Christopher Daniel Acosta Cajas Quinto “a” Mecánica 7009
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INTRODUCCIÓN La termodinámica se encuentra presente en muchas áreas de la industria, pero se encuentra mucho más presente en el área petrolera en este trabajo de investigación presentaremos los diferentes procesos que tiene la industria petrolera para obtener los diferentes derivados del petróleo con la ayuda de la termodinámica, partiendo desde la extracción del crudo, pasando por los procesos de refinamiento y enriquecimiento para llegar finalmente hasta su distribución. La termodinámica en este campo permite evaluar las propiedades que posee el crudo a diferentes temperaturas, ya que al ser sometidos a procesos de destilado mediante calentamiento por hornos se podrá obtener los derivados más importantes pero con un porcentaje de pureza muy bajo, en el adicionalmente se controla las presiones y los volúmenes del crudo con la finalidad de no permitir que sea afectada las caden as moleculares, una vez controlada las presiones las cantidades de energía a ocupar son menores permitiendo obtener mayor cantidad de derivados. La presentación de los dispositivos que están i nvolucrados termodinámicamente son parte fundamental como la torre de fraccionamiento que apoyado con las temperaturas de destilación separa los gases más livianos para procesarlos y obtener los primeros derivados como el Propano y el Butano, los demás gases pasan a otros procesos que son el Craqueo térmico y Unidades de Vació para poder romper las cadenas largas de los hidrocarburos apoyado con las presiones y temperaturas controladas, también se encuentra el Craqueo Catalítico y las unidades de Hidrocraking que permite purificar y eliminar las toxicidades de los derivados más pesados. Apoyando con información de diferentes petroleras a nivel nacional e internacional nos permitir tener una información muy verídica.
MARCO TEÓRICO
Topping El Topping es una unidad inicial del refinamiento del curdo en el cual parte de calentar el crudo a una temperatura de 370°C haciendo que el crudo alcance su temperatura de destilación convirtiéndolo en diferentes gases de diferentes densidades, una vez en estado gaseoso pasa a la torre de destilación la cual por medio de censores y medidores de presión y temperatura controlan a diferentes alturas el almacenamiento de los diferentes gases que son condensados en bandejas que por diferencial de temperatura pasan a estado líquido, cabe recalcar que las bandejas se encuentran ubicadas estratégicamente con el propósito de mantener el equilibrio en las cadenas de hidrocarburos; en la parte más alta de la torre se encuentra los gases livianos en decir los LPG y la gasolina, a niveles medios encontramos el Kerosene, Naftas y al final de la torre encontramos los Gasoil livianos y pesados (ENAP Educa, 2010) (Hernandez, 2012). Acotando un dato importante es que la parte de fraccionamiento o destilación no solo permite obtener los primeros derivados, sino que también permite eliminar el contenido de hidrogeno y de agua presente en el crudo, concentrándonos específicamente en los derivados de mayor utilización (Hernandez, 2012).
Unidad de Vacío La unidad de Vacío es una ramificación que posee la torre de destilación que se concentra específicamente para los elementos que se encontraban en el final de la torre, esta es la unidad que permite fragmentar las cadenas de hidrocarburos en cadenas mucho más cortas, con la ayuda de la termodinámica, ya que consiste en disminuir la presión en el interior con la finalidad de disminuir la temperatura y poder separar las cadenas y conservar la pureza de los derivados, la presión absoluta en la unidad de Vacío es de 20mm de Hg y una temperatura de 80 °C; el crudo residuo en estado gaseoso pasa a través de una zona flash la cual es pasar el gas por líneas de corriente de aire frio haciendo que exista condensación y almacenando en carretillas que permiten el paso del gas por aberturas y haciendo que cambie a un estado líquido. Finalmente tenemos como resultado Gasoil liviano, Gasoil pesado y asfalto (Hernandez, 2012).
Craqueo Catalítico El craqueo es una unidad de ruptura de cadenas de hidrocarburos, la cual apoyados con la ayuda de un catalizador que son a base de alúmina y sílice son productos sintéticos cristalinos, altera la composición del hidrocarburo y permite que las reacciones en el interior del reactor permite separar los diferentes derivados termodinámicamente al momento de aplicar el catalizador el hidrocarburo debe tener un balance en la presión ya que se necesita que los gases producidos mantengan su composición, funciona calentando a través de transferencia de calor alrededor de unos 500°C a 540°C una vez reaccionado el catalizador es separado por un proceso de regeneración, el regenerador es aquel que quema el contenido de carbón del catalizador pero tienen una zona de enfriado a través de aire comprimido, el regenerador siempre debe estar ventilado ya que si no tiene aire para la refrigeración el sistema colapsaría ya que trabaja a una temperatura de 705°C a 740°C, esta combustión genera CO2. Pasado la unidad de catalización los nuevos derivados son llevados a una nueva área denominada Stripper que permite disminuir el contenido de hidrocarburos dentro del catalizador a través de la inyección de vapor (Hernández, Cracking Catalítico Fluido, 2012) (Imanol, 2013).
Hidrotratamiento El hidrotratamiento es la última parte del proceso de refinamiento que se concentra específicamente en las Naftas que se produjeron en los procesos anteriores con la finalidad de eliminar los metales, azufre, oxígeno y nitrógeno que se encuentran presentes en las Naftas, siento estos los elementos tóxicos con el medio ambiente, adicionalmente aumenta el valor comercial ya que purifica a los derivados, funciona mediante reacciones termodinámicas que son generadas por el contacto de hidrogeno, el horno calienta la nafta a 300°C y pasa a un reactor el cual como se mencionó anteriormente hace que reaccione con hidrogeno para que con los elementos de las Naftas forme ácido sulfhídrico, amoniaco y agua, pasando así a un separador el cual clasifica en Naftas aun por procesa y una Nafta Hidrodratada la que se llevara a un estabilizador que se encuentra a una temperatura de 168°C y reordena las cadenas de hidrocarburos que se alteraron por el proceso de reacción con el hidrogeno, finalmente es llevado a su comercialización (García, 2015) (Hernández, 2010).
Hidrocracking El Hidrocracking es un proceso de tratamiento del Gasoil liviano que se produjo en la Unidad de Vacío y de Gasoil pesado producto del Topping, cumple las misma función del Hidrotratamiento de eliminar los componentes tóxicos como los metales, azufres, oxígeno y nitrógeno presentes en los derivados con la ayuda del contacto de Hidrogeno, el cual es liberado en un reactor a 390°C y las reacciones con el hidrogeno producen gases que son enviados a un separador a 225°C con la finalidad de obtener gases como el propano, butano y otras naftas ya purificadas a través de un fraccionador (Hernández, 2010).
METODOLOGÍA Por mi criterio personal la parte más esencial en el área petrolera es el Topping como se mencionó en el marco teórico el área de Topping es un proceso en donde se destila el crudo por medio de la evaporación y la condensación del crudo en estado gaseoso. El proceso parte desde los tanques de a lmacenamiento de crudo los cuales pasan a través de tuberías a un horno que lo calienta entre 350°C y 370°C, no se calienta a mas ya que si se eleva más la temperatura el crudo tiende a carbonizarse; a continuación el crudo pasa a estado gaseoso y pasa con una presión controlada a la torre de destilación que puede oscilar entre los 50m todo dependerá de las presiones internas y el ambiente interior; en la torre metálica de destilación existe a alturas estratégicas placas almacenadoras las cuales permiten el paso de los gases más ligeros y por otra parte almacenan los gases
a la temperatura que los corresponde, por otra parte la distribución de temperaturas de la torre de destilación va desde los 350°C o 370°C en la base hasta un valor menor de los 100°C en la punta de la torre (Valles, 2014). Una vez los gases pasen a tomar su ubicación en la torre las planchas denominadas “plato de burbujeo” en donde por variaciones de temperatura de corrientes de aire entre las placas permite que se condense los gases y pasan a estado líquido, el cual es recolecta y es transportado a las demás unidades; en este primer proceso de refinamiento del crudo tenemos los primeros derivados como lo son el propano, butano, kerosene, gasoil y residuos pesados (Hernandez, 2012).
DISCUSIÓN Según la información proporcionada por Gustato en su trabajo de destilación, para el proceso de Topping “ Para que se produzca la "separación o fraccionamiento" de los cortes, se debe alcanzar el equilibrio entre las fases líquidovapor, ya que de esta manera los componentes más livianos o de menor peso molecular se concentran en la fase vapor y por el contrario los de mayor peso molecular predominan en la fase liquida, en definitiva se aprovecha las diferencias de volatilidad de los hidrocarburos ” en cambio ENAP para el proceso de Topping menciona “En estas plantas el petróleo se calienta a 370 grados Celsius, el que una vez vaporizado parcialmente pasa a una torre de fraccionamiento que los separa o fracciona en productos. Por la parte superior de la torre se ob tienen los gases livianos como el gas licuado (LPG) y la gasolina ” ambos autores concuerdan en la parte de que consiste el fraccionamiento solo que Gustato menciona el equilibrio termodinámico en las fases de estado gaseoso y liquido parte elemental según mi criterio, ya que este equilibrio consta de mantener presión y temperatura para obtener los primeros derivados de una buena calidad. Otra concordancia que se encontró fue en el trabajo de Craqueo Catalítico por parte de Gustato menciona “El proceso de craqueo catalítico es un sistema de equilibrios. Para que la unidad pueda ser operada en forma continua, deben mantenerse tres balances: Balance de carbón, Balance de calor, Balance de presión ”, en cambio Imanol menciona en su trabajo de Refino del petróleo “ La operación estable del FCC requiere equilibrio entre los balances de masa y energía. El balance de masa consiste en lo siguiente: todo el coque debe ser quemado en la regeneración. El balance de energía: el catalizador en circulación debe a portar la energía necesaria para la reacción.” Esto nos quiere decir que ambos autores recalcan el equilibrio que debe existir en la cantidad de energía aplicada ya que en este proceso si no existe dicho equilibro existirá saturación del catalizador y dañando la composición del hidrocarburo. Finalmente podemos citar a Gustato en su trabajo de Hidrotratamiento “ En los reactores se obtiene una completa remoción de compuestos de azufre, nitrógeno, oxigenados, olefinas y aromáticos policlicos, a la vez se produce la ruptura de cadenas de alto peso molecular a hidrocarburos de bajo rango de destilación ( naftas, jet fuel y gas oil )”, y también en el trabajo de AINEnergía en Procesos de Hidrotratamientos menciona “ Tratan gran variedad de corrientes de petróleo y obtienen fracciones ligeras a partir de corrientes pesadas, además de limpiar dichas fracciones de compuestos no deseados como son los de azufre o nitrógeno, ya sea por especificaciones legales o por ser venenos de los procesos posteriores destinados a la petroquímica ” nos damos cuenta que mediante las reacciones producidas por el hidrogeno podemos obtener la purificación de Gasoil livianos eliminando los metales, oxigeno, azufre; a mi criterio personal los Hidrotratamientos es uno de lo s procesos muy interesantes ya que necesitan la ayuda de presiones y de hidrogeno que pueda resistir altas presiones haciendo costoso este proceso. Termino la discusión citando a la Asociación Colombiana de Petróleo en su video de procesos en la industria del petróleo y gas “El petróleo y el gas natural son muy útiles y contribuyen al desarrollo e impulsan el progreso del país”.
CONCLUSIONES •
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La termodinámica está estrictamente ligada a la industria petrolera, ya que por medio de procesos de evaluación de los gases producidos del crudo se obtienen los diferentes derivados, en él se analiza los diferentes puntos de ebullición y condensación, permitiendo de esta manera jugar con las alturas y las presiones en las torres de destilación o de fraccionamiento, esto permite que a medida que los gases más ligueros se ubiquen en la parte superior y los gases más pesados se queden en la base de las torres fraccionadoras, las cuales serán la base para llevar a los si guientes procesos de refinamiento. Otro punto clave a considerar es la Unidad de Vacío la cual disminuyendo la presión permite disminuir la temperatura, lo cual tiene mucho sentido ya que si evaluamos un diagrama T-S y P-V para conservar el volumen se disminuye la presión, pero se disminuye la cantidad de calor admitido para este pro ceso, elevando en bajas cantidades la temperatura. Un punto que es necesario recalcar es que en todos los procesos que hemos vistos deben tener la cualidad de una presión, temperatura y volumen controlado con la finalidad de garantizar derivados de alta calidad y que tengan un gran valor comercial. Otra cualidad que no se ha mencionado es la resist encia que tienen los materiales presentes en los dispositivos de refinamiento y transporte ya que deben ser capases de resistir temperaturas superiores a los 500°C sin presentar deformaciones.
Bibliografía ENAP Educa. (2010). Topping. Obtenido de ENAP- Empresa Nacional del Petroleo: http://www.enap.cl/pag/268/1557/topping García, C. M. (1 de Noviembre de 2015). Procesos de hidrotratamiento e Hydrocracking . Obtenido de AINEnergía (Asociación de Ingenieria de la Energía): http://ainenergia.com/procesos-de-hidrotratamiento-ehydrocracking/ Hernández, G. (2010). Hidrotratamiento. Obtenido de Gustato: http://gustato.com/petroleo/hidrotratamiento.html Hernández, G. (2012). Cracking Catalítico Fluido. Obtenido de Gustato: http://gustato.com/petroleo/crackingcf.html Hernandez, G. (2012). Destilación Atmosferica y al Vacío . Obtenido de Gustato: http://gustato.com/petroleo/destilacion.html Imanol. (09 de Abril de 2013). Refino del petróleo (VII): Craqueo Catalítico, FCC . Obtenido de Ingeniería Quimica.net: https://www.ingenieriaquimica.net/articulos/320-refino-del-petroleo-vii-craqueo-cataliticofcc Petróleo, A. C. (Dirección). (2014). Procesos en la industria del petróleo y gas [Película]. Valles, J. (2014). Columnas de Destilacion . Obtenido de authorSTREAM: http://www.authorstream.com/Presentation/jonathan_vam-639451-columnas-de-destilacion/ YPF (Dirección). (2016). ¿Cómo funciona una refinería? [Película].
