ANLISIS Y SIMULACIN DE PROCESOS DE REFINACIN DEL PETRLEOSubdivisin de una refinera 1. Destilacin primaria de crudo2. Destilacin al vaco3. Hidrodesulfuracin4. Reformacin5. Isomerizacin6. Desintegracin cataltica7. Alquilacin8. Polimerizacin9. Coquizacin10. Recuperacin de azufre11. Mezclado de gasolina12. Unidad de servicios auxiliariesEquipo principal en los procesos de una refinera1. Destilacin primaria2. Destilacin del vaco3. Hidrodesulfuracin4. Reformacin5. Isomerizacin6. Desintegracin cataltica7. Alquilacin8. Polimerizacin9. Coquizador10. Recuperacin de azufre11. Servicios auxiliaresPrincipios para el anlisis y simulacin de procesos de refinacin

Desde el punto de vista fsico y qumico la industria del petrleo es la ms compleja de todas las industrias qumicas de proceso. Sin embargo, se puedelograr un entendimiento total de su funcionamiento, sin adentrarse en los problemas de diseo, construccin y funcionamiento, a travs del estudio de los principios o fundamentos en que se basa la operacin.Como se ha mencionado la refinacin del petrleo es esencialmente un proceso de separacin que involucra principalmente la destilacin y seguido de algunas modificaciones qumicas necesarias para poder obtenerproductos deseables (procesos de reaccin). As, podra asegurarse que esta industria posee dos tipos de procesos: los fsicos y los qumicos. El estudio de estos procesos se puede realizar tomando en cuenta que stos deben de cumplir ciertos requisitos fundamentales o principios en los cualesestn basados. Estos principios son:a) La conservacin de la materiab) La conservacin de la energac) La conservacin del momentumd) El principio del incremento de entropa

Base de datos

La caracterizacin de las fracciones del petrleo en trminos de sus propiedades fsicas, termodinmicas y de transporte, es necesaria para realizar un anlisis de las operaciones de la refinacin del petrleo. La diversidadde productos y su composicin es muy vasta en las corrientes que se manejan en la refinacin; como ejemplo que ilustra lo anterior, se tienen las fracciones resumidas en el cuadro 2 en donde se puede observar una caracterizacin en trminos del intervalo de punto de ebullicin y la distribucin de hidrocarburos presentes (Miquel y Castells 1993). Los parmetros bsicos necesarios para el uso de mtodos de correlacin y prediccin de las propiedades que se enlistan en el cuadro 3 son: promedios de puntos de ebullicin (medio, molar, en peso, cbico o volumtrico); gravedad especfica;peso molecular; curvas de pendientes en el punto de ebullicin; el factor de Watson, la temperatura crtica; la presin crtica; los parmetros de estados correspondientes, y ciertos anlisis de tipo molecular (Kayan yYorulmaz, 1977).ANLISIS TERMODINMICO DE PROCESOS DE REFINACINLos principios bsicos de los procesos de refinacin se pueden expresar en forma sencilla; sin embargo, su aplicacin a situaciones prcticas es en ocasiones bastante difcil. En este captulo desarrollamos y aplicamos los balances de masa, energa y entropa. Tambin hacemos observaciones acercade dnde y cmo puede haber aprovechamiento y recuperacin de energa en la refinacin del petrleo.Balance de materiaLa ley de la conservacin-reacciones atmicas Para un sistema abierto como el que se muestra en la figura 1.1, la masa y la energa deben conservarse. En la figura Re y Rs son, en el caso msgeneral, las entradas y salidas de materiales totales al y del sistema, respectivamentey Ra son las acumulaciones en el sistema de las masas de las especies nucleares elementales o sus equivalentes de masa o de energa. Para un sistema abierto a un cierto intervalo de tiempo, el balance deSistemas con reaccin qumicaComo se ha visto hasta ahora, varias fracciones de la destilacin fraccionadadel crudo necesitan de una modificacin qumica para obtener productos tiles. Cuatro son los procesos de una refinera bsica y que principalmentecontribuyen con productos tiles para la elaboracin de combustibles:el cracking cataltico, la reformacin cataltica, el hidrocraqueo, laisomerizacin y la alquilacin.Sistema sin reaccin qumicaEn una refinera de petrleo en la mayora de los procesos se tienen operaciones de separacin y/o mezclado en donde no se lleva a cabo una reaccin qumica y as los compuestos qumicos, la masa total y los elementosindividuales son conservados.

La conservacin de la masaAunque comnmente se tiene una idea global de los procesos, siempre surge la pregunta acerca de cunto producto puede elaborarse a partir de la cantidad disponible de materia prima? o cunta materia prima se requiere para surtir cierta demanda de producto? Lo que realmente se pregunta es cules sern los flujos de materia prima, de producto y de desperdicio?Responder a estas preguntas es considerar lo que es llamado unbalance de materiales el cual toma en cuenta cuidadosamente este flujo demateriales utilizando el concepto de volumen de control.Conservacin de masa en procesos en estado no estacionarioSi alguna de las variables, hasta ahora descrita, est en funcin del tiempo,la operacin de un proceso es no estacionario. En una planta qumica estopuede ocurrir cuando:1. Las operaciones se llevan a cabo por cargas (batch).2. Hay un arranque o una parada de una operacin continua.3. La operacin es semicontinua debido a que uno de los reactivos seagota durante la operacin o se presenta un disturbio en el proceso.ANLISIS MACROSCPICO DE LOS FENMENOS DE TRANSPORTEEN PROCESOS DE REFINACINTradicionalmente se han estudiado en forma separada la mecnica de fluidos, la transferencia de calor o energa y la transferencia de masa. La descripcin cualitativa y cuantitativa de estos tpicos es muy similar por lo que se ha llegado a una aproximacin unificada denominada procesos de transferencia. Adicional al estudio de los tres tpicos en forma conjunta existe cada vez ms el creciente inters por estudiar situaciones en dondese presentan los tres fenmenos simultneamente en un proceso qumico, razn por la cual incluimos una descripcin fundamental y sistemtica de los fenmenos encontrados en los procesos de transferencia o conocidos como fenmenos de transporte.

Transporte de momentum

La transferencia de momentum en un fluido involucra el estudio del movimiento de los fluidos y las fuerzas que producen. De la segunda ley de movimiento de Newton se conoce que la fuerza est directamente relacionadacon la rapidez con la que cambia el momentum en un sistema con respecto al tiempo. Excluyendo las fuerzas de tipo accin-distancia como la gravedad; las fuerzas que actan sobre un fluido como las convectivas y las que resulta de la presin, a las fuerzas del esfuerzo de corte, pueden ser vistas como el resultado de una transferencia microscpica (molecular) de momentum. As, lo que tradicional e histricamente se ha llamado mecnica de fluido puede verse como transporte o transferencia de momentum.

Fluidos en reposoLa aplicacin de la segunda ley del movimiento de Newton a una masa fija de un fluido se reduce a la expresin que dice que la suma de fuerzas externas es igual al producto de la masa por su aceleracin. Cuando se desprecie la aceleracin absoluta del sistema de coordenadas se tendr una posicin fija con referencia al movimiento que se desprecie; cuando ste sea el de la Tierra se estar en una posicin fija con respecto a la misma y entonces se dice que el sistema est con una referencia inercial.Fluidos en movimientoSon tres las leyes fsicas fundamentales las que se aplican a todos los fluidos independientemente de su naturaleza.Hasta ahora se han tratado la ley de conservacin de masa y la primera ley de la termodinmica por lo que slo resta describir la segunda ley de las presentadas en el cuadro 3.1. Un concepto til para la descripcin delflujo de un fluido es el de la lnea de corriente.Segunda ley de Newton del movimientoLa segunda ley de Newton del movimiento, puede establecerse en la formasiguiente: la rapidez con que cambia el momentum de un sistema es igual a lafuerza neta que acta sobre el sistema y esa rapidez se lleva a cabo en la direccin dela fuerza neta.

La ecuacin de BernoulliCon ciertas condiciones de flujo la expresin de la primera ley de la termodinmicaaplicada a un volumen de control se reduce a una relacin muytil para un ingeniero de proceso y que se conoce como la ecuacin deBernoulli la cual puede tambin obtenerse a partir de la ecuacin de Eulerque a su vez es un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes paraun fluido con viscosidad constante y despreciable. La ecuacin de Euler seintegra tomando el flujo a lo largo de una lnea de corriente.Flujo en conductos cerradosEn esta parte se aplicarn algunos de los conceptos hasta ahora tratados enuna situacin de considerable importancia en la ingeniera de proceso: elflujo de fluidos en rgimen laminar o viscoso o en rgimen turbulento enconductos cerrados. En esta parte se encuentran conceptos como el grupoadimensional nmero de Reynolds (Re) y el factor de friccin de fanning (f). Elnmero adimensional Re aparece al manejar las ecuaciones de continuidady de movimiento en forma diferencial, las cuales se obtienen ms adelantecon variables adimensionales tal y como lo sugiere Bird (et al., 1960)

1. Definicin yfuncionesde los lubricantesSe llama lubricante a toda sustancia slida, semislida o lquida, de origen animal, mineral o sinttico que, puesto entre dos piezas conmovimientoentre ellas, reduce el rozamiento y facilita el movimiento.Adems, los lubricantes, segn sus caractersticas, pueden cumplir otras misiones:Sellar el espacio entre piezas: Dado que las superficies metlicas son irregulares a nivel microcpico, el lubricante llena los huecos. En losmotoresde explosin este sellado evita fugas de combustible ygasesde escape y permite un mejor aprovechamiento de la energa.Mantener limpio el cicuito de lubricacin: en el caso de los lubricantes lquidos estos arrastran y diluyen la suciedad, depositndola en el filtro.Contribuir a larefrigeracinde las piezas: En muchossistemas, de hecho, el lubricante es adems el agente refrigerante del circuito.Transferirpotenciade unos elementos delsistemaa otros: Tal es el caso de los aceites hidrulicos.Neutralizar loscidosque se producen en lacombustin.Proteger de lacorrosin: El lubricante crea una pelcula sobre las piezas metlicas, lo que las aisla delaireyel agua, reduciendo la posibilidad de corrosin.2. Propiedades fsicas de los lubricantesLos lubricantes estan definidos por una serie de caractersticas, algunas de las cuales se utilizan para clasificar los aceites ograsas. Dada lanaturalezade los distintostipos de lubricanttes no todas las caractersticas son aplicables a todos ellos.Coloro fluerescencia

1. Densidad2. Viscosidad3. Viscosidaddinmicao absoluta3. Efecto de las sustancias extraasDurante su utilizacin, el lubricante ve expuesto a sustancias extraas, que , antes o despus, acaban afectandole, modificando sus caractersticas. Al contrario que la temperatura o la velocidad de corte, esta modificacin ser permemente y progresiva.La vsicosdiad de un lubricante puede disminuir a cuasa de: Base de bajacalidad. Disolucin por otra sustancia Y puede aumentar debido a: Base de baja calidad. Pocos aditivos Acumulacin de contaminantes Oxidacin.

4. Formacin de espumaLa espuma es uma aglomeracin de burbujas de aire u otrogas, separados por uma fina capa de lquido que persiste en la superficie. Suele formarse por agitacin violenta del lquido.La tendencia a la formacin de espuma y la persistencia de esta se determina insuflando aire seco en aceite. El volumen de espuma obtenido duranteel ensayodetermina la tendencia a la formacin de espuma del aceite. Al cabo de un tiempo de reposo se vuekve a medir el volumen, y as se determina la estabilidad de la espuma.La espuma provocaproblemasen los sistemas hidrulicos y de lubricacon: comportamiento errtico de mandos hidrulicos cavitacin en bombas derrames en depositos oxidacin prematura del aceite corrosin interna de elementos del sistema fallos en cojinetes (por insuficiente lubricacin) dismiuncin de la capacidad refigerante del aceite diminucin de la capacidad de disolucin del aceite flotacin de pequeas partculas de lodo presentes en el aceite