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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARDECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN Y ANÁLISIS DEVULNERABILIDAD A EROSIÓN EN HORNO DE CALENTAMIENTO DE
CRUDO
PorJosé Enrique Acuña Sequera
Sartenejas, Marzo del 2006
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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALESCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN Y ANÁLISIS DEVULNERABILIDAD A EROSIÓN EN HORNO DE CALENTAMIENTO DE CRUDO
Proyecto de Grado presentado porJosé Enrique Acuña Sequera
Realizado con la Asesoría de Svante Cejie y Reza Fakhrai
RESUMEN
En años recientes, debido a la tendencia de los mercados, refinerías petroleras han sentido la necesidad declarificar su situación energética e incrementar la capacidad de sus procesos.
A través de la realización de una pasantía en la Refinería de la empresa Nynas Refining AB en Nynäshamn,Suecia, el propósito del presente proyecto fue determinar el desempeño energético anual de su unidad dedestilación VD2 y estudiar la vulnerabilidad a la erosión en su horno de calentamiento de crudo H101. Paraesto, VD2 y H101 fueron estudiados por separado y analizados a través de la recolección y manipulacióndatos. Un balance de energía fue hecho para VD2 y a su vez, una simulación de la tubería de la zona de
Radiación de H101 fue hecha en el programa Aspen HYSYS 2004.
El balance de energía muestra el contraste entre todas las líneas energéticas, donde los valores más altos sedeben al consumo de combustible como flujo de entrada, compensado principalmente por la energíarecuperada para calentamiento de la comunidad y la generada en la línea de producción de Bitumen.
La zona de radiación de H101 presentó un contraste entre densidad y velocidad que puede guiar hacia problemas de erosión en algunos de sus tubos en caso de que el flujo másico actual sea aumentado.
Los resultados obtenidos serán de gran utilidad para la empresa ya que servirán como una herramienta para lagerencia de nuevos proyectos de incremento de capacidad y eficiencia en sus procesos.
Palabras clavesDestilación, Energía, Erosión, Horno
Aprobado con mención: ___________________________Postulado para el premio: ____________________________
Sartenejas, Marzo del 2006
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A mi abuelo Edgar Sequera, maestro y ejemplo de los más puros valores de vida y de
grandes decisiones… día a día siento su paz y sus sabios consejos,
…Bendición abuelo…
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AGRADECIMIENTOS
Hoy, cuando una parte tan importante de mi vida ha finalizado, dejo aquí una huella eterna
de agradecimiento a:
Dios, por llevarme en sus brazos y darme aliento para levantarme y trabajar día tras día…
Venezuela, por ser sede de mi educación profesional y de vida…
Mis padres, Yajaira y José Gregorio, guías incansables de mis pasos… Gracias por el amorinfinito, la paciencia y el sacrificio…
Mi hermana Fatima, quien me mantiene brillando a donde quiera que voy…
Universidad Simón Bolívar USB, por su excelencia y disciplina… a sus espacios, a su
gente: profesores, personal administrativo, personal de comedores, de limpieza, de
seguridad, jardineros... Todos son parte del éxito de cada estudiante…
Nynas Refining AB, por haber abierto sus puertas dejándome ser uno de ellos durante este
período de tiempo magnífico…
The Royal Institute of Technology KTH , por honrarme siendo testigo de mi educación…
A mis amigas y amigos de la USB, Maria Eugenia, Verito, Astrid, Male, Faby, Stefi, Vane,
Alexis, Migue, Chino, Carlitos, Leo y mi hermano Axzel… Nada hubiera sido igual sinustedes…Que dios los bendiga y les de siempre salud, éxito y sonrisas…
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ÍNDICE GENERAL
Contenido ………………………………………………………………. Página
Índice de figuras ……………………………………………………….. iiÍndice de tablas ……………………………………………………….. iiiLista de Símbolos y Abreviaturas …………………………………………… iv
CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ……………………………………….. 1
CAPITULO 2: OBJETIVOS ……………………………………………….. 2
CAPITULO 3: FUNDAMENTOS TEÓRICOS ……………………………. 3CAPITULO 4: METODOLOGÍA DE TRABAJO
4.1. Balance de Energía en unidad de destilación VD2 ……………. 94.2. Evaluación de vulnerabilidad a Erosión en horno H101 ……… 11
CAPITULO 5: BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN
5.1. Entendimiento del proceso, identificación de las líneas,y determinación del período de estudio ……………………………… 14
5.2. Determinación cuantitativa y análisis de la energía encada línea de estudio …………………………………………………. 165.3. Balance final …………………………………………………….. 305.4. Análisis de los resultados del balance de Energía en VD2 ……… 32
CAPITULO 6: EVALUACIÓN DE VULNERABILIDAD A EROSIÓN EN H101
6.1. Búsqueda de Información ………………………………………. 356.2. Determinación de la distribución de calor en el horno …………. 396.3. Simulación de comportamiento de crudo en tubería de zona deRadiación ……………………………………………………….. 436.4. Evaluación de vulnerabilidad a problemas de erosión en tuberíade zona radiación …………………………………………………… 466.5. Análisis de los resultados ……………………………………… 50
CAPITULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ……………. 53
BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ……………………………………… 54
APÉNDICE ………………………………………………………………… 56
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INDICE DE FIGURAS
Número de Figura …………………………………………………………… Página
Figura 1. Esquema de simulación de tubería de la zona de radiación..................................12Figura 2.Variación de la energía promedio del crudo en el año...........................................17Figura 3. Energía de entrada en líneas de vapor sobrecalentado..........................................18Figura 4. Comparación entre las líneas de entrada de energía en VD2............................... 19Figura 5. Variación de energía de las 4 fracciones destiladas en el año...............................21Figura 6. Variación de la energía en las líneas de bitumen .................................................. 21Figura 7. Comparación entre los derivados de la línea de crudo..........................................22Figura 8. Energía recuperada y vendida del sistema de recuperación de calor....................24
Figura 9. Comparación entre las líneas de salida de energía VD2.......................................25Figura 10. Variación de la energía perdida al ambiente a lo largo del año .......................... 26Figura 11.Vista de la columna de destilación y horno de calentamiento en VD2................27Figura 12. Balance de Energía general ................................................................................ 31Figura 13. Balance de Energía detallado..............................................................................31Figura 14. Ilustración de H101.............................................................................................36Figura 15. Foto de la tubería de la zona de radiación...........................................................37Figura 16. Cambio de diámetro en tubería de zona de radiación ......................................... 38Figura 17. Ilustración de recorrido del crudo y valores típicos de trabajo ........................... 40Figura 18. Promedios de temperatura registrados en zona de radiación .............................. 41Figura 19. Distribución del calor suministrado en H101......................................................42
Figura 20. Perfil de Temperatura y presión en zona de radiación con flujo actual..............45Figura 21. Perfil actual de Velocidad en zona de radiación ................................................ 45Figura 22. Perfil de densidad y Velocidad del crudo en zona de radiación .........................46Figura 23. Comparación de la correlación para análisis de erosión en la tubería de H101..48Figura 24. Comparación de valores de correlación para análisis de erosión en tubo 19......49Figura 25. Comparación de correlación para análisis de erosión en tubo 22...................... 49
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ÍNDICE DE TABLAS
Número de tabla ………………………………………………………… Página
Tabla 1. Líneas de Energía ................................................................................................... 15Tabla 2. Flujo másico y temperatura promedio del crudo entrante......................................16Tabla 3. Energía de entrada a VD2 por mes y totales en el año...........................................19Tabla 4. Temperatura y flujo másico promedio de las 4 fracciones destiladas....................20Tabla 5. Temperatura y flujo másico promedio de las líneas de Bitumen ........................... 21Tabla 6. Energía recuperada y vendida en sistema de recuperación de calor ......................23Tabla 7. Energía de salida de VD2 por mes y totales en el año ........................................... 24Tabla 8. Perdidas en T107....................................................................................................27
Tabla 9. Pérdidas por gases en la chimenea de H101...........................................................28Tabla 10. Energía recuperada no vendida a lo largo del año................................................29Tabla 11. Pérdidas de Energía en VD2.................................................................................29Tabla 12. Balance de masa en línea de crudo.......................................................................30Tabla 13. Comparación entre los valores totales de entrada, salida y pérdidas ...................30Tabla 14. Condiciones de la Zona Flash .............................................................................. 38Tabla 15. Valores de calor transferido..................................................................................42Tabla 16. Flujo másico para cada caso simulado ................................................................. 44Tabla 17. Resultados generales de la simulación .................................................................44Tabla 18. Valores de correlación para análisis de erosión en tubos de zona de radiación...47Tabla 19. Valores de correlación para análisis de erosión en tubo 19..................................48
Tabla 20. Valores de Correlación para análisis de erosión en tubo 22.................................49
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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
ABREVIATURAS
API: American Petroleum Association
ASTM: American Society for Testing and Materials
Zona Flash: Lugar donde el efluente del horno se encuentra con la columna de destilación
Gryphon-Leadon: Mezcla de Crudos provenientes del Mar del Norte procesado en la
Refinería de Nynas Petroleum AB.
H101: Horno de calentamiento de crudo en vacío en la unidad de destilación de la
Refinería de Nynas Refining AB, Nynäshamn, Suecia.
IRIS: Base de datos conectada a los instrumentos de medición localizados en el área de
procesos
Laguna: Crudo pesado proveniente del Lago de Maracaibo procesado en la Refinería de
Nynas Refining AB.
Números de etiqueta: Código asignado a cada instrumento para identificarlo según su uso
y localización
PID: Diagrama de instrumentación y tuberías
T107: Columna de destilación
VD2: Unidad de destilación en la Refinería de Nynas Refining AB, Nynäshamn, Suecia.
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SIMBOLOS
P ….. Presión ….. [bar]
T ….. Temperatura ….. [°C]
•
m ….. Flujo másico ….. [ton/h]
V ….. Velocidad …. [m/s]
ρ ….. Densidad …. [kg/m3]
A ….. Area transversal de flujo ….. [m2]
Cp ….. Calor específico ….. [KJ/KgK]
d ….. Número de días …. [día]
Energía ….. Energía promedio mensual ….. [MWh]
h ….. Entalpía ….. [KJ/Kg]
LHV ….. Calor Calorífico bajo ….. [MJ/Kg]
HHV ….. Calor Calorífico alto ….. [MJ/Kg]
Q ….. Calor ….. [KW]
e ….. Espesor del acero ….. [mm]
m ….. Espesor del aislamiento ….. [mm]
hi ..... Coef. de Transf. de calor interno ….. [W/m2°C]
he ….. Coef. de Transf. de calor externo ….. [W/m2°C]
L ….. Longitud ….. [m]
[CO2] ….. Cntenido de CO2 en gases secos ….. [%]
Lfg …. Pérdidas en gases del horno …. [% Potencia]
Tgas ….. Temperatura de gases de salida en H101.. [°C]
Tin ….. Temperatura interna ….. [°C]
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Tamb ….. Temperatura ambiente ….. [°C]
Tref ….. Temperatura referencia ….. [°C]
k ….. Constante en calculo de calor en gases N/A
K i ….. Conductividad del aislamiento ….. [W/m°C]
qi ….. Calidad del aislamiento ….. N/A
k s ….. Conductividad térmica del acero ….. [W/m°C]
r 1 ….. Radio interno del cilindro …. [mm]
r 2 ….. Radio externo del cilindro …. [mm]
r 3 ….. Radio externo del aislamiento ….. [mm]
Qin ….. Potencia brindada por el combustible ….. [MW]
Vm ….. Velocidad …. [m/s]
ρm ….. Densidad media …. [kg/m3]
Eent ….. Energía que entra al sistema …. [MWh]
Egen ….. Energía generada en el sistema …. [MWh]
Esale …... Energía saliente del sistema …. [MWh]
ΔEacum ….. Energía acumulada en el sistema …. [MWh]
W ….. Trabajo realizado por el sistema …. [MWh]
g ….. Aceleración de la gravedad …. [m/s2]
z …. Altura c/r al nivel de referencia …. [m]
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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN
Nynas Refyning AB es una compañía cuya tarea es obtener distintos productos del procesamiento del petróleo crudo a través de su refinación. Una de las partes más
importantes de cualquier refinería es su unidad de destilación, cuyo objetivo principal es
fraccionar el crudo en distintos hidrocarburos más livianos. Para lograr esto, el petróleo es
precalentado y luego vaporizado en un horno, cuyo efluente es enviado a una columna de
destilación en la cual se realiza la mayor parte del fraccionamiento.
Los requerimientos del Mercado determinan el tipo de producto que debe ser producido en
la Refinería. Estos son alcanzados gracias al procesamiento de una variedad de crudos,
traídos de distintas partes del mundo, que son corridos a lo largo de las unidades de la
planta.
Debido a nuevas tendencias del mercado, la empresa ha sentido la necesidad de clarificar su
situación energética e incrementar la capacidad y eficiencia de sus procesos. En este sentido
algunos proyectos e inversiones han sido y están siendo realizados en la refinería en los
últimos años. Como parte de este empeño, el presente estudio brinda una imagen clara delconsumo y producción de energía de la unidad de destilación VD2 y de la posibilidad del
aumento de flujo másico procesado en esta unidad, basada en un estudio de vulnerabilidad
a erosión en la tubería de su horno de calentamiento de crudo ya que este es el equipo que
ofrece mayores restricciones en la unidad.
A través de un estudio basado en un período de un año, el capítulo 5 presenta la situación
de consumo y producción anual de energía en la refinería, y el capítulo 6 satisface uninterés especial de la empresa acerca de la evaluación del horno H101 para el manejo del
crudo llamado Gryphon-Leadon proveniente del mar del norte, en el que se estudian
posibilidades de aumento de capacidad basado en su vulnerabilidad a problemas de
erosión para casos de manejo de valores de flujo másico mayores al actual.
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CAPITULO 2: OBJETIVOS
1. Presentar de forma cuantitativa el consumo y producción actual de energía anual de
la unidad de destilación VD2
2. Determinar si existe algún potencial de ahorro energético en VD2
3. Evaluar la vulnerabilidad actual y ante escenarios hipotéticos de flujo másico del
horno H101 a sufrir problemas de erosión trabajando con el crudo Gryphon-Leadon.
4. Realizar propuestas para aumentar la capacidad del horno H101
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CAPITULO 3: FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1.- Energía
El término energía se deriva del griego in (en) y ergon (trabajo). El pequeño Larousse
define energía de varias maneras: potencia activa de un organismo, capacidad para obrar o
producir un efecto, vigor, fuerza de voluntad, capacidad que tiene un sistema de
proporcionar un trabajo mecánico o su equivalente. En fín, el término energía tiene que ver
con un gran abanico de definiciones que cuando se llevan al concepto científico, sirven para
revelar las características similares entre procesos que pueden ser descritos en términos detipos de energía, tales como, energía térmica (calor), energía química (en combustibles y
baterías, energía cinética (en sustancias en movimiento), energía eléctrica, energía
potencial, entre otras. La unidad de energía ( Joule), está definida como la energía
suministrada por una fuerza de 1 Newton para causar movimiento a través de una distancia
de 1 metro.
Los términos energía y potencia son con frecuencia usados de manera informal como si
fueran sinonimos, pero en la discusión científica es importante distinguir uno del otro.
Potencia es la tasa a la cual la energía es convertida de una forma a otra o de un lugar al
otro; su unidad es el Vatio (W), y 1 W se define como 1 Joule por segundo. En la práctica,
es con frecuencia conveniente medir energía en términos de potencia usada durante un
perído de tiempo determinado. Por ejemplo, si la potencia de un calentador eléctrico es de 1
kW, y este funciona por un período de una hora, entonces se dice que el calentador a
consumido 1 Kilo-Vatio hora (1 kWh) de energía. 1 kWh es igual a 3.6x106 Joules.
3.2.- Termodinámica y Mecánica de fluidos
La energía puede transferirse mediante las interacciones de un sistema con su alrededor.
Estas interacciones se conocen como trabajo y calor. La termodinámica trata de los estados
finales del proceso durante el cual ocurre una interacción, y no proporciona información
alguna con respecto a la naturaleza o la rapidez con que esta se produce (Incropera, 1996).
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Sin embargo, la primera ley de la termodinámica es una herramienta muy útil para muchos
problemas de transferencia de calor. Para aplicarla, se necesita identificar una región del
espacio limitada por una superficie de control a través de la cual exita salida y entrada de
energía y de materia. Esta ley debe satisfaserse sobre todo instante de tiempo y durante todo
intervalo de tiempo. Su formulación general para un intervalo de tiempo Δt es la siguiente:
1era Ley de la Termodinámica (Ley de conservación de la energía): La cantidad de energía
que ingresa en un volumen de control, más la cantidad de energía que se genera dentro del
volumen de control, menos la cantidad de energía que sale del volumen de control, debe ser
igual al incremento en la cantidad de energía almacenada en el volumen de control(Incropera, 1996).
Eent + Egen – Esale = ΔEacum (Ec. 1a)
Los términos Eent y Esale de la ecuación 1a comprenden los flujo de entrada y de salida
debido a la transferencia de calor y a la energía transmitida con la materia, que puede estar
compuesta de las formas de energía interna, cinética y potencial. Igualmente incluyen
interacciones de trabajo que ocurren en las fronteras del sistema. De acuerdo con
(Incropera, 1996), el cambio de energía interna puede consistir en una suma de varios
componentes. El componente sensible o térmico, que explica los movimientos de los
átomos y moléculas que componen la materia. El componente latente, que relaciona las
fuerzas intermoleculares que influyen en el cambio de fase; un componente químico y otro
nuclear que se refieren a las uniones entre átomos y en sus núcleos.
El término de almacenamiento de energía ΔEacum es un fenómeno asociado a cambios
volumétricos dentro del volumen de control, y se deberán igualmente a cambios de energíainterna, cinética y potencial. Si el flujo de entrada y la generación de energía exceden al
flujo que sale, entonces habrá acumulación de energía en el volumen de control. De ocurrir
lo contrario, disminuirá el almacenamiento de energía. Si el flujo entrante y la generación
de energía igualan al flujo de salida se está en estado estable.
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Considerando todos los términos asociados a cada uno de los componentes de la ( ec. 1a) y
tomando un sistema a través de cuyos límites la energía es transferida por las interacciones
de trabajo y calor, donde durante un intervalo de tiempo Δt se transfiere calor al sistema en
la cantidad Q y el sistema realiza trabajo en la cantidad W se le puede entonces expresar
con más detalle de la siguiente manera:
Q – W + ∑m(u + pv + V2/2 + gz)ent + Egen – ∑m(u + pv + V2/2 + gz)sal = ΔEacum (Ec. 1b)
La sumatoria de los términos u + pv es muchas veces expresada como la entalpía h.
Conservación de la masa: Para un flujo uniforme con una entrada y una salida, se cumple
que el flujo másico se conserva. El flujo másico no es más que la rapidez de flujo de masa
y sus unidades son [masa / tiempo]. Expresada matematicamente, la conservación de la
masa se representa como en la ecuación 2, la cual es también conocida como ecuación de
continuidad.
•
m = ρ1. A1.V1 = ρ2. A2.V2 (Ec. 2)
Los subíndices 1 y 2 en ( Ec.2) representan el punto de entrada y de salida respectivos del
flujo en un volumen de control determinado. Con frecuencia también se usa la razón de
flujo que no es más que la tasa volumétrica de flujo.
Propiedades y relaciones: Existen propiedades como la temperatura, la presión, el volumen
y la masa, que pueden medirse directamente. Otras propiedades como la energía interna, la
entalpía y la entropía no son fáciles de determinar. Por consiguiente, existen relaciones
fundamentales entre propiedades termodinámicas comunes que permiten expresar las
propiedades que no pueden medirse de manera directa en términos de propiedades fáciles
de medir (Yunus, 1996). Las propiedades termodinámicas se relacionan con el estado de
equilibrio de un sistema. La densidad ρ y el Calor específico Cp son las que se usan más
extensamente en el análisis termodinámico. El producto de ellas mide la capacidad de un
material para almacenar energía térmica. Puesto que las sustancias de densidad grande se
caracterizan por pequeños calores específicos, muchos sólidos y líquidos que son
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excelentes medios de almacenamiento de energía, tienen capacidades térmicas
comparables. Sin embargo, debido a sus pequeñas densidades, los gases son muy poco
adecuados para el almacenamiento de energía térmica. Cabe destacar que, los calores
específicos dependen tanto del volumen específico o la presión como de la temperatura.
3.3.- Petróleo Crudo y el Proceso de Destilación
El petróleo es un fluido constituido por una mezcla de compuestos químicos que son
combinaciones de átomos de hidrógeno y carbono llamados hidrocarburos. En la medida en
que éste se calienta, se aprecian diferentes características ya que cada uno de suscompuestos tiene una temperatura de ebullición distinta. Un proceso de calentamiento de
crudo controlado permite ir separando cada uno de los compuestos en la medida en que
estos se van evaporando. Este proceso, controlado a niveles mucho más detallados, es lo
que se conoce con el nombre de destilación y, a niveles macro, requiere de un sistema
complejo que fundamentalmente inicia cuando petróleo crudo es bombeado desde el tanque
donde se encuentra almacenado hasta un horno de calentamiento. Aquí, un gran porcentaje
de este cambia a la fase de vapor en la medida en que es calentado. La combinación de
líquido y vapor es seguidamente enviada a la de columna de destilación. El lugar donde se
encuentra el efluente del horno con esta, se conoce como zona flash.
La columna de destilación consta de una serie de bandejas perforadas que permiten que los
vapores se eleven a través de la columna. En el momento en que el efluente del horno entra
en la columna, la gravedad causa que las partes más densas caigan hacia la parte inferior de
esta mientras que los compuestos más livianos siguen una trayectoria ascendente.
Finalmente, aparecen los productos del proceso de destilación, mejor conocidos por losrefinadores como fracciones, siendo las más tipicas según (Willliam, 2000) los butanos, la
gasolina, la nafta, el kerosene, el gas oil y los residuos. Éstos dependen del crudo
procesado. Cada crudo es distinto de otro y posee características peculiares dependiendo de
su origen. Crudos livianos tienden a tener más gasolina, nafta y kerosene, mientras que los
más pesados tienden a tener más gas oil y residuos. Esto es debido a que el peso de los
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compuestos es mayor en el segundo caso que en el primero, causando que sus temperaturas
de ebullición respectivas deban ser mucho más altas.
3.4.- Transferencia de Calor
La transferencia de calor es la energía en transito debido a una diferencia de temperaturas.
Los modos de transferencia de calor son: conducción, convección y radiación. La
conducción ocurre a través de un medio estacionario, bien sea sólido o líquido, cuando
existe un gradiente de temperatura en este. La convección se refiere a la transferencia de
calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estén a diferentestemperaturas. Y la radiación, es aquella que se da ya que todas las superficies con
temperatura finita emiten energía en forma de ondas elctromagnéticas, permitiendo que
haya transferencia de calor en ausencia de un medio, gracias a la diferencia de temperatura
entre dos superficies (Incropera, 1996).
3.5.- Hornos para calentamiento de crudo
El calentamiento de un fluido de procesos en un horno consiste hacer pasar el fluido que se
desea calentar a través de conductos debidamente diseñados. El calor generalmente es
suministrado por la combustión de un combustible que se lleva a cabo en equipos llamados
quemadores, liberando enormes cantidades de energía dentro del horno que son transferidas
al fluido en la medida en este va realizando su recorrido a lo largo de los conductos. De esa
manera se va llevando a cabo un proceso de transferencia de calor que normalmente es la
combinación de los mecanismos por radiación y convección.
El patrón usual de flujo del fluido en el proceso es en contracorriente con el de los gases de
combustión, es decir, el fluido en el proceso pasa primero a través de la sección de
convección y luego a través de la sección de radiación del horno, mientras que los gases de
combustión van en dirección opuesta.
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En la sección de radiación, el calor es transferido al fluido principalmente por radiación y
en menor parte por convección. A su vez, en la sección de convección, el calor es
transferido principalmente por convección, aunque una pequeña cantidad de calor se
transfiere por radiación. Después que el calor ha sido transferido al fluido de proceso, el gas
de combustión generalmente deja el horno y pasa a través de una chimenea a la atmósfera.
Uno de los factores más importantes en el desempeño del horno es la distribución del calor
dentro de este, la cual está íntimamente relacionada con muchos otros factores (los
quemadores, el proceso de combustión, la geometría del horno, sus tuberías, etc.) Todo esto
interactúa directa e indirectamente con el fluido definiendo su comportamiento al pasar porel horno.
3.6.- Erosión
Erosión no es más que la reducción en el espesor de un material debido al ataque
mecánico de un fluido. Cuando mezclas de líquido y gas fluyen a altas velocidades a
través de tuberías, pueden aparecer serios problemas de erosión. Por lo tanto, se hace
necesario restringir las velocidades de flujo. Los hornos de calentamiento de crudo se ven
expuestos a este tipo de problemas cuando se excede la magnitud de flujo másico
manejable por éste.
mm vnumber Criteria ×= ρ _ (Ec. 3)
Los autores (Coulson y Richardson, 1997) describieron una correlación que define un
criterio para evaluar la relación entre velocidad y densidad de flujo que podría provocarserios problemas de erosión, fijando el límite máximo que dicha relación puede alcanzar.
Consiste en comparar el producto de la velocidad media de fluido de dos fases,
multiplicada por la raíz cuadrada de la densidad media, como lo muestra la ecuación 3.
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CAPITULO 4: METODOLOGÍA DE TRABAJO
Debido a la localización del proyecto, el primer paso que se tomó fue estar al tanto de las
regulaciones de seguridad de la refinería. Luego, para lograr entender las peculiaridades
básicas que allí se usan, se hizo necesario el estudio de la nomenclatura, los datos básicos
de diseño y la manera como se codifican los equipos. Estos pasos se llevaron a cabo a
través de la lectura de los documentos (Standard NPS02N, 1999), (Standard NPS01N,
2002), (Standard NPS14N, 2003) de Nynas Refining AB.
Una vez se cumplieron estas etapas básicas, se encaminó el proyecto hacia el cumplimientode los objetivos dividiendo el trabajo en dos partes principales, cuyo desarrollo constituye
el capitulo 5 y 6 del libro respectivamente, y se esquematizó de la siguiente manera:
4.1.- Balance de Energía en unidad de destilación VD2
4.1.1- Entendimiento del proceso, identificación de las líneas y determinación del período
de estudio
Se procedió a estudiar y entender en que consiste un proceso de destilación y sus
peculiaridades en la Refinería de Nynas. Diversidad de bibliografía consultada, reuniones
con personal de la empresa y estudio a través de la observación de diagramas PID de la
planta, permitieron que esta etapa se llevara a cabo. Una visita al área de procesos se
incluyó en esta parte a manera de introducción, la cual brindó una idea amplia de la
magnitud del estudio realizado.
Tal como dicta la teoría, todo balance de energía debe empezar por la identificación del
volumen de control y la definición de las líneas de energía (líneas de entrada, líneas de
salida, y pérdidas) a ser tomadas en cuenta para el balance.
Con el fin de obtener la data necesaria y de esa manera estar en capacidad de realizar los
cálculos, fue usada una base de datos llamada IRIS que está conectada a la gran diversidad
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de instrumentos de medición en el área de procesos. Cada instrumento de medición tiene
un código asignado que permite el acceso computarizado a la lectura que este proporciona.
Se hizo necesario observar a profundidad los distintos diagramas de la unidad para
determinar si habían o no instrumentos de medición instalados en los puntos de interés. En
caso de no haberlos, se planteó la posibilidad de hacer estimaciones lógicas de dichos
valores, y en varias ocasiones, estos se calcularon manipulando las líneas vecinas a estas
con balances simples.
Por último, se determinó el período anual más reciente posible para el momento durante el
cual se llevaría a cabo el balance de energía. Fue realizado un programa en Excel paraorganizar la información y realizar todos los cálculos necesarios. Se recomienda
acompañar la lectura de este informe en conjunto con este programa (archivo VD2.xls
anexo al libro).
4.1.2- Determinación cuantitativa y análisis de la energía de cada línea en estudio
Una vez seleccionadas las líneas, se calculó, analizó, ilustró y comparó, la energía que porta
cada una de ellas en el período anual seleccionado. Estos resultados se presentaron a través
de tablas y gráficas que reflejan el comportamiento promedio mensual de las líneas en el
período de estudio. Este paso fue dividido en secciones de acuerdo al carácter de las líneas:
líneas de entrada, líneas de salida, energía perdida al ambiente, energía recuperada para
calentamiento de la comunidad y pérdidas.
Para el caso de las líneas, tanto de entrada como de salida, cuyo fluido transportado es
petróleo crudo o un derivado de este, se realizó una relación de calor específico en funciónde la temperatura en el programa ASPEN HYSYS 2004. Para llegar a dicha relación, se
hizo una manipulación de datos basada en que generalmente, la refinería trabaja con
diversos tipos de crudo provenientes tanto de Venezuela como del Mar del Norte. Esto
automáticamente implica que no todos tendrán las mismas propiedades y por ende no
tendrán los mismos valores de Cp. Para evitar un error significativo debido a esta
diferencia, se determinó con la utilización de IRIS, el porcentaje de uso de cada tipo de
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crudo durante el período en estudio, y posteriormente, se obtuvo una curva promedio de
ellos dándole la ponderación correspondiente a cada caso. Esto permitió tener valores de
Cp para el crudo y sus fracciones en el rango de temperatura de trabajo de cada una de
ellas.
4.1.3- Balance Final
Todos los valores de energía obtenidos en el paso anterior fueron reunidos e ilustrados en
conjunto para presentar el balance de energía de forma gráfica y tabulada. Cada una de las
líneas fue ubicada de acuerdo a su carácter en la (ec.1b) permitiendo detallar la ponderación que cada una de ellas tiene sobre la energía total de entrada y salida manejada
en la unidad de destilación.
4.1.4- Análisis de Resultados
Se analizaron todos los resultados del estudio energético dándoles explicación y
justificación. Igualmente se hicieron comentarios referentes al análisis requerido por el
objetivo número 2 acerca de la existencia de algún potencial de ahorro energético.
4.2.- Evaluación de vulnerabilidad a Erosión en el horno H101
4.2.1- Búsqueda de información
Primeramente se realizaron estudios teóricos de lo referido a hornos de calentamiento.
Una vez entendida la teoría, se comenzó el proceso de recolección de información básica,entre lo que resalta el comportamiento típico de VD2 con el crudo Gryphon-Leadon,
características del horno H101 y propiedades de las tuberías del horno. Esto se llevó a
cabo a través de la investigación en diversas fuentes disponibles en la empresa entre las
cuales resaltan diagramas PID, normas, la base de datos IRIS, estudios previos hechos por
empresas consultoras, discusiones con personal de la empresa, etc.
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12
4.2.2- Determinación de la distribución de calor en el horno
Se describió el proceso de calentamiento y se encontraron los valores típicos de las
principales líneas de entrada y de salida del horno. En esta medida, se determinó la
distribución de calor en el calentador, dato que posteriormente fue introducido en la
simulación llevada a cabo en paso 4.2.3.
4.2.3- Simulación de comportamiento del crudo en tubería de zona de radiación
La tubería de la zona de radiación del horno fue simulada con la utilización de un programallamado Aspen HYSYS 2004. Gracias a este, se observó el perfil de las propiedades del
crudo a lo largo de esta tubería. Para poder hacer la simulación, se introdujo en el programa
utilizado parte de la información recopilada en los pasos anteriores. A continuación se
muestra en la figura 1 un esquema del proceso de simulación:
Figura 1. Esquema de simulación de tubería de la zona de radiación
Donde:
A: Crudo LeadonB: Crudo GryphonC: Mezcla de crudos con proporción 65% Gryphon – 35% LeadonD: Mitad de flujo total de crudo (un solo lado del horno) antes de entrar a la zona deradiaciónE: Mitad de flujo total de crudo al salir de H101
F: Mitad de flujo total de crudo después de pasar por la línea de transferenciaF2: Flujo proveniente de la pared opuesta de la zona de radiaciónG: Crudo al llegar a la Zona Flash
Una vez montada la simulación, debido a la necesidad de adaptar las condiciones en G a las
de la Zona Flash, el análisis fue llevado a cabo a través de un proceso de ensayo y error
cuyo procedimiento iterativo consistió en lo siguiente:
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1. Hacer una copia de C en D y dividir su flujo másico a la mitad2. Variar la temperatura y/o la presión de D (los valores en esta parte deben ser
lógicos y acordes con los valores típicos de VD2)
3. Esperar a que ASPEN HYSYS realice los calculus necesarios4. Hacer una copia de F1 en F25. Leer el valor de presión y temperatura en G6. Si Pg≈ Presión de Zona Flash y Tg≈ Temperatura de Zona Flash, FIN.7. Si Pg ≠ Presión de Zona Flash y Tg≠ Temperatura de Zona Flash, volver a 1
4.2.4- Evaluación de vulnerabilidad a problemas de erosión
Con la simulación realizada en el paso previo, se lograron observar escenarios hipotéticos
en los cuales se corren diversas magnitudes de flujo másico a través de la zona de radiación
del horno. El efecto de dichos flujos sólo fue considerado desde el punto de vista del
fenómeno de la erosión en la parte interna de la tubería. Se estudiaron 3 casos hipotéticos a
parte del modo actual bajo el que trabaja el horno normalmente.
Los resultados de la simulación se analizaron utilizando el criterio sugerido por (Coulson y
Richardson, 1997), quienes describieron una correlación que define la relación entre la
velocidad y la densidad de flujo que podría provocar serios problemas de erosión. Dichacorrelación es la representado por la (ec. 2) en el capítulo 3. Según los autores, el límite
máximo que dicha relación puede alcanzar para causar o no problemas es de 152,5 (usando
el sistema internacional de unidades). El presente estudio toma el límite máximo como 150.
La confianza de la aplicación de este criterio fue confirmada por (Bechtel, 1995), ya que
fue usada en dicho año para realizar un estudio similar en la refinería de Nynas Refining
AB para un tipo de crudo distinto.
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CAPITULO 5: BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN
5.1.- Entendimiento del proceso e identificación de las líneas
El proceso de la unidad de destilación al vacío VD2 en la refinería de Nynas comienza
luego de que el crudo importado de distintas partes del mundo llega a la planta y se
almacena. La primera parte del proceso consiste en precalentar el crudo a través de
intercambiadores de calor conectados a líneas de salida de la unidad (se recomienda seguir
el proceso descrito con la observación del apéndice A1.1). Luego, se obtienen pocos
productos livianos en una columna de pre-separación cuya salida es bombeada hacia elhorno de calentamiento principal H101, donde el crudo es calentado hasta las condiciones
requeridas por la columna de destilación gracias al calor suministrado por el combustible
Fuel Oil. El efluente del horno se envía a la columna de destilación desde la cual se
obtienen los productos principales del proceso. Se obtiene bitumen en la parte más baja de
la columna mientras que otras fracciones son destiladas por la parte superior. Las líneas a
través de las cuales viajan estas fracciones son las utilizadas para precalentar el crudo que
entra a la unidad de destilación. A su vez, existen puntos de inyección de vapor
sobrecalentado en la columna de destilación que tienen la función de ajustar las condiciones
a los valores requeridos. Igualmente, ciertas líneas de VD2 forman parte de un sistema de
recuperación de calor que se utiliza para dar servicio de calentamiento a una parte de la
comunidad ubicada en las adyacencias de la refinería.
Después de haber entendido las peculiaridades del proceso, se procedió a identificar y
seleccionar las líneas energéticas que serían tomadas en cuenta. Una vez hecho esto, se
determinó el período anual de estudio dentro del cual se realizaría el balance de energía.Dado que la finalidad de esta parte del proyecto es clarificar la situación energética actual
de la unidad de destilación, se eligió el período anual más reciente posible. De esta manera,
para el momento en que se dio inicio al estudio, el período resultó ser el comprendido entre
los meses de Febrero del año 2004 y 2005.
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La tabla 1 muestra todas las líneas de entrada y de salida consideradas en el balance.
Igualmente hubo cierta cantidad de pérdidas que fueron tomadas en cuenta cuyo análisis se
presenta en la sección 5.2.
Líneas de Entrada Líneas de Salida
CrudoVapor
ElectricidadCombustible líquido
Fr1, Fr2, Fr3, Fr4Bitumen y ResiduosBitumen Oxidado
VaporCalor recuperado
Tabla 1. Líneas de Energía
Relacionando cada una de las líneas en estudio con los términos de la ( Ec. 1b), se pueden
establecer las siguientes relaciones:
Se asumió que los términos de energía potencial y cinética eran despreciables y que no
existe ningún tipo de generación ni de acumulación de materia en el volumen de control
estudiado, por lo que los términos Δ E acum , E gen , V 2 /2 y gz son iguales a cero.
A pesar de que el flujo de crudo cambia de fase en la unidad de destilación, el componente
latente de la energía interna no se tomó en cuenta debido a que, para llevar a cabo este
cambio de fase se utiliza la energía suministrada por el combustible en el horno H101, la
cual si fue considerada representando al valor Q de la ( Ec. 1b).
Las líneas de crudo y el vapor de entrada entran dentro del término de ∑ m hent , mientras
que los derivados del crudo, el calor recuperado y el vapor de salida son consideradas
dentro de los términos de ∑ m h sal .
Finalmente, el termino de trabajo W sólo incluye a la energía electrica suministrada para
accionar las distintas bombas de la unidad.
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5.2.- Determinación cuantitativa y análisis de la energía de cada línea en estudio
5.2.1 Líneas de entrada
5.2.1.1 Petróleo Crudo:
La tabla 2 muestra los valores de temperatura y flujo másico promedio por mes de los
crudos que entraron a la unidad durante el período de estudio. Éstos valores fueron
obtenidos de la base de datos IRIS.
Mes T [°C] •m [ton/h]
Enero 55 79Febrero 59 98Marzó 42 84Abril 63 87Mayo 48 93Junio 56 155Julio 57 157
Agosto 56 140Septiembre 55 115
Octubre 58 127 Noviembre 67 55Diciembre 54 90
Tabla 2. Flujo másico y temperatura promedio del crudo entrante
Los valores de energía fueron calculados con la utilización de la ecuación 4. El estado de
referencia usado es a 0°C.
d T Cpm
Energy ××⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ Δ××
=
•
243600
(Ec. 4)
La figura 2 ilustra los resultados obtenidos para los valores de energía de esta línea. En
esta se observa que los mayores valores de energía corresponden a los meses entre Junio y
Octubre, fluctuando alrededor de 3000 MWh.
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Energía en alimentación de crudo
01 0002 0003 0004 000
E n e r
o
F e b r
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M a r z
o A b
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M a y o
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e m b r
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O c t u
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N o v i e
m b r e
D i c i e
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Mes
E n e r g í a [ M W h ]
Figura 2.Variación de la energía promedio del crudo en el año
5.2.1.2 Vapor :
Como se mencionó anteriormente, vapor sobrecalentado es inyectado a distintos niveles
de la columna de destilación con la finalidad de ajustar las condiciones de esta a los
requeridos. La presión de inyección es de 4 bar y los valores de energía se hallaron con la
ecuación 5.
d hm
Energy ××⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ ×=
•
243600
(Ec. 5)
La base de datos IRIS proporcionó los valores de flujo másico y temperatura de estas
líneas. Los valores de entalpía fueron hallados con la utilización de tablas de vapor
sobrecalentado a la presión señalada. La figura 3 muestra la energía promedio de entrada
de vapor en cada punto de inyección a lo largo del año, permitiendo una comparación
entre ellas. En esta se observa que la entrada de vapor que contiene mayor energía es lacorrespondiente a la inyección codificada como Bottom line 2 (línea inferior 2), la cual
está ubicada en la parte más baja de la columna de destilación. El resto, a su vez, oscila
aproximadamente dentro del mismo rango.
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Energía de entrada en fo rma de vapor
0200400600800
1000120014001600
E n e r
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F e b r
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M a r
z o A b
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D i c i e
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Mes
E n e r g í a [ K W h ]
T104
T109/AS01
02T105
T106
Bottom line
1Bottom line
2
Figura 3. Energía de entrada en líneas de vapor sobrecalentado
5.2.1.3 Combustible:
Como se mencionó previamente, el calentamiento más significativo del crudo se lleva a
cabo en un horno donde se suministra calor gracias a la combustión del combustible. En el
caso de Nynas Refining AB, el combustible utilizado es fuel oil. Para determinar la
energía suministrada por este se usó la ecuación 6 . De acuerdo con (Zerban y Nye, 1956),el valor real de poder calorífico se encuentra comprendido entre los valores de LHV y
HHV.
d LHV m
Energy ××⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ ××
=
•
243600
1000 (Ec. 6)
El Poder calorífico alto asume que el vapor en los productos de combustión será
completamente condensada, mientras que el Poder calorífico bajo asume que el vapor
permanece sobrecalentado. Como no se conoce la cantidad exacta de vapor condensado,
en la práctica se usa cualquiera de los dos valores. El valor de Poder Calorífico Bajo fue
obtenido de la norma de Nynas Petrolem NPS01.
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5.2.1.4 Tota en líneas de entrada:
A continuación se provee, en forma tabulada y gráfica, los valores de energía calculados
por mes y totales en un año para todas las líneas de entrada. Los valores de consumo
eléctrico se deben a la energía utilizada para accionar diversas bombas de la unidad y
fueron suministrados por el personal de la empresa encargado de llevar el registro
computarizado de consumo eléctrico.
Mes Crudo Vapor Electricidad Combustible
Enero 1 684 2 117 582 11 780Febrero 2 049 1 710 581 11 398Marzó 1 336 2 308 601 13 182Abril 2 097 1 839 528 10 751Mayo 1 717 2 145 548 13 618Junio 3 289 2 465 595 16 110Julio 3 495 2 640 622 16 320
Agosto 3 080 2 632 596 15 657Septiembre 2 387 2 357 565 13 901
Octubre 2 886 2 235 600 15 758 Noviembre 1 433 1 188 383 7 682Diciembre 1 886 2 220 606 12 938
Total [MWh] 27 339 25 856 6 807 159 095
Tabla 3. Energía de entrada a VD2 por mes y totales en el año
Comparación entre líneas de entrada
12%
12%
3%
73%
Crudo
Vapor Electricidad
Combustible
Figura 4. Comparación entre las líneas de entrada de energía en VD2
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5.2.2 Líneas de Salida
5.2.2.1 Fracciones destiladas y bitumen:
De la columna de destilación se obtienen 4 fracciones de destilados, una línea de bitumen
y otra de bitumen oxidado. Igualmente se obtiene una línea de Nafta cuya consideración se
ordenó por parte de la empresa que fuera obviada.
Dado que el valor de energía es directamente proporcional al flujo másico y a la
temperatura del fluido, las tablas 4 y 5 muestran dichos valores con la finalidad de reflejarla ponderación o peso correspondiente de cada uno de ellos sobre el valor final de la
energía.
La figura 5 brinda una ilustración de la energía promedio mensual a lo largo del año para
las 4 fracciones derivadas en la columna de destilación. A su vez, la figura 6 muestra una
comparación de los promedios mensuales de energía en las líneas de bitumen. La
magnitud de la energía de cada una de ellas fue calculada con la ecuación 4.
Fr1 Fr2 Fr3 Fr4Mes
T•
m T•
m T•
m T•
m Enero 20 6 46 16 60 14 54 8
Febrero 24 6 49 15 46 10 65 11Marzó 28 9 49 21 69 15 60 8Abril 30 5 47 12 54 9 61 10Mayo 42 9 54 21 66 14 66 11Junio 33 10 54 19 63 15 57 11
Julio 34 9 60 21 62 13 61 13Agosto 36 10 63 23 64 13 66 14Septiembre 32 9 59 21 67 14 69 15
Octubre 29 9 44 17 68 16 63 11 Noviembre 20 5 35 10 51 7 58 7Diciembre 19 7 52 17 60 18 52 7
Tabla 4. Temperatura y flujo másico promedio de las 4 fracciones destiladas
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Bitumen Bit. oxidadoMes
T•
m T•
m
Enero 165 34 179 12Febrero 173 54 173 13Marzó 153 26 179 11Abril 179 39 178 12Mayo 159 28 173 10Junio 169 94 175 12Julio 172 93 178 8
Agosto 165 79 178 14Septiembre 166 55 180 14
Octubre 167 113 176 13 Noviembre 123 10 157 3Diciembre 157 38 176 8
Tabla 5. Temperatura y flujo másico promedio de las líneas de Bitumen
Variación de energ ía en las fracciones
0100200300400500600700
E
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M
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Mes
E n e r g í a [ M W h ]
Fr1
Fr2
Fr3
Fr4
Figura 5. Variación de energía de las 4 fracciones destiladas en el año
Variación de la energía en líneas de bitumen
0
2 000
4 000
6 000
8 000
10 000
E n e r
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Mes
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Bitumen and Res
Ox Bitumen
Figura 6. Variación de la energía en las líneas de bitumen
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Se evidencia en la figura 6 que la línea de bitumen contiene mayor cantidad de energía
que las de bitumen oxidado. Igualmente se observa que entre los meses de Junio y Octubre
la producción de bitumen es mayor que durante el resto del año. Cabe destacar que
haciendo un contraste entre las figuras 5 y 6, se observa que el orden de magnitud de la
energía contenida en la línea de bitumen es más alto que el de las fracciones. Este hecho se
evidencia de forma más clara en la figura 7 .
Comparación de energ ía de pr oductos d e la línea de
crudo
1% 6%5%
4%
14%
70%
Fr1
Fr2
Fr3
Fr4
Ox. Bitumen
Bitumen
Figura 7. Comparación entre los derivados de la línea de crudo
5.2.2.2 Vapor:
Existen dos lugares en la unidad de destilación en los cuales se produce vapor. Ambas
constan de arreglos de intercambiadores de calor cuyos códigos de etiqueta son E152 A/B,
y E136 respectivamente. Los instrumentos de medición instalados en E152A y E152B
indicaron que no existió ningún flujo a través de ellos durante el período en estudio. En
vista de esto, se consultó con personal de la empresa, quien determinó que no hubo producción de vapor en esta parte de la unidad. Sin embargo, si se obtuvo data del
intercambiador de calor E136, el cual trabaja a 8,5 barg de presión.
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5.2.2.3 Sistema de recuperación de calor
Como se mencionó anteriormente, Nynas Refining AB obtiene beneficios de la venta de
energía en forma de calor para cubrir parte del servicio de calentamiento de la comunidad
adyacente a la refinería. El sistema a través del cual se cumple esta tarea de recuperación
de calor consta de 10 intercambiadores de los cuales 7 están directamente conectados a
VD2. Estos son tomados en cuenta en el balance de energía final de la unidad. Algunas
partes de este sistema fueron instaladas durante el mes de Noviembre de 2004, de manera
que su beneficio energético anual será posible de completar en Noviembre del año 2005.
Es importante mencionar que la energía salvada en el sistema de recuperación de calor y
vendida para calentamiento de la comunidad vecina también es tomada en cuenta y
adicionada a las líneas de salida en el balance final. Al mismo tiempo, la cantidad de
energía correspondiente al calor no vendido es considerada como pérdida.
Una vez realizado un balance sobre este sistema, se obtuvo los resultados mostrados en la
tabla 6 y la figura 8, la cual muestra los valores de energía recuperada y vendida durante
el período de estudio.
Total [MWh] Vendida [MWh]Enero 5 351 3 804
Febrero 4 219 3 154Marzó 5 597 3 445Abril 4 337 2 602Mayo 5 632 1 961Junio 5 469 1 414Julio 5 992 1 056
Agosto 5 723 930Septiembre 5 364 1 725Octubre 5 209 2 765
Noviembre 4 151 2 502Diciembre 5 858 4 612
TOTAL 62 903 29 968
Tabla 6. Energía recuperada y vendida en sistema de recuperación de calor
-
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Energía recuperada y Energía vendida
0
1 000
2 000
3 000
4 000
5 000
6 000
7 000
J a n u a r y
F e b r u a r y
M a r
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M a y
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O c t o b e r
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D e c e m b e r
Me s
E n e r g í a [ M W h ]
Vendida
Total
Figura 8. Energía recuperada y vendida del sistema de recuperación de calor
De la tabla 6 y figura 8 se infiere que no todo el calor recuperado se logra vender y que el
porcentaje de venta de calor varía a lo largo del año.
5.2.2.4 Valores totales de las líneas de salida
A continuación se presentan de forma tabulada y gráfica los valores totales de energía
correspondientes a las líneas de salida de VD2:
Mes Fr1 Fr2 Fr3 Fr4 Ox. Bit. Bitumen Vapor
Enero 44 293 335 180 1 011 2 615 1 951Febrero 55 269 173 277 996 4 046 1 928Marzó 95 424 439 205 899 1 865 3 362Abril 55 227 193 230 952 3 238 2 925Mayo 149 460 370 292 854 2 037 3 622Junio 124 404 391 243 936 7 265 4 218
Julio 123 521 344 311 694 7 601 4 191Agosto 137 593 355 388 1 205 6 084 4 310Septiembre 112 493 363 411 1 132 4 130 3 861
Octubre 100 305 449 279 1 089 8 909 4 328 Noviembre 35 131 137 150 185 526 1 529Diciembre 54 374 443 148 709 2 738 2 506
Total [MWh] 1 082 4 495 3 991 3 111 10 661 51 054 38 729
Tabla 7. Energía de salida de VD2 por mes y totales en el año
-
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25
Distribución de energía de salida
7%
36%
21%
27%
3%
2%
3%
Fr1
Fr2
Fr3
Fr4
Ox. Bitumen
Bitumen
Calor recuperado
Vapor
Figura 9. Comparación entre las líneas de salida de energía VD2
En la tabla 7 y figura 9, se aprecia que las líneas de salida con mayor energía corresponden
al bitumen y al vapor generado. Es importante mencionar que los valores de energía
recuperada en el sistema de recuperación de calor (no mostrados en tabla 7 ) también fueron
adicionados a la ilustración de la figura 9. Además, también se adicionó al valor final de la
energía de salida de vapor, la magnitud correspondiente al calor en los gases de salida de
H101 que se usan para calentamiento de vapor en otra unidad de la refinería.
5.2.3 Pérdidas de Energía
5.2.3.1 Calor perdido hacia el ambiente:
Cierta cantidad de calor es transferido hacia el ambiente representando una pérdida de
energía. Esto se observa principalmente en los E113, E117 y E114, los cuales estánlocalizados en las líneas a través de las cuales viajan las fracciones 1, 2 y 4
respectivamente (ver apéndice A1.1). Los Valores de energía fueron calculados con la
ecuación 3, pero esta vez, la diferencia de temperatura vino dada por la variación de
temperatura que ocurre entre la entrada y la salida del intercambiador. Una ilustración y
comparación de sus valores a lo largo del período de estudio puede ser observada en la
figura 10.
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Variación del calor perdido hacia el ambiente
-100,000,00
100,00200,00300,00400,00500,00600,00700,00800,00900,00
E n e r
o
F e b r
e r o
M a r z
o A b
r i l
M a y
o J u
n i o J u l i o
A g o s
t o
S e p t i
e m b r
e
O c t u
b r e
N o v i e
m b r e
D i c i e
m b r e
Mes
P e r d i d a d e E n e r g í a [ M W h ]
E113
E117
E114
Figura 10. Variación de la energía perdida al ambiente a lo largo del año
Se aprecia en la figura 10 que existe cierta cantidad de energía desperdiciada al ambiente
y que sus valores más significativos toman lugar en el intercambiador E117, el cual está
localizado en la línea de la fracción número 2.
5.2.3.2 Pérdidas en Columna de destilación T107:
En la figura 11, se puede observar una foto real de la columna de destilación en VD2. Su
forma cilíndrica permitió aplicar ecuaciones de transferencia de calor para tuberías
cilíndricas. La geometría de la columna fue estudiada a través de la observación de los
planos, lo cual permitió dividirla en 3 sub-partes de acuerdo a su diámetro, las cuales a su
vez fueron divididas de acuerdo a la temperatura interna que presenta en cada tramo de
columna. La fórmula usada para realizar los cálculos de calor perdido fue la ecuación 7, la
cual calcula la transferencia de calor por convección y conducción que ocurre desde la parte interna de la columna hasta el exterior de esta.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ +++++
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−=
1000
)(*2*
1
**2
)/ln(
*2
)/ln(
1000
)(*
1)(***001,0
2312
em Dh
qk
r r
k
r r
Dh
T T LQ
i
eii sii
ambinπ (Ec. 7)
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Figura 11.Vista de la columna de destilación y horno de calentamiento en VD2
Los resultados arrojados por la ( Ec. 7 ) fueron llevados a las unidades de energía utilizados
en el resto del estudio energético de VD2. Estos se muestran en la tabla 8.
Energía perdidaen T107
Enero 22Febrero 20Marzó 22Abril 21
Mayo 21Junio 20Julio 21
Agosto 21Septiembre 20
Octubre 21 Noviembre 21Diciembre 22
TOTAL [MWh] 250
Tabla 8. Perdidas en T107
Horno H101
Columna de destilación
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Por curiosidad de la empresa, se encomendó como tarea el calcular las perdidas en T107
sin tomar en cuenta el aislamiento de la columna de destilación, resultando que un total de
15 606 MWh se pierden en un año.
5.2.3.3 Pérdidas en el horno de calentamiento de crudo H101:
A pesar de que se conoce que en un horno de calentamiento existen distintos tipos de
pérdidas (por humedad, por combustión incompleta, por radiación y otras), la única
tomada en cuenta corresponde a la pérdida de calor que sale con los gases en la chimenea.
Esto es una aproximación aceptable ya que estas pérdidas son normalmente las mássignificativas.
[ ]2COTref Tgas
k L fg −
×= x 0.25 (Ec. 8)
El cálculo de la cantidad de energía perdida en los gases se realizó con la ecuación 8. La
tabla 10 muestra los valores de pérdida de energía mensual y total correspondientes. Es
importante agregar que los valores tabulados es esta corresponden a un 25% de la energíatotal que portan los gases de salida de H101. Esto se debe a que aproximadamente un 75%
de este calor es aprovechado en otra unidad de la refinería para calentamiento de vapor.
In H101Enero 448,82
Febrero 461,78Marzó 559,47Abril 420,10
Mayo 591,12Junio 778,33Julio 774,26
Agosto 743,04Septiembre 642,35
Octubre 741,57 Noviembre 254,03Diciembre 506,50
TOTAL [MWh] 6 921
Tabla 9. Pérdidas por gases en la chimenea de H101
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. 5.2.3.4 Pérdidas por energía recuperada no vendida
Se conoce de la sección 5.2.3, que la energía total recuperada en el año es igual a 62 903
MWh y que se venden en el año un total de 29 968 MWh. El total vendido equivale a un
47,6% del calor recuperado, de manera que un 52,4% de la energía es perdida hacia el
ambiente. Los valores de esta cantidad de energía perdida se muestran en la tabla 10.
Finalmente, en lo que respecta a pérdidas, se tabulan los valores finales de éstas en la
tabla 11, en la que se puede observar que la mayor cantidad de pérdidas corresponde al
calor del sistema de recuperación que no fue vendido.
Energía novendida
Enero 1 547Febrero 1 066Marzó 2 153Abril 1 735Mayo 3 670Junio 4 055
Julio 4 936Agosto 4 793Septiembre 3 639
Octubre 2 445 Noviembre 1 649Diciembre 1 246
TOTAL [MWh] 32 935
Tabla 10. Energía recuperada no vendida a lo largo del año
T107 H101 No vendida Perdida al ambienteTotal [MWh] 250 6 921 32 935 10 711
Tabla 11. Pérdidas de Energía en VD2
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5.3.- Balance Final
Previo al balance de energía final, se realizó un balance de masa en la línea del crudo, es
decir, se comparó el flujo total de entrada de crudo a VD2 con la suma de los flujos de sus
productos en la salida de la unidad. La tabla 12 muestra estos valores junto con el
porcentaje de diferencia entre ellos.
Flujo total de entrada [ton/h] 1280Flujo total de salida[ton/h] 1381
Diferencia [%] 7, 3
Tabla 12. Balance de masa en línea de crudo
Sumando los resultados de cada una de las categorías en las que se dividió el estudio
energético, se presenta a continuación, en la tabla 13, una comparación entre los valores
de energía de las líneas de entrada, de salida y de las pérdidas. Cabe destacar que en ésta
se tabula un valor denominado “indeterminado” que corresponde a la diferencia existente
entre el total de valores de entrada y la suma del total de salida y pérdidas, indicando la
magnitud de energía que no se determinó.
Entrada Salida Pérdidas Indeterminado
Energy [MWh] 219 098 143 091 50 817 25 190
Tabla 13. Comparación entre los valores totales de entrada, salida y pérdidas
Igualmente, se realizaron gráficas que permiten ilustrar la relación entre todas las líneas deenergía. La figura 12 brinda una comparación entre los porcentajes de la energía total
manejada en la unidad de destilación. La figura 13, ilustra a través de flechas con espesor
proporcional a la magnitud del valor de energía, los porcentajes de cada una de las líneas
de entrada y de salida. Igualmente, las flechas indican el sentido, sea de entrada o salida,
que tiene cada línea referida a un recuadro mayor que representa la unidad VD2.
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Balance total
50,0%
32,7%
11,6%
5,7%Total Entrada
total Salida
Pérdidas
Indeterminado
Figura 12. Balance de Energía general
Figura 13. Balance de Energía detallado
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5.4.- Análisis de los resultados del balance de Energía en VD2
Para un entendimiento completo de los resultados de este estudio y debido a la interrelación
existente entre algunas líneas de energía de VD2, el presente análisis será realizado
comparando varias de las líneas de energía consideradas.
Primero que todo es muy importante estar al tanto de que el hecho de haber tomado valores
promedio mensuales pudo haber variado la precisión de los resultados. A la vez, se debe
considerar que entre las fechas 31 de Octubre y 13 de Noviembre del 2004, hubo una
parada de planta en la unidad VD2 lo cual produjo que los valores tomados para el mes de Noviembre se vieran disminuidos con respecto a su valor real. Esto se ve evidenciado
claramente en las gráficas de variación anual de energía de las diferentes líneas.
Comenzando la discusión con la cadena del crudo y sus productos, se debe explicar que la
cantidad de crudo manejada en la unidad varía con la demanda del mercado y con el tipo de
crudo que se corre por la unidad. Los niveles de energía de todas las líneas resultaron ser
mucho más altos entre los meses de Junio y Octubre. Esto se debe a que el principal
producto de Nynas Refining AB es el bitumen, el cual se utiliza para el asfaltado. Esta
actividad tiene mayor demanda durante estos meses debido a que coincide con la
temporada de verano en la que se puede realizar actividad de asfaltado. Por ello, se necesita
correr mayor cantidad de crudo por la planta lo cual implica mayor consumo y producción
de energía. Se puede observar en la figura 2 que durante estos meses la energía promedio
mensual alcanza hasta 3000MWh, siendo esta cifra aproximadamente 30% mayor al resto
de los meses. Durante el resto del año, el mercado de Nynas se concentra en otras
actividades como la producción de especialidades de Nafta, los cuales son mayormenteobtenidos de crudos más livianos. La relevancia de la producción anual de bitumen puede
ser observada en la figura 9, donde se ve que esta representa 36% de la energía total de
salida de la planta.
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El calentamiento del crudo en el horno H101 requiere del consumo de combustible fuel oil
para poder suministrar el calor necesario a transferir al crudo. Según muestra la figura 13,
el 73% de la energía de entrada a VD2 corresponde a este calor.
Con respecto a las 4 fracciones producto de la destilación, se observa en la figura 5 que la
fracción con mayor cantidad de energía es la número 2 mientras que la número 1 es la que
contiene menor energía. Esto se justifica con los valores de flujo másico y temperatura para
las fracciones mostradas en la tabla 4. Los referentes a la fracción número 2 son los de
mayor magnitud. Es digno de mencionar que el intercambiador de calor E117 (instalado en
la línea de la fracción 2), es el que presenta mayores pérdidas de calor al ambiente. La líneade fracción 2 varía su temperatura desde 120°C hasta 60 °C cuando pasa por el
intercambiador. Esto la hace una línea con poco potencial de ahorro de energía.
En lo que se refiere a vapor, que hubo una irregularidad durante el mes de abril por la
ruptura de un transmisor del sistema de control de flujo, lo cual alteró las mediciones. Sin
embargo, se supuso un valor de 3 ton/h. En el intercambiador instalado en la línea de
bitumen oxidado no hubo producción debido a la baja demanda de este fluido.
En la parte referente al sistema de recuperación de calor, no se pudo obtener un resultado
completo de la cantidad de energía recuperada en este debido a que gran parte de este
sistema fue terminada de instalar en Noviembre del 2004. Sin embargo, se observa en la
figura 9 que la idea de haber instalado tal sistema es ya un acontecimiento exitoso ya que
esta energía representa el 21% del total de la energía contabilizada de salida. Además,
genera ingresos económicos directos a la empresa. La cantidad de energía recuperada en
forma de calor será aun mayor una vez que el sistema este funcionando al 100% de su
capacidad.
A su vez, según lo indica la tabla 11, el porcentaje de calor no vendido representa el valor
predominante de pérdidas en la unidad, las cuales de acuerdo con la figura 13 significan un
11.6% de la energía de salida. La cantidad indeterminada de salida de energía ocupa otro
11% de la salida energética. Esta se acredita a líneas no aisladas, pérdidas en equipos cuya
eficiencia no es 100%, al hecho de haber ignorado ciertas líneas como la de Nafta, y al
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calor que no pudo ser salvado por el sistema de recuperación de calor. El hecho de haber
agregado un porcentaje de energía no determinada para cerrar el sistema es completamente
lógico y se basó en que también fue considerado en estudios energéticos antiguos
realizados en la refinería por empresas consultoras.
Como se puede observar, Nynas ha realizado y está realizando varios proyectos de ahorro
de energía. Aunque el presente estudio no encontró una innovación en lo que ahorro de
energía se refiere, fue posible determinar que el calor recuperado y no vendido debe ser
mejor aprovechado. Un análisis más detallado en otras líneas y equipos determinará si será
posible ahorrar o no mayor cantidad de energía.
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CAPITULO 6: EVALUACIÓN DE VULNERABILIDAD A EROSIÓN EN H101
6.1.- Búsqueda de información
6.1.1. Período típico de trabajo con Gryphon-Leadon
Como fue explicado en el capítulo 4 (Metodología del trabajo), primeramente se
realizaron estudios teóricos de lo referido a hornos de calentamiento. Una vez entendida
toda la teoría necesaria, se comenzó el proceso de recolección de información básica, al
cual se dio inicio determinando el comportamiento típico de VD2 cuando se corre el crudo
Gryphon-Leadon en la unidad. Para esto, se consultó la base de datos IRIS con la finalidad
de determinar un período de tiempo con datos confiables donde esto se cumpliera. Este
período resultó ser el comprendido entre el 19 y el 25 de Marzo del año 2005. Los valores
definitivos utilizados fueron resultado del promedio de un total de 12 valores hallados
cada 12 horas durante el período elegido. El apéndice A1.2 presenta una figura en la cual
se ilustran los valores típicos de la unidad de destilación cuando se corre el crudo
Gryphon-Leadon.
6.1.2. Descripción del horno de calentamiento de crudo H101
El horno de calentamiento de crudo H101 utilizado en la unidad de destilación de la
refinería de Nynas Refining AB, fue construido en el año 1967.
De acuerdo con la norma (API, 2001) para hornos de calentamiento, H101 entra en la
categoría tipo C, la cual se caracteriza por ser un calentador de cabina con tuberías
horizontales y con arreglo de quemadores por paredes laterales. Utiliza un total de 20
quemadores espaciados equitativamente, 10 de cada lado, de manera de lograr una
distribución de calor adecuada dentro del hogar. El aire para la combustión es tomado
directamente de los alrededores y el combustible quemado es Fuel Oil.
Según el tipo de transferencia de calor que ocurre dentro del horno, H101 está dividido en
dos partes principales: zona de radiación y zona de convección. Esta última está montada
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sobre la de radiación y a su vez está subdividida en 3 partes, dos para circulación de crudo
y otra para circulación de vapor. La zona de radiación se caracteriza por la presencia del
incremento de diámetro en sus últimos 4 tubos. Un total de 8 medidores de temperatura
están instalados en diferentes puntos de esta zona con el fin de medir la temperatura a la
cual se encuentra el hogar en distintos puntos y verificar la distribución de calor. El flujo de
petróleo crudo en la zona de radiación va desde la parte inferior hasta la parte superior del
horno. La figura 14, es una ilustración de la estructura de H101 en la que se aprecia su
forma, la distribución de sus partes según el tipo de transferencia de calor, la manera como
están orientados los tubos de la zona de radiación y la ubicación de los quemadores.
Existen un total de 44 tubos ubicados horizontalmente en la zona de radiación, 22 en cada
pared. Toda esta tubería está especialmente diseñada para servicios de alta temperatura.
Una foto real de la zona de radiación se observa en la figura 15. Los datos de esta parte del
horno fueron obtenidos de planos de la empresa y de la norma (ASTM ,1995). Se hizo
necesario chequear tanto antiguos como nuevos planos del horno para alcanzar el
entendimiento de los detalles de la tubería de la zona de radiación, ya que esta ha sufrido
varias modificaciones a lo largo de los años que no han sido actualizadas.
.
Figura 14. Ilustración de H101
Zona deRadiación
Zona convección
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Figura 15. Foto de la tubería de la zona de radiación
De abajo hacia arriba, las características geométricas de los tubos de la zona de radiación
son las siguientes:
Diámetro externo x espesor x Longitud [mm]
Tubo 1…………….. 168, 3 x 7, 1 x 14600Tubos 2 al 18……… 168, 3 x 7, 1 x 14490Tubo 19.1…………. 168, 3 x 7, 1 x 13802Tubo 19.2…………. 219, 1 x 8, 2 x 500Tubos 20 y 21…….. 219, 1 x 8, 2 x 14454Tubo 22…………… 219, 1 x 8, 2 x 14490
Se puede apreciar en los datos de dimensiones de la tubería que existe un cambio en su
diámetro en los últimos 4 tubos que va desde 168,3 mm (6” según designación de la
ASTM) hasta 219,1 mm (8” según designación ASTM). La figura 16 muestra una
fotografía real del lugar donde se colocó el difusor que conecta los dos diámetros
mencionados.
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Figura 16. Cambio de diámetro en tubería de zona de radiación
La razón por la que se determinaron las características de la tubería es debido a que esta
servirá de dato de entrada para la simulación de la zona de radiación presentada más
adelante en este capítulo.
6.1.3. Determinación de las condiciones en la zona flash:
De acuerdo con (Garg, 1998), cualquier evaluación de un horno de calentamiento debe
empezar con el chequeo de las condiciones de la zona flash. H101 es el equipo
responsable de controlar que ésta alcance los valores deseados de manera que la unidad
VD2 pueda operar como se espera cumpliendo con los requerimientos necesarios para las
distintas líneas que salen de la columna de destilación. Para cumplir este objetivo se
consultaron los valores dados por una simulación general de la unidad de destilación que
tienen en el departamento de ingeniería e igualmente los valores típicos de la unidad VD2
cuando se corre el crudo gryphon-leadon. Estos últimos fueron obtenidos de la base de
datos IRIS, mostrada en el apéndice A1.2. Los resultados se muestran en la tabla 14.
De ASPEN HYSYS De base de datos IRIS
Presión [bar] 0, 4142 0, 433
Temperatura [°C] 413 398, 2
Tabla 14. Condiciones de la Zona Flash
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6.2.- Determinación de la distribución de calor en el horno
6.2.1. El proceso de calentamiento
Cuando se quema el combustible en los quemadores del horno, una cantidad tremenda de
energía es generada y liberada en este. La mayor parte se transmite en forma de calor hacia
el petróleo crudo en la zona de radiación y secundariamente en la zona de convección. El
crudo se evapora continuamente a lo largo de su recorrido por el horno.
El flujo másico de crudo Gryphon-Leadon que circula normalmente por H101 es de 90
ton/h aproximadamente. Este flujo se divide en dos corrientes exactamente iguales quehacen recorridos idénticos en cada pared del horno respectivamente. Cada una de las líneas
pasa primero por la zona de convección en la cual el crudo es calentado con los gases de la
combustión. Seguidamente, el crudo sale por un instante del horno y entra nuevamente por
la parte más baja de este, desde donde comienza su paso por la zona de radiación de abajo
hacia arriba. Al final del paso por H101, las dos líneas se unen nuevamente y son dirigidas
a la columna de destilación.
Los valores típicos de trabajo de H101 con el crudo Gryphon-Leadon durante el proceso de
calentamiento son los siguientes:
• Las temperaturas de entrada y salida del crudo son 235 °C y 404 °C
respectivamente.
• La temperatura del crudo exactamente antes de entrar a la zona de radiación es
305,75 °C
• El flujo másico promedio de combustible utilizado es de 1.7 ton/h
• Un flujo de 3.2 ton/h de vapor es sobrecalentado desde condiciones de saturación a
4 bar de presión (143, 62 °C) hasta 332 °C en el sobrecalentador localizado en la
zona de convección.
• Los gases salen de la zona de convección a 385 °C.
Todos estos valores pueden ser observados de forma ilustrada en la figura 17 .
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Figura 17. Ilustración de recorrido del crudo y valores típicos de trabajo
6.2.2. Distribución de calor
6.2.2.1 Distribución de temperatura
Se conoce del capítulo 5, que la energía de entrada de mayor magnitud en VD2 es la
suministrada por el combustible. Gracias a la combustión de este, muy altas temperaturas
son generadas dentro de H101 para poder cubrir con las expectativas de calentamiento. Un
total de 8 medidores de temperatura instalados en puntos estratégicos dentro de la zona deradiación permitieron confirmar qué tan uniforme es la distribución de calor dentro del
hogar. La figura 18, muestra promedios de dichos valores de temperatura registrados
durante el período de estudio.
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Figura 18. Promedios de temperatura registrados en zona de radiación
La posición exacta de cada termómetro es la siguiente (de acuerdo al número de etiqueta de
cada termómetro. Los valores de temperatura de la figura están en grados centigrados.
• 01TI079 y 01TI078 Debajo del primer tubo
• 01TR065 y 01TR066 Entre el 6to y 7mo tubo
• 01TR067 y 01TR068 Entre la pared vertical y la inclinada
• 01TR063 y 01TR064 Entre el tubo número 20 y el 21
6.2.2.2 Calor absorbido
Con la utilización de la ecuación 9 fue posible determinar el calor transferido al crudo y al
vapor en el horno H101.
hm Power Δ×= •
(Ec. 9)
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Los valores de entalpía del crudo y del vapor fueron obtenidos directamente de una
simulación general de la unidad de destilación que se tiene en la empresa y de tablas devapor respectivamente. De acuerdo con (NPS01N, 2002), el vapor entra al sobre calentador
a una presión de 3 barg en estado saturado con alta calidad. La base de datos indica que su
valor de temperatura de salida es de 332 °C. Basado en lo anterior, se obtuvo el calor
transferido en cada parte del horno, resultando los valores presentados en la tabla 15.
Heat-Tran [MW] Total [MW]Convección 4,310Vapor SH 0,486
Radiación 9,304
14,1
Tabla 15. Valores de calor transferido
Distribución del calor suministrado en H101
49%
23%
3%
25%
Radiación
Convección
Vapor SH
Gases y
pérdidas
Figura 19. Distribución del calor suministrado en H101
La figura 19 compara los valores de la tabla 15 a través de un gráfico de sectores, en el que
se observa que la magnitud del calor transferido en la zona de radiación representa el 49%del calor total suministrado correspondiente a la zona de convección.
El calor suministrado por el combustible se calculó con la ecuación 10.
3600/1000××= •
LHV mQ IN (Ec. 10)
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El valor de flujo de combustible se obtuvo de IRIS mientras que el de Poder Calorífico bajo
fue hallado en el documento (NPS01N, 2001).
Tambi
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