiene capacidad

para manejar hasta de 280.000 lbs/hr de propano, y su función es proporcionar el

enfriamiento necesario a los productos fraccionados (C3, iC4, nC4, C5+) para

lograr las condiciones de almacenamiento.

El funcionamiento óptimo del Sistema de Refrigeración c.el área de

procesos (Área 300), depende esencialmente de la producción de la planta, ya

que al ser fraccionados el LGN, proveniente de las plantas de extracción, los

productos deben ser refrigerados, y los vapores de propano :refrigerante

generados en este proceso, son los que hacen posible a los compresores trabajar

con flujos en rangos de operación adecuados.

Actualmente, la planta posee una alimentación muy fluctuante dado que

existen períodos de tiempo donde la producción llega a ser alta y en otros puede

bajar bruscamente, debido a paros de algunas de las principa(es plantas

PDVSA 4b.b

Gas

suplidoras de LGN, lo cual trae como consecuencia que el compresor dci

refrigeración trabaje a condiciones fuera de los rangos normales de operación.

Otro factor determinante en el Sistema de Refrigeración es la produccióri

de vapores de propano, estos se forman en el tanque de almacenamiento dt:

propano producto (C-501), Uichc f!x% J varia dependiendo de la carga o descarga

de buques tanqueros, estos cambios operaciones trae como consecucincia cambio:;

en las condiciones del tanque y por ende la evaporación del propano. Esto:;

vapores son los que toma el compresor K-501 en el área de almacenamiento y sor1

enfriados por los chiller E-309 y E-310, ubicados en el área 300 de la planta.

Una parte importante es la determinación de las variables críticas del

sistema las cuales afectan de manera significativa al proceso. Las variables más

importantes son las siguientes:

- Presión y Caudal de succión de las etapas del compresor IK-301.

- Presión, Temperatura y Caudal de los productos a la entrada de lcs

chiller de refrigeración.

- Presión, Temperatura y Caudal de los vapores generado; en el tanque

S-501, y que entran a los chiller E-309 y E-310.

4.2.- Simulación del Diseño.

La simulación en estado estacionario se llevó a cabo con la finalidad de

validar la efectividad del modelo establecido para representar el Proceso de

Refrigeración. Los datos utilizados fueron tomados de la hoja de diitos de diseño

por la Venezuelan Sun Oil Company en el año 66 cuando fue diseR3da la planta.

@$ 4 ~ 4 PDVSA Gas Capítulo 1 V. Expresión-y A nálistj de Resrrltarios

Los resultados de la simulación del diseño pueden verificarse en la

siguiente tabla:

Chiller primario ie3 2.565 2.412 5.19

1 E-306 Chiller secundario C3 3.721 3.97 6.69 1 E-307 Chiller C5+ 1.695 1.608 5.13 1 E-308 Chiller secunáario nC4 1.942 2.038 4.94 1 E309 Chiller vapores C3 5 .O92 5.35 5.07 1 E-310 Chiller vapores C3 5.092 5.35 5.07 1 E316 Chiller primario iC4 1.73 1.708 1.27 1 E-317 Chiller secundario iC4 2.39 2.418 1.17

1 E318 Chiller primario nC4 2.44 2.4 U 1.19 Tabla # 1: Resultados de Simulación de diseño. Fuente: López, Zoily (Enero 2002)

Como puede observarse los valores de porcentaje de desviación fueron

menores del 10 %, lo cual indica que los resultados de la sirnulación se

encuentran dentro de los rangos de operación aceptables y se valida el modelo

tomado para la representación. '

4.3.- Simulación del Caso Real.

La simulación del diseño sirvió como punto de partida para la realización

de la simulación con datos reales de operación, considerando el real

funcionamiento los equipos involucrados en el sistema. La simulación

estacionaria real se ejecutó con datos tomados directamente del Sistema de

Control de proceso (PROVOX) cuando la planta presentaba características

promedios de su condición normal de operación.

Las consideraciones tomadas para la simulación del caso real f-ueron:

- Se encontraba trabajando un compresor (K-301C) y otro eri espera (K-

301 8).

pd * # @ S t PDVSA Gas Capírt~lo I V . Expr(1sióny Anár'ink de Res~~ltar los - --- -- -- - Todos los enfriadores estaban en funciionamieni:~, menos el

intercambiador de gasolina (E-307), pues normalmente se encuentra

fuera de operación.

- La producción diaria se encontraba en un valor promedio de 10.030

BPD, y no había carga o descarga de buque en el momcBnto de la to r~a

de datos.

La siguiente tabla muestra los valores obtenidos en la simulación del caso

real:

E-305 (Ihiller prirqario C3 y' 5 E-306 Chiller secundario C3 O

E307 Chiller C5+ 75

E-308 Chiller secundario nC4 25

E309 Chiller vapores C3 13

E310 Chiller vapores C3 13

1 E316 Chiller primario iC4 100 . .

100.04

1 E317 Chiller secundario iC4' 2

1 E318 Chiller primario nC4 75 74.97 0.04 1 - Tabla # 2: Resultados de Simulación Real. Fuente: López, Zoily (Enero, 2002)

4.4.- Evaluación de Enfriadores de Refrigeración.

Haciendo una revisión a los transmisores de nivel, temperatura y

presión de los enfriadores de refrigeración, se obsei-vó que se encontraban

calibrados y en buen funcionamiento dado que actualmente existe un progrania

de calibración y mantenimiento, establecido por el sistema de calidad de La

planta.

El Sistema de Refrigeración posee dos chillers de refrigeración pa.:a

propano producto, uno primario (E-305) y otro secunclario (E-306),

@@ 4fi.Cb PDVSA Gas Capítulo I V. Expresión-J? A ntilislS de Resul. dos

-- -- frecuentemente estos enfriadores se mantienen fuera de servicio y el propano es

enviado directamente a las esferas o a Pequiven dependiendo del requerimieiito.

En vista de esta situación, existe deficiencia de vapores refrigerante, los cuales

son imprescindibles para el buen funcionamiento del compresor en rangos

estables de operación.

También existen deficiencias de generación de vapores de propano ya (]u12

el enfriador de gasolina (E-307), no se utiliza en forma continua, lo cual impide

lograr la temperatura de almacenamiento a 75 "F.

Los intercambiadores E-309 y E-310 condensan los vapcrec de propiino

producido en el tanque de almacenamiento de propano (S-!j01), los cuale:~

trabajan en paralelo y dependiendo de la cantidad de flujo trabajan o no

simultáneamente. El flujo proveniente del tanque es (21 mismo que descarga el

compresor K-501 ubicado en el área 500 de la planta. Idos enfriadores E-309 y E-

310 no poseen un indicador de flujo, ciificultando la estimacióri de vapores de

propano que se manejan en ellos.

Los intercambiadores E-308, E-316 y E-318 frecuentemente trabajan eri

condiciones de inundación, a pesar de encontrarse las válvulas de control de

nivel en posición cerrada. %ría necesario hacer una evaluaciiin detallada dc

todas estas válvulas, las cuales determinan el nivel en el enfriado:-es.

Se realizaron sensibilidades a los enfriadores para determinar lo!;

requerimiento de refrigerante para los diferentes cambios de condiciones di!

operación. Se simuló haciendo una variación del flujo de entrada de producto

PDVSA 'de? ,

Gas Capítulo 1 V. Exprcrrión-~r A nárlisik de ñcsultacbs -- --

sin cambiar la temperatura a la cual se encuentran y variación de ~ernperatura de

entrada de los productos a los enfriadores tomando un caudal fijo

Las variables y parámetros operacionales se tomaron de !as condicior es

reales de campo.

Con el propósito de determinar el requerimiento de flujo de propaqo

refrigerante de acuerdo a la variación de los flujos y tempmcratura de los

productos de alimentación al sistema de refrigeración del área de proceso, se

elaboraron las gráficas # 2 y 3, manteniendo las condiciones de diseño en los

enfriadores primarios y secundarios del sistema de refrigeración.

C A U D A L DI:

1 R O D U C T O S A LA

E N T R A D A (LbmoI / h r )

F L U J O D E P R O P A N O R E F R I G E R A N T E (L bm 011 h r )

Gráfica # 2: Variación de caudal de producto vs Caudal de Refrigerante Fuente: López, Zoily (Enero, 2002).

@$ PDVSA Gas Capitulo I V . E-ybresíóny Aná kis1S de Resul&do.s

-- --

FLWO DE PROPANO REFRIGERANTE (Lbmol/hr)

2101

190 r

O '

150r TEMPERATURADE PRODUCTOS A LA

ENTRADA

('0

1104

Gráfica # 3: Variacibn de temieratura de producto a la entrada vc Flujo de Refrigeranle Fuente: Lbpez, Zoily (Enero 2002)

-- - - - - - - 1

- - 1 ¡O(

l

/ / --

- I - . - - - .,

l

nC4 ! .- -

130*- /// - ~

Como puede observarse al variar las temperaturas y los caudales de los

productos a la entrada de los enfriadores, también varía el recuerimiento (le

propano refrigerante para mantener las condiciones óptimas de enfriamiento. A

la vez es importante destacar que al haber mayor reqilerimientc) de caudal tie

refrigerante aumenta a su vez la necesidad de compresi.6n del sistema y se hace

necesario colocar el número de compresores adecuado para este flujo tJe

propano.

I

- p. - - - - pp - - -. .

PDVSA @&b

Gas Cnpílt4lo I V. Expresiócji A ná Ii'slS Ile &s11Ila doy -- --

4.5.- Evaluación del Condensador de Refrigeración (C-303)

E1 condensador C-303 posee 10 ventiladores y generalmente funcionan 13 CI

9, dependiendo del requerimiento de intercambio de calor. Actualmente existe

una deficiencia en este condensador, ya que el aire posee una .:emperatura de

diseño de 95°F y la temperatura ambiental real tiene un promedic de 105 "F.

A continuación se presentan las características del motor del condensacloi.

C-303:

Tabla # 3 : Características del conderisador C-303. Fuente: Pred.ictivo (Enero 2002).

PF

1775 RPM

FT-LBF

Las sensibilidades del condensador se realizaron variando la temperatura

del aire y la presión de entrada de propano refrigerante al cori.densador y los

resultados se reflejan en la siguiente tabla:

@@@ 4 A t PDVSA Gas Capítulo I V. Exprcdny Aná!tslS de Resultatlos --

--

Tabla # 4: Sensibilidades del Condensador. Fuente: López, Zoily (Enero, 2002).

225 g:;ia ( 1 3 ~ ~ ~ ~ ) 1 2 0 1: 175 F 100% Liquido

--. . 108.9.4 - -- - - -

215 psia 160 F 13.59% Vapor

185 psia 108.94 F 155 F 13.59% Vapor

2i3 F 4.21% vapor

108.94 F 13.551% vapor

98 F 19,10% Vavor

Los resultados de la tabla # 4 se determiniiron utilizando un flujo

constante del propano refrigerante en su valor de diseño.

En vista que el condensador opera a una temperatura del aire mayor i i 1ii

de su diseño original, se es@ produciendo alto contenido de vapores en l i ~

corriente de propano que sale de 61, trayendo como consecuencia

presurización del acumulador de propano refrigerante (V-311). Para remediar

esta condición se ha realizado una práctica inadecuada la cual es la de rociar el

V-311 (acumulador de propano), con el fin de bajar la temperatura y por end 2 1.3

presión.

4.6.- Evaluación de los Compresores de Refrigeración (K-301).

1 .- Evaluación Operacional:

Los compresores de Refrigeración asociados al sistema de refrigeración

del área de proceso de la planta, poseen características mecánica:; y de capaciciad

iguales, entonces se pudo realizar la simulación de diseño y las sensibilidades

Gas Capi t 1410 I V . Expre rión-y A nríl,;srS de fi>sullati'os -. -.

con las especificaciones de un compresor el cual estuvo funcioniindo la may'lr

parte del tiempo durante la realización de la presente investigacióri.

Actualmente la planta cuenta sólo con un compresor K-301 operando, y

otro en espera, lo cual significa que la capacidad de enfriamiento se reduce a

menos de la mitad de la de diseño. Además estos equipos b e n ~ n 35 años

operando, lo que influye directamente sobre la eficiencia de los mismos.

Entonces la capacidad de compresión está reducida a uri 30% aproximaclamen:e

del valor de diseño.

Las observaciones más importantes acerca de los Comprescres K-301 scn

las siguientes:

- El control por exceso de corriente del motor está contemplado en la estrategia

de control original indicada por el fabricante, sin embargo, la misma no fce

implementada cuando se reemplazó el tablero de control del coinpresor

- El valor del flujo mínimo de paro del compresor por surge e!; 1300 ICFh.1,

succionado en la succión de la lera etapa. Este valor se puede comparar con

3196 ICFM equivalente a la cantidad de propano refrigerante que se

encuentra a la succión de esta etapa, es decir que cada vez que el comprescr

succiona un flujo menor a 1300 ICFM, puede sufrir paro por oleiije.

- Las válvulas de recirculación deben estar cerradas y sin filtración al moment~

del paro del compresor, así se evitaría presurización de los iriteretapas del

compresor y la pérdida de producto.

@f$ PDVCA Gas Capítulo IK Expresióny AnáIisk de Resulíudo:: -- --

- En la revisión de las protecciones del compresor y caja ce engranaje se

encontraron los siguientes paros para estas condiciones:

- Alta temperatura de aceite en la caja de engranaje.

- Alta temperatura de aceite en el compresor.

- Baja presión de aceite en la caja de engranaje.

- Baja presión de aceite eri el compresor.

- Bajo nivel de aceite en el coinpresor.

- Alta presión diferencial en filtros de aceite.

- Protección por vibración.

- Alta presión de descarga.

- Alta presión de succión en la primera etapa de compresión.

- Alta temperatura de descarga.

- Exceso de corriente.

- Al hacer un análisis detallado del comportamiento del compresor desde el

10/01/2001 hasta el 31/06/2001, se contabilizaron 112 horas de paro total c:el

sistema de refrigeración, lo cual trae como consecuencia lo sig~iente:

- Pérdida de propano refrigerante.

- Gasto excesivo de aceite requerido por el compresor.

- El constante paro y arranque del compresor deteriora sus partes y

desgasta las piezas de la caja de engranaje.

- Dada la gran cantidad de aceite que se surninis-tra a los cl~mpresores, se

debe verificar el destino de este, y determinar si el propa~~o refrigerante

tiene arrastre de aceite o si este se está depositando en los equipos agu2s

abajo del compresor.

R4 PDVSA Gas Capift~lo 1 V. Expre.rión-y Anilisis rie Res~~h?~t~'os

- - -. -- - I.,as fallas m,is irnpc)rtantes encontradas en los compresores de refrigeración son

los siguientes:

- Fallas en el motor eléctrico.

- Cellos del sumidero.

- Falsa señal de paro en algunas partes importantes del compi.esor.

- Las causas de paros más comunes son:

- Alta temperatura en la caja de engranaje.

- Alta temperatura en el sumidero.

- Paro por vibración.

- Paro al suministrarle aceite al sumidero.

- Alto nivel en la lera etapa.

A continuación se presentan las características del motor electrico dcml

compresor del compresor K-301 C :

Tabla # 5: Características del motor eléctrico del ciompresor K 301C. Fuente: Predictivo (Enero 2002).

2300 Vol tios 1400

318 Amperios 258.8

PF 0.75

1785 RPM 1792

ET-LBF 2317

HP 790

%Carga 52.7

% Eficiencia 91

KW-Input 648

w && PDVSA Gas Cnpítr4lo I V. Exprt.siót~-~f Análisis (le &)s~rltnr,'os

Utilizando ecuaciones tfc eficiencia de un compresor dadas por el autl~r

Grenne, se obtuvo un calculo isotérmico y otro adiabático y tomando como datos

reales 1386.5 Lbs/hr, 4184,04 HP, Presión de succión dc 32.7 Lpcs v Presikn cle

descarga de 222.7 Lpca.

A continuación se presenta el calcuIo realizado para la clcterininació~i dc a

eficiencia del compresor:

P1= 32.7 Lpca T1 = 12 O F

P2 = 222.7 Lpca K = 1.32 (parafinas)

En la figura # 1 del Greene: (I'1/ P2) = 6,s y Y, = 1.32

Wad = 2600 Btu/Lbmol Y Wiso = 2050 Btu/ Lbmol

Nad = (Wad/ Wa) * 100 donde:

Wa = trabajo real requerido = 2850 Btu/Lbmol

Nad = (2600/2850) * 100 = 91 2 3 %

En la figura # 2 del Greene se obtiene:

(Nad/Niso) = con (Pl/P2) = 6.8 y K = 1.32

(Nad/Niso) = 1.28 Niso = 71.27 %

Entonces se tiene :

Eficiencia isotérmica = 71.27%

Eficiencia adiabática = 91.23%

Estas eficiencias se pueden comparar con la eficiencia dada por el reporte

real donde existe una eficiencia de 91%, siendo enionces aceptable esto5

w @& PDVSA ri a

Gas Cnpítt~lo I V. Exprc.siórz_.)r AnálisrS de &s14l&(bs - -- -- -

resultados v \w-ificáncicwc que el compresor posee un rango de operacicín

acey table.

11 1 .- Sr~rzsibilidmi~s O ~ ~ r ~ ~ c i o ~ l ~ z l ~ ~ s ri(71 C O I I I ~ Y ~ S O ~ K-301 C:

Ce realizaron sensibiliciiicles variando producción y vapores generados cm

1.1 tanque 5501, con el fin de cfctcrminar e1 número de compresores requeridos

para obtener un sistema eficiente. Lns r ~ s ~ ! t a d e s de este estudio se puedt!n

verificar en la siguiente tabla:

Tabla # 6: Sensibilidades del compresor K 301C. Fuente: López, Zoily. ( Enero, 2002).

2 .O00 Lbs C:r 20.000 Lbi Cg 50.5;i'O Lbs (3 vap/ hrs vap/ hrs vap/hrs

5.000 BPD 1 Compresor 1 Compresor 2 Compresores

Producción 10.000 BPD 1 Compresor 1 Compresor 2 Compresores

15.000 BPD 1 Compresor 2 Compresor 2 Compresores

20.000 BPD 1 Compresor 2 Compresores 2 Compresores

Con la tabla # 6 se puede determinar cuantos compresores del área d.

proceso se deben utilizar ciependiendo de la producción que está procesando 1,i

planta y de la generación de vapores de propano en e1 tanque S-503.

4.7.- Evaluación del Sistema Antioleaje del compresor K3ULC.

El sistema antioleaje asociado a los compresores de refrigeración de 1ii

planta de fraccionamiento Rajo Grande, tiene solo 5 años en funcioramiento y hci

sido una verdadera evolución en cuanto a la seguriciad v dismiiiución de pa -0:;

del sistema de refrigeración por oleaje en el compresor

Para determinar que tan cerca cle la zona de oleaje se encuentran as

condiciones de operación del sistema, se compararon datos reales con las gráficas

originales de comportamiento de compresor suministradas por e1 fabricante. Los

datos reales se tomaron del sistema de control distribuido PROVOX existente 2n

la pIanta y se graficó la presión de descarga contra el caudal (de succión por

etapas.

Para el momento de la toma de datos el conipresor se eiicoi-itraba con uiia

medición de 12843 rpm, lo que representa un 103.57% contra las 12400 rpm (le

diseño (100%). Esto trajo como consecuencia la necesidacl de grafilzar la curva cle

comportamiento del compresor a 103.57% para realizar la debida comparación a

condiciones reales.

Cabe destacar que según la bibliografía consultacia, el conipr2sor puece

poseer condiciones variadas siempre y cuando no entre en la zona de surge o 1.1

equivalente a 10% sobre esta línea de surge representada en las siguientc~s

gráficas.

Grafica ti 4

C U K V A IIE ('0511'0RTAMI1INIO I>Ii E'IAPA 1 DEI. COMPRESOIC I'lujo de succion Prcqion de descarp

Lpca . .

l 30.0

l 7 pcain

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 190C 2000

La línea punteada lepresenta el.límite de oleaje. La cun7n de color azul (central)

son los datos dados por el fabricante con 12400 rpm o 100% de W M . La curva

superior representa la curva 12843 rpm, esta es la curva teórica a estas

condiciones y fue construida utilizando las ecuaciones de las leyes de afinidac

para compresores centrífugos donde :

H l / ( N l ) l = H2/(N2)2

H2 = (N2)2 * H?/ (N1)2

H = Cabezal del compresor o presión de descarga.

N = rpm del compresor a determinadas condiciones.

Esta curva de rpm actual se compara los datos tomados dt-. manera experimental

y directa de1 PROVOX, y se encuentran representados en la curva iní'erior.

p* 4t'.$t PDVSA Gas Capitulo 1 ?? Exprosió?~-y Ar7álisis ~ l r Rr~s14ltncIos - - -- --

Como puede observarse en la curva inferior o curva ~ l e c a t o ~ reales, se

encuentra alejada de la zona de surge, pero no logrñ alcanzar las presion2s

originales de diseño y esta variación puede ser consecuencia de las siguientes

condiciones:

- Los instrumentos de medición pueden estar dando valores ~rracioc.

- Es posible que existan deficiencias en el compresor.

- Los sellos del compresor pueden presentar fuga de refrigerante y por enc.e

causa una disminución de presión.

Las etapas 11 y 111 del compresor también fueron comparadas con respecto a s u

í t icas: comportamiento teórico y real y se representan en las siguientes gr f '

Gráfica # 5 CURVA DE COMPORTAMIENTO DE ETAPA 11 DEI. COMPRESOR

Fiujo de succidn vs Presion de descarga

L pca

1000 1200 1300 1400 1500 1600 pcam

@4 4@ S PDVSA Ga S

Esta gráfica representa la segu i~c ln etapa clei coi~-ilx-esor v tambien posee la

curva representativa cle clatos teóricos i7 los clatos reales tomados del sistei-?a

PROVOX, como puede obser\.arsc la curva inferior se er-icuentra alejada de los

valores de presión para las conciiciones ciadas a 12843 rITrn.

~ r a f i c a # 6 CURVA DE COMPORTAMIENTO DE ETAPA 111 DEL COMPRESOR

Flujo de succion vs Presion de descarga

Lpca

El comportamiento de la tercera etapa del compresor se encuentra

representada en esta gráfica y posee las mismas cal.acterísticas de las dos

anteriores etapas y por ende Ias mismas observaciones.

PDVSA Gas Conc l i rs ion~~~ -. -.

COh'CL USI 0-2

Las condiciones operacionales que ina\.orniente afectan el sistema cie

Refrigeración de la PIanta cle Fraccionamiento Bajo Grande, son 15 frc~cuerite

\rariacioncs del flujo cle alimeritación la producci6n cie vapores generados

c m el tanque 5501. Estos se clcbcn moni torear para mantener las conciicior es

operacionales óptimas cn cl proceso garantizar un buen funcionamiento tlel

sistema de refrigeración.

Las variables críticas del sistema de refrigeracibn son:

- Presión v Caudal dz succicín en 12s ?tapas cicl compresor E:-301.

- Presión, Temperatura y Caudal de productos a la succión de los

enfriadores.

- Presión, Temperatura y Caudal de los vapores generados en el tanque S-

501.

La simulación en estado estacionario permite generar modelos para

identificar el sicterna v realizar sensibilidades variando las condiciones

críticas del proceso. Es por ello que se validó el modelo con los datos (le

diseño de la planta, además se realizó la simulación de casos real2s

verificando el funcionamiento actual del proceso.

Los enfriadores poseen los controladores y transmiso:-es de presión,

de temperatura y de nivel, calibrados y en buen funcionamiento pero a su

vez se obsenró condición de inundación en los enfriadores E-308, E-316 y

E-318. Así mismo, se encontró que algunos de estos ecluipos no scn

puestos en funcionamiento ocasionalmente. Esto trae como consecuencia

ve PDVSA +A Gas Conclrrsion -- es --

insuficiencia de vapores de propano refrigerante que debe succionar el

compresor.

El condensador de propano (C-303) posee deficiencias dado que la

temperatura del aire de diseño, es menor que la temperatura promed:o

actual del aire, trayendo como consecuencia una variacióii en la condi1:i6n

del propano refrigerante al salir del C-303 y que es scccionado pcr 1-1

compresor.

Los Compresores K-301 A, B, C y D se consideran como los mas

afectados al ser perturbado el sistema de refrigeración, ya que al haber

cambios en el proceso, el compresor succionará alto o bajo volumer! d e

propano. Sumado a esto se tiene que estos equipos supe ra los 35 añal; dc

operación y a pesar de que poseen tiempos de vida lítil mucho nfs

largos, debido a su constante paro y arranque y reparacic~nes

consecutivas, son ahora más sensibles a determinadas condiciones de

operación o condiciones extremas.

Es importante llevar un control de la cantidad de va9ores generadca

en el tanque S-501 y los producidos en los enfriadores, de manera qul. se

pueda determinar el número de compresores requeridos a esas

condiciones. Para más de 20.000 Lbs/hrs de propano en e1 S-501 y 15.000

BPD de producción, se deben utilizar dos compresores en paralelo, de

manera que el sistema trabaja eficientemente.

El sistema antioleaje opera de manera eficiente según .as evaluaciones

y se verificó que puede manejar los cambios dc condiciones de operacióii

del sistema.

RECOMENDACIONES

-4 PDVSA +4 Gas Re-curnendncionta - -

En un sistema de refrigeración se debe n~onitorear el trabajo clel

compresor el cual es pulmón del proceso ya que el refrigerante succiona~lo

por este es producido en los enfriadores, y a su vez depende de su

intercambio de calor con la producción y los vapores del C-501, por esto se

debe tener total conocimiento y control de estas cantidades de :'lujo.

Actualmente el panel de control de la planta (PROVOX) en el área

300, no permite visualizar las condiciones del flujo descargado por el K-531

(área 500), por ello se recomienda incluir en los indicadore:< de flujo a la

entrada de los enfriadores E-309 y E-310, de esta manera se podrá observar si

se requieren uno o dos compresores.

Ce recomienda realizar un chequeo a las válvulas ubicadas en la

succión de cada enfriador, ya que se encontró que algunos de ellos trabajan

en condiciones de inundación, esto puede suceder debido a las válvulas qiie

controlan el nivel de propano refrigerante dejan pasar fluido al enfriadores

aumentando su nivel.

Se deben poner en funcionamiento todos los enfriadores de

refrigeración incluyendo el E-307 el cual sirve para enfriar gasolina, esto

garantizan al compresor suficiente flujo aún cuando exista una produccion

baja.

El condensador de refrigeración C-303 se debe ajustar a lds

condiciones actuales de operación, también es recomendable garantizar L.n

-4 PDVSA P& Gas Rc~con~rn(lír<.ioncv -- --

buen funcionamiento cie todos los ventiladores de acuerdo con e '

requerimiento de enfriamiento ciei sistema.

Se recomiencia verificar la exactitud en la toma de datos del ciste na

PROVOX, específicanientc en los que tienen relación con el compresor.

además se hace necesario incorporar un sistema tle controI con límite 1,oi.

exceso de corriente dcI motor ciel compresor.

Es importante incorporar una acción de cierre de :.as váIvulas de,

recirculación cuando todo el sistema de compresi611 de refrigeración cuandcl

se encuentra parado para minimizar pérdidas de prod~ct~;, y tiempo cie~

arranque.

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