REVISIÓN DE HEURÍSTICAS Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE...

1

REVISIÓN DE HEURÍSTICAS Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS UTILIZADOS EN PROCESOS DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO

JORGE ANDRÉS AMADOR FALCÓN

KAREN JUIETH CHAVARRO HERNÁNDEZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA

FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C. 2012

2

REVISIÓN DE HEURÍSTICAS Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS UTILIZADOS EN PROCESOS DE REFINACIÓN DEL PETRÓLEO

JORGE ANDRÉS AMADOR FALCÓN KAREN JUIETH CHAVARRO HERNÁNDEZ

Monografía de compilación para optar el Título de Ingeniero Químico.

Tutor Eduardo Luis Sánchez Tuirán Doctor en Ingeniería Química

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA SECCIONAL CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERÍA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO

PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA CARTAGENA DE INDIAS D.T. Y C.

2012

3

AGRADECIMIENTOS

Los autores de esta monografía agradecemos a nuestros padres y hermanas por su apoyo incondicional.

A Dios por darnos la fortaleza, voluntad para culminar con el logro de nuestros

objetivos.

A nuestros docentes por cada uno de los aportes académicos que nos han transmitido, por su paciencia y su dedicación durante la labor de formarnos

como profesionales.

A nuestro tutor, el Dr. Eduardo Luis Sánchez Tuirán por su colaboración y disponibilidad a atender nuestras inquietudes.

4

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 10

1. REFINACIÓN DEL PETRÓLEO 12

1.1 HISTORIA 12

1.2 ORIGEN 15

1.3 EXPLORACIÓN PETROLERA 15

1.4 COMPOSICIÓN DEL PETRÓLEO 16

1.4.1 Alifáticos o hidrocarburos de cadena abierta 16

1.4.2 Compuestos cíclicos 17

1.4.3 Componentes en menor proporción. 18

1.5 PRODUCTOS DE LA REFINERÍA 19

1.5.1 Precursores de los petroquímicos. 19

1.5.2 Destilados ligeros. 20

1.5.3 Destilados intermedios. 20

1.5.4 Destilados pesados. 20

1.6 PROCESAMIENTO 21

1.7 CAMBIOS DE ENERGÍAS 22

1.8 PROCESOS DE SEPARACIÓN 22

1.9 PROCESOS DE CONVERSIÓN 26

1.10 CRAQUEO O PIRÓLISIS 27

1.11 REFORMADO 28

1.12 COQUIZACIÓN 29

5

1.13 TRATAMIENTO QUÍMICO 29

2. EQUIPOS 31

2.1 EQUIPOS DE SEPARACIÓN 31

2.1.1 Columnas de destilación. 31

2.1.2 Ciclones. 33

2.1.3 Tambores separadores. 34

2.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR 35

2.2.1 Tipos de intercambiadores de calor. 35

2.3 CALDERAS 40

2.4 HORNOS INDUSTRIALES 42

2.4.1 Hornos con combustibles líquidos y gaseosos. 42

2.5 REACTORES QUÍMICOS 43

2.5.1 Tipos principales de reactores químicos 44

2.6 BOMBAS 48

2.6.1 Bomba centrífuga. 48

2.6.2 Bombas de desplazamiento positivo. 49

2.7 COMPRESORES 50

3. DISEÑO DE PLANTAS 51

3.1 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO GLOBAL 51

3.2 PROCESO DE DESARROLLO DE DISEÑO 51

3.3 DISEÑO DE UN PROCESO 53

3.4 ETAPAS DEL DISEÑO DE PROCESOS 56

3.4.1 Ingeniería conceptual. 56

3.4.2 Ingeniería básica. 57

6

3.4.3 Ingeniería detallada. 57

3.5 DIAGRAMAS DE FLUJO 58

3.5.1 Diagramas de flujo del proceso (PFD). 58

3.5.2 Diagrama de tuberías e instrumentos (P&IDs). 59

3.5.3 Diagrama de bloques. 60

3.6 DISEÑO DE EQUIPOS Y ESPECIFICACIONES 61

3.6.1 Data sheets y especificaciones. 61

3.7 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN 63

3.8 INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE PROCESOS 63

3.9 OPERACIÓN CONTINUA VS OPERACIÓN POR LOTES 64

4. HEURISTICAS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO 65

4.1 COMPRESORES Y VENTILADORES 65

4.1.1 Compresores. 65

4.1.2 Ventiladores. 66

4.2 TORRES DE DESTILACIÓN Y DE ABSORCIÓN DE GAS 66

4.3 TORRES DE ENFRIAMIENTO 68

4.4 EQUIPOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO 69

4.5 INTERCAMBIADORES DE CALOR 70

4.6 AISLANTES TÉRMICOS 71

4.7 AGITADORES Y MEZCLADORES 72

4.8 BOMBAS 73

4.9 REACTORES 73

4.10 TANQUES DE ALMACENAMIENTO 74

5. CONCLUSIÓN 75

REFERENCIAS 76

7

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Diagrama de flujo de un proceso de destilación. 24 Figura 2. Craqueo catalítico 28 Figura 3. Reformado Catalítico 29 Figura 4. Torre de destilación fraccionada del petróleo. 32 Figura 5. Ciclón. 33 Figura 6. Tambores separadores. 35 Figura 7. Intercambiador de doble tubo. 36 Figura 8. Intercambiador de tubo y casco 38 Figura 9. Intercambiador de calor de placas 38 Figura 10. Torre de enfriamiento 40 Figura 11. Caldera pirotubular 41 Figura 12. Reactor tanque agitado discontinuo 45 Figura 13. Reactor mezcla completa continuo. 46 Figura 14. Reactores continuos de tanque agitado. 46 Figura 15. Reactor tubular de flujo. 47 Figura 16. Bomba centrifuga. 48 Figura 17. Bomba de desplazamiento positivo. 49 Figura 18. Diagrama de flujo de proceso de una refineria de gas natural. 59 Figura 19. P&ID de un sistema comercial integrado de calefacción. 60 Figura 20. Data Sheet de Bomba centrífuga. 62

8

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Operaciones unitarias necesarias para la síntesis de petroquímicos. 19 Tabla 2. Operaciones básicas de transformación. 54 Tabla 3. Principales aspectos de diseño. 55

9

LISTA DE ANEXOS

ANEXO A: Características de ínteres para el diseño de equipos. 80

10

INTRODUCCIÓN

El diseño de planta es una de las labores más importantes en la industria, de esta depende el éxito de la producción, ahorros energéticos, aumento en las ganancias y competitividad en el mercado. El éxito de un diseño, en su mayoría, es responsabilidad de la ingeniería ya que durante su desarrollo está involucrada la ingeniería civil, eléctrica, de proceso, de instrumentación, mecánica, entre otras disciplinas.

Una planta es un conjunto de equipos y procesos que están encaminados a la obtención de un producto de interés comercial, el cual debe tener un alto valor agregado para poder ser competitivo ante industrias semejantes. El valor agregado al cual se hace referencia consiste en los requerimientos de calidad del producto que le dan aquellas ventajas que permiten su uso para una determinada labor. Son múltiples los procesos involucrados en una planta, con el fin de llevar a cabo una serie de cambios químicos o físicos, consistentes en la transporte de masa, de calor, de cantidad de movimiento y/o reacciones químicas. De la eficiencia de estos dependen las propiedades y características del producto final. Durante el diseño de una planta además de determinar los procesos, se determina el terreno adecuado para su construcción, se establecen las dimensiones, especificaciones y distribución de los equipos, área administrativa, servicios industriales, sistemas de control, entre otros. Para llevar a cabo cada una de estas tareas, el diseño se basa en una serie de normas, estándares, heurísticas y generalmente es una tarea propia de profesionales con experiencia capitalizada. Es responsabilidad directa del ingeniero químico, establecer las especificaciones y características de diseño de los equipos con el fin de garantizar un adecuado uso de materia prima para su transformación en productos de interés. En el mundo son varios los productos que el hombre utiliza para facilitar ciertas actividades en su día a día, entre estos podemos mencionar los plásticos, artículos de aseo, pinturas, combustibles, lubricantes, fungicidas, parafinas, gas propano, todos estos derivados del petróleo. Para su obtención se parte de la extracción del petróleo el cual se somete a una serie de procesos donde se obtienen cientos de productos que están destinados a otras industrias para terminar su procesamiento o que van directamente al mercado. Por lo anterior nace el interés de realizar una investigación que recopile información de heurísticas para el diseño de equipos utilizados en procesos de refinación del petróleo, teniendo en cuenta la importancia de sus productos. En Colombia la empresa líder encargada de la refinación del petróleo es Ecopetrol S.A. Genera más del 60% de la producción nacional de crudo y posee las dos mayores refinerías del país. Actualmente es la compañía más grande de

11

Colombia y está ubicada entre las 40 petroleras más grandes del mundo y entre las 4 principales en Latinoamérica.1 Para el adecuado desarrollo de esta investigación se revisará información contenida en libros, artículos científicos, revistas, tanto virtuales como físicas. Aunque una de las principales dificultades es la obtención de la mayor parte de la información ya que ésta no es de fácil acceso debido a la confidencialidad que esta tiene por parte de las industrias petroleras. Adicionalmente se consultarán profesionales con experiencia en el diseño de equipos con el fin de hacer de este estudio una herramienta útil para el aprendizaje de conceptos importantes en esta área. A partir de lo anterior se desea demostrar que, a través de los años, la experiencia ha generado información transcendente en el diseño de equipos para refinación que hoy en día facilita la tarea y garantiza la seguridad de los procesos y por ende de la planta desde el diseño. En la refinación del petróleo se emplean una gran cantidad de equipos encargados de la transformación del crudo a sus respectivos derivados. Es una industria compleja pero sobre todo riesgosa, debido a sus elevadas temperaturas, presiones, manejo de compuestos volátiles e inflamables, lo cual requiere de una rigurosa seguridad desde el diseño. Es por esto que se debe acudir a la experiencia para partir de un diseño seguro hacia un diseño óptimo. A manera de recomendación se sugiere el desarrollo de prácticas en plantas piloto o simulación para corroborar las heurísticas de diseño de equipos contenidas en esta monografía, además, se sugiere consultar el material bibliográfico referenciado para profundizar en las variables y cálculos para el diseño de los equipos para refinación del petróleo.

1 ECOPETROL. Reporte Integrado de gestión sostenible 2011 [En línea].

<http://www.ecopetrol.com.co/especiales/ReporteGestion2012/sobre_ecopetrol_01.html>. [citado 28 de agosto 2012]

12

1. REFINACIÓN DEL PETRÓLEO De acuerdo a investigaciones realizadas por muchos estudiosos de la tierra y todo aquello que relacionado con ella, como geólogos, geofísicos, entre otros, han determinado que el petróleo es producto de transformaciones de materia orgánica a través de miles de años, el cual se ha depositado y acumulado debajo de la superficie de la tierra en grandes cantidades. Además, el petróleo es la fuente primordial para la obtención de muchos materiales que actualmente ofrecen increíbles ventajas para la fabricación de los productos que utilizamos a diario para satisfacer nuestras necesidades, teniendo en cuenta que otros tipos de materiales no podrían suplirlas, por lo que actualmente, el petróleo es considerado el commodity de mayor comercio en los mercados del mundo.2 Es por esto que el petróleo debe ser fraccionado en sus múltiples componentes para su máximo aprovechamiento. Este proceso es llamado refinación. A continuación se presenta, en resumen, todo aquello relacionado con éste proceso. 1.1 HISTORIA

El uso del petróleo y sus derivados se remonta a épocas antes de Cristo, y se sabe que a lo largo de la historia fue utilizado por civilizaciones antiguas.3 Es por esto que su uso, refinación y el desarrollo de tecnologías para su máximo aprovechamiento no es tan reciente como creemos. El primer derivado principal del petróleo fue el kerosene para quemar en lámparas, remplazando los aceites de origen animal o vegetal, más caros y de peor combustión. A partir de la segunda década del siglo XX hace su irrupción masiva el automóvil y poco después la aviación comercial. La combinación de combustibles líquidos-motores de combustión interna reemplaza gradualmente a la tradicional dupla de caldera a carbón-máquina de vapor. La nafta o gasolina pasa a ser el subproducto del petróleo de más consumo desplazando al kerosene.4 La gasolina inútil que en esos tiempos se tenía para remolcar hasta altamar y ser quemada como un desperdicio molesto, gradualmente se volvió el mayor producto con una demanda que excedía la disponibilidad. Mejoras en la calidad, como el valor antidetonante, también era necesario. La cantidad disponible aumentó a través de la conversión de las fracciones menos

2 INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. El abecé del petróleo y del gas en el

mundo y en la Argentina. Art Press S.A. Buenos Aires, 2009. p. 126. 3 HENRY, J. T. The Early and Later History of Petroleum. Vol. I and II. APRP Co.

4 INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. Óp. cit. p. 23.

13

deseables de gasolina a través de la desintegración térmica y luego por procesos de desintegración catalítica. Se mejoró la calidad de la gasolina mediante la desintegración, el descubrimiento de las propiedades antidetonantes del tetraetilo de plomo, la polimerización la alquilación, aromatización y mediante el conocimiento gradual de que se podían hacer transformaciones de muchas clases por medio de la aplicación de procesos orgánicos a gran escala. La refinación ha ido avanzando con fuerza, impulsada por factores económicos. Durante años, muchas compañías veían la refinación como un mal necesario que se tenía que soportar para que ellos pudieran obtener ganancias de lo que consideraban más vital: la producción y venta del aceite crudo que ellos obtenían. Solo recientemente, la mayor parte de las compañías se han dado cuenta de que su propósito debe ser tomar una materia prima de muchos componentes y convertirla, con la máxima ganancia, en materiales que llenen las necesidades de un mercado complejo y constantemente cambiante. En 1930 se podía vender solamente gasolina, queroseno, combustible para calefacción, gasoil, y los residuos para obtener ganancias. Hoy el mercado es mucho más complejo y las decisiones de mercado son más difíciles. La simple destilación del aceite crudo en fracciones era suficiente anteriormente pero estos productos sencillos ahora son casi invendibles. La calidad requiere ser mejorada a través de la creación de nuevas mezclas y de un control de calidad persistente de los productos finales, aunque los crudos refinados varían mucho en el tipo y el contenido del destilado.5 La historia del petróleo se caracteriza por las variaciones bruscas de su precio, debido a veces a razones políticas y otras a desequilibrios entre la oferta y la demanda.6 Lo anterior se puede observar en la gráfica 1 donde se visualiza el aumento del precio del barril, en dólares, desde 1972 hasta el 2008. Estados Unidos es el mayor consumidor de productos derivados del petróleo en el mundo y tiene la mayor capacidad de refinación. Sin embargo no es autosuficiente en materia prima. La industria del petróleo en su diseño, operación, venta y ramas ejecutivas es la que emplea la mayor cantidad de Ingenieros Químicos. Los procesos de refinación se han hecho extraordinariamente grandes y muy complicados. Todas las ramas de esta industria están tan interrelacionadas que se requiere capacitación en ingeniería en todos los niveles. Las necesidades de ayuda técnica también van creciendo, debido a:

(1) Los cambios repentinos en los precios del petróleo crudo y los mercados cambiantes que han requerido reajustes técnicos intensos diseñados para hacer mejor uso de una materia prima costosa que se vuelve cada vez más escasa.

5 AUSTIN, George T. Manual de procesos químicos en la industria T. 3. México: McGraw-Hill;

Interamericana, 1990. p. 831. . 6 INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. Op. cit. p. 23.

14

(2) La industria se ha extendido a muchos otros campos químicos, incluyendo el suministro de materias primas que anteriormente eran proporcionadas por otras fuentes menores.

Grafica 1. Evolución histórica de los precios internacionales del petróleo crudo.

Fuente: El abecé del petróleo y el gas. INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS.

Las primeras refinerías empleaban alambiques intermitentes que tenían pequeños cilindros horizontales con muy poca o casi ninguna destilación diferencial para separar los componentes y un condensador. Las unidades modernas operan en forma continua. Primero, un calentador de tubos alimenta crudo caliente a una columna de destilación eficiente que separa el material mediante los puntos de ebullición en productos similares a los que se obtenían en el alambique intermitente, pero con mejor separación; luego, otras unidades convierten las partes menos comerciales del crudo en productos deseables para la venta. Los procesos utilizados incluyen varias unidades de desintegración (que hacen pequeñas moléculas a partir de las grandes), polimerización, reformación, desintegración con hidrógeno, tratamiento con hidrógeno, isomerización y procesos severos

15

(que se conocen como coquización) y, literalmente, docenas de otros procesos planeados para alterar los puntos de ebullición y la geometría molecular.7 1.2 ORIGEN La mayor parte de las teorías referentes al origen del petróleo postulan un origen vegetal muy parecido al carbón. La teoría sostiene que cualquier materia orgánica se puede convertir en petróleo en condiciones favorables. El petróleo es una mezcla de hidrocarburos de origen natural pero los hidrocarburos que son sintetizados por organismos vivos generalmente representan menos del 20% del petróleo.8 El resto de los hidrocarburos del petróleo se producen por diversos procesos que convierte otro material orgánico en hidrocarburos como parte de procesos de maduración generalmente referidos a una diagénesis, catagénesis y metagénesis.9 Hay también acuerdo general en que el petróleo se formó con materia orgánica cerca de la orilla del mar y en depósitos marinos deficientes en oxígeno y asociados con minerales convertidos por el paso del tiempo y bajo presión en piedras calizas, dolomitas, areniscas y rocas similares. La concentración de materia orgánica en los depósitos originales puede no haber sido muy alta, pero los gases y líquidos del petróleo emigraron para recolectarse en lugares que favorecían su retención, por ejemplo, areniscas porosas selladas. A través del tiempo, los carbohidratos y proteínas probablemente fueron destruidos por acción bacteriana, quedando aceites grasos que eran más resistentes a la destrucción por bacterias o productos químicos.10 1.3 EXPLORACIÓN PETROLERA Exploración es el término usado en la industria petrolera para designar la búsqueda o prospección de petróleo y/o gas, con la participación principalmente de geólogos y geofísicos, especialistas en ciencias de la tierra, lo cuales estudian la localización del petróleo y utilizan instrumentos científicos para orientar sus recomendaciones. Esta es una etapa que, de ser exitosa, concluye con el descubrimiento de un yacimiento de hidrocarburos.11 En épocas pasadas, la localización de pozos petroleros era muy complicada e incierta debido a los escasos recursos tecnológicos. Hoy día las herramientas y los métodos utilizados en la exploración han alcanzado niveles no imaginados

7 AUSTIN, George T. Op Cit. p. 832.

8 HUNT, J.M. Petroleum Geochemistry and geology. 2

da edición. W.H. Freeman and Co., New

York. 1996. 9 SPEIGHT, James G. The Chemistry and Technology of Petroleum. Marcel Dekker. 3

ra Edición

Rev. y Exp, 1999. p. 58. 10

AUSTIN, George T. Op. Cit. p. 833. 11

INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. Óp. cit. p. 70.

16

unos pocos años atrás, especialmente debido al avance y la ayuda de la informática que permite almacenar y manejar millones de datos con rapidez y eficacia. Las imágenes satelitales, la detección por radar de manaderos de hidrocarburos en el mar, las herramientas de perfilaje de última generación y la sísmica tridimensional son algunos de los ejemplos de este avance en las técnicas de exploración.12 La gran utilidad de estas herramientas se refleja en el hecho de que actualmente se han hecho hallazgos de pozos petroleros en áreas exploradas anteriormente y sin resultado alguno. 1.4 COMPOSICIÓN DEL PETRÓLEO El petróleo está compuesto por miles de diferentes sustancias químicas incluyendo gases, líquidos y sólidos que van desde el metano hasta el asfalto. Casi todos los componentes son hidrocarburos, pero hay cantidades importantes de compuestos que contienen nitrógeno (0 al 0.5%), azúfre (0 al 6%) y oxígeno (0 al 3.5%).13 El número de átomos de carbono y la forma en que están colocados dentro de las moléculas de los diferentes compuestos proporciona al petróleo diferentes propiedades físicas y químicas. Así, tenemos que los hidrocarburos compuestos por uno a cuatro átomos de carbono son gaseosos, los que contienen de 5 a 20 son líquidos y los de más de 20 son sólidos a la temperatura ambiente. El petróleo crudo varía mucho en su composición, lo cual depende del tipo de yacimiento de donde provenga, pero en promedio podemos considerar que contiene entre 83 y 86% de carbono y entre 11 y 13% de hidrógeno.14 1.4.1 Alifáticos o hidrocarburos de cadena abierta

- Parafinas (n-parafinas). Están constituidos por una cadena de átomos de carbono enlazados cada uno de 0 a 3 átomos de hidrógeno, excepto en el más sencillo, el metano: (CH4). Cada carbono está ligado siempre a otros cuatro átomos (carbono o hidrógeno); su fórmula general es: CnH2n+2.

15 Este tipo de compuestos representan el mayor porcentaje en composición de los crudos. Por lo que el principal producto obtenido del petróleo es la gasolina, debido a que ella está compuesta, en mayor proporción, por este tipo de sustancias las cuales deben ser tratadas para aumentar sus propiedades antidetonantes con el fin de evitar el deterioro de los motores por golpeteo en las paredes.

12

INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. Óp. cit. p. 70. 13


CHOW PANGTAY, Susana. Petroquímica y Sociedad. [En línea] <http://bibliotecadigital.ilce. edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/39/html/sec_8.html> [19 de septiembre de 2012]. 15

WAUQUIER, J. P. El refino del petróleo: Petróleo crudo, Productos petrolíferos, Esquemas de fabricación. Instituto superior de la energía (ISE), Díaz de Santos. 2004. p. 3.

17

- Isoparafinas. Los átomos de hidrógeno de las cadenas parafínicas pueden ser sustituidos por carbonos o cadenas hidrocarbonadas, formando las isoparafinas o isoalcanos. Estas ramificaciones pueden situarse en diferentes puntos de la cadena, lo que da lugar a moléculas diferentes a pesar de tener igual número de carbonos. Estas moléculas son llamados isómeros.16 Su fórmula general es: CnH2n+2. Este tipo de compuestos son deseables por sus excelentes propiedades antidetonantes y es por esto que mejoran la calidad de gasolinas (n-parafínicas) directamente extraídas del petróleo. Se obtienen mediante polimerización, reformado catalítico, alquilación o isomerización.

- Olefinas. Las olefinas se caracterizan por la presencia de enlaces dobles entre átomos de carbono contiguos.17 Esta serie esta generalmente ausente en los crudos, pero se produce mediante procesos de refinería como la desintegración (haciendo moléculas pequeñas de las grandes). Estas moléculas relativamente inestables mejoran la calidad antidetonante de la gasolina, aunque no tan eficazmente como las iso-parafinas. Durante el almacenamiento se polimerizan y se oxidan, lo cual no es deseable. Sin embargo esta tendencia a reaccionar las hace útiles para formar otros compuestos petroquímicos mediante reacciones químicas adicionales. Como ejemplos tenemos el etileno, el propileno y el butileno (también llamados etenos, propenos y butenos). Las gasolinas fraccionadas o craqueadas contienen muchos de los miembros más altos de la serie.18

1.4.2 Compuestos cíclicos

- Cicloalcanos,

En estos hidrocarburos hay una ciclación total o parcial del esqueleto carbonado. El número de átomos de carbono del anillo formado puede ser variable. Tienen temperaturas de ebullición y densidades superiores a los de los alcanos del mismo número de átomos de carbono.19 Su fórmula general es: CnH2n. Esta serie, que no debe confundirse con el naftaleno, tienen la misma fórmula química que las olefinas, pero carece de su inestabilidad y reactividad, porque la configuración molecular es saturada y no reactiva

16

WAUQUIER, J. P. Op. Cit. p. 3. 17

LINSTROMBERG, Walter W. Curso breve de Química Orgánica. 1979. p. 61. 18


WAUQUIER, J. P. Op. Cit. p. 4.

18

como los alcanos. Estos compuestos son la serie de segunda importancia en la mayor parte de los crudos. Como ejemplos tenemos el metil-ciclopentano, ciclohexano, di-metil-ciclopentanos y metil-ciclohexano. Los miembros más bajos de este grupo son buenos combustibles; los de más alto peso molecular predominan en el gasoil y en los aceites lubricantes obtenidos de todo tipo de crudos.20 - Aromáticos. Son hidrocarburos cíclicos poliinsaturados que están presentes en una gran proporción en los crudos de petróleo. La presencia en su fórmula de uno o más ciclos con tres dobles enlaces conjugados les confiere unas notables propiedades.21 Su fórmula química es: CnH2n-6. Solo pequeñas cantidades de esa serie se encuentran en los crudos más comunes, pero son muy deseables en la gasolina ya que tiene muy buen valor antidetonante, buena estabilidad durante el almacenamiento y otros usos además de ser combustibles; algunos crudos especiales (Borneo, Sumatra) contienen cantidades relativamente grandes. Se forman muchos aromáticos durante el proceso de refinación. Como ejemplos tenemos: benceno, tolueno, etilbenceno y xileno.22

1.4.3 Componentes en menor proporción. El azúfre siempre ha sido un componente indeseable del petróleo. El olor fuerte y desagradable de sus compuestos dio origen a los esfuerzos para eliminarlos de las fracciones de gasolina y queroseno. Al principio las reacciones químicas se dirigieron a la destrucción del olor. Después se encontró que los compuestos de azúfre tenían otros efectos indeseables (corrosión, reducción del efecto del tetraetilo de plomo como agente antidetonante, contaminación del aire). En la actualidad, cuando es posible, se están eliminando los compuestos de azúfre y con frecuencia el azúfre eliminado se recupera como azúfre elemental. Los compuestos de nitrógeno causan menos problema que los de azúfre, son menos indeseables y generalmente se ignoran.23 El azúfre es el heteroátomo más abundante en los petróleos crudos y puede estar presente en forma inorgánica como azúfre elemental, acido sulfhídrico H2S, sulfuro de carbonilo COS o formando parte de moléculas orgánicas.24 Por esto hoy día existen, dentro de las refinerías, grandes procesos de recuperación de azúfre. Al adaptarse en forma general los procesos de desintegración catalítica y de acabado, se descubrió que la presencia de metales como Fe, Mo, Na, Ni, V, entre otros, aún en pequeñísimas cantidades, causaba problemas porque envenenan intensamente los catalizadores. Ahora se están perfeccionando

20

AUSTIN, George T. Op Cit. p. 840. 21

WAUQUIER, J. P. Op. Cit. p. 5. 22


Ibíd. p. 841. 24

WAUQUIER, J. P. Op. Cit. p. 10.

19

muchos métodos para eliminar estas sustancias. Entre otros inconvenientes que se encuentra en el petróleo tenemos la sal el cual ha sido un problema mayor desde hace muchos años. Casi siempre se encuentra en los crudos, generalmente como emulsión y debe ser eliminada para evitar la corrosión.

Los petróleos crudos varían mucho y cada tipo requiere diferentes procedimientos de refinación. Los términos base parafínica, asfáltica (naftaleno) y mixtos se emplean con frecuencia para diferenciar los crudos basados en los residuos que quedan después de la primera destilación. Un factor de caracterización también se emplea para describir las propiedades de un crudo con exactitud matemática.

Durante el proceso de refinación no se suelen separar productos químicos puros. Algunos de los más simples de masa molecular baja se aíslan para producir productos petroquímicos. La mayor parte de los productos del petróleo son mezclas separadas sobre la base de niveles de puntos de ebullición y se identifican por los usos finales a los cuales están mejor adaptados.25 1.5 PRODUCTOS DE LA REFINERIA 1.5.1 Precursores de los petroquímicos. Los precursores son materiales reactivos fabricados generalmente por la disposición de las moléculas más grandes de las materias primas. Los principales precursores son: 26

Acetileno Benceno Etileno Tolueno Propileno Xilenos Buteno Naftalenos

Para la fabricación de productos petroquímicos se puede llevar a cabo cualquier síntesis que se requiera, pero el problema es realizarlo a bajo costo y con equipo adecuado. La tabla 1. Muestra las operaciones unitarias necesarias para la síntesis de productos petroquímicos. Antes se utilizaba extensamente el acetileno para la fabricación de estos productos, pero como es difícil de fabricar y almacenar, ahora el etileno es la materia prima principal para la síntesis. Tabla 1. Operaciones unitarias necesarias para la síntesis de petroquímicos.

Operación Basado en

diferencias en: Producto

Vapor-líquido Destilación

Destilación extractiva

Presión de vapor Polarizabilidad

Etileno de etano

n-butenos de butanos

25


Ibíd. p. 846.

20

Destilación azeotrópica Absorción

Polarizabilidad Solubilidad

Tolueno de aromáticos Etano de metano

Líquido-líquido Extracción con

disolventes

Solubilidad

Benceno de alifáticos

Líquido-sólido Cristalización Cristalización

extractiva Encapsulación

Adsorción en mallas moleculares

Punto de fusión

Formación de clatratos Formación de clatratos

Adsorción en superficie o poro

p- de otros xilenos

n- parafinas de otros hidrocarburos

m- xileno n- parafinas de

isoparafinas

Vapor-sólido Adsorción sobre mallas

moleculares

Adsorción en

superficie o poro

Etileno o etano

Fuente AUSTIN, George T. Manual de procesos químicos en la industria T. 3.

1.5.2 Destilados ligeros. Son mezclas de hidrocarburos de gran volatilidad. Generalmente, son consideradas como destilados ligeros: la gasolina para avión, la gasolina para motor de automóvil, naftas, disolventes de petróleo, combustibles para aviones de propulsión a reacción y queroseno. La gasolina es el producto más importante, y alrededor del 45% del crudo procesado se utiliza para gasolina. Cuando la relación de compresión de un motor es relativamente alta, el combustible puede detonar en el cilindro causando ruidos (golpeteo), pérdida de potencia y finalmente daños en la máquina. Los hidrocarburos tanto de cadena ramificada como aromáticos, reducen mucho la tendencia de un combustible a causar golpeteo.27 1.5.3 Destilados intermedios. Se incluyen entre estos el gasoil, los aceites ligeros y pesados para calefacción doméstica, los combustibles diesel y los destilados que se utilizan para producir más gasolina por desintegración. Estos destilados se usan principalmente como combustibles para camiones pesados, ferrocarriles, pequeñas embarcaciones comerciales, plantas generadoras de energía eléctrica de emergencia y para demandas máximas, equipos agrícolas, y donde se necesite diesel para producir potencia.28 1.5.4 Destilados pesados. Estos se convierten en aceites lubricantes, aceites pesados para diversos combustibles, ceras y para alimentar los reactores de craqueo. Se pueden obtener, fácilmente, diferentes tipos de aceites lubricantes de alta calidad a partir de petróleos de base parafínica. Sin embargo, la mayor parte de petróleos son de base mixta o nafténica y se requiere refinación con disolventes para producir lubricantes de muy buena calidad. Se emplean mucho los aditivos para mejorar la calidad de los aceites lubricantes; entre estos podemos mencionar antioxidantes, detergentes, antiespumantes, mejoradores del índice de viscosidad, agentes para resistir presiones extremas

27


Ibíd. p. 850.

21

y agentes antidesgaste. La viscosidad, el punto de vaciado, la emulsibilidad, el punto de inflamación y la resistencia a la formación de lodos, son propiedades importantes de los lubricantes y generalmente se determinan mediante pruebas tecnológicas delineadas y estandarizadas por la American Society for Testing and Materials (ASTM). Los destilados pesados se emplean como combustible Bunker para embarcaciones y plantas de energía eléctrica estacionarias grandes, pero todos los usos de los destilados pesados están declinando y la tendencia es utilizarlos en el craqueo, desintegrarlos severamente en unidades de carbonización (unidades de craqueo que producen coque como un subproducto) y convertirlos en productos para los cuales hay mayor demanda y mejor precio. 29

1.6 PROCESAMIENTO El petróleo crudo se utiliza raramente en su forma cruda, por lo cuál debe ser procesado en sus diversos productos, generalmente formando productos con un contenido de hidrógeno diferente de la materia prima original.30 La refinación es una operación de bajo costo comparada con la mayor parte de los procesos químicos. El costo del crudo era antes mucho más bajo que ahora, pero la Organización de países Exportadores de Petróleo (OPEP) casi decuplicó el precio. Las ganancias de las refinerías han sido bastante moderadas considerándolas, como porcentaje del costo de la inversión en activo fijo, comparadas con otras fases de la industria química. La función principal de una refinería, por lo tanto, consiste en obtener con los petróleos las cantidades adecuadas de naftas, gases licuados, kerosene, aerocombustibles, gasoil, lubricantes, fuel oil, parafinas, asfaltos y demás especialidades, en operaciones sustentables (seguras y amigables con el ambiente) y en la forma más económica posible. Para ello deben emplearse además de los distintos tipos de petróleo, procesos e instalaciones industriales cuyo desarrollo es producto de una constante investigación.31 La refinación tiene dos ramas principales: procesos de separación y procesos de conversión. En el campo de conversión hay literalmente cientos de procesos en uso, muchos de ellos patentados. En una refinería determinada que procesa el mismo crudo, hay que hacer cambios diarios para estar de acuerdo con los cambios del mercado y modificar los parámetros del aparato de conversión. Como se indica ninguna refinería operará todos los días exactamente igual, pero todas las refinerías operaran siguiendo las líneas básicas que se indican. La práctica de refinerías, casi universal, consiste en bombear petróleo continuamente a través de calentadores del tipo de destiladores de tubos o

29

AUSTIN, George T. Op. Cit. p. 851-852. 30

SPEIGHT, James G. Op. Cit. p. 499. 31

INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. Óp. cit. p. 126.

22

tuberías y separar los componentes en columnas continuas de destilación fraccionada, para obtener muchas fracciones entre gas y asfalto. A la primera separación le siguen varios procesos de conversión concebidos para elevar al máximo los rendimientos de los productos más rentables y de mayor venta. Esto significa generalmente el rendimiento máximo de la gasolina. Técnicamente, sería posible convertir todo el crudo en gasolina, pero el costo sería prohibitivo.32 1.7 CAMBIOS DE ENERGÍAS Los costos de energía en una planta refinadora de petróleo, han sido los costos más importante y de mayor estudio a lo largo de los años. Esto con el objetivo de minimizarlos y conservar la energía durante los distintos procesos que lo requieran, con la menor pérdida posible. Para disminuir los gastos energéticos se han utilizado sistemas integrados de energía con el fin de que el calor retirado en un proceso se utilice en otro, teniendo en cuenta ciertos parámetros que influyen sobre dichos procesos, para lo cual se parte del estudio de las corrientes flujo de fluidos, la transmisión de calor y las propiedades de las fracciones del petróleo. 1.8 PROCESOS DE SEPARACIÓN Los procesos de separación son aquellos que utilizan las diferencias en las propiedades físicas y químicas de estos compuestos para separar un flujo de refinación en dos o más flujos nuevos.33 Las operaciones unitarias que se emplean en la refinación de petróleo son las más simples y comunes, pero las interconexiones e interacciones pueden ser muy complejas. La mayor parte de las unidades principales se conocen como destiladoras. Una destiladora de crudo consta de intercambiadores de calor, un horno, una torre de destilación fraccionada, columnas para arrastre con vapor, condensadores, enfriadores y elementos auxiliares. Por lo general hay tanques para almacenamiento temporal en la unidad, con frecuencia hay grandes tanques de tratamiento, utilizados para mejorar el color y eliminar componentes indeseables, sobre todo el azufre; tanques para combinar y mezclar; tanques para recibir y almacenar petróleo crudo; un sistema de recuperación de vapor; sistemas para control de incendios y derrames, y otros sistemas auxiliares. Para completar la refinería, generalmente se tiene una sala de calderas y un sistema de generación de energía eléctrica. Un cuarto de control con

32


ICCT (THE INTERNACIONAL COUNCIL ON CLEAN TRASNPORTATION), Introducción a la refinación del petróleo y producción de gasolina y diesel con contenido ultra bajo de azufre. πMathPro. p. 30.

23

instrumentos para medir, registrar y controlar el corazón del sistema y así poder realizar balances de masa y de energía. Una de las principales funciones de los instrumentos es permitir la contabilidad exacta de lo materiales y los insumos enviados. Muchos de los sistemas de control están ahora conectados a computadoras que efectúan los cálculos en forma rutinaria.34 Entre las operaciones más utilizadas en las separaciones se encuentran:

Flujo de fluidos: En el caso de materiales combustibles altamente volátiles, es una operación de gran importancia debido a que se encarga del transporte del fluido de un punto a otro y además debe estar bajo un control riguroso por las posibles fallas que podrían causar incendios e incluso grandes explosiones.

Transmisión de calor: Actualmente, las plantas refinadoras controlan la eficiencia de los equipos de transferencia de calor mediante el historial de los datos registrados. Además, ya se tiene en cuenta que con el paso del tiempo la eficiencia disminuye debido a la formación de sedimentos o incrustaciones en las paredes del equipo en la que se lleva a cabo el intercambio de calor.

Destilación: La destilación es el método más común de fraccionamiento de petróleo, el cual es usado en laboratorios así como en la refinería, además de que representa el proceso principal en estas. Esta operación está regida por la volatilidad de los componentes de la mezcla que se desea separar. Esta técnica ha sido practicada desde hace siglos y los aparatos que se han utilizado para esta operación han adquirido distintas formas.35 Las diversas formas que han tomado los equipos es debido a investigaciones y estudios científicos que buscan mejorar el funcionamiento del proceso. En la Figura 1 se muestra un diagrama de flujo del proceso de destilación el cual nos da una idea de una de las etapas de más importancia en una refinería. Cuando la diferencia en volatilidad entre los componentes es demasiado pequeña para lograr la separación en una torre de tamaño razonable, se utilizan modificaciones de destilación sencilla. Cuando se añade un disolvente de baja volatilidad de uno de los componentes, la operación se conoce como destilación extractiva. Los butenos se separan de los butanos utilizando este principio con furfural como extractante. Cuando se emplea un agente de arrastre de alta volatilidad, el proceso se llama destilación azeotrópica. La destilación para producir alcohol anhidro a partir de una solución de 95% (vol./vol.) de alcohol etílico y agua emplea benceno para romper la mezcla azeotrópica, y se puede separar tolueno de alta pureza utilizando metiletilcetona como agente de arrastre.36

34



AUSTIN, George T. Op. Cit. p. 855.

24

Figura 1. Diagrama de flujo de un proceso de destilación.

Fuente: GARY, James H.; HANDWERK, Glenn E. Petroleum Refining: Technology and Economics. Marcel Dekker. 4

ta Edición. 2001. p. 52.

Absorción: La absorción es una operación básica de la Ingeniería Química, que estudia la separación de uno o varios componentes de una mezcla gaseosa por disolución en un líquido. Por tanto, en esta operación se efectúa el transporte de materia del componente o componentes de la fase gaseosa solubles en el líquido absorbente, desde la fase gaseosa la líquida.37 Se emplea casi siempre para separar productos con alto punto de ebullición de gases. El gasoil se utiliza para absorber la gasolina natural de los gases húmedos. Los gases que se expelen de los tanques de almacenamiento de gas como resultado de calentamiento por el sol se envían también a una planta de absorción para fines de recuperación. El arrastre por vapor se utiliza generalmente para recuperar los hidrocarburos ligeros absorbido y restaurar la capacidad de absorción del gasoil.38

Adsorción: Es un fenómeno físico-químico en la que el gas de mezcla de este tipo, se concentra en la superficie de un sólido o líquido para ser separado.39

37

OCON GARCIA, Joaquín, TOJO BARREIRO, Gabriel. Problemas de Ingeniería Química: Operaciones Básicas: Tomo II. Editorial AGUILAR. p. 3. 38


MANTELL, C.L. Adsorption. McGraw-Hill, Nueva York. 2da

edición. 1951.

25

Se utiliza para recuperar materiales pesados de los gases. El carbón activado y los tamices moleculares pueden seleccionar los materiales recuperables teniendo en cuenta tanto la forma como la masa molecular. Se puede ahorrar energía utilizando un proceso de adsorción con variación de presión en donde el material se libera del adsorbente al cambiar la presión del sistema.40

Filtración: La filtración es una de las técnicas de separación más antiguas. Es un método físico-mecánico para la separación de mezclas de sustancias compuestas de diferentes fases (fase = componente homogéneo en un determinado estado de agregación). Un medio filtrante poroso es atravesado por un líquido o gas (fase 1) y las partículas sólidas o gotículas de un líquido (fase 2) quedan retenidas en la superficie o en el interior del medio filtrante.41 La filtración se utiliza para recuperar la cera precipitada de destilados que la contienen. Si la torta fría se calienta lentamente, los aceites de muy bajo punto de fusión salen (exudan) de la torta y así se purifican. La filtración en presencia de arcillas se conoce como filtración por contacto y se ha empleado mucho para la decoloración de las diferentes fracciones.42

Cristalización: La cristalización es la formación de cristales a partir de una disolución de un producto o del producto fundido. Se utiliza para la separación de uno o más componentes de una mezcla líquida.43 Durante el proceso de formación de un cristal, las moléculas tienden a fijarse sobre un cristal preexistente compuesto por el mismo tipo de moléculas, porque encajan mejor en el enrejado cristalino formando moléculas de la misma estructura, que en aquellos formados por otro tipo de moléculas.44 Antes de la filtración, las ceras se deben cristalizar para formar cristales de tamaño adecuado mediante enfriamiento y agitación. Las ceras indeseables en los aceites lubricantes se eliminan y se convierten en ceras microcristalinas comerciales.45

Extracción: La extracción es una operación en la cual se separa un componente de una mezcla mediante el uso de un disolvente, el cual disuelve preferentemente a uno de los constituyentes de la disolución

40


ACEFESA. Filtración. [En línea] <http://www.acefesa.es/filtra/filtracion.pdf> [23 de septiembre de 2012]. 42


ARMFIELD. Operaciones unitarias de transferencia de calor y masa. [En línea] <http://www. discoverarmfield.co. uk/data/esp/uop14/?js=enabled> [23 de septiembre de 2012]. 44

PASTO, Daniel J., JOHNSON, Carl R. Determinación de estructuras orgánicas. Editorial Reverté S.A. 2003. p. 5. 45


http://www.acefesa.es/filtra/filtracion.pdf

26

original, dando lugar a la aparición de dos capas líquidas inmiscibles de diferentes densidades.46

La extracción es la recuperación de un componente disolviéndolo selectivamente en un líquido, procedimiento que es muy importante en la preparación de aceites lubricantes de alta calidad. Materiales de bajo índice de viscosidad, ceras, cuerpos colorantes y compuestos de azúfre se eliminan de esta manera. Una agitación adecuada debe ser seguida de una separación rápida y limpia de las dos capas líquidas.47

1.9 PROCESOS DE CONVERSIÓN La presencia de catalizadores, la temperatura y la presión determinan qué tipo de proceso de conversión es el que predomina. Los siguientes son ejemplos de las reacciones básicas importantes que tienen lugar en la refinación de petróleo:

Craqueo: El craqueo es un proceso en el que se realiza una descomposición pirolítica controlada de los hidrocarburos que hierven por encima de los 350°C. Este proceso ha llegado a un resultado de enorme importancia, al obtener más del doble de la gasolina proveniente del petróleo mediante el uso de catalizadores. 48

Polimerización: Es la unión de moléculas pequeñas y similares para la formación de macromoléculas. Propilenos y butilenos son las materias primas principales para los procesos de polimerización en las refinerías que utilizan catalizadores sólidos o líquidos de ácido fosfórico.49

Alquilación: La adición de un grupo alquilo a cualquier compuesto es una alquilación, pero en la terminología de refinado de petróleo, el término alquilación se utiliza para la reacción de olefinas de bajo peso molecular con una isoparafina para formar isoparafinas de peso molecular más alto.50

Hidrogenación: Consiste en la adición de una o más moléculas de hidrógeno a un compuesto. En este caso a las olefinas, siendo estos compuestos insaturados, que reaccionan con mayor facilidad que otro tipo de compuestos.

46

OCON GARCIA, Joaquín, TOJO BARREIRO, Gabriel. Op. Cit. p. 111. 47


FIESER, Louis F., FIESER, Mary. Química orgánica fundamental. Editorial Reverté. 1985. S.A. p. 132. 49

GARY, James H.; HANDWERK, Glenn E. Petroleum Refining: Technology and Economics. Marcel Dekker. 4


50 IPATIEFF V.N., SCHMERLING L. Advances in catalysis, Vol. I. 1948, p. 27-46.

27

Isomerización: Es la transformación de la estructura de un compuesto en la cual no se altera el numero de átomos.

Reformación o aromatización: Es la conversión de naftas para obtener productos con número mayor de octanaje. Se parece a la desintegración, pero se utilizan materiales más volátiles. Los catalizadores contienen renio, platino o cromo.51

1.10 CRAQUEO O PIRÓLISIS Los hidrocarburos de las fracciones menos volátiles, que solo se usaban como aceite pesado o para recubrimientos de carreteras, etc., pueden romperse por un tratamiento térmico, dando moléculas más pequeñas, de mayor valor comercial, que poseen la volatilidad conveniente para motores de explosión52, es decir, útiles como combustibles. El tamaño de los fragmentos producidos incluye siempre todas las posibilidades, de modo que se obtendrá una mezcla. Una cantidad importante de polimerización de las pequeñas moléculas siempre tiene lugar y se forma algo de carbono. La desintegración ayuda a la conservación del combustible porque hace posible el empleo eficiente de casi todo el crudo. Las técnicas actuales hacen posible desintegrar las naftas de refinería y también materiales bastante pesados.53 Anteriormente se utilizaba el cracking térmico pero hoy día, casi toda la desintegración se efectúa en presencia de catalizadores, debido a que se produce más gases ligeros de gran valor comercial, gasolina con índice de octano más alto y menos aceites combustibles pesados.54 El craqueo catalítico se lleva a cabo en un reactor (Figura 2) mediante una reacción endotérmica. En esta reacción, el catalizador queda inhabilitado por el recubrimiento de carbón producido y, para poder reutilizarlo, es necesario retirarle este recubrimiento. Este proceso se lleva a cabo en un reactor de regeneración, en donde se lleva a cabo una reacción exotérmica. El calor liberado por dicha reacción puede ser utilizado en el craqueo catalítico, con el fin de disminuir los costos.

51


FIESER, Louis F., FIESER, Mary. Op. Cit. p. 132. 53

ECT, 3ra

edición. Vol. 17, 1982. p. 206. 54

NELSON, W. L., Petroleum Refinery Engineering, 4ta Edición. McGraw-Hill Book Company.

1958. p. 759-810.

28

Figura 2. Craqueo catalítico



1.11 REFORMADO El proceso de reformado consiste en el cambio de las propiedades de un producto, respecto al proveniente de la materia prima, al modificar su estructura molecular. A pesar de ser costoso, este proceso conduce a la expansión de las utilidades de los productos del petróleo,55 por ejemplo, al aumentar la calidad de productos como naftas y gasolinas que tienen bajo octanaje al salir de la primera destilación.

Reformado Catalítico: Incluye la conversión de otros hidrocarburos en compuestos aromáticos (Figura 3). Debido al alto octanaje de los compuestos aromáticos y a que el proceso ha probado ser práctico, el reformado catalítico ahora ha desplazado casi por completo al reformado térmico, teniendo en cuenta de este ultimo puede producir reformado con un número de octanos del orden de 65-80 mientras que el reformado catalítico produce uno del orden de 90-95.56 Se emplean catalizadores como platino sobre alúmina o sílice-alúmina y cromo en alúmina. También se han empleado catalizadores de renio.57

55


Ibíd. p. 684. 57


29

Figura 3. Reformado Catalítico



1.12 COQUIZACIÓN La coquización es un proceso de conversión térmica para residuos de escaso valor en donde se forman productos gaseosos, líquidos y sólidos, entre los cuales se encuentran el carbón, aceites pesados, entre otros. En ocasiones se prefiere utilizar este en lugar del craqueo catalítico debido a que la presencia de metales y nitrógeno pueden envenenar el catalizador.58 En este proceso se llevan a cabo una serie de reacciones, entre las cuales se encuentran: Oxidación, Polimerización, Alquilación e Isomerización. 1.13 TRATAMIENTO QUÍMICO59 Generalmente se requiere algún tipo de tratamiento químico para eliminar o alterar las impurezas de los productos derivados del petróleo para obtener material aceptable para la venta. Según el tratamiento particular que se emplea, se logran uno o más de los siguientes propósitos:

1. Mejoría del color. 2. Mejoría del olor. 3. Eliminación de compuestos de azufre.

58



30

4. Eliminación de gomas, resinas y materiales asfálticos. 5. Mejoría de la estabilidad a la luz y al aire. 6. Mejor aceptación de los aditivos.

De estos, la eliminación de azufre y la mejoría de la estabilidad son los factores que generalmente gobiernan el proceso que se ha de emplear. Con el descubrimiento de que el empleo de los convertidores catalíticos es la causa de la emisión de vapores de ácido sulfúrico por los tubos de escape de los automóviles, se ha generado presión para eliminar o reducir el azúfre en los combustibles para motores. El azúfre se puede reducir mediante: hidrogenación, tratamiento con sosa cáustica, tratamiento con sosa cáustica más un catalizador y tratamiento con etanolaminas. Hay varios procesos disponibles para la alteración del azúfre objetable y la consecuente mejoría del olor. El tratamiento con hidrógeno reduce el azúfre en las fracciones pesadas y los residuos. El hidrógeno o líquidos que ceden hidrógeno con un catalizador se utilizan para tratar los destilados ligeros, eliminando nitrógeno, azúfre y también algunos contaminantes metálicos. La extracción con soluciones cáusticas o patentada se emplea con frecuencia para lo destilados ligeros. Es ahora, prácticamente, común añadir antioxidantes para prevenir la formación de gomas, en vez de tratar de eliminarlos químicamente. Entre los materiales antigomantes que se utilizan se encuentran el α-naftol, catecoles sustituidos, cresoles, benzil-p-aminofenol y ciertas fracciones de los alquitranes de madera y hulla.

31

2. EQUIPOS

En este capítulo se describen algunos de los equipos involucrados en el proceso de refinación del petróleo, para luego estudiar en detalle las heurísticas y conceptos de cada uno de los equipos, aplicados para el diseño de un proceso de refinación. Algunos de estos equipos son los encargados de suministrar la energía requerida para transporta un fluido por ductos, otros son los encargados de la separación, una de las operaciones más importantes en la refinación, teniendo en cuenta la propiedad multicomponente del petróleo, otros los encargados de las transformaciones química, los reactores químicos.

2.1 EQUIPOS DE SEPARACIÓN

Los procesos de separación, tal como su nombre lo indica, se refieren a todas aquellas actividades que buscan separar y clasificar las diferentes sustancias que constituyen un flujo de alimentación o materia prima, utilizado en un proceso industrial o de laboratorio, para obtener productos distintivos. Estos procesos se realizan en equipos integrados que trabajan como unidades propias, dando origen al concepto de Operaciones Unitarias.60 El tipo de equipo de separación es seleccionado y diseñado de acuerdo a las propiedades y características de las sustancias a tratar, y como se observó en el capítulo 1, en las refinerías son muchos los procesos de separación que se requieren para la obtención de flujos de alimentación a otros equipos o productos adecuados a partir del petróleo, debido a la gran cantidad de componentes que este posee. A continuación, los principales equipos de separación en la refinación del petróleo: 2.1.1 Columnas de destilación. Estos equipos se utilizan para separar los aceites crudos por destilación en fracciones (uno de los procesos de refinación mencionados en el capítulo 1) de acuerdo al punto de ebullición de manera que cada una de las unidades de procesamiento siguientes tendrán materias primas que cumplen sus especificaciones particulares.61 Esta operación se realiza en forma continua en las denominadas columnas o torres de destilación donde por un lado asciende vapor (material liviano) proveniente del líquido hasta salir por la cabeza de la columna y por el otro va descendiendo el líquido (material pesado) hasta llegar a la base, como se puede observar en la Figura 4. En estos tiene lugar una mezcla entre las dos

60

SALAZAR, Federico G. Revista Ingeniería Primero; Procesos de separación: un enfoque integrado. No. 15 – Enero, 2010. p. 71. 61

GARY, James H.; HANDWERK, Glenn E. Petroleum Refining: Technology and Economics. Marcel Dekker. 4


32

fases, de tal modo que pueden efectuarse extracciones a distintos niveles de la columna para obtener productos más o menos pesados. Las variables que regulan el funcionamiento de una columna son la presión en la cabeza de la columna, el caudal, la composición y la temperatura de la alimentación, el calor añadido y las calorías extraídas y los caudales de destilado y de producto extraídos en la base.62 Por lo tanto, dichas variables deben ser controladas de manera adecuada, al igual que en los demás equipos, para evitar daños en el proceso, equipo o en el personal que lo opera. Figura 4. Torre de destilación fraccionada del petróleo.

Fuente: KALIPEDIA. <www.kalipedia.com>. [Citado el 20 de septiembre de 2012].

Existen dos tipos de columnas de destilación de acuerdo a la manera en que se forma el área de contacto: columnas de platos y columnas empacadas. Actualmente en el proceso de destilación de petróleo, se efectúa con mayor frecuencia en torres de platos, con el fin de aumentar el área de contacto para la separación de las fases de vapor y líquido. Este tipo de torres es preferido ante las torres de destilación empacadas, debido a que en las primeras se puede predecir su comportamiento con mayor seguridad, además de que ofrecen mayor versatilidad para condiciones de diseño.

62

CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación Industrial. Marcombo S.A. 7ma

edición. 2005. p. 666.

http://www.kalipedia.com/

33

2.1.2 Ciclones. Los ciclones son equipos de separación gas-sólido estáticos en los que una mezcla de partículas suspendidas en un gas es sometida por acción de su propia energía cinética, a una fuerza centrífuga. Consta de dos partes, una cilíndrica, la otra cónica (ver Figura 5). Las partículas, al tener mayor densidad que el gas en el que están suspendidas, salen despedidas hacia la pared, donde por rozamiento, quedan frenadas y caen al fondo del ciclón. El gas asciende en espiral por la parte central del ciclón y sale por la parte superior. Son dispositivos económicos, por no tener en su diseño elementos mecánicos móviles, altamente eficaces para la separación de polvo y partículas de los gases de combustión, de reactores de lecho fluidizado, de regeneración de catalizadores, etc. Figura 5. Ciclón.

Fuente: <http://catmosferica1.wikispaces.com>. [Citado el 19 de septiembre del 2012]

Suelen colocarse varios en serie, de tamaños distintos, para una retención mejor de partículas de distintos tamaños, llamados estos multiciclones.63

63

COSTA LOPEZ, J.; CERVERA MARCH, S.; CUNILL GARCIA, F.; ESPLUGAS VIDAL, S.; MANS TEIXIDÓ, C.; MATA ÁLVAREZ, J. Curso de química técnica: Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte en la ingeniería química. Editorial Reverté S.A. 1991. p. 81-82.

http://catmosferica1.wikispaces.com/

34

Los ciclones pueden operar a altas temperaturas. La temperatura máxima depende del material de construcción del ciclón. Para ciclones construidos en acero al carbono la máxima temperatura de operación es de 800º C. En cuanto a la presión, lo importante es la diferencia de presión a la cual está sometido el ciclón. Si es un ciclón interno, por ejemplo en un lecho fluidizado que opera a altas presiones, la diferencia de presión interna y externa del ciclón es nula, por lo cual no deben tenerse consideraciones de resistencia en su diseño. En cambio si se trata de un ciclón externo que procesa gas sucio a alta presión, tendrá una presión interna mucho mayor que la externa, lo cual deberá tenerse en cuenta en el diseño del mismo. 64 2.1.3 Tambores separadores. En el caso de mezclas vapor-líquido, la mezcla de fases entra al separador y, si existe, choca contra un aditamento interno ubicado en la entrada como se puede observar en la Figura 6, lo cual hace que cambie el momentum de la mezcla, provocando así una separación gruesa de las fases. Seguidamente, en la sección de decantación del separador actúa la fuerza de gravedad sobre el fluido permitiendo que el líquido abandone la fase vapor y caiga hacia el fondo del separador (sección de acumulación del líquido). Esta sección provee del tiempo de retención suficiente para que los equipos aguas abajo pueden operar satisfactoriamente y, si se ha tomado la previsión correspondiente, liberar el líquido de las burbujas de gas atrapadas. Consideraciones iniciales en el diseño de un separador vapor-líquido:

- La energía que posee el fluido al entrar al recipiente debe ser controlada.

- Los flujos de las fases líquida y gaseosa deben estar comprendidos dentro de los límites adecuados que permitan su separación a través de las fuerzas gravitacionales que actúan sobre esos fluidos que establezcan el equilibrio entre las fases líquido-vapor.

- La turbulencia que ocurre en la sección ocupada principalmente por el vapor debe ser minimizada.

- La acumulación de espuma y partículas contaminantes deben ser controladas.

- Las fases líquidas y vapor no deben ponerse en contacto una vez separadas.

- Las regiones del separador donde se puedan acumular sólidos deben en lo posible, estar provistos de facilidades adecuadas para su remoción.

- El equipo será provisto de la instrumentación adecuada para su funcionamiento adecuado y seguro en el marco de la unidad /planta a la que pertenece.65

64

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA. Ciclones. [En línea]. <http://www.ing.unlp.edu.ar/ dquimica/paginas/catedras/iofq809/apuntes/Ciclones.pdf>. [Citado el 18 de septiembre]. 65

PDVSA. Manual de Diseño de Proceso: Separación física en Tambores Separadores. Principios Básicos.

35

Figura 6. Tambores separadores.

Fuente: PDVSA Manual de diseño de proceso.

2.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR

La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor. Cuando se vaporiza una libra de agua o se condensa una libra de vapor, el cambio de energía en los dos procesos es idéntico. La velocidad a la que cualquiera de estos procesos puede hacerse progresar con una fuente o recibidor independiente es, sin embargo, inherentemente muy diferente. Generalmente, la vaporización es un fenómeno mucho más rápido que la condensación.66

En muchas aplicaciones de ingeniería, se presenta el proceso de intercambio de calor entre dos fluidos que están separados por una pared sólida y a diferentes temperaturas. El dispositivo que se utiliza para llevar a cabo este intercambio se denomina intercambiador de calor, y las aplicaciones específicas se pueden encontrar en calefacción de locales y acondicionamiento de aire, producción de potencia, recuperación de calor de desecho y algunos procesamientos químicos.67 2.2.1 Tipos de intercambiadores de calor. Las distintas aplicaciones de la transferencia de calor requieren diferentes tipos de accesorios y configuraciones del equipo para dicha transferencia. El intento de acoplar los accesorios para la transferencia de calor a cada tipo de necesidades, dentro de las restricciones específicas, ha conducido a numerosos tipos de diseños innovadores de intercambiadores de calor.

66

KERN Donald Q. Procesos de transferencia de calor. Compañía editorial continental. México. 1999. p. 13. 67

INCROPERA Frank P; DEWITT David P. Fundamentos de transferencia de calor. Pearson education. 1999. p. 582.

36

Intercambiador de doble tubo. El tipo más simple de intercambiadores de calor consta de dos tubos concéntricos de diámetros diferentes, llamado intercambiador de doble tubo. En un intercambiador de este tipo uno de los fluidos pasa por el tubo más pequeño, y simultáneamente, otro fluido circula por el espacio anular entre los dos tubos. En un intercambiador de calor de tubo doble son posibles dos tipos de disposición del flujo: en el flujo paralelo los dos fluidos, el frío y el caliente, entran al intercambiador por el mismo extremo y se mueven en la misma dirección. Por otra parte, en el contraflujo los fluidos entran en el intercambiador por los extremos opuestos y fluyen en direcciones opuestas.68 En la Figura 7 se hace alusión a este tipo de intercambiadores, donde nos muestra el intercambiador completo y la parte interna de este.

Figura 7 Intercambiador de doble tubo. a) Completo. b) Con corte longitudinal.

a) b)

Fuente: HRS. Intercambiador de calor de doble tubo. [En línea]. <www.hrs-

spiratube.es>. [Citado el 19 de septiembre del 2012]

Intercambiador compacto. Otro tipo de intercambiador de calor, diseñado específicamente para lograr una gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen, es el compacto. La razón entre el área superficial de transferencia de calor de un intercambiador y su volumen se llama densidad de área β. Un intercambiador de calor con β>700m2/m3 (o 200 ft2/ft3) se clasifica como compacto. Los intercambiadores compactos permiten lograr velocidades elevadas de transferencia de calor entre dos fluidos en un volumen pequeño y son de uso común en aplicaciones con limitaciones estrictas con respecto al peso y el volumen de esos aparatos. La gran área superficial en los intercambiadores compactos se obtiene sujetando placas delgadas o aletas corrugadas con poco espacio entre sí a las paredes que separan los dos fluidos. Los intercambiadores compactos son de uso común en la transferencia de calor de gas hacia gas y de gas hacia líquido (o líquido hacia gas), para contrarrestar el bajo coeficiente de transferencia de calor asociado con el flujo de gases mediante una mayor área superficial. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse de manera perpendicular entre sí y a esa configuración de flujo se le

68

CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mc Graw Hill. 1998. p. 668.

37

conoce como flujo cruzado, el cual todavía se clasifica mas como flujo no mezclado o mezclado, dependiendo de su configuración.69

Intercambiadores de cascos y tubos. Quizás el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales, como refinerías y plantas químicas70, sea el de cascos y tubos. Estos intercambiadores de calor contienen un gran número de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco con sus ejes paralelos al de este. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de estos, pasando por el casco. Es común la colocación de desviadores en el casco para forzar al fluido a moverse en dirección transversal a dicho casco con el fin de mejorar la transferencia de calor, y también para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos. A pesar de su extendido uso no son adecuados para utilizarse en automóviles y aviones debido a su peso y tamaño relativamente grandes. Nótese que en un intercambiador de este tipo los tubos se abren hacia ciertas zonas del casco, en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos. Los intercambiadores de casco y tubos se clasifican todavía más según el número de pasos que se realizan por el casco y por los tubos. Por ejemplo, los intercambiadores en los que todos los tubos forman una U en el casco se dice que son de un paso por el casco y dos pasos por los tubos. De modo semejante, a un intercambiador que comprende dos pasos en el casco y cuatro pasos en los tubos se le llama de dos pasos por el casco y cuatro pasos por los tubos.71 Este tipo de intercambiadores posee ciertas ventajas, entre las más importantes:

- Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. - Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. - Es bastante fácil de limpiar y de reparar. - Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con

cualquier aplicación.72 En la Figura 8, se ilustra este tipo de intercambiadores con sus respectivos componentes.

69

CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mc Graw Hill. 1998. p. 668. 70

GONZALEZ MENDIZABAL, Dosinda. Guía de intercambiadores de calor: Tipos generales y aplicaciones. Universidad Simón Bolívar, Departamento de Termodinámica y Fenómenos de trasferencia. 2002. 71

CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mc Graw Hill. 1998. p. 668. 72

GONZALEZ MENDIZABAL, Dosinda. Guía de intercambiadores de calor: Tipos generales y aplicaciones. Universidad Simón Bolívar, Departamento de Termodinámica y Fenómenos de trasferencia. 2002.

38

Figura 8. Intercambiador de tubo y casco

Fuente: REFRIGERACION INDUSTRIAL. Intercambiador de calor de casco y

placas. [En línea]. www.refrigeracionindustrial.com. [Citado el 20 de septiembre del 2012].

Placas y armazón. Un tipo innovador de intercambiador de calor que ha encontrado un amplio uso es el ilustrado en la Figura 9, el cual consta de una serie de placas con pasos corrugados y aplastados por el flujo. Los fluidos caliente y frio fluyen en pasos alternados, de este modo cada corriente de fluido frio queda rodeada por dos corrientes de fluido caliente, lo que da por resultado una transferencia muy eficaz de calor. Asimismo, una ampliación de este tipo de intercambiadores al aumentar la demanda de transferencia de calor se puede lograr con tan solo montar más placas. Resultan muy apropiados para aplicaciones de intercambio de calor de líquido hacia líquido, siempre que la diferencia entre las presiones correspondientes a las corrientes de los fluidos caliente y frío sea casi nula.

Figura 9. Intercambiador de calor de placas

Fuente: TRANTER. [En línea]. <www.TRANTER.com>. [Citado el 18 de septiembre del 2012]

Regenerativo. Este corresponde a otro tipo de intercambiador de calor que se relaciona con el paso alternado de las corrientes de los fluidos caliente y frío a través de la misma área de flujo. El intercambiador regenerativo del tipo estático básicamente es una masa porosa que

39

tiene una gran capacidad de almacenamiento de calor, como la malla de alambre de cerámica. Los fluidos caliente y frío fluyen a través de esta masa porosa de manera alternada. El calor se transfiere del fluido caliente hacia la matriz del regenerador durante el flujo del mismo, y de la matriz hacia el fluido frío durante el paso de este. Por tanto, la matriz sirve como un medio de almacenamiento temporal de calor. El regenerador de tipo dinámico consta de un tambor giratorio y se establece un flujo continuo del fluido caliente y del frío a través de partes diferentes de ese tambor, de modo que diversas partes de este último pasan periódicamente a través de la corriente caliente, almacenando calor, y después a través de la corriente fría, rechazando este calor almacenado. Una vez más, el tambor sirve como el medio de transporte del calor de la corriente del fluido caliente hacia la del frío.73

Torres de enfriamiento. Los equipos y los procesos industriales generan enormes cantidades de calor que deben ser continuamente disipadas si se quiere que esos equipos y procesos operen de manera eficiente. Las torres de enfriamiento permiten el control del proceso de enfriamiento mediante la evaporación controlada, reduciendo así la cantidad de agua consumida (ver Figura 10). Esto se logra cuando a la gota que se pone en contacto con el aire, se le evapora la película exterior, requiriendo para este proceso de absorber calor, el cual se toma de la propia gota, enfriándola consecuentemente. Es decir, el enfriamiento se realiza tanto por calor sensible (diferencia de temperatura entre el aire y el agua) como por calor latente (cambio de estado físico del agua a vapor). El objeto que se persigue en la torre es que la gota este el mayor tiempo posible en contacto con el aire, lo cual se logra con la altura de la misma y además interponiendo obstáculos (el relleno), que la van deteniendo y al mismo tiempo la van fragmentando facilitando más el proceso evaporativo. Al igual que en los intercambiadores naturales, las variaciones meteorológicas afectan la performance de la torre. Las variables meteorológicas cuyo impacto es más importante en el funcionamiento de la torre son la temperatura y la humedad relativa del aire; en menor medida, la presión atmosférica y la velocidad y dirección de los vientos pueden ocasionar efectos notables. La temperatura ambiente y la humedad relativa presentan cambios cíclicos con frecuencia diaria (por el ciclo día-noche) y de frecuencia estacional. El efecto de estas dos variables se condensa en la temperatura de bulbo húmedo, que es la temperatura de equilibrio dinámico que se alcanza en la superficie del

73

CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mc Graw Hill. 1998. p. 668.

40

agua cuando el flujo del calor transferido a la superficie por convección se iguala con el flujo de masa transferida fuera de la superficie74.

Figura 10. Torre de enfriamiento

Fuente: CONSTRUNARIO. [En línea]. <http://www.construnario.com/notiweb/> [Citado el 20 de septiembre del 2012].

2.3 CALDERAS Las calderas tienen una tipología de tipo carcasa-tubos como otros intercambiadores de calor en el que los gases calientes producidos en un proceso de combustión ceden calor a través de la gran superficie de los tubos al agua de alimentación de la caldera que se convierte en vapor. El sistema de combustión está integrado en esta tipología tubular de distintas maneras según la caldera.75 El vapor es una fuente de energía de transporte relativamente fácil a distancias cortas, razón por la cual encuentra numerosas aplicaciones industriales como medio de calefacción y también como fuerza motriz. En una caldera se fijan tres objetivos principales: conseguir un vapor puro, la mayor eficacia energética posible y una operación fiable y segura. Existen distintos tipos de calderas. Atendiendo a su diseño, las podemos clasificar en calderas de tubos de humo o pirotubulares y calderas acuotubulares. Por la forma en que se lleva a cabo su construcción podemos

74

RealTimeService. Sistema de optimización de torres de enfriamiento de agua. [Articulo en línea].< http://www.realtimeservice.com.ar/sp/desarrollos/optimizacion_torres_enfriamiento.pdf> [Citado 9 de septiembre del 2012] 75

ARREGLE Jean. Procesos y tecnología de maquinas y motores térmicos. Universidad Politecnica. Valencia, 2002. p. 170.

http://www.construnario.com/notiweb/

41

hablar de unidades empacadas (diseñadas, construidas y probadas antes de su expedición), y unidades construidas in situ. Figura 11 Caldera pirotubular

Fuente: EMPRESA EFICIENTE. [En línea]. www.empresaeficiente.com. [Citado el 20 de septiembre del 2012]

La selección de un tipo u otro de caldera se hace teniendo en cuenta la capacidad, presión y temperatura de operación, la calidad del agua de alimentación, el combustible, su ubicación y las variaciones de carga que deberá soportar. Las calderas de tubos de humo ilustrada en la Figura 11 tienen su principal aplicación en el intervalo inferior de capacidad y presión. Sus presiones máximas se sitúan según el fabricante, entre los 10 y 15 kg/cm2 de presión, y las capacidades entre 10 y 20 t/h. En general son del tipo empacado, incorporando un hogar interior y varios pasos de tubos por cuyo interior circulan los gases calientes. Como la sección de paso de los gases ha de ser mucho mayor que la del agua, al aumentar su tamaño y presión de trabajo, el incremento de superficie y espesores de las paredes hacen más aconsejable pasar a una construcción acuotubular. Las calderas acuotubulares se prestan mejor a los diseños compactos de alta eficacia y que debido a las altas transferencias especificas de calor tienen mayor tendencia a la corrosión y formación de incrustaciones. Hasta unas 50-100 t/hr de capacidad y 40-60 kg/cm2 de presión, se suele preferir la construcción empacada. Para tamaños superiores suelen construirse en el propio lugar de implantación.76

76

LAPEÑA RIGOLA Miguel. Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Marcombo. Barcelona (España). p. 93.

http://www.empresaeficiente.com/

42

2.4 HORNOS INDUSTRIALES En los últimos tiempos se ha reconocido totalmente la importancia de disponer de hornos adecuados con las instalaciones y dispositivos correspondientes, para el calentamiento y el tratamiento en caliente de los materiales así como su importancia para un desarrollo continuo y económico de la fabricación. Sobre todo ha de tenerse en cuenta que en todos los procedimientos los costes de calentamiento y tratamiento en caliente son bastante considerables. Además es aconsejable un cuidado especial, ya que una gran parte de defectos y por consiguiente desechos, tiene su origen en un calentamiento inadecuado en la conformación en caliente, así como en tratamientos en caliente no apropiados para la conformación en caliente y en frío. Los hornos industriales modernos y las instalaciones de calentamiento que se alimentan mediante aceite mineral, gas o bien eléctricamente, ofrecen un rendimiento térmico bastante favorable, por ejemplo el calentamiento con aceite un 25% aproximadamente, el calentamiento con un gas un 20% aproximadamente y el calentamiento eléctrico un 40 a 80%. Los hornos y las demás instalaciones necesarios para el calentamiento y el tratamiento en caliente se denominan “hornos industriales”. Su característica esencial es el hecho de que en un espacio cerrado por paredes, el local de trabajo, el material está sometido a una aportación energética en forma de calor el tiempo necesario para que se realicen determinados procesos en la masa del material o bien en su superficie. Si no se dispone del local de trabajo, cumpliendo, sin embargo, las mismas condiciones, se trata de una instalación industrial de calentamiento. La transmisión térmica al material se realiza mediante radicación, conducción térmica y transmisión térmica por convección. La transmisión térmica mediante radiación predomina en las zonas de temperatura superiores a 600°C aproximadamente, mientras que, al reducirse las temperaturas, tiene cada vez más efecto la transmisión térmica por convección.77

2.4.1 Hornos con combustibles líquidos y gaseosos. En los combustibles líquidos y gaseosos la energía está condicionada químicamente, se aporta junto con los gases de combustión hacia el material en el horno, mediante combustión en un quemador. Los gases de la combustión entregan su calor mediante radiación o convección. Es importante que las pérdidas se mantengan lo más reducidas posibles. Esto se consigue hoy en día gracias a un diseño apropiado del interior del horno, a la elección de la mampostería adecuada con masas apisonadas, que tengan perdidas a través de la pared lo más pequeñas posible y a quemadores adecuados.

77

BILLIGMANN, J.; FELDMANN, H.D. Estampado y prensado a máquina. Editorial Reverté S.A. Segunda edición. 1979. p. 283.

43

En la elección de los quemadores para un horno determinado, el fabricante se halla, muy a menudo, ante un sinnúmero de tipos, sobre cuyas características, sin embargo, existe muchas veces poca claridad. En muchos casos se pone de relieve la aptitud especial de cualquier tipo de quemador, pero por otra parte uno se puede notar que hornos, construidos para procesos de calentamientos completamente distintos, disponen de los mismos quemadores. La instalación de quemadores no apropiados, sin embargo, puede causar dificultades considerables. Por ejemplo el hecho de que en algunos casos haya quejas motivadas por perdidas de fuego demasiado grandes o bien por una formación excesiva de cascarilla, a pesar de gas sobrante, ha de atribuirse a menudo quemadores no apropiados. Del mismo modo puede explicarse un calentamiento insuficiente o irregular o bien un gasto de gas demasiado elevado.78 2.5 REACTORES QUÍMICOS Una reacción química tiene por objeto distribuir de una forma distinta los átomos de unas moléculas (reactantes) para formar otras nuevas (productos). Los equipos en los que se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan reactores químicos. Su diseño debe realizarse atendiendo a las características de la reacción en cuestión. Más concretamente, condiciones de operación en las cuales la reacción es posible y grado, cinética de la reacción y que fases se encontraran presentes en la reacción. Las funciones principales que deben cumplir los reactores químicos son:

- Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir los reactantes en el interior del aparato, para conseguir la mezcla deseada de las fases presentes.

- Proporcionar el tiempo de contacto suficiente entre las sustancias y el catalizador, para conseguir la conversión deseada de la reacción.

- Permitir las condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámico y cinético de la reacción.

Hay dos tipos básicos de contacto o modelos de flujo que corresponden a los dos grados extremos de mezcla entre los compuestos reaccionantes y productos. Si la mezcla es total en el interior del reactor el modelo de flujo se denomina modelo de mezcla perfecta. En él se considera que el contenido del recipiente está perfectamente homogenizado y a la misma temperatura en todos sus puntos. La materia que se extraiga del recipiente tendrá exactamente las condiciones que hay en el seno de la mezcla. El otro modelo de flujo supone que no hay mezcla en absoluto. Las materias en reacción se mueven por el interior del reactor sin que haya mezcla por difusión ni convección en la dirección del flujo. Dos puntos vecinos de la mezcla en la

78

Ibíd, p. 284.

44

dirección del flujo tienen condiciones distintas. No hay acumulación de materia en ningún punto del sistema. Estas son las condiciones del modelo de flujo en pistón, denominado así porque todo ocurre como si una porción del fluido avanzara por el interior del reactor como movido por un pistón, sin mezclas laterales ni axiales. Los reactores existentes en la realidad están diseñados para que su comportamiento se acerque en lo posible a uno de los dos modelos de flujo descritos, para así poder predecir su comportamiento en la fase de diseño. Los reactores en los que se tiende a conseguir el mayor grado de mezcla posible se denominan reactores tanque agitado. Los reactores que trabajan en condiciones que se aproximan al flujo de pistón son los reactores tubulares. Debe destacarse, de todos modos, que cualquier reactor real presenta características parciales de los dos modelos: es muy difícil evitar las difusiones axiales y radiales en los reactores tubulares, así como evitar las segregaciones y caminos preferentes en los reactores tanque agitado. Además de estos dos tipos básicos de reactor se emplean muchos otros modelos para aplicaciones específicas que detallaran a continuación.79 2.5.1 Tipos principales de reactores químicos

Reactor homogéneo. En los reactores homogéneos existen solo una fase, generalmente un gas o un líquido; si interviene más de un reaccionante ha de conseguirse una mezcla de los mismos para conseguir un todo homogéneo. La mezcla de reaccionantes es, con frecuencia, la forma de iniciar la reacción, si bien, en ocasiones se mezclan los reaccionantes y se llevan después a la temperatura que se desee.80

Reactor heterogéneo. En los reactores heterogéneos están presentes dos, o incluso tres fases, son ejemplos corrientes los sistemas gas-líquido, gas-sólido, líquido-sólido. En aquellos casos en que una de las fases es sólido, este es con frecuencia el catalizador; los reactores catalíticos gas-sólido forman, en particular, una clase importante de sistemas heterogéneos con reacción química. Es importante destacar que en un reactor heterogéneo la reacción química puede ser verdaderamente heterogénea, pero no es necesario que esto suceda. En un reactor catalítico gas-sólido la reacción tiene lugar sobre la superficie del sólido y es, por consiguiente heterogénea, pero no es necesario que esto suceda. En un reactor catalítico gas-sólido la

79

COSTA LOPEZ P; CERVERA MARCH S; CUNILL GARCIA F; ESPLUGAS VIDAL S; MANS TEIXIDO C; MATA ALVAREZ J. Curso de ingeniería química: introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. España. Editorial Reverté 1991. 80 COULSON J. M; RICHARDSON J.F. Ingeniería química: diseño de reactores químicos,

ingeniería de la reacción bioquímica, control y métodos de cálculo con ordenadores. Editorial Reverté, 1984. p. 3.

45

reacción tiene lugar sobre la superficie del sólido y es, por consiguiente, heterogénea; sin embargo, el burbujeo de un gas a través de un líquido puede servir para disolver el gas en el líquido, en el que reacciona de forma homogénea; la reacción es por lo tanto homogénea, pero el reactor es heterogéneo por cuanto es necesario realizar el contacto entre dos fases – gas y líquido. Los reactores heterogéneos presentan generalmente una mayor variedad de configuración y forma de contacto que los reactores homogéneos.81

Reactor tanque agitado. Los reactores tipo tanque agitado son muy comunes en la industria y en el laboratorio, pues permiten trabajar perfectamente de forma continua o discontinua Figura 12, a velocidades de producción pequeñas o medianas, dentro de un muy amplio intervalo de temperatura, a presión elevada, moderada o baja, con o sin reflujo. Un reactor tanque agitado no es más que un recipiente donde permanece una considerable masa de fluido reaccionante. Reactantes y productos pueden añadirse y eliminarse del sistema de forma continua (ver figura 13). Como se mencionó anteriormente, el sistema está perfectamente agitado, para favorecer una buena mezcla del fluido reaccionante. Los tanques agitados se emplean básicamente para reacciones homogéneas entre líquidos.82

Figura 12. Reactor tanque agitado discontinuo Fuente: COULSON J. M; RICHARDSON J.F. Ingeniería química: diseño de

reactores químicos

81

Ibid., p. 4. 82

COSTA LOPEZ P; CERVERA MARCH S; CUNILL GARCIA F; ESPLUGAS VIDAL S; MANS TEIXIDO C; MATA ALVAREZ J. Curso de ingeniería química: introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte. España. Editorial Reverté 1991.

Productos retirados al final de la reacción.

Reaccionantes cargados al comienzo de la reacción.

A B

46

Figura 13. Reactor mezcla completa continuo.

Fuente: COULSON J. M; RICHARDSON J.F. Ingeniería química: diseño de reactores químicos

En cierto modo, al utilizar un reactor continuo tanque agitado, parece un método curioso de llevar a cabo una reacción, ya que tan pronto como se introducen los reaccionantes en el tanque, se mezclan y una parte de los mismos sale del reactor con la corriente de producto. Para disminuir este efecto, a menudo, se emplean un cierto número de tanques agitados en serie, según se indica en la Figura 14.83 Figura 14. Reactores continuos de tanque agitado.


Reactor tubular. En este tipo de reactor (Figura 15) los reaccionantes circulan a través del tubo, de forma que exista el menor grado de mezcla posible entre los reaccionantes que entran al tubo y los productos que salen del tubo.84

83

COULSON J. M; RICHARDSON J.F, Op. Cit., p. 4. 84

Ibid,. p. 4.

A

B

Productos

Reaccionantes

A

B

Productos

Reaccionantes

47

Figura 15. Reactor tubular de flujo.


El reactor tubular se emplea principalmente para reacciones en fase gaseosa. Se presenta en la práctica con una multiplicidad de diseños, según que se requiera la presencia de un catalizador solido o no, según sea la extremicidad de la reacción, y según el tiempo de resistencia requerido. Los principales diseños de reactores tubulares son: - Reactor tubular calentado a fuego directo. Consiste en un simple tubo

que está colocado en el interior de un horno. En el interior del tubo tiene lugar la reacción, que puede ser activada por catalizador colocado en el tubo.

- Reactor tubular de carcasa y tubos. Es análogo al intercambiado de calor del mismo nombre, la reacción se puede llevar a cabo en el interior o exterior de los tubos, circulando por el lado contrario el refrigerante o el calefactor. Los tubos pueden contener catalizador.85

Reactor de lecho fijo. Reactor tipo tubular que consiste en hacer fluir los gases reaccionantes por medio de una masa inerte de partículas catalíticas.

Reactor de lecho móvil, catalítico o no. Un lecho de partículas se mantiene en movimiento del reactor hacia un recipiente anexo en donde se realiza su limpieza y regeneración. Este tipo de reactor es útil en procesos en los que hay un gran desprendimiento de calor o reacciones en las que se forman productos no deseados que ensucien el catalizador, como por ejemplo coque.

Reactor de lecho fluidizado. Es análogo al de lecho móvil, siendo que este se le adecua un caudal de gas capaz de fluidizar el lecho catalítico. Su empleo es cada vez mayor, especialmente en la industria petroquímica.

Los reactores tubulares de lecho fijo o fluidizado suelen tener en muchos casos varios lechos o etapas, con refrigeraciones intermedias, para aumentar el rendimiento de la reacción.86

85

COSTA LOPEZ et al. Op cit. p. 89. 86

Ibíd., p. 89.

Reaccionantes

A

B

Productos

s.

48

2.6 BOMBAS La necesidad de bombear los fluidos surge de la necesidad de transportar estos de un lugar a otro a través de ductos o canales. Los medios comúnmente empleados para lograr flujo en los fluidos son: gravedad, desplazamiento, fuerza centrífuga, fuerza electromagnética, transferencia de cantidad de movimiento (momentum), impulso mecánico, o combinaciones de estos seis medios básicos. Después de la gravedad, el medio más empleado actualmente es la fuerza centrífuga.87 2.6.1 Bomba centrífuga. La bomba centrifuga, como la mostrada en la Figura 16, es el tipo que se utiliza más en la industria química para transferir líquidos de todos los tipos –materias primas, materiales de fabricación y productos acabados-, así como también para los servicios generales de abastecimiento de agua, alimentación a los quemadores, circulación de condensadores, regreso de condensado, etc. Estas bombas están disponibles en una variedad amplia de tamaños. El tamaño y el tipo más adecuado para una aplicación dada solo se pueden determinar mediante un estudio de ingeniería del problema. Figura 16. Bomba centrifuga.

Fuente: CURSOS VIRTUALES DE INGIENIERIA. Bombas centrifugas. [En línea]. http://ploja.tripod.com/prod2.html [Citado el 20 de septiembre del 2012].

Las ventajas primordiales de una bomba centrífuga son la sencillez, el bajo costo inicial, el flujo uniforme (sin pulsaciones), el pequeño espacio necesario para su instalación, los costos bajos de mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su capacidad de adaptación para su empleo con unidad motriz de motor eléctrico o de turbina,88 por esto son las más utilizadas casi en cualquier sistema en el que tenga que moverse o desplazarse.

87

BOMBAS Y COMPRESORES. [En línea]. <http://bombasycompresores.blogspot.com> [Citado el 18 de septiembre del 2012] 88

PERRY Robert H; GREEN Don W; MALONEY James O. Manual del ingeniero químico. Sexta edición. Mc Graw Hill.

http://ploja.tripod.com/prod2.html

49

Una bomba centrífuga, en su forma más simple, consiste en un impulsor que gira dentro de una carcasa. El impulsor consta de cierta cantidad de hojas, ya sea abierta o resguardadas, montadas sobre un árbol o eje que se proyecta al exterior de la carcasa. Los impulsores pueden tener ejes de rotación horizontal o vertical, para adaptarse al trabajo que se vaya a realizar.89 Este tipo de bombas son equipos de velocidad relativamente elevada y generalmente van acopladas directamente al elemento motriz, también pueden ser asociadas mediante poleas y bandas trapezoidales, reductores o multiplicadores de engranes. El líquido que se bombea se presuriza y sale de la bomba venciendo la resistencia que encuentra a su paso.90 2.6.2 Bombas de desplazamiento positivo. Mientras que la carga dinámica total desarrollada por una bomba centrifuga de flujo axial o mixto, se ve determinada exclusivamente para cualquier flujo dado por la velocidad a la que gira, las de desplazamiento positivo (Figura 17) y las que se aproximan al desplazamiento positivo, producirán de manera ideal cualquier carga que se les imponga mediante restricciones al flujo en el lado de la descarga. En realidad, desdeñando las pérdidas, la carga máxima obtenible se ve determinada por la potencia disponible en el mecanismo de propulsión y la resistencia de las piezas de la bomba. Se coloca generalmente en el lado de la descarga de todas las bombas de desplazamiento positivo una válvula automática de alivio que abre cuando se excede la presión normal de trabajo o la presión máxima de descarga. Figura 17. Bomba de desplazamiento positivo.

Fuente: WORLD DISPENS S.A. Bombas. [En línea]. www.worlddispens.com.pe/index. [Citado el 20 de septiembre del 2012].

En general, las eficiencias generales de las bombas de desplazamiento positivo son más elevadas que las de los equipos centrífugos, por que se minimizan las perdidas internas. Por otra parte la flexibilidad de cada unidad para el manejo de una gama amplia de capacidades se ve limitada, hasta cierto punto.91

89

PERRY Robert H; GREEN Don W; MALONEY James O. Manual del ingeniero químico. Sexta edición. Mc Graw Hill. 90

SOTO CRUZ, Juan José. Fundamentos sobre Ahorro de energía. Universidad Autónoma de Yucatán. 1996. Pág. 3.1. 91

PERRY Robert H; GREEN Don W; MALONEY James O. Manual del ingeniero químico. Sexta edición. Mc Graw Hill.

http://www.worlddispens.com.pe/index

50

Las características de operación de las bombas de desplazamiento positivo las hacen muy útiles en el majo de fluidos tales como el agua, aceites hidráulicos en sistemas de alimentación de fluidos, químicos, pinturas, gasolinas, grasas, adhesivos y en algunos productos alimenticios. Puesto que la entrega es proporcional a la velocidad de rotación del motor, estas bombas pueden utilizarse para medición. Algunas desventajas de ciertos diseños incluyen la salida pulsante, susceptibilidad al daño causado por sólidos y abrasivos, y la necesidad de tener una válvula de alivio. En general, son utilizadas en aplicaciones de alta presión que requieren una entrega relativamente constante.92 Por las anteriores exigencias de este tipo de bombas, para su correcto funcionamiento, hacen que estas sean de costos elevados. 2.7 COMPRESORES

Al proceso mediante el cual se eleva la presión de un fluido gaseoso por una disminución de su volumen específico se le conoce como compresión, el cual consiste en un proceso de flujo, donde el fluido se comprime y se desplaza. Los dos parámetros que caracterizan a la compresión son el caudal V transportado y la relación de compresión p2/p1, siendo p2 la presión de descarga y p1 la de aspiración. Los fluidos pueden ser de naturaleza diversa, como; gas puro, mezcla de gases, vapor recalentado o saturado, mezcla de gases y vapores, etc. Las máquinas térmicas generadoras en las que tienen lugar los procesos de compresión se denominan compresores, cuando la relación de compresión es menor que 1,5, se les conoce como soplantes. Los compresores se dividen en dos grandes grupos: los volumétricos o de desplazamiento positivo, y los dinámicos o turbocompresores. En los compresores volumétricos existe una masa bien definida de fluido delimitada por la geometría del compresor, a diferencia de los dinámicos, en los cuales la masa no está definida y la compresión se produce mediante frenado, el incremento de la presión se efectúa por medio de un rodete.93

92

MOTT, Robert L. Mecánica de Fluidos Aplicada. Prentice Hall. 1996. Pág. 418. 93

ARREGLE, J., BROATCH, J. A., LUJAN, J. M. PAYRI, R., TORREGROSA A. J., SERRANO, J. R., PASTOR, J. V., GALINDO, J. Procesos y tecnología de maquinas y motores térmicos. Universidad politécnica de Valencia, 2002. 399p.

51

3. DISEÑO DE PLANTAS

El diseño consiste en la selección dentro de una gran cantidad de posibilidades de aquellas que, basándose en un criterio predeterminado, cumplan con los objetivos deseados. Para llevar a cabo estos objetivos es necesario seguir ciertos parámetros o normas útiles para una correcta realización de dicho diseño. Estos parámetros se tienen en cuenta para la elaboración de la ingeniería conceptual, ingeniería básica e ingeniería detallada, las cuales implican el diseño de equipos y procesos que, al seguir estos estándares, sirven como guía para esta labor. Para el diseño de equipos específicos o bien para la resolución de balances de materia y energía, por lo general, es suficiente aplicar procedimientos analíticos o numéricos apropiados para la resolución de sistemas de ecuaciones, ya sean algebraicas o diferenciales.94 Pero el diseño de procesos implica el definir las entradas y salidas del sistema, en este caso, las características de las materias primas y productos deseados para luego establecer la estructura del proceso que se requiere para llevar a cabo la transformación deseada.95 3.1 CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO GLOBAL El desarrollo del proyecto de diseño global implica muchas consideraciones de diseño diferentes. El no tener en cuenta estas consideraciones puede, en muchos casos, alterar la situación económica y la rentabilidad de la empresa. Algunos de los factores que requieren una atención especial en el desarrollo de un proceso o planta son los relacionados con la protección del medio ambiente, la seguridad industrial y la salud del personal de la planta y el público. Otros factores que afectan directamente la rentabilidad de un proceso de diseño son: la ubicación, diseño, operación y el control de la planta, los requisitos de utilidad, diseño estructural, el almacenamiento y la construcción, manejo de materiales y las consideraciones de patentes.96 3.2 PROCESO DE DESARROLLO DE DISEÑO El diseño es una actividad creativa, y como tal puede ser uno de las actividades más gratificantes y satisfactorias desarrolladas por un ingeniero. El diseño no existe en el inicio del proyecto. El diseñador comienza con un objetivo

94

SCENNA, Nicolás; BENZ, Sonia J. Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos. 1999. Capitulo 2, Pág. 29. 95

JIMENEZ GUTIERREZ, Arturo. Diseño de Procesos en Ingeniería Química. Ed. Reverté S.A. 2003 y Reverté Ediciones 2003. Celaya, Guanajuato, México. Pág. 130. 96 PETERS, Max S.; TIMMERHAUS, Klaus D.; WEST, Ronald E. Plant Design and Economics

for Chemical Engineers. McGraw-Hill. 5ta

Edición, 2003. 988p.

52

específico que lo lleva al desarrollo y evaluación de posibles diseños, llegando a la mejor manera de alcanzar dicho objetivo, ya sea este el mejoramiento de un proceso ya existente o un nuevo producto químico o proceso de producción.97 Un objetivo de diseño puede estar originado a partir de una petición del cliente, o en la búsqueda de una especificación en el producto para que este sobresalga en el mercado. Un estudio general de las posibilidades de diseño de un proceso exitoso se fundamenta en el análisis de las operaciones físicas y químicas involucradas, así como los aspectos económicos. Luego viene la fase de investigación del proceso, incluyendo estudios de mercado preliminares, los experimentos a escala de laboratorio, y la producción de las muestras de investigación del producto final. Cuando las potencialidades del proceso están muy bien establecidas para cumplir con los objetivos económicos de la empresa, el proyecto está listo para la fase de desarrollo.98 Los datos de diseño e información de un proceso nuevo se obtienen durante la fase de desarrollo. Esta información se utiliza como base para llevar a cabo la siguiente fase del proyecto de diseño. Adicionalmente se desarrolla un análisis de mercado total, y las muestras del producto final se envían a los clientes potenciales para determinar si el producto es satisfactorio y si existe un gran potencial de ventas. Se establecen las estimaciones de costos del proyecto. Se determina el tiempo de retorno de la inversión a realizar, y un análisis completo de costos y beneficios del proceso desarrollado. Si el análisis económico es satisfactorio, la fase del diseño final está lista para comenzar. Todos los detalles de diseño se elaboran en esta fase incluyen controles, servicios, diseños de tuberías, cotizaciones firmes de precios, especificaciones y diseños de las piezas individuales de equipo, y toda la información que sea necesaria para el diseño de la construcción de la planta final. Un diseño de la construcción completa se hace entonces con dibujos de alzados, arreglos de plantas de diseño y otra información necesaria para la construcción real de la planta, la puesta en marcha de la planta, la mejora general de la operación y el desarrollo de procedimientos operativos estándar para proporcionar los mejores resultados posibles.99 El análisis económico del producto o proceso también se puede utilizar para optimizar el diseño. Cada diseño tendrá varias alternativas de arreglo de los equipos que tienen sentido económico bajo ciertas condiciones. Por ejemplo, el grado de recuperación de calor de proceso es una solución de compromiso entre el coste de la energía y el costo de los intercambiadores de calor (normalmente se expresa como un costo de área de intercambio de calor). En

97

TOWLER, G., SINNOT, R., Chemical engineering design principles, practices and economics of and plant process design. Estados Unidos: Elsevier. 2008. 1320p. 98

PETERS et al. Op cit. p. 3. 99

Ibid, p. 3.

53

las regiones donde los costes energéticos son altos, los diseños atractivos son los que utilizan una mayor superficie de intercambio de calor para maximizar la recuperación de calor de desecho para su reutilización en la proceso.100 3.3 DISEÑO DE UN PROCESO Después de una revisión cuidadosa de la necesidad de la sociedad o de la ingeniería y de la literatura disponible se plantean una o más soluciones prácticas, y es aquí donde el ingeniero de diseño a menudo se encuentra con un problema importante, esta parte del proceso de diseño implica la síntesis de diversas configuraciones de las operaciones de tratamiento que permita obtener productos de una manera fiable, seguro y económico con un alto rendimiento y un mínimo de subproductos o residuos. En el pasado esta actividad creativa se realizó normalmente a partir de la experiencia adquirida en situaciones similares de procesamiento y el uso de heurísticas o reglas del pulgar. Sin embargo, este abordaje ha cambiado calificadores dramáticamente en las últimas dos décadas como estrategias de síntesis se han vuelto más cuantitativa y científica con el uso de análisis y programación matemática ayudada por el uso de los ordenadores modernos. En el proceso de síntesis de un diagrama de flujo de las operaciones del proceso para convertir materias primas a los productos deseados, el ingeniero de diseño primero debe seleccionar el modo de procesamiento: ya sea por lotes o continuo. Esto es seguido por una revisión de las principales operaciones necesarias para obtener el producto deseado y luego ensamblar configuraciones diferentes de estas operaciones del proceso. Una vez que el modo de funcionamiento se determina, el ingeniero de diseño debe establecer un número de especificaciones que pueden definir la condición de estado de la materia prima y del producto, tales como la velocidad de flujo requerida para el producto, la cual es el principal interés y se establece por medio de un análisis de mercado. Esta determinara la velocidad de flujo de las materias primas. Después de que las tasas de flujo han sido establecidas, la composición, la fase, las temperaturas y presiones de cada materia prima y la corriente de producto. Aunque pueden ser necesarias otras especificaciones, las especificaciones mencionadas son suficientes para establecer la condición tanto de las materias primas y los productos. El siguiente paso en el proceso de diseño implica la selección de las operaciones unitarias para convertir la materia prima a productos. Las operaciones básicas de transformación que figuran a continuación Tabla 2 se

100

TOWLER, G., SINNOT, R. Op cit. p. 7.

54

utilizan para eliminar las diferencias de propiedad entre las corrientes de entrada y de salida.101 Tabla 2. Operaciones básicas de transformación.

PROCESO OPERACIÓN BASICA

Cambio molecular Reacción química

Cambio en la composición Separación de mezclas

Eliminación de una fase Separación de fase

Diferencia de temperatura Cambio de temperatura

Diferencia de la presión Cambio en la presión

Diferencia de fase Cambio de fase

Cambio en la distribución Mezclado de corrientes

Fuente: PETERS, Max S.; TIMMERHAUS, Klaus D.; WEST, Ronald E. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. McGraw-Hill. 5

ta Edición, 2003.

Es evidente que el uso de cualquier operación de proceso en una corriente de proceso tendrá el efecto de reducir o eliminar una o más de las diferencias de propiedades entre las materias primas y el producto. Como cada operación de proceso se introduce en el diagrama de flujo de proceso, las operaciones se insertan con el objetivo de reducir las diferencias en la estructura molecular, composición, fase, temperatura, presión, etc, de las corrientes resultantes hasta que la corriente de proceso sea idéntica al producto deseado. Tenga en cuenta que a medida que avanza el proceso de síntesis, se generan muchas alternativas que deben ser considerados en la aplicación de cada paso. Muchas de estas alternativas no pueden ser rechazadas antes de proceder al siguiente paso. Como resultado, cada paso genera diagramas de flujo de proceso adicionales. Un proceso complejo que puede convertirse en un problema combinatorio enorme. Obviamente, son necesarias medidas para eliminar las alternativas menos rentables tan pronto como sea posible. Muy a menudo el paso de creación de proceso, después de la eliminación de los procesos menos rentables, todavía proporciona varios diagramas de flujo de procesamiento completamente diferentes para la fabricación del mismo producto. Estos procesos deben ser comparados con el fin de seleccionar el que mejor se adapte a las condiciones existentes. Esta comparación ciertamente se puede lograr mediante el desarrollo de diseños completos para cada proceso. En muchos casos, sin embargo, todos menos uno o dos de los posibles procesos pueden ser eliminados por una comparación de las variables principales. Los aspectos mencionados en la Tabla 3 deben ser considerados en una comparación de este tipo:

101

RUDD D. F., POWERS G. J., and SIIROLA J. J. Process Synthesis, J. Wiley, New York, 1973.

55

Tabla 3 Principales aspectos de diseño.

FACTORES TÉCNICOS

- Flexibilidad del proceso. - Continuos, semicontinuos o por

lotes. - Controles especiales. - Rendimientos comerciales - Dificultades técnicas - Requerimientos de energía - Posibilidad de ampliación - Riesgos para la salud y la

seguridad.

MATERIAS PRIMAS

- Disponibilidad actual y futura. - Requisitos de almacenamiento. - Materiales.

LOS PRODUCTOS DE DESECHO Y SUBPRODUCTOS

- Cantidad producida - Valor - Mercados potenciales y los

usos - Manera de descarte - Aspectos medioambientales

EQUIPO

- Disponibilidad - Los materiales de construcción - Costos iniciales - Mantenimiento y costes de

instalación - Requisitos de reemplazo - Diseños especiales

UBICACIÓN DE LA PLANTA

- Superficie total requerida - Facilidades de transportación - Proximidad a los mercados y

fuentes de materias primas - Disponibilidad del servicio y las

instalaciones de energía

CONSIDERACIONES SOBRE EL PROCESO

- Tecnología disponible. - Materias primas comunes con

otros procesos. - Consistencia del producto

dentro de la compañía. - Objetivos generales de la

empresa.


ta Edición, 2003.

56

3.4 ETAPAS DEL DISEÑO DE PROCESOS 3.4.1 Ingeniería conceptual. La ingeniería conceptual contiene los diseños preliminares, los cuales son base para plantear un proceso y justificar por medio de este el desarrollo del proyecto. El diseño se basa en aproximaciones de los métodos del proceso y estimaciones de costos. No se caracteriza por contener especificaciones detalladas, son pocos los detalles que se deben incluir, y el tiempo empleado en los cálculos es mínimo.102 La Ingeniería conceptual es aquella etapa en la cual se emprende la definición inicial del alcance y objetivos del anteproyecto.

El punto de partida de ingeniería conceptual son los estudios de pre inversión (perfil, pre factibilidad y factibilidad) que en alguna forma define la profundidad de la decisión técnica del proyecto. No obstante, una vez que se ha tomado la decisión de ejecutar el proyecto, el gerente encargado nombrado por los propietarios deberá revisar las propuestas tecnológicas y ponderarlas en forma tal que le permita escoger el modelo que mejor responda a su compromiso. Comienza entonces la planeación de la ejecución donde la ingeniería conceptual se desarrolla y profundiza dando respuestas válidas en términos de costos, tiempos y calidad. Durante la ingeniería conceptual se fija el costo mínimo del proyecto y se señala el camino para las actividades subsiguientes de adquisición y construcción.

En esta parte de diseño se definen y toman decisiones respecto a:

- Fuente de tecnología a ser utilizada. - Múltiples sistemas (mecánica, eléctrica, de mantenimiento, proceso,

etc.) - Especificaciones detalladas subsiguientes que comprometen diferentes

sistemas. - Tamaño de la planta y previsiones para futuras expansiones. - Sitio y distribución de las instalaciones en el terreno, y distribución de

planta. - La forma como se llevará a cabo la construcción y la secuencia entre las

diferentes actividades.103 Un importante paso en la preparación de una ingeniería preliminar o conceptual es la preparación de un informe que presente los resultados del trabajo de diseño, ya que este es el medio de comunicación entre los ingenieros de diseño y la gerencia. Desafortunadamente, a esta fase del trabajo de diseño frecuentemente se le presta muy poca atención por parte de los ingenieros químicos, y como consecuencia, cálculos e ideas presentados son descartados aun cuando son excelentes. En pocas palabras la principal función de un

102

PETERS et al. Op cit. p. 74 103

MIRANDA MIRANDA, Juan José. El Desafío de la Gerencia de Proyectos: Alcance-Tiempo-Presupuesto-Calidad. MM editores. Bogotá 2004. Pág. 279.

57

diseño preliminar es eliminar proyectos indeseables para evitar pérdidas de dinero y tiempo y solicitar la aprobación económica del proyecto.104 3.4.2 Ingeniería básica. La ingeniería básica es aquella en la que se define el alcance y el contenido de la información que el consultor y/o Contratista de un proyecto, planta o unidad debe suministrar a la empresa.105 El diseño preliminar y el trabajo de diseño asociado proporcionan la información necesaria y suficiente para una estimación de diseño detallado. Los siguientes factores deben establecerse antes de que se desarrolle un presupuesto detallado del diseño:

- Proceso de fabricación - balances de materia y energía - Rangos de presión y temperatura - Materias primas y especificaciones del producto - Rendimiento, velocidad de reacción - Materiales de construcción - Utilidades requisitos - Ubicación de la planta106

Esta ingeniería define en forma definitiva los criterios tecnológicos de diseño; elabora la diagramación general del proyecto y define los flujos de proceso; entrega especificaciones técnicas detalladas de los equipos, maquinaria y herramientas con fines de cotización, fabricación y compra; verifica los presupuestos de costos directos del proyecto; revisa la cronología de la ejecución del proyecto; participa en la junta de contratación y compras y adelanta el análisis técnico de las propuestas recibidas.107 Cuando la información anterior está incluida en el diseño, el resultado permite la estimación precisa de la inversión de capital requerida, los costos de fabricación, y los beneficios potenciales. Se debe considerar a los tipos de construcción, calefacción, ventilación, iluminación, electricidad, drenaje, eliminación de residuos, instalaciones de seguridad e instrumentación.108

3.4.3 Ingeniería detallada. Es el desarrollo de las especificaciones básicas, de los equipos, instrumentos y elementos que conforman una unidad, planta o proyecto, interpretando y traduciendo a un lenguaje pormenorizado como planos, documentos y listados, las características que son materia de la Ingeniería Civil, Ing. Mecánica, Ing. Eléctrica, Ing. Química, Instrumentación, Arquitectura y otros.

104


MIRANDA MIRANDA, Juan José. Op cit. p. 278. 106



PETERS et al. Op cit. p. 76

58

Por lo anterior, a la ingeniería de detalle o detallada le corresponde específicamente:

- Determinar las especificaciones técnicas definitivas con la elaboración de planos, gráficos, diagramas y maquetas con todo el respaldo documentario.

- Diseño y dimensionamiento de las obras principales y complementarias (campamentos, planta de producción y construcciones administrativas, vías de acceso, acometidas de servicios, zonas de conservación, expansión y recreación, cerramientos, bodegas, parqueaderos, procesos de eliminación de desechos sólidos, líquidos, gaseosos, etc.).

- Distribución de construcciones en el terreno y asignación de planta para equipos, maquinaria y mobiliario.

- Definición de términos de referencia y bases de licitación para la contratación de servicios de ingeniería civil, eléctrica, sanitaria, mecánica, de sistemas, etc.

- Revisión de los planos generales y de detalle propuestos por las firmas que atienden las diferentes especialidades durante la construcción y el montaje.

- Revisión de los planos de fabricación y montaje propuestos por los proveedores de equipos y maquinarias.

- Determinar con el equipo de gerencia la programación de detalles de ejecución del proyecto, teniendo en cuenta las actividades desarrolladas por los diferentes contratistas acorde con los compromisos contractuales.

- Revisión de los planes de compra.109 3.5 DIAGRAMAS DE FLUJO El diagrama de flujo es el documento clave en el diseño del proceso. En este documento se muestra la disposición de los equipos seleccionados para llevar a cabo el proceso, las conexiones de corriente, las tasas de flujo, las composiciones y las condiciones de funcionamiento. El diagrama de flujo se elabora a partir de los balances de materia obtenidos durante el proceso y cada operación unitaria. El balance de energía también se hace para determinar los flujos de energía y los requerimientos de servicios industriales.110 3.5.1 Diagramas de flujo del proceso (PFD). Un diagrama de flujo cualitativo indica el flujo de material, operaciones unitarias implicadas, equipo necesario, y la información especial sobre las temperaturas y presiones en el punto de operación (ver Figura 18). Un diagrama de flujo cuantitativo muestra las cantidades de materiales necesarios para la operación del proceso. Diagramas

109


TOWLER, G., SINNOT, R., Chemical engineering design principles, practices and economics of and plant process design. Estados Unidos: Elsevier. 2008. p. 154.

59

de flujo preliminares se realizan durante las primeras etapas del proyecto de diseño. A medida que el diseño se acerca a la terminación, los diagramas de flujo se preparan detalladamente con información sobre las cantidades de flujo y las especificaciones de los equipos. Este tipo de diagrama de flujo mostró el patrón cualitativo y sirve como una referencia de base para proporcionar las especificaciones del equipo, datos cuantitativos, y cálculos de la muestra. Figura 18. Diagrama de flujo de proceso de una refinería de gas natural.


ta Edición, 2003.

Cuando se tenga establecido el diagrama de flujo general y de equipo, con la ayuda de software de ordenadores, se puede realizar un modelado más completo del proceso químico que se está diseñando. Estos modelos son aproximados para el proceso químico real que incluyen todas las operaciones unitarias principales, todo el equipo necesario auxiliar tal como bombas y compresores, y todos los flujos de materiales y energía.111 3.5.2 Diagrama de tuberías e instrumentos (P&IDs). Mientras PFD es una representación cuantitativa del proceso, presentación secuencial de flujo, tuberías con instrumentación y controles que son necesarios para el buen funcionamiento del proceso se dan en un diagrama P&I. Por lo tanto, se puede decir que P&ID es un ilustración esquemática de la relación de los componentes del equipo de tuberías, instrumentación y sistema. Muestra todas

111

PETERS et al. Op cit. p. 77

60

las tuberías que incluye la secuencia física de las ramas, accesorios, equipos, instrumentos y dispositivos de bloqueo de control. Las plantas modernas tienen un amplio control e instrumentación con el fin de requerir atención mínima del operador. Además del control de las variables de las plantas, estas plantas dan una mejor productividad en términos de rendimiento y calidad. Además, se requiere menos mano de obra para operar la planta con una mayor seguridad. Los ingenieros de procesos deben estar involucrados en la elaboración de estos diagramas.112 Figura 19. P&ID de un sistema comercial integrado de calefacción.


ta Edición, 2003.

3.5.3 Diagrama de bloques. Un diagrama de bloques es la forma más simple de presentación. Cada bloque puede representar un equipo o una etapa completa en el proceso. Ellos son útiles para mostrar procesos sencillos. Con procesos complejos, su uso está limitado a que muestra el proceso general, descompuesto en sus etapas principales. Diagramas de bloques que son útiles para la representación de un proceso en una forma simplificada en los informes, libros de texto y presentaciones, pero tiene un uso limitado, como documentos de ingeniería. Los caudales de flujo y las composiciones se pueden mostrar en el diagrama adyacente a las líneas de

112

THAKORE, S. B., BHATT, B. I. Introdution to process engineering and design. Mac Graw Hill. 54p.

61

corriente, cuando sólo una pequeña cantidad de información debe ser mostrada, o tabulada por separado.113 3.6 DISEÑO DE EQUIPOS Y ESPECIFICACIONES

El objetivo del ingeniero químico en el diseño de la planta es desarrollar y presentar un proceso químico completo que puede funcionar de manera eficaz a escala industrial. Esta es precisamente lo fascinante de un diseño de planta y es combinar muchas unidades separadas o piezas de equipo en una planta que funcione perfectamente.114 Se podría asemejar a un rompecabezas en donde se tienen varias piezas, el objetivo es unirlas de tal manera que se observe una figura, cuando hablamos de un diseño las piezas son los equipos disponibles a nivel comercial, el diseño les asignan posiciones en el proceso y especificaciones y su objetivo en conjunto es cumplir con los requerimientos y en algunos casos obtener un producto comercial. La parte del ingeniero químico en el diseño de equipos, normalmente se limita a la selección y dimensionamiento del equipo. Por ejemplo, en el diseño de una columna de destilación, el ingeniero de diseño típicamente determinará el número de platos, el tipo y diseño de los platos, diámetro de la columna, y la posición de la corriente de entrada y salida, y la de las boquillas para los instrumentos. Esta información es entonces resumida en forma de bocetos y Data sheets para el grupo o equipo especialista en diseño mecánico para el diseño detallado.115 3.6.1 Data sheets y especificaciones. Las Data sheets se utilizan para capturar procesos, mecánica, eléctrica, y los requisitos de control para equipos e instrumentos. Las Data sheets incorporan información acerca de los componentes seleccionados, por lo general con la participación de los proveedores después de la compra. Hojas de datos preliminares se publican a menudo a los proveedores para obtener cotizaciones.116 Las Data sheets deben contener la siguiente información sobre el equipo: Identificación, función, Operación, Materiales, Información básica de diseño, Controles, requisitos de aislamiento, tolerancias permitidas e información especial y detalles específicos del equipo en cuestión. Antes de que se contacte a un fabricante, el ingeniero debe evaluar las necesidades de diseño y preparar una Data sheets preliminares para el equipo. Esta Data sheet puede ser utilizada por el ingeniero como una base para la preparación de las especificaciones finales, o puede ser enviada ahora si a un

113

TOWLER, G., SINNOT, R. Op cit. p. 155. 114



HALL, S. Rules of thumb for Chemical engineers. Butterworth-Heinemann. 5ta

Edición. 2012. p. 291.

62

fabricante con una petición de sugerencias e información de fabricación. En la Figura 20 se muestra un modelos de Data sheet para Bomba Centrífuga. Figura 20. Data Sheet de Bomba centrifuga.

Fuente: BRANAN, C. Rules of thumb for Chemical engineers. Butterworth-Heinemann.

A nivel comercial, se manejan estándares de los equipos, es decir el fabricante no elabora equipos en todas las medidas sino que lo hace con unas ya establecidas. Una recomendación para el diseño de equipos consiste en seleccionar el equipo estándar que más se asemeje al calculado. El fabricante

63

por lo general puede indicar un precio inferior y dar mejores garantías para el equipo estándar que para los equipos especiales.117 3.7 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Muchos factores tienen que ser considerados al seleccionar los materiales de ingeniería, para la planta de proceso químico, las consideraciones primordiales son generalmente resistencia a temperaturas elevadas, corrosión, erosión, facilidad de fabricación, bajos costos, entre otros. El diseñador de proceso será la persona responsable de recomendar materiales adecuados para las condiciones de operación.118 Si hay alguna duda sobre los materiales adecuados para la construcción del equipo, se debe hacer una revisión bibliográfica, o deben desarrollarse pruebas de laboratorio en condiciones similares a las condiciones de funcionamiento. Los resultados de las pruebas de laboratorio indican la resistencia a la corrosión y también los efectos sobre el producto, causados por el contacto con el material particular.119 3.8 INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE PROCESOS Para medir la variable de proceso en la industria química se utilizan instrumentos. Algunas de las variables son temperatura, presión, densidad, viscosidad, calor específico, conductividad, pH, humedad, punto de rocío, nivel de líquido, tasa de flujo, composición química, y contenido de humedad. Mediante el uso de instrumentos con distintos grados de complejidad, se puede realizar un registro de los valores de estas variables y controlar, de tal manera que se mantenga dentro de los límites. El control automático es la tendencia en la industria química, y los ahorros resultantes en el trabajo combinado con una mayor facilidad y eficiencia de las operaciones han compensado con creces el gasto adicional para la instrumentación, en algunos casos el control se consigue mediante el uso de ordenadores de alta velocidad, convirtiéndose estos en una herramienta vital para el control.120 La automatización de los procesos incrementa la productividad en la medida que se haga un uso óptimo de los equipos y sistemas asociados. Actualmente, la disposición de tecnología avanzada permite establecer una serie de estrategias de control que eran de difícil implementación en complejos procesos industriales hace algunos años atrás.

117 PETERS et al. Op cit. p. 84. 118


PETERS et al. Op cit. p. 86. 120

PETERS et al. Op cit. p. 57.

64

Controlar un proceso consiste en garantizar que los valores de una variable del proceso se mantengan dentro de un rango preestablecido que garantice un óptimo rendimiento del proceso en cuestión. Ese rango al cual se hace alusión, es determinado por el ingeniero de proceso y está relacionado con el proceso (aspecto termodinámico), comportamiento del proceso, y con el equipo (Condiciones máximas a las cuales puede estar sometido). El control inicia desde que se toma el valor de una variable de proceso (Sensor) que se debe controlar, luego esta variable es comparada (Controlador) con el valor en el cual se debe mantener (valor de referencia o set point), para luego emitir una señal de error que va a un elemento del sistema (Elemento final de control) que ejerce una acción tal que estabiliza la variable a su punto de referencia. Las variables más controladas en la refinación del petróleo son: Presión, Temperatura, Concentración, Nivel y flujo. 3.9 OPERACIÓN CONTINUA VS OPERACIÓN POR LOTES En general, el procesamiento continuo es el modo preferido de operación utilizado en la producción de productos químicos básicos, productos del petróleo, plásticos, papel, solventes, etc, debido a los costos laborales reducidos, control de proceso mejorado, y la calidad del producto más uniforme. Sin embargo, procesos por lotes y semicontinuos se utilizan a menudo cuando las tasas de producción son pequeñas, tales como en la fabricación de productos químicos especiales, productos farmacéuticos y materiales electrónicos, o cuando la demanda de producto es intermitente. La elección entre continuos o por lotes, así como el procesamiento semicontinuos se hace comúnmente muy temprano en la etapa de síntesis del proceso. Normalmente, el procesamiento continuo a menos que se asume un análisis cualitativo indica que el procesamiento por lotes o semicontinuos proporciona un mejor modo de operación. Además en el caso de baja demanda o intermitente, el ingeniero de diseño puede optar por lotes y semicontinuos operación cuando el proceso comprende productos químicos peligrosos o tóxicos o cuando la seguridad del proceso es una preocupación importante.

65

4. HEURÍSTICAS PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS DE PROCESO El uso de heurísticas o reglas generales en el diseño de procesos es una herramienta valiosa no sólo en la selección de los tipos de equipos apropiados para realizar una función específica sino también en el establecimiento de valores razonables para muchas de las variables asociadas con la operación del proceso. 4.1 COMPRESORES Y VENTILADORES 4.1.1 Compresores. El diseño y operación de compresores es muy similar al de las bombas. Teniendo en cuenta de que los compresores son utilizados para mover fluidos compresibles y las bombas para fluidos incompresibles, es decir líquidos. Para la exploración de pozos de petróleo se utilizan con mayor frecuencia los compresores de desplazamiento positivo.121 Estos equipos son útiles para trabajos a altas presiones, y pueden operar entre 0,2 a 400 MPa. La temperatura de salida para la compresión de gases diatómicos no debe exceder los 200 °C. En unidades de múltiples etapas, la relación de compresión debe ser aproximadamente la misma en cada etapa.122 En la compresión por etapas se emplea normalmente cuando la relación de compresión es mayor que 4 para evitar temperaturas excesivas. Los compresores de émbolo trabajan con eficiencia de aproximadamente 70% a una relación de compresión de 1,5, con 80% a una relación de 2, y entre 80 y 85% a una relación entre 3 y 5. Los compresores centrífugos de gran tamaño, de 3 a 50 m3/s en la succión, operan a eficiencias entre 75 a 80%. En cambio los compresores rotativos tienen una eficiencia del 70%, con excepción de los tipos del trazador de líneas líquido que tienen eficiencias de alrededor de 50%.123 Para aplicaciones de relaciones elevadas de presión, no se puede realizar la tarea en una sola carcasa de la compresora. Por lo general, una carcasa contendrá no más de alrededor de 8 etapas.

121

LYONS, Williams C. PLISGA, Gary J. Standard handbook of petroleum & natural gas engineering. Elsevier, segunda edición, 2005. p. 3-48, 3-49. 122 MARQUEZ R., Fernando. Síntesis de procesos químicos. Departamento de ingeniería

química Universidad de concepción, 2003. 123

PETERS, Max S.; TIMMERHAUS, Klaus D.; WEST, Ronald E. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. McGraw-Hill. 5

ta edición, 2003. p. 966-967.

66

4.1.2 Ventiladores.

- Los ventiladores funcionan cerca de la presión atmosférica con caídas de presión generalmente menor que 15 kPa. Eficiencias varían de 60 a 80%. Las caídas de presión en los sopladores normalmente no exceden los 300 kPa. Eficiencias de 70 a 85 por ciento.124

4.2 TORRES DE DESTILACIÓN Y DE ABSORCIÓN DE GAS Generalmente, la destilación es el método más económico para la separación de líquidos, superior a la extracción, adsorción, cristalización, u otros. La presión de operación de la torre se determina a menudo por la temperatura del medio de condensación disponible la cual puede estar entre 30 a 48 ° C si se enfría a través de agua o por la temperatura del calderín máxima permitida. La secuenciación de columnas para la separación de mezclas multicomponentes se basa en las siguientes heurísticas:

- Primero, realizar la separación más fácil, es decir, la que requiere de

menos platos y reflujo, y dejar las separaciones más difíciles de último.

- En caso de que la volatilidad relativa ni la concentración en la alimentación varían ampliamente, se debe eliminar uno a uno los componentes como productos de cabeza.

- Cuando los componentes adyacentes ordenados en la alimentación

varían ampliamente de acuerdo a la volatilidad relativa, la secuencia de separación se lleva a cabo en orden decreciente de volatilidad.

- Cuando las concentraciones de la alimentación varían ampliamente,

pero las volatilidades relativas no, se eliminan los componentes en orden decreciente de concentración en la alimentación.125

- Las impurezas contenidas en una mezcla tienen baja volatilidad, por lo

que a menudo son referidas en la práctica como “pesado”, esto en parte se debe a su tendencia a salir por los fondos de la columna. Es decir, los destilados son más puros que los fondos. Si el producto deseado puede obtenerse alternativamente por secuencias que lo producen como destilado o como fondo, es conveniente preferir la secuencia que lo produce como destilado.126

124

Ibíd. p. 966. 125

Ibíd. p. 967. 126

Rudd, D. F., G. J. Powers, J. J. Siirola, Process Synthesis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ (1973).

67

- Las secuencias que separan los componentes uno por uno en el destilado se conocen como secuencias directas. A su vez, las secuencias que separan los componentes uno por uno por los fondos se conocen como secuencias indirectas. Las secuencias directas han sido muy usadas industrialmente, y la amplia experiencia adquirida sobre estos esquemas hacen que ofrezcan una alternativa confiable para su implementación en nuevos diseños.127

Económicamente, la razón de reflujo óptima es de 1,2 a 1,25 veces la relación de reflujo mínima, y el número óptimo de platos está cerca de dos veces el número mínimo platos. Por incertidumbre es conveniente aumentar el número de platos en un 10 por ciento más que el número calculado. El espacio entre platos, por razones de accesibilidad, generalmente se fija entre 0,6 a 0,86 m. Las eficiencias de los platos para la separación de hidrocarburos ligeros y soluciones acuosas son de 60 a 90 por ciento, para la absorción de gas y stripping las eficiencias son de 10 a 20 por ciento. La caída de presión por bandeja varía de 0,69 a 0,75 kPa. Las torres de relleno con un relleno al azar y estructurado, están particularmente bien adaptados a las columnas con un diámetro inferior a 1 m, y donde la caída de presión baja es deseable. La relación de diámetro de la columna con el tamaño del relleno debe ser de al menos 15. Para flujos de gas de 0,25 m3/s se usa 0,0254 m del relleno; para flujos de gas de 1m3/s o más se utiliza 0,051m del relleno.128 Las torres de relleno deben operar cerca de 70 por ciento de la velocidad de inundación. Los tambores de reflujo usualmente son horizontales con líquido hasta la mitad, con un tiempo de residencia de 300 s. Las bombas de reflujo generalmente están sobredimensionadas en un 25 porciento. Para torres de 1m de diámetro, se adiciona 1m en la parte superior de la torre de separación de vapor y 2 m en la parte inferior de la torre para el nivel de líquido y el retorno del rehervidor.129 Es conveniente limitar la altura de las torres a unos 50 metros debido a la carga de viento y estabilidad de la base. Otro criterio es que la relación L/D debe ser menor o igual a 30.

127

JIMENEZ GUTIERREZ, Arturo. Diseño de Procesos en Ingeniería Química. Ed. Reverté S.A. 2003 y Reverté Ediciones 2003. Celaya, Guanajuato, México. 128

KISTER, H. Z., Distillation Design, Mc Graw Hill, New York, 1992. 129

PETERS et. al., 2003. Op cit, p. 968.

68

La presión de operación de la torre de destilación puede ser determinada a partir de la temperatura mínima del medio de enfriamiento en el condensador o la temperatura máxima que se puede alcanzar en el rehervidor.

Se debe conocer el número de etapas reales, para diseñar los platos de la torre de destilación. Para determinar el número de etapas se debe conocer la eficiencia, con el objetivo de diseñar los platos se puede asumir una eficiencia del 50%. En la destilación de hidrocarburos ligeros, la eficiencia de los platos de la torre se encuentra entre el 60 al 90% y para absorción y agotamiento entre 10 al 20%.

Si la corriente de fondos es alimentada a quemadores u hornos, entonces el tiempo de residencia deberá ser del orden de 5 minutos.

Preferir no introducir un componente adicional a la mezcla original para efectuar la separación, si llegara a ser indispensable, es necesario recuperarlo inmediatamente.

El condensador de la torre de destilación, en la medida de lo posible debe ser total, para los condensadores parciales se debe garantizar que la cantidad de reflujo en la torre es la requerida.130 4.3 TORRES DE ENFRIAMIENTO

- El agua en contacto con el aire en condiciones adiabáticas se enfría a la temperatura de bulbo húmedo.

- En unidades comerciales, es factible la saturación del aire a 90 por

ciento.

- Las torres más comunes son las de contracorriente de tiro inducido ya que son capaces de enfriar agua dentro de 1 a 2 °C de la temperatura de bulbo húmedo. Sin embargo, cuando la diferencia entre la temperatura de salida del agua y la temperatura ambiente del bulbo húmedo se aproxima a este mínimo, aumenta el tamaño de la torre de enfriamiento. 131

- Se debe diseñar la estructura de la torre de tal manera que la caída de

presión sea mínima a través de ella.

130

ANAYA DURAND, Alejandro. Reportaje especial. Revista Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos A.C. Vol. 1. 1993. p. 29. 131


69

- En la práctica, la caída de presión en la torre de enfriamiento no excede de 0,5 kPa. El flujo del agua de circulación en general son de 2,5 a 10 (m3/h)/m2, y los flujos de aire van desde 6350 hasta 8800 (kg/h)/m2.

- Las pérdidas por evaporación son el 1 porciento por cada 5°C del rango

de enfriamiento. Exposiciones al viento o pérdidas de tiro en las torres de enfriamiento de tiro mecánico son entre 0,1 y 0,3 por ciento. Es necesaria una purga de 2,5 a 3,0 por ciento de la circulación para evitar la acumulación excesiva de sal.132

- El tamaño de la torre depende de la diferencia entre las temperaturas de

salida y las de bulbo húmedo. 4.4 EQUIPOS DE EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO La fase dispersa debe ser la que tiene la mayor tasa volumétrica excepto en los equipos sometidos a retromezcla, donde debe haber uno con el régimen volumétrico más pequeño. Debe ser la fase que menos moja el material de construcción. Puesto que la fracción volumétrica de la fase continua normalmente es mayor, esa fase debe implicar el material menos costoso o menos peligros. Los arreglos mezcladores-sedimentadores están limitados a un máximo de cinco etapas. La mezcla se lleva a cabo con la rotación de los impulsores o una bomba de circulación. Los sedimentadores están diseñados en la suposición de que los tamaños de las gotas son aproximadamente 150 µm de diámetro. En recipientes abiertos, los tiempos de residencia de 30 a 60 minutos o a velocidades superficiales de 0,15 a 0,5 m/min, se proporcionan en los sedimentadores. La eficiencia de la etapa de extracción comúnmente se toma en un 80 por ciento.133 Las torres de aspersión generalmente sólo proporcionan una única etapa para el proceso de extracción. Las torres empacadas se utilizan cuando se requieren de 5 a 10 etapas. Las cargas de la fase dispersa no debe exceder de 1 (m3/min)/m2. Las torres empacadas no son demasiado satisfactorias cuando la tensión interfacial está cerca de 10 dinas/cm. Torres de platos tamices utilizan espaciamientos entre los platos de 0,15 a 0,6 m. La eficiencia de los platos está en el intervalo de 20 a 30 por ciento. Las torres de pulso o torres de platos tamices puede operar a frecuencias de 90 ciclos/min y amplitudes de 6 a 25 mm. Las tensiones interfaciales son tan altas como 30 a 40 dinas/cm y no tienen ningún efecto adverso.

132

DOUGLAS, J. M. Conceptual Design of chemical process. Mc Graw Hill, New York, 1988. 133


70

Las torres de platos de movimiento alternativo operan de 100 a 150 strokes por minuto con un espaciamiento de los platos de 0,025 a 0,15 m. Los requisitos de potencia de esta torre son mucho menores que los de las torres de pulso. La rotación de discos contactores u otras torres giratorias agitadas utilizan HETS (Heavy Equipment Transporter System) en el intervalo de 0,1 a 0,5 m, proporcionando altas eficiencias de extracción. La eficiencia de las etapas de extracción global se puede tomar como un 80%. En recipientes abiertos el tiempo de residencia es de 30 a 60 minutos. La redisperción de la fase en cada plato en una torre de platos para extracción puede ser diseñada para esparcimiento entre platos de 6 a 24 in y con eficiencias de 20 al 30%.134 4.5 INTERCAMBIADORES DE CALOR En un intercambiador de carcasa y tubo, asumir flujo en contracorriente con el lado del tubo para fluidos corrosivos, ensuciamiento, de escala y de alta presión y el lado de la carcasa para fluidos viscosos y condensación. Para otras geometrías de flujo, el factor de corrección de la diferencia media logarítmica de la temperatura no debe ser menor de 0,85. Para un intercambiador de carcasa y tubo con los tubos de 0,019 m OD, 0,0254 m de espaciamiento triangular, y 4,87 m de longitud, un depósito de un diámetro de 0.305 m acomoda sobre 9m2 de área de superficie; un 0,61 m diámetro de la carcasa, alrededor de 37 m2, y un diámetro de 0,91 m carcaza, alrededor de 102 m2.135 El enfoque de temperatura mínima es de 10 a 25 °C con refrigerantes ambiente y 5 ºC o menos con refrigerantes. Temperatura de entrada del agua de refrigeración es típicamente de aproximadamente 30°C, y la temperatura de salida de aproximadamente 45°C. Las caídas de presión son de 10 kPa para condiciones de ebullición y de 20 a 60 kPa para otros servicios. Coeficientes de transferencia de calor para la estimación de los propósitos en W/m2K son los siguientes: agua a líquido, 850; líquido a líquido, 285; condensadores, 850; líquido a gas, 30; gas a gas, 30; rehervidor, 1100. El flujo máximo en intercambiadores de calor es aproximadamente 31500 W/m2. Intercambiadores de calor de doble tubo son competitivos en tareas que requieren áreas comprendidas entre los 10 a 20 m2. 134

ANAYA DURAND, Alejandro. Op. cit. p. 27. 135

PETERS et al., 2003. Op cit, p. 970.

http://www.fas.org/man/dod-101/sys/land/hets.htm

71

Intercambiadores de placa y marco de acero inoxidable son de 25 a 50% más baratos que las unidades similares de carcasa y tubos de acero inoxidable. Placa compacta y los intercambiadores de aletas proporcionan aproximadamente de 3 a 4 veces más área de transferencia de calor por unidad de volumen que el obtenido con intercambiadores de carcasa y tubo. Enfriadores de aire proporcionan áreas de aproximadamente 15 a 20 m2/m2 de superficie desnuda. Alrededor de 5 a 12 kW de potencia del ventilador se requiere para eliminar 1000 kW de energía con un enfoque de temperatura de 30 °C o más. La eficiencia térmica de calentadores de es de 70 a 75%. Tasa de radiación es de aproximadamente 38000 W/m2; tasa de convección es de aproximadamente 12000 W/m2.136 El acercamiento de temperaturas debe ser de 20° F como mínimo para enfriamientos normales y de 10° F o menos con refrigerantes. El lado de los tubos es para el fluido más corrosivo, alta presión, sucio, caliente. En el lado de la coraza se deben ubicar los fluidos más viscosos o para condensados. El arreglo para los tubos más fácil de limpiar es el cuadrado El arreglo triangular de los tubos da valores de diámetro más pequeños para un área requerida. Las longitudes de los tubos varían de 16 a 20 ft. La longitud mínima es de 8 ft. El diámetro externo de los tubos debe ser de 0,75 in para materiales limpios, 1 in de diámetro para fluidos en general y de 1,5 in para fluidos muy sucios. Para una primera evaluación se recomienda asumir una caída de presión de 5 psi por el lado de los tubos y coraza.137 4.6 AISLANTES TÉRMICOS Hasta 350 °C, 85% magnesia es el aislamiento preferido. La tierra de diatomeas se utiliza de 870 a 1050 °C y refractarios de cerámica se utilizan a temperaturas más altas. Equipo criogénico utilizar polvos porosos hasta -196 ° C y el aislamiento de varias capas a temperaturas más bajas. 136

PETERS et al., 2003. Op cit, p. 970. 137

ANAYA DURAND, Alejandro. Op. cit. p. 22.

72

Espesor óptimo varía con la temperatura: 0,0113 m a 90 °C, 0,0254 m a 200 °C, y 0.031 m a 315 °C. En condiciones de mucho viento, espesor de aislamiento se debe aumentar en un 10 a 20%.138 4.7 AGITADORES Y MEZCLADORES Las intensidades de agitación con paletas en tanques de deflectores se miden por entrada de potencia y velocidades en el extremo del impulsor. Algunas mezclas requieren de 0,04 a 0,1 kW/m3 y una velocidad de la punta de menos de 0,04 m/s. Agitación de mezclas de líquido-líquido requiere aproximadamente 1 kW/m3 y una velocidad de la punta de 0,08 a 0,1 m/s. Las proporciones típicas para un depósito de agitación con respecto al tanque

de diámetro D son los siguientes: nivel de líquido D; diámetro del impulsor de turbina D/3; impulsor nivel por encima del fondo D/3, la anchura del impulsor cuchilla D/15, cuatro deflectores verticales con anchura D/10. Las burbujas de gas en la parte inferior de un tanque ocasionarán una agitación suave a una velocidad superficial de 0,3 m/s y agitación intensa a 1,2 m/s. La potencia para conducir una mezcla de un gas y un líquido pueden ser de 25 a 50% menor que la potencia para impulsar el líquido solo. Los mezcladores en línea son adecuados cuando el tiempo de contacto de un segundo o dos es suficiente, con potencias de entrada de 0,02 a 0,04 kW/m3.139 El 95% de los problemas de mezclado son solucionados con tres tipos de impulsores, los cuales son: propelas, paletas y turbinas. El diseño de un agitador no puede ser basándose solo en la información teórica disponible, se requiere de manera indispensable la experimentación en plantas piloto. El diámetro del impulsor se encuentra directamente vinculado con la relación de flujo de la masa, un diámetro grande a baja velocidad da una relación de flujo de masa a turbulencia alta, y el diámetro pequeño a alta velocidad de giro da una relación pequeña.

138

COUPER, J. R., PENNEY, J. F., FAIR, J. R. Chemical Process Equipment: Selection and Design. Gulf Professional Publishing, 2009. 812p. 139

PETERS et al., 2003. Op cit, p. 971.

73

4.8 BOMBAS Dependiendo del tipo de bomba y de las condiciones de flujo, se debe mantener la cabeza de succión para evitar daños en la misma. El rango normal es de 1 a 6 m de líquido. Las bombas centrífugas son para flujos de 10-3 a 0,3 m3/ s y una cabeza máxima de 150 m; multietapas de 1,25x10-3 a 0,7 m3 / s, y una cabeza máxima de 1600 m. La eficiencia es del 45% a 6x10-3 m3/s, un 70% a 0,03 m3 / s, y 80% a 0,6 m3/s. Bombas axiales son para flujo de 1,25x10-3 a 6 m3/s, una cabeza de 12 m, con una eficiencia de 65 a 85%. Las bombas rotativas son para flujo de 6x10-5 a 0,3 m3/s, una cabeza 15000 m, con una eficiencia de 50 a 80%. Bombas alternativas son para flujos de 6x10-4 a 0,6 m3/s, 300000m la cabeza máxima, con una eficiencia de 70% a 7,5 kW, el 85% de eficiencia en el 37,5 kW, y un 90% de eficiencia a 375 kW.140 Caídas de presión típicas en la línea de succión: para líquidos saturados está entre 0,05 a 0,5 psi/100 ft y para los líquidos subenfriados de 0,5 a 1,0 psi/100ft. La línea de succión se debe procurar diseñar corta y sencilla. Cuando se considera cambiar el impulsor para ampliar la capacidad de la bomba, inténtese permanecer dentro de la capacidad del motor. El cambio de los impulsores es más o menos barato, pero el remplazo del motor y su equipo eléctrico es caro.141 4.9 REACTORES La cinética de la reacción se debe determinar experimentalmente en el laboratorio, y el tiempo de residencia o la velocidad espacial y la distribución de productos en general, se establecen teóricamente y se deben hacer ajustes en una planta piloto.142 Las dimensiones de las partículas de catalizador son normalmente 0,1 mm en lechos fluidizados y entre 2 a 5 mm en lechos fijos. La potencia de entrada a un tanque agitado donde se lleva a cabo una reacción

140

PETERS et al., 2003. Op cit, p. 971. 141

BRANAN, Carl. Rules of thumb for Chemical Engineers. Gulf Publishing Company. 2 da

edición. 1998. p. 103. 142

ANAYA DURAND, Alejandro. Op. cit. p. 29.

74

homogénea es de 0,1 a 0,3 kW/m3, pero cuando la se requiere transferir calor esta potencia debe aumentar 3 veces. Un CSTR se acerca a su comportamiento ideal cuando el tiempo de residencia medio es de 5 a 10 veces la longitud de tiempo necesario para conseguir la homogeneidad, que se lleva a cabo con 500 a 2000 revoluciones de un agitador correctamente diseñado. Las reacciones por lotes se llevan a cabo en tanques agitados para pequeñas tasas de producción diaria o cuando los tiempos de reacción son largos, o cuando algunas condiciones tales como velocidad de alimentación o la temperatura debe ser programado. Las reacciones relativamente lentas de líquido se llevan a cabo en tanques agitados continuos. Una batería de cuatro o cinco reactores en serie es más económica. Los reactores tubulares de flujo son adecuados para altas velocidades de producción en tiempos de residencia cortos y cuando se necesita una transferencia de calor sustancial. En tal caso se utilizan tubos incrustados o se realiza la construcción de un equipo de carcasa y tubo. Para conversiones por debajo de aproximadamente 95% de equilibrio, el rendimiento de una batería de cinco etapas CSTR se aproxima a flujo en pistón.143 4.10 TANQUES DE ALMACENAMIENTO Para capacidades inferiores a los 4 m3, se recomienda utilizar tanques en posición vertical con soportes; para capacidades entre 4 y 40 m3, se deben utilizar tanques horizontales sobre soportes de hormigón; y más allá de 40 m3, se recomienda utilizar tanques verticales sobre cimientos de hormigón. La capacidad de almacenamiento de 30 días a menudo se especifica para materias primas y productos, pero depende de la conexión horarios del transporte de equipos. Las capacidades de los tanques de almacenamiento deben ser de al menos 1,5 veces la capacidad de este programa de equipo de transporte. Líquidos sujetos a pérdidas por evaporación pueden ser almacenados en tanques con techos flotantes o expansión para la conservación.144

143

PETERS, Max S.; TIMMERHAUS, Klaus D. Op cit. p. 971. 144

Ibíd. p. 973.

75

5. CONCLUSIÓN

- El desarrollo de un buen diseño se da a conocer luego de que la planta este en funcionamiento. Cuando se diseña se establecen ciertos parámetros y bases en búsqueda del desarrollo de un proceso, dichas bases son desarrolladas a partir de la experiencia o heurísticas y cálculos.

- Las heurísticas se podrían considerar como una serie de estándares que

son herramientas útiles a tener en cuenta durante las etapas del diseño, facilitando su ejecución. Las heurísticas son de vital importancia debido a que son establecidas a partir de experiencias en la industria a través de los años. Son útiles por el hecho de que podrían evitar la duplicación de errores del pasado.

- En la refinación del petróleo se emplean una gran cantidad de equipos

encargados de la transformación del crudo a sus respectivos derivados. Es una industria compleja pero sobre todo riesgosa, debido a sus elevadas temperaturas, presiones, manejo de compuestos volátiles e inflamables, lo cual requiere de una rigurosa seguridad desde el diseño. Es por esto que se requiere acudir a la experiencia para evitar la repetición de accidentes catastróficos.

- La responsabilidad directa del Ingeniero Químico en el diseño es

determinar las especificaciones y características de cada uno de los equipos involucrados en los procesos. Para ello es de gran importancia la aplicación de reglas heurísticas o Rules of Thumb que garanticen una mayor eficiencia de los equipos, maximizando su vida útil y minimizando costos y riesgos de operación.

- Cada equipo presenta características relevantes al momento de garantizar su buen funcionamiento, son propias de su estructura física y acción en el proceso. La importancia de estas características han salido a relucir a través de los años como experiencia de los ingenieros de procesos, muchas de estas experiencias han sido resultado del análisis de los errores presentados. En el Anexo A se presenta la tabla donde se asocian dichas característica con los principales equipos para la refinación del petróleo.

- El mayor contenido de información de heurísticas de diseño se le

confiere a las torres de destilación, equipo principal en el proceso de refinación del petróleo. Esto se debe en gran parte a su complejidad de operación, interacción con los equipos auxiliares, retroflujo, entre otras. Ya que si alguna perturbación altera las condiciones de operación de los equipos auxiliares, toma tiempo detectar la fluctuación del proceso.

76

REFERENCIAS ACEFESA. Filtración. <http://www.acefesa.es/filtra/filtracion.pdf> [En línea] 23 de septiembre de 2012. ANAYA DURAND, Alejandro. Reportaje especial. Revista Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos A.C. Vol. 1. 1993. p. 29. ARMFIELD. Operaciones unitarias de transferencia de calor y masa. [En línea] <http://www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/uop14/?js=enabled> 23 de septiembre de 2012. ARREGLE Jean. Procesos y tecnología de maquinas y motores térmicos. Universidad Politécnica. Valencia, 2002. AUSTIN, George T. Manual de procesos químicos en la industria T. 3. México: McGraw-Hill; Interamericana, 1990 314p. BILLIGMANN, J.; FELDMANN, H.D. Estampado y prensado a máquina. Editorial Reverte S.A. Segunda edición. 1979. BRANAN, Carl. Rules of thumb for Chemical Engineers. Gulf Publishing Company. 2da edición. 1998. 415p. CANAL DE EFICIENCIA ENERGETICA. Calderas. [En línea] <http://www.empresaeficiente.com/es/catalogo-de-tecnologias/calderas#ancla> [Citada el 18 de septiembre de 2012] CENGEL Yunus A. Transferencia de calor. Mc Graw Hill. Segunda edición. 1998. CHOW PANGTAY, Susana. Petroquímica y Sociedad. http://bibliotecadigital.il ce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/39/html/sec_8.html [En línea] COSTA LOPEZ, J.; CERVERA MARCH, S.; CUNILL GARCIA, F.; ESPLUGAS VIDAL, S.; MANS TEIXIDÓ, C.; MATA ÁLVAREZ, J. Curso de química técnica: Introducción a los procesos, las operaciones unitarias y los fenómenos de transporte en la ingeniería química. Editorial Reverté S.A. 1991. Pág. 81-82. COULSON J. M; RICHARDSON J.F. Ingeniería química: diseño de reactores químicos, ingeniería de la reacción bioquímica, control y métodos de cálculo con ordenadores. Editorial Reverte, 1984. 792p. COUPER, J. R., PENNEY, J. F., FAIR, J. R. Chemical Process Equipment: Selection and Design. Gulf Professional Publishing, 2009. 812p.

http://www.acefesa.es/filtra/filtracion.pdf

http://www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/uop14/?js=enabled

77

CREUS SOLE, Antonio. Instrumentación Industrial. Marcombo S.A. 7ma edición. 2005. DOUGLAS, J. M. Conceptual Design of chemical process. Mc Graw Hill, New York, 1988. ECOPETROL. El petróleo y su mundo: Refinación. [En línea] <http:// www.ecopetrol.com.co/especiales/elpetroleoysumundo/refinacion3.htm> [Citada el 09 de septiembre de 2012] ECOPETROL. Reporte Integrado de gestión sostenible 2011 [En línea]. <http://www.ecopetrol.com.co/especiales/ReporteGestion2012/sobre_ecopetrol_01.html> [citado en 28 de agosto 2012] FIESER, Louis F., FIESER, Mary. Química orgánica fundamental. Editorial Reverté. 1985. S.A. Pág. 132. GARY, James H.; HANDWERK, Glenn E. Petroleum Refining: Technology and Economics. Marcel Dekker. 4ta Edición. 2001. 441p. GONZALEZ MENDIZABAL, Dosinda. Guía de intercambiadores de calor: Tipos generales y aplicaciones. Universidad Simón Bolívar, Departamento de Termodinámica y Fenómenos de trasferencia. 2002. HENRY, J. T. The Early and Later History of Petroleum. Vol. I and II. APRP Co. HUNT, J.M. Petroleum Geochemistry and geology. 2da edición. W.H. Freeman and Co., New York. ICCT (THE INTERNACIONAL COUNCIL ON CLEAN TRASNPORTATION), Introducción a la refinación del petróleo y producción de gasolina y diesel con contenido ultra bajo de azufre. πMathPro. 42p. HALL, S. Rules of Thumb for Chemical Engineers. Butterworth-Heinemann. 5ta

Edición. 2012. 420p. INCROPERA Frank P; DEWITT David P. Fundamentos de transferencia de calor. Pearson Education. 1999. INSTITUTO ARGENTINO DEL PETRÓLEO Y DEL GAS. El abecé del petróleo y del gas en el mundo y en la Argentina. Art Press S.A. Buenos Aires, 2009. IPATIEFF V.N., SCHMERLING L. Advances in catalysis, Vol. I (Academic Press, New York, 1948), p. 27-46. JIMENEZ GUTIERREZ, Arturo. Diseño de Procesos en Ingeniería Química. Ed. Reverté S.A. 2003 y Reverté Ediciones 2003. Celaya, Guanajuato, México.

http://www.ecopetrol.com.co/especiales/ReporteGestion2012/sobre_ecopetrol_01.html

http://www.ecopetrol.com.co/especiales/ReporteGestion2012/sobre_ecopetrol_01.html

78

KERN Donald Q. Procesos de transferencia de calor. Compañía editorial continental. México, 1999. LAPEÑA RIGOLA Miguel. Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Marcombo. Barcelona (España). LIEBERMAN, Norman P.; LIEBERMAN, Elizabeth T. A working guide to process equipment. Process Chemical, Inc. 1996. LINSTROMBERG, Walter W. Curso breve de Química Orgánica. Editorial Reverté S.A. 1979. 507p. LLUCH URPI, José. Tecnología y margen de refino del petróleo. Instituto superior de la Energía, Díaz Santos. 2008. LOPEZ, Carla. Facilidades de superficie. Universidad del Zulia: Facultad de ingeniería, Escuela de petróleo. Presentación, pdf. 174 diapositivas. LYONS, Williams C. PLISGA, Gary J. Standard handbook of petroleum & natural gas engineering. Elsevier, segunda edición, 2005. 1569p. MANTELL, C.L. Adsorption. McGraw-Hill, Nueva York. 2da edición. 1951. MARQUEZ R., Fernando. Síntesis de procesos químicos. Departamento de ingeniería química Universidad de concepción, 2003. MIRANDA MIRANDA, Juan José. El Desafío de la Gerencia de Proyectos: Alcance-Tiempo-Presupuesto-Calidad. MM editores. Bogotá 2004. MOTT, Robert L. Mecánica de Fluidos Aplicada. Prentice Hall. 4ta edición. 1996. OCON GARCIA, Joaquín, TOJO BARREIRO, Gabriel. Problemas de Ingeniería Química: Operaciones Básicas: Tomo II. Editorial AGUILAR. 416p. PASTO, Daniel J., JOHNSON, Carl R. Determinación de estructuras orgánicas. Editorial Reverté S.A. 2003. PDVSA. Manual de Diseño de Proceso: Separación física en Tambores Separadores. Principios Básicos. PERRY Robert H.; GREEN Don W.; MALONEY James O. Manual del Ingeniero químico. Sexta edición. Mc Graw Hill. PETERS, Max S.; TIMMERHAUS, Klaus D.; WEST, Ronald E. Plant Design and Economics for Chemical Engineers. McGraw-Hill. 5ta Edición, 2003. 988p.

79

RealTimeService S.A. Sistema de optimización de torres de enfriamiento de agua. [Articulo en línea]. <http://www.realtimeservice.com.ar/sp/desarrollos/ optimizacion_torres_enfriamiento.pdf> [Citado 9 de septiembre del 2012] RINCÓN ARÉVALO, Pedro. Optimización del diseño y rediseño de procesos químicos complejos bajo incertidumbre mediante cooperación de técnicas de programación matemática y metaheurísticas. Universidad Politécnica de Madrid. Tesis doctoral. 2005. RUDD D. F., POWERS G. J., and SIIROLA J. J. Process Synthesis, J. Wiley, New York, 1973. SALAZAR, Federico G. Revista Ingeniería Primero; Procesos de separación: un enfoque integrado. No. 15 – Enero, 2010. SCENNA, Nicolás; BENZ, Sonia J. Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos. 1999. Capítulo 2. SPEIGHT, James G. The Chemistry and Technology of Petroleum. Marcel Dekker. 3ra Edición Rev. y Exp, 1999. 918p. THAKORE, S. B., BHATT, B. I. Introdution to process engineering and design. Mac Graw Hill. 748p. TORRES ROBLES, Rafael; CASTRO ARELLANO, J. Javier. Análisis y simulación de los procesos de refinación de petróleo. Instituto Politécnico Nacional. México. Primera edición, 2002. TOWLER, G., SINNOT, R., Chemical engineering design principles, practices and economics of and plant process design. Estados Unidos: Elsevier. 2008. 1320p. TRANTER. Intercambiadores de calor de placas. [Articulo en línea]. http://ww w.tranter.com/Pages/productos/calor-de-placas/descripcion-ybeneficios.aspx [Citado 18 de septiembre del 2012] UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA. Ciclones. <http://www.ing.unp.edu.ar/dquimica/paginas/catedras/iofq809/apuntes/Ciclones.pdf> [citado en 07 de septiembre 2012]. WAUQUIER, J. P. El refino del petróleo: Petróleo crudo, Productos petrolíferos, Esquemas de fabricación. Instituto superior de la energía (ISE), Díaz de Santos. 2004. 562p.

80

ANEXOS ANEXO A: CARACTERISTICAS DE INTERES CON BASE A LA EXPERIENCIA PARA EL DISEÑO DE EQUIPOS.

EQUIPOS CARACTERISTICA DE INTERES

Bombas

Línea de succión. Tamaño del impulsor. Potencia. Flujo. Caída de presión.

Compresores Relación de compresión. Temperatura de los gases. Numero de etapas

Torres de destilación

Diámetro y altura de la torre. Espaciado entre los platos Presión de operación. Nivel del líquido en el Tambor de reflujo. Volatilidad de los componentes. Flujo de destilados y fondos Plastos mínimos y teóricos. Temperatura del rehervidor.

Intercambiadores de calor

Arreglo de los tubos. Diferencia de temperatura de las Corrientes. Caída de presión en tubos y coraza. Área de transferencia.

Reactores

Velocidad de la reacción. Tiempo de residencia. Tipo de reacción. Porcentaje de conversión. Temperaturas.

Torres de enfriamiento Velocidad y condiciones del aire. Mínima caída de presión.

REVISIÓN DE HEURÍSTICAS Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE...

Documents

Transcript of REVISIÓN DE HEURÍSTICAS Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE...