Destilacion Al Vacio

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DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA Y AL VACÍO EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO Ricardo P. Rodrigo R. y Alexis R. Velásquez Barrios1 Departamento de Postgrados. Facultad de Ingeniería, Arquitectura, Arte y Diseño. Especialización en Ingeniería de Procesos de Refinación y Petroquímicos Básicos. Universidad de San Buenaventura – Seccional Seccional Cartagena. Cartagena D. T y C., 2012. E- mail: [email protected] - [email protected] - [email protected]

Recibido: Noviembre 27 de 2012 Aprobado: Febrero 27 de 2013 RESUMEN

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos que comúnmente se encuentran en la naturaleza en forma de una mezcla homogénea llamada petróleo. La explotación del petróleo para comercializar hidrocarburos hidrocarbu ros y sus derivados d erivados es una actividad económica muy importante ya que éstos son usados como combustibles y son la base de la industria petroquímica. El proceso de fraccionamiento del petróleo es llevado a cabo en plantas conocidas como refinerías. Dentro de las refinerías, la operación unitaria usada para la separación del petróleo en varias fracciones es la destilación. Este proceso es llevado a cabo en equipos conocidos como torres de destilación, en los cuales se aprovecha los distintos puntos de ebullición que presentan cada uno de los compuestos que componen el petróleo para separarlo en fracciones. En el siguiente trabajo se hará una descripción del proceso de destilación del petróleo, los equipos utilizados, así como de las variables más importantes a tener en cuenta durante el fraccionamiento del petróleo. Palabr Pal abr as clave cl avess: Petróleo, Destilación, Hidrocarburos, Torres de destilación.

ABSTRACT

Hydrocarbons are organic compounds commonly found in nature in the form of a homogeneous mixture called oil. Oil exploitation for commercialization of hydrocarbons and derivatives, it’s a very important economic activity because they are used as fuels and is the basis of the petrochemical industry.

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

INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA COLOMBIA | PP. 51-84

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The oil separation process is carried out in plants known as refineries. In refineries, the unitary operation used for separation of petroleum into various fractions is distillation. This process is carried out in equipment known as distillation towers, which uses the different boiling points that have each one of the compounds that comprise the oil to separate it into fractions. In this paper, we will make a description of the oil distillation process, the equipment used, as well as the most important variables to consider when oil fractionation. Keywords: Oil, Distillation, Hydrocarbons, Distillation towers.

1. I NT RODU CCI ÓN

El petróleo crudo tal como es obtenido a partir de la tierra es un material con un valor relativamente bajo, ya que, en su estado natural éste raramente es usado de forma directa. Sin embargo, puede ser refinado y adicionalmente procesado en cualquier número de productos cuyo valor agregado es muchas much as veces mayor que el petróleo original. ori ginal. Si bien es cierto, hoy por hoy las industrias dedicadas a la refinación de crudos atraviesan una situación complicada en referencia a la escases de crudos prototipo o convencionales, las grandes petroleras se ven obligadas a experimentar, trabajar y procesar crudos de tipo pesados con el único fin de dar abastos con la demanda mundial de combustibles para el transporte y demás actividades diarias que requieren de productos derivados y procesados a partir del crudo. En ese mismo orden de ideas, el primer paso en cualquier cualquier refinería es la la separación del crudo en varias fracciones mediante el proceso de destilación (R.N. Watkins, Pag. 3.). La destilación de petróleo crudo es un proceso fundamental en el refinamiento del petróleo y la industria petroquímica. Casi la totalidad de las refinerías en el mundo llevan a cabo el proceso de destilación del petróleo en dos equipos o unidades, los cuales cua les son s on comúnmente co múnmente conocidos como la torre atmosférica y la torre de vacío. Una unidad de destilación de crudo (CDU) consiste en una torre de pre-flasheo (PF) la cual es opcional, seguida de una unidad de destilación atmosférica (ADU) y una unidad de destilación al vacío (VDU). Los productos típicos de un sistema de destilación son el Gas Licuado de Petróleo (GLP), Nafta Ligera, Media y Pesada, Queroseno, Diesel, Gasóleo, Gasóleo Ligero de Vacío, Gasóleo Pesado de Vacío y Residuo de Vacío (Raja Kumar et al, 2010). La operación de un sistema de destilación de crudo debe caracterizarse por tener una alta eficiencia y mantener un costo de operación relativamente bajo. Una solución popular al problema de la reducción r educción de costos cos tos consiste en el empleo de dispositivos disp ositivos de pre-flasheo, p re-flasheo, un tambor o una torre, para ahorrar energía en las plantas de destilación. Los dispositivos de pre-flasheo se encargan de remover los componentes ligeros del petróleo crudo antes de INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA COLOMBIA | PP. 51-84

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que entren al horno. La corriente de vapor obtenida puede ser introducida a la corriente de salida del horno o directamente en la columna de destilación principal (Errico M, et al, pag. 1). El presente trabajo es una revisión bibliográfica acerca de los procesos de destilación que sufre el petróleo crudo en una refinería y las operaciones y dispositivos implicados para lograr un buen desempeño. 2. DE STI L ACI ÓN D EL PETRÓL EO 2.1 2.1 DE SCRI PCI ÓN DE L PROCESO PROCESO

Una vez el petróleo ha pasado a través del desalador y ha sido despojado de la mayor parte de agua, sales inorgánicas e impurezas que contiene; éste es conducido a la columna de preflash, para retirar los compuestos volátiles presentes antes de que la mezcla de crudo entre al horno. Los componentes volátiles retirados en la unidad de pre-flash son conducidos a la corriente de salida del horno o son introducidos directamente a la torre de destilación atmosférica La mezcla líquida que sale de la torre de pre-flash es conducida al horno donde se le le proporciona calor, lo cual provoca una vaporización parcial del petróleo. En éstas condiciones, el petróleo es conducido a la primera columna de destilación la cual opera a presión atmosférica y es comúnmente llamada torre atmosférica. atmosfér ica. Sin embargo, el calor calor suministrado en el horno no es suficiente para lograr una vaporización completa de la mayor parte de los compuestos del petróleo. Es por esto que usualmente las torres de destilación atmosférica cuentan con un rehervidor, aunque actualmente se está implementando el uso de vapor sobrecalentado el cual es alimentado por el fondo de la torre. Dentro de la torre atmosférica, el petróleo es separado en diferentes fracciones algunas de las cuales son comercializadas directamente y otras son sometidas a otros procesos dentro de la refinería. El producto de fondo de la torre atmosférica, el cual consiste básicamente en hidrocarburos de cadena larga, es conducido a la torre de destilación destilación al vacío. En ésta torre se separan otras fracciones de petróleo, aprovechando el hecho de que al disminuir la presión disminuye también el punto de ebullición de los líquidos, que de otra forma no se pudieran haber separado debido a que si se le suministra demasiado calor para intentar vaporizarlas, éstas pueden descomponerse.

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Figura 1. Torre atmosférica y al vacío.

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

oil distillation.

La destilación atmosférica y al vacío son procesos cerrados, en los cuales debe hacerse un control estricto de la corrosión para la seguridad de la planta y sus operadores por lo que debe ser controlado el contenido de azufre, de nitrógeno y cloro en el crudo, en el caso de la formación de HCl se inyecta amoníaco en la corriente superior antes de la condensación inicial y luego suficiente agua de lavado, para evitar la acumulación de cloruro de amonio. (Kraus, R.S). El esquema de las dos torres acopladas se presenta en la figura 1. Las variables de proceso más importante para esta operación son la presión y la temperatura; el control de la temperatura dentro de la torre es la referencia para realizar los cortes de los productos que se desean extraer. Un aumento en la presión normal de operación trae consigo una gran cantidad de consecuencias dentro de las cuales destacamos:

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Una disminución en la volatilidad relativa de los componentes lo que trae consigo una menor separación en alguno de los platos. El consumo de energía se incrementa. Puede ocurrir polimerización y degradación de los productos, sumándole además el incremento en los costos de operación. (Wauquier J. P, 2000).

Una de las dos formas de aumentar los ingresos de los procesos en la industria de la refinación del petróleo es: aumentando la capacidad de producción u optimizando cada uno de los procesos; si tenemos en cuenta el primer ítem sabemos que se necesita un capital extra para aumentar la misma, pero muchos países no cuentan con recursos suficientes para realizar esto; es por este motivo, que las investigaciones encaminan a encontrar métodos de optimización de los procesos ya existentes para obtener una mayor ganancia (Torres & Castro, 2002). Muchos de los procesos que se llevan a cabo en la industria del petróleo requieren optimización dentro de estos tenemos el proceso de separación primaria (destilación atmosférica), ya que este se caracteriza por ser de difícil control debido a las fluctuaciones de las composiciones de cada uno de los componentes en la alimentación que ingresa a la torre donde se realiza este proceso de transferencia de masa. En la tabla 1 se presenta un resumen de algunas de las variaciones que pueden tener la alimentación y sus consecuencias en los resultados del proceso.

TABLA 1. Consecuencias de la variación de propiedades de la alimentación tomada de Wauquier J. P, 2000 FLUCTUACIONES

VARIACIONES EN DESTILADO DE LA TORRE

EL

-Leve modificación de la velocidad de flujo del La velocidad de flujo de la destilado. alimentación incrementa -Incremento en la concentración de productos livianos -Hay un aumento en la velocidad de flujo del Incremento en la destilado, además de la temperatura de entrada concentración de compuestos pesados en el mismo. Incremento de la -Flujo constante concentración de productos destilado. ligeros en la alimentación.

VARIACIONES EN EL RESIDUO DE LA TORRE.

-Incremento en la velocidad de flujo del residuo, llevando consigo grandes cantidades de productos ligeros.

-Aumento de la velocidad de flujo del residuo y trae como consecuencia un aumento en la concentración de componentes ligeros en esta corriente. -Flujo constante de residuo. de -Aumento de la concentración de los componentes ligeros en el residuo.


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Incremento de la -Flujo constante concentración de productos destilado. pesados en la alimentación.

-Flujo constante de residuo. de -Aumento de la concentración de los componente pesado en el residuo

Rigurosos modelos han sido implementados con la finalidad de mejorar el control de la planta; sin embargo estos son muy difíciles de mantener, además que su implementación acarrea grandes costos (Hussain 1999 citado por Khairiyah 2003). La red de neuronas artificiales se ha implementado con resultados satisfactorios para el control avanzado de estas operaciones, además que no es muy costosa su implementación. La red neuronal artificial es utilizado para el tratamiento de la información, cuya unidad de procesamiento está basada en la unidad fundamental del sistema nervioso que es la neurona; este modelo se caracteriza por emular ciertas capacidades de los seres humanos como son la de memorizar y relacionar hechos, estudios han demostrado que la inteligencia del ser humano proviene de la interconexión de miles de estas unidades, y que esto se debe a que ellas reciben una señal y que después de procesar la información estas activan señales para dar una respuesta, es así como mediante las sensaciones el ser humano es capaz de aprender, la cantidad de información que recibe a diario lo hace un ser capaz de responder a cualquier problema que se le presente (Matiz, 2001) Las redes neuronales artificiales son entonces unidades de procesamiento que intercambian información; se podría decir que tienen la capacidad de aprender; la utilización de esta herramienta en los procesos de separación por destilación los hace muy atractivo debido a que las condiciones de operación de esta son muy variables y complejos. Khairiyah et al, estudiaron la aplicación de esta tecnología en una columna de destilación de crudo dulce (es decir petróleo con bajo contenido de azufre) ya que presentaba problemas debido a la composición de las fracciones y el condensado de la alimentación, los resultados obtenidos muestran que las variables de salida son predichas con un margen de error de aproximadamente de 10-3, lo que permite estimar la cantidad de cada uno de los productos que se producen. 3. CARACTE RI ZACI ÓN D EL PETRÓL EO.

Un aspecto importante durante la destilación del petróleo y que además debe ser tenido en cuenta para el diseño de las torres de destilación es la caracterización o descripción de la composición del petróleo crudo. Debido a que un análisis completo, componente por componente, de una muestra de petróleo crudo es difícil de realizar, la composición de cualquier muestra de petróleo puede ser aproximada por una destilación True Boiling Point, o destilación TBP. Este método consiste básicamente en una destilación batch usando un gran número de etapas y una alta relación de reflujo. La curva que de temperatura vs porcentaje del volumen de petróleo


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vaporizado obtenida de esta manera, representa el actual (verdadero) punto de ebullición de la mezcla de hidrocarburos presente (Watkins, 1979). Otra forma de caracterizar el petróleo crudo es por medio de las curvas EFV, las cuales son una representación gráfica del porcentaje en volumen destilado con respecto al total del vapor en equilibrio con el líquido no vaporizado. Cada punto de la curva corresponde a una medición física de la temperatura y presión determinada (Urpí, 2008). La siguiente figura (ver figura 2) muestra la forma común de las curvas TBP y EFV para una muestra de crudo.

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


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4. TORRE A TM OSF ÉRI CA

Este es un equipo donde se realiza un proceso de separación, que tiene como fin el fraccionamiento de los distintos constituyentes del crudo gracias a los efectos de la temperatura, sin el surgimiento de nuevos productos. En primera instancia, el crudo proveniente del horno ingresa por la parte inferior de la columna fraccionadora, la cual se caracteriza por ser una torre que generalmente supera los 50 metros de altura y en su interior presenta a diferentes alturas bandejas o platos que promueven la separación dependiendo de los diferentes puntos de ebullición de los componentes del crudo, de tal manera que provocan la condensación de los vapores más pesados y la evaporación de los líquidos más livianos (ver figura 3). La destilación atmosférica, también conocida como destilación primaria o topping se realiza a presión atmosférica y a no más de 450 °C. En la parte superior de la torre se obtienen gases etano, propano y butano, mientras que debajo se logran fracciones con punto de ebullición más elevado, como nafta, querosene, gas oil liviano y gas oil pesado. En el fondo queda una fracción más pesada, llamada crudo reducido, a la que si se pretende extraer aún más destilados, hay que someterla a presión reducida, ya que si se aumenta la temperatura del proceso, generaría craqueo térmico o ruptura de moléculas (Instituto Argentino de la Energía, 2008). Algunos de los combustibles de las unidades de destilación atmosféricas se comercializan directamente ya que tienen la calidad de combustibles para despacho, siendo de gran contribución económica, pero la ventaja económica más importante, es que se obtienen cortes de hidrocarburos que son carga de unidades de conversión, que las transforman en productos valiosos y de fácil comercialización. En las unidades de topping, se obtienen los siguientes productos finales y cargas de otros procesos. 

Nafta liviana, se envía como carga a isomerización donde se mejora el R.O.N. (Research Octane Number; Es el que suele figurar en la estaciones de servicio. Representa, de manera aproximada, el comportamiento en ciudad: Bajo régimen con numerosas aceleraciones) y MON (Motor Octane Number; Octanaje probado en un motor estático. Intenta reproducir la situación en carretera, alto régimen y conducción regular).



Nafta pesada, se envía como carga a hidrotratamiento de naftas y reforming, donde se mejora el RON.



Kerosene, se envía a tanque de despacho.



Gas Oíl liviano, se envía a tanque de despacho.



Gas Oíl pesado, se envía como carga a hydrocracking, convirtiéndolo en Gas Oíl y JP o a las unidades de cracking catalítico fluido (Univ de Buenos aires, 2007).


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Figura 3. Torre atmosférica y contacto liquido/vapor.

4.1 DESTI L ACI ÓN ATM OSF ÉRI CA Y EL AH ORRO DE EN ERGÍA EN LA REF I NE RÍA

Aun cuando desde 1970 se han aplicado gran cantidad de técnicas de integración de calor para el ahorro de energía a plantas de refinería de petróleo (Yasuki et al, 2011) estas siguen consumiendo grandes cantidades de energía, en particular en la unidad de destilación atmosférica, donde se ha informado que se consume alrededor del 50% de la cantidad de combustible suministrado a la planta, Por lo tanto, se puede decir que podría lograr una reducción notable en las emisiones de CO2 y el consumo de energía en las plantas de refinería de petróleo si se pudiera reducir el consumo de energía de la destilación del petróleo crudo. Una opción para la ahorro de energía en esta sección de la refinería es en la utilización de la tecnología de auto recuperación de calor donde el proceso funciona sin ninguna adición de calor, proponiéndose entonces un ahorro energético aproximadamente hasta del 48% (Phipps & Hoadley, 2003). 4.1.1. Var iables de operaci ón en una colu mna de desti lación atm osfé rica:

Las principales variables que se deben tener en cuenta para la obtención de un producto con especificaciones requeridas son las que se describen a continuación:


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

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

Esta variable debe ser controlada con precisión porque determina el grado de vaporización del crudo y la cantidad de calor que debe ser suministrada al calentador. La temperatura de entrada del crudo en la columna depende directamente de las características propias del crudo y la cantidad y la calidad de las fracciones a producir; cualquier variación en temperatura en la alimentación crea una perturbación en el perfil de equilibrio entre las fases y de la temperatura a lo largo de la columna, tal como para causar una variación en las características de los productos. Una temperatura de salida baja del calentador produce una menor cantidad de material vaporizado, y, en consecuencia, una cantidad reducida de destilado, mientras que una temperatura demasiado alta provoca reacciones de craqueo con la formación de gas y depósitos de carbono. 

Presión de operación de la columna de destilación

Esta se especifica indicando la presión en el condensador junto con la pérdida de presión en cada etapa de la columna, teniendo en cuenta las características del crudo, las condiciones de los sistemas de refrigeración (agua de refrigeración o aire) y la posibilidad de obtener el mayor grado de condensación para evitar la pérdida de producto. Normalmente, por cuestiones de economía, la presión en el condensador se fija de forma que la temperatura del destilado sea ligeramente superior (unos 10-50ºF o 6-28ºC) a la temperatura de entrada del agua utilizada como refrigerante en el condensador de la columna. Sin embargo, si esta presión se aproxima a la presión crítica de los componentes más volátiles, se trabajará a presiones inferiores y se utilizarán otros fluidos refrigerantes. A la hora de seleccionar la presión de operación de una columna hay que tener en cuenta que, en general, un aumento de la presión de operación de la columna tiene los siguientes efectos: 

Desfavorables: o

o

o

o

o

La volatilidad relativa disminuye y por tanto aumenta la dificultad de la separación: aumentan los requerimientos de número de platos, reflujo y consumo en el condensador y en la caldera. Hace aumentar la temperatura de la columna: aumentan las reacciones de degradación química, polimerización, etc. Para presiones manométricas por encima de 6-7 atm, hay que aumentar el espesor del material de la columna. Aumenta la temperatura en la caldera y por tanto se requiere un medio de calefacción más costoso. Para separaciones a altas presiones, las fugas son mayores, y aumenta el peligro potencial en el caso de usar materiales tóxicos o inflamables.


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

Favorables: o

o o

o



Aumenta el punto de ebullición del destilado, lo que permite el uso de refrigerantes más económicos. Aumenta la densidad del vapor, y por tanto, la capacidad de la columna. En la destilación de gases licuados, aumentan los puntos de ebullición del líquido que circula por la columna, lo que permite utilizar materiales de construcción más baratos. Disminuye el diámetro de las tuberías y el tamaño de las válvulas por las que circula el vapor.

Flujo y temperatura de reflujo en la columna:

El calor que no se elimina por medio de los productos que salen de la columna debe extraerse mediante eliminación de líquido en las secciones correspondientes de la columna y enviarlo de nuevo a la columna después de enfriamiento. En general, en una columna de destilación atmosférica, hay presentes tres reflujos intermedios: en la cima, el de queroseno y el de gas-oil. Obviamente la cantidad de calor que obtenga el sistema de reflujo circulante variará dependiendo de la temperatura de los líquido de extracción, la temperatura del retorno y la velocidad del flujo. La distribución del calor extraído a lo largo de la columna está determinada por el grado de fraccionamiento requerido, así como por el nivel térmico con el que se elimina el calor. Además de la temperatura, los caudales de los diversos reflujos en la columna también tienen un efecto sobre el fraccionamiento. Los altos caudales de reflujo en la columna pueden causar la inundación de la zona de retorno y lloriqueo en las bandejas inferiores, causando así una reducción de la eficiencia de las propias bandejas. Las tasas bajas de reflujo, en cambio, puede inducir arrastre del vapor hacia el bandejas por encima del punto de retorno en la columna, de nuevo causando una reducción en los eficiencia de fraccionamiento. 

Arrastre de vapor en la columna

El vapor sobrecalentado se inyecta en la parte inferior de la columna de destilación atmosférica con el fin de eliminar los componentes con puntos de ebullición menor. El efecto del vapor de agua es tal que reduce la presión parcial de la fase de hidrocarburo, haciendo que los componentes con una menor temperatura de ebullición pasen de la fase líquida a la fase de gas. Un caudal típico para estas inyecciones es 2% en peso, en relación con la velocidad de flujo de residuo atmosférico que sale de la parte inferior de la columna. Un caudal demasiado bajo tiende a dejar una parte del destilado ligero en los residuos del fondo, mientras que una tasa demasiado alta puede causar que el destilado superior pueda estar contaminado con trazas de producto pesado Jennings, 2000).


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

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

En cada punto a lo largo de la columna atmosférica, y especialmente en el punto de extracción en la columna de una corriente o un corte lateral, la temperatura del líquido refleja la temperatura de ebullición del líquido a ese punto exacto. Un aumento en la velocidad de flujo de líquido extraído de la columna conduce a una reducción del reflujo interno dando como resultado que el líquido se vuelve más rico en componentes menos volátiles y, como consecuencia, eleva la temperatura en la sección correspondiente. Por el contrario, una reducción de la velocidad de flujo de la fracción a extraer hace que más líquido permanezca en la sección de la columna inmediatamente debajo del punto de extracción, con la consiguiente reducción de la temperatura. 5. TORRE DE VA CÍO

Con el fin de seguir separando los productos del petróleo, el crudo reducido proveniente de la columna de destilación atmosférica, es ingresado a una torre de vacío (ver figura 4), la cual a partir de la baja presión se evita que por efectos de las altas temperaturas se produzca un craqueo térmico, el cual no es deseado. En estas condiciones se pueden obtener volúmenes adicionales de destilados, diesel liviano y pesado de vacío, a temperaturas semejantes a las del proceso anterior. El residuo o “fondo de vacío” puede destinarse a

combustible de la refinería, o como componente de fuel oil, de asfalto o como carga en la unidad de coqueo retardado. Por lo general estas columnas son de lechos empacados con una presión aproximadamente de 20 mm Hg y una temperatura máxima de 390°C REPSOL, 2009). En esta unidad, la energía necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada totalmente en hornos, diseñados para minimizar pérdidas de presión. La carga parcialmente vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilación, donde se produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de líquidos. La torre tiene características particulares, que la diferencian de las atmosféricas. Los dispositivos para producir el contacto liquido vapor, son rellenos especiales (flexi-rings) ubicados en lechos ordenados que permiten incrementar la superficie de interface, favoreciendo la transferencia de masa. El diámetro de la columna es diferente en zona de condensación, respecto de la zona superior o inferior, ya que las pérdidas de carga deben ser despreciables para mantener el vacío homogéneo en la totalidad de la torre (Univ. De Buenos aires, 2007).


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

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

Gas oíl liviano de vacío, se envía a otros procesos donde se obtiene gas oíl, JP, naftas carga de hidrotratamiento de naftas e isomerización y propano-butano.



Gas oíl pesado de vacío, se envía a las unidades de cracking catalítico fluido, donde se obtienen nafta de alto RON, propano carga petroquímica o despacho, butano carga a petroquímica, gases combustibles, diesel oíl carga a hidrotratamiento de diesel que lo convierte en gas oíl.



Asfalto, se envía a las unidades de craqueo térmico, donde se convierte en naftas carga de hidrotratamiento de naftas, diesel oíl carga de hidrotratamiento de diesel, gas oíl pesado de coque que es carga de las unidades de cracking catalítico fluido, carbón propano- butano y gases combustibles (La comunidad petrolera.com, 2009).



Torre preflash

El material proveniente de la destilación atmosférica, es calentado e ingresa a la torre de preflash, donde se consigue una pequeña porción de producto de cabeza y la gran parte que permanece como producto de fondo se dispone para ingresar en el proceso de vacío, lo anterior si el proceso al vacío contempla dos etapas; de lo contrario se omite el proceso de precalentamiento y se alimenta directamente la columna de destilación al vacío con los productos de la destilación atmosférica. Por su parte la corriente de arrastre puede o no, ser empleada en la medida como se considere necesario.


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

Sistema generador de vacío

Existen básicamente 3 tipos de sistemas que pueden ser empleados: eyectores de vapor con condensador barométrico, eyectores de vapor con condensador de superficie y las bombas mecánicas de vacío. o

Eyectores de vapor con condensador barométrico.

El vacío es creado por la remoción de gases no condensables y vapor del proceso por eyectores de chorro de vapor. Estos vapores y no condensables, consisten primordialmente en productos de bajo punto de ebullición, gases producidos por sobrecalentamiento, aire disuelto y vapor disuelto en la generación de vapor. En este proceso se emplean condensadores barométricos para mantener el vacío por la condensación del vapor presente en la corriente al contacto con agua fría [18]. o

Eyectores de vapor con condensadores de superficie

Estos han alcanzado más protagonismo que los eyectores de condensación debido a que los gases no condensables al igual que los vapores no se mezclan directamente con el agua de refrigeración, lo cual reduce satisfactoriamente las aguas de desecho que precisan ser procesadas en el sistema de tratamiento. La desventaja de estos condensadores en comparación con los barométricos está relacionado con es su elevado costo y mantenimiento (Mohd et al, 2003). o

Bombas mecánicas de vacío

Son las más empleadas en comparación con los eyectores de condensación y de superficie, básicamente por los costos de mantenimiento y el tratamiento de aguas de desecho que se emplear en los primeros. Figur a 5. Remoción de no-condensables por: a. eyector, b. bombas

a. b.


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. Esquema del alivio de vacío mediante inertes. Figura 6

Las bajas presiones que se requiere generar durante la destilación al vacío, y que se traducen en ventajas para el proceso, se tornan indeseables cuando las caídas de la presión en torres bien sean empacadas, o de platos dificultan la operación satisfactoria en las mismas. Razón por la cual, es necesario garantizar que la destilación se lleve a cabo sin descender más allá de los límites mínimos de presión. En la industria una práctica común para compensar los descensos bruscos de la presión se emplean corrientes de gas inerte, por lo general Nitrógeno; teniendo en cuenta que los alivios de vacío resultan preponderantes en las zonas donde se presentan estas pérdidas de presión, la mayoría de estas pérdidas además del carácter contributivo de los demás accesorios en la torre, son ocasionados en el condensador por el cambio de estado de los vapores condensables presentes (Kraus, 1998). El gas inerte empleado, influye en la capacidad del condensador para cambiar de estado los vapores, razón por la cual se requiere calcular la velocidad, cantidad y ubicación exacta por la que debe ingresar el Nitrógeno al sistema, la eficiencia del mecanismo dependerá de combinación satisfactoria de estos factores en la medida como se disminuyan los requerimientos de gas inerte. Conforme las exigencias de la industria aumentan los requerimientos en volumen de producto, se incrementan del mismo modo los riesgos y la importancia del control de las variables que garanticen un proceso seguro, económico y continuo; Existen múltiples variantes del procedimiento de alivio de vacío por medio de gases inertes, en los cuales


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debe tenerse presente la velocidad a la que pueden presentarse descensos bruscos de presión evento que puede ocurrir en cuestión de segundos (Kraus, 1998). 6. ANÁLI SI S EXERGETICO A U NA PL ATA D E DE STI LA CIÓN:

El análisis de exergía es una herramienta muy importante a la hora de determinar eficiencias energéticas en equipos de una planta industrial, y por consiguiente de manera más general a la planta misma. En estudios realizados por Benali et al. (2012) se lleva a cabo este tipo de análisis a un proceso de destilación atmosférica de crudo, con el fin de encontrar los principales factores que se involucraban en la degradación de la energía que en ultimas representaba un gasto energético debido a las irreversibilidades que presentaba el sistema de estudio. Por medio de ecuaciones matemáticas y en forma de arreglo matricial, los autores pudieron determinar que la contribución de las especies ligeramente evaporadas en el tren de precalentamiento, al ser pasadas por el horno para luego ser ingresadas por el fondo de la columna representaban en gran medida forma de irreversibilidades que se convertían en destrucción de la exergía, por lo que los autores proponen de acuerdo a la matriz de destrucción de exergía eliminar estos términos ingresando estos productos ya evaporados al tope de la columna mediante un flash adiabático y de esta forma las contribuciones a las irreversibilidades por estas especies serian insignificantes (Cavado et al, 2005). Mediante un software de simulación se pudieron probar ambos sistemas (con y sin flash), bajo las mismas condiciones para apreciar si se presentaba un efecto significativo sobre la destrucción de la exergía. Los datos arrojados por el simulador muestran que las irreversibilidades se minimizan y se puede obtener hasta un ahorro en la energía suministrada al horno hasta de un 21%. Finalmente se puede concluir que para tener datos más confiables y probar con certeza que se aprecia un ahorro significativo de energía, se deben tener en cuenta más contribuciones y un modelo matemático más robusto y menos simplificado, aun así se presenta como una buena herramienta para mejoramiento de los procesos de destilación el análisis exergético o de degradación de la energía, pues revela los puntos débiles en cuanto a eficiencia energética se refiere. 7. ASPECTOS ACE RCA DE L A CORROSI ÓN:

En la actualidad, la gran mayoría de los equipos empleados en la industria petrolera son fabricados de acero al carbón, debido a que las corrientes no corroe éste tipo de acero a temperaturas no superiores a los 450°F (230°C), excepto en los sistemas de sobre-cabezales o domos de destilación flash y de la columna atmosférica. Cuando este rango de temperaturas es sobrepasado se manifiesta en gran medida los problemas de ataque con azufre y ácido nafténico.


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Como es bien sabido, el crudo está constituido por diferentes compuestos químicos e impureza, las cuales pueden causar un grado amplio de corrosión dependiendo de las condiciones de operación de la unidad de crudo; este tipo de impurezas pueden ser sales inorgánicas [cloruro de sodio (NaCl), cloruro de magnesio [MgCl2] y cloruro de calcio [CaCl2], ácidos orgánicos, compuestos de azufre y cloruros orgánicos. Las sales empleadas al precalentarse comienzan a hidrolizarse formando vapores de HCl los cuales al solubilizarse en agua se disuelve en el agua condensada para formar ácido clorhídrico, el cual es altamente corrosivo causando severos problemas en el domo de la columna, en los condensadores y la línea del sobre-cabezal. Por su parte, los problemas asociados a los compuestos de azufre están estrechamente relacionados con el ácido sulfhídrico (H2S) por debajo del punto de rocío del agua (estado acuoso) y por encima de los 500°F (260°C), a esta temperatura el H2S reacciona con el hierro desgastando con ellos el material, dicho desgaste está asociado a la temperatura, la velocidad de la corriente y la composición del material. La corrosividad causada por el azufre afecta principalmente las partes calientes de la columna de destilación atmosférica, en la columna de pre-destilado instantáneo, la columna de destilación al vacío, tuberías e intercambiadores de calor (Shuncheng & Begajewicz, 2002). Otro aspecto a tener en cuenta en los procesos que implican la transformación del crudo en otros productos industriales llevados a cabo en plantas de destilación al vacío es la corrosión con ácido nafténico (NAC), constituyéndose en una unidad delicada frente a la corrosión debido a que dichos ácidos se acumulan en puntos de ebullición similares a los que se encuentran en la unidad de destilación al vacío a más de 450°F (250°C); este desgaste se presenta en zonas que el azufre ataca a altas temperaturas tales como los tubos del horno y los codos, las líneas de transmisión, paredes y bandejas en la columna de vacío, manifestándose en picaduras, ranuras de filo liso y en algunos casos en forma de agujeros, por esta razón se recomienda que su construcción sea en acero inoxidable con aleaciones considerables en molibdeno, dado que los aceros AISI 316 y AISI 317 no pueden resistir el ataque del ácido nafténico (Robles & Arellano, 2002). El molibdeno presente en las aleaciones influye de buena manera en las propiedades y características de la película de acero aumentando consigo la estabilidad de la capa pasiva. Es por esta razón, que se hace necesario realizar inspecciones de manera periódica mediante la observación visual, el análisis de uso de microscopía de barrido y óptica, y espectrometría de rayos X (Vassiliou, 2009). Estas evaluaciones se llevan a cabo dando prioridad a las zonas de mayor daño producido por el ácido nafténico mencionadas anteriormente que corresponden a las zonas donde se produce gasóleo pesado de vacío (HVGO) en rangos de temperaturas de 365°C a 394°C teniendo en cuenta que en estas zonas los valores de índice de acidez total son mayores. Investigaciones realizadas en unidades de destilación al vacío después de 5 años de operación muestran los siguientes resultados:


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

Se presentaron ataques por picaduras, en este caso se deben emplear acero inoxidable con mayor contenido de molibdeno como el acero inoxidable AISI 316 que contiene 2% en peso más de molibdeno. Empaquetadura de la Torre

Bandeja y copas de burbujeo

Se presenta un desgaste mecánico por la fricción desarrollada entre las copas de burbujeo y la bandeja alrededor de los 350°C, este movimiento va eliminando las películas protectoras contribuyendo de esta manera a un ataque corrosivo acelerado.

Presenta un desgaste debido a las altas temperaturas, además la corrosión por ácido nafténico se da por el choque ocasionado por un fluido de expansión. Pared de la columna de la zona de vaporización instantánea

Es el caso común de ataque corrosivo por picaduras ocasionado por condensación del ácido alrededor de 355°C Rejilla de soporte Se manifiesta un daño producido por ácido nafténico a 380°C, aumentando el grado de corrosividad por el régimen de caudales del fluido. Línea de transferencia Otras de las mediciones para el control de la corrosión aparte de la buena selección del material para unidades de destilación son:


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





Desalado, cuyo propósito principal es eliminar la cantidad de sales presentes en el aceite crudo a menos de 3 ppm debido a que con esto se reduce la probabilidad de formación de ácido clorhídrico en el precalentamiento a partir de la hidrolisis. Adición de sosa caustica con el fin de eliminar el HCl liberado y convertirlo en NaCl reduciendo la cantidad liberada de HCl, sin embargo, se debe tener cuidado con las cantidades a adicionar debido a que al aplicar grandes cantidades se corre el riesgo de obstruir el tren de precalentamiento de crudo, problemas de contaminación en el catalizador, entre otros, lo cual se evita con una buena mezcla en la inyección de la sosa caustica al proceso. Inhibidores de corrosión generalmente orgánicos, forman una película continua y delgada que actúa como barrera protectora entre los ácidos en el sistema y la superficie del metal debajo de la película formada (Speight & Ozum, 2002).

7.1 FU ENTES DE CONTAM I NACI ÓN:

Los sistemas de creación de vacío en las industrias de refinación, son las causantes de gran parte de la contaminación generada. En los condensadores del sistema, durante la creación del vacío gran parte de gases hidrocarburos y orgánicos no condensables se disipan a la atmosfera, mientras que los vapores condensables se mezclan con el agua de enfriamiento (Wilson et al, 1951). Ambos mecanismos son fuente de contaminación si no se tienen en cuenta los procedimientos y los procesos adecuados para mitigar tal situación. En el petróleo además de sus componentes principales, están presentes gran cantidad de compuestos indeseables tanto para el proceso de refinación, como para la calidad del producto finalmente requerido. Dependiendo del tipo de impurezas se llevan a cabo procesos como pre-tratamiento antes de poder ser procesado el petróleo tales como lavados con agua y desalinización (este último también se halla relacionado con el mantenimiento de los equipos debido a que contrarresta la corrosión y el ensuciamiento de los mismos). Sin embargo existen siempre cantidades de sustancias que no son retenidas completamente en estos procesos preliminares; razón por la cual las aguas de desecho provenientes de los sistemas de creación de vacío implican un especial cuidado y tratamiento, debido en parte a que en ella se dispone de gran cantidad de sulfuros (en especial cuando se están refinando crudos ácidos), y de contaminantes solubles, cloruros, mercaptanos y fenoles. La composición de los contaminantes depende de diversos factores que van desde el funcionamiento y las condiciones de la torre de destilación, hasta las concentraciones de la alimentación y el producto final deseado. La situación debe ser especialmente analizada debido a que se deben implementar mecanismos satisfactorios de control de contaminación, por ejemplo si se aumenta la temperatura del agua refrigerante son menos las emisiones a la atmosfera de gases no condensables, pero entonces aumenta la cantidad de estos componentes disueltos en las aguas de desecho. Dos de los métodos que han mostrado mejores resultados en el control de las sustancias no condensables son mediante la recuperación del vapor y la absorción. La primera es el de mayor empleo, y consiste básicamente en la ventilación y combustión de estos no INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA | PP. 51-84

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condensables para la generación de energía; por otra parte, cuando se recurre al empleo de la absorción, se pasan no condensables por una cascada de petróleo pobre, cuando la cantidad de estos gases justifica el costo de inversión inicial y mantenimiento. 8. CONTROL MU LTI VARIA BL E PARA UNA PLANTA DE DESTIL ACI ÓN AL VACÍO DE H I DROCARB UROS.

F igura 7. Esquema simpli fi cado de la Planta.

El trabajo de planta en el ámbito industrial requiere en la mayoría de las instancias el control de las variables que regulan el proceso. Por lo tanto, el trabajo llevado a cabo por los estudiantes de pregrado de la Universidad de Carabobo en Venezuela, plantea el diseño de un control multivariable que ejerza función en una planta de destilación al vacío que hace parte de la refinería El Plaito, ubicada en Venezuela. La labor se justifica, bajo el ideal de que la implementación de un controlador multivariable automatizado garantiza una mayor estabilidad en el proceso, así como también la obtención del máximo beneficio a escala económica, obteniéndose productos bajo especificaciones estandarizadas e incrementando incluso la permanencia operacional. La planta de destilación al vacío consta básicamente de un horno, acompañado de eyectores junto con la misma torre de vacío (ver figura 5). Esta planta trabaja con 80000 barriles al


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día de crudo reducido provenientes del fondo de la torre de destilación atmosférica. Un diagrama ejemplificado de la planta se muestra en la figura 7, donde es evidente la obtención de gasóleo liviano, gasóleo pesado de vacío y así mismo fuel oil. En esta investigación luego de conocer las condiciones de operación de la planta, se establecieron las variables a manipular, a controlar y a perturbar. Determinándose, la necesidad de controlar trece variables, manipular 6 y perturbar dos. Seguidamente, se predicen los modelos matemáticos (41 en total), posteriormente con ayuda de un software se construyó el controlador por modelo predictivo (MPC) multivariable. Ahora, vale la pena resaltar que el control por modelo predictivo se basa en el modelo del proceso en lazo abierto, que permite al controlador predecir el comportamiento del proceso en el futuro (Yildirim et al, 2011). Para terminar, la investigación arrojó y mostró que aunque la complejidad para el diseño de estos supervisores multivariables es realmente alta, los resultados que arrojan su implementación son realmente buenos e inclusive satisfactorios. Sin embargo los softwares son una herramienta facilitadora y sencilla en la elaboración de controladores multivariables. 9. UN N UE VO RETO PARA L AS REF I NERÍAS

Como se había citado con anterioridad, hace algunos años era mucho más fácil trabajar con crudos ligeros de bajo contenido en azufre lo que permitía el empleo de prácticas convencionales en la obtención de queroseno con finalidades de uso en la aviación. Sin embargo, los crudos que hoy se procesan no permiten la fácil obtención de la gama de querosenos que el mercado de los combustibles para aviación reclama. Por tanto el reto de las refinerías consiste en satisfacer esta necesidad de combustible para aviación así como también su calidad. Es así como el trabajo realizado por los investigadores Alberto Cavado, Neyda Om, Yordanka Reyes, Gisel Chenard y Rubén Martínez evalúa la tecnología convencional de destilación atmosférica y de hidrocraqueo moderado – ¨Mild Hydrocracking¨ – en la obtención de querosenos para la aviación a partir del procesamiento de crudos pesados (Mao, 2010). Ahora bien, esta investigación permitió la fijación de metodologías y normativas que pudieran servir como guías en la producción de queroseno de aviación con la evidente intervención de petróleos crudos nacionales extra pesados con elevada contención de azufre. En el desarrollo de la investigación se utilizaron crudos importados y crudos producidos en Cuba cuyas Características de cada crudo así como también de la mezcla de ambos, con un 20 % de crudos nacionales (Jaruco y Varadero) se muestran en la tabla N° 3.


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Tabla 3. Propiedades físico-químicas del inyecto y de los crudos que lo componen: Crudo Mesa 30 y Crudo Nacional (80:20).

Con este trabajo investigativo se buscó en primera instancia el reconocimiento y la consecución de queroseno (combustible para aviación) que cumpliera con la normativa establecida por ASTM y el Check List para el combustible Jet A-1. Lo anterior bajo la determinación del porcentaje óptimo de mezclado de los crudos de trabajo. Ahora bien, en cuanto a la unidad de destilación atmosférica de la localidad de Santiago de Cuba donde se encuentra ubicado el complejo de refinería usado como sitio de desarrollo de labores investigativas, trabaja bajo los siguientes parámetros de operación durante el seguimiento realizado (ver tabla 7).

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


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La destilación TBP de esta mezcla de crudos, según el método ASTM D 2892, en una columna de 15 platos teóricos demostró que, en dependencia del punto inicial de la destilación y el régimen de tratamiento en la planta de Hidrofinación Catalítica, los rendimientos de la fracción base de querosina se encuentran entre el 16 – 20 % m/m. La fracción obtenida en la Unidad de Destilación Atmosférica fue utilizada como un inyecto a la Unidad de Hidrofinación Catalítica (Gary & Handwerk, 2001). Para finalizar, en cuanto a actualidad se refiere en lo vinculado estrechamente con la destilación atmosférica y demás unidades sistemáticas de trabajo, se determina que la experiencia con crudos extrapesados con contenidos relevantes de azufre mezclados con determinado porcentaje de crudos ligeros permiten la obtención de fracción de querosina que bajo posterior hidrofinacion conllevan a la obtención de queroseno de aviación (jet A1) con indicativos de calidad de aceptación internacional.

9.1 NORMATIVA Las características del crudo y sus productos son de vital importancia en la seguridad y desarrollo de productos derivados de este, especialmente en el caso de combustibles y solventes hidrocarbonados. El rango de evaporación suministra información acerca de la composición, propiedades y el comportamiento de los combustibles durante su almacenamiento, transporte y uso. En los solventes, la velocidad de evaporación es un factor importante especialmente en la industria de la pintura y el recubrimiento. Los límites de destilación son incluidos en las especificaciones de productos del petróleo, en contratos comerciales, control en los procesos de refinería y para cumplimiento de varias regulaciones. La ASTM 86 cubre los test para la destilación de productos del petróleo, para la obtención de datos en un laboratorio para determinar cuantitativa de las características del rango de evaporación de productos tales como la gasolina natural, destilados livianos y medios, combustibles de automóviles, de aviación, turbinas, diesel, “espíritu del petróleo”, naftas, “espíritu blanco”, keroseno, y combustibles de caldera de grado 1 y 2. Los solventes

hidrocarbonados también son incluidos en esta norma. Esta norma es diseñada para combustibles productos de la destilación, y no es aplicable a productos que contienen cantidades apreciables de residuos. Para la destilación atmosférica los métodos de test son la ASTM D 86-04b “Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Atmospheric Pressure” y la D850-03 “Standard Test Method for Distillation of Industrial Aromatic Hydrocarbons and Related Materials” y D1078 “Standard Test Method for Distillation Range of Volatile Organic Liquids”, estas normas deben seguirse en un estricto sentido de precision y reproducibilidad

por sus altos costos, la norma ASTM D86 parte de unos parámetros sencillos y permite medir las características del crudo dependiendo de sus volatilidades y su separación en la destilación atmosférica, siempre parte de una clasificación a priori en grupos como se presentan en la tabla 5. INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA | PP. 51-84

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Para la de destilación al vacío, las normas usadas son La ASTM D2892-03 “Standard Test Method for Distillation of Crude Petroleum” aunque no aparezca como una especificación

oficial es usada para la valoración del crudo y su procesabilidad, en el cual se consigue el cut point (punto de ebullición) y la eficiencia además de una gráfica de temperatura vs porcentaje de masa destilado, la cual es definida en una columna de 15 platos teóricos, con una razón de reflujo de 5 dando una TBP “True boiling point”, aunque esta debe ser de

mucho cuidado ya que este término no es la sugerida, no está permitido que la temperatura de vapor exceda los 210°C ni que la temperatura de ebullición del líquido exceda los 310°C” esto implica que solo se trabaja hasta 400°C AET (temperatura atmosférica

equivalente) que es calculada con la ecuación Maxwell y Bonnell (Maxwell, J. B., and Bonnell, L. S., Industrial Engineering Chemistry, Vol. 49, 1957, pp. 1187 – 1196.) y aunque la ecuación es corregida por varios valores del factor K de Watson, solo se usa con un factor K de Watson igual a 12.

TABLA 5. Grupos de crudos según la norma ASTM D86 GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO GRUPO 0

1

2

3

4

CARACTERISTICAS DE LA MUESTRA TIPO DE DESTILADO

Gasolina Natural

PRESION DE VAPOR (KPA)

≥ 65.5

< 65.5

< 65.5

< 65.5

≤ 100

> 100

> 250

> 250

A 37,8°C NORMAS D323 D4953, D5190, D5191, D5482, IP69 O IP394 DESTILACION IBP °C EP(END POINT)°C

≤ 250

≤ 250

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

Products, caracteristicas grupales La D5236-03 “Standard Test Method for Distillation of Heavy Hydrocarbon Mixtures" [Método de vacío en potstill (alambique)], es denominada una extensión de la D2892, y su gran diferencia radica en el punto máximo de temperatura alcanzado que es de 565°C, es INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA | PP. 51-84

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usada determinar la curva de destilación estándar a la mayor AET posible y los procedimientos para la producción de fracciones de destilado de gasoil y lubricantes así como la producción de residuos estándar. Ademas se usa la D1160-03 “Standard Test Method for Distillation of Petroleum Products at Reduced Pressure”.

9.2. TÉCNICAS DE DESTILACIÓN EFICIENTE El aumento de la demanda energética, la creciente contaminación por el indiscriminado e ineficiente uso de combustibles fósiles y los elevados precios del crudo ha motivado a los investigadores a explorar procesos más eficientes y favorables al medio. Entre las investigaciones más amplias, los siguientes aspectos necesarios son primordiales para la columna de destilación de calor integrado: modelado dinámico riguroso, diseño óptimo, el análisis multivariable de estado estacionario, identificación de sistemas, la síntesis y la aplicación de alta calidad de control no lineal, y la evaluación experimental (Anayansi & Ruiz, 2000), estas investigaciones han permitido desarrollar diseños y montajes dentro de los cuales se destacan los siguientes: 

Columna de pared dividida

Esta configuración de columna de destilación se muestra en la Fig. 5 se refiere a menudo como columna con pared divisoria (DWC según sus siglas en ingles). Esto se logra cuando una partición vertical (pared) se introduce en una columna de destilación para organizar una pre-fraccionador y una columna principal dentro de una única carcasa. La ventaja ofrecida por esta columna particionada es una mezcla ternaria que puede ser destilada en corrientes de producto puro con estructura de destilación única, contando con un rehervidor y un condensador. Esto implica en una reducción del costo de separación. La inversión inicial seria baja (Cabrera et al, 2012). Se diseñó un esquema donde se incluye una columna vertical, que posee un divisor longitudinal para separar la sección de agotamiento junto con la sección de rectificación, conservando una diferencia de presión entre las dos partes mencionadas. Una serie de tubos se pasan entre la sección de agotamiento y la de rectificación, para tener un aprovechamiento de transferencia de calor por el fluido de trabajo que viene por la sección de rectificación y se dirige a la sección de agotamiento. La sección de rectificación trabaja a una temperatura mayor que la sección de agotamiento (Matiz, 2001).


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Figura. 8. Una representación esquemática de una columna de destilación Petlyuk (también conocido una columna con pared divisoria).



Columna Petlyuk

La estructura Petlyuk en comparación con una unidad de destilación convencional, tiene muchos grados más de libertad en tanto a la operación y el diseño causando dificultad en el diseño tanto de la columna, así como el sistema de control, no obstante se requiere una menor inversión inicial y los costos de operación suelen ser más reducidos. Como se representa en la Fig. 6, el esquema de Petlyuk de dos columnas consta habitualmente de un pre-fraccionador conectado con una torre de destilación que está equipado con un solo intercambiador de calor y el condensador. El acople de dispositivos de intercambio de calor a este sistema es el responsable de los ahorros de energía. El inconveniente con esta columna son los acoplamientos entre el procesamiento de unidades el cual dificulta el manejo de operación y control. (Perry, 2001).


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



Columna de destilación adiabática

En las columnas de destilación adiabática, el calor sólo se suministra a la caldera de la parte inferior y se extrae del condensador de reflujo. Como se muestra en la Fig. 7, la transferencia de calor entre la columna y el entorno tiene lugar en cada bandeja de la columna utilizando un medio fluido a través de la bobina. En la destilación adiabática, cada bandeja necesita un circuito de intercambio de calor individual, por lo que el coste de inversión aumenta sustancialmente. Para aliviar el problema se simplificó el diseño de la columna diabática con el uso de dos redes de intercambio de calor, una es para la sección de rectificación y otro para la sección de extracción. Esta columna relativamente simplificada consiste en un fluido de calentamiento único (generalmente vapor) que circula desde la bandeja hasta la bandeja de alimentación (zona de separación) y un fluido de enfriamiento único (generalmente agua) que circula por encima de la bandeja de alimentación (zona de rectificación). Debido a los ya mencionados factores la inversión inicial es más alta que para una columna convencional, (Perry, 2001).

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


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9.3. MALFUNCIONAMIENTOS COMUNES DE LAS TORRES DE DESTILACIÓN AL VACÍO EN LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA. Tabla 6. Malfuncionamientos comunes en torres de destilación (Anayansi & Ruiz, 2000). TIPO DE COLUMNA BREVE DESCRIPCION ENSEÑANZA Residuo de crudo en la La eficiencia del plato fue Se debe tener cuidado con columna de destilación menor de lo esperado. Las la predicción de eficiencia al vacío copas de los platos en la debida las cargas del columna contuvieron y líquido. operaron cargas bajas de líquido y con amplias variaciones en las cargas de vapor. Residuo de crudo en los Se produjo lloriqueo por la baja Evitar que los platos platos de burbuja de la carga de líquido, el cual no equipados tengan nibs boca columna de destilación permitió la circulación del abajo cuando las fugas del al vacío líquido en una sección de líquido sean críticas. bombeo. Remplazando las válvulas equipadas con nibs boca abajo (evitando que se peguen) con válvulas que están al ras con el soporte para resolver el problema. Platos de copa en Una parte de las válvulas de La reducción de la válvula columna de vacío tres platos y se abrieron de densidad y la soldadura huecos. Extremos de las de las bandejas pueden bandejas y bandejas de reducir la fuga distribución fueron soldados. Se redujo la fuga, la separación y se mejoró la recuperación de calor. 10. OPTIM I ZACI ÓN Y ME JORAS DEL PROCESO DE DESTI L ACI ON DE CRUDO

La unidad de destilación de crudo es probablemente el método de separación más ampliamente empleado en la industria de refino de petróleo, donde el mayor factor de complejidad es la gran variedad de productos que puede ofrecer, que van desde gases licuados hasta asfalto. Los equipos utilizados son generalmente grandes debido a la capacidad típica en una refinería, lo que hace que consuman energía en cantidades considerables. Además, los productos destilados que se obtienen deben cumplir con unas restricciones de calidad, lo que obliga a que se deban manejar ciertas condiciones de operación para alcanzar esos requisitos. Por lo anterior, es de gran importancia la


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optimización en el diseño y operación de estos equipos si se quiere minimizar el consumo de energía o maximizar los flujos de productos valiosos u otro objetivo específico. Torres. J.E., et al., reportó el uso y la aplicabilidad de la optimización de procesos con el lenguaje de modelado GAMS y simulador Simsci Pro/II para una columna de destilación atmosférica de crudo de cinco productos: nafta, queroseno, diesel, gasóleo y crudo reducido. La optimización del proceso consiste en maximizar la producción de diesel o queroseno, sujeto a condiciones de calidad, restricciones hidráulicas, relaciones de equilibrio, balances de materia y energía. La obtención de los parámetros óptimos es un proceso iterativo, donde un procedimiento de optimización genera un conjunto de valores de los parámetros y los alimenta a la simulación que estima el desempeño del sistema, repitiéndose lo mismo hasta que se satisface el criterio deseado. El propósito de los metamodelos es aproximar las relaciones entre las variables de salida de la simulación y las variables de entrada con modelos matemáticos computacionalmente eficientes; otra ventaja adicional de los metamodelos es la facilidad de ser incorporados a softwares dedicados a la optimización [42]. En 2011 Benhali Tahar, et al., desarrollaron mejoras al proceso de destilación atmosférica del crudo por integración de energía mediante la introducción de un destello en el tren de precalentamiento de un proceso de destilación atmosférica de petróleo, junto con una introducción adecuada del vapor resultante en la columna; lo que potencialmente podría suponer un ahorro sustancial de energía, reduciendo el trabajo del horno de precalentamiento, haciendo algunos prefraccionamientos y reduciendo las irreversibilidades de la columna. Una segunda investigación fue realizada en el 2012, manteniendo el rendimiento y las características del producto sin cambios. El resultado es que la colocación de varios destellos después de los intercambiadores de calor y la alimentación de las corrientes de vapor correspondientes a las bandejas apropiadas de la columna, reduce los flujos de reflujo circulante y el calor traído al tren de precalentamiento. El déficit de calor resultante puede entonces ser compensado en un intercambiador de calor adicional mediante el uso de calor de bajo nivel recuperado de los productos de la destilación y/o importados de otros procesos. El uso de este calor residual reduce el deber del horno por una cantidad aproximadamente equivalente. La simulación con un diagrama de flujo de ejemplo muestra que los ahorros en combustible podrían ser alrededor del 21% (Benali et al, 2011). Ponce G. Marco, et al., desarrollaron en el 2001 un método integral para mejorar el diseño de columnas de destilación a partir de conceptos de energía, mediante el uso de curvas de entalpía-temperatura que relacionan la operación simulada con una ideal reversible. Este método fue aplicado a una torre de destilación en la planta combinada de la refinería de Tula (México) que consta de 34 platos teóricos, para la cual se demostró que la adición de un pumparound refleja la reducción en los consumos de energía del orden de 400 millones de BTU/día, sin detrimento de la cantidad y calidad de los productos destilados.


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Dazi Li., et al, reportaron en el 2009 la aplicación práctica de un IMC (Internal model control)-PID en una unidad de destilación atmosférica y al vacío. En este estudio se presenta una estrategia de identificación de sistema en un ciclo cerrado basado en algoritmos ya reportados. La aplicación del modelo planteado en el estudio permitió optimizar y ajustar el controlador. Las condiciones antes y después de la optimización mostraron mejoras en cuanto a la calidad y la relación de reflujo y una reducción en el consumo de energía. 11. CONCL USI ONE S

Una vez abordado el proceso de destilación del petróleo crudo es posible concluir que: El proceso de destilación, así como las variables críticas ha sido descrito en los trabajos de investigación estudiados y reportados. Las torres de destilación y su eficiencia condicionan el funcionamiento y capacidad de operación de la refinería. La alimentación de las columnas debe estar libre de agua y sales para evitar daños en los equipos. Presiones muy bajas garantizan buen fraccionamiento en las columnas de vacío. Los malfuncionamientos o fallas en las columnas de destilación generalmente son debidos a fallas presentadas durante la operación y no durante el diseño. El cracking térmico dentro de las columnas es indeseado porque se genera coque que obstruye las tuberías y daña los equipos. La energía necesaria durante el proceso condiciona la eficiencia de la destilación. El aprovechamiento al máximo de los recursos tanto energéticos como de materia prima es un aspecto primordial durante el proceso de fraccionamiento del petróleo, ya que en lo posible, se debe disminuir la cantidad de combustible usado para la generación del calor necesario para la separación y además se deben recuperar las fracciones de petróleo hasta cuando sea rentable. Debido a las grandes dimensiones de los equipos de las refinerías, se produce un consumo energético en cantidades considerables y además los productos deben cumplir una normativa específica de calidad, lo que obliga a que se deban manejar ciertas condiciones para alcanzar dichos requisitos, por tanto es de gran importancia la optimización del diseño y operación de los equipos que garanticen minimizar el consumo de energía y maximizar la producción de los productos. Para un buen fraccionamiento de los crudos pesados es necesario mejorar las propiedades físicas que impiden la fácil circulación del fluido, tales como la densidad y la viscosidad, lo cual se logra al mezclarlos con petróleos de corte más liviano. La destilación es una de las principales operaciones que permiten obtener derivados de mayor valor comercial, convirtiéndose en un producto fundamental para el desarrollo de todos los procesos, por mencionar algunos se encuentra el combustible que emplean loa autos, aviones o camiones para desplazarse; el asfalto que cubre carreteras y autopistas; el gasóleo que alimenta la calefacción; los plásticos empleados para la fabricación de computadoras, juguetes, electrodomésticos; los disolventes que permiten separar un componente en especial o auxilian algún proceso de producción, entre otros derivados. INGENIATOR | REVISTA VIRTUAL DE LOS PROGRAMAS DE INGENIERÍA|UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVTURA, SECCIONAL CARTAGENA | Vol.3, N°5, julio – diciembre del 2012 | ISSN 2027-9396 (en línea) | CARTAGENA, COLOMBIA | PP. 51-84

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El éxito de la separación y por ende del proceso de refinación depende de la sincronización entre las variables que afectan la operación, el control de las mismas y su incidencia en el producto deseado; la presión que se maneja en la destilación no es una propiedad ajena a esta situación, en torres de destilación al vacío es necesario garantizar las bajas presiones; caso contrario en las torres de destilación atmosféricas las cuales incluso cuentan con sistemas de alivio de vacío. Sin embargo, ambas circunstancias guardan en común la relevancia de la presión y los diversos métodos que se emplean para su control y el proceso de destilación. Además, es importante tener en cuenta al momento de llevar a cabo un proceso de destilación cada una de las variables que pueden influir directamente al deterioro de los equipos, tener en consideración cada uno de los perjuicios que pueden presentarse y que contribuirían a la avería de las unidades de destilación, con el fin de evitar el desgaste por corrosión causado por distintos componentes ya sea ácido nafténico, compuestos de azufre, ácidos orgánicos y cloruros orgánicos, entre otros, así como los materiales empleados para la construcción de los diferentes equipos utilizados en la industria petroquímica y los debidos mecanismos correctivos al momento de presentarse cualquier tipo de anomalía asociada al desgaste de las unidades del proceso. Y para finalizar, las simulaciones y los análisis exegéticos sirven para comprender los fenómenos y los mecanismos de optimización en los procesos de destilación que se llevan a cabo en la industria del petróleo. REFERENCIAS

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Destilacion Al Vacio

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