UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA PETROLERA
PRACTICA REFINACION DEL PETROLEO PET-212 PROYECTO 1: SIMULACIÓN – REFINACIÓN DE PETRÓLEO DOCENTE: Ing. Ramiro Flores INTEGRANTES: CALLE HUANZA JUAN CARLOS GONZALES HUANTO JOSE WILMER SANCHEZ QUISPE HAROL ALVARO LA PAZ- BOLIVIA
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INDICE 1. 2. 3. 4. 5.
Introducción pág. 3 Objetivo General pág. 3 Objetivos Específico pág. 3 Justificación pág. 4 Marco Teórico pág. 4 5.1.Refinación De Petróleo pág. 4 5.2.Procesos De Refinación Del Petróleo pág. 4 5.3.Bases De Diseño Y Simulación pág. 5 5.4.Propiedades De Productos pág. 6 5.5.Filosofía De Diseño pág. 7 5.6.Especificaciones Preliminares – Preliminares – Simulación Simulación De Unidad De Destilación De Crudo. pág. 7 5.7.Decisiones De Procesos En Columna De Destilación Primaria pág. 8 5.8.Caracterización De Crudos pág. 8 6. Planteamiento del problema pág. 9 7. Cálculos Analíticos E Interpretación De Gráficos pág. 14 7.1.Caracterización 7.1. Caracterización Y Evaluación Del Crudo pág. 14 7.2.Calculamos Una Mezcla De Pseudo-Componentes pág. 19 7.3.Para Las Fracciones De Volumen Liquido De Los Distintos Cortes pág. 23 7.4.Determinar 7.4. Determinar Las Fracciones De Volumen Líquido De Los Distintos Cortes pág. 26 7.5.Resolver 7.5. Resolver Los Balances De Materia Y Energía Asociados. pág.30 7.6.Relación De Reflujo De La Columna Con El Valor Especificado De Overflash. pág. 32 7.7.Informe Técnico pág. 33 7.7.1. Las Hipótesis, Consideraciones Y/O Datos Utilizados Para Ingresar La Información Del Proceso Al Modelo Estacionario Que Utilizó En Hysys pág. 33 7.7.2. Informar Los Resultados En Forma De Tabla, Indicando Las Condiciones Para Las Corrientes De Entrada Y Sa lida (Materiales Y Energía) Para Cada Equipo, Obtenidos Durante La Simulación Estacionaria. pág. 34 7.7.3. Informar Cómo Afecta El Valor De Overflash Al Requerimiento De Energía Trimduty, Y A La Relación De Reciclo. pág. 36 7.7.4. Graficar La Curva De Puntos De Ebullición (Tbp) Para La Nafta Obtenida pág. 37 7.7.5. En Relación Al Reglamento De Calidad Vigente, Tomar En Cuenta Las Especificaciones Que Deben Cumplir Las Gasolinas Comerciales Respecto A Dichas Curvas, Y Verificar Si La Gasolina (Nafta) Obtenida Cumple Tales Requisitos. pág. 39 7.7.6. Señalar Todas Las Consideraciones Tomadas En Cuenta Por El Grupo pág. 41 8. Conclusiones pág. 41 9. Recomendaciones pág. 42 10. Bibliografia pág. 42 11. Anexos pág. 43
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INDICE 1. 2. 3. 4. 5.
Introducción pág. 3 Objetivo General pág. 3 Objetivos Específico pág. 3 Justificación pág. 4 Marco Teórico pág. 4 5.1.Refinación De Petróleo pág. 4 5.2.Procesos De Refinación Del Petróleo pág. 4 5.3.Bases De Diseño Y Simulación pág. 5 5.4.Propiedades De Productos pág. 6 5.5.Filosofía De Diseño pág. 7 5.6.Especificaciones Preliminares – Preliminares – Simulación Simulación De Unidad De Destilación De Crudo. pág. 7 5.7.Decisiones De Procesos En Columna De Destilación Primaria pág. 8 5.8.Caracterización De Crudos pág. 8 6. Planteamiento del problema pág. 9 7. Cálculos Analíticos E Interpretación De Gráficos pág. 14 7.1.Caracterización 7.1. Caracterización Y Evaluación Del Crudo pág. 14 7.2.Calculamos Una Mezcla De Pseudo-Componentes pág. 19 7.3.Para Las Fracciones De Volumen Liquido De Los Distintos Cortes pág. 23 7.4.Determinar 7.4. Determinar Las Fracciones De Volumen Líquido De Los Distintos Cortes pág. 26 7.5.Resolver 7.5. Resolver Los Balances De Materia Y Energía Asociados. pág.30 7.6.Relación De Reflujo De La Columna Con El Valor Especificado De Overflash. pág. 32 7.7.Informe Técnico pág. 33 7.7.1. Las Hipótesis, Consideraciones Y/O Datos Utilizados Para Ingresar La Información Del Proceso Al Modelo Estacionario Que Utilizó En Hysys pág. 33 7.7.2. Informar Los Resultados En Forma De Tabla, Indicando Las Condiciones Para Las Corrientes De Entrada Y Sa lida (Materiales Y Energía) Para Cada Equipo, Obtenidos Durante La Simulación Estacionaria. pág. 34 7.7.3. Informar Cómo Afecta El Valor De Overflash Al Requerimiento De Energía Trimduty, Y A La Relación De Reciclo. pág. 36 7.7.4. Graficar La Curva De Puntos De Ebullición (Tbp) Para La Nafta Obtenida pág. 37 7.7.5. En Relación Al Reglamento De Calidad Vigente, Tomar En Cuenta Las Especificaciones Que Deben Cumplir Las Gasolinas Comerciales Respecto A Dichas Curvas, Y Verificar Si La Gasolina (Nafta) Obtenida Cumple Tales Requisitos. pág. 39 7.7.6. Señalar Todas Las Consideraciones Tomadas En Cuenta Por El Grupo pág. 41 8. Conclusiones pág. 41 9. Recomendaciones pág. 42 10. Bibliografia pág. 42 11. Anexos pág. 43
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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA REFINACIÓN DEL PETRÓLEO – PET PET 212 PROYECTO 1: SIMULACIÓN – REFINACIÓN REFINACIÓN DE PETRÓLEO 1. INTRODUCCION Este trabajo describe el desarrollo de una simulación para la destilación primaria de petróleo (topping). El topping es una columna que solo posee zona de rectificación y opera a presión atmosférica, cuya misión es fraccionar el crudo en sus productos: nafta, kerosén, gasoil, diésel y productos de residuo atmosférico. Para modelar este proceso se realizaron cálculos con el simulador comercial Aspen HYSYS. El procedimiento consistió en primer lugar en analizar y caracterizar el crudo de petróleo, y luego realizar la simulación estacionaria para una planta convencional. Dicha simulación se realizó para un Topping, el cual se caracteriza por ser energéticamente más eficiente. Finalmente se estudió la mejora del proceso realizando un análisis de sensibilidad con respecto a la ubicación de los reflujos Circulantes de la torre de destilación y el flujo de los mismos.
2. OBJETIVO GENERAL Evaluar, mediante el uso de software de simulación y analíticamente, la capacidad de los principales equipos que forman parte de la unidad de destilación primaria
3. OBJETIVOS ESPECÍFICO o
Comprender los diferentes procesos que se llevan a cabo en las unidades de destilación primaria
o
Desarrollar un modelo de simulación en Aspen Hysys de una torre atmosférica. Pág. 3
o
Caracterizar y evaluar el crudo
o
Determinar las fracciones de volumen líquido de los distintos cortes (nafta, kerosene, diesel y AGO).
o
Examinar como varían el flujo de calor de la corriente de energía TrimDuty y la relación de reflujo de la columna con el valor especificado de overflash, a partir del modelo de simulación en hysys.
4. JUSTIFICACION Mediante la siguiente practica se quiere indicar los métodos que se deben de seguir para poder cumplir con los objetivos específicos que se plantean en la siguiente práctica, de modo que sea de ayuda para aquellos estudiantes que aún no tienen conocimiento sobre la refinación del crudo de petróleo, utilizando un software de simulación de ASPEN HYSYS y analíticamente.
5. MARCO TEORICO 5.1. Refinación de petróleo. La refinación de petróleo consiste en el empleo de sustancias químicas, catalizadores, calor y presión para separar y comb inar los tipos básicos de moléculas de hidrocarburos que se hallan de forma natural en el petróleo crudo, transformándolos en grupos de moléculas similares. 5.2.
Procesos de refinación del petróleo.
Normalmente el petróleo crudo contiene agua, sales inorgánicas, sólidos en suspensión y compuestos metálicos solubles en agua. El siguiente paso en la refinación de petróleo es el fraccionamiento del crudo en la columna atmosférica. El petróleo crudo proveniente del horno atmosférico se separa físicamente en diferentes fracciones por destilación, diferenciadas por puntos de ebullición
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específicos, y clasificadas, por orden decreciente de volatilidad, en gases, destilados ligeros, destilados intermedios, gasóleos y residuo.5 La columna atmosférica, junto con sus elementos auxiliares, es el proceso principal en todas las refinerías. Su propósito es destilar petróleo crudo en varias fracci ones, las cuales son alimentadas a diferentes unidades aguas abajo y retiradas como productos.
GRAFICO 1
5.3. Bases de diseño y simulación. La columna de destilación primaria representa una co nfiguración particular del tipo de separación de hidrocarburos usada en numerosas unidades de proceso de refinación. En la unidad de destilación primaria se tiene una cantidad numerosa de productos y procesos. La mayoría de los productos de la unidad de destilación primaria son reprocesados en unidades posteriores. Por lo tanto, e n una refinería de petróleo, la unidad de destilación primaria no determina las especificaciones ni el rendimiento d el producto final.
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Antes de evaluar o diseñar cualquier unidad, se requiere definir las bases de diseño y de simulación. El primer paso para el desarrollo de una evaluación o diseño es definir un alcance, que establecerá los modos de operación y el nivel de detalle del diseño. Ya que en la torre atmosférica no hay procesos de conversión, esta unidad estará limitada por el número de modos de operación que esta realice. La variable principal en una torre atmosférica es el tipo de alimentación Para el diseño de la Atmos Tower, se debe determinar el rendimiento de los productos a partir del assay del crudo de diseño. Los productos pueden ser definidos por las especificaciones técnicas de productos, tales como API, Destilación ASTM, etc., o por las especificaciones de rendimiento, tales como puntos de corte TBP en crudo o combinaciones de ambos. Las propiedades de los productos y los puntos de corte TBP, son definidos por una programación lineal que tiene sus limitaciones y las propiedades finales de los productos deberán ser verificados por el ingeniero de procesos.
5.4. Propiedades de productos. Para un assay de crudo los puntos de corte TBP y los flujos volumétricos de productos son intercambiables. Los puntos de corte para un tipo de crudo diferente, tendrán diferente volumen asociado y podría tener diferentes puntos de corte TBP. Mientras más propiedades de productos puedan ser determinadas desde el assay de crudo, la precisión de estos estimados puede ser mejorada a través de datos de simulación. Los datos para puntos de corte de destilación y presión de vapor serán mucho más precisas usando modelos de simulación termodinámica tales como Aspen Hysys.
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Otras propiedades tales como el contenido de azufre y el punto de fluidez pueden también ser entradas en las herramientas de simulación. Sin e mbargo, para propósitos de diseño normalmente no existe una gran necesidad de precisión de estos valores.
5.5. Filosofía de diseño La flexibilidad de un diseño será dependiente del rango de los casos de diseño que sean definidos. Si una columna es diseñada sólo para un crudo ligero, su sistema de tope será limitado para crudos más ligeros que este, y el sistema de fondos no será capaz de procesar crudos más pesados que este. Es importante considerar un rango de operaciones que brinde margen y permita flexibilidad para un rango de crudos. Los simuladores de procesos termodinámicos ofrecen varias ventajas en la caracterización de hidrocarburos, cálculos flash y cálculos de plato a plato detallado que son indispensables en el diseño de los procesos de destilación. Estos pueden ser usados para definir toda o parte de la información de procesos requerida para el diseño de los equipos.
5.6. Especificaciones preliminares – simulación de unidad de destilación de crudo. Antes de empezar la simulación de una columna de destilación de crudo, ciertas condiciones y configuraciones de diseño deben ser definidas. El primer paso es definir la alimentación. Luego, se requiere una decisión para saber si especificamos un recipiente pre-flash o una torre pre-flash, y se requerirá las condiciones de operación de cualquiera de estas. Se podría requerir un estudio detallado en el cual se estima el costo de ambas opciones. Generalmente, una buena práctica de simulación es considerar la red de intercambio de calor y el horno separada de la columna principal.
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En general, unapre-fraccionadora será ubicada aguas abajo de la desaladora pero aguas arriba del horno de la columna principal. En algunos casos la columna pre-fraccionadora tendrá su propio horno o posiblemente un rehervidor. Es posible vaporizar más componentes y fraccionar con mayor profundidad, colocando más intercambiadores de proceso aguas arriba de la columna pre-fraccionadora. Algunas columnas prefraccionadora sin incluso pueden tener extracción de kerosene o turbo. Otras no tendrán extracciones laterales y sólo tendrán un producto nafta de tope.
5.7. Decisiones de procesos en columna de destilación primaria. Después de seleccionar un crudo o un conjunto de crudos y haber definido el flujo del proceso hacia la columna, es necesario definir las condiciones de la columna. Antes que la columna sea modelada es necesario tomar ciertas decisiones relacionadas al layout o arreglo de la columna (que incluye pero no se limita a): o
La configuración de tope.
o
El número aproximado de platos de fraccionamiento.
o
La presión y temperatura en la zona flash.
o
La configuración de los despojadores laterales side strippers.
o
La cantidad y ubicación de los reflujos circulantes pumpa rounds.
5.8.
Caracterización De Crudos
Antes de realizar la caracterización propiamente, necesitamos ingresar al simulador los componentes gaseosos o denominados “incondensables” y definir o asignar un paquete termodinámico. El paquete seleccionado fue Peng Robinson debido a su consistencia
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termodinámica y mejor cálculo de balance de calor que mejor describe el sistema de hidrocarburos, otra alternativa pudo ser Redlich-Soave-Kwong
6. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Considerando el siguiente esquema de refinación de petróleo, en la que se refinan 30.000 barriles/día de petróleo crudo para producir gasolina (nafta), kerosene, diesel, gasoil atmosférico y productos de residuo atmosféricos. El petróleo crudo (precalentado aguas arriba a 450ºF y a una presión de 75 psia) se alimenta a un tanque separador pre-flash, donde los vapores se separan del líquido. El líquido es calentado en el horno a 650ºF, mientras que los vapores, sin pasar por el horno, se vuelven a mezclar con el crudo caliente proveniente del mismo. Esta corriente combinada es finalmente alimentada a la columna de fraccionamiento atmosférica. La Ilustración 1, muestra el flowsheet principal del esquema d e refinación. La columna principal (topping) consta de 32 platos teóricos y un condensador parcial de 3 fases, 3 columnas laterales despojadoras y 3 circuitos refrigerados de recirculación (pump around), como se observa en el sub-flowsheet correspondiente (Ilustración 2). La alimentación (TowerFeed) entra en el plato 30 (junto a la corriente de energía TrimDuty), mientras que por el fondo de la columna se alimenta vapor sobrecalentado. Del condensador se extrae el agua (WasteH2O) y Nafta, de las columnas despojadoras se obtienen Kerosene, Diesel y AGO (atmospheric gas oil), y del fondo de la torre se obtiene un Residuo del crudo.
GRAFICO 1
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FUENTE: Elaboración Propia-HAYSYS GRAFICO 2
FUENTE: Elaboración Propia-HAYSYS
Pág. 10
Los ensayos de laboratorio proporcionaron los siguientes da tos respecto al petróleo:
Componentes livianos, porcentaje en volumen líquido Propano
0.00
i-Butano
0.19
n-Butano
0.11
i-Pentano
0.37
n-Pentano
0.46
Propiedades del Bulk (masa principal de crudo) MW (peso molecular)
300
Densidad API
48.75
Ensayo de destilación, TBP (True Boiling Point) Porcentaje de volumen
Temperatura, ºF
Peso Molecular
0.0
80.0
68.0
10.0
255.0
119.0
20.0
349.0
150.0
30.0
430.0
182.0
40.0
527.0
225.0
liquido destilado
Pág. 11
50.0
635.0
282.0
60.0
751.0
350.0
70.0
915.0
456.0
80.0
1095.0
585.0
90.0
1277.0
713.0
98.0
1410.0
838.0
ENSAYO DE DENSIDAD API % Vol Liq Destilado
API
13.0
63.28
33.0
54.86
57.0
45.91
74.0
38.21
91.0
26.01
ENSAYO DE VISCOSIDAD
% Vol Liq
VISCOSIDAD (cp)
VISCOSIDAD (cp)
Destilado
100 ºF
210 ºF
10.0
0.20
0.10
30.0
0.75
0.30
50.0
4.20
0.80
Pág. 12
70.0
39.00
7.50
90.0
600.00
122.30
A continuación se detallan los datos de las corrientes de vapor:
CORRIENTE
TEMPERATUR PRESIÓN
FLUJO
A,
MÁSICO
psia
ºF
Lb/hr
Bottom Steam
375
150
7500
Diesel Steam
300
50
3000
AGO Steam
300
50
2500
En cuanto a la columna, los datos correspondientes a los circuitos de recirculación (pump around) son los siguientes:
CORRIENTE
CAUDAL
REFRIGERACIÓN
BPD
BTU/hr.
PA_1
50000
-55000000
PA_2
30000
-35000000
PA_3
30000
-35000000
Además, se debe especificar el flujo neto de líquido en la etapa 27 (Overflash), cuyo valor influirá en la cantidad de energía requerida en la corriente TrimDuty.
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El rango típico de Overflash es 3-5% del caudal de alimentación de la torre. En este caso tenemos 100000 barriles/día de alimentación, por lo que especificaremos un Overflash de 3500 barriles/día. Por último, se fijará el valor de la corriente de energía KeroRebDuty en 7500000 BTU/hr y la corriente VaporProdRate en 0.
7. CALCULOS ANALITICOS E INTERPRETACION DE GRÁFICO 7.1. Caracterización y evaluación del crudo A Continuación Se Hará La Caracterización Del Crudo De Petróleo Que Entrara En La Alimentación. Los ensayos de laboratorio proporcionaron los siguientes datos respecto al petróleo.
%vol
TBP[°F]
TBP[°R]
0.0
80.0
540.0
10.0
255.0
715.0
20.0
349.0
809.0
30.0
430.0
890.0
40.0
527.0
987.0
50.0
635.0
1095.0
60.0
751.0
1211.0
70.0
915.0
1375.0
80.0
1095.0
1555.0
90.0
1277.0
1737.0
98.0
1410.0
1870.0
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Para describir al petróleo caracterizaremos el crudo de la siguiente manera
-
Paso 1 Calculamos el VABP con la siguiente formula:
[]
[]
-
[]
Paso 2 Calculamos el SLOPE [SL] con la siguiente formula:
[]
[]
[] Pág. 15
-
Paso 3 Calculo de la varia ble ∆ con la siguiente formula:
[] [] [] -
Paso 4 Calculamos el MeABP utilizando la siguiente formula:
[]
-
Paso 5
[]
Calculamos el Factor de Caracterización Kuop utilizando la siguiente formula:
⁄
Donde: MeABP debe de estar en grados absolutos [R] Dato proporcionado del crudo API=48.75
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Calculamos primero la gravedad específica.
Entonces
Considerando los rangos de la siguiente tabla proporcionada por el docente. Tabla. Rangos para la densidad del petróleo.
PETROLEO EXTRA PESADO
DENSIDAD [g/cc]
GRAVEDAD [API]
>1.0
10
PESADO
1.0 – 0.92
10.0 – 22.3
MEDIANO
0.92 – 0.87
22.3 – 31.1
LIGERO
0.87 – 0.83
31.1 – 39
<0.83
>39
SUPER LIGERO
Comparando el rango de la tabla con el dato de gravedad API proporcionado en el ejercicio nuestro crudo de petróleo se verifica que es [SUPER LIGERO], de la
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misma manera se comparó con su gravedad especifica SPGR obteniendo el mismo resultado.
Ahora reemplazamos la SPGR en la ecuación (5)
⁄
Según la composición del petróleo Tabla. Composición PONA.
Kuop
BASE DE PETROLEO
10
AROMATICA
11
NAFTENICA
12
OLEFINICA
13
PARAFINICA
Evaluando el factor de caracterización obtenido de 12.488 nos indica que es de BASE PARAFINICA. Con este valor obtenido afirmamos que tenemos un crudo liviano.
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7.2. Calculamos una mezcla de pseudo-componentes Para el cálculo de NBP se utilizó la ecuación
Dónde:
EBP: Es la temperatura del extremo superior del corte IBP: Es la temperatura del extremo inferior del corte
De tal manera calculamos el NBP para cada corte
Una vez obtenida el NBP de cada corte, el NBP es el MeABP de su respectivo corte y como tenemos el Kuop del crudo ese valor obtenido lo mantenemos constante para poder hallar la gravedad especifica de cada corte [SPGR] con la misma ecuación del Factor de caracterizacion de tal manera que se obtiene la siguiente ecuación:
[] ⁄
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Con las gravedades especificas obtenidas calculamos el API de cada corte de nuestro pseudo-componente utilizando la ecuación (6) :
También se halla el peso molecular de cada pseudo-componente utilizando la siguiente ecuación:
[ ] Donde Tb se encuentra en grados Kelvin Los cálculos del %vol de la ecuación de 5to grado se realizó con una calculadora TEXAS debido a su complejidad obteniéndose los siguientes valores: y = 7E-08x5 - 5E-05x4 + 0.0091x3 - 0.5377x2 + 21.117x + 82.044 si:
y=NBP[°F] ,
x=%Vol
Tabla. Pseudo-componentes NBP (°F)
%Vol 1,44 2,75 4,16 5,62 7,28 9,08 10,9 13,28 15,51
111,46 136,23 161,13 185,23 210,65 235,96 259,43 287,40 311,29
SPGR
API 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,73
NBP(K) 81,30 78,31 75,47 72,86 70,25 67,77 65,58 63,09 61,06
M 317,14 330,91 344,74 358,13 372,25 386,31 399,35 414,89 428,16
28,29 30,22 32,19 34,14 36,24 38,37 40,38 42,82 44,95 Pág. 20
18,02 20,75 23,68 26,67 29,71 32,71 35,59 38,31 40,88 43,29 45,57 47,72 49,75 51,67 53,5 55,26 56,94 58,58 60,15 62,4 65,26 67,98 70,58 73,09 75,52 77,86 80,23 84,24 89,49
336,08 360,99 386,19 411,06 436,08 461,34 486,51 511,64 536,77 561,89 587,03 612,20 637,38 662,38 687,37 712,47 737,44 762,69 787,88 825,29 875,27 925,33 975,24 1025,20 1075,28 1124,53 1175,77 1264,32 1382,39
0,74 0,75 0,76 0,77 0,77 0,78 0,79 0,79 0,80 0,81 0,81 0,82 0,83 0,83 0,84 0,84 0,85 0,86 0,86 0,87 0,88 0,89 0,90 0,91 0,92 0,93 0,94 0,96 0,98
59,04 57,09 55,20 53,41 51,67 49,98 48,36 46,79 45,28 43,82 42,41 41,04 39,71 38,42 37,18 35,97 34,80 33,65 32,53 30,92 28,87 26,91 25,05 23,28 21,58 19,97 18,38 15,76 12,55
441,93 455,77 469,77 483,59 497,49 511,52 525,51 539,47 553,43 567,39 581,35 595,33 609,32 623,21 637,09 651,04 664,91 678,94 692,93 713,72 741,48 769,29 797,02 824,78 852,60 879,96 908,43 957,62 1023,21
47,20 49,50 51,87 54,26 56,70 59,22 61,77 64,37 67,01 69,71 72,46 75,27 78,13 81,02 83,98 87,00 90,07 93,23 96,45 101,36 108,15 115,23 122,58 130,26 138,29 146,53 155,48 171,92 195,95
Gráfica 2a. Pseudo-componentes
Pág. 21
GRAFICO 2b
TBP vs API
1600,00
90,00
1400,00
80,00 70,00
1200,00
60,00 1000,00 50,00 800,00 40,00 600,00 30,00 400,00
20,00
200,00
10,00
0,00
0,00 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Pág. 22
7.3. Para las fracciones de volumen liquido de los distintos cortes (nafta, kerosene, diésel, AGO, residuo) utilizamos los rangos de temperatura obte nidos en el simulador ASPEN HYSYS donde además incluimos el cálculo analítico del %Vol de cada corte realizado en Excel: Tabla. Fracción de corte del crudo.
INFORMACION DEL CORTE DE ASPEN HYSYS Nombre
Ti [F]
Lt St Run
67.8747637
Tf [F]
Fraccion 158
Pto %Vol.
3.27E-02
3.27E+00
Naphtha
158
356 0.17252781
20.5245565
Kerosene
356
464
33.4216268
Light Diesel
464
554
8.94E-02 42.3620736
Heavy Diesel
554
644
8.31E-02 50.6706432
Atm Gas Oil
644
698
4.90E-02 55.5690794
Residue
698
1440.9801
0.1289707
0.44430921
100
En el gráfico de la curva TBP reconocemos los cortes con sus respectivos rangos de temperatura y rangos de % volumétrico:
Pág. 23
Grafico 3. Cortes del Crudo.
698 644 554 464 356 158 20.52
3.27
33.42
55.56 42.35 50.67
Para su respectiva comprobación se realizó el c álculo de los puntos de intersección de los rangos del % volumétrico utilizando la ecuación de la curva TBP obtenido con Excel: Grafico 4. Curva TBP(F) vs %Vol.
1600,0 y = 7E-08x5 - 5E-05x4 + 0,0091x 3 - 0,5377x 2 + 21,117x + 82,044 R² = 0,9999
1400,0 1200,0 ] F [ P B T
1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
%VOL.
Pág. 24
Extrayendo la ecuación: 5
4
3
2
y = 7E-08x - 5E-05x + 0.0091x - 0.5377x + 21.117x + 82.044 si:
y=TBP[°F] ,
x=%Vol
Tenemos entonces: 5
4
3
2
TBP[°F] = 7E-08(%Vol) - 5E-05(%Vol) + 0.0091(%Vol) - 0.5377(%Vol) + 21.117(%Vol) + 82.044 De tal manera que se obtiene 5 valores del %Vol y se tomó el valor real y más coincidente a el Grafico 4. Los cálculos del %vol de la ecuación de 5to grado se realizó con una calculadora TEXAS debido a su complejidad obteniéndose los siguientes valores: Tabla. Cortes obtenidos del Grafico 4.
Ti[°F]
Punto %Vol
Naphtha
158
3.97
Kerosene
356
20.18
Light Diesel
464
33,02
Heavy Diesel
554
42,55
Atm Gas Oil
644
50.27
Residue
698
54,26
Ahora calculamos el % volumétrico para cada corte:
Pág. 25
Tabla. Porcentaje del corte.
Name
Rango de T[F]
%∆V=%Vf – %Vi[%]
Fraccion
Naphtha
158 – 356
20.49 – 3.63 = 16.86
0.1686
Kerosene
356 – 464
31.65 – 20.49 = 11.16
0.1116
Light Diesel
464 – 554
37.89 - 31.65 = 6.29
0.0629
Heavy Diesel 554 – 644
42.23 – 37.89 = 4.34
0.0434
Atm Gas Oil 644 – 698
44.28 – 42.23 = 2.05
0.0205
Residue
59.3
0.593
-
698 – 1440
} 0.1063
Realizando una comparación con lo obtenido en ASPEN HYSYS
Podemos ver que existe una variación a partir de la entrada al corte de Diesel donde los valores hallados del %Vol con la ecuación de la curva TBP ya no coinciden con lo obtenido con el SIMULADOR ASPEN HYSYS.
7.4.- Determinar las fracciones de volumen líquido de los distintos cortes (nafta, kerosene, diesel, AGO, residuo). Luego emplear estos valores para especificar los caudales DistillateRate, KeroSSProdFlow, DieselSSProdFlow y AGOSSProd Flow en la columna fraccionadora.
Pág. 26
Grafico 6. Representación del corte de crudo con datos del simulador hysys.
El grafico representa los cortes obtenidos en el software de simulación hysys, y la siguiente tabla nos indica e l porcentaje de cada corte obtenido.
Pág. 27
Tabla. Fracción de Corte (HYSYS)
INFORMACION DEL CORTE Nombre
Ti [F]
Tf [F]
Fracción, Xi
Lt St Run
67,875
158,000
0,033
Naphtha
158,000
356,000
0,173
Kerosene
356,000
464,000
0,129
Light Diesel
464,000
554,000
0,089
Heavy Diesel
554,000
644,000
0,083
Atm Gas Oil
644,000
698,000
0,049
Residue
698,000 1440,980
0,444
Ahora se calculara el caudal para cada uno de los cortes de a acuerdo a la alimentación que introdujimos.
Xi*100000[bbl/dia]
Pág. 28
Donde: Qi: es caudal en [bbl/dia]. Xi: es el porcentaje de fracción en tanto por uno.
INFORMACION DEL CORTE NOMBRE
FRACCION, Xi
CAUDAL [BBL/DIA]
Lt St Run
0,033
3.271,775
Naphtha
0,173
17.252,781
Kerosene
0,129
12.897,070
Light Diesel
0,089
8.940,447
Heavy Diesel
0,083
8.308,570
Atm Gas Oil
0,049
4.898,436
Residue
0,444
44.430,921
TOTAL
1,000
100.000,000
Pág. 29
7.5.- Resolver los balances de materia y energía asociados. Para el balance de materia y energía, se hace uso de los datos de salida y entrada del simulador hysys.
Grafico 7. Balance de Materia
2
3
1 9
5
7 8
Stream Name
Heat Flow [Btu/hr]
CondDuty
51359397,37
Pág. 30
a s a M e D s e t n e i r r o C
s y s a H y l e c x E e d a i p o r p n ó i c a r o b a l E
: a l b a T
. E T N E U F
Pág. 31
7.6.- Sabiendo que el Databook es una facilidad del HYSYS que permite registrar el valor de las variables claves de un proceso ante diferentes escenarios, utilice esta herramienta para examinar como varían el flujo de calor de la corriente de energía TrimDuty y la relación de reflujo de la columna con el valor especificado de Overflash, cuando éste asume los valores de 1500, 3500, 5500 y 7500 barriles/día. Variamos el reflujo, con los valores especificados: TABLA. Relación de TrimDuty con el Reflujo
Reflujo
TrimDuty Btu/h
Diferencia
0
8643852,682
1500
8635045,736
8806,94543
3500
8635013,969
31,7667476
5500
8635013,387
0,582415
7500
8635013,387
-0,00021157
FUENTE. Elaboración propia Hysys Con la variación de reflujo observamos que la cantidad de flujo de calor va disminuyendo, en la corriente TrimDuty, esto debido a que al existir un reflujo necesita menos energía para procesar la corriente de entrada TowerFeed.
Pág. 32
7.7.- INFORME TÉCNICO 7.7.1.- Las hipótesis, consideraciones y/o datos utilizados para ingresar la información del proceso al modelo estacionario que utilizó en HYSYS.
-
Considera que ingresa propano, i butano, n butano, i pentano, n pentano más pseudocomponentes.
-
El tipo de hidrocarburo que ingresamos, es petróleo con un API de 48.75 y un SG 0.785, que nos indica que es un petróleo súper ligero.
-
Peso molecular de 300, los cual es elevado para ser un petróleo súper ligero, pero es debido a todos los pseudocomponentes que también ingresan con el crudo.
Los datos del crudo de entrada son: TABLA1. Datos del crudo
Stream Name Vapour / Phase Fraction Temperature [F] Pressure [psia] Molar Flow [lbmole/hr] Mass Flow [lb/hr] Std Ideal Liq Vol Flow [USGPM] Molar Enthalpy [Btu/lbmole] Molar Entropy [Btu/lbmole-F]
Crudo 9,87E-02 450 75 3813,8 1144163,7 2916,6 -200661,0 271,423785
Pág. 33
Heat Flow [Btu/hr]
-765304661
Liq Vol Flow @Std Cond [barrel/day] 99999,5161 Fluid Package
Basis-1
Utility Type FUENTE: Elaboración Propia-HYSYS Composición: TABLA 2. Composición de los compuestos de ingreso
H2O
0,000
Propane
0,000
i-Butane
0,19
n-Butane
0,11
i-Pentane
0,37
n-Pentane
0,46
Pseudocomp
------
FUENTE: Elaboración Propia-HYSYS
7.7.2.- Informar los resultados en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria
Pág. 34
.
s y s y H n ó i c a l u m i s n e m u s e R . 2 O C I F A R G
S Y S Y H a i p o r P n ó i c a r o b a l E : E T N E U F
Pág. 35
7.7.3.- Informar cómo afecta el valor de Overflash al requerimiento de energía TrimDuty, y a la relación de reciclo. Rango de Overflash es de 3-5% del caudal de alimentación de la torre. Por lo tanto la relación de reciclo debe estar entre los valores de 3000 a 5000(energía optima) para poder generar la energía necesaria para simular el proceso, para un caudal de 100.000 Bbl/dia.
Pág. 36
7.7.4.- Graficar la curva de puntos de ebullición (TBP) para la nafta obtenida.
%destilado
T[°F]
45
246.12756
0
11.8908262
50
257.040285
1
27.5642222
55
269.467141
2
63.6206365
60
282.318759
3.5
89.8034562
65
293.989562
5
99.7742855
70
304.53131
7.5
112.669081
75
314.482122
10
127.862962
80
324.195424
12.5
141.755779
85
334.581511
15
152.871804
90
346.087781
17.5
162.620572
92.5
352.7247
20
171.726939
95
360.167343
25
188.45704
96.5
365.082443
30
204.704697
98
370.374511
35
220.101886
99
374.128077
40
234.330515
100
378.073326
Pág. 37
GRAFICA 3. Curva puntos de ebullición de la nafta.
TBP (°F) vs %V N AFTA 400
350
300
250
200
150
100
50
0 0
20
40
60
80
100
120
FUENTE: Elaboración Propia HYSYS-EXEL
Pág. 38
7.7.5.- En relación al Reglamento de Calidad vigente, tomar en cuenta las especificaciones que deben cumplir las gasolinas comerciales respecto a dichas curvas, y verificar si la gasolina (nafta) obtenida cumple tales requisitos.
TABLA 3. Rangos de destilación para la Gasolina Especial ESPECIFICACIONES PRUEVA
VERANO MINIMO
INVIERNO
MAXIMO
MINIMO
MAXIMO
Destilacion Engler 760mmhg 10% 50%
149 170
245
140 170
240
90%
374
365
PF
437
437
FUENTE: Reglamento de calidad de carburantes y lubricantes
Pág.
39
GRAFICA 4. Intersección de las temperaturas149, 245, 374, 437.
FUENTE: Elaboración Propia HYSYS-EXEL
En la intersección de temperaturas, observamos:
-
149°f, un volumen aproximado de 13%.
-
245°f, un volumen aproximado de 44%.
-
374°f, un volumen aproximado de 99%. Comparando con los parámetros de calidad, se concluye: que no cumple los
requerimientos de calidad para las gasolinas. Es debido, claramente a que estamos hablando de nafta, que es gasolina de baja calidad, y para que suba su calidad y cumpla los requisitos de ley, necesitara de algunos aditivos.
Pág.
40
7.7.6.- Señalar todas las consideraciones tomadas en cuenta por el grupo.
La alimentación es de 100000Bbl/día.
= 10 (psi)
Para el horno se necesita dos especificaciones de diseño: la pérdida de carga (para este equipo supondremos que es 10 psi) y la variación de la temperatura.
Se introdujo la corriente de alimentación en el plato 30.
Se asume que las composiciones de las corrientes AGO STEAM BOTTOM STEAM DIESEL STEAM son netamente agua.
En el condensador asumimos caída de presión de 9 (psi) debido a que el rango de valor típico de perdida de presión en los condensadores de estos equipos es de (711psi).
Las presiones en el condensador y en el fondo de la columna son 19,7(psia) y 32,7(psia) respectivamente.
Las caídas de presión en los PUMP AROUND son 0(psia)
El condensador actuara como uno total con un caudal 0 en la corriente gaseosa aunque este sea parcial.
8. CONCLUSIONES
La caracterización de crudos nos permitió realizar un análisis previo de los productos a obtener tanto en la configuración existente como en la nueva, dando como datos de partida o valores iniciales para los puntos de corte de cada producto.
El trabajar con el simulador HYSYS permite, sin mayores esfuerzos, realizar cambios muy usuales en la industria como por ejemplo el cambio de las propiedades del crudo a procesar y por ende de la curva de destilación.
Pág.
41
El crudo de la alimentación es un crudo pesado debido a su alto contenido de hidrocarburos de cadena larga (pentano) reflejado en su peso molecular.
El Residuo tiene mayor flujo molar que los cortes, es lógico ya que tenemos un crudo pesado en la alimentación.
La Nafta producida no cumple con el reglamento de calidad para ser comercializada, por lo que debe pasar por otras operaciones y/o procesos para cumplir estas especificaciones y posteriormente poder ser comercializada.
9. RECOMENDACIONES La validación del modelo con las condiciones de proceso existente fueron satisfactorias, sin embargo estas podrían mejorar si se realiza un aná lisis detallado de los productos en planta para intentar reconstruir el assay de crudo. A partir de los resultados obtenidos, otros investigadores podrían continuar el análisis.
10.BIBLIOGRAFIA
FUNDAMENTALS OF PETROLEUM REFINING, MOHAMED A. FAH IM, TAHER A. ALSAHHAF, AND AMAL ELKILANI. First edition 2010
ENGINEERING DATA BOOK, Copyright © 2004 Gas Processors Suppliers Association
UOP Training services. Crude distillation unit heat exchange network design &monitoring.Engineering design seminar. 2004.
Pág.
42
11.ANEXOS
Pág.
43
