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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVARDECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN Y ANÁLISIS DEVULNERABILIDAD A EROSIÓN EN HORNO DE CALENTAMIENTO DE

CRUDO

PorJosé Enrique Acuña Sequera

Sartenejas, Marzo del 2006


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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALESCOORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN Y ANÁLISIS DEVULNERABILIDAD A EROSIÓN EN HORNO DE CALENTAMIENTO DE CRUDO

Proyecto de Grado presentado porJosé Enrique Acuña Sequera

Realizado con la Asesoría de Svante Cejie y Reza Fakhrai

RESUMEN

En años recientes, debido a la tendencia de los mercados, refinerías petroleras han sentido la necesidad declarificar su situación energética e incrementar la capacidad de sus procesos.

A través de la realización de una pasantía en la Refinería de la empresa Nynas Refining AB en Nynäshamn,Suecia, el propósito del presente proyecto fue determinar el desempeño energético anual de su unidad dedestilación VD2 y estudiar la vulnerabilidad a la erosión en su horno de calentamiento de crudo H101. Paraesto, VD2 y H101 fueron estudiados por separado y analizados a través de la recolección y manipulacióndatos. Un balance de energía fue hecho para VD2 y a su vez, una simulación de la tubería de la zona de

Radiación de H101 fue hecha en el programa Aspen HYSYS 2004.

El balance de energía muestra el contraste entre todas las líneas energéticas, donde los valores más altos sedeben al consumo de combustible como flujo de entrada, compensado principalmente por la energíarecuperada para calentamiento de la comunidad y la generada en la línea de producción de Bitumen.

La zona de radiación de H101 presentó un contraste entre densidad y velocidad que puede guiar hacia problemas de erosión en algunos de sus tubos en caso de que el flujo másico actual sea aumentado.

Los resultados obtenidos serán de gran utilidad para la empresa ya que servirán como una herramienta para lagerencia de nuevos proyectos de incremento de capacidad y eficiencia en sus procesos.

Palabras clavesDestilación, Energía, Erosión, Horno

Aprobado con mención: ___________________________Postulado para el premio: ____________________________

Sartenejas, Marzo del 2006


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A mi abuelo Edgar Sequera, maestro y ejemplo de los más puros valores de vida y de

grandes decisiones… día a día siento su paz y sus sabios consejos,

…Bendición abuelo…


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AGRADECIMIENTOS

Hoy, cuando una parte tan importante de mi vida ha finalizado, dejo aquí una huella eterna

de agradecimiento a:

Dios, por llevarme en sus brazos y darme aliento para levantarme y trabajar día tras día…

Venezuela, por ser sede de mi educación profesional y de vida…

Mis padres, Yajaira y José Gregorio, guías incansables de mis pasos… Gracias por el amorinfinito, la paciencia y el sacrificio…

Mi hermana Fatima, quien me mantiene brillando a donde quiera que voy…

Universidad Simón Bolívar USB, por su excelencia y disciplina… a sus espacios, a su

gente: profesores, personal administrativo, personal de comedores, de limpieza, de

seguridad, jardineros... Todos son parte del éxito de cada estudiante…

Nynas Refining AB, por haber abierto sus puertas dejándome ser uno de ellos durante este

período de tiempo magnífico…

The Royal Institute of Technology KTH , por honrarme siendo testigo de mi educación…

A mis amigas y amigos de la USB, Maria Eugenia, Verito, Astrid, Male, Faby, Stefi, Vane,

Alexis, Migue, Chino, Carlitos, Leo y mi hermano Axzel… Nada hubiera sido igual sinustedes…Que dios los bendiga y les de siempre salud, éxito y sonrisas…


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ÍNDICE GENERAL

Contenido ………………………………………………………………. Página

Índice de figuras ……………………………………………………….. iiÍndice de tablas ……………………………………………………….. iiiLista de Símbolos y Abreviaturas …………………………………………… iv

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ……………………………………….. 1

CAPITULO 2: OBJETIVOS ……………………………………………….. 2

CAPITULO 3: FUNDAMENTOS TEÓRICOS ……………………………. 3CAPITULO 4: METODOLOGÍA DE TRABAJO

4.1. Balance de Energía en unidad de destilación VD2 ……………. 94.2. Evaluación de vulnerabilidad a Erosión en horno H101 ……… 11

CAPITULO 5: BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN

5.1. Entendimiento del proceso, identificación de las líneas,y determinación del período de estudio ……………………………… 14

5.2. Determinación cuantitativa y análisis de la energía encada línea de estudio …………………………………………………. 165.3. Balance final …………………………………………………….. 305.4. Análisis de los resultados del balance de Energía en VD2 ……… 32

CAPITULO 6: EVALUACIÓN DE VULNERABILIDAD A EROSIÓN EN H101

6.1. Búsqueda de Información ………………………………………. 356.2. Determinación de la distribución de calor en el horno …………. 396.3. Simulación de comportamiento de crudo en tubería de zona deRadiación ……………………………………………………….. 436.4. Evaluación de vulnerabilidad a problemas de erosión en tuberíade zona radiación …………………………………………………… 466.5. Análisis de los resultados ……………………………………… 50

CAPITULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ……………. 53

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS ……………………………………… 54

APÉNDICE ………………………………………………………………… 56


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INDICE DE FIGURAS

Número de Figura …………………………………………………………… Página

Figura 1. Esquema de simulación de tubería de la zona de radiación..................................12Figura 2.Variación de la energía promedio del crudo en el año...........................................17Figura 3. Energía de entrada en líneas de vapor sobrecalentado..........................................18Figura 4. Comparación entre las líneas de entrada de energía en VD2............................... 19Figura 5. Variación de energía de las 4 fracciones destiladas en el año...............................21Figura 6. Variación de la energía en las líneas de bitumen .................................................. 21Figura 7. Comparación entre los derivados de la línea de crudo..........................................22Figura 8. Energía recuperada y vendida del sistema de recuperación de calor....................24

Figura 9. Comparación entre las líneas de salida de energía VD2.......................................25Figura 10. Variación de la energía perdida al ambiente a lo largo del año .......................... 26Figura 11.Vista de la columna de destilación y horno de calentamiento en VD2................27Figura 12. Balance de Energía general ................................................................................ 31Figura 13. Balance de Energía detallado..............................................................................31Figura 14. Ilustración de H101.............................................................................................36Figura 15. Foto de la tubería de la zona de radiación...........................................................37Figura 16. Cambio de diámetro en tubería de zona de radiación ......................................... 38Figura 17. Ilustración de recorrido del crudo y valores típicos de trabajo ........................... 40Figura 18. Promedios de temperatura registrados en zona de radiación .............................. 41Figura 19. Distribución del calor suministrado en H101......................................................42

Figura 20. Perfil de Temperatura y presión en zona de radiación con flujo actual..............45Figura 21. Perfil actual de Velocidad en zona de radiación ................................................ 45Figura 22. Perfil de densidad y Velocidad del crudo en zona de radiación .........................46Figura 23. Comparación de la correlación para análisis de erosión en la tubería de H101..48Figura 24. Comparación de valores de correlación para análisis de erosión en tubo 19......49Figura 25. Comparación de correlación para análisis de erosión en tubo 22...................... 49


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iii

ÍNDICE DE TABLAS

Número de tabla ………………………………………………………… Página

Tabla 1. Líneas de Energía ................................................................................................... 15Tabla 2. Flujo másico y temperatura promedio del crudo entrante......................................16Tabla 3. Energía de entrada a VD2 por mes y totales en el año...........................................19Tabla 4. Temperatura y flujo másico promedio de las 4 fracciones destiladas....................20Tabla 5. Temperatura y flujo másico promedio de las líneas de Bitumen ........................... 21Tabla 6. Energía recuperada y vendida en sistema de recuperación de calor ......................23Tabla 7. Energía de salida de VD2 por mes y totales en el año ........................................... 24Tabla 8. Perdidas en T107....................................................................................................27

Tabla 9. Pérdidas por gases en la chimenea de H101...........................................................28Tabla 10. Energía recuperada no vendida a lo largo del año................................................29Tabla 11. Pérdidas de Energía en VD2.................................................................................29Tabla 12. Balance de masa en línea de crudo.......................................................................30Tabla 13. Comparación entre los valores totales de entrada, salida y pérdidas ...................30Tabla 14. Condiciones de la Zona Flash .............................................................................. 38Tabla 15. Valores de calor transferido..................................................................................42Tabla 16. Flujo másico para cada caso simulado ................................................................. 44Tabla 17. Resultados generales de la simulación .................................................................44Tabla 18. Valores de correlación para análisis de erosión en tubos de zona de radiación...47Tabla 19. Valores de correlación para análisis de erosión en tubo 19..................................48

Tabla 20. Valores de Correlación para análisis de erosión en tubo 22.................................49


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iv

LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS

ABREVIATURAS

API: American Petroleum Association

ASTM: American Society for Testing and Materials

Zona Flash: Lugar donde el efluente del horno se encuentra con la columna de destilación

Gryphon-Leadon: Mezcla de Crudos provenientes del Mar del Norte procesado en la

Refinería de Nynas Petroleum AB.

H101: Horno de calentamiento de crudo en vacío en la unidad de destilación de la

Refinería de Nynas Refining AB, Nynäshamn, Suecia.

IRIS: Base de datos conectada a los instrumentos de medición localizados en el área de

procesos

Laguna: Crudo pesado proveniente del Lago de Maracaibo procesado en la Refinería de

Nynas Refining AB.

Números de etiqueta: Código asignado a cada instrumento para identificarlo según su uso

y localización

PID: Diagrama de instrumentación y tuberías

T107: Columna de destilación

VD2: Unidad de destilación en la Refinería de Nynas Refining AB, Nynäshamn, Suecia.


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v

SIMBOLOS

P ….. Presión ….. [bar]

T ….. Temperatura ….. [°C]

•

m ….. Flujo másico ….. [ton/h]

V ….. Velocidad …. [m/s]

ρ ….. Densidad …. [kg/m3]

A ….. Area transversal de flujo ….. [m2]

Cp ….. Calor específico ….. [KJ/KgK]

d ….. Número de días …. [día]

Energía ….. Energía promedio mensual ….. [MWh]

h ….. Entalpía ….. [KJ/Kg]

LHV ….. Calor Calorífico bajo ….. [MJ/Kg]

HHV ….. Calor Calorífico alto ….. [MJ/Kg]

Q ….. Calor ….. [KW]

e ….. Espesor del acero ….. [mm]

m ….. Espesor del aislamiento ….. [mm]

hi ..... Coef. de Transf. de calor interno ….. [W/m2°C]

he ….. Coef. de Transf. de calor externo ….. [W/m2°C]

L ….. Longitud ….. [m]

[CO2] ….. Cntenido de CO2 en gases secos ….. [%]

Lfg …. Pérdidas en gases del horno …. [% Potencia]

Tgas ….. Temperatura de gases de salida en H101.. [°C]

Tin ….. Temperatura interna ….. [°C]


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vi

Tamb ….. Temperatura ambiente ….. [°C]

Tref ….. Temperatura referencia ….. [°C]

k ….. Constante en calculo de calor en gases N/A

K i ….. Conductividad del aislamiento ….. [W/m°C]

qi ….. Calidad del aislamiento ….. N/A

k s ….. Conductividad térmica del acero ….. [W/m°C]

r 1 ….. Radio interno del cilindro …. [mm]

r 2 ….. Radio externo del cilindro …. [mm]

r 3 ….. Radio externo del aislamiento ….. [mm]

Qin ….. Potencia brindada por el combustible ….. [MW]

Vm ….. Velocidad …. [m/s]

ρm ….. Densidad media …. [kg/m3]

Eent ….. Energía que entra al sistema …. [MWh]

Egen ….. Energía generada en el sistema …. [MWh]

Esale …... Energía saliente del sistema …. [MWh]

ΔEacum ….. Energía acumulada en el sistema …. [MWh]

W ….. Trabajo realizado por el sistema …. [MWh]

g ….. Aceleración de la gravedad …. [m/s2]

z …. Altura c/r al nivel de referencia …. [m]


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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN

Nynas Refyning AB es una compañía cuya tarea es obtener distintos productos del procesamiento del petróleo crudo a través de su refinación. Una de las partes más

importantes de cualquier refinería es su unidad de destilación, cuyo objetivo principal es

fraccionar el crudo en distintos hidrocarburos más livianos. Para lograr esto, el petróleo es

precalentado y luego vaporizado en un horno, cuyo efluente es enviado a una columna de

destilación en la cual se realiza la mayor parte del fraccionamiento.

Los requerimientos del Mercado determinan el tipo de producto que debe ser producido en

la Refinería. Estos son alcanzados gracias al procesamiento de una variedad de crudos,

traídos de distintas partes del mundo, que son corridos a lo largo de las unidades de la

planta.

Debido a nuevas tendencias del mercado, la empresa ha sentido la necesidad de clarificar su

situación energética e incrementar la capacidad y eficiencia de sus procesos. En este sentido

algunos proyectos e inversiones han sido y están siendo realizados en la refinería en los

últimos años. Como parte de este empeño, el presente estudio brinda una imagen clara delconsumo y producción de energía de la unidad de destilación VD2 y de la posibilidad del

aumento de flujo másico procesado en esta unidad, basada en un estudio de vulnerabilidad

a erosión en la tubería de su horno de calentamiento de crudo ya que este es el equipo que

ofrece mayores restricciones en la unidad.

A través de un estudio basado en un período de un año, el capítulo 5 presenta la situación

de consumo y producción anual de energía en la refinería, y el capítulo 6 satisface uninterés especial de la empresa acerca de la evaluación del horno H101 para el manejo del

crudo llamado Gryphon-Leadon proveniente del mar del norte, en el que se estudian

posibilidades de aumento de capacidad basado en su vulnerabilidad a problemas de

erosión para casos de manejo de valores de flujo másico mayores al actual.


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CAPITULO 2: OBJETIVOS

1. Presentar de forma cuantitativa el consumo y producción actual de energía anual de

la unidad de destilación VD2

2. Determinar si existe algún potencial de ahorro energético en VD2

3. Evaluar la vulnerabilidad actual y ante escenarios hipotéticos de flujo másico del

horno H101 a sufrir problemas de erosión trabajando con el crudo Gryphon-Leadon.

4. Realizar propuestas para aumentar la capacidad del horno H101


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CAPITULO 3: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

3.1.- Energía

El término energía se deriva del griego in (en) y ergon (trabajo). El pequeño Larousse

define energía de varias maneras: potencia activa de un organismo, capacidad para obrar o

producir un efecto, vigor, fuerza de voluntad, capacidad que tiene un sistema de

proporcionar un trabajo mecánico o su equivalente. En fín, el término energía tiene que ver

con un gran abanico de definiciones que cuando se llevan al concepto científico, sirven para

revelar las características similares entre procesos que pueden ser descritos en términos detipos de energía, tales como, energía térmica (calor), energía química (en combustibles y

baterías, energía cinética (en sustancias en movimiento), energía eléctrica, energía

potencial, entre otras. La unidad de energía ( Joule), está definida como la energía

suministrada por una fuerza de 1 Newton para causar movimiento a través de una distancia

de 1 metro.

Los términos energía y potencia son con frecuencia usados de manera informal como si

fueran sinonimos, pero en la discusión científica es importante distinguir uno del otro.

Potencia es la tasa a la cual la energía es convertida de una forma a otra o de un lugar al

otro; su unidad es el Vatio (W), y 1 W se define como 1 Joule por segundo. En la práctica,

es con frecuencia conveniente medir energía en términos de potencia usada durante un

perído de tiempo determinado. Por ejemplo, si la potencia de un calentador eléctrico es de 1

kW, y este funciona por un período de una hora, entonces se dice que el calentador a

consumido 1 Kilo-Vatio hora (1 kWh) de energía. 1 kWh es igual a 3.6x106 Joules.

3.2.- Termodinámica y Mecánica de fluidos

La energía puede transferirse mediante las interacciones de un sistema con su alrededor.

Estas interacciones se conocen como trabajo y calor. La termodinámica trata de los estados

finales del proceso durante el cual ocurre una interacción, y no proporciona información

alguna con respecto a la naturaleza o la rapidez con que esta se produce (Incropera, 1996).


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Sin embargo, la primera ley de la termodinámica es una herramienta muy útil para muchos

problemas de transferencia de calor. Para aplicarla, se necesita identificar una región del

espacio limitada por una superficie de control a través de la cual exita salida y entrada de

energía y de materia. Esta ley debe satisfaserse sobre todo instante de tiempo y durante todo

intervalo de tiempo. Su formulación general para un intervalo de tiempo Δt es la siguiente:

1era Ley de la Termodinámica (Ley de conservación de la energía): La cantidad de energía

que ingresa en un volumen de control, más la cantidad de energía que se genera dentro del

volumen de control, menos la cantidad de energía que sale del volumen de control, debe ser

igual al incremento en la cantidad de energía almacenada en el volumen de control(Incropera, 1996).

Eent + Egen – Esale = ΔEacum (Ec. 1a)

Los términos Eent y Esale de la ecuación 1a comprenden los flujo de entrada y de salida

debido a la transferencia de calor y a la energía transmitida con la materia, que puede estar

compuesta de las formas de energía interna, cinética y potencial. Igualmente incluyen

interacciones de trabajo que ocurren en las fronteras del sistema. De acuerdo con

(Incropera, 1996), el cambio de energía interna puede consistir en una suma de varios

componentes. El componente sensible o térmico, que explica los movimientos de los

átomos y moléculas que componen la materia. El componente latente, que relaciona las

fuerzas intermoleculares que influyen en el cambio de fase; un componente químico y otro

nuclear que se refieren a las uniones entre átomos y en sus núcleos.

El término de almacenamiento de energía ΔEacum es un fenómeno asociado a cambios

volumétricos dentro del volumen de control, y se deberán igualmente a cambios de energíainterna, cinética y potencial. Si el flujo de entrada y la generación de energía exceden al

flujo que sale, entonces habrá acumulación de energía en el volumen de control. De ocurrir

lo contrario, disminuirá el almacenamiento de energía. Si el flujo entrante y la generación

de energía igualan al flujo de salida se está en estado estable.


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Considerando todos los términos asociados a cada uno de los componentes de la ( ec. 1a) y

tomando un sistema a través de cuyos límites la energía es transferida por las interacciones

de trabajo y calor, donde durante un intervalo de tiempo Δt se transfiere calor al sistema en

la cantidad Q y el sistema realiza trabajo en la cantidad W se le puede entonces expresar

con más detalle de la siguiente manera:

Q – W + ∑m(u + pv + V2/2 + gz)ent + Egen – ∑m(u + pv + V2/2 + gz)sal = ΔEacum (Ec. 1b)

La sumatoria de los términos u + pv es muchas veces expresada como la entalpía h.

Conservación de la masa: Para un flujo uniforme con una entrada y una salida, se cumple

que el flujo másico se conserva. El flujo másico no es más que la rapidez de flujo de masa

y sus unidades son [masa / tiempo]. Expresada matematicamente, la conservación de la

masa se representa como en la ecuación 2, la cual es también conocida como ecuación de

continuidad.

•

m = ρ1. A1.V1 = ρ2. A2.V2 (Ec. 2)

Los subíndices 1 y 2 en ( Ec.2) representan el punto de entrada y de salida respectivos del

flujo en un volumen de control determinado. Con frecuencia también se usa la razón de

flujo que no es más que la tasa volumétrica de flujo.

Propiedades y relaciones: Existen propiedades como la temperatura, la presión, el volumen

y la masa, que pueden medirse directamente. Otras propiedades como la energía interna, la

entalpía y la entropía no son fáciles de determinar. Por consiguiente, existen relaciones

fundamentales entre propiedades termodinámicas comunes que permiten expresar las

propiedades que no pueden medirse de manera directa en términos de propiedades fáciles

de medir (Yunus, 1996). Las propiedades termodinámicas se relacionan con el estado de

equilibrio de un sistema. La densidad ρ y el Calor específico Cp son las que se usan más

extensamente en el análisis termodinámico. El producto de ellas mide la capacidad de un

material para almacenar energía térmica. Puesto que las sustancias de densidad grande se

caracterizan por pequeños calores específicos, muchos sólidos y líquidos que son


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excelentes medios de almacenamiento de energía, tienen capacidades térmicas

comparables. Sin embargo, debido a sus pequeñas densidades, los gases son muy poco

adecuados para el almacenamiento de energía térmica. Cabe destacar que, los calores

específicos dependen tanto del volumen específico o la presión como de la temperatura.

3.3.- Petróleo Crudo y el Proceso de Destilación

El petróleo es un fluido constituido por una mezcla de compuestos químicos que son

combinaciones de átomos de hidrógeno y carbono llamados hidrocarburos. En la medida en

que éste se calienta, se aprecian diferentes características ya que cada uno de suscompuestos tiene una temperatura de ebullición distinta. Un proceso de calentamiento de

crudo controlado permite ir separando cada uno de los compuestos en la medida en que

estos se van evaporando. Este proceso, controlado a niveles mucho más detallados, es lo

que se conoce con el nombre de destilación y, a niveles macro, requiere de un sistema

complejo que fundamentalmente inicia cuando petróleo crudo es bombeado desde el tanque

donde se encuentra almacenado hasta un horno de calentamiento. Aquí, un gran porcentaje

de este cambia a la fase de vapor en la medida en que es calentado. La combinación de

líquido y vapor es seguidamente enviada a la de columna de destilación. El lugar donde se

encuentra el efluente del horno con esta, se conoce como zona flash.

La columna de destilación consta de una serie de bandejas perforadas que permiten que los

vapores se eleven a través de la columna. En el momento en que el efluente del horno entra

en la columna, la gravedad causa que las partes más densas caigan hacia la parte inferior de

esta mientras que los compuestos más livianos siguen una trayectoria ascendente.

Finalmente, aparecen los productos del proceso de destilación, mejor conocidos por losrefinadores como fracciones, siendo las más tipicas según (Willliam, 2000) los butanos, la

gasolina, la nafta, el kerosene, el gas oil y los residuos. Éstos dependen del crudo

procesado. Cada crudo es distinto de otro y posee características peculiares dependiendo de

su origen. Crudos livianos tienden a tener más gasolina, nafta y kerosene, mientras que los

más pesados tienden a tener más gas oil y residuos. Esto es debido a que el peso de los


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compuestos es mayor en el segundo caso que en el primero, causando que sus temperaturas

de ebullición respectivas deban ser mucho más altas.

3.4.- Transferencia de Calor

La transferencia de calor es la energía en transito debido a una diferencia de temperaturas.

Los modos de transferencia de calor son: conducción, convección y radiación. La

conducción ocurre a través de un medio estacionario, bien sea sólido o líquido, cuando

existe un gradiente de temperatura en este. La convección se refiere a la transferencia de

calor que ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando estén a diferentestemperaturas. Y la radiación, es aquella que se da ya que todas las superficies con

temperatura finita emiten energía en forma de ondas elctromagnéticas, permitiendo que

haya transferencia de calor en ausencia de un medio, gracias a la diferencia de temperatura

entre dos superficies (Incropera, 1996).

3.5.- Hornos para calentamiento de crudo

El calentamiento de un fluido de procesos en un horno consiste hacer pasar el fluido que se

desea calentar a través de conductos debidamente diseñados. El calor generalmente es

suministrado por la combustión de un combustible que se lleva a cabo en equipos llamados

quemadores, liberando enormes cantidades de energía dentro del horno que son transferidas

al fluido en la medida en este va realizando su recorrido a lo largo de los conductos. De esa

manera se va llevando a cabo un proceso de transferencia de calor que normalmente es la

combinación de los mecanismos por radiación y convección.

El patrón usual de flujo del fluido en el proceso es en contracorriente con el de los gases de

combustión, es decir, el fluido en el proceso pasa primero a través de la sección de

convección y luego a través de la sección de radiación del horno, mientras que los gases de

combustión van en dirección opuesta.


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En la sección de radiación, el calor es transferido al fluido principalmente por radiación y

en menor parte por convección. A su vez, en la sección de convección, el calor es

transferido principalmente por convección, aunque una pequeña cantidad de calor se

transfiere por radiación. Después que el calor ha sido transferido al fluido de proceso, el gas

de combustión generalmente deja el horno y pasa a través de una chimenea a la atmósfera.

Uno de los factores más importantes en el desempeño del horno es la distribución del calor

dentro de este, la cual está íntimamente relacionada con muchos otros factores (los

quemadores, el proceso de combustión, la geometría del horno, sus tuberías, etc.) Todo esto

interactúa directa e indirectamente con el fluido definiendo su comportamiento al pasar porel horno.

3.6.- Erosión

Erosión no es más que la reducción en el espesor de un material debido al ataque

mecánico de un fluido. Cuando mezclas de líquido y gas fluyen a altas velocidades a

través de tuberías, pueden aparecer serios problemas de erosión. Por lo tanto, se hace

necesario restringir las velocidades de flujo. Los hornos de calentamiento de crudo se ven

expuestos a este tipo de problemas cuando se excede la magnitud de flujo másico

manejable por éste.

mm vnumber Criteria ×= ρ _ (Ec. 3)

Los autores (Coulson y Richardson, 1997) describieron una correlación que define un

criterio para evaluar la relación entre velocidad y densidad de flujo que podría provocarserios problemas de erosión, fijando el límite máximo que dicha relación puede alcanzar.

Consiste en comparar el producto de la velocidad media de fluido de dos fases,

multiplicada por la raíz cuadrada de la densidad media, como lo muestra la ecuación 3.


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CAPITULO 4: METODOLOGÍA DE TRABAJO

Debido a la localización del proyecto, el primer paso que se tomó fue estar al tanto de las

regulaciones de seguridad de la refinería. Luego, para lograr entender las peculiaridades

básicas que allí se usan, se hizo necesario el estudio de la nomenclatura, los datos básicos

de diseño y la manera como se codifican los equipos. Estos pasos se llevaron a cabo a

través de la lectura de los documentos (Standard NPS02N, 1999), (Standard NPS01N,

2002), (Standard NPS14N, 2003) de Nynas Refining AB.

Una vez se cumplieron estas etapas básicas, se encaminó el proyecto hacia el cumplimientode los objetivos dividiendo el trabajo en dos partes principales, cuyo desarrollo constituye

el capitulo 5 y 6 del libro respectivamente, y se esquematizó de la siguiente manera:

4.1.- Balance de Energía en unidad de destilación VD2

4.1.1- Entendimiento del proceso, identificación de las líneas y determinación del período

de estudio

Se procedió a estudiar y entender en que consiste un proceso de destilación y sus

peculiaridades en la Refinería de Nynas. Diversidad de bibliografía consultada, reuniones

con personal de la empresa y estudio a través de la observación de diagramas PID de la

planta, permitieron que esta etapa se llevara a cabo. Una visita al área de procesos se

incluyó en esta parte a manera de introducción, la cual brindó una idea amplia de la

magnitud del estudio realizado.

Tal como dicta la teoría, todo balance de energía debe empezar por la identificación del

volumen de control y la definición de las líneas de energía (líneas de entrada, líneas de

salida, y pérdidas) a ser tomadas en cuenta para el balance.

Con el fin de obtener la data necesaria y de esa manera estar en capacidad de realizar los

cálculos, fue usada una base de datos llamada IRIS que está conectada a la gran diversidad


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de instrumentos de medición en el área de procesos. Cada instrumento de medición tiene

un código asignado que permite el acceso computarizado a la lectura que este proporciona.

Se hizo necesario observar a profundidad los distintos diagramas de la unidad para

determinar si habían o no instrumentos de medición instalados en los puntos de interés. En

caso de no haberlos, se planteó la posibilidad de hacer estimaciones lógicas de dichos

valores, y en varias ocasiones, estos se calcularon manipulando las líneas vecinas a estas

con balances simples.

Por último, se determinó el período anual más reciente posible para el momento durante el

cual se llevaría a cabo el balance de energía. Fue realizado un programa en Excel paraorganizar la información y realizar todos los cálculos necesarios. Se recomienda

acompañar la lectura de este informe en conjunto con este programa (archivo VD2.xls

anexo al libro).

4.1.2- Determinación cuantitativa y análisis de la energía de cada línea en estudio

Una vez seleccionadas las líneas, se calculó, analizó, ilustró y comparó, la energía que porta

cada una de ellas en el período anual seleccionado. Estos resultados se presentaron a través

de tablas y gráficas que reflejan el comportamiento promedio mensual de las líneas en el

período de estudio. Este paso fue dividido en secciones de acuerdo al carácter de las líneas:

líneas de entrada, líneas de salida, energía perdida al ambiente, energía recuperada para

calentamiento de la comunidad y pérdidas.

Para el caso de las líneas, tanto de entrada como de salida, cuyo fluido transportado es

petróleo crudo o un derivado de este, se realizó una relación de calor específico en funciónde la temperatura en el programa ASPEN HYSYS 2004. Para llegar a dicha relación, se

hizo una manipulación de datos basada en que generalmente, la refinería trabaja con

diversos tipos de crudo provenientes tanto de Venezuela como del Mar del Norte. Esto

automáticamente implica que no todos tendrán las mismas propiedades y por ende no

tendrán los mismos valores de Cp. Para evitar un error significativo debido a esta

diferencia, se determinó con la utilización de IRIS, el porcentaje de uso de cada tipo de


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crudo durante el período en estudio, y posteriormente, se obtuvo una curva promedio de

ellos dándole la ponderación correspondiente a cada caso. Esto permitió tener valores de

Cp para el crudo y sus fracciones en el rango de temperatura de trabajo de cada una de

ellas.

4.1.3- Balance Final

Todos los valores de energía obtenidos en el paso anterior fueron reunidos e ilustrados en

conjunto para presentar el balance de energía de forma gráfica y tabulada. Cada una de las

líneas fue ubicada de acuerdo a su carácter en la (ec.1b) permitiendo detallar la ponderación que cada una de ellas tiene sobre la energía total de entrada y salida manejada

en la unidad de destilación.

4.1.4- Análisis de Resultados

Se analizaron todos los resultados del estudio energético dándoles explicación y

justificación. Igualmente se hicieron comentarios referentes al análisis requerido por el

objetivo número 2 acerca de la existencia de algún potencial de ahorro energético.

4.2.- Evaluación de vulnerabilidad a Erosión en el horno H101

4.2.1- Búsqueda de información

Primeramente se realizaron estudios teóricos de lo referido a hornos de calentamiento.

Una vez entendida la teoría, se comenzó el proceso de recolección de información básica,entre lo que resalta el comportamiento típico de VD2 con el crudo Gryphon-Leadon,

características del horno H101 y propiedades de las tuberías del horno. Esto se llevó a

cabo a través de la investigación en diversas fuentes disponibles en la empresa entre las

cuales resaltan diagramas PID, normas, la base de datos IRIS, estudios previos hechos por

empresas consultoras, discusiones con personal de la empresa, etc.


23/66

12

4.2.2- Determinación de la distribución de calor en el horno

Se describió el proceso de calentamiento y se encontraron los valores típicos de las

principales líneas de entrada y de salida del horno. En esta medida, se determinó la

distribución de calor en el calentador, dato que posteriormente fue introducido en la

simulación llevada a cabo en paso 4.2.3.

4.2.3- Simulación de comportamiento del crudo en tubería de zona de radiación

La tubería de la zona de radiación del horno fue simulada con la utilización de un programallamado Aspen HYSYS 2004. Gracias a este, se observó el perfil de las propiedades del

crudo a lo largo de esta tubería. Para poder hacer la simulación, se introdujo en el programa

utilizado parte de la información recopilada en los pasos anteriores. A continuación se

muestra en la figura 1 un esquema del proceso de simulación:

Figura 1. Esquema de simulación de tubería de la zona de radiación

Donde:

A: Crudo LeadonB: Crudo GryphonC: Mezcla de crudos con proporción 65% Gryphon – 35% LeadonD: Mitad de flujo total de crudo (un solo lado del horno) antes de entrar a la zona deradiaciónE: Mitad de flujo total de crudo al salir de H101

F: Mitad de flujo total de crudo después de pasar por la línea de transferenciaF2: Flujo proveniente de la pared opuesta de la zona de radiaciónG: Crudo al llegar a la Zona Flash

Una vez montada la simulación, debido a la necesidad de adaptar las condiciones en G a las

de la Zona Flash, el análisis fue llevado a cabo a través de un proceso de ensayo y error

cuyo procedimiento iterativo consistió en lo siguiente:


24/66

13

1. Hacer una copia de C en D y dividir su flujo másico a la mitad2. Variar la temperatura y/o la presión de D (los valores en esta parte deben ser

lógicos y acordes con los valores típicos de VD2)

3. Esperar a que ASPEN HYSYS realice los calculus necesarios4. Hacer una copia de F1 en F25. Leer el valor de presión y temperatura en G6. Si Pg≈ Presión de Zona Flash y Tg≈ Temperatura de Zona Flash, FIN.7. Si Pg ≠ Presión de Zona Flash y Tg≠ Temperatura de Zona Flash, volver a 1

4.2.4- Evaluación de vulnerabilidad a problemas de erosión

Con la simulación realizada en el paso previo, se lograron observar escenarios hipotéticos

en los cuales se corren diversas magnitudes de flujo másico a través de la zona de radiación

del horno. El efecto de dichos flujos sólo fue considerado desde el punto de vista del

fenómeno de la erosión en la parte interna de la tubería. Se estudiaron 3 casos hipotéticos a

parte del modo actual bajo el que trabaja el horno normalmente.

Los resultados de la simulación se analizaron utilizando el criterio sugerido por (Coulson y

Richardson, 1997), quienes describieron una correlación que define la relación entre la

velocidad y la densidad de flujo que podría provocar serios problemas de erosión. Dichacorrelación es la representado por la (ec. 2) en el capítulo 3. Según los autores, el límite

máximo que dicha relación puede alcanzar para causar o no problemas es de 152,5 (usando

el sistema internacional de unidades). El presente estudio toma el límite máximo como 150.

La confianza de la aplicación de este criterio fue confirmada por (Bechtel, 1995), ya que

fue usada en dicho año para realizar un estudio similar en la refinería de Nynas Refining

AB para un tipo de crudo distinto.


25/66

CAPITULO 5: BALANCE DE ENERGÍA EN UNIDAD DE DESTILACIÓN

5.1.- Entendimiento del proceso e identificación de las líneas

El proceso de la unidad de destilación al vacío VD2 en la refinería de Nynas comienza

luego de que el crudo importado de distintas partes del mundo llega a la planta y se

almacena. La primera parte del proceso consiste en precalentar el crudo a través de

intercambiadores de calor conectados a líneas de salida de la unidad (se recomienda seguir

el proceso descrito con la observación del apéndice A1.1). Luego, se obtienen pocos

productos livianos en una columna de pre-separación cuya salida es bombeada hacia elhorno de calentamiento principal H101, donde el crudo es calentado hasta las condiciones

requeridas por la columna de destilación gracias al calor suministrado por el combustible

Fuel Oil. El efluente del horno se envía a la columna de destilación desde la cual se

obtienen los productos principales del proceso. Se obtiene bitumen en la parte más baja de

la columna mientras que otras fracciones son destiladas por la parte superior. Las líneas a

través de las cuales viajan estas fracciones son las utilizadas para precalentar el crudo que

entra a la unidad de destilación. A su vez, existen puntos de inyección de vapor

sobrecalentado en la columna de destilación que tienen la función de ajustar las condiciones

a los valores requeridos. Igualmente, ciertas líneas de VD2 forman parte de un sistema de

recuperación de calor que se utiliza para dar servicio de calentamiento a una parte de la

comunidad ubicada en las adyacencias de la refinería.

Después de haber entendido las peculiaridades del proceso, se procedió a identificar y

seleccionar las líneas energéticas que serían tomadas en cuenta. Una vez hecho esto, se

determinó el período anual de estudio dentro del cual se realizaría el balance de energía.Dado que la finalidad de esta parte del proyecto es clarificar la situación energética actual

de la unidad de destilación, se eligió el período anual más reciente posible. De esta manera,

para el momento en que se dio inicio al estudio, el período resultó ser el comprendido entre

los meses de Febrero del año 2004 y 2005.


26/66

15

La tabla 1 muestra todas las líneas de entrada y de salida consideradas en el balance.

Igualmente hubo cierta cantidad de pérdidas que fueron tomadas en cuenta cuyo análisis se

presenta en la sección 5.2.

Líneas de Entrada Líneas de Salida

CrudoVapor

ElectricidadCombustible líquido

Fr1, Fr2, Fr3, Fr4Bitumen y ResiduosBitumen Oxidado

VaporCalor recuperado

Tabla 1. Líneas de Energía

Relacionando cada una de las líneas en estudio con los términos de la ( Ec. 1b), se pueden

establecer las siguientes relaciones:

Se asumió que los términos de energía potencial y cinética eran despreciables y que no

existe ningún tipo de generación ni de acumulación de materia en el volumen de control

estudiado, por lo que los términos Δ E acum , E gen , V 2 /2 y gz son iguales a cero.

A pesar de que el flujo de crudo cambia de fase en la unidad de destilación, el componente

latente de la energía interna no se tomó en cuenta debido a que, para llevar a cabo este

cambio de fase se utiliza la energía suministrada por el combustible en el horno H101, la

cual si fue considerada representando al valor Q de la ( Ec. 1b).

Las líneas de crudo y el vapor de entrada entran dentro del término de ∑ m hent , mientras

que los derivados del crudo, el calor recuperado y el vapor de salida son consideradas

dentro de los términos de ∑ m h sal .

Finalmente, el termino de trabajo W sólo incluye a la energía electrica suministrada para

accionar las distintas bombas de la unidad.


27/66

16

5.2.- Determinación cuantitativa y análisis de la energía de cada línea en estudio

5.2.1 Líneas de entrada

5.2.1.1 Petróleo Crudo:

La tabla 2 muestra los valores de temperatura y flujo másico promedio por mes de los

crudos que entraron a la unidad durante el período de estudio. Éstos valores fueron

obtenidos de la base de datos IRIS.

Mes T [°C] •m [ton/h]

Enero 55 79Febrero 59 98Marzó 42 84Abril 63 87Mayo 48 93Junio 56 155Julio 57 157

Agosto 56 140Septiembre 55 115

Octubre 58 127 Noviembre 67 55Diciembre 54 90

Tabla 2. Flujo másico y temperatura promedio del crudo entrante

Los valores de energía fueron calculados con la utilización de la ecuación 4. El estado de

referencia usado es a 0°C.

d T Cpm

Energy ××⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ Δ××

=

•

243600

(Ec. 4)

La figura 2 ilustra los resultados obtenidos para los valores de energía de esta línea. En

esta se observa que los mayores valores de energía corresponden a los meses entre Junio y

Octubre, fluctuando alrededor de 3000 MWh.


28/66

17

Energía en alimentación de crudo

01 0002 0003 0004 000

E n e r

o

F e b r

e r o

M a r z

o A b

r i l

M a y o

J u n i o J u

l i o

A g o s

t o

S e p t i

e m b r

e

O c t u

b r e

N o v i e

m b r e

D i c i e

m b r e

Mes

E n e r g í a [ M W h ]

Figura 2.Variación de la energía promedio del crudo en el año

5.2.1.2 Vapor :

Como se mencionó anteriormente, vapor sobrecalentado es inyectado a distintos niveles

de la columna de destilación con la finalidad de ajustar las condiciones de esta a los

requeridos. La presión de inyección es de 4 bar y los valores de energía se hallaron con la

ecuación 5.

d hm


⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ ×=

•

243600

(Ec. 5)

La base de datos IRIS proporcionó los valores de flujo másico y temperatura de estas

líneas. Los valores de entalpía fueron hallados con la utilización de tablas de vapor

sobrecalentado a la presión señalada. La figura 3 muestra la energía promedio de entrada

de vapor en cada punto de inyección a lo largo del año, permitiendo una comparación

entre ellas. En esta se observa que la entrada de vapor que contiene mayor energía es lacorrespondiente a la inyección codificada como Bottom line 2 (línea inferior 2), la cual

está ubicada en la parte más baja de la columna de destilación. El resto, a su vez, oscila

aproximadamente dentro del mismo rango.


29/66

18

Energía de entrada en fo rma de vapor

0200400600800

1000120014001600

E n e r

o

F e b r

e r o

M a r

z o A b

r i l

M a y

o J u

n i o J u l i o

A g o s

t o

S e p t

i e m b r

e

O c t u

b r e

N o v i e

m b r

e

D i c i e

m b r

e

Mes

E n e r g í a [ K W h ]

T104

T109/AS01

02T105

T106

Bottom line

1Bottom line

2

Figura 3. Energía de entrada en líneas de vapor sobrecalentado

5.2.1.3 Combustible:

Como se mencionó previamente, el calentamiento más significativo del crudo se lleva a

cabo en un horno donde se suministra calor gracias a la combustión del combustible. En el

caso de Nynas Refining AB, el combustible utilizado es fuel oil. Para determinar la

energía suministrada por este se usó la ecuación 6 . De acuerdo con (Zerban y Nye, 1956),el valor real de poder calorífico se encuentra comprendido entre los valores de LHV y

HHV.

d LHV m


⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ ××

=

•

243600

1000 (Ec. 6)

El Poder calorífico alto asume que el vapor en los productos de combustión será

completamente condensada, mientras que el Poder calorífico bajo asume que el vapor

permanece sobrecalentado. Como no se conoce la cantidad exacta de vapor condensado,

en la práctica se usa cualquiera de los dos valores. El valor de Poder Calorífico Bajo fue

obtenido de la norma de Nynas Petrolem NPS01.


30/66

19

5.2.1.4 Tota en líneas de entrada:

A continuación se provee, en forma tabulada y gráfica, los valores de energía calculados

por mes y totales en un año para todas las líneas de entrada. Los valores de consumo

eléctrico se deben a la energía utilizada para accionar diversas bombas de la unidad y

fueron suministrados por el personal de la empresa encargado de llevar el registro

computarizado de consumo eléctrico.

Mes Crudo Vapor Electricidad Combustible

Enero 1 684 2 117 582 11 780Febrero 2 049 1 710 581 11 398Marzó 1 336 2 308 601 13 182Abril 2 097 1 839 528 10 751Mayo 1 717 2 145 548 13 618Junio 3 289 2 465 595 16 110Julio 3 495 2 640 622 16 320

Agosto 3 080 2 632 596 15 657Septiembre 2 387 2 357 565 13 901

Octubre 2 886 2 235 600 15 758 Noviembre 1 433 1 188 383 7 682Diciembre 1 886 2 220 606 12 938

Total [MWh] 27 339 25 856 6 807 159 095

Tabla 3. Energía de entrada a VD2 por mes y totales en el año

Comparación entre líneas de entrada

12%

12%

3%

73%

Crudo

Vapor Electricidad

Combustible

Figura 4. Comparación entre las líneas de entrada de energía en VD2


31/66

20

5.2.2 Líneas de Salida

5.2.2.1 Fracciones destiladas y bitumen:

De la columna de destilación se obtienen 4 fracciones de destilados, una línea de bitumen

y otra de bitumen oxidado. Igualmente se obtiene una línea de Nafta cuya consideración se

ordenó por parte de la empresa que fuera obviada.

Dado que el valor de energía es directamente proporcional al flujo másico y a la

temperatura del fluido, las tablas 4 y 5 muestran dichos valores con la finalidad de reflejarla ponderación o peso correspondiente de cada uno de ellos sobre el valor final de la

energía.

La figura 5 brinda una ilustración de la energía promedio mensual a lo largo del año para

las 4 fracciones derivadas en la columna de destilación. A su vez, la figura 6 muestra una

comparación de los promedios mensuales de energía en las líneas de bitumen. La

magnitud de la energía de cada una de ellas fue calculada con la ecuación 4.

Fr1 Fr2 Fr3 Fr4Mes

T•

m T•

m T•

m T•

m Enero 20 6 46 16 60 14 54 8

Febrero 24 6 49 15 46 10 65 11Marzó 28 9 49 21 69 15 60 8Abril 30 5 47 12 54 9 61 10Mayo 42 9 54 21 66 14 66 11Junio 33 10 54 19 63 15 57 11

Julio 34 9 60 21 62 13 61 13Agosto 36 10 63 23 64 13 66 14Septiembre 32 9 59 21 67 14 69 15

Octubre 29 9 44 17 68 16 63 11 Noviembre 20 5 35 10 51 7 58 7Diciembre 19 7 52 17 60 18 52 7

Tabla 4. Temperatura y flujo másico promedio de las 4 fracciones destiladas


32/66

21

Bitumen Bit. oxidadoMes

T•

m T•

m

Enero 165 34 179 12Febrero 173 54 173 13Marzó 153 26 179 11Abril 179 39 178 12Mayo 159 28 173 10Junio 169 94 175 12Julio 172 93 178 8

Agosto 165 79 178 14Septiembre 166 55 180 14

Octubre 167 113 176 13 Noviembre 123 10 157 3Diciembre 157 38 176 8

Tabla 5. Temperatura y flujo másico promedio de las líneas de Bitumen

Variación de energ ía en las fracciones

0100200300400500600700

E

n e r o

F e b r

e r o

M

a r z o

A b r i l

M a y o

J u n i o J u

l i o

A g o

s t o

S e p t i e

m b r

e

O c t u

b r e

N o v i e m b

r e

D i c i e m b

r e

Mes


Fr1

Fr2

Fr3

Fr4

Figura 5. Variación de energía de las 4 fracciones destiladas en el año

Variación de la energía en líneas de bitumen

0

2 000

4 000

6 000

8 000

10 000

E n e r

o

F e b r

e r o

M a r z

o A b

r i l

M a y

o J u

n i o J u l i o

A g o s

t o

S e p t i

e m b r

e

O c t u

b r e

N o v i e

m b r e

D i c i e

m b r e

Mes

E n e r g í a

[ M W h ]

Bitumen and Res

Ox Bitumen

Figura 6. Variación de la energía en las líneas de bitumen


33/66

22

Se evidencia en la figura 6 que la línea de bitumen contiene mayor cantidad de energía

que las de bitumen oxidado. Igualmente se observa que entre los meses de Junio y Octubre

la producción de bitumen es mayor que durante el resto del año. Cabe destacar que

haciendo un contraste entre las figuras 5 y 6, se observa que el orden de magnitud de la

energía contenida en la línea de bitumen es más alto que el de las fracciones. Este hecho se

evidencia de forma más clara en la figura 7 .

Comparación de energ ía de pr oductos d e la línea de

crudo

1% 6%5%

4%

14%

70%

Fr1

Fr2

Fr3

Fr4

Ox. Bitumen

Bitumen

Figura 7. Comparación entre los derivados de la línea de crudo

5.2.2.2 Vapor:

Existen dos lugares en la unidad de destilación en los cuales se produce vapor. Ambas

constan de arreglos de intercambiadores de calor cuyos códigos de etiqueta son E152 A/B,

y E136 respectivamente. Los instrumentos de medición instalados en E152A y E152B

indicaron que no existió ningún flujo a través de ellos durante el período en estudio. En

vista de esto, se consultó con personal de la empresa, quien determinó que no hubo producción de vapor en esta parte de la unidad. Sin embargo, si se obtuvo data del

intercambiador de calor E136, el cual trabaja a 8,5 barg de presión.


34/66

23

5.2.2.3 Sistema de recuperación de calor

Como se mencionó anteriormente, Nynas Refining AB obtiene beneficios de la venta de

energía en forma de calor para cubrir parte del servicio de calentamiento de la comunidad

adyacente a la refinería. El sistema a través del cual se cumple esta tarea de recuperación

de calor consta de 10 intercambiadores de los cuales 7 están directamente conectados a

VD2. Estos son tomados en cuenta en el balance de energía final de la unidad. Algunas

partes de este sistema fueron instaladas durante el mes de Noviembre de 2004, de manera

que su beneficio energético anual será posible de completar en Noviembre del año 2005.

Es importante mencionar que la energía salvada en el sistema de recuperación de calor y

vendida para calentamiento de la comunidad vecina también es tomada en cuenta y

adicionada a las líneas de salida en el balance final. Al mismo tiempo, la cantidad de

energía correspondiente al calor no vendido es considerada como pérdida.

Una vez realizado un balance sobre este sistema, se obtuvo los resultados mostrados en la

tabla 6 y la figura 8, la cual muestra los valores de energía recuperada y vendida durante

el período de estudio.

Total [MWh] Vendida [MWh]Enero 5 351 3 804

Febrero 4 219 3 154Marzó 5 597 3 445Abril 4 337 2 602Mayo 5 632 1 961Junio 5 469 1 414Julio 5 992 1 056

Agosto 5 723 930Septiembre 5 364 1 725Octubre 5 209 2 765

Noviembre 4 151 2 502Diciembre 5 858 4 612

TOTAL 62 903 29 968

Tabla 6. Energía recuperada y vendida en sistema de recuperación de calor


35/66

24

Energía recuperada y Energía vendida

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

J a n u a r y

F e b r u a r y

M a r

c h A p r i l

M a y

J u n e J u

l y

A u g u s t

S e p t

e m b e r

O c t o b e r

N o v e m b e r

D e c e m b e r

Me s


Vendida

Total

Figura 8. Energía recuperada y vendida del sistema de recuperación de calor

De la tabla 6 y figura 8 se infiere que no todo el calor recuperado se logra vender y que el

porcentaje de venta de calor varía a lo largo del año.

5.2.2.4 Valores totales de las líneas de salida

A continuación se presentan de forma tabulada y gráfica los valores totales de energía

correspondientes a las líneas de salida de VD2:

Mes Fr1 Fr2 Fr3 Fr4 Ox. Bit. Bitumen Vapor

Enero 44 293 335 180 1 011 2 615 1 951Febrero 55 269 173 277 996 4 046 1 928Marzó 95 424 439 205 899 1 865 3 362Abril 55 227 193 230 952 3 238 2 925Mayo 149 460 370 292 854 2 037 3 622Junio 124 404 391 243 936 7 265 4 218

Julio 123 521 344 311 694 7 601 4 191Agosto 137 593 355 388 1 205 6 084 4 310Septiembre 112 493 363 411 1 132 4 130 3 861

Octubre 100 305 449 279 1 089 8 909 4 328 Noviembre 35 131 137 150 185 526 1 529Diciembre 54 374 443 148 709 2 738 2 506

Total [MWh] 1 082 4 495 3 991 3 111 10 661 51 054 38 729

Tabla 7. Energía de salida de VD2 por mes y totales en el año


36/66

25

Distribución de energía de salida

7%

36%

21%

27%

3%

2%

3%

Fr1

Fr2

Fr3

Fr4

Ox. Bitumen

Bitumen

Calor recuperado

Vapor

Figura 9. Comparación entre las líneas de salida de energía VD2

En la tabla 7 y figura 9, se aprecia que las líneas de salida con mayor energía corresponden

al bitumen y al vapor generado. Es importante mencionar que los valores de energía

recuperada en el sistema de recuperación de calor (no mostrados en tabla 7 ) también fueron

adicionados a la ilustración de la figura 9. Además, también se adicionó al valor final de la

energía de salida de vapor, la magnitud correspondiente al calor en los gases de salida de

H101 que se usan para calentamiento de vapor en otra unidad de la refinería.

5.2.3 Pérdidas de Energía

5.2.3.1 Calor perdido hacia el ambiente:

Cierta cantidad de calor es transferido hacia el ambiente representando una pérdida de

energía. Esto se observa principalmente en los E113, E117 y E114, los cuales estánlocalizados en las líneas a través de las cuales viajan las fracciones 1, 2 y 4

respectivamente (ver apéndice A1.1). Los Valores de energía fueron calculados con la

ecuación 3, pero esta vez, la diferencia de temperatura vino dada por la variación de

temperatura que ocurre entre la entrada y la salida del intercambiador. Una ilustración y

comparación de sus valores a lo largo del período de estudio puede ser observada en la

figura 10.


37/66

26

Variación del calor perdido hacia el ambiente

-100,000,00

100,00200,00300,00400,00500,00600,00700,00800,00900,00

E n e r

o

F e b r

e r o

M a r z

o A b

r i l

M a y

o J u

n i o J u l i o

A g o s

t o

S e p t i

e m b r

e

O c t u

b r e

N o v i e

m b r e

D i c i e

m b r e

Mes

P e r d i d a d e E n e r g í a [ M W h ]

E113

E117

E114

Figura 10. Variación de la energía perdida al ambiente a lo largo del año

Se aprecia en la figura 10 que existe cierta cantidad de energía desperdiciada al ambiente

y que sus valores más significativos toman lugar en el intercambiador E117, el cual está

localizado en la línea de la fracción número 2.

5.2.3.2 Pérdidas en Columna de destilación T107:

En la figura 11, se puede observar una foto real de la columna de destilación en VD2. Su

forma cilíndrica permitió aplicar ecuaciones de transferencia de calor para tuberías

cilíndricas. La geometría de la columna fue estudiada a través de la observación de los

planos, lo cual permitió dividirla en 3 sub-partes de acuerdo a su diámetro, las cuales a su

vez fueron divididas de acuerdo a la temperatura interna que presenta en cada tramo de

columna. La fórmula usada para realizar los cálculos de calor perdido fue la ecuación 7, la

cual calcula la transferencia de calor por convección y conducción que ocurre desde la parte interna de la columna hasta el exterior de esta.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++++

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−=

1000

)(*2*

1

**2

)/ln(

*2

)/ln(

1000

)(*

1)(***001,0

2312

em Dh

qk

r r

k

r r

Dh

T T LQ

i

eii sii

ambinπ (Ec. 7)


38/66

27

Figura 11.Vista de la columna de destilación y horno de calentamiento en VD2

Los resultados arrojados por la ( Ec. 7 ) fueron llevados a las unidades de energía utilizados

en el resto del estudio energético de VD2. Estos se muestran en la tabla 8.

Energía perdidaen T107

Enero 22Febrero 20Marzó 22Abril 21

Mayo 21Junio 20Julio 21

Agosto 21Septiembre 20

Octubre 21 Noviembre 21Diciembre 22

TOTAL [MWh] 250

Tabla 8. Perdidas en T107

Horno H101

Columna de destilación


39/66

28

Por curiosidad de la empresa, se encomendó como tarea el calcular las perdidas en T107

sin tomar en cuenta el aislamiento de la columna de destilación, resultando que un total de

15 606 MWh se pierden en un año.

5.2.3.3 Pérdidas en el horno de calentamiento de crudo H101:

A pesar de que se conoce que en un horno de calentamiento existen distintos tipos de

pérdidas (por humedad, por combustión incompleta, por radiación y otras), la única

tomada en cuenta corresponde a la pérdida de calor que sale con los gases en la chimenea.

Esto es una aproximación aceptable ya que estas pérdidas son normalmente las mássignificativas.

[ ]2COTref Tgas

k L fg −

×= x 0.25 (Ec. 8)

El cálculo de la cantidad de energía perdida en los gases se realizó con la ecuación 8. La

tabla 10 muestra los valores de pérdida de energía mensual y total correspondientes. Es

importante agregar que los valores tabulados es esta corresponden a un 25% de la energíatotal que portan los gases de salida de H101. Esto se debe a que aproximadamente un 75%

de este calor es aprovechado en otra unidad de la refinería para calentamiento de vapor.

In H101Enero 448,82

Febrero 461,78Marzó 559,47Abril 420,10

Mayo 591,12Junio 778,33Julio 774,26

Agosto 743,04Septiembre 642,35

Octubre 741,57 Noviembre 254,03Diciembre 506,50

TOTAL [MWh] 6 921

Tabla 9. Pérdidas por gases en la chimenea de H101


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29

. 5.2.3.4 Pérdidas por energía recuperada no vendida

Se conoce de la sección 5.2.3, que la energía total recuperada en el año es igual a 62 903

MWh y que se venden en el año un total de 29 968 MWh. El total vendido equivale a un

47,6% del calor recuperado, de manera que un 52,4% de la energía es perdida hacia el

ambiente. Los valores de esta cantidad de energía perdida se muestran en la tabla 10.

Finalmente, en lo que respecta a pérdidas, se tabulan los valores finales de éstas en la

tabla 11, en la que se puede observar que la mayor cantidad de pérdidas corresponde al

calor del sistema de recuperación que no fue vendido.

Energía novendida

Enero 1 547Febrero 1 066Marzó 2 153Abril 1 735Mayo 3 670Junio 4 055

Julio 4 936Agosto 4 793Septiembre 3 639

Octubre 2 445 Noviembre 1 649Diciembre 1 246

TOTAL [MWh] 32 935

Tabla 10. Energía recuperada no vendida a lo largo del año

T107 H101 No vendida Perdida al ambienteTotal [MWh] 250 6 921 32 935 10 711

Tabla 11. Pérdidas de Energía en VD2


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5.3.- Balance Final

Previo al balance de energía final, se realizó un balance de masa en la línea del crudo, es

decir, se comparó el flujo total de entrada de crudo a VD2 con la suma de los flujos de sus

productos en la salida de la unidad. La tabla 12 muestra estos valores junto con el

porcentaje de diferencia entre ellos.

Flujo total de entrada [ton/h] 1280Flujo total de salida[ton/h] 1381

Diferencia [%] 7, 3

Tabla 12. Balance de masa en línea de crudo

Sumando los resultados de cada una de las categorías en las que se dividió el estudio

energético, se presenta a continuación, en la tabla 13, una comparación entre los valores

de energía de las líneas de entrada, de salida y de las pérdidas. Cabe destacar que en ésta

se tabula un valor denominado “indeterminado” que corresponde a la diferencia existente

entre el total de valores de entrada y la suma del total de salida y pérdidas, indicando la

magnitud de energía que no se determinó.

Entrada Salida Pérdidas Indeterminado

Energy [MWh] 219 098 143 091 50 817 25 190

Tabla 13. Comparación entre los valores totales de entrada, salida y pérdidas

Igualmente, se realizaron gráficas que permiten ilustrar la relación entre todas las líneas deenergía. La figura 12 brinda una comparación entre los porcentajes de la energía total

manejada en la unidad de destilación. La figura 13, ilustra a través de flechas con espesor

proporcional a la magnitud del valor de energía, los porcentajes de cada una de las líneas

de entrada y de salida. Igualmente, las flechas indican el sentido, sea de entrada o salida,

que tiene cada línea referida a un recuadro mayor que representa la unidad VD2.


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Balance total

50,0%

32,7%

11,6%

5,7%Total Entrada

total Salida

Pérdidas

Indeterminado

Figura 12. Balance de Energía general

Figura 13. Balance de Energía detallado


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5.4.- Análisis de los resultados del balance de Energía en VD2

Para un entendimiento completo de los resultados de este estudio y debido a la interrelación

existente entre algunas líneas de energía de VD2, el presente análisis será realizado

comparando varias de las líneas de energía consideradas.

Primero que todo es muy importante estar al tanto de que el hecho de haber tomado valores

promedio mensuales pudo haber variado la precisión de los resultados. A la vez, se debe

considerar que entre las fechas 31 de Octubre y 13 de Noviembre del 2004, hubo una

parada de planta en la unidad VD2 lo cual produjo que los valores tomados para el mes de Noviembre se vieran disminuidos con respecto a su valor real. Esto se ve evidenciado

claramente en las gráficas de variación anual de energía de las diferentes líneas.

Comenzando la discusión con la cadena del crudo y sus productos, se debe explicar que la

cantidad de crudo manejada en la unidad varía con la demanda del mercado y con el tipo de

crudo que se corre por la unidad. Los niveles de energía de todas las líneas resultaron ser

mucho más altos entre los meses de Junio y Octubre. Esto se debe a que el principal

producto de Nynas Refining AB es el bitumen, el cual se utiliza para el asfaltado. Esta

actividad tiene mayor demanda durante estos meses debido a que coincide con la

temporada de verano en la que se puede realizar actividad de asfaltado. Por ello, se necesita

correr mayor cantidad de crudo por la planta lo cual implica mayor consumo y producción

de energía. Se puede observar en la figura 2 que durante estos meses la energía promedio

mensual alcanza hasta 3000MWh, siendo esta cifra aproximadamente 30% mayor al resto

de los meses. Durante el resto del año, el mercado de Nynas se concentra en otras

actividades como la producción de especialidades de Nafta, los cuales son mayormenteobtenidos de crudos más livianos. La relevancia de la producción anual de bitumen puede

ser observada en la figura 9, donde se ve que esta representa 36% de la energía total de

salida de la planta.


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El calentamiento del crudo en el horno H101 requiere del consumo de combustible fuel oil

para poder suministrar el calor necesario a transferir al crudo. Según muestra la figura 13,

el 73% de la energía de entrada a VD2 corresponde a este calor.

Con respecto a las 4 fracciones producto de la destilación, se observa en la figura 5 que la

fracción con mayor cantidad de energía es la número 2 mientras que la número 1 es la que

contiene menor energía. Esto se justifica con los valores de flujo másico y temperatura para

las fracciones mostradas en la tabla 4. Los referentes a la fracción número 2 son los de

mayor magnitud. Es digno de mencionar que el intercambiador de calor E117 (instalado en

la línea de la fracción 2), es el que presenta mayores pérdidas de calor al ambiente. La líneade fracción 2 varía su temperatura desde 120°C hasta 60 °C cuando pasa por el

intercambiador. Esto la hace una línea con poco potencial de ahorro de energía.

En lo que se refiere a vapor, que hubo una irregularidad durante el mes de abril por la

ruptura de un transmisor del sistema de control de flujo, lo cual alteró las mediciones. Sin

embargo, se supuso un valor de 3 ton/h. En el intercambiador instalado en la línea de

bitumen oxidado no hubo producción debido a la baja demanda de este fluido.

En la parte referente al sistema de recuperación de calor, no se pudo obtener un resultado

completo de la cantidad de energía recuperada en este debido a que gran parte de este

sistema fue terminada de instalar en Noviembre del 2004. Sin embargo, se observa en la

figura 9 que la idea de haber instalado tal sistema es ya un acontecimiento exitoso ya que

esta energía representa el 21% del total de la energía contabilizada de salida. Además,

genera ingresos económicos directos a la empresa. La cantidad de energía recuperada en

forma de calor será aun mayor una vez que el sistema este funcionando al 100% de su

capacidad.

A su vez, según lo indica la tabla 11, el porcentaje de calor no vendido representa el valor

predominante de pérdidas en la unidad, las cuales de acuerdo con la figura 13 significan un

11.6% de la energía de salida. La cantidad indeterminada de salida de energía ocupa otro

11% de la salida energética. Esta se acredita a líneas no aisladas, pérdidas en equipos cuya

eficiencia no es 100%, al hecho de haber ignorado ciertas líneas como la de Nafta, y al


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calor que no pudo ser salvado por el sistema de recuperación de calor. El hecho de haber

agregado un porcentaje de energía no determinada para cerrar el sistema es completamente

lógico y se basó en que también fue considerado en estudios energéticos antiguos

realizados en la refinería por empresas consultoras.

Como se puede observar, Nynas ha realizado y está realizando varios proyectos de ahorro

de energía. Aunque el presente estudio no encontró una innovación en lo que ahorro de

energía se refiere, fue posible determinar que el calor recuperado y no vendido debe ser

mejor aprovechado. Un análisis más detallado en otras líneas y equipos determinará si será

posible ahorrar o no mayor cantidad de energía.


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CAPITULO 6: EVALUACIÓN DE VULNERABILIDAD A EROSIÓN EN H101

6.1.- Búsqueda de información

6.1.1. Período típico de trabajo con Gryphon-Leadon

Como fue explicado en el capítulo 4 (Metodología del trabajo), primeramente se

realizaron estudios teóricos de lo referido a hornos de calentamiento. Una vez entendida

toda la teoría necesaria, se comenzó el proceso de recolección de información básica, al

cual se dio inicio determinando el comportamiento típico de VD2 cuando se corre el crudo

Gryphon-Leadon en la unidad. Para esto, se consultó la base de datos IRIS con la finalidad

de determinar un período de tiempo con datos confiables donde esto se cumpliera. Este

período resultó ser el comprendido entre el 19 y el 25 de Marzo del año 2005. Los valores

definitivos utilizados fueron resultado del promedio de un total de 12 valores hallados

cada 12 horas durante el período elegido. El apéndice A1.2 presenta una figura en la cual

se ilustran los valores típicos de la unidad de destilación cuando se corre el crudo

Gryphon-Leadon.

6.1.2. Descripción del horno de calentamiento de crudo H101

El horno de calentamiento de crudo H101 utilizado en la unidad de destilación de la

refinería de Nynas Refining AB, fue construido en el año 1967.

De acuerdo con la norma (API, 2001) para hornos de calentamiento, H101 entra en la

categoría tipo C, la cual se caracteriza por ser un calentador de cabina con tuberías

horizontales y con arreglo de quemadores por paredes laterales. Utiliza un total de 20

quemadores espaciados equitativamente, 10 de cada lado, de manera de lograr una

distribución de calor adecuada dentro del hogar. El aire para la combustión es tomado

directamente de los alrededores y el combustible quemado es Fuel Oil.

Según el tipo de transferencia de calor que ocurre dentro del horno, H101 está dividido en

dos partes principales: zona de radiación y zona de convección. Esta última está montada


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sobre la de radiación y a su vez está subdividida en 3 partes, dos para circulación de crudo

y otra para circulación de vapor. La zona de radiación se caracteriza por la presencia del

incremento de diámetro en sus últimos 4 tubos. Un total de 8 medidores de temperatura

están instalados en diferentes puntos de esta zona con el fin de medir la temperatura a la

cual se encuentra el hogar en distintos puntos y verificar la distribución de calor. El flujo de

petróleo crudo en la zona de radiación va desde la parte inferior hasta la parte superior del

horno. La figura 14, es una ilustración de la estructura de H101 en la que se aprecia su

forma, la distribución de sus partes según el tipo de transferencia de calor, la manera como

están orientados los tubos de la zona de radiación y la ubicación de los quemadores.

Existen un total de 44 tubos ubicados horizontalmente en la zona de radiación, 22 en cada

pared. Toda esta tubería está especialmente diseñada para servicios de alta temperatura.

Una foto real de la zona de radiación se observa en la figura 15. Los datos de esta parte del

horno fueron obtenidos de planos de la empresa y de la norma (ASTM ,1995). Se hizo

necesario chequear tanto antiguos como nuevos planos del horno para alcanzar el

entendimiento de los detalles de la tubería de la zona de radiación, ya que esta ha sufrido

varias modificaciones a lo largo de los años que no han sido actualizadas.

.

Figura 14. Ilustración de H101

Zona deRadiación

Zona convección


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Figura 15. Foto de la tubería de la zona de radiación

De abajo hacia arriba, las características geométricas de los tubos de la zona de radiación

son las siguientes:

Diámetro externo x espesor x Longitud [mm]

Tubo 1…………….. 168, 3 x 7, 1 x 14600Tubos 2 al 18……… 168, 3 x 7, 1 x 14490Tubo 19.1…………. 168, 3 x 7, 1 x 13802Tubo 19.2…………. 219, 1 x 8, 2 x 500Tubos 20 y 21…….. 219, 1 x 8, 2 x 14454Tubo 22…………… 219, 1 x 8, 2 x 14490

Se puede apreciar en los datos de dimensiones de la tubería que existe un cambio en su

diámetro en los últimos 4 tubos que va desde 168,3 mm (6” según designación de la

ASTM) hasta 219,1 mm (8” según designación ASTM). La figura 16 muestra una

fotografía real del lugar donde se colocó el difusor que conecta los dos diámetros

mencionados.


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Figura 16. Cambio de diámetro en tubería de zona de radiación

La razón por la que se determinaron las características de la tubería es debido a que esta

servirá de dato de entrada para la simulación de la zona de radiación presentada más

adelante en este capítulo.

6.1.3. Determinación de las condiciones en la zona flash:

De acuerdo con (Garg, 1998), cualquier evaluación de un horno de calentamiento debe

empezar con el chequeo de las condiciones de la zona flash. H101 es el equipo

responsable de controlar que ésta alcance los valores deseados de manera que la unidad

VD2 pueda operar como se espera cumpliendo con los requerimientos necesarios para las

distintas líneas que salen de la columna de destilación. Para cumplir este objetivo se

consultaron los valores dados por una simulación general de la unidad de destilación que

tienen en el departamento de ingeniería e igualmente los valores típicos de la unidad VD2

cuando se corre el crudo gryphon-leadon. Estos últimos fueron obtenidos de la base de

datos IRIS, mostrada en el apéndice A1.2. Los resultados se muestran en la tabla 14.

De ASPEN HYSYS De base de datos IRIS

Presión [bar] 0, 4142 0, 433

Temperatura [°C] 413 398, 2

Tabla 14. Condiciones de la Zona Flash


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6.2.- Determinación de la distribución de calor en el horno

6.2.1. El proceso de calentamiento

Cuando se quema el combustible en los quemadores del horno, una cantidad tremenda de

energía es generada y liberada en este. La mayor parte se transmite en forma de calor hacia

el petróleo crudo en la zona de radiación y secundariamente en la zona de convección. El

crudo se evapora continuamente a lo largo de su recorrido por el horno.

El flujo másico de crudo Gryphon-Leadon que circula normalmente por H101 es de 90

ton/h aproximadamente. Este flujo se divide en dos corrientes exactamente iguales quehacen recorridos idénticos en cada pared del horno respectivamente. Cada una de las líneas

pasa primero por la zona de convección en la cual el crudo es calentado con los gases de la

combustión. Seguidamente, el crudo sale por un instante del horno y entra nuevamente por

la parte más baja de este, desde donde comienza su paso por la zona de radiación de abajo

hacia arriba. Al final del paso por H101, las dos líneas se unen nuevamente y son dirigidas

a la columna de destilación.

Los valores típicos de trabajo de H101 con el crudo Gryphon-Leadon durante el proceso de

calentamiento son los siguientes:

• Las temperaturas de entrada y salida del crudo son 235 °C y 404 °C

respectivamente.

• La temperatura del crudo exactamente antes de entrar a la zona de radiación es

305,75 °C

• El flujo másico promedio de combustible utilizado es de 1.7 ton/h

• Un flujo de 3.2 ton/h de vapor es sobrecalentado desde condiciones de saturación a

4 bar de presión (143, 62 °C) hasta 332 °C en el sobrecalentador localizado en la

zona de convección.

• Los gases salen de la zona de convección a 385 °C.

Todos estos valores pueden ser observados de forma ilustrada en la figura 17 .


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Figura 17. Ilustración de recorrido del crudo y valores típicos de trabajo

6.2.2. Distribución de calor

6.2.2.1 Distribución de temperatura

Se conoce del capítulo 5, que la energía de entrada de mayor magnitud en VD2 es la

suministrada por el combustible. Gracias a la combustión de este, muy altas temperaturas

son generadas dentro de H101 para poder cubrir con las expectativas de calentamiento. Un

total de 8 medidores de temperatura instalados en puntos estratégicos dentro de la zona deradiación permitieron confirmar qué tan uniforme es la distribución de calor dentro del

hogar. La figura 18, muestra promedios de dichos valores de temperatura registrados

durante el período de estudio.


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Figura 18. Promedios de temperatura registrados en zona de radiación

La posición exacta de cada termómetro es la siguiente (de acuerdo al número de etiqueta de

cada termómetro. Los valores de temperatura de la figura están en grados centigrados.

• 01TI079 y 01TI078 Debajo del primer tubo

• 01TR065 y 01TR066 Entre el 6to y 7mo tubo

• 01TR067 y 01TR068 Entre la pared vertical y la inclinada

• 01TR063 y 01TR064 Entre el tubo número 20 y el 21

6.2.2.2 Calor absorbido

Con la utilización de la ecuación 9 fue posible determinar el calor transferido al crudo y al

vapor en el horno H101.

hm Power Δ×= •

(Ec. 9)


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Los valores de entalpía del crudo y del vapor fueron obtenidos directamente de una

simulación general de la unidad de destilación que se tiene en la empresa y de tablas devapor respectivamente. De acuerdo con (NPS01N, 2002), el vapor entra al sobre calentador

a una presión de 3 barg en estado saturado con alta calidad. La base de datos indica que su

valor de temperatura de salida es de 332 °C. Basado en lo anterior, se obtuvo el calor

transferido en cada parte del horno, resultando los valores presentados en la tabla 15.

Heat-Tran [MW] Total [MW]Convección 4,310Vapor SH 0,486

Radiación 9,304

14,1

Tabla 15. Valores de calor transferido

Distribución del calor suministrado en H101

49%

23%

3%

25%

Radiación

Convección

Vapor SH

Gases y

pérdidas

Figura 19. Distribución del calor suministrado en H101

La figura 19 compara los valores de la tabla 15 a través de un gráfico de sectores, en el que

se observa que la magnitud del calor transferido en la zona de radiación representa el 49%del calor total suministrado correspondiente a la zona de convección.

El calor suministrado por el combustible se calculó con la ecuación 10.

3600/1000××= •

LHV mQ IN (Ec. 10)


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El valor de flujo de combustible se obtuvo de IRIS mientras que el de Poder Calorífico bajo

fue hallado en el documento (NPS01N, 2001).

Tambi

000132625 Balance de Energia

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