º Recursos financieros suficientes . Eldesarrollo de esta Industria está lntimamente lgado al de la economfa en general, ya que es de
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MODERNIZACIÓN DELTREN DEINTERéAMBIO DE CALOR DE UNA PLANTA DE:: DESTILACIÓN COMBINADA POR MEDtO DE UNA TÉCNICA DEINlCGRACIÓN ENERGálCA
DanielSalazar Sotolo, Marianela cano Rengelelván Escamllla BoLal\os Escuela de Ciencias Qulmlcas, Universidad La Salle
RESUMEN
La Industria de la Refinación en México, fincó su desarrollo en los anos 60's y 70's, con el objeto de sustituir importaciones y satisfacer la creciente demanda del mercado interno. Sin embargo en esos anos se carecía de las poderosas herramientas de análisis de procesos que se tienen disponibles
actualmente para resolver problemas de diseno y dimensionamiento.
El esquema de proceso Qe una planta combinada de una Refinerfa Mexicana se analizó en este trabajo mediante un procedimiento que Involucra la simulación del proceso y una aplicación de la tecnologia de ªPunto de Pliegue" para la readaptación de redes, propuesta por Llnnhoff y Tjoe (1), en la que se busca disminuir los consumos de energla utilizando adecuadamente el área existente y considerando
los costos de energla, gastos de Inversión y rentabilidad de la readaptación.
Los resultados obtenidos indican que es posible obtener una reducción en el consumo de combustible delos hornos equivalente a 3.8 miles de millones de dólares por ano (MMUS$/ano), eliminando algunos lntercambiadores y enfriadores y adicionando otros, para un total de 26 cambiadores nuevos que significan una inversión de 1.44 MMUS$. El perfodo de recuperación para esta lnveón es de 4.5 meses, por to cual las modificaciones propuestas resultan muy atractivas.
ABSTRACTS
Mexican Refiningindustry defined its development in the 60's and 70's aiming to substituta imports and satisfy ttie growing interna! demands. tn those years the designs were made without the powerful tooIs for process analysis available today.
A Combined Crude Dlstillation process scheme was analyzed In thls work through simulation and Pinch technology application. A method for process retrofit, proposed by Linnhoff and coworkers (1) was usad. Thls rnethod look for energy consumptlon mlnimization by reuslng the existing heat exchangers and consldering readaptation energy costs, investment and profitability.
The resut\:> 3howed that it is possible to reduce Fired heaters fuel consumption saving 3.8 billion dolars per year (MMUS$fyea r), by deleting sorne heat exchangers and adding others, givíng a total of 26 new heat exchangers whlch means a 1.44 MMUS$ investment. Payout period far this lnvestment is 4.5 months, making the revamp very attractive.
INTRODUCCIÓN Recursos humanos con experiencia en la industria de proceso que absorbieron con gran
La Industria de la Refinación en MéXico ha contado con los elementos básicos para su desarrollo, como son:
º Disponibilidad de materia prima.
º Un mercado Interno en continua expansión.
celeridad los conocimientos requeridos para dominar las tecnologlas de esta Industria.
Una legislación adecuada que ha permitido desde los primeros al'los de desarrollo de esta lndusbia un crecimiento armónico entre sus sectores.
º Recursos financieros suficientes . Eldesarrollo de esta Industria está lntimamente lgado al de la economfa en general, ya que es de
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las actMdades productivas que tienen una mayor interrelación con las demás ramas de la actividad económica, debido a la gran variedad de productos que genera. PEMEX-Refinación cuenta con 6 refinarlas en el pals que representan una capacidad total de procesamiento de 1.5 millones de barriles por dfa (BPO) y actualmente está tratando de mejorar la eficiencia operativa de sus instalaciones para cumplir con la calidad creciente que se eldge para los combustibles petrollferos y al mismo tiempo optimizar la operación de las unidades para incrementar la rentabilidad de esta Industria (2).
En este trabajo se seleccionó el proceso de destilación atmosférica y de vaclo que integrados se conocen como plantas combinadas para revisar
el diseno básico del tren de intercambio térmico, utilizando herramientas de simulación y la tecnología del "Punto de Pliegue", misma que,
desde que se desarrolló hace dos décadas, ha contribuido a establecer alternativas viables de diseno y readaptación de procesos.
PROCESO DE DESTILACIÓN COMBINADA
Una planta Combinada consta de una Sección de Destilación Atmosférica, una de Destilación al Vaclo y una de Tratamiento Caústico (la cual no es considerada dentro de este trabajo). La función de la Sección Atmosférica es la separación primaria del crudo, para obtener los siguientes productos:
Mezcla de Naftas (Nafta de despunte y Nafta ligera), Nafta pesada, Querosina, Gasóleo Ligero Primario (GOLP), Gasóleo Pesado Primario (GOPP) y Residuo primario. Este residuo se lleva
a la sección de Destilación al Vaclo, cuya función
es la de obtener por destilación fraccionada Gasóleo LirJero de Vac!o (GOLV), Gasóleo Pesado de Vaclo (GPOV) y Reskiuo de Vacío (3). la función de la sección de Tratamiento Caústico es la eliminación de a:zufre de la mezcla de naftas.
Se seleccionó una unidad combinada con capacidad de 160,000 BPD de crudo primar1o con una composición de 70% volumen de crudo Istmo y 30% volumen de crudo Maya, mostrándose en la ura 1 el esquema de proceso correspondiente.
El proceso conslste básicamente en el calentamiento,desalado y destilación fraccionada del crudo, el cual se alimenta a dos trenes paralelos de precalentamiento para intercambiar
calor con los productos , corrientes de extracción de calor de la torre de destilación y con corrientes calientes de la torre de destilación al vacfo. En un
punto lntennedio de los trenes, el crudo se somete a un proceso de desalado de tipo electrostático en elque se logra la eliminación del 99% de las sales que lleva, evitando as! problemas posteriores de
incrustación y corrosión.
Después del precalentamiento, el crudo se envla a dos torres despuntadoras, para obtener
gas combustible como destilado vapor y nafta ligera como destilado liquido, reduciendo asl la
carga a la columna de destilación atmosférica. El crudo despuntado se alimenta a un calentador a
fuego directo, para que alcance el nivel de temperatura requerido para el fraccionamiento (370 ºC). También se alimenta vapor de agua a la torre atmosférica para disminuir la presión parcial de los hidrocarburos y mantener la temperatura y presión adecuadas en la torre, asi como contribuir como agente de arrastre de los productos ligeros.
En los domos de la torre de destilación atmosférica se extraen gas y nafta, mientras que la
Nafta pesada, la Querosina, el GOLP y el GOPP se obtienen como extracciones laterales. Los tres primeros cuentan con columnas de agotamiento con vapor de agua para obtener las especificaciones requeridas. Además de las extracciones de productos, la torre atmosférica cuenta con dos recírculaclones liquidas (pumpsrounds) para la extracción de calor, que permiten reducir el perfil de flujos de vapor en la
torre y aprovechar el calor para el
precalentamiento de la carga. Después de intercambiar calor en el tren, los productos se enfrlan con agua.
El residuo de la destilación atmosférica se envfa a calentar a un horno, donde se vaporiza parcialmente y se alimenta a la torre de destilación
al vacro. La presión de esta torre se mantiene mediante un sistema de eyectores, siendo por lo tanto del tipo •seco". El residuo de vacío se envla al tren de precalentamiento del crudo y a límites de bateria previo enfriamiento.
De la torre de vacfo se extraen dos corrientes laterales: la comente de GOLV se erwia al tren de precalentamiento y después se divide en dos
partes, una como reflujo y otra a 1rmites de baterla previo enfriamiento; le corriente de GPOV se usa
parclalmente como reflujo y parcialmente como medio de calentamiento del crudo y después a
!Imites de baterla.
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ci6n C
(
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METOOOLOGIA
Símulsclón del Proceso
Simular un proceso qulmico es crear un modelo que permita estudiar y prever et comportamiento que tendrá dicho proceso ante determinadas condiciones de operación. Son evidentes las ventajas que tiene este procedimiento frente a la experimentación en planta piloto, en términos de rapidez y economla. Las unidades de destilación comblnada pueden ser simuladas en su totalidad (con la excepción del desalado), haciendo la caracterización del crudo en pequenas fracciones llamadas "pseudocomponentes", partiendo de los ensayos (análisis para caracterización) de los crudos (4).
Para este trabajo se utilizó el Simulador de procesos comercial zado por Símulstion Sciences lnc., llamado PR0-11 (5). Este simulador es un
programa de computadora con un alto nivel de desarrollo que combína bases de datos de una gran cantidad de componentes y métodos que predicen propiedades termodinámicas, con las más avanzadas y flexibles técnicas de simulación y diseno de operaciones unitarias.
Tecnologfa del Punto de Pliegue
La tecnologla del Punto de Pl egue (TPP) permite a los ingenieros seguir los flujos de calor de las corrientes de proceso a través de una planta, facilitando la integración energética en los disenos.
La TPP ha probado su capacidad para mejorar la eficiencia energética de los procesos y ha resultado también útil para lograr reducir las
emisklnes de contaminantes a la atmósfera (C02 ,
sox y NQ ), como resultado de los ahorros en
consumos de energía (6).
|
La aplicación de la TPP en el diseno de redes
de intercambio de calor se hace definiendo el gradiente de temperatura minimo (li.Tm.J en el
punto de pliegue y un análisis para lograr una
reducción controlada de unidades, y asi tener un
grado adecuado de recuperación de calor, conjuntamente con un número aceptable de
unidades y una garantia de operación segura y flexible. Esta situación es particularmente Importante en la readaptación de redes existentes
Linnhoff y Tjoe, propusieron en 1986 (1), una técnica que ha sido utilizada exitosamente en muchos proyectos, para la readaptación de procesos que, partiendo de los mismos pñnclplos termodinámicos de la TPP, sienta las bases para emprender readaptaciones controladas manteniendo la filosofía de establecer metas antes de efectuar la readaptación, en forma de ahorros de energla, costos de capital o períodos de recuperación.
Para definir las metas de una readaptación es necesario analizar previamente el concepto de área mínima para una red. Se puede demostrar que si las corrientes de proceso en una red Intercambian calor de manera que las combinaciones sean verticales entre las curvas compuestas que relacionan la temperatura con la
en1Blpia, entonces el área total de transferencia es minimizada. Esta área minima puede calcularse
con una aproximación que no tiene un error mayor de 10% y que se basa en le siguiente ecuación:
A m 111 = {1/ LMTD1 {I ( q/h1) ) ]
í j
donde, en el intervalo i, existen j corrientes (calientes y frias) con sus cargas individuales de calor, q1, y sus respectivos coeficientes de pellcula, hJ. LMTD 1 es la diferencia logarltimica media de temperatura en el intervalo i.
En la Figura 2 se muestra una gráfica en la que se relacionan los requerimientos energéticos con el área mlnima de intercambio de calor usada en un proceso cualquiera. El punto A representa el caso en que se tiene una /1Tmin pequena, con una buena recuperación energética pero con un alta
inversión en área. El punto C representa una t:,,Tm1n
mayor respecto al punto anterior, disminuyendo la recuperación energética aunque con una baja
inversión en área. La l nea continua entre estos puntos representa una serie de redes teóricamente posibles.El punto B muestra el punto de equilibrio donde se minimiza el costo total.
El área debajo dela curva está marcada como
«no factible", ya que no es posible disef'lar una red
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con menor área que la mínima para un nivel de recuperación energética determinado . La gran mayoría de las redes existentes se ubican arriba de la línea, por ejemplo, en el punto X. Un disel'lo en tal situación no logra aprovechar su área Instalada, o visto de otra manera, no recupera tanta energfa como deberla.
Area
R"d ex.siente
....·--... .·•
:x
'\. Dlseflo nuevo
'\. óptimo
|
AtlUCACIÓN
Con la información de corrientes y equipos proporcionada por la simulación y el método de readaptación basado en la TPP, se procedió al análisis de la red de intercambio de calor de la Planta Combinada de la Refineria de Tula, Hgo. Como se explicó anteriormente, el objetivo fue encontrar un rediseflo de la red que disminuyera el costo de los servicios auxiliares, utilizando adecuadamente el área de intercambio de calor existente,todo ello con metas en cuanto a costos de energfa, gastos de inversión y retorno de la misma, de manera que la readaptación sea factible económicamente .
requerida para diferentes valores del l1Tm1n con la
aT.,.,gra.nde
El primer punto fue establecer el área minima
figura 2. R querimientos energéticos vs. área.
La estrategia a seguir en las readaptaciones es la de aprovechar eficientemente elarreg lo de la red existente, mejorando Ja recuperación energética con acercamientos de las curvas compuestas. El punto ideal para una readaptación,
si se partiera de X (Figura 2),sería el punto A, con lo que se ahorrarla tanta energia como es posible considerando el área disponible. Sin embargo, en la práctica, frecuentemente se tiene que invertir
cierto capital para incrementar el área de
construcción de las curvas compuestas del proceso . Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 1. El valor de 23.17 para la l1Tmin corresponde al punto donde el servicio de enfriamiento desaparece, mientras que el valor de
158.4 concuerda con la cantidad de servicios auxiliares que emplea la red existente . En esta tabla se muestran los servicios de calentamiento, porque una disminución/aumento en el empleo de estos servicios provoca a su vez la misma reacción en las necesidades de enfrtamiento, por lo que basta con seleccionar el que tenga mayor impacto en la economía del proceso .
|
Tabla 1 ReQuenm1entos de Area Mí 1
intercambio . El procedimiento consiste en definir una "eficiencia de área" (a = área mínima I área existente) y vigilar que la nueva red de intercambio tenga una eficiencia al menos equivalente a la actual. Por otro lado se dibuja la red existente en una forma que se identifique a los intercambladores que cruzan el punto de pliegue y proceder a eliminarlos, colocando nuevos intercambiadores y, donde sea posible, reusar los lntercambiadores ellmlnados. Finalmente se aplican mejoras evolutivas a las redes obtenidas para maximizar la compatibilidad con la red existente, reusando el área existente tanto como sea posible.
En resumen, el procedimiento utilizado está basado en la TPP y en los criterios de Ingeniería. Estableciendo con claridad las metas, se pueden definir la conveniencia de las diferentes opciones rápidamente, estimando un periodo de recuperación y los ahorros que pueden lograrse partiendo de un cierto nivel de inversión.
nma
|
t::.T m1n 11 (ºC) |
Necesidad de Calentamiento CMMBTU/D) |
Área requerida (oies2'\ |
|
|
23.17 |
7070 |
54562 |
|
|
40 |
7878 |
4 |
,9417 |
|
60 |
7915 |
42064 |
|
|
80 |
8435 |
34678 |
|
|
100 |
9229 |
28488 |
|
|
120 |
10300 |
21026 |
|
|
140 |
11619 |
14913 |
|
|
158.4 |
13902 |
8664 |
|
La eficiencia de la red fue de:
a = 8664132514 = 0.266,
lo cual significa que se operó con una eficiencia baja. Si bien en un arreglo práctico es Imposible llegar a valores cercanos a la unidad, un disefio
-- - --
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nuevo podría tener valores entre 0.7 y 0.8. Sin embargo, cabe destacar que la verdadera importancia del valor de a, más que calificar el desempef"io del arreglo elcistente, es proveer un parámetro de comparación para la definición de alternativas económicamente viables.
Haciendo un análisls de las readaptaciones factibles (correspondientes a valores de a = 0.266), se seleccionó un ATmt> de 60 ºC que corresponde a una inversión de 1.6 MMUS$ y un
periodo de recuperación de 5 meses (9). En la Figura 3 se muestra la red existente en el formato grid•, usando dicho valor, con lo que el Punto de
Pliegue para las corrientes calientes tendrá un valor de 80.15 ºC, mientras que para las corrientes frias dicho valor será de 20 .15 ºC. A partir de esta Figura se identifica que los intercambiadores E02B y E03B, asr como los enfriadores E09, E202 y E201, transfieren calor a través del Punto de Pliegue, además de que existen enfñadores que se encuentran arriba del Punto de Pliegue (E12,E13, E14 y E30), por lo que es conveniente eliminarlos.
Como se mencionó anteriormente, la readaptación de la red debe llevarse a cabo manteniendo la estructura básica de la misma, sin provocar cambios radicales que pudieran acarrear problemas de operación o de fleXibilidad. Dado que sólo hay dos corrientes frias que se encuentran en el Punto de Pliegue, los gradientes de temperatura entre éstas y las calientes son un factor limitante en las modificaciones propuestas. La red se completó aumentando el área de los intercambiadores existentes con nuevas corazas y estableciendo nuevas combinaciones. La readaptación se Inició en el Punto de Pliegue
(parte más restringida delproblema) y continuando
hacia los extremos, como se indica a continuación:
Para evrtar que el enfriador E09 transfiera calor a través del Punto de Pl egue,se aumentó el área del intercambiador E01 para que la comente 138 pudiera llegar a una temperatura de 80.15 ºC ,que es la temperatura del Punto de Pliegue para las corrientes calientes.
Dado que el cambiador E028 debe eliminarse, es necesario aumentar tanto el área del E02A, con elobjeto de que la corriente 148 llegue a la temperatura del Punto de Pliegue , asr como la carga del enfriador E1O .
Ya que el gradiente de temperatura en el intercambiador E03A se ha reducido como
consecuencia del aumento en el área de los cambiadores E01 y E02A, se prefiere Intercambiar la corriente 158 con el crudo en la
corriente 20, es decir, el cambiador E03B que
fue eliminado anteriormente es reutil zado, llevando a la corriente caliente a la temperatura del Punto de Pliegue, para lo cual se debe de aumentar el área de intercambio. La carga del enfriador E11 también se ve incrementada.
Para compensar la falta de los enfriadores E202 y E20, es necesario acrecentar el área del cambiador E04B para llevar la corriente
288 a la temperatura del Punto de Pliegue.
La eliminación del enfriador E12 trae como resultado un aumento en el área de los cambiadores E05A y EOSB, ya que la corriente 179 debe de ser llevada a su temperatura meta (121 ºC) mediante intercambio de calor en estas unidades.
La carga faltante del enfriador E14 se suple con una nueva combinación de corrientes que se intercambian en el unidad A, la cual es colocada en el lugar apropiado para evitar que los gradientes se reduzcan demasiado, lo que provocarla el empleo excesivo de área.
Los cambiadores E07A y E078 mantienen su posición dentro de la nueva estructura, aunque debido a la gradual reducción de los gradientes de temperatura como efecto de una mayor transferencia de calor al crudo en el nuevo arreglo, es necesario aumentar el área en el cambiador E07A.
El cambiador E07C aumenta su carga como resultado de suprimir el enfriador E13, sin embargo, dado que la corriente caliente debe de ser llevada hasta una temperatura de
87.?°C se puede observar que Inevitablemente se incurrirá en un cruce significativo de temperaturas en el cambiador, como consecuencia de la disminución de los gradientes en este punto.
e La eliminación delenfriador E30 es decisiva en la readaptación,ya que la carga de éste debe de ser cubierta mediante intercambio con el crudo precalentado en el lugar apropiado (cambiador B), nuevamente considerando el gradiente que es vital en cualquier parte del
arreglo y,con las corrientes 4C y 40 que en el
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cambiadores (antes de los hornos atmosféricos).
• Si bien el cambiador E08A no fue suprimido inicialmente, éste no interviene en la nueva red, ya que las combinaciones Introducidas y el
incremento de área en otras, proveen del calor necesario para calentar el crudo casi hasta su temperatura meta promedio (209.5 ºC), razón por la cual basta con mantener el cambiador
E088 para conseguir que éste llegue a las condiciones deseadas.
• Los cambiadores contemplados hasta el momento, no logran satisfacer la.:: cargas térmicas de las corrientes 31E y 31A, '. o que hace necesario la introducción de cuatro nuevas combinaciones que intercambian calor
con las corrientes 4C y 40 en las unidades c.
D, E y F, lo que conlleva un doble beneficio: llevar a las comentes calientes en conjunto con
las unidades 8 y E08B hasta su temperatura meta y, contribuir a calentar el crudo despuntado antes de entrar a los hornos, disminuyendo la carga de los mismos y por ende el consumo de combustible.
Una vez que la nueva red ha sido completada es necesario oner las condiciones de operación de la misma, para lo cual se debe simular de nuevo la sección de intercambio, introduciendo las modificaciones realizadas . En la Figura 4 se observa elnuevo arreglo en representación "grid . Debe setlalarse que los cambios introducidos al tren de intercambio no han alterado las
condiciones de operación ni la estructura de la sección de fraccionamiento.
Dado que las corazas de los cambiadores eliminados (E02B, E03A y EOBA) se reubicaron con elobjeto de aprovechar el área existente como Indica la filoso'fla de la readaptación, el número real de corazas nuevas será de 26. Por lo tanto, el nuevo arreglo está compuesto por 44 corazas lo que conduce a una reducción en la inversión y consecuentemente en el período de recuperación
previstos.La inversión prevista de 1.6 MMUS$ se reduce a 1.44 MMUS$ y el periodo de recuperación pasa desde 5.03 hasta 4.5 meses.
CONCLUSIONES
Con las modificaciones propuestas para el proceso existente, arrojadas por la readaptación, se alcanza el objetivo principal del presente trabajo
de plantear alternativas de rediseno de la red de recuperación de calor de una planta de destilaclón combinada de crudo, con el propósito de contribuir al mejor aprovechamiento de la energla en la misma.
Una parte fundamental del método usado, sin la cual esta readaptación diflcilmente se hubiera logrado, es la valiosa herramienta de simulación de procesos,con la cual se predicen temperaturas y propiedades como los coeficientes de película de los cambiadores, dando una representación adecuada de las condiciones de operación actuales de la planta .
Aunque la TPP ha demostrado su éxito en el terreno de disef\ os nuevos, estudios como el presente demuestran que es posible aplicarla a readaptaciones de procesos existentes, si bien su aplicación tiene un cierto grado de complejidad, debido a las restricciones en el uso de equipo. La contribución más importante de la técnica de
readaptación es el establecimiento de metas objetivas y fáciles de cuantificar, proveyendo un buen punto de inicio para emprender el rediseno.
Los beneficios estimados al Incorporar los cambios propuestos a la planta combinada son considerables, puesto que representan una reducción en el consumo de combustible en los hornos atmosféricos del 43%, lo que significa 3.8 MMUS$/al'lo, con un nivel de inversión de 1.44 MMUS$ y un período de recuperación de 4.5 meses.
Estudios como el presente sirven para demostrar la factibilidad de aplicación de técnicas modernas de anál sis de procesos para la modernización de unidades (10), objetivo que puede ser de gran utilidad en el contexto de la industria química en México.
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