DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA, …repositorio.educacionsuperior.gob.ec/bitstream/28000/1181/1/T... · 4.2.2 Métodos de propiedades físicas ... Tabla 1. Base de datos,

UNIVERSIDAD DE LAS AMÉRICAS PUEBLA

ESCUELA DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA, ALIMENTOS

Y AMBIENTAL

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO CRIOGÉNICO DE PLANTA DE GAS MEDIANTE

SIMULACIÓN PARA INCREMENTAR LA PRODUCCIÓN DE

GAS LICUADO DE PETRÓLEO (G.L.P.)

Tesis presentada para obtener el grado de

Magister in Chemical Engineering

FERNANDO GAVILANES CARRASCO

Primavera 2012

II

AGRADECIMIENTOS

Agradezco ante todo a Dios por brindarme la oportunidad de culminar una

nueva etapa en mi vida, que sin sus bendiciones y favores este logro alcanzado no

habría sido posible conseguirlo.

A mis padres, por el apoyo y los consejos dados durante toda mi vida

quienes a pesar de la distancia han estado presentes en mi corazón.

A mi esposa quién ha estado incondicionalmente apoyándome en los

momentos difíciles y que gracias a su apoyo y comprensión he culminado esta

importante meta.

Al gobierno del Ecuador y a EPPETROECUADOR por darme las facilidades

para poder realizar los estudios de maestría.

A todos los profesores de la maestría por inculcarme a más de

conocimientos, valores de vida para continuar con el camino hacia el éxito

profesional.

A mis compañeros por compartir los momentos de alegría y tristeza en una

tierra lejana a la nuestra.

III

DEDICATORIA

Todo el esfuerzo realizado en el que han existido triunfos, alegrías y tristezas,

se lo dedico a mis padres por darme la vida,

a mi esposa por quererme, apoyarme y estar a mi lado,

a mi abuela por ser un ejemplo de vida y fortaleza,

a la memoria de mi abuelo que estaría muy orgulloso de este logro alcanzado,

a mis hermanos, tíos, sobrinos y primos,

porque cada uno de ellos

han sabido estar en una parte de mi vida,

en una parte de mi corazón.

Fernando

IV

INDICE

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. II

DEDICATORIA ....................................................................................................... III

ÍNDICE DE TABLAS .............................................................................................. VI

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... VII

1. RESUMEN ....................................................................................................... 1

2. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 2

3. OBJETIVOS ..................................................................................................... 5

4. MARCO TEÓRICO ........................................................................................... 6

4.1 Gas licuado de petróleo (G.L.P.) .................................................................. 6

4.1.1 Usos y aplicaciones del G.L.P. ............................................................... 8

4.1.2 Pecios de referencia en mercados internacionales ................................ 9

4.2 Simulador ASPEN Plus ............................................................................... 10

4.2.1 Base de datos del simulador ASPEN Plus ............................................ 11

4.2.2 Métodos de propiedades físicas ............................................................ 13

4.2.3 Modelos de unidades de operación de ASPEN Plus............................. 19

5. METODOLOGÍA ............................................................................................ 25

5.1 Caso de estudio .......................................................................................... 25

5.1.1 Descripción del proceso criogénico de Planta de Gas ......................... 26

5.1.2 Metodología para simulación de proceso criogénico de Planta de Gas

utilizando ASPEN Plus. .................................................................................. 34

6. RESULTADOS ............................................................................................... 46

6.1 Simulación para 100% de carga a Planta de Gas ...................................... 46

6.2 Validación de simulación............................................................................. 48

V

6.3 Simulación para 45% de carga a Planta de Gas ......................................... 52

6.3.1 Cálculo del porcentaje de carga ........................................................ 52

6.3.2 Determinación de la composición de la carga de gas ........................ 53

6.3.3 Resultados de simulación .................................................................. 55

6.4 Optimización de variables de proceso ........................................................ 57

6.5 Análisis de composición de gas residual .................................................... 66

6.6 Resultados de producción de G.L.P. y especificaciones del producto ........ 68

7. CONCLUSIONES .......................................................................................... 69

8. RECOMENDACIONES .................................................................................. 71

9. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 72

10. ANEXOS ........................................................................................................ 74

VI

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Base de datos, contenido y uso de componentes .................................. 12

Tabla 2. Cromatografía de gas residual ................................................................ 25

Tabla 3. Corrientes de alimentación para 100% de carga ..................................... 46

Tabla 4. Datos de diseño y resultados de simulación para 100% de carga .......... 47

Tabla 5. Balance general de Planta de Gas para 100% de carga ......................... 47

Tabla 6. Porcentaje de carga a Planta de Gas ...................................................... 53

Tabla 7. Cromatografías de gas utilizados como carga a Planta de Gas .............. 54

Tabla 8. Media y desviación estándar para cada componente.............................. 55

Tabla 9. Corrientes de alimentación para 45% de carga ....................................... 56

Tabla 10. Corrientes de productos para 45% de carga ......................................... 56

Tabla 11. Balance general de Planta de Gas para 45% de carga ......................... 57

Tabla 12. Datos de operación y resultado de simulación GV-1601 ....................... 58

Tabla 13. Datos de operación y resultado de simulación GE-1501 ....................... 58



Tabla 16. Datos de operación y resultado de simulación GE-1504C .................... 61





Tabla 21. Resultado de simulación sistema de refrigeración ................................ 65

Tabla 22. Resultado de simulación sistema de refrigeración (Continuación) ........ 65

Tabla 23. Balance molar a la entrada y salida del compresor GC-1101 ............... 65

Tabla 24. Cromatografía y resultados de simulación para la corriente de gas

residual .................................................................................................................. 66

Tabla 25. Producción de G.L.P. y especificaciones comerciales .......................... 68

VII

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Origen de G.L.P.. ..................................................................................... 3

Figura 2. Precios internacionales de G.L.P.. ........................................................... 9

Figura 3. Componentes base de datos “PURE 10” ............................................... 13

Figura 4. Método de propiedades para producción de petróleo y gas ................... 15

Figura 5. Método de propiedades para refinación ................................................. 15

Figura 6. Método de propiedades para procesamiento de gas ............................. 15

Figura 7. Método de propiedades para procesos petroquímicos........................... 16

Figura 8. Guía para determinar el método de propiedades ................................... 16

Figura 9. Modelos de unidades de operación........................................................ 19

Figura 10. Diagrama de flujo planta de gas ........................................................... 33

Figura 11. Nueva simulación en ASPEN plus ....................................................... 34

Figura 12. Especificaciones iniciales ..................................................................... 34

Figura 13. Especificaciones de compuestos ......................................................... 35

Figura 14. Método de propiedades ........................................................................ 35

Figura 15. Modelo de mezclado ............................................................................ 36

Figura 16. Modelo de divisor ................................................................................. 36

Figura 17. Modelo “Heater” ................................................................................... 37

Figura 18. Modelo “Heatx” ..................................................................................... 37

Figura 19. Modelo Flash2 ...................................................................................... 38

Figura 20. Modelo Sep .......................................................................................... 38

Figura 21. Modelo “Valve” ..................................................................................... 39

Figura 22. Modelo “Pump” ..................................................................................... 39

Figura 23. Modelo “Compr” ................................................................................... 40

Figura 24. Modelo “Radfrac”.................................................................................. 41

Figura 25. Especificación de corrientes ................................................................. 42

Figura 26. Diagrama de Flujo Planta de Gas ........................................................ 43

Figura 27. Reinicialización de simulación .............................................................. 44

Figura 28. Inicio de simulación .............................................................................. 44

Figura 29. Comparación entre datos de diseño y resultados de simulación ......... 48

VIII

Figura 30. Fracción de vapor en cada corriente de proceso ................................. 49

Figura 31. Temperatura en cada corriente de proceso ......................................... 49

Figura 32. Flujo molar de propano en cada corriente de proceso ......................... 50

Figura 33. Densidad en cada corriente de proceso ............................................... 50

Figura 34. Peso molecular en cada corriente de proceso ..................................... 51

Figura 35. Sistema de carga a Planta de Gas ....................................................... 52

Figura 36. Comparación entre datos de cromatografía y resultados de simulación

para el propano en la corriente de gas residual .................................................... 67

1

1. RESUMEN

El G.L.P. formado por 60% de propano y 40% de butano es un derivado que se

obtiene mediante el procesamiento del gas asociado proveniente de los pozos

productores de petróleo en la Planta de Gas (proceso criogénico) que forma parte

de los centros de refinación de la empresa estatal petróleos del Ecuador

(EPPETROECUADOR). Según cifras del Banco Central para cubrir la demanda

interna del país se importa cerca del 80% de G.L.P., causando un gran impacto en

la economía del país. Actualmente no es posible invertir en la Planta de Gas para

la modernización de ciertos equipos del proceso por existir proyectos de

construcción de nuevos centros de refinación, esto crea la necesidad de realizar

un análisis de las condiciones actuales en las que opera la Planta de Gas, con la

finalidad de optimizar aquellas variables que afectan el proceso criogénico para

obtener una mayor recuperación de propano de la corriente de gas residual y así

incrementar la producción de G.L.P. En el presente trabajo se llevó a cabo dicho

análisis utilizando el simulador de procesos ASPEN Plus 7.2 para determinar las

condiciones óptimas del proceso y determinar el efecto que tienen las variables

optimizadas en la recuperación del propano y por ende en el incremento de la

producción de G.L.P. Los resultados de todo el conjunto de variables analizadas y

optimizadas nos indican que es posible recuperar el 9,25% en peso del propano

de la corriente de gas residual incrementando así la producción de G.L.P. puesto

que el propano recuperado pasará a formar parte de la corriente de producto

terminado.

2

2. INTRODUCCIÓN

La empresa estatal petróleos del Ecuador (EPPETROECUADOR) es la entidad

encargada de la producción, refinación y comercialización tanto del petróleo como

de productos terminados para cubrir la demanda de combustibles en el Ecuador.

La gerencia de refinación que forma parte de EPPETROECUADOR tiene por

objetivo transformar los hidrocarburos, mediante procesos de refinación, en

derivados que satisfagan la demanda interna. Su misión se enmarca en el

cumplimiento de las normas nacionales e internacionales para la producción de

derivados en sus refinerías bajo estrictos controles de calidad y dentro de los

estándares internacionales a fin de garantizar las exigencias del consumidor y

proteger el medio ambiente.

Uno de los principales centros de refinación es la Planta de Gas ubicada en el

Complejo Industrial Shushufindi (C.I.S.) que está diseñada para procesar el gas

asociado (mezcla de hidrocarburos comprendidos entre el metano y el butano) y

los hidrocarburos licuables (mezcla comprendida entre pentanos y hexanos)

proveniente de los campos de producción de petróleo; con la finalidad de obtener

como producto principal gas licuado de petróleo (G.L.P.) y como productos

secundarios gasolina natural (C5, C6,) y gas residual (C1, C2, CO2, N2).

El G.L.P. es una mezcla de hidrocarburos de petróleo que generalmente consiste

en una mezcla de 60% de propano (propano y propileno) y 40% de butano

(n-butano e iso-butano).

A presión atmosférica y temperatura ambiente (1 atm y 20°C), el G.L.P. se

encuentra en estado gaseoso; por lo que para obtener líquido a presión

atmosférica, la temperatura del butano debe ser inferior a -0,5°C y la del propano a

-42,2°C; por otro lado para obtener líquido a temperatura ambiente, el G.L.P. debe

someterse a una cierta presión, más de 2 atm para el butano y más de 8 atm para

el propano. Estas condiciones se logran en la Planta de Gas utilizando un proceso

criogénico en el cual la temperatura desciende hasta -45°C consiguiéndose así la

licuefacción del propano y butano, componentes principales del G.L.P.

3

En el Ecuador, según cifras del Banco Central, el consumo de G.L.P. para uso

doméstico, industrial y comercial es de alrededor 8600000 barriles anuales; la

producción de sus refinerías está cerca de 2100000 barriles por lo que se deben

importar alrededor de 6500000 barriles anuales de G.L.P.; es decir alrededor del

80% del consumo es cubierto por importaciones, lo que implica un costo

importante para el estado ecuatoriano; esta es la principal razón para buscar

alternativas que permitan incrementar la producción de este derivado y así

disminuir las importaciones y por ende el costo económico que esto implica para el

país.

En el Ecuador, la Planta de Gas, aporta con alrededor del 6% del origen de G.L.P.

para cubrir el consumo interno; es decir aporta con alrededor del 35% de la

producción total de G.L.P. en el Ecuador, que representa una aportación

importante de este derivado.

Figura 1. Origen de G.L.P.

Fuente: Estadísticas del Banco Central del Ecuador 1

Por las razones expuestas anteriormente, es necesario operar eficientemente el

proceso de producción de G.L.P. para incrementar su producción. La optimización

de las principales variables del proceso criogénico utilizando un simulador de

procesos permite determinar las condiciones que favorecen una mayor producción

6% 12%

82%

PLANTA DE GAS

REFINERIAS

IMPORTACIONES

4

de G.L.P., sin la necesidad de modificar las variables en tiempo real, lo que

causaría desestabilización del sistema y por ende pérdidas económicas, ya que

los productos saldrían de especificación y llevaría tiempo estabilizar el proceso

para obtener los productos deseados listos para su comercialización.

Dentro del conjunto de herramientas disponibles para el análisis y el diseño de

procesos, la simulación de operaciones unitarias y sistemas químicos desempeña

un papel básico y fundamental, muy especialmente en aquellos procesos cuyo

grado de complejidad hace inviable su estudio por métodos analíticos.

Se podría definir brevemente un simulador de procesos como un paquete

informático que puede realizar cálculos de balances de materia y energía de un

proceso, sea éste un equipo u operación básica aislada, una unidad de planta o la

planta completa. Las técnicas de simulación de procesos se fundamentan en el

desarrollo y obtención de uno o varios modelos matemáticos del sistema que

reproduce su comportamiento ya sea en condiciones estacionarias (simulación

estacionaria) o en condiciones no estacionarias (simulación dinámica); estos

modelos matemáticos están constituidos por una serie de ecuaciones que

representan los balances de materia, de energía y la ecuación de estado que

mejor caracteriza al sistema en estudio. La simulación de procesos es pues una

herramienta informática muy importante ya que puede permitir desde el cálculo y

diseño de un intercambiador de calor hasta el desarrollo y optimización de una

compleja unidad de proceso.

5

3. OBJETIVOS

Objetivo general

Optimizar las principales variables del proceso utilizando el paquete de simulación

ASPEN Plus versión 7.2, para la recuperación total del propano en una planta

criogénica (Planta de Gas), incrementado así la producción de G.L.P.

Objetivos específicos

1. Describir el proceso criogénico de producción de G.L.P. en la Planta de Gas

del Complejo Industrial Shushufindi.

2. Analizar el proceso criogénico en el simulador ASPEN Plus versión 7.2

utilizando datos de diseño para validar la simulación.

3. Evaluar el proceso criogénico con el simulador al modificar las variables de

diseño por las de operación actuales y determinar las variables que afectan

directamente al proceso.

4. Optimizar las principales variables del proceso utilizando el simulador para

una mayor recuperación de propano de la corriente de gas residual.

5. Evaluar las condiciones óptimas de operación para la mayor recuperación

del propano y por ende en el incremento de la producción de G.L.P.

6

4. MARCO TEÓRICO

4.1 Gas licuado de petróleo (G.L.P.)

El gas licuado de petróleo (G.L.P.) tiene su origen en el tratamiento que se le da al

petróleo crudo y/o al gas natural en sus fases de refinamiento.

Los hidrocarburos cuyos componentes son hidrógeno y carbono, se presentan

bajo tierra tanto en estado líquido como en estado gaseoso. Se formaron en el

transcurso de millones de años, cuando grandes masas de materiales orgánicos

quedaron bajo la tierra, éstas bajo la acción de altas presiones y temperaturas se

fueron transformando en petróleo crudo (hidrocarburo líquido) y en gas natural

(hidrocarburo gaseoso).

El gas natural puede hallarse disuelto en el petróleo crudo como gas asociado, en

pozos donde el producto dominante es el petróleo; también lo podemos encontrar

como gas libre no asociado donde el producto dominante es el gas o en mezclas

de hidrocarburos, tanto gaseosos como líquidos en los llamados pozos de

condensados.

El G.L.P. es la mezcla de gases de petróleo producidos ya sea por pozos

petrolíferos o gasíferos. Estos gases se procesan en una planta de refinación,

obteniéndose como resultado el G.L.P.

Los gases licuados del petróleo son hidrocarburos compuestos principalmente de

propano y butano, que en mayor o menor proporción acompañan al petróleo crudo

y al gas natural; además de iso-butano y etano en pequeñas cantidades 2.

El G.L.P. comercial en el Ecuador está compuesto aproximadamente de 60% de

propano y el butano representa el 40% del volumen.

En el crudo, la mayor presión de vapor la tienen el propano y el butano, antes del

transporte del crudo se debe reducir este inconveniente por lo que se separan

durante el proceso de “estabilización” en el campo de extracción.

Al llegar a las refinerías se procede a separar las cantidades variables de G.L.P.

del crudo “estabilizado”, que oscilan entre un 2 y 3%, mediante la primera etapa de

destilación o fraccionamiento (torre atmosférica).

7

Además de estos orígenes naturales del G.L.P., éste se obtiene como

subproducto de una serie de procesos de refinería que se listan a continuación:

Reformado Catalítico: Se alimenta de naftas ligeras para producir

aromáticos y gasolinas. El rendimiento en G.L.P. está entre 5 y 10%.

Cracking Catalítico: Se alimenta de gasóleo o nafta produciendo etileno y

propileno para petroquímica. El rendimiento en G.L.P. está entre 5 y 12%.

Steam Cracking: Se alimenta con gasóleo o nafta produciendo etileno y

propileno. El rendimiento en G.L.P. está entre 23 y 30%.

Polimerización y Alquilación: Se alimentan de butanos para producir

gasolinas. El rendimiento en G.L.P. está entre 10 y 15%.

Cracking Térmico: Se alimenta de gasóleo y fuel-oil para producir

gasolina. El rendimiento en G.L.P. está entre 10 y 20%.

Visbreaking: Se alimenta de gasóleo pesado y residuo para producir

coque. El rendimiento en G.L.P. está entre un 5 a 10%. 2, 3

En la Planta de Gas del Complejo Industrial Shushufindi, el G.L.P. se obtiene

como producto principal en un proceso criogénico que utiliza como carga el gas

asociado, este proceso criogénico utiliza propano como medio refrigerante en el

sistema de enfriamiento, donde se consigue la licuefacción de los componentes de

G.L.P. que son el propano y el butano; la unidad de procesos de la Planta de Gas

consta de las siguientes etapas4:

- Pre enfriamiento de la carga

- Deshidratación

- Sistema de enfriamiento

- Separación de gas residual

- Separación de productos

El proceso criogénico es descrito de manera detallada en el caso de estudio del

presente trabajo.

Los orígenes del G.L.P. en el mercado nacional se pueden atribuir a la producción

de gas en los campos de Ancón (Provincia del Guayas) por la explotación de

crudo de la compañía inglesa ANGLO. Las instalaciones de refinación de gas en

8

ese entonces, no permitían obtener una separación de fracciones de gas, lo que

hubiera facilitado el consumo a nivel nacional del gas con alto contenido de

propano. Estas razones, acompañadas a las especificaciones que debían tener las

gasolinas utilizadas en los vehículos de la época, influyeron en que las

instalaciones de refinación de gas y petróleo instaladas en el país, no permitan la

producción de propano en forma separada del butano.

En nuestro país se desarrolló la tecnología de producción, el almacenamiento, la

distribución, el consumo y las normas de control para una mezcla de propano y

butano (G.L.P.), limitando un consumo de gas combustible de excelente poder

calorífico que podrían tener mezclas de metano, etano y propano y que tendrían,

un precio mucho menor por su fácil disponibilidad y por un requerimiento

tecnológico menor para su elaboración en los campos del Oriente 5.

4.1.1 Usos y aplicaciones del G.L.P.

Dentro de las principales ventajas que tiene el uso del G.L.P. sobre otros

combustibles, se deben mencionar: limpieza, economía, alto poder calorífico, fácil

manejo y transporte así como, seguridad en su uso; razones por las cuales el uso

del G.L.P. es cada vez mayor en el ámbito industrial, comercial y doméstico.

Las aplicaciones más importantes en el sector industrial son:

Hornos estacionarios y continuos

Calderas

Equipos de corte y soldadura de metales

Quemadores industriales

En sopletes y mecheros

Secadores

Incineradores y crematorios

El G.L.P. es un combustible de combustión limpia, sostenible y eficiente y una

fuente vital de energía para cientos de millones de personas en todo el mundo. Es

9

una energía de usos múltiples con miles de aplicaciones. El G.L.P. puede ser

almacenado, transportado y utilizado de una manera eficiente ya que emite

menores cantidades de gases de efecto invernadero que la gasolina o el diesel.

En el sector doméstico el G.L.P. tiene su más popular aplicación con cerca del

47% de la demanda mundial y es comúnmente utilizado para cubrir necesidades

de cocción de alimentos y demandas de calentamiento en el hogar 6.

4.1.2 Pecios de referencia en mercados internacionales

El precio del G.L.P. está directamente relacionado con el precio del barril de

petróleo a precio internacional; en la figura 2 se muestran los precios de este

derivado para algunos países principalmente de la región de Sudamérica incluido

el Ecuador, es importante observar que este precio es uno de los más bajos de la

región; lo cual se debe principalmente a las políticas de subsidios a los

combustibles que se manejan en el país.

Figura 2. Precios internacionales de G.L.P.

Fuente: Blog Economía petrolera Abril 2011 7

10

4.2 Simulador ASPEN Plus

ASPEN Plus es un simulador que resuelve los balances de materia y energía, de

operaciones unitarias y procesos completos, además de tener numerosas

herramientas de optimización y de análisis de sensibilidad para procesos

químicos.

Este simulador está orientado a la industria química y petroquímica, refino de

petróleo, procesamiento de gas y aceites, combustibles sintéticos, generación de

energía, metales y minerales, industrias del papel y la pulpa, farmacéuticas y

biotecnología. ASPEN Plus modela y simula cualquier tipo de proceso en el cual

exista flujo de materia y energía de una unidad de proceso a otra.

El paquete de simulación se divide en tres bloques fundamentales:

Interfaz gráfica: Es el entorno gráfico de modelado; posee un sistema

experto que va guiando en la construcción de un modelo.

Propiedades físicas: Banco de datos con modelos termodinámicos y

propiedades de un gran número de componentes orgánicos, inorgánicos,

electrolitos y sólidos; posee las siguientes características:

- Bases de datos de componentes puros y específicos de cualquier

aplicación

- Sistemas de estimación para constantes de propiedades

- Bases de datos para parámetros de interacción binaria

- Sistemas de regresión de datos

- Sistemas para electrolitos

- Acceso a la base de datos termofísicos DECHEMA

Las propiedades se deben seleccionar según el tipo de componentes y

condiciones de operación de trabajo tales como mezclas ideales,

hidrocarburos y gases de hidrocarburos, mezclas no polares, mezclas

polares, aminas y petróleo.

Motor de simulación: Es el núcleo del programa que está escrito en

lenguaje Fortran, es el que soporta todo el modelo desde la lectura del

11

archivo de entrada que describe el proceso hasta su resolución por

algoritmos numéricos.

ASPEN Plus puede resolver el diagrama de flujo de tres maneras distintas: Como

simulador modular secuencial (SMS), como simulador orientado a ecuaciones

(SOE) y un tercer modo que comprende aspectos de los dos anteriores. De forma

esquemática, el SMS resuelve las ecuaciones equipo a equipo, dividiendo el

sistema de ecuaciones en módulos que corresponden a las diferentes operaciones

básicas. Secciona las corrientes, de modo que es necesario determinar las

variables que se han de iterar. Así, aunque ASPEN Plus ya selecciona dichas

corrientes mediante algoritmos que tiene implementados, el usuario también

puede escoger las variables a iterar. El SOE en cambio, resuelve el sistema de

forma simultánea 8,9.

Mayor detalle del uso del simulador podremos encontrarlo en los manuales citados

en la parte de Bibliografía.

4.2.1 Base de datos del simulador ASPEN Plus

ASPEN Plus almacena las propiedades físicas de un gran número de

componentes en algunas bases de datos; además de la base de datos estándar

del simulador es posible dar especificaciones para crear nuevos compuestos.

En la tabla 1 se muestra el contenido de las principales bases de datos existentes

en ASPEN Plus y además indica el contenido de cada una de ellas y el uso en la

simulación.

12

Tabla 1. Base de datos, contenido y uso de componentes

BASE DE DATOS

CONTENIDO

USOS

PURE 10 Parámetros de

componentes puros

en su mayoría

componentes

orgánicos

Base de datos para

componentes

primarios

AQUEOUS Parámetros de

componentes puros

para especies iónicas

y moleculares en

soluciones acuosas

Simulación que

contiene electrolitos

SOLIDOS Parámetros de

componentes puros

para electrolitos

fuertes, sales y otros

sólidos

Simulación que

contiene electrolitos

y sólidos

INORGANICOS Parámetros de

componentes

inorgánicos puros

Sólidos, electrolitos y

aplicaciones

metalúrgicas

COMBUST

Parámetros de

componentes puros

para productos de

combustión

incluyendo radicales

libres

Cálculos en fase gas y

a altas temperaturas

Fuente: ASPEN Plus user guide

10

Para el presente caso de estudio los compuestos de interés que son hidrocarburos

ligeros desde metano hasta hexano además de dióxido de carbono, nitrógeno y

agua, están en la base de datos denominada “PURE 10”, (ver figura 3) que es

13

además la principal base de datos de componentes que presenta ASPEN Plus y

contiene parámetros para 1677 componentes 11.

Figura 3. Componentes base de datos “PURE 10”

Fuente: Simulador ASPEN Plus 12

4.2.2 Métodos de propiedades físicas

Encontrar el método apropiado para estimar las propiedades físicas y

termodinámicas de los componentes es por lo general la decisión más importante

en una simulación, ya que de esta estimación dependerá la precisión de los

resultados que se lleguen a obtener en una simulación de procesos.

El método de propiedades es una colección de métodos y propiedades que

ASPEN Plus utiliza para calcular las propiedades termodinámicas y propiedades

de transporte.

14

Las propiedades termodinámicas son:

Coeficientes de fugacidad (Valor K)

Entalpía

Entropía

Energía libre de Gibbs

Volumen.

Las propiedades de transporte son:

Viscosidad

Conductividad térmica

Coeficiente de difusión

Tensión superficial.

El simulador ASPEN Plus incluye un gran número de método de propiedades que

pueden ser suficientes para la mayoría de las aplicaciones; sin embargo ASPEN

Plus permite crear nuevos métodos de propiedades según los requerimientos de la

simulación a realizarse. Los métodos de propiedades disponibles en el simulador

se dividen en: método ideal de propiedades, métodos de propiedades basadas en

ecuaciones de estado, método de propiedades con coeficientes de actividad y

método de propiedades para sistemas especiales 10.

4.2.2.1 Método de propiedades recomendado para diferentes aplicaciones de

la industria del petróleo

La guía del usuario de ASPEN Plus recomienda para las diferentes aplicaciones

de la industria petrolera y petroquímica los métodos mostrados en las figuras 4, 5,

6 y 7 detalladas a continuación.

15

Figura 4. Método de propiedades para producción de petróleo y gas

Fuente: ASPEN Plus User Guide10

Figura 5. Método de propiedades para refinación


Figura 6. Método de propiedades para procesamiento de gas


16

Figura 7. Método de propiedades para procesos petroquímicos


Considerando la recomendación de la guía del usuario para ASPEN Plus de la

figura 6 (procesos criogénicos) y realizando el análisis mostrado en la figura 8 se

llegó a determinar que el mejor método de propiedades para realizar la simulación

del proceso criogénico de la Planta de Gas es utilizar la ecuación de estado de

Peng-Robinson.

Figura 8. Guía para determinar el método de propiedades


17

bVbbVV

a

bV

RTP

mmmm

4.2.2.2 Ecuación de estado de Peng-Robinson

El método de propiedades utilizado en el presente trabajo es la ecuación estándar

de Peng-Robinson asociado con las volatilidades relativas estándar (); este

método es recomendado para proceso de transformación de hidrocarburos como:

procesamiento del gas, refinación y procesos petroquímicos.

Peng-Robinson es usado para mezclas no polares y medianamente polares como

por ejemplo mezclas de hidrocarburos y gases ligeros como dióxido de carbono,

sulfuro de hidrógeno e hidrógeno.

Este método de propiedades es particularmente apropiado para sistemas que

operan a altas temperaturas y presiones como lo es el procesamiento de

hidrocarburos y extracciones supercríticas 11,13.

La ecuación de estado para este modelo es:

Ec. 4.2.2.2-1

Donde:

Ec. 4.2.2.2-2

Ec. 4.2.2.2-3

Los parámetros de los componentes puros para la ecuación de estado de

Peng-Robinson son calculados de la siguiente manera:

T

kTkkk

PcTcfb

wPcTcTfa

kaaxxa

bxb

ij

ijijij

iii

iiii

i j

ijjiji

i

ii

)3(

)2()1(

5,0

,

,,,

1

18

Ec. 4.2.2.2-4

Ec.4.2.2.2-5

Las expresiones anteriores se obtienen aplicando las restricciones críticas para la

ecuación de estado bajo la siguiente condición:

Ec. 4.2.2.2-6

El parámetro es una función de la temperatura que fue introducido originalmente

por Soave en la ecuación de estado de Redlich-Kwong; este parámetro mejora la

correlación de la presión de vapor del componente puro. Esta aproximación fue

adoptada también por Peng-Robinson de la siguiente forma:

Ec. 4.2.2.2-7

El parámetro mi puede ser correlacionado con el factor acéntrico () con la

siguiente expresión:

Ec.4.2.2.2-8

Con todas las expresiones anteriores queda definido el método de propiedades

para la ecuación de estado de Peng-Robinson 11.

i

ii

i

iii

Pc

RTcb

Pc

TcRa

07780,0

45724,022

0,1ii Tc

2

2

1

11

iii TrmT

226992,054226,137464,0 iiim

19

4.2.3 Modelos de unidades de operación de ASPEN Plus

Los modelos de unidades de operación son utilizados para representar los equipos

que conforman una unidad de proceso y son necesarios para realizar la simulación

de cualquier unidad o proceso de una planta. Los principales modelos disponibles

en el simulador se muestran en la figura 9.

Figura 9. Modelos de unidades de operación

Fuente: ASPEN Plus User Guide 10

20

Para el desarrollo del presente trabajo se utilizaron los siguientes modelos de

unidades de operación:

MIXER (Mezclador)

Los mezcladores combinan 2 o más corrientes de entrada (materia, calor o

trabajo) y se obtiene una corriente de salida; si se mezclan corrientes de

materia se tiene la opción de colocar una corriente de salida de agua

decantada que permite que la corriente principal esté libre de agua; además

este modelo permite especificar la presión de la corriente de salida o la caída

de presión en el mezclador.

El modelo de mezclador determina la temperatura y las condiciones de fase en

que se encuentra la corriente de salida realizando un cálculo de fases en

equilibrio de un flash adiabático sobre la composición de las corrientes de

alimentación.

FSPLIT (Divisor)

El divisor permite dividir una corriente de entrada (masa, calor o trabajo) en dos

o más corrientes de salida; todas estas corrientes tienen la misma composición

y propiedades. Se debe especificar en este modelo todas las corrientes de

salida menos una, ya que el simulador lo determina sin especificar. Al igual que

en un mezclador se puede definir la presión de salida o la caída de presión en

el divisor.

SEPARADORES

El modelo SEP combina las corrientes de alimentación y divide las corrientes

de salida de acuerdo a las especificaciones dadas; cuando los detalles de la

separación son desconocidos o no tienen mucha importancia se puede utilizar

este modelo, caso contrario se debe de utilizar un modelo de separación más

riguroso.

21

El modelo FLASH 2 determina la fase y las condiciones térmicas de una

mezcla con una o más corrientes de alimentación. Es posible generar curvas

de calentamiento o enfriamiento de este modelo. El modelo flash representa

una sola etapa de separación; se realiza el cálculo de una fase de equilibrio

(líquido-vapor) en base a las especificaciones dadas.

Este modelo permite realizar cálculos para un flash adiabático, isotérmico e

isobárico y además permite determinar el punto de burbuja y punto de rocío.

En general se deben de fijar por lo menos dos de las siguientes condiciones

termodinámicas para resolver el modelo.

- Temperatura

- Presión

- Carga térmica

- Fracción de vapor

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Todos los intercambiadores de calor determinan las condiciones térmicas y de

fase de una mezcla con una o más corrientes de entrada. Los modelos de

intercambiador permiten simular el rendimiento de intercambio de energía de

dos o más corrientes; entre estos modelos los utilizados en este trabajo son:

- HEATER

Este tipo de modelo utiliza una corriente de alimentación al intercambiador y

permite realizar los siguientes cálculos ya sea en una sola fase o multifase:

- Cálculo del punto de burbuja o rocío.

- Adicionar o remover cualquier cantidad de energía especificada en la

carga térmica del modelo.

- Especificar la temperatura de calentamiento o enfriamiento a la salida

del intercambiador.

- Determinar la carga necesaria de enfriamiento o calentamiento para

obtener una fracción de vapor deseada a la salida del intercambiador.

22

El modelo da como resultado una corriente de salida y tiene la opción de

adicionar una corriente de agua decantada. La especificación de la carga

energética al intercambiador puede ser definida por la corriente caliente de

otro bloque; además se puede utilizar el modelo para cambiar las

condiciones termodinámicas de una corriente.

- HEATX

El modelo permite realizar cálculos mediante métodos cortos o por detalle

de un intercambiador que tiene dos corrientes de entrada al mismo; la

principal diferencia entre estos dos métodos de cálculo es el procedimiento

de cálculo del coeficiente global de transferencia de calor.

En el método corto el usuario especifica el valor del coeficiente global de

transferencia de calor o el simulador toma un valor por “default”.

En el método detallado el cálculo de transferencia de calor es riguroso y se

realiza utilizando coeficientes de película, combinando las resistencias de

película de lado tubo y carcasa con la resistencia de la pared del material

para calcular el coeficiente global de transferencia de calor; para aplicar

este método es necesario saber a detalle la geometría del intercambiador

de calor.

Para utilizar el modelo “HeatX” se deben especificar las corrientes fría y

caliente de entrada al intercambiador y una de las siguientes

especificaciones:

- Temperatura de salida o el cambio de temperatura de la corriente fría

o caliente.

- Fracción de vapor de la corriente fría o caliente.

- Carga energética del intercambiador.

- Área de transferencia de calor.

- Temperatura de aproximación a la corriente fría o caliente en la

salida del intercambiador.

23

COLUMNAS

Para el modelo de columnas ASPEN Plus tiene modelos para realizar cálculos

basados en métodos cortos y un cálculo riguroso de la separación multietapa;

en este trabajo se realizó la simulación con el modelo riguroso denominado

RADFRAC, el mismo que se detalla a continuación.

- RADFRAC

Este es un modelo riguroso para la simulación de todo tipo de operaciones

de fraccionamiento multietapa de equilibrio líquido-vapor. Además de la

destilación este modelo puede ser utilizado para simulaciones como:

- Absorción

- Despojamiento

- Destilación extractiva y azeotrópica

RADFRAC puede modelar columnas donde existen dos fases líquidas y

ocurren diferentes reacciones químicas en dichas fases, además este

modelo puede simular precipitaciones de sales.

El modelo RADFRAC puede operar en modo de simulación y en modo de

diseño.

En el modo de simulación el modelo calcula la temperatura, el flujo y

perfiles en fracción molar; este perfil está basado en parámetros

especificados en la columna como la relación de reflujo, el flujo de destilado

o fondos y las cargas de energía. Todas las especificaciones de la columna

pueden estar en unidades de masa, moles o unidades de volumen

estándar; además se puede especificar los componentes y la eficiencia de

las etapas.

MODIFICADORES DE PRESIÓN

En los modelos de bombas y compresores se necesita como requisito conocer

la potencia del equipo para lograr un cambio en la presión, o especificar la

presión de salida y el simulador calculará la potencia requerida.

24

El modelo de bomba permite simular una bomba o una turbina hidráulica y

calcula ya sea la potencia requerida en el caso de la bomba o la energía

producida en el caso de la turbina.

El modelo de compresor puede simular: compresor politrópico, compresor

politrópico de desplazamiento positivo, compresor isoentrópico, turbina

isoentrópica. Ambos modelos pueden calcular la potencia requerida dando

como especificación la presión de salida, o especificada la potencia determinar

la presión de salida.

Cuando sólo se requiere realizar cambios de presión se utilizará el modelo de

válvula; este modelo calcula la caída de presión o el coeficiente (Cv) para una

válvula de control 10.

25

5. METODOLOGÍA

5.1 Caso de estudio

Actualmente, al no ser posible hacer grandes inversiones en la Planta de Gas

para la modernización de ciertos equipos del proceso por la situación económica

del país, y por existir proyectos de construcción de nuevos centros de refinación,

es necesario realizar un análisis de las condiciones en las que opera la Planta de

Gas, con la finalidad de optimizar aquellas variables que tienen un mayor efecto

en el proceso criogénico para obtener una mayor recuperación de propano y así

incrementar la producción de G.L.P.

Es importante considerar que la corriente de gas residual que es un subproducto

del proceso criogénico se utiliza como gas de combustión en hornos, calderas,

turbinas y generadores eléctricos y además el remanente de este gas es enviado

a quemarse en un equipo denominado “TEA”; por lo que es importante disminuir la

cantidad de propano que sale en esta corriente. Al realizar la optimización de las

variables de operación de la Planta de Gas, la composición de propano en el gas

residual será un parámetro muy importante para la evaluación.

En la tabla 2 se muestra una cromatografía de gases realizada por el laboratorio

del control de calidad del Complejo Industrial Shushufindi de la corriente de gas

residual en las condiciones actuales de operación.

Tabla 2. Cromatografía de gas residual

Fuente: Laboratorio de Control de Calidad (C.I.S.) 14

26

Como se puede observar en esta cromatografía de gases el porcentaje de

propano que es enviado en la corriente de gas residual es considerable, razón por

la cual es necesario determinar las mejores condiciones del proceso que permitan

la recuperación de este propano y así incrementar la producción de G.L.P.

5.1.1 Descripción del proceso criogénico de Planta de Gas

El proceso criogénico de la Planta de Gas tiene como objetivo principal la

producción de gas licuado de petróleo (G.L.P.); además de este derivado se

obtienen como subproductos gasolina natural y gas residual. Este proceso consta

de las siguientes etapas:

Sistemas de entrada de gases y líquidos

El gas asociado (gas) y los hidrocarburos licuables (líquidos) se reciben desde los

campos de producción de petróleo en la Planta de Gas por diferentes tuberías;

cada corriente pasa a un pre enfriamiento con el objetivo fundamental de

condensar la mayor cantidad de agua contenida en la carga para su posterior

eliminación en el separador de entrada y la condensación de un volumen adicional

de hidrocarburo.

Pre enfriamiento de gas de entrada

La carga de gas a la entrada de la planta se enfría inicialmente en un

intercambiador de tubo y carcasa (GE-001) utilizando como medio de enfriamiento

agua proveniente de la torre de enfriamiento a una temperatura de 32 °C, la cual

fluye por el interior de los tubos; en este intercambiador la corriente de gas se

enfría de 49 °C a 38 °C y posteriormente pasa a otro intercambiador de tubo y

carcasa (GE-002) donde complementa su enfriamiento de 38 °C a 27 °C; por el

lado de la carcasa fluye propano a 8 °C que se utiliza como medio refrigerante.

Con este pre enfriamiento de la carga de gas se consigue una condensación

adicional de hidrocarburos de alrededor 50 gpm (galones por minuto); esta

corriente de gas es enviada al separador de entrada.

27

Pre enfriamiento de líquidos de entrada

Con el propósito descrito en el pre enfriamiento de gas, el líquido de carga es

enfriado contra la corriente de gas residual en dos intercambiadores en serie de

tubo y carcasa (GE-003 A/B); por el lado de la caracas fluye el líquido de carga y

por el lado de los tubos fluye el gas residual, alimentado a una temperatura de

15 °C.

En este equipo el líquido de carga se enfría de 49 °C a 27 °C, mientras que el gas

residual se calienta de 15 °C a 40 °C; la corriente de líquido entra al separador de

entrada.

Separador de gas de entrada

El separador de gas de entrada (GV-1601) es un recipiente horizontal diseñado

a 710 psig de presión y 65,6 °C de temperatura; la función principal de este equipo

es separar el agua, los hidrocarburos líquidos y el gas; el agua es retirada por el

sumidero colocado en la parte inferior del separador; los hidrocarburos líquidos

salen del separador por la parte inferior y son bombeados hacia el separador de

fases, que es un recipiente que utiliza medios coalescentes para la separación de

agua. El gas sale por la parte superior del separador y pasa a través del separador

de nieblas que tiene la finalidad de retener cualquier gota de líquido que fuera

arrastrada por el gas, para así proteger los tamices moleculares de los

deshidratadores de gas.

Deshidratación del gas de entrada

El gas que entra en la planta debe ser deshidratado debido a las bajas

temperaturas a las que será finalmente sometido; la humedad que entre en la

planta se quedará en los equipos que operan a bajas temperaturas pudiendo

llegar a formar hidratos y causar problemas de taponamiento, razón por la cual

este proceso de deshidratación es de suma importancia en la operación normal de

la planta.

28

La deshidratación se realiza en dos torres deshidratadoras (GV-1603/04) que

operan en paralelo, ya que mientras una torre deshidrata el gas la otra se

encuentra en la etapa de regeneración de tamiz molecular. Los tamices

moleculares adsorbentes usados en este sistema son de material sintético; sin

embargo, su estructura es suficientemente parecida a algunos minerales para ser

clasificados como zeolitas. Los tamices moleculares son silicatos de aluminio

cristalino que han sido activados para realizar el proceso de deshidratación. El

agua contenida en la corriente de gas de entrada es adsorbida en los inter

espacios del tamiz molecular con sus innumerables cavidades y su gran superficie

de contacto. Los procesos de evacuación (regeneración) y relleno (deshidratación)

de las cavidades de los tamices moleculares pueden ser repetidos durante mucho

tiempo, bajo condiciones favorables.

El tamaño del recipiente, el peso de los tamices moleculares cargados en cada

uno, el caudal de regeneración y el tiempo del ciclo (tiempo durante el cual cada

deshidratador puede deshidratar el volumen total de diseño de gas de entrada)

han sido calculados para una operación óptima y alargar así al máximo la vida del

tamiz molecular.

Deshidratación del líquidos de entrada

La corriente de líquidos que entra a la planta debe ser deshidratada por la misma

razón expuesta anteriormente. Para la deshidratación de la corriente líquida se

utiliza el mismo fundamento que para la deshidratación de gas; la planta de gas

posee cuatro torres de deshidratación (GV-1605/06 y GV-1626/27), de manera

que mientras dos están deshidratando las otras dos torres están regenerando el

tamiz molecular.

Sistema de filtros de polvos

Estos filtros son de doble canasta; cada filtro cuenta con dos elementos, mientras

el uno está en línea, el otro puede ser revisado durante la operación; el objetivo de

estos filtros es retener el polvo de tamiz molecular que pudiese ser arrastrado

29

desde los deshidratadores, para evitar problemas de taponamiento en los

intercambiadores de placas del sistema de enfriamiento.

Refrigeración

Luego de la deshidratación los gases y líquidos se combinan y se dividen en dos

corrientes que van a dos intercambiadores de placas de alta eficiencia.

El intercambiador de menor capacidad (intercambiador gas-gas GE-1501) utiliza

como medio refrigerante gas a baja temperatura proveniente del separador frío y

para el de mayor capacidad (intercambiador gas-líquido GE-1502) utiliza líquido

proveniente del mismo separador. El 27% de la corriente de la mezcla de gas y

líquido va hacia el intercambiador gas-gas en el que la temperatura baja de 30 °C

a -30 °C y el restante 73% va hacia el intercambiador gas-líquido en el que la

temperatura desciende hasta -30 °C. Las dos salidas de los intercambiadores van

hacia un intercambiador de tubo y carcasa (GE-1503); por el lado carcasa fluye

propano como medio refrigerante (cuyo proceso será detallado a continuación)

para disminuir la temperatura de la corriente que fluye por los tubos de - 30 °C a

- 40 °C, permitiendo así la licuefacción de propanos y butanos. Seguidamente la

corriente gas-líquido va hacia el separador frío (GV-1607) en el cual se separa la

fase gaseosa (C1, C2, CO2, N2) y la fase líquida (C3, C4, C5, C6); este separador

frío está diseñado para trabajar a 535 psig y - 40 °C.

Sistema de refrigeración con propano

La temperatura del gas de entrada debe ser reducida a - 40 °C para condensar y

recuperar los componentes deseados contenidos en el gas. La temperatura es

disminuida usando un sistema exterior de refrigeración utilizando propano como

medio refrigerante. Este sistema de refrigeración se utiliza también para

condensar una fracción de la corriente de gases de cabeza de la torre

de-etanizadora para el reflujo requerido en dicha torre de separación.

El sistema de refrigeración es un circuito cerrado; el gas y líquido de entrada así

como los gases de cabeza de la torre de-etanizadora vaporizan el propano líquido

que fluye por el lado de la carcasa del intercambiador de calor de la corriente

30

gas-líquido (GE-1503) hacia el separador frío y del intercambiador de calor de la

corriente de salida de los gases del domo de la torre de-etanizadora (GE-1504C);

las condiciones del propano a la salida de estos intercambiadores son 14,7 psig

y - 40 °C.

Los vapores de propano fluyen hacia el sistema de compresión (GC-1101) donde

se comprimen a 247 psig. El propano comprimido es condensado y enfriado en

enfriadores por aire (GA-1906) y en intercambiadores de tubo y carcasa

(GE-1906/07 y GE-1511) hasta una temperatura de 37 °C para luego ser enviado

a un tanque igualador de presiones (GV-1617) y posteriormente a un recipiente

denominado economizador (GV-1616), que con una válvula controladora de nivel

provoca una caída de presión de 74 psig, con lo que la temperatura disminuye de

37 °C a 9 °C. El vapor producido en este economizador va a la entrada de la

cuarta etapa de los compresores, mientras que el propano líquido es enviado a los

intercambiadores de la corriente gas-líquido y de la corriente de gases del domo

de la torre de-etanizadora y mediante una válvula de control de nivel, del lado de

la carcasa de estos intercambiadores se disminuye la presión a 14,7 psig con lo

que la temperatura disminuye a -40 °C.

Los vapores producidos en los intercambiadores de calor van al depurador de

succión (GV-1614) del sistema de compresión para finalmente ingresar a la

primera etapa de los compresores y así completar el circuito.

Separación de productos

El líquido proveniente del separador frío pasa al proceso de separación de sus

componentes, este proceso de separación consta de las siguientes etapas:

- Torre De-etanizadora (GV-1609)

Es un recipiente vertical de 84 pies de extremo a extremo, con dos secciones; la

inferior de 44 pies y diámetro interior de 66 plg, y la superior de 38,5 pies y

diámetro interior de 42 plg. La torre está formada por 36 platos Flexitrays de la

marca Koch Engineering Company. Los 17 platos de cabeza son de 42 plg de

paso único y los 19 platos del fondo de 66 plg son de doble paso.

31

El líquido del separador frío después de ser calentado en el GE-1502 es enviado

al intercambiador de calor GE-1511 para incrementar la temperatura de la

alimentación a la torre de-etanizadora. Antes de entrar a dicha torre la corriente

del separador frío se une con la corriente del líquido saliente de los

deshidratadores GV-1626/27; esta alimentación tiene una temperatura de 32.7 °C,

una presión de 461 psig, y una fracción de vapor de 0.44; en estas condiciones se

alimenta a la torre en el plato 19.

La función de la torre de-etanizadora es separar, por fraccionamiento, el metano y

etano del propano y los componentes pesados, contenidos en la alimentación de

la columna. Pequeñas cantidades de propano saldrán por la cabeza de la

columna, pero esta cantidad debería ser mínima y es un factor de control de la

torre de-etanizadora.

El metano, etano y algunos vapores de propano salen por la parte alta de la torre y

van hacia el condensador de reflujo GE-1504C y luego al acumulador GV-1610.

- Torres Debutanizadoras (GV-1611 y GV-1624)

El flujo de fondo de la torre de-etanizadora, se divide en dos corrientes iguales que

ingresan a cada una de las torres debutanizadoras en el plato 19 a una

temperatura de 80 °C. Las torres debutanizadoras son torres verticales de 75 pies

de altura y 48 plg de diámetro interior; tienen 33 platos Flexitrays de paso único

de la marca Koch Engineering Company.

La función de las torres debutanizadoras es separar, por fraccionamiento, el

propano y el butano de los componentes más pesados contenidos en la corriente

de alimentación de la columna. Pequeñas cantidades de butano se deja salir por la

base de las columna con la corriente de gasolina; sin embargo, el butano presente

en el fondo deberá ser mínimo. La cantidad de butano en la salida de la base de

las columnas es un factor de control para las torres debutanizadoras.

Los vapores de propano y el butano salen por la cabeza de cada una de las torres

debutanizadoras y pasan respectivamente a través de los condensadores de

reflujo GA-1903 y GE-1510 y por los condensadores GA-1907 y GE-1509.

Todos los vapores de cabeza se condensan y el líquido va al acumulador de

32

reflujo GV-1612 y GV-1621 respectivamente. Los condensadores de reflujo

GA-1903 y GA-1907 son aero-enfriadores mientras que GE-1511 y GE-1509 son

intercambiadores de calor de tubo y carcasa que utilizan agua como medio

refrigerante.

Todos los gases de cabeza de cada una de las torres debutanizadoras son

condensados y el caudal total de líquido se divide en dos corrientes; una como

reflujo a las torres y otra constituye la producción total G.L.P. (propano y butano)

que es enviada a través del enfriador de producto GE-1908 y GE-1909

respectivamente hacia las esferas de almacenamiento de G.L.P.

Los intercambiadores de calor GE-1908 y GE-1909 son intercambiadores de tubo

y caracas que utilizan agua como medio refrigerante.

El líquido del fondo de las torres es enviado a través de dos aero-enfriadores

GA-1904 y GA-1905 para cada una de las corrientes de las torres hacia los

tanques de almacenamiento gasolina natural 4.

En la figura 10 se muestra un diagrama de flujo del proceso criogénico de la

Planta de Gas del Complejo Industrial Shushufindi.

33

Figura 10. Diagrama de flujo Planta de Gas

34

5.1.2 Metodología para simulación de proceso criogénico de Planta de Gas

utilizando ASPEN Plus.

Para la simulación del proceso criogénico en ASPEN Plus se realizó el siguiente

procedimiento.

1. Crear una nueva simulación en blanco

Figura 11. Nueva simulación en ASPEN Plus

Fuente: Simulador ASPEN Plus12

2. Seleccionar el tipo de corrida que se va a realizar, para este estudio se utilizó

“flowsheet” en el cual se incluye estudios de sensibilidad y optimización;

además se definieron las unidades de medida para la simulación y las

condiciones de referencia.

Figura 12. Especificaciones iniciales


35

3. Se especificaron los compuestos que conforman las corrientes de

alimentación a la Planta de Gas; estos compuestos forman parte de la base de

datos del simulador.

Figura 13. Especificaciones de compuestos


4. Se estableció como método de propiedades para el presente trabajo la

ecuación de estado de Peng-Robinson

Figura 14. Método de propiedades


36

5. Se definieron los modelo a utilizar en el proceso criogénico con sus

respectivas especificaciones; algunos modelos en el diagrama de flujo son

repetitivos por lo que a continuación se detalla de cada modelo un ejemplo.

MIXER (Mezclador)

Figura 15. Modelo de mezclado


FSPLIT (Divisor)

Figura 16. Modelo de divisor


37

MODELO “HEATER”

Figura 17. Modelo “Heater”


MODELO “HEATX”

Figura 18. Modelo “Heatx”


38

MODELO FLASH2

Figura 19. Modelo Flash2


MODELO SEP

Figura 20. Modelo Sep


39

MODELO “VALVE” (Válvula)

Figura 21. Modelo “Valve”


MODELO “PUMP” (Bomba)

Figura 22. Modelo “Pump”


40

MODELO “COMPR” (Compresor)

Figura 23. Modelo “Compr”


41

MODELO “RADFRAC”

Figura 24. Modelo “Radfrac”


42

6. Una vez definido los modelos se especifican las corrientes de alimentación

tanto de gas (corriente 1) como de líquidos (corriente 2) hacia la Planta de

Gas.

Figura 25. Especificación de corrientes


En la figura 26 se muestra el diagrama de flujo completo para la simulación del

proceso criogénico.

43

Figura 26. Diagrama de Flujo Planta de Gas

44

7. Una vez dadas todas las especificaciones necesarias, y construido el

diagrama de flujo del proceso, es recomendable reinicializar la simulación para

evitar que el simulador tome resultados anteriores para las nuevas iteraciones.

Figura 27. Reinicialización de simulación


8. Se inicia la simulación del proceso criogénico al 100% de carga y el simulador

realiza los cálculos respectivos y muestra un mensaje de que los resultados

obtenidos son correctos por lo pueden ser utilizados para el análisis

respectivo.

Figura 28. Inicio de simulación


45

9. Con los resultados obtenidos se procede a realizar el análisis para validar la

simulación respecto a los datos de diseño y poder utilizar el modelo

modificando las condiciones de alimentación al 45% de carga y cambiando los

coeficientes globales de transferencia de calor de diseño por los coeficientes

de servicio en los intercambiadores de calor utilizados en el proceso

criogénico.

10. Se repite el procedimiento 7 y 8 para las nuevas condiciones de simulación del

proceso.

11. Con los resultados obtenidos en la segunda simulación se procede a optimizar

las principales variables que afectan el proceso criogénico para recuperar el

propano de la corriente de gas residual y así incrementar la producción de gas

licuado de petróleo; las variables analizadas son presión y temperatura en los

separadores; temperatura del fluido frío y caliente en los intercambiadores de

calor; presión, reflujo y carga térmica en las torres de separación de productos

y finalmente el flujo de propano en el sistema de enfriamiento.

46

6. RESULTADOS

Los datos de diseño y los resultados de la simulación están indicados para cada

una de las corrientes de proceso y están representados con números de acuerdo con

el diagrama de flujo de la Planta de Gas (Figura 26).

Las especificaciones de los equipos de intercambio de calor y separación de

productos utilizados en la simulación tanto para 100% de carga como para 45% de

carga a la Planta de Gas se muestran en el apéndice A.

6.1 Simulación para 100% de carga a Planta de Gas

En la tablas 3 y 4 se indican los datos de diseño de la Planta de Gas y los resultados

obtenidos en la simulación con 100% de carga; estos resultados muestran las

corrientes de alimentación y las corrientes de productos; los resultados de todas las

corrientes de proceso se muestran en el apéndice B.

Tabla 3. Corrientes de alimentación para 100% de carga

47

Tabla 4. Datos de diseño y resultados de simulación para

100% de carga

En la tabla 5 se muestra un balance molar del proceso tanto para los datos de

diseño de la planta como para los resultados de la simulación de las corrientes de

entrada y los productos obtenidos en la Planta de Gas

Tabla 5. Balance general de Planta de Gas para 100% de carga

48

Los resultados indicados en la tabla 5 se muestran graficados en la figura 29,

como se puede observar los balances de masa para cada uno de los

productos obtenidos en la simulación presentan una pequeña diferencia en moles

respecto a los datos de diseño utilizados. Sin embargo, es importante indicar que

el balance general es igual tanto para el diseño como para la simulación, por lo

que podemos considerar que el modelo utilizado es correcto.

Figura 29. Comparación entre datos de diseño y resultados de simulación

6.2 Validación de simulación

Para validar los resultados de la simulación de la Planta de Gas realizada en ASPEN

Plus, se analizaron los datos obtenidos y se tomaron los siguientes parámetros como

puntos de comparación entre los datos de diseño y los resultados de la simulación en

cada una de las corrientes de proceso.

49

Fracción de vapor

Temperatura

Flujo molar de propano

Densidad

Peso Molecular

En las figuras 30, 31, 32, 33 y 34 se muestran los resultados del análisis antes

mencionado.

Figura 30. Fracción de vapor en cada corriente de proceso

Figura 31. Temperatura en cada corriente de proceso

50

Figura 32. Flujo molar de propano en cada corriente de proceso

Figura 33. Densidad en cada corriente de proceso

51

Figura 34. Peso molecular en cada corriente de proceso

Como se puede observar en las figuras 30, 31, 32, 33 y 34, los resultados obtenidos

en la simulación para cada uno de los parámetros analizados, es decir, la fracción de

vapor, la temperatura, el flujo molar de propano, la densidad y el peso molecular

presentan prácticamente los mismos valores que los datos de diseño de la Planta de

Gas; el único dato que presenta una diferencia con los datos de diseño es la

densidad de la corriente 8 (ver figura 33), que está formada principalmente por agua,

lo cual puede justificarse debido a que el método utilizado para la estimación de

propiedades es la ecuación de estado de Peng-Robinson que es válida para

hidrocarburos ligeros y no para sustancias polares como el agua. Los resultados

numéricos para cada parámetro analizado y para cada corriente de proceso se

muestran en el apéndice B.

Estos resultados permiten considerar que la simulación realizada es válida y puede

ser utilizada para analizar modificaciones a la carga de alimentación a la Planta de

Gas, con la finalidad de optimizar las principales variables del proceso criogénico

para las condiciones de operación actuales.

52

6.3 Simulación para 45% de carga a Planta de Gas

Para el análisis de la simulación de la Planta de Gas del Complejo Industrial

Shushufindi en las condiciones de operación actuales se tomarán como referente los

datos de operación tomados del sistema de control distribuido para una carga

específica, que como se muestra en la figura 35 es de 9590000 SCFD (pies cúbicos

por día en condiciones normales).

Figura 35. Sistema de carga a Planta de Gas

Fuente: Cuarto de Control Planta de Gas (C.I.S.)15

Los datos que se tomarán del sistema de control distribuido será el flujo de gas hacia

la Planta y así se estimará el flujo de alimentación de líquidos en la misma proporción

de la carga de gas.

6.3.1 Cálculo del porcentaje de carga

Debido a que la carga a la Planta de Gas es reportada en flujo volumétrico, para

determinar el porcentaje de carga a la Planta de Gas se utilizó la ecuación de estado

de gas ideal con el factor de compresibilidad (z) tomado de los datos de diseño de la

Planta de Gas; los resultados obtenidos se muestran en la tabla 6.

53

Tabla 6. Porcentaje de carga a Planta de Gas

6.3.2 Determinación de la composición de la carga de gas

En la tabla 7 se muestran las composiciones típicas de las corrientes de gas

utilizadas como carga a la Planta de Gas, las cuales provienen de 7 estaciones de

producción de petróleo. Es importante señalar que el gas obtenido como subproducto

en estas estaciones es sometido a un proceso de compresión para obtener una

corriente gaseosa compuesta principalmente por nitrógeno, dióxido de carbono,

metano, etano, propano y butano; además de otra corriente en fase líquida

compuesta por pentano y hexano.

Estas corrientes de gas y líquido son enviadas hacia la Planta de Gas para su

tratamiento y obtención de G.L.P.

Cabe indicar además que actualmente en el laboratorio de control de calidad del

Complejo Industrial Shushufindi, no se realizan cromatografías de los líquidos de

entrada a la Planta de Gas, por lo que se analizarán como parámetros de referencia

solamente las cromatografías de las corrientes gaseosas.

54

Tabla 7. Cromatografías de gas utilizados como carga a Planta de Gas

Fuente: Laboratorio de Control de Calidad (C.I.S.)

14

Con los datos mostrados en la tabla 7 se procede a realizar un cálculo estadístico

para determinar la media (x) y la desviación estándar (s) de las composiciones que

presentan las corrientes gaseosas de las diferentes estaciones, para así validar la

carga del 45% utilizada en la simulación de la Planta de Gas, los resultados

obtenidos se muestran en la tabla 8.

55

Tabla 8. Media y desviación estándar para cada componente

6.3.3 Resultados de simulación

En la tabla 9 se muestra las corrientes de alimentación (1 y 2) utilizadas para la

simulación con una carga de 45% a la Planta de Gas; mientras que en la tabla 10 se

indican los resultados de la simulación para cada uno de los productos obtenidos en

el proceso criogénico. Además en la tabla 11 se muestra un balance molar global de

la Planta de Gas obtenido en la simulación con ASPEN Plus. Los resultados de la

simulación de todas las corrientes de proceso de la planta se muestran en el

apéndice C.

56

Tabla 9. Corrientes de alimentación para 45% de carga

Tabla 10. Corrientes de productos para 45% de carga

57

Tabla 11. Balance general de Planta de Gas para 45% de carga

Como se puede observar en los resultados obtenidos en la tabla 11 los balances de

masa se cumplen satisfactoriamente para todas las corrientes de proceso. Tomando

como base la simulación realizada se procedió a analizar las diferentes variables de

proceso para identificar aquellas que permiten una mayor recuperación de propano

en la corriente de gas residual y así incrementar la producción de G.L.P.

6.4 Optimización de variables de proceso

Las variables analizadas para la optimización del proceso criogénico fueron:

Acumulador de entrada GV-1601

Se analizó la presión y temperatura del acumulador de entrada (GV-1601), ya

que estas son las dos variables que afectan la primera separación de la fase

gas, líquido y principalmente la separación del agua que, como se dijo

anteriormente, al ser un proceso criogénico en el cual se trabaja a

temperaturas abajo del punto de solidificación del agua, esta puede causar

taponamientos en los circuitos del sistema de enfriamiento, provocando

caídas de producción e incluso paro total de operación de la planta, los

resultados obtenidos se indican en la tabla 12.

58

Tabla 12. Datos de operación y resultado de simulación GV-1601

Los resultados de la simulación nos indican que operacionalmente se puede

optimizar la presión para obtener un mejor resultado en la separación inicial de

la fase gas, líquido y el agua obteniéndose así condiciones menos severas y

logrando eliminar cerca del 50% del agua en las corrientes de alimentación.

Intercambiadores de calor GE-1501 y GE-1502

Los intercambiadores de calor GE-1501 y GE-1502 son intercambiadores de

placas de alta eficiencia y constituyen la primera etapa del sistema de

enfriamiento; las variables analizadas para el intercambiador GE-1501 fueron

las temperaturas del fluido caliente que es una mezcla gas-líquido proveniente

de los deshidratadores y el fluido frío que es el gas residual proveniente del

separador frío (GV-1607); para el intercambiador de calor GE-1502 que es de

mayor capacidad que el GE-1501 se analizó las temperaturas del fluido

caliente que es una mezcla gas-líquido proveniente de los deshidratadores y

el fluido frío que es el líquido proveniente del separador frío (GV-1607). Los

datos de operación y resultados se muestran en las tablas 13 y 14.

Tabla 13. Datos de operación y resultado de simulación GE-1501

59


Los intercambiadores de calor GE-1501 y GE-1502 son la primera etapa del

sistema de enfriamiento y es muy importante alcanzar la temperatura más baja

posible para iniciar el proceso de licuefacción; como se puede observar en las

tablas 13 y 14 las diferencias de temperatura entre la simulación y los datos de

operación para el fluido caliente en el primer intercambiador es de 3,4°C y en el

segundo es de 11,5°C lo que nos permite indicar que sí es posible la

optimización de estas variables para lograr una mayor recuperación del propano

ya que, si se mantiene la presión constante en los procesos de licuefacción, las

temperaturas más bajas favorecen el proceso logrando un mayor recuperación

de componentes livianos como el propano.

Intercambiador de calor GE-1503

El intercambiador de calor GE-1503 es la segunda etapa del sistema de

refrigeración; por el lado de los tubos fluye la mezcla gas-líquido que fue

pre-enfriada en los intercambiadores de placas y por el lado de la carcasa fluye

propano que se utiliza como medio refrigerante (fluido frío); las temperaturas del

refrigerante no están disponibles en el sistema de control. Es importante indicar

que en la simulación la temperatura de salida del propano es menor que a la

entrada por la caída de presión en el intercambiador de calor que es de 2 psia.

Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 15.

60


Estos resultados nos indican que operacionalmente es posible disminuir la

temperatura del fluido caliente optimizando el flujo de propano hacia este

intercambiador; es decir con el resultado de la simulación se obtiene el flujo

necesario que permite retirar la mayor cantidad de energía del fluido caliente y por

ende obtener una menor temperatura del mismo; es importante indicar además

que al producirse el intercambio de calor la energía que transfiere el fluido

caliente al fluido frío es la necesaria para vaporizar completamente la corriente de

propano que ingresa al intercambiador como refrigerante; esta condición del

propano a la salida del intercambiador es muy importante, puesto que luego esta

corriente se une con la corriente de salida de propano del intercambiador

GE-1504C y van hacia la succión del compresor; esta corriente a la succión del

compresor debe tener una fracción de vapor de 1 para evitar daños en el sistema

de compresión del propano.

Intercambiador de calor GE-1504C

Este intercambiador de calor es el condensador del flujo de vapor que sale por el

domo de la torre de-etanizadora y al igual que el intercambiador GE-1503 utiliza

propano como medio refrigerante y no están disponibles los datos de

temperaturas de dicho servicio. Los resultados se indican en la tabla 16.

61

Tabla 16. Datos de operación y resultado de simulación GE-1504C

Las diferencias de temperatura mostradas en la tabla anterior son de

aproximadamente 3 °C lo que operacionalmente afectaría al perfil térmico de la

torre de-etanizadora ya que el fluido que es enfriado es utilizado como reflujo

hacia la torre y por ende cambiará la composición del destilado.

La diferencia de temperaturas a la entrada del fluido caliente se debe

principalmente al reflujo que utiliza el modelo en la simulación ya que este es

mayor que el utilizado en la operación normal de la de-etanizadora; al tener un

mayor flujo frío hacia dicha torre este provoca una temperatura menor en el domo;

a su vez esto provoca que al simular el intercambiador de calor con el área

especificada y el coeficiente global de servicio se obtenga como resultado una

temperatura mayor que la de operación normal, puesto que el modelo realiza un

balance de energía en estas condiciones.

Separador frío GV-1607

Es un separador flash en el cual se produce la separación de la fase gas y líquido

proveniente del sistema de enfriamiento, es decir se produce la separación del

gas residual (dióxido de carbono, nitrógeno, metano, etano y trazas de propano)

de la corriente líquida compuesta de los gases licuados y los componentes

líquidos que conforman la carga líquida a la planta de gas (propano, butano,

pentano y hexano); las variables analizadas fueron la presión y temperatura del

separador. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 17.

62


En este equipo la temperatura no puede ser optimizada ya que esta depende del

sistema de enfriamiento y este equipo es solamente un acumulador; pero sí es

posible optimizar la presión ya que permitiría trabajar a condiciones menos

severas y obtener mejores resultados en la separación de la fase gas y líquida.

Torre de-etanizadora GV-1609

En esta torre se produce la primera separación de productos obteniéndose por el

domo una corriente compuesta de gas residual además de propano; este propano

es condensado en el intercambiador de calor GE-1504C que es utilizado como

relujo hacia la torre; este flujo es un parámetro importante de control ya que de

este depende la concentración de propano en la salida de la corriente de gas

residual al separarse en el acumulador de cabeza de la torre de-etanizadora.


63

Los resultados de la tabla 18 nos indican que la presión de operación de la torre

se debería incrementar, al igual que el reflujo, para obtener mejores resultados en

la separación de los productos más ligeros por el domo de la torre y evitar una

pérdida de propano en esta corriente de gas residual, como se observan en los

resultados de la simulación de la corriente número 24 (ver apéndice C), en el cual

se observa que la concentración de propano es de 8,2458 lbmol/h que representa

1,3 % molar en la corriente de gas residual que es el valor especificado en el

diseño de la columna.

Torre debutanizadora GV-1611

La torre debutanizadora es la segunda etapa de separación de productos en la

cual se obtiene como producto en el domo el gas licuado de petróleo (G.L.P.) que

luego de un proceso de enfriamiento va a almacenarse como producto final; como

producto por el fondo de la torre se obtiene la gasolina natural, que luego de

enfriamiento va hacia el almacenamiento de producto terminado.


Torre debutanizadora GV-1624

Esta torre cumple la misma función que la torre debutanizadora GV-1611, que

como se observa en las tablas 19 y 20 tienen los mismos resultados en la

simulación realizada.

64


En estas torres de separación el reflujo se puede disminuir y aumentar la presión

para obtener una mejor separación de productos, cumpliendo con las

especificaciones de comercialización, principalmente para el G.L.P. y también

permitirá disminuir la carga energética en el re-hervidor haciendo que el proceso

sea más eficiente tanto en consumo de energía como en separación de

productos.

Sistema de refrigeración con Propano

El sistema de refrigeración es un circuito cerrado que utiliza propano como medio

refrigerante; este sistema consta de las siguientes etapas:

- Compresión: Compresor centrífugo multietapa (GC-1101 primera y tercera

etapa)

- Enfriamiento: Aeroenfriadores (GA-1906) e intercambiador de calor (GE1511)

- Acumulación: Acumulador de propano (GV-1617)

- Caída de presión: Válvulas controladoras de nivel (LV-15; LV-51; LV-54)

- Separación de fase gas-líquido: Separador flash (GV-1616)

- Evaporación: Intercambiadores de calor (GE-1503 y GE-1504C)

Los resultados de las corrientes del circuito de propano indicadas en la tablas 21

y 22 corresponden al diagrama de flujo de la simulación mostrada en la figura 26.

65

Tabla 21. Resultado de simulación sistema de refrigeración

Tabla 22. Resultado de simulación sistema de refrigeración

(Continuación)

Tabla 23. Balance molar a la entrada y salida del compresor GC-1101

La optimización del sistema de enfriamiento se lograría con un flujo total de

propano de 795 lbmol/h puesto que al realizar la simulación con este flujo se

66

consiguen las temperaturas más bajas de las corrientes calientes que se desea

enfriar utilizando propano, consiguiendo además la transferencia de energía hacia

el propano para vaporizarlo completamente, lo cual permitirá que esta corriente

pueda ingresar al sistema de compresión sin problemas; además, es importante

considerar las caídas de presión en las válvulas de entrada a los

intercambiadores GE-1503 y GE-1504C, ya que éstas causan una expansión del

propano provocando un descenso de temperatura, permitiendo así un

enfriamiento más eficiente y por ende una mayor recuperación del propano de la

corriente de gas residual.

6.5 Análisis de composición de gas residual

Con la optimización de las principales variables del proceso criogénico de la

Planta de Gas y la determinación de las condiciones óptimas en el sistema de

refrigeración con propano, en la tabla 24 se muestra los resultados de la

composición de la corriente de gas residual para la simulación al 45% de carga y

se hace la comparación con la cromatografía de gases para la misma corriente

realizada por el laboratorio de control de calidad del Complejo Industrial

Shushufindi.

Tabla 24. Cromatografía y resultados de simulación para la corriente

de gas residual

67

Los resultados de la tabla 24 nos indican que, de acuerdo a la simulación del

proceso criogénico de la Planta de Gas, si las principales variables son

optimizadas, se puede recuperar el 9,25% en peso de propano de la corriente de

gas residual; esta recuperación de propano pasaría a formar parte de la corriente

de producto de G.L.P. incrementando así la producción de este derivado en el

mismo porcentaje, lo cual es muy conveniente para la producción de G.L.P. en el

Ecuador, que como se dijo anteriormente es necesario importar este

derivado para cubrir la demanda interna del país.

La disminución del propano en la corriente de gas residual se puede observar en

la figura 36 que es un gráfico comparativo entre la cromatografía realizada por el

laboratorio de control de calidad y el resultado de la simulación.

Figura 36. Comparación entre datos de cromatografía y resultados de simula-

ción para el propano en la corriente de gas residual

68

6.6 Resultados de producción de G.L.P. y especificaciones del producto

En la tabla 25 se muestra la producción de G.L.P. y las propiedades de este

derivado obtenidas con la simulación de la Planta de Gas al 45% de carga y se

indica además las especificaciones establecidas por el organismo de control en el

Ecuador para la comercialización de G.L.P16.

Tabla 25. Producción de G.L.P. y especificaciones comerciales

Como se puede observar en la tabla 25 la producción de gas licuado de petróleo

(G.L.P.) es de 215,8 Ton/día que representa el 45% de la producción de G.L.P.

considerando los datos de diseño de la Planta de Gas; este resultado de

producción de G.L.P. obtenida con la simulación en ASPEN Plus del proceso

criogénico con el 45% de carga, nos permite manifestar, que se debería tener un

valor cercano a esta producción, operando la Planta de Gas con las variables de

proceso optimizadas en el simulador.

Además es importante indicar que en la tabla 25 se muestran las propiedades del

G.L.P. determinadas con el simulador, las mismas que se encuentran en el rango

de especificaciones que debe tener este derivado del petróleo para la

comercialización en el Ecuador.

69

7. CONCLUSIONES

1. Los resultados obtenidos en la simulación del proceso criogénico al 100% de

carga a la Planta de Gas, permiten afirmar que el simulador ASPEN Plus 7.2

tiene una metodología válida y confiable para el análisis y optimización de las

principales variables del proceso criogénico al modificar las condiciones de

operación.

2. Los balances de masa obtenidos en la simulación modificando las condiciones

de alimentación a la Planta de Gas se cumplen satisfactoriamente para todas

las corrientes de productos finales.

3. Mantener la presión de operación en el separador de entrada en 558 psia

permite obtener un mejor resultado en la separación inicial, lo que permitirá

trabajar en condiciones menos severas y eliminar cerca del 50% del agua en

las corrientes de alimentación.

4. En la primera etapa de enfriamiento, que consta de los dos intercambiadores

de placas, se debe mantener los flujos de la mezcla gas-líquido (fluido

caliente) en 445,56 lbmol/h para el intercambiador de calor GE-1501 y en

952,49 lbmol/h para el intercambiador de calor GE-1502, lo que permitirá

optimizar la transferencia de calor y así obtener las temperaturas deseadas

para un mayor enfriamiento.

5. En la segunda etapa de enfriamiento (intercambiador de calor GE-1503) se

debe mantener el flujo del refrigerante (propano) en 166,10 lbmol/h con una

caída de presión a través de la válvula controladora de nivel de 65,3 psia; con

lo que se conseguirá un mayor enfriamiento y por ende una mayor

recuperación del propano en el fluido caliente.

6. En la primera etapa de separación de productos (torre de-etanizadora) es

importante incrementar la presión a 475 psia, lo que permitirá disminuir la

cantidad de refrigerante (propano) utilizada en el condensador de cabeza;

optimizando así el flujo del medio refrigerante del sistema de enfriamiento.

70

7. Para la segunda etapa de separación de productos (torres debutanizadoras)

se debe incrementar la presión de operación a 215 psia, lo que permitirá

optimizar el flujo de agua de enfriamiento en los condensadores de cabeza y

disminuir el reflujo a 37,97 gpm permitiendo optimizar la cantidad de energía

utilizada en los re-hervidores.

8. El flujo optimizado del medio refrigerante en el sistema de enfriamiento es de

795 lbmol/h; flujo con el cual se logra un mayor enfriamiento y por ende un

mayor rendimiento en la recuperación del propano incrementando así la

producción de G.L.P. en la Planta de Gas.

9. La optimización de las variables analizadas en el proceso criogénico utilizando

el simulador permite una recuperación del 9,25% en peso de propano de la

corriente de gas residual, incrementando así la producción de G.L.P., obte-

niendo además el producto final bajo las especificaciones necesarias para su

comercialización.

10. La producción de gas licuado de petróleo obtenida como resultado de la

simulación representa la producción que teóricamente se debería obtener a

las condiciones de alimentación a la Planta de gas analizadas, por lo que el

modelo de simulación permite analizar los efectos generados ante un cambio

en las variables del sistema, ya sea en las condiciones de operación o

características de la alimentación sin necesidad de alterar el funcionamiento

de la planta en tiempo real; de esta forma se pueden comparar alternativas de

funcionamiento del proceso y determinar cambios que puedan mejorar la

productividad y el desempeño de los distintos equipos.

71

8. RECOMENDACIONES

1. La simulación del proceso criogénico en estado estacionario es la base para

continuar con el análisis y optimización de las variables de proceso para

diferentes condiciones de operación y características del gas de alimentación,

principalmente por los nuevos proyectos de captación de gas que

incrementarán la carga hacia la Planta de Gas.

2. Utilizando el simulador ASPEN Plus es posible hacer una evaluación de los

intercambiadores de calor, principalmente del sistema de enfriamiento que

permitirán definir la eficiencia a las que estos están trabajando y establecer los

períodos en los que se debe efectuar el mantenimiento preventivo para evitar

caídas en la producción de gas licuado de petróleo (G.L.P.).

3. Al tener realizada la simulación en estado estacionario de la Planta de Gas

sería muy importante continuar con el trabajo y realizar la simulación en

estado dinámico de las etapas más críticas del proceso, como son el sistema

de enfriamiento y la separación de productos con la finalidad de tener una

mejor herramienta para el análisis del proceso al realizar cambios ya sean

operacionales o en las características del gas de alimentación, lo que

permitiría ahorrar tiempo en la estabilización del proceso y por ende un ahorro

de dinero significativo, ya que la producción de G.L.P. se mantendría sin

cambios importantes ni desestabilizaciones de la Planta de Gas.

72

9. BIBLIOGRAFIA

1. BANCO CENTRAL DEL ECUADOR: Cifras del Sector Petrolero Ecuatoriano,

Informe Mensual año 2012. Disponible: www.bce.fin.ec. Adquirido el 28 de Marzo

2010.

2. INSTITUTO ARGENTINO DE LA ENERGÍA “GENERAL MOSCONI”, Situación

actual de G.L.P., Noviembre 2002.

3. RICHARD S. KRAUS, Petróleo y gas natural: Procesos de refino de petróleo,

pág. 10-14, Publicación 78. 1996.

4. GERENCIA DE REFINACION, COMPLEJO INDUSTRIAL SHUSHUFINDI,

Manual de Operación de la Planta de Gas, Shushufindi-Ecuador, 2010.

5. CASTILLA. F, DIAZ. R, GIL V, PUIGBO. A, VILLARROEL. E., Manual para

instalaciones de gas L.P, Industrias Ventane, 1982.

6. WORLD LP GAS ASSOCIATION (WLPGA). Disponible: www.worldlpgas.com,

Adquirido el 1 de Abril 2012.

7. BEDON, C., Precios internacionales de G.L.P., Blog Economía Petrolera, Abril

2011.

8. INTRODUCTION TO ASPEN PLUS®. Based on Aspen Plus® 10.1. December

1999. Disponible: www.aspentech.com. Adquirido el 5 de Abril 2012.

9. ABANADES J., Aplicación de un modelo fisicoquímico riguroso obtenido por

simulación estacionaria y dinámica al control multivariable predictivo de una

despropanizadora, Proyecto fin de carrera, Madrid, 1999.

10. ASPEN PLUS, Aspen plus user guide, Aspen Technology Inc., Febrero 2000.

http://www.bce.fin.ec/

http://www.worldlpgas.com/

http://www.aspentech.com/

73

11. SIMULADOR ASPEN PLUS Versión 7.2, Help topics.

12. SIMULADOR ASPEN PLUS Versión 7.2, Workbook.

13. LUYBEN W.L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical

Engineers. McGraw –Hill, 1990.

14. COMPLEJO INDUSTRIAL SHUSHUFINDI (C.I.S.), Laboratorio de Control de

Calidad (C.I.S.), Shushufindi, 2010.

15. COMPLEJO INDUSTRIAL SHUSHUFINDI (C.I.S.), Cuarto de Control Planta de

Gas, Shushufindi, 2010.

16. INSTITUTO ECUATORIANO DE NORMALIZACIÓN INEN, Norma Técnica

Ecuatoriana, Productos Derivados del Petróleo G.L.P., Primera Edición,

Quito-Ecuador.

74

10. ANEXOS

APENDICE A.

ESPECIFICACIONES DE EQUIPOS UTILIZADOS EN SIMULACION

Tabla A1. Especificaciones de intercambiadores de calor

Fuente: Hoja de datos de diseño Planta de Gas (C.I.S.)

Tabla A2. Especificaciones de torre de-etanizadora GV-1609


75

Tabla A3. Especificaciones de torre debutanizadora GV-1611


Tabla A4. Especificaciones de torre debutanizadora GV-1624


76

APENDICE B.

DATOS DE DISEÑO Y RESULTADOS DE SIMULACION AL 100% DE CARGA

Tabla B1. Datos de diseño y resultados de simulación 100% carga

77


(Continuación)

78


(Continuación)

79


(Continuación)

80


(Continuación)

81

APENDICE C.

RESULTADOS DE SIMULACION PARA 45% DE CARGA

Tabla C1. Resultados de simulación 45% de carga

82


(Continuación)

83


(Continuación)

Documents

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA, …repositorio.educacionsuperior.gob.ec/bitstream/28000/1181/1/T... · 4.2.2 Métodos de propiedades físicas ... Tabla 1. Base de datos,