UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFacultad de Ingeniería Química
INTRODUCCIÓN
Las columnas de crudo son las unidades de mayor tamaño en la refinaría. Se utilizan
para separar el crudo de petróleo en fracciones de acuerdo con su punto de ebullición,
por lo que cada una de las siguientes unidades de proceso tendrá materias primas que
satisfagan sus especificaciones particulares. Se consiguen las mayores eficacias y los
costes mas bajos si la separación del crudo de petróleo tiene lugar en dos etapas:
primero fraccionando la totalidad del crudo de petróleo esencialmente a la a presión
atmosférica; luego, alimentando la fracción de los residuos de punto de ebullición mas
alto (crudo de cabeza) de la columna a presión atmosférica a un segundo fraccionador
operando a alto vacío.
Las unidades de vacío se emplean para separar la porción más pesada del crudo de
petróleo en fracciones ya que las altas temperturas necesarias para vaporizar el crudo
de cabeza a presion atmosférica darían lugar al craqueo térmico, con la consiguiente
pérdida por gas seco, decoloración del producto y ensuciamiento del equipo debido a
la formación de coque.
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I. OBJETIVO
El objetivo de la destilación del petróleo es extraer los hidrocarburos presentes
naturalmente en el crudo, sin afectar la estructura molecular de los componentes.
II. PETRÓLEO
Es una mezcla homogénea de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos
insolubles en agua. Es de origen fósil, fruto de la transformación de materia orgánica
procedente de zooplancton y algas que, depositados en grandes cantidades en fondos
anóxicos de mares o zonas lacustres del pasado geológico, fueron posteriormente
enterrados bajo pesadas capas de sedimentos.
En condiciones normales es un líquido bituminoso que puede presentar gran variación
en diversos parámetros como color y viscosidad (desde amarillentos y poco viscosos
como la gasolina hasta líquidos negros tan viscosos que apenas fluyen), densidad
(entre 0,75 g/ml y 0,95 g/ml), capacidad calorífica, etc. Estas variaciones se deben a la
diversidad de concentraciones de los hidrocarburos que componen la mezcla.
III. COMPOSICIÓN DEL PETRÓLEO
El petróleo está formado principalmente por hidrocarburos. Los hidrocarburos
presentes en el crudo de petróleo se clasifican en tres tipos generales: parafinitas,
naftenos y aromáticos. Además hay un cuarto tipo, olefinas, que se forma durante el
proceso de deshidrogenación de parafinas y naftenos..
a. Parafinas
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La serie parafinita de los hidrocarburos se caracteriza por la regla d e que los
átomos de carbono e hallan unidos mediante enlaces sencillos y los otros están
saturados con átomos de hidrogeno. La formula general para lo parafinas es
CnH2n+2.
La parafina mas simple es el metano seguido por la series homologas de etano,
propano, butano normal e iso, pentano normal, iso y neo, etc. Cuando el numero
de atomos en la molécula es mayor que tre, puede exitir varioshidro carburos que
contengan el mismo numero de atomos de carbono e hidrogeno pero que tienen
estructuras difeentes. Esto es debido a que el carbono es capaz de formar no solo
cadenas sino tambien de formar cadenas ramificadas sencillas o dobles las culaes
conducen a isomeros que poseen propiedades significativamente distintas.
b. Olefinas
Las olefinas no existen de forma natural en el crudo de petróleo pero se forman
durante el procesado. Son muy similares en la estructura a la parafinas pero como
mínimo dos de los átomos de carbono están unidos por dobles enlaces. La formula
general es CnH2n. generalmente las olefinas son indeseables en los productos
acabados debido a que los dobles enlaces son reactivos y los compuestos se
oxidan y polimerizan mas fácilmente.
Durante el procesado también se forman algunas diolefinas (conteniendo dos
dobles enlaces), pero reaccionan muy rápidamente con las olefinas par formar
polímeros de peso molecular muy alto, consistentes en muchas moléculas sencillas
no saturadas unidas conjuntamente.
c. Naftenos
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Se denominan naftenos a los hidrocarburos cicloparafínicos en lo que todos los
enlaces disponibles de los átomos de carbono están saturados con hidrogeno. Hay
muchos tipos de naftenos presentes en el crudo de petróleo pero, excepto para los
compuestos de peso molecular mas bajo, no se tratan generalmente como
compuestos individuales. Se clasifican de acuerdo con su intervalo de ebullición y
sus propiedades se determinan con la ayuda de los factores de correlación tales
como el factor Kw o el IC.
d. Aromáticos
La serie aromática de hidrocarburos es química y físicamente muy diferente de las
parafinas y naftenos. Los hidrocarburos somáticos contienen un anillo bencénico el
cual no este saturado pero es muy estable comportándose frecuentemente como
un compuesto saturado.
IV. CRUDO REDUCIDO
Es el residuo atmosférico o crudo reducido procedente del fondo de la columna de
destilación atmosférica, se bombea a la unidad de destilación a vacío, se calienta
generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 °C, similar a la
temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosférica, y se introduce en la
columna de destilación. Esta columna trabaja a vacío, con una presión absoluta de
unos 20 mm de Hg, por lo que se vuelve a producir una vaporización de productos por
efecto de la disminución de la presión, pudiendo extraerle más productos ligeros sin
descomponer su estructura molecular.
V. DESTILACIÓN AL VACIO
Gran parte del crudo procesado en los Topping no se vaporiza, ya que para lograrlo
sería necesario elevar la temperatura de trabajo por sobre el umbral de
descomposición térmica. Por tal motivo este residuo atmosférico, denominado crudo
reducido.
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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
La destilación al vacío consiste en generar un vacío parcial dentro del sistema de
destilación para destilar sustancias por debajo de su punto de ebullición normal.
VI. VARIABLES DE PROCESO
Los paramentos termodinámicos que gobiernan la destilación son la temperatura y
presión del sistema, por tal motivo consideramos como variables del proceso todas
aquellas que puedan afectar el equilibrio entre las fases vapor-liquido.
Temperatura de transferencia
Esta es la máxima temperatura a la que se eleva el crudo para vaporizarlo, el
rendimiento en destilados depende de esta variable.
Presión de trabajo.
Es la presión a la cual se produce la operación. Si bien afecta directamente el
equilibrio liquido-vapor, generalmente se trabaja a la menor presión posible, y por
ende no se varia frecuentemente.
Temperatura de cabeza.
Es la temperatura en la zona superior de la columna fraccionadora, se controla
con el reflujo de cabeza, este reflujo es la fuente fría que genera la corriente de
líquidos que se contactan con los vapores, produciéndose los equilibrios liquido-
vapor.
Temperatura del corte.
Es la temperatura a la cual se realiza la extracción lateral de un combustible. Esta
temperatura es controlada con el reflujo de cabeza y reflujos circulantes. Estos
últimos tienen un efecto semejante que el reflujo de cabeza y además precalientan
el crudo, recuperando energía.
Inyección de vapor.
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El vapor o (incondensables ) en las fraccionadoras disminuye la presión parcial de
los hidrocarburos, estableciendo nuevos equilibrios vapor-liquidos, favoreciendo la
vaporización de los componentes más volátiles. Esto se aplica en la columna
fraccionadora principal como en los strippers de los cortes laterales.
VII. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE DESTILACIÓN AL VACIO
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 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
La torre tiene características particulares, que la diferencian de las
fracionadoras atmosféricas. Los dispositivos o elementos
mecánicos 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 de la misma.
La zona de condensación o fraccionamiento tiene el mayor diámetro ya que las
pérdidas de carga deben ser despreciables para mantener el Vacío homogéneo en la
totalidad de la torre. La zona de cabeza es de diámetro menor ya que el caudal de
vapores en esta zona es muy bajo debido a que los productos solo son obtenidos
lateralmente y no por cabeza. El fondo de la columna tiene el menor diámetro, ya que
se debe minimizar el tiempo de residencia del asfalto para evitar la descomposición
térmica y formación de carbón en la torre.
El primer corte lateral producido es el Gas Oíl Liviano de Vacío, el cual es carga de la
unidad de Isomax o FCC. Debido a las características del proceso Isomax
(Hidrocracking) las especificaciones de los productos son muy importantes, ya que se
afecta fuertemente la performance de esa unidad si se daña el catalizador.
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El segundo corte lateral es el Gas Oíl Pesado de Vacío, este producto intercambia calor
con el crudo de la unidad de Topping y es la carga por excelencia de las unidades de
Cracking Catalítico Fluido. Como parametro de calidad fundamental, al corte se le
controla el contenido de Carbón Conradson, (< 0.5 %). Este parámetro afecta
directamente el balance de carbón y por ende el balance de calor de esas unidades, lo
que modifica la performance de las mismas.
VIII. PRODUCTOS DE LA DESTILACIÓN AL VACIO DEL PETRÓLEO
En las unidades de Vacío, solo se obtienen cargas para unidades de conversión.
Gas oíl liviano de Vacío
Se envía como carga a lsomax, donde se obtiene gas oíl, JP, naftas carga de
Hidrotratamiento de naftas e isomerizacion y propano-butano.
Gas oíl pesado de Vacío
Se envía a las unidades de Crakíng Catalítico Fluido, donde se obtienen nafta de
alto RON, propano carga petroquímica o despacho, butano carga a MTBE-
alquilacion, gases combustibles, diesel oíl carga a Hidrotratamiento de Diesel que
lo convierte en gas oíl.
Asfalto
Se envía a las unidades de crakeo térmico, donde se convierte en naftas carga de
Hidrotratamiento de naftas, diesel oíl carga de Hidrotratamiento de Diesel, gas oíl
pesado de coke que es carga de las unidades de Crakíng Catalítico Fluido, carbón
propano-butano y gases combustibles.
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IX. DIAGRAMA DE FLUJO PFD
INICIO: 31200 BPD % CAPACIDAD CAPACIDADGASES 10% 3120
GAS LIVIANO 25% 7800GAS PESADO 56% 17472
ACEITE LUBRICANTE 3% 936ASFALTO 6% 1872
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X. INVERSIÓN FIJA
a. COSTO DE MANO DE OBRA
EQUIPOS CANTIDAD OPERARIO/EQUIPO OPERARIOS/TURNO OPERARIO/DIA
HORNO 1 0.3 0.3 0.9
BOMBA 4 0 0 0
INTERCAMBIADOR 3 0.1 0.3 0.99 INGENIERIA ECONOMICA Y FINANCIERA - DESTILACION AL VACIO DEL
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DE CALORCOLUMNA 1 0.3 0.3 0.9
TOTAL 2.7
TOTAL=3operariosdia
TOTAL:
OPERARIOSdia
3
Adicional (Rotacion20%) 0.6
SUB TOTAL: 3.6 OPERARIOS
dia
TOTAL: 4 OPERARIOS
dia
SALARIO PROMEDIO MENSUAL $500/operario
REMUNERACION MENSUAL $2000/mes
NºREMUNERACIONES AL AÑO 14
REMUNERACIONES ANUAL TOTAL $28000/año
b. GRASSROOTS COST
Cuadro de especificaciones de los equipos de destilación al vacio del petróleo.
EQUIPO No. CAPACIDAD/TAMAÑO
MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN
PRESIÓN DE OPERACIÓN (barg)
P -1001Bomba
Potencia eje=6 KWCentrífuga
C S Descarga =7.09725
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centrífuga
T-101Columna de destilación
V= 2114.1725m3
D=40pies≈12.192 m30Platos S S Recipiente =0.0333305
E-101Intercambiador
de cabeza flotante
A=170m2 C S Recipiente =0.0333305
H-102Horno
Diámetro = 2.5Longitud= 50 m
VerticalC S Columna =0.0333305
1) COLUMNA DE DESTILACION (T-101)
Especificaciones:
Presión: 25 mmHg
Diámetro: 40pies ≈ 12.192 m
# De platos = 30
H = 590pies ≈ 180 m
Temperatura = 730ºF
Recipiente: SS
Platos: SS
Log Cp=K1 + K2logV + K3(logV)2
P = 25mmHg
V = π(R)2Xh
V = 2114.1725 m3
1. De la tabla A.1 : K1= 3.4979
K2= 0.4485
K3 = 0.1074
Reemplazando:
Log Cp=3.4979 + 0.4485 log (2114.1725) + 0.1074 (log (2114.1725))2
Cp (2001) = 27747282.15
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2. Como Cp0 (2011) =Cp
0 (2001 ) I (2011)I (2001 )
, I(2001) =394 , I(2011) = 628.8;
Reemplazando se obtiene:
C p0 (2011 )=¿44282972.12
FBM = B1 + B2FmFp
Fp =(P+1 ) xD
2 [850−0.6(P+1)]0.0063
, donde p= presión y D= diámetro
Fp = 9.0492x10-5
3. De la tabla A.4 B1= 2.25
B2= 1.82
4. De la figura A.18
Fm = 3.1
Reemplazando:
FBM = 2.25 + 1.82x3.1x9.0492x10-5
FBM = 2.2505
CBM(2011) = Cp(2011)xFBM
Cp(2011)= 44282972.12
FBM = 2.2505
Reemplazando:
CBM (2011) = 44282972.12x2.2505
CBM (2011) = 99658828.76
2) PARA PLATOS:
A=π r2
A=π (6.096)2
A = 116.7454 m2
Numero de platos: 30
Fq = 1
Número de identificación: 61
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FBM = 1.8
PARA EL Cp:
LogCp=K1 + K2logA + K3 (logA)2
K1 = 2.9949
K2= 0.4465
K3 = 0.3961
Reemplazando:
LogCp=2.9949+ 0.4465log (116.7454) + 0.3961 (log (116.7454))2
Cp (2001)= 407988.6736
Cp0 (2011) =Cp
0 (2001 ) I (2011)I (2001 )
, I(2001) =394 , I(2011) = 628.8;
Reemplazando se obtiene:
C p0 (2011 )=¿651125.071
CBM = CpxNxFBMxFq
Cp(2011)= 651125.071
N = 30
FBM = 1.8
Fq = 1
Reemplazando:
CBM (2011) = 651125.071x30x1.8x1
CBM (2011) = 35160753.83
CBMCOLUMNA+PLTOS(2011)
CBM COLUMNA+PLATOS (2011) = 35160753.83+99658828.76=1348819582.6
3) BOMBAS ( P-1001)
Especificaciones:
Capacidad: potencia eje=6 KW
Material: CS
Presión: 7.09725 barg
Log Cp=K1 + K2logV + K3(logV)2
P = 25mmHg
A = 6 KW
1. De la tabla A.1 :
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K1=3.3892
K2=0.0536
K3=0.1538
Reemplazando:
log Cp0 =K1+K 2log A+K 3 log2 A , para el caso de bombas, A= Potencia
eje, reemplazando datos se obtiene:
C p0 (2001 )=¿3342.241181
2. Como Cp0 (2011) =Cp
0 (2001 ) I (2011)I (2001 )
, I(2001) =394 , I(2011) = 628.8;
reemplazando se obtiene :
C p0 (2011 )=¿5334.013336
3. De la tabla A.2
C1=0
C2=0
C3=0
Como es igual a log Fp=C1+C2 log P+C3 log2 P, reemplazando datos
se obtiene:
Fp = 1
4. Con el tipo de material de construcción = CS y la tabla A.3 :
Identification Number (Id.N.) =38
5. Con Id.N. y la figura A.18 :
FM = 1.6
6. De la tabla A.4 :
B1 = 1.89
B2 =1.35
FBM = B1 + B2 Fp FM, reemplazando datos:
FBM = 4.05
7. CBM(2011) = Cp0 (2011)*FBM , reemplazando datos :
CBM (2011) =21602.75401
4) INTERCAMBIADOR CABEZA FLOTANTE (E-101)
Especificaciones
A = 170 m2
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P = 0.03333057801 bar
Tubo CS
Carcaza CS
LogCp=K1 + K2logA + K3(logA)2
K1 = 4.8306
K2= -0.8509
K3 = 0.3187
Reemplazando:
LogCp(2001)=4.8306-0.8509log(170) + 0.1074 (log(170))2
Cp(2001)= 2930.998051
Como:
Cp0 (2011) =Cp
0 (2001 ) I (2011)I (2001 )
, I(2001) =394 , I(2011) = 628.8;
Reemplazando se obtiene :
C p0 (2011 )=¿4677.694351
LogFp=C1 + C2log(0.03333057801) + C3(log(0.03333057801))2
C1 = 0
C2= 0
C3 = 0
Reemplazando:
LogFp=0 + 0logP + 0(logP)2
Fp= 1
FBM = B1 + B2FmFp
B1 = 1.63
B2 = 1.66
Fm = 1
Fp= 1
Reemplazando:
FBM = 1.63 + 1.66x1x1
FBM = 3.29
CBM = CpxFBM
Cp(2011)= 4677.694351
FBM = 3.29
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Reemplazando:
CBM = 4677.694351x3.29
CBM(2011) = 15389.61442
5.-HORNOS (H-102)
Especificaciones
Diámetro = 2.5
Longitud= 50 m
A=36m2
log Cp0 =K1+K 2log A+K 3¿¿
K 1=2.3859
K 2=0.9721
K 3=−0.0206
log Cp0=3.8489
Cp0(2001)=7061.3358
Cp0 (2011) =Cp
0 (2001 ) I (2011)I (2001 )
I(2001) =394 , I(2011) = 628.8;
Reemplazando se obtiene:
C p0 (2011 )=4424.5647
CBM=CP0 FBM FP FT
Calculo de:
FT=1+0.00184 ∆T−0.00000335(∆T )2
FT=1+0.00184∗120−0.00000335 (120)2
FT=1.17256
log Fp=C1+C2 logP+C3 log2 P
C1=0
C2=0
C3=0
Fp=1
De tablas
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FBM=2.4
CBM=CP0 (2011 )∗FP∗FT
CBM=4424.5647∗2.4∗1∗1.17256
CBM (2011)=12451.3622
Calculando el costo de la planta o de la unidad de destilación al vacio:
EQUIPO No. CBM ($) x unidad
P -1001Bomba centrífuga
21602.75401
T-101Columna de destilación
1348819582.6
E-101Intercambiador de cabeza flotante
15389.61442
H-102Horno
12451.3622
CBMTOTAL= 8X21602.75401+1348819582.6+3X15389.61442+12451.3622
CBMTOTAL= 1349051025
Grassroots cost (CGR)=1.18CBMTOTAL
CGR=1591,88 millones de dolares
XI. BIBLIOGRAFÍA
Handwerk G.E; Gary J.H. “Refino Del Petróleo” , Editorial Reverte, España, 2005
Lluch Urpi Jose. “Tecnología Y Margen Del Refino Del Petróleo”, Editorial Edigrafos;
España, 2008
17 INGENIERIA ECONOMICA Y FINANCIERA - DESTILACION AL VACIO DEL PETROLEO
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Torres robles Rafael. “procesos de refinación del petróleo”, Editorial Alfaomega,
México, 2002
Turton Richard. “Analisys, Synthesis, And Design Of Chemical Processes”. Editorial
Prentice Hall, Mexico, 2009
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