PROCESOS QUIMICOS Gas Natural Petróleo Semestre 2011-2
¿Qué es el gas natural?
Es un combustible fósil formado por un conjunto de hidrocarburos hidrocarburos que, que, en condiciones de reservorio reser vorio,, se encuentran en estado gaseoso o en disolución con el petróleo. Se encuentra en la naturaleza como «gas natural asociado» cuando está acompañado de petróleo y como «gas natural no asociado» cuando no está acompañado de petróleo.
¿Qué es el gas natural?
Es un combustible fósil formado por un conjunto de hidrocarburos hidrocarburos que, que, en condiciones de reservorio reser vorio,, se encuentran en estado gaseoso o en disolución con el petróleo. Se encuentra en la naturaleza como «gas natural asociado» cuando está acompañado de petróleo y como «gas natural no asociado» cuando no está acompañado de petróleo.
Composición del gas natural
¿Qué es el gas natural licuado?
Es el gas metano, que ha sido sometido a un proceso criogénico, criogénico, para bajar su temperatura hasta menos 161 grados Celsius para liquefactarlo y reducir su volumen en una relación de 600 a 1 con el objeto de transportarlo t ransportarlo hacia los centros de consumo.
¿Dónde se encuentra el gas natural?
En los reservorios de petróleo, petróleo, donde, si el gas está disuelto o separado pero en contacto con el petróleo se le denomina Gas Asociado. En reservorios de gas seco, seco, cuyo nombre proviene del bajo contenido de líquidos disueltos en el gas (menor a 10 barriles de líquidos por millón de pies cúbicos de gas) en cuyo cuyo caso se le denomina Gas No Asociado. En reservorios de gas condensado, condensado, cuyo nombre proviene por la cantidad apreciable de líquidos contenidos en fase vapor en el reservorio (entre 10 a 250 barriles de líquidos por millón de pies cúbicos de gas).
El gas natural se extrae de los reservorios que se encuentran bajo tierra a profundidades que van desde los 500 m hasta los 3500 m.
Usos del gas natural
Separación de líquido y gas
Deshidratación del gas natural Es un proceso mediante el cual se remueve el agua del Gas Natural y dependiendo de la tecnología empleada el contenido de agua del gas ya deshidratado puede ir desde 7 lb/MMSCF hasta partes por millón. Los principales procesos empleados son, absorción utilizando trietilenglicol, y el de adsorción mediante el uso de tamices moleculares (alumino-silicato de calcio-sodio)
Secado del gas natural
Petróleo
Una visión esquemática de una refinería de petróleo de tamaño medio y los diversos rasgos del proceso del complejo que se identifican el diagrama de flujo se pueden apreciar en la figura.
Fraccionamiento atmosférico
DESTILACION ATMOSFÉRICA PROCESO:
El crudo es separado por destilación en fracciones líquidas, que tienen distinta composición en base a la diferencia de temperaturas de ebullición de sus componentes mediante la evaporación por calentamiento del crudo.
OBJETIVO:
Destilación primaria para obtener productos de uso como combustibles y preparar la carga para otros procesos como: industria petroquímica (gasolina primaria, butanos), destilación al vacío, FCC, tratamiento de destilados medios, etc.
CARGA:
Petróleo crudo
PRODUCTOS:
Gasolina, kerosene, diesel, gasóleo atmosférico y residuo atmosférico (o crudo reducido).
Hidrotratamiento
Hidrotratamiento PROCESO:
Son procesos donde se hace reaccionar hidrógeno con hidrocarburos insaturados (olefinas y aromáticos) transformándolos en saturados (parafínicos y nafténicos). Además el hidrógeno reacciona con compuestos de azufre, nitrógeno y oxigenados transformándolos en ácido sulfhídrico (H2S), amoníaco (NH3) y agua (H2O). Cuanto más pesada es la carga, se requiere mayor presión pueden estar entre 330 a 400 C.
OBJETIVO:
Normalmente se usa para reducir el contenido de azufre de la carga (legislación medioambiental, envenenamiento de catalizadores, corrosión, etc.) pero también se usa para remover nitrógeno, saturar olefinas y para reducir aromáticos.
CARGA:
Gasolinas, naftas, kerosene, diesel, gasóleos, etc.
PRODUCTOS:
Productos hidrotratados (con menor contenido de azufre).
Viscorreducción (Visbreaking)
Visbreaking PROCESO:
Proceso conocido como Visbreaking, es un craqueo térmico moderado usado para producir productos más valiosos a partir de residuos pesados . Existen dos versiones de procesos: el proceso con hornos y el proceso con “soaker”.
OBJETIVO:
Proceso desarrollado reducir la viscosidad de los residuales pesados minimizando el uso de material de corte, pero muchos refineros ahora lo usan para obtener carga adicional para el proceso de craqueo catalítico.
CARGA:
Residuo de vacío.
PRODUCTOS:
Gasolina y gasóleos para FCC, nafta pesada para Reformación, si el contenido de nitrógeno no es muy alto, y residuo de menor viscosidad que la carga para blending.
Cracking catalítico
Cracking Catalítico PROCESO:
Se produce una descomposición controlada de las moléculas pesadas de la carga por acción de la temperatura (alrededor de 520 C) y de una sustancia sólida denominada catalizador, el cual promueve la producción de los compuestos deseables. Se denomina además "fluido" porque el catalizador, que es un polvo muy fino, se comporta como un fluído al adicionarse a la carga de gasóleos provenientes de las unidades de destilación primaria y destilación al vacío.
OBJETIVO:
Convertir los productos pesados, que usualmente tienen menor valor comercial, en fracciones ligeras como gasolina de alto octanaje y gas licuado. Remueve el 40% de azufre como H2S.
CARGA:
Gasóleos atmosféricos, de destilación al vacío de coker o VB.
PRODUCTOS:
Gasolina de alto octanaje 95-98 RON, GLP, LCO para diesel , HCO y residuo de baja viscosidad para residuales.
Hidrocraqueo
Hidrocraqueo PROCESO:
Es un proceso en el cual la carga reacciona con hidrógeno sobre un lecho catalítico. Esto produce una alta conversión de la carga a productos de menor punto de ebullición que lo obtenido en FCC. Las presiones pueden ser tan altas como 200 atm. y las temperaturas están en el rango de los 315 a 425 °C. Es un proceso muy flexible pero muy caro debido a las altas presiones de H2 con que opera. OBJETIVO:
Convertir los gasóleos pesados de plantas de coke en fracciones ligeras . El balance volumétrico produce ganancia. CARGA:
Gasóleo de planta de coke
PRODUCTOS:
Gas, nafta , gasóleo liviano y gasóleo pesado.
Proceso de alquilación
En la industria de la refinación de petróleo, la alquilación es la unión de una olefina con un hidrocarburo aromático o parafínica:
CH2 = CH2 + (CH3)3CH
(CH3)3CCH2CH3
Los procesos de alquilación son exotérmicas y son fundamentalmente similares a los de la industria de procesos de refinación de polimerización, pero difieren en que sólo una parte de la carga deben ser hidrocarburos saturados. Como resultado, el producto de alquilatos no contiene olefinas y tiene octanaje más elevado.
Alquilación con HF
Técnica del balance de átomos
No involucra detalles de las reacciones químicas que puedan ocurrir. Esto es una contabilidad de átomos, que se basa en el concepto de conservación de las especies atómicas. Se puede establecer, puesto que los átomos se conservan, podemos decir: Entradas (de una especie de átomos) = Salidas (de la misma especie de átomos).
Se puede plantear:
Por ejemplo, si hay hidrocarburos que participan en un proceso particular, se plantea: Entrada (de átomos de C) = Salida (átomos de C) Entrada (de átomos de H) = Salida (de átomos de H)
Consideremos una operación de craqueo catalítico. Las reacciones químicas que tienen lugar en este proceso son bastante complicadas y sería difícil analizarlas en detalle. De todas maneras, imaginemos que conocemos las composiciones de entrada y salida de las corrientes de alimentación y de los productos; entonces sería así: Haciendo uso de estos datos, calcule la relación entre el número de moles del producto y las moles de alimentación.
Solución: se plantea
Se puede plantear balances de átomos que participan en la reacción, como el C e H. Tomemos un balance de átomo de H. Así por ejemplo, en 3 moles de C8H18 contienen 3 moles. 18 H átomos por mol = 54 átomos de H. Sumando todos los átomos de H en la entrada, obtenemos: Átomos H que entran = 3 x 18+ 7x 24+ 20 x 24 + 35 x 32+ 35 x 36 = = 3082
Se omite el número de Avogadro (6. 1023), que afectaría tanto en la entrada y salida de átomos. El conteo de átomos a la salida, no es directo, por que no se conoce el número total de moles que salen; se plantea que el número de moles sea de “S”. De tal forma que el número de átomos de H en
el C6H14, es 0.05. S. 14 = 0,7 S
Átomos H que salen = (0.05x14+ O.15x14+0,20 x18 + 0.25x24+ 0.10x24 + 0.10x32 + 0.15x36) S = 23.40 S Ahora planteamos:3 082 = 23,40 S S = 131.7 moles Relación = 131.7/100 = 1.317
Técnica del balance de masa o moles
Problema de Destilación de dos componentes. Reacción del metano con vapor de agua Destilación de tres componentes Absorción-destilación
Operación de Destilación
Reación del metano
La siguiente reacción química: CH4(g) + H2O(v)
CO(g) + 3 H2
Es llevada a cabo en un reactor catalítico (llamado reformador) a la entrada del reformador se tiene 100 moles de CH4 y se opera con un 80% de exceso de agua. Si la conversión es de 80%. Calcule el flujo de agua a la entrada, los flujos de gases a la salida y la composición del mismo.
Base de cálculo: 100 moles de CH 4
Moles de H2O alimentado = 100 x 1,80 = 180 moles (Se alimenta en un 80% de exceso).
Moles de CH4 reaccionado = 100 x 0,80 = 80 (Tiene un 80% de conversión)
Moles de CH4 no reaccionado = 20
Moles de H2O reaccionado = 80
Moles de H2O que no reaccionan = 180 – 80 = 100
Moles de CO formado = 80
Moles de H2 formado = 80 x 3 = 240
Con todos estos valores se puede calcular la composición molar de los gases que salen del reformador.
Problema de destilación
Una mezcla de benceno, tolueno y xileno se separa por destilación fraccionada en dos torres, la primera produce benceno como producto de tope; tolueno y xileno como producto de fondo, los que se cargan a una segunda torre. Esta torre produce tolueno por tope y xileno por fondo. Un diagrama del proceso se muestra en la figura. Si al proceso se alimentan 25.780 lb-mol/día de una mezcla cuya composición molar es 37.54% de benceno, 22.34% de tolueno y 40.12% de xileno.
Determinar:
a) Las cantidades que salen por tope y fondo en cada una de las torres. b) Composición en peso de la corriente de fondo de la torre 1. Datos: PM xileno = 100 PM benceno = 78 PM tolueno = 92
Base de cálculo: 1 día de operación Moles alimentadas: 25780 moles-lbs
Moles de cada compuesto: Benceno : 0.3754 x 25780 = 9677.8 lb-mol Tolueno : 0.2234 x 25780 = 5759.3 lb-mol Xileno : 0.4012 x 25780 = 10342.9lb-mol Benceno: El benceno que es alimentado sale por el tope de la columna 1 (puro). Entonces: Flujo de tope columna 1: 9677.8 lb-mol de benceno. Tolueno - Xileno. Estos dos compuestos son retirados por fondo de la torre 1. Fondo torre 1: Xileno: 10342.9 lb-mol. Tolueno: 5759.3 lb-mol. Composición en peso: masa de tolueno 559.3 * PM = 529855 lb masa de xileno 10342.9 * PM = 10342900 lb Masa total =10872755 lb
xileno : 95.13% tolueno : 4.87% Además esta corriente de fondo (Torre 1) sirve de alimentación a la torre 2. En esta torre el tolueno sale por tope y el xileno por fondo: Tope : 5 759.3 lb-mol tolueno. Fondo : 10 342.9 lb-mol de xileno.
Destilación Una columna de destilación separa 10000 lb/h de una mezcla formada por 50% de benceno y 50% de tolueno. El producto recuperado del condensador en la parte alta de la columna tiene una concentración de benceno de 96%. La corriente que entra al condensador proviene del tope de la columna es de 8000 lb/h. Una porción de este producto se regresa a la columna como reflujo y el resto se separa. Supóngase que la composición en el tope de la columna, el destilado y el reflujo son idénticos. Encontrar la relación entre la cantidad de producto de reflujo y el producto separado (destilado).
Todas las composiciones se conocen y dos pesos son desconocidos. Debido a que no hay elementos de correlación se hace necesario la resolución por el método algebraico. Mediante un BM total se lo puede encontrar D. Una vez conocido D, el BM alrededor del condensador permitirá determinar R. Balance de Masa total:
F=D+B 10000=D+B => D=10000-B
Balance de Masa de benceno
F. xF=D. xD + B. xB
10000. 0.50 = D. 0.96 + B. 0.04 Resolviendo dos ecuaciones simultáneas tenemos: 5000=0,96 (10000-B) + 0.04. B B= 5000 lb/h D= 5000 lb/h
Balance de Masa alrededor del condensador
V=R+D 8000= R+5000 R= 3000 lb/h R/D= 3000/5000 = 0.60
Absorción- destilación
En base a la siguiente información haga los cálculos de las demás corrientes.
Base: 1 h Balance total: F1 + F2 = F3 + F5 + F6 10000 + 1200 = F3 + F5 + F6 (1) Balance de aire 10000 x 0,97 = F3 F3 = 9700 Kg Balance de acetona 10000(0,03) = F5(0,99) + F6 (0,05) 300 = 0,99 F5 + 0,05 F6 ; despejando
F 5
300 F 6 (0,05) 0,99
(2)
Remplazado (2) en (1) 11200 = 9700 +
300 F 6 (0,05) 0,99
+ F6
11088 =9603 + 300 – 0,05F6 + 0,99 F6 F6 = 1185/0,94 = 1261
F 5
300 1261(0,05) 0,99
239 Kg
