Refinación..

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Escuela Profesional de Ingeniería Química

1 9 6 6

“SIMULACIÓN, CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS” REFINACION DEL PETROLEO INTEGRANTES: CONTRERAS CHERRES JUAN DURAN TAIPE NELSON

061866 - D

GALARZA RO ROJA MADELEYNE

044041 - E

GARCIA RODRIGUEZ RENZO

970104 - G

SANC NCH HEZ MANRIQUE THANI NIA A

0607 076 66- K

VASQUEZ GARAY GUSTAVO

062730 - C

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 1


INDICE

1. DEFINICIÓN……………………………………………………………………………… …………………………….5 2. ESTRUCTURA DE UNA REFINERIA………………………………………………………………………….6 3. PROCE PROCESOS SOS DE REFINA REFINAMIE MIENTO NTO

3.1EXTRACCION………………………………………………………………………… …………………………8 3.2DESTILACION FRACCIONADA……………………………………………………………………… …10 3.3HIDROCRAQUEO…………………………………………………………………… ………………………13 3.4DESULFURACION…………………………………………………………………… ……………………..15 3.5REFORMADO CATALITICO……………………………………………………………………………. .16 3.6ISOMERIZACION……………………………………………………………………… …………………….17 3.7CRAKING CATALITICO…………………………………………………………………………… ………..17 4. ESTUD ESTUDIO IO DEL EQUIP EQUIPO O CRITICO CRITICO

4.1BALANCE DE MATERIA……………………………………………………………………………… ……24 4.2BALANCE DE ENERGIA……………………………………………………………………………… …….26 UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 2


INDICE

1. DEFINICIÓN……………………………………………………………………………… …………………………….5 2. ESTRUCTURA DE UNA REFINERIA………………………………………………………………………….6 3. PROCE PROCESOS SOS DE REFINA REFINAMIE MIENTO NTO

3.1EXTRACCION………………………………………………………………………… …………………………8 3.2DESTILACION FRACCIONADA……………………………………………………………………… …10 3.3HIDROCRAQUEO…………………………………………………………………… ………………………13 3.4DESULFURACION…………………………………………………………………… ……………………..15 3.5REFORMADO CATALITICO……………………………………………………………………………. .16 3.6ISOMERIZACION……………………………………………………………………… …………………….17 3.7CRAKING CATALITICO…………………………………………………………………………… ………..17 4. ESTUD ESTUDIO IO DEL EQUIP EQUIPO O CRITICO CRITICO

4.1BALANCE DE MATERIA……………………………………………………………………………… ……24 4.2BALANCE DE ENERGIA……………………………………………………………………………… …….26 UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 2

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 5. PRODU PRODUCT CTOS OS DE LA REFIN REFINERI ERIA A

5.1.1 KEROSENE………………… KEROSENE…………………………………… ………………………………… ……………………………… ……………… ……………………..33 5.1.2 GASOLEO……………………… GASOLEO……………………………………… ……………………………… ……………………………… ……………… …………………….33. 5.1.3 GLP…………………………… GLP……………………………………………… ………………………………… ……………………………… ……………… ………………………33 5.1.4 5.1.4 GAS NATURAL……………………………………………………………………… ……………..33 5.1.5 ASFALTO…………………… ASFALTO…………………………………… ………………………………… ………………………………… ……………… ………………………33 5.1.6 ACEITES PESADOS Y LIGEROS……………………………………………………………...33 6. DIAGRAMA DEL PROCESO DE REFINACION (IMÁGENES) ……………………………………….35 7. DIAGRAM A DE FLUJO……………………………………………………………………………………… ……..36 8. REFINERIAS EN EL PERÚ………………………………………………………………………………………… …37 9. IMPACTO AMBIENTAL……………………………………………………………………………… ……………..40 PROCESO DE REFINACION DEL PETROLEO PETROLEO EN LA 10.SIMULACION DEL PROCESO MAQUETA…….43 . 11.SIMULACION DEL MODELO MATEMATICO PARA EL DESARROLLO DEL EQUIPO CRÍTICO UTILIZANDO UTILIZANDO EL PROGRAMA PROGRAMA DE MATLAB …………………………………………………………………………………… ………………………………44



INTRODUCCION

La refinación del petróleo se realiza ya desde hace tiempos remotos, con el fin de obtener obtener otros producto productoss que sean derivad derivados os de él, en lo cual cual tambié también n se podrá podrá obtener obtener energía energía eléctr eléctrica ica en funció función n de combust combustibl ible e obteni obtenidos dos median mediante te un proceso de separación en una columna destilada de fraccionamiento, en el mundo UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 4

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO existen todo tipo de refinerías, las cuales se pueden clasificar en dos: las refinerías simples y las refinerías complejas, lo cual la diferencia de estos es que las refinerías simples esta constituidas solamente por algunas unidades de tratamiento, mientras que las refinerías complejas cuentan con un mayor número de estas unidades. Generalmente las refinerías se instalan en las costas, para ahorrar gastos de transporte y construcción de oleoductos, en la refinación del petróleo se obtiene gasolina, kerosene, naftas, butano, propano y otros gases. En toda refinación existen 3 etapas, las cuales son: la extracción, el pre tratamiento del petróleo y el cracking térmico.

REFINACION DEL PETROLEO OBJETIVOS: Conocer el proceso de la refinación del petróleo. Definir el equipo mas importante en la refinación del petróleo. Realizar el modelo matemático en el equipo crítico para la refinación del petróleo. 1. DEFINICION UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 5

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO La refinación es el proceso que se encarga de la transformación de los hidrocarburos en productos derivados. La refinación comprende una serie de procesos de separación, transformación y purificación, mediante los cuales el petróleo crudo es convertido en productos útiles con innumerables usos, que van desde la simple combustión en una lámpara hasta la fabricación de productos intermedios, que a su vez, son la materia prima para la obtención de otros productos industriales. La función de una refinería es transformar el petróleo en productos derivados que satisfagan la demanda en calidad y cantidad. Cabe destacar que tal demanda es variable con el tiempo, tanto en el volumen total de derivados como en su estructura por productos.

Figura 1

2. ESTRUCTURA DE UNA REFINERIA DE PETROLEO

Figura 2



Figura 3 HIDROCRAQUEO REFINACIÓN PETROLEO POLIMERIZACIÓN DESTILACIÓN ALQUILACIÓN REFORMADO DESTILACIÓN DESALADO CRAQUEO CRUDO CON AL ATMOSFERICA SOLVENTES CATALITICO TERMICO VACIO



3. PROCESOS DE REFINAMIENTO El proceso empieza cuando el crudo llega a la refinería y es almacenado en grandes tanques para regular uniformemente la cantidad a ser tratada, según las posibilidades de las instalaciones y de las necesidades del mercado UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 8

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 3.1.

Extracción: El petróleo se extrae mediante la perforación de un pozo sobre el yacimiento. Si la presión de los fluidos es suficiente, forzará la salida natural del petróleo a través del pozo que se conecta mediante una red de oleoductos hacia su tratamiento primario, donde se deshidrata y estabiliza eliminando los compuestos más volátiles. Posteriormente se transporta a refinerías o plantas de mejoramiento. Durante la vida del yacimiento, la presión descenderá y será necesario usar otras técnicas para la extracción del petróleo. Esas técnicas incluyen la extracción mediante bombas, la inyección de agua o la inyección de gas, entre otras. Los componentes químicos del petróleo se separan y obtienen por destilación mediante un proceso de refinamiento. De él se extraen diferentes productos, entre otros: propano, butano, gasolina, keroseno, gasóleo, aceites lubricantes, asfaltos, carbón de coque, etc. Todos estos productos, de baja solubilidad, se obtienen en el orden indicado, de arriba abajo, en las torres de fraccionamiento. Debido a la importancia fundamental para la industria manufacturera y el transporte, el incremento del precio del petróleo puede ser responsable de grandes variaciones en las economías locales y provoca un fuerte impacto en la economía global.

Figura4: extracción de petróleo crudo

DESALADO DE CRUDO El propósito de este proceso, es eliminar las sales e impurezas que tienen los petróleos crudos. Los sólidos en suspensión y las sales disueltas en muy pequeñas gotas de agua, dispersas en el seno del petróleo son extraídos en los UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 9

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO desaladores ya que es antieconómico decantarlas y eliminarlas por gravedad en los tanques de almacenamiento. Básicamente el proceso de desalación consiste en precalentar el crudo para disminuir la viscosidad, inyectar agua de lavado o exenta de sales, producir una mezcla intima entre ambos, contactarla con el agua residual del crudo y posteriormente separar el agua contendiendo la mayor proporción de impurezas. En definitiva se lleva a cabo la disolución de las sales presentes en el crudo, generándose pequeños electrolitos (gotas), sensibles a las variaciones de un campo eléctrico. La coalescencia de las gotas en el desolador es provocada por fuerzas eléctricas generadas entre las gotas de agua. El campo eléctrico induce a que las pequeñas gotas se conviertan en dipolos eléctricos, que interactúan entre sí generándose atracciones entre las gotitas agrupándose en gotas mayores, que pueden decantar por gravedad. El efecto del campo alternativo hace que las gotas se muevan (vibrando) en fase con el campo, lo que favorece la coalescencia de las gotas. La tercera etapa de acondicionamiento del crudo es la inyección de hidróxido de sodio, esta operación a diferencia de las dos anteriores no elimina los contaminantes, sino que se minimiza el efecto por transformación de sales menos perniciosas. Dosificación de Hidróxido de Sodio al Crudo Al crudo efluente de los desaladores no se les elimina la totalidad de las sales ya que estos equipos tienen una eficiencia de desalado media del 95 %, por tal motivo se les inyecta una solución cáustica para transformar los cloruros de calcio y magnesio en cloruros de sodio. El cloruro de sodio tiene una constante de hidrólisis menor que las otras sales, por lo cual se minimiza la generación de cloruro de hidrogeno y por ende el ataque corrosivo a la unidad. El gas cloruro de hidrogeno condensa en la zonas frías (parte superior) de la torre y en contacto con agua se forma ácido clorhídrico, el cual es altamente corrosivo, por tal motivo es fundamental que se minimice la prese ncia o efectos del mismo. El agregado de cáustico sustituye los cationes magnesio y calcio por sodio, convirtiendo la mayoría de los cloruros en cloruros de sodio, minimizándose la formación del ácido. Cl2Mg + H2O -------------- 2HCl + MgO Cl2Ca + H2O -------------- 2HCl + CaO


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 2ClNa + H2O -------------- 2HCl + 2NaO Por cada molécula de sal de calcio o magnesio, se genera el doble de ácido que en caso del cloruro de sodio, por otra parte este último comienza la hidrólisis en el umbral de los 300 °C, mientras que a estas temperaturas las otras dos han hidrolizado el 10% y 90 % respectivamente. La sustitución se lleva a cabo según las siguientes reacciones. NaOH+ Cl2Ca ------------- NaCl + (HO) 2 Ca NaOH+ Cl2Mg ------------ NaCl + (HO) 2 Mg

Figura 5

3.2.

Destilación fraccionada: Una vez eliminadas las impurezas del petróleo crudo, este ingresa a la unidad de destilación primaria a través de un horno especial, donde se le somete a altas temperaturas (hasta 400 °C) que lo convierten en vapor. La salida del horno se encuentra conectada mediante una tubería a una “torre de destilación primaria” o “destilación atmosférica”, la cual permitirá un fraccionamiento o separación de los diferentes productos. El producto (vapor) proveniente del horno ingresa a la torre de destilación, en cuyo interior la presión es cercana a la de la atmósfera. Ahí se controlan las temperaturas en los diferentes puntos de la columna, lo que ocasiona que los vapores más livianos asciendan a la parte superior y los más pesados queden en el fondo obteniéndose así los distintos productos. Los productos del proceso son gas combustible, gasolina de destilación directa, naftas ligera y pesada, combustóleos y crudo reducido. La torre de destilación tiene en determinados puntos o ubicaciones, compartimentos


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO denominados bandejas o platos, que permiten extraer el producto obtenido a cada una de esas temperaturas (alturas) Finalmente, en el fondo de la torre quedará aquel producto que no alcanzó a evaporarse en este primer proceso y que se denomina “crudo reducido”.

Figura 6

DESTILACIÓN AL VACÍO En este proceso se alimenta el crudo reducido de la destilación primaria y su función es la de separar aún más esta fracción realizando una destilación al vacío. Los productos obtenidos son los siguientes: gasóleos ligero y pesado, aceites lubricantes, asfalto o combustóleo pesado y la alimentación del coquizador. Las unidades de Vacío, están diseñadas para operar en condiciones termodinámicas adecuadas para destilar las fracciones pesadas del crudo, sin que se produzca la descomposición térmica de los mismos. Para lograrlo se baja la presión de trabajo hasta alcanzar presiones absolutas de 20 mm Hg en la zona de carga de la columna de destilación. El Vacío es obtenido con eyectores de vapor. En esta unidad, la energía necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada totalmente en hornos, diseñados para minimizar la perdida de carga (perdidas de presión) de modo de operar con la menor presión posible en los puntos donde se inicia la vaporización. La carga parcialmente vaporizada es UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 12

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO enviada a la zona flash de la columna de destilación, donde se produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de líquidos. En estas columnas el principio de operación es la condensación de los vapores.

Figura 7



Figura 8

3.3.

Hidrocraqueo Es una de las Unidades más importantes de la Refinería. Esta Unidad, junto a la de Coquización permite definir a Balboa como una refinería de conversión total. El Hidrocraqueo es un proceso en dos fases que combina el craqueo catalítico (ruptura de las moléculas en presencia de un catalizador) y la hidrogenación, y por medio del cual los gasóleos resultantes de la Unidad de Vacío (GOV) se descomponen en presencia de hidrógeno y de un catalizador en productos de mayor valor añadido. En comparación con el craqueo exclusivamente catalítico, el Hidrocraqueo tiene la ventaja de procesar cargas con alto contenido en azufre, sin desulfuración previa, y obtener como principal producto Gasoil. En el proceso de Hidrocraqueo, en la primera etapa, la materia prima precalentada se mezcla con hidrogeno reciclado y se envía al reactor de primera etapa, donde los catalizadores convierten los compuestos de azufre y nitrógeno, sulfuro de hidrogeno y amoniaco. Hidrocraqueo limitada también se produce.



Figura 9

3.4.

Hidrodesulfuración: El principal propósito del proceso de hidrodesulfuración es la eliminación del azufre contenido en la corriente de alimentación a la unidad correspondiente, bien porque lo exigen las especificaciones de los productos comerciales, bien para preservar la integridad de catalizadores situados en unidades posteriores, como es el caso de las naftas tratadas en


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO el Reformado Catalítico. Los procesos de hidrodesulfuración usan catalizadores en presencia de cantidades sustanciales de hidrógeno, bajo altas presiones y temperaturas, con el fin de promover la reacción del hidrógeno con las impurezas de la carga. Para la eliminación del azufre de los GLPs y también del queroseno se ha seleccionado el tratamiento con hidrógeno, en lugar de las habituales Unidades Merox. De esta forma, en Refinería Balboa no se utilizarán corrientes de sosa cáustica, de difícil disposición.

Figura 10

3.5.

Reformado catalítico: La nafta desulfurizada se bombea a este proceso, el cual cumple la función de re arreglar los hidrocarburos por medio de desintegración en catalizadores de platino-aluminio y bimetálico para producir gasolina de alto octano. Los productos de la unidad son: gasolina reformada de alto octano,


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO hidrógeno, gas combustible y residuos ligeros como los propanos C3 y butanos C4.

Figura 11

3.6.

Isomerización: En este proceso se emplea como materia prima la gasolina producto de la destilación primaria y desulfurizada por la hidrodesulfurización. En este proceso también son re arreglados o reacomodados los hidrocarburos de la


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO gasolina, en presencia de un catalizador de platino o de cloruro de aluminio. El producto es la gasolina de alto octano y gas combustible.

Figura 12

3.7.

Cracking catalítico: El gasóleo ligero producido en la destilación al vacío sirve esencialmente de carga en este proceso, el cual cumple la función de romper los hidrocarburos del gasóleo con ayuda de un catalizador que normalmente es de compuestos de sílice-aluminio. Durante el proceso se forma coque (depósitos de carbón), que se deposita en el catalizador reduciendo con esto su actividad catalítica. El catalizador se regenera quemando el coque con aire. Los productos en este proceso son gasolina catalítica, destilados ligeros y gasolina que se emplean como combustóleos destilados.



Figura 13

3.8.

Alquilación: Los compuestos de cuatro átomos de carbono, butilenos y butanos y algunas veces los de tres átomos de carbono, propilenos, que provienen de otros procesos en la refinería, se hacen reaccionar en esta unidad de alquilación para formar el alquilado ligero. En esta unidad se utiliza como catalizador el ácido fluorhídrico o ácido sulfúrico. Los productos del proceso son: alquilado ligero de alto octano y gas licuado del petróleo o GLP

Figura 14

4. ESTUDIO DEL EQUIPO CRITICO MODELO MATEMÁTICO


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO ANIMACIÓN DEL EQUIPO CRÍTICO “REACTOR DE CRACKING CATALITICO”

“REACCION DE HIDROCRACKING”

“REACTOR DE HIDROCRACKING”

“REACCION DE REFORMADO CATALICO”



R A C O R

DE REFORMADO CATALITICO”


“ E T

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO RESUMEN DEL PAPER UTILIZADO COMO BASE PARA EL MODELO MATEMÁTICO

RESUMEN Debido a la generación de moléculas a lo largo de los reactores de lecho transportado durante la desintegración catalítica de hidrocarburos pesados, disminuye la densidad y se incrementa la velocidad de la mezcla reactiva. Esta situación provoca un cambio en dirección axial de la velocidad relativa del catalizador respecto a la de la mezcla reactiva evaporada y consecuentemente, variación continua de la concentración del gas y de la partícula catalítica entre la fase gaseosa y la superficie del catalizador. Estos cambios como incremento de la concentración del gas y temperatura tienen por objetivo condensar después hidrocarburos. Utilizando un modelo matemático para un reactor ascendente de desintegración catalítica, demostraremos la corrida experimental.


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO DEMOSTRACIÓN DEL MODELO MATEMATICO El proceso de desintegración catalítica se lleva a cabo en reactores de lecho transportado conocido como “reactor de lechofluidizado”. La carga líquida precalentada (generalmente gasóleos de vacío) y el catalizador caliente (proveniente del regenerador) son suministrados en la parte inferior del reactor. Al contacto entre ambas fases, la carga líquida se evapora instantáneamente, iniciando su desintegración y la producción de gran cantidad de moléculas de peso molecular menor al de la carga, disminuyendo la densidad de la mezcla reactiva e incrementando la velocidad en dirección axial. En el reactor aparecen dos regiones: una en la base que se distingue por la aceleración del catalizador, la otra, con un flujo del catalizador totalmente desarrollado que permanece hasta la salida de la mezcla reactiva y del catalizador del reactor. Durante el recorrido el catalizador viaja a una velocidad menor a la mezcla reactiva (conocida como velocidad de deslizamiento o “slip”) debido a la diferencia de densidad de las fases.

Figura 15


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO El modelo del reactor incluye un esquema cinético de 5 seudocompuestos, los balances de masa para las especies reaccionantes y el balance de energía. La desintegración de la carga sigue un esquema de segundo orden, en tanto que las reacciones de desintegración de las especies generadas son de primer orden. La dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura toma la forma típica de Arrhenius. El modelo considera como la entrada del reactor al punto donde se encuentran la carga líquida, con el catalizador. La carga se precalienta a una temperatura en el intervalo de 430 K a 490 K y el catalizador en el intervalo de 935 K a 945 K. Esta mezcla reacciona de modo heterogéneo generando moléculas, y sale del reactor con una temperatura en el intervalo de 790 K a 810 K.

HIPÓTESIS 

Al reactor se le considera de lecho transportado y heterogéneo.



Ambas fases se desplazan en flujo pistón.



La carga se evapora y se mezcla con el catalizador de modo espontáneo.



El reactor no tiene salidas ni entradas laterales.



Las reacciones de desintegración son únicamente catalíticas.



La mezcla gaseosa es ideal.



El gas disminuye su densidad debido a la generación de moléculas de peso molecular menor por las reacciones de desintegración.



El coeficiente de conducción es muy pequeño por lo tanto y como este multiplica a toda la segunda ecuación diferencial, todo este término se puede despreciar.



La actividad catalítica depende únicamente del tiempo de reacción, asimismo al tratarse el proceso de un estado estacionario, esta actividad se supone constante igual a uno.



Debido a la complejidad del proceso se hace el balance de energía en la fase gaseosa y para ello se considera la temperatura promedio del catalizador.


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO BALANCE DE MATERIA Balance de materia en la Fase gaseosa Ecuación general de conservación de la materia

ENTRADA – SALIDA + GENERACION – PERDIDAS = ACUMULACION

Considerando coordenadas cilíndricas debido al flujo en un recipiente cilíndrico.

Asumiendo estado estacionario, y que solo hay movimiento en el eje “z”



Como se analiza para la parte gaseosa entonces

V z= V G,

no hay movimiento en

la dirección angular y radial, No hay reacción



Debido a que es un análisis en la fase gaseosa del hidrocraking con reacción química.

Finalmente:



Balance de materia en la superficie catalítica Ecuación general de conservación de la materia

ENTRADA – SALIDA + GENERACION – PERDIDAS = ACUMULACION

Considerando coordenadas cilíndricas debido al flujo en un recipiente cilíndrico.

Asumiendo estado estacionario y que solo hay movimiento en el eje “z”





Como se analiza para la

superficie

entonces hay reacción

,

catalítica

Se le multiplica a RA por

debido a que esto depende de la cantidad de

solido depositado en el

catalizador en la cual se da la reacción.

Finalmente:



BALANCE DE ENERGÍA ENTRADA – SALIDA + GENERACION – PERDIDAS = ACUMULACION Balance de Energía en la Fase gaseosa Ecuación general de conservación de energía ρ*cp∂T∂t+Vr*∂T∂r+VZ∂T∂Z=K1r*∂∂r*r*∂T∂r+1r2*∂2T∂θ2+1r2*∂2T∂z2+G°+hcon v*av*(TP-TG) 

Asumiendo estado estacionario.



Que solo hay movimiento en el eje “z”



No hay generación. ρ*cp∂T∂t+Vr*∂T∂r+VZ∂T∂Z=K1r*∂∂r*r*∂T∂r+1r2*∂2T∂θ2+1r2*∂2T∂z2+G°+hc onv*av*(TP-TG)


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO Finalmente:

En los lechos transportados, la transferencia de calor es resultado de los mecanismos de conducción y convección, principalmente. Una forma posible para calcular el coeficiente de transferencia de calor es:

Donde se utilizó la definición del número de Nusselt y su correlación con los números de Prandtl y Reynolds. Es importante notar que el número de Reynolds se evaluó utilizando el valor de la velocidad terminal de partícula, V T

La función de desactivación del catalizador es:



Debido a la complejidad del proceso se hace el balance de energía en la fase gaseosa y para ello se considera la temperatura promedio del catalizador.

DATOS: Tprom kG

701K 3.1875*10-5m/s

mG

ρGAS

51Kg/s

850kg/m3

A

1.2m2

ε

0.7

VG

0.1m/s

VT

PMG

0.04m/s

255g/mol

Re


119

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO DV G

8*10-4cm2s 42.5kgm2s

uG

2*10-5Pa.s

Sc

0.294

SIMULACIÓN DEL MODELO MATEMÁTICO DEL EQUIPO CRÍTICO EN MATLAB Ingresamos al programa MATLAB

BALANCE DE MATERIA Ingresamos las funciones que respectan al balance de materia UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 30


Una vez ingresadas las funciones diferenciales de balance de materia, se digitan las variables y usando el comando ODE45 resolvemos las ecuaciones diferenciales.

Luego usamos el comando plot para graficar la variación de concentración en eje axial del reactor.



BALANCE DE ENERGIA Ingresamos las funciones que respectan el balance de energía


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO Una vez ingresadas las funciones diferenciales de balance de energía, se digitan las variables y usando el comando ODE45 resolvemos las ecuaciones diferenciales.

Luego usamos el comando plot para graficar la variación de temperatura en eje axial del reactor.



DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE UTILIZADO MATLAB es el nombre abreviado de “MATrix LABoratory”. MATLAB es un programa para realizar cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso particular puede también trabajar con números escalares, tanto reales como complejos. Una de las capacidades más atractivas es la de realizar una amplia variedad de gráficos en dos y tres dimensiones. MATLAB tiene también un lenguaje de

programación propio.

Características del MATLAB ✔

Calculo numérico rápido y con alta precisión.


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO ✔

Capacidad para manejo matemático simbólico.

✔

Funciones avanzadas para graficar y visualizar.

✔

Paquetes especializados para algunas ramas de ciencias e ingeniería.

1. PRODUCTOS DE LA REFINERIA En el proceso de refino los productos obtenidos de la refinación se dan a partir de la torre de destilación atmosférica realizada en las unidades de crudo. El crudo calentado entra en la torre de crudo en la que se separan los diferentes componentes del petróleo según sus puntos de ebullición. Obtenemos GLP, nafta, keroseno, gasóleo y un componente residual llamado residuo atmosférico. Este residuo se calienta y entra a las unidades de vacío en las que se extrae el gasoil de vacío, dejando como producto residual el residuo de vacío. Los productos obtenidos se tratan para conseguir productos comerciales en la forma siguiente: Los gases ligeros (metano y etano) se endulzan para eliminar el ácido sulfhídrico y se aprovechan como combustible en la propia refinería. El GLP se separa en propano y butano que son envasados a presión o usados como materia prima para producir etileno y propileno y combustible para automóviles. Las naftas se tratan en las unidades de reformado catalítico para mejorar sus cualidades y se mezclan para obtener gasolinas comerciales. La fracción ligera de la nafta también se procesa en unidades de isomerización para mejorar su índice de octano; asimismo puede ser usada para producir etileno y propileno. •

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•


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO El keroseno es tratado para cumplir las especificaciones de combustible para aviación o para usarse en la formulación del diesel de automoción. El gasóleo se lleva a las unidades de hidrodesulfuración, donde se reduce su contenido en azufre, tras lo cual se usa para formular diesel de automoción o gasóleo de calefacción. El gasoil de vacío no es un producto final. Se lleva a las unidades de FCC (cracking catalítico fluido) donde a elevada temperatura y con presencia de un catalizador en polvo sus largas moléculas se rompen y se transforman en componentes más ligeros como GLP, naftas o gasóleos. El gasoil de vacío también puede convertirse en las unidades de Hidrocraqueo, donde a unos 400-440 °C y alta presión, en presencia de catalizadores apropiados, se transforma también en GLP, naftas o gasóleos libres de azufre. Estas unidades producen un gasóleo de mejor calidad (con mejor índice de octano) que las unidades de FCC. El residuo de vacío se puede utilizar como asfalto o bien someterlo a altísimas temperaturas en las unidades de coque en las que se producen componentes más ligeros y carbón de coque que puede calcinarse para formar carbón verde. Este residuo de vacío también puede ser usado para fabricar fuelóleo, bien directamente o previa su conversión térmica en unidades de visco reducción. En todas las refinerías se produce también azufre sólido, como subproducto, debido a las limitaciones impuestas a la emisión del dióxido de azufre a la atmósfera. Una refinería media procesa entre 15.000 y 30.000 m 3 de petróleo cada día. Los complejos refinadores más grandes del mundo en 2004, situados en Venezuela, llegan a procesar más de 100.000 m 3 al día. •

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1. DIAGRAMA DE PROCESOS DE REFINACION(VIDEO )



“EL SIGUIENTE VIDEO ESTA ANEXADO EN EL CD: VIDEO DEL PROCESO”


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 2. DIAGRAMA DE PROCESOS DE LA REFINACION DE PETROLEO


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 3. REFINERIAS EN EL PERÚ En el Perú las principales empresas exportadoras son la Repsol, Petróleos del Perú S.A y Perupetro S.A. donde a continuación se verá las principales refinerías en el Perú: Refinería “La Pampilla”: Es la mayor del país, con una capacidad de procesamiento de 107 000 barriles diarios instaladas en el año 1967, consta de dos unidades de destilación primaria, una de 70000 barriles diarios y la otra de 37 000; una unidad de destilación al vacio de once mil barriles diarios. La unidad de reformación catalítica de 2 000 barriles diarios así como la unidad de craqueo catalítico fluido de 7000 barriles diarios, también cuenta con unidades de tratamiento Merox para gasolina y turbo combustible. Esta refinería produce gasolina de alto octanaje, gas licuado de petróleo y combustible para aviones a chorro.

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO 3. REFINERIAS EN EL PERÚ En el Perú las principales empresas exportadoras son la Repsol, Petróleos del Perú S.A y Perupetro S.A. donde a continuación se verá las principales refinerías en el Perú: Refinería “La Pampilla”: Es la mayor del país, con una capacidad de procesamiento de 107 000 barriles diarios instaladas en el año 1967, consta de dos unidades de destilación primaria, una de 70000 barriles diarios y la otra de 37 000; una unidad de destilación al vacio de once mil barriles diarios. La unidad de reformación catalítica de 2 000 barriles diarios así como la unidad de craqueo catalítico fluido de 7000 barriles diarios, también cuenta con unidades de tratamiento Merox para gasolina y turbo combustible. Esta refinería produce gasolina de alto octanaje, gas licuado de petróleo y combustible para aviones a chorro.

Figura 16

Refinería la Talara: UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 39

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO Es la mas antigua del Perú, en la actualidad consta de una unidad de destilación primaria de 67 000 barriles diarios de capacidad y una unidad de craqueo catalítico de 17 000 barriles diarios que opera desde el año 1965. Esta refinería produce la mayor parte de los productos especiales derivados del petróleo, solventes, lubricantes, asfaltos, grasas, ácidos Nafténicos, etc.

Figura 17

Nueva Refinería de la Selva: Esta refinería inicio sus operaciones en marzo de 1982, en la ciudad de Iquitos, tiene una capacidad de procesamiento de 100- 500 barriles diarios y cubre los requerimientos de combustibles de los pueblos de nuestra Amazonia. La Refinería “La Conchan”: Inicio sus operaciones en 1973, dispone de una unidad de destilación primaria de 9500 barriles diarios de capacidad y de un alambique para la producción de bases asfálticas con una capacidad de 4000 barriles diarios. Esta empresa abastece la creciente la demanda de asfalto en la zona de Lima y del Centro de Perú.



Figura 18

Refinería “Pucallpa”: Esta refinería comenzó sus operaciones en octubre de 1973, consta de una unidad de destilación primaria de 2100 barriles diarios de capacidad, la refinería Pucallpa tiene una capacidad de almacenamiento de 95000 barriles de los cuales 80 000 son de crudo. Sus características permiten considerarla como fuente de abastecimiento importante para el gran desarrollo potencial estimado en dichas zonas de la selva.

1. IMPACTO AMBIENTAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 41

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO Los impactos ambientales de la refinación de petróleo son el resultado, principalmente, de las emisiones gaseosas, descargas de efluentes, desechos sólidos, ruido y olor además de efectos visuales o estéticos. Las emisiones atmosféricas constituyen las causas más significativas de los impactos ambientales negativos de las refinerías. Las más importantes son las partículas, hidrocarburos, monóxido de carbono, óxidos de azufre y de

nitrógeno. Emanan de diferentes fuentes incluyendo la unidad de desintegración catalítica, los procesos de recuperación de azufre, calentadores, desfogues, mecheros y almacenamiento de los productos o materias primas. Los sellos de las bombas y las válvulas pueden originar las emisiones fugitivas. La combinación de estas emanaciones puede causar olores nocivos que afectarán a grandes áreas alrededor de la refinería. Se emplean grandes cantidades de agua en la refinación de petróleo para lavar los materiales indeseados de la corriente del proceso, para enfriamiento y producción de vapor, y en los procesos de reacción. Entre los contaminantes principales que se encuentran en los efluentes de las refinerías de petróleo tenemos: aceites y grasas, amoniaco, compuestos fenólicos, sulfuros, ácidos

orgánicos, y cromo y otros metales . Se pueden expresar estos contaminantes en términos de su Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5), Demanda Química de Oxígeno (DQO) y el contenido de Carbono Orgánico Total (COT). Además, existe el potencial para contaminar el agua superficial, el suelo y el agua freática debido a las fugas o derrames de las materias primas o productos. La purga del agua de enfriamiento, el agua de lavado o de limpieza, el escurrimiento e infiltración de los patios de tanques, almacén de tubos, áreas de entrega de productos, y módulos de procesamiento, también pueden causar la degradación de las aguas superficiales y freáticas. Las refinerías generan grandes cantidades de desechos sólidos; los principales son las partículas catalíticas de las unidades de desintegración, finos de coque, sulfuros de hierro, medios de filtración, y diferentes lodos (de la limpieza de los tanques, separadores de aceite y agua, y sistemas de tratamiento de las aguas servidas). UNIVERSIDAD NACIONAL DE CALLAOPágina 42

SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO La operación de refinación de petróleo puede ser ruidosa. Las fuentes de ruido son los compresores de alta velocidad, las válvulas de control, los sistemas de tubería, turbinas y motores, mecheros, intercambiadores de calor con enfriamiento por aire, ventiladores, torres de enfriamiento y desfogues. Los niveles típicos de ruido varían de 60 a 110 dB a una distancia de un metro de la fuente.

Riesgo de derrames accidentales Para el medio ambiente puede ser catastrófico un derrame o descarga importante de materia prima, productos o desechos, especialmente para los ecosistemas marinos o acuáticos. Particularmente vulnerable es el agua freática, si se producen fugas no detectadas de los tanques u oleoductos. Se deben ubicar las refinerías distantes de las zonas que son propensas a los desastres naturales (terremotos, marejadas, inundaciones, condiciones meteorológicas adversas, etc.) y fuera de los recursos frágiles que no pueden ser protegidos en el caso de un derrame mayor. Los diseños de las instalaciones de almacenamiento y transferencia deben incluir medios para contener los derrames. Los oleoductos deben estar equipados de alarmas y válvulas de cierre automáticas, a fin de permitir una respuesta rápida a las roturas. Los procedimientos de operación de las plantas deben incluir inspecciones frecuentes de los tanques y oleoductos para detectar fugas.

Peligros de explosión e incendio Típicamente, son inflamables o explosivos, las materias primas y productos del petróleo. Se debe tomar en cuenta estos riesgos al seleccionar el sitio de la refinería; para reducir el peligro que representan, se deben implementar los diseños y procedimientos correspondientes en cada planta. Asimismo, la refinería debe disponer de equipos de emergencia contra incendios. Hay que evaluar y fortalecer, si es necesario, la capacidad de las comunidades aledañas para responder a los desastres. Para mayores detalles, ver el capítulo "Manejo de Peligros Industriales".

Transporte de los materiales


SIMULACION Y CONTROL DE PROCESOS-REFINACION DEL PETROLEO La mayoría de los grandes derrames de petróleo son el resultado de los accidentes de transporte. Cada método de transporte de materias primas y productos de la refinería implica ciertos riesgos inherentes, que pueden provocar un derrame casual durante la transferencia o acarreo. El nivel de riesgo, se debe, hasta cierto punto, a la naturaleza del área geográfica y el estado de la infraestructura del país. Se puede comparar el riesgo de los accidentes y la fragilidad e importancia de los recursos ecológicos y socioculturales que podrían sufrir deterioro, con el costo de los modos alternativos de transporte y sus propios impactos ambientales, antes de decidir sobre las alternativas que deben ser empleadas en una refinería dada. Existen casos en lo que es posible reducir los impactos potenciales a niveles aceptables, únicamente al seleccionar un método de transporte en particular; por ejemplo, al tratarse de una zona costanera frágil con humedales importantes, sería preferible emplear oleoductos superficiales o subterráneos en las rutas interiores que conducen a la planta antes que utilizar tanqueros, barcazas, ferrocarriles o camiones para el transporte.

2. SIMULACION DEL PROCESO DE REFINACION DEL PETROLEO EN LA MAQUETA



“EL VIDEO ES ANEXADO EN EL CD COMO VIDEO DE LA MAQUETA”

CONCLUSIONES

Como observamos, la refinación de petróleo, el proceso es complicado y extenso, Debido a que se obtiene diferentes productos. Concluimos que existen 2 equipos críticos en nuestro proceso de refinación de petróleo, los cuales son el Hidrocracking y el reformado


Refinación..

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