XII FORO DE AVANCES DE LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN

ESTUDIO ELECTROQUÍMICO ESPECÍFICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS

MATERIALES DE LAS TORRES DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA QUE PROCESAN

MEZCLAS DE CRUDO MEXICANO

ESTUDIO ELECTROQUÍMICO ESPECÍFICO PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS

MATERIALES DE LAS TORRES DE DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA QUE PROCESAN

MEZCLAS DE CRUDO MEXICANO

Septiembre, 2006.

Joel Mendoza Canales

Jesús Marín Cruz

INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

SECCIÓN EXPERIMENTAL

RESULTADOS

CONCLUSIONES

ElectrolitoMetal M

Zm+

Zm+

Zm+

Zm+

Corrosión1

Corrosión1

1 Adaptado del libro: Jones, Denny A., “Principles and prevention of corrosion”, 2nd. Edition, Prentice Hall, 1996.

Zm+

Zm+

M0 ↔ Mn+ + ne_

Reacción anódica

CorrosiónCorrosión

ElectrolitoMetal M

Z0

Zm+ + me_

↔ Z0 Reacción catódica

Zm+

Zm+

Zm+

Mn+

e-

e-

Zm+

Zm+

Zm+

Zm+

Zm+

Zm+

Métodos de control de la corrosiónMétodos de control de la corrosión

Metodologías de diseñoMetodologías de diseño

Selección de materialesSelección de materiales

Modificación del medio: neutralizantes, inhibidores, biocidas.Modificación del medio: neutralizantes, inhibidores, biocidas.

Barreras: recubrimientos metálicos y no metálicosBarreras: recubrimientos metálicos y no metálicos

2 Hydrocarbon Processing - Supplement, “2003 Refining Processes”, November 2003.

Isomerización

FCC Desintegración catalítica fluida

Coquización retardada

Reformación de nafta

Postratamiento de diesel

Hidrodesintegra-ción

Reductora de viscosidad

Petró-leo Crudo

Desa-ladora/ deshi-drata-dora de crudo

Torre

At

mosférica

Torre

al

Vacío

Residuo cadena larga

Producción de

Hidrógeno

Hidrotratamientode destilados

pesados

Hidrotratamientode nafta

Hidrotratamientode gasóleos

Nafta

Nafta ligera

Ligeros

Destilados ligeros

Destilados pesados

Recuperación de azufre

Hidrotratamientode destilados

ligeros

Gasóleo atmosféricopesados

Planta de gas saturado

AzufreGas LP

Gas ácido

Azufre

Gasolina

A aromáticos

Querosina y turbosina

Postratamiento de gasolina Gasolina

AlquilaciónOlefinas

Diesel y aceite de calenta-miento

Tratamiento de lubricantes

Gasóleo ligero de vacío

Gasóleo pesado de vacío

Gasóleo

Fracción de lubricantes Aceites lubricantes

Residuo de vacío CoqueCoque verde

Diesel

Residuo de vacíoCombustóleo

Nafta

PROCESOS DE REFINACIÓN2

PROCESOS DE REFINACIÓN2

1

AGUA AMARGA

PRESIÓNSOBRECALENTADO

VAPOR DE BAJA

14

A.E.

CRUDO

A DESFOGUE

RESIDUOATMOSFÉRICO

(1)

(2)

(3)

(4) (5) (6)

(7)

(1) Torre atmosférica(2) Intercambiador crudo/domos 1a. etapa de condensación(3) Acumulador de la 1a. etapa de condensación(4) Intercambiador crudo/domos 2a. etapa de condensación(5) 1er. condensador de la 2a. etapa de condensación(6) 2o. condensador de la 2a. etapa de condensación(7) Acumulador de la 2a. etapa de condensación

GAS

NAFTAA ALMACENAMIENTO

PT

1.9375

1481.1

TP

PT

0.438

A LÍMITE DE BATERÍA

386.0

TP

22

15

DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMADESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

Agua (en el crudo, vapor condensado y agua de lavado)

Sales disueltas en el crudo

H2S en el crudo o por descomposición de S y sus compuestos

Uso de metales distintos

Refinación de crudos más pesados

Propiedades de crudosPropiedades de crudosMezcla: Maya 39%-Istmo 61%

NOMBRE MAYA ISTMO

Lugar de muestreo ASTM-D-2892 PATIN "J", L-48" ESTACION NUEVO TEAPA

PATIN "B", L-48" ESTACION NUEVO TEAPA

Fecha de muestreo (dd-mm-aa) 17-Oct-03 17-Oct-03Tipo de crudo PESADO LIGERO

PROPIEDADES DEL CRUDO MÉTODOGravedad, °API ASTM-D-287 21.49 32.60Peso específico @ 60/60 °F ASTM-D-1298 0.9249 0.8623Azufre total, % peso ASTM-D-4294 3.455 1.5261Azufre mercaptánico, ppm wt UOP-163 122 104Nitrógeno total, ppm wt ASTM-D-4629 3227 1504Nitrógeno básico, ppm wt UOP-313 968 634Temperatura de escurrimiento, °C ASTM-D-97 -27 -33Viscosidad, cSt @ 15.6°C (60°F) ASTM-D-445 326.04 15.28Viscosidad, cSt @ 21.1°C (70°F) ASTM-D-445 235.26 12.54Viscosidad, cSt @ 25.0°C (77°F) ASTM-D-445 190.03 11Factor de caracterización K UOP (K Watson) UOP-375 11.73 11.91Vanadio, ppm wt IMP-SA-AA-018 262.77 58.85Níquel, ppm wt IMP-SA-AA-018 54.46 12.8Carbón conradson, % peso ASTM-D-189 11.93 4.78Carbón ramsbottom, % peso ASTM-D-524 10.6 4.28Insolubles en n-heptano, % peso ASTM-D-2007 9.63 2.38Presión de vapor Reid, psia (lb/plg2) ASTM-D-323 6.4 7Ácido sulfhídrico H2S, ppm wt UOP-163 44 128Número de neutralización (acidez), mg KOH/g ASTM-D-474 0.28 0.3Agua y sedimentos, % vol. ASTM-D-4007 0.05 0.05Agua por destilación, % vol. ASTM-D-4006 0.05 0.1Sedimentos por extracción, % peso ASTM-D-473 0.02 0.04Cenizas, % peso ASTM-D-482 0.0447 0.0387Sal (NaCl), lb/1000 bls ASTM-D-3230 12 19Poder calorífico neto, BTU/lb ASTM-D-240 17224 17742Poder calorífico bruto, BTU/lb ASTM-D-240 18244 18845

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

SECCIÓN EXPERIMENTAL

RESULTADOS

CONCLUSIONES

Celda convencional de 3 electrodosCelda convencional de 3 electrodos

Electrodo de trabajo (20Cb-3, Monel 400 y Hastelloy C-276)

2000 rpm

Electrodo de referencia (Calomel saturado)

Contraelectrodo(grafito)

Electrolito

40 ºC

HCl0.05MHCl0.05M

CADA ALEACIÓN pH=1.5, 4, 6, 8, 10CADA ALEACIÓN pH=1.5, 4, 6, 8, 10

3 ALEACIONES pH=1.5, 4, 6, 8, 103 ALEACIONES pH=1.5, 4, 6, 8, 10

CADA ALEACIÓN pH=1.5, 4, 6, 8, 10CADA ALEACIÓN pH=1.5, 4, 6, 8, 10

3 ALEACIONES pH=1.5, 4, 6, 8, 103 ALEACIONES pH=1.5, 4, 6, 8, 10

HCl+H2S(0.05M +

500 ppm H2S)

HCl+H2S(0.05M +

500 ppm H2S)

Caracterización por Polarización Lineal y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica

Caracterización por Polarización Lineal y Espectroscopia de Impedancia Electroquímica

Composiciones químicas Composiciones químicas

Ni66%

Fe3%

Cu28%

C0.02%

Mn2% Si

0.08%

Monel 400ASME SB-127; SB-165; SB-163

[UNS N04400]

Cr15%

Mo15%

Ni58%

Co2%

W4%V

0.35%

Fe5%

C0.02%

Mn1%

Si0.08%

Hastelloy C-276ASME SB-575; SB-622; SB-626

[UNS N10276]

Cr20%

Ni34%

Cb+Ta1%

Mn2%

Si1%

C0.06%

Cu4%

Mo3%

Fe35%

20Cb-3ASME SB-463 (placa); SB-464 (pipe);

SB-468 (tubing) [UNS* N08020]

* UNS (UnifiedNumbering System) fue acordado por ASTM y SAE. Es un sistema de código alfanumérico que inicia con una letra seguida por 5 dígitos y aplica para todo tipo de aleaciones. El número UNS es único para cada aleación e indica una composición química.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

SECCIÓN EXPERIMENTAL

RESULTADOS

CONCLUSIONES

Polarización LinealPolarización Lineal

HClHCl 0.05M + 500 0.05M + 500 ppmppm HH22SS

Favorecer proceso de corrosión

Ventana de potencial: 1000 mV

Velocidad de barrido: 1 mV/s

40 °C

2000 rpm

(caracterización del sistema en condiciones drásticas)

(caracterización del sistema en (caracterización del sistema en condiciones drásticas)condiciones drásticas)

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

1.4x10-4

1.6x10-4

1.8x10-4

pH=1.5i /

A

E / V

20Cb-3

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

1.4x10-4

1.6x10-4

1.8x10-4

pH=6

pH=1.5i /

A

E / V

20Cb-3

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

2.0x10-5

4.0x10-5

6.0x10-5

8.0x10-5

1.0x10-4

1.2x10-4

1.4x10-4

1.6x10-4

1.8x10-4

pH=10

pH=6

pH=1.5i /

A

E / V

20Cb-3

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

pH=1.5i /

A

E / V

Monel 400

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

pH=1.5

pH=6

i / A

E / V

Monel 400

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

1.0x10-4

2.0x10-4

3.0x10-4

4.0x10-4

5.0x10-4

pH=1.5

pH=10

pH=6

i / A

E / V

Monel 400

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

5.0x10-3

1.0x10-2

1.5x10-2

2.0x10-2

2.5x10-2

pH=1.5i /

A

E / V

Hastelloy C-276

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

5.0x10-3

1.0x10-2

1.5x10-2

2.0x10-2

2.5x10-2

pH=6

pH=1.5i /

A

E / V

Hastelloy C-276

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

5.0x10-3

1.0x10-2

1.5x10-2

2.0x10-2

2.5x10-2

pH=10

pH=6

pH=1.5i /

A

E / V

Hastelloy C-276

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.010-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

20Cb-3

Hastelloy C-276

log

i / A

E / V

pH=1.5

Monel 400

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.010-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

20Cb-3

Monel 400

log

i / A

E / V

pH=6

Hastelloy C-276

-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.010-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

20Cb-3Monel 400

log

i / A

E / V

pH=10

Hastelloy C-276

7,741

8.9

2.6

pH 8

9,226

14.6

3.6

pH 6

3,6567,88928,980Hastelloy C-276

38.37.17.8Monel 400

3.92.63.120Cb-3

pH 10pH 4pH 1.5HClHCl

10,400

24.5

35.6

pH 8

9,711

33.8

3.7

pH 6

7,2597,25513,860Hastelloy C-276

80.818.962.9Monel 400

48.613.1107.220Cb-3

pH 10pH 4pH 1.5HCl + H2SHCl + H2S

Carga eléctrica asociada al barrido en sentido anódico (Coulombs x 10-3)

Carga eléctrica asociada al barrido en sentido anódico (Coulombs x 10-3)

dtdNnF

dtdQi ⋅==Faraday deLey

Espectroscopia de Impedancia

Electroquímica (EIS)

Espectroscopia de Impedancia

Electroquímica (EIS)

HClHCl 0.05M + 500 0.05M + 500 ppmppm HH22SS

Intervalo de frecuencias: 10kHz-10mHz

Amplitud (rms) en potencial: 10 mV

Tiempo de inmersión: 5 h

40 °C

2000 rpm

(caracterización del proceso de corrosión como ocurre en forma natural)

(caracterización del proceso de corrosión (caracterización del proceso de corrosión como ocurre en forma natural)como ocurre en forma natural)

0 100 200 300 400 5000

100

200

300

400-Z

imag

/ kΩ

Zreal / kΩ

20Cb-3

pH=1.5

0 100 200 300 400 5000

100

200

300

400

pH=6

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

20Cb-3

pH=1.5

0 100 200 300 400 5000

100

200

300

400

pH=10

pH=6

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

20Cb-3

pH=1.5

0 100 200 300 400 500 600 7000

100

200

300

400

500

600

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

Monel 400

pH=1.5

0 100 200 300 400 500 600 7000

100

200

300

400

500

600

pH=6-Z

imag

/ kΩ

Zreal / kΩ

Monel 400

pH=1.5

0 100 200 300 400 500 600 7000

100

200

300

400

500

600

pH=10

pH=6-Z

imag

/ kΩ

Zreal / kΩ

Monel 400

pH=1.5

0 50 100 150 200 250 300 3500

50

100

150

200

250-Z

imag

/ Ω

Zreal / Ω

Hastelloy C-276

pH=1.5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 6500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

pH=6

-Zim

ag / Ω

Zreal / Ω

Hastelloy C-276

pH=1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 400

5

10

15

20

25

30

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

Hastelloy C-276

pH=10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

20Cb-3 Monel 400 Hastelloy C-276

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

pH=1.5

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

100

200

300

400

500

600

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

20Cb-3 Monel 400 Hastelloy C-276

pH=6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

-Zim

ag /

kΩ

Zreal / kΩ

20Cb-3 Monel 400 Hastelloy C-276

pH=10

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

SECCIÓN EXPERIMENTAL

RESULTADOS

CONCLUSIONES

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

El comportamiento de cada aleación está influenciado en forma importante por el pH del medio.

La presencia de H2S en el medio afecta significativamente la susceptibilidad a la corrosión de las aleaciones examinadas.

En la selección de materiales, es fundamental tomar en cuenta el medio y el tratamiento químico que estarán en contacto con el metal.

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

Se considera que la metodología propuesta es una herramienta valiosa para la selección de materiales.

Un estudio más profundo de los espectros de EIS posiblemente contribuirá a establecer una correlación entre la microestructura del metal y su susceptibilidad a la corrosión en el medio.

04 de Septiembre de 2006.

CURRICULUM VITAE JOEL MENDOZA CANALES es de nacionalidad mexicana, egresado del Instituto Politécnico Nacional de la licenciatura en ingeniería mecánica (1985). Estudió la maestría en ingeniería industrial con área de enfoque en planeación estratégica en ingeniería y tecnología, obteniendo el grado de maestro en ingeniería por la Universidad Anáhuac en el 2002. Actualmente realiza estudios de doctorado en ingeniería química petrolera en el área de materiales y nanoestructuras dentro del programa de posgrado del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP). 1. CARRERA PROFESIONAL EN EL IMP. Ha laborado durante 22 años en diversas

épocas y puestos, entre los cuales destacan los siguientes:

De 1998 a la fecha, ha laborado como especialista en proyectos de planeación tecnológica. Participó como especialista en un proyecto de planeación tecnológica para PEMEX Refinación, siendo su función específica elaborar mapas tecnológicos (technology roadmaps) y capacitar a otros especialistas que integraron el grupo de trabajo acerca del tema. También ha participado en proyectos de ingeniería relativos al diseño mecánico estructural de cambiadores de calor y otros equipos de intercambio térmico, selección de materiales de construcción, supervisión de ingeniería y actividades relacionadas. En el periodo, ha trabajado como coordinador, planeador y supervisor de recursos humanos y materiales con el objetivo de atender y satisfacer las necesidades referentes a servicios de ingeniería requeridos por PEMEX para las diversas plantas de sus complejos y unidades. Como principales habilidades profesionales adquiridas a lo largo de su carrera en el IMP, destacan: selección de materiales de construcción adecuados para manejar diversos fluidos de proceso; diseño mecánico estructural de cambiadores de calor, recipientes, serpentines, tanques, reactores, etc.; manejo e interpretación de códigos y normas aplicables a equipos de transferencia de calor (ASME, TEMA, ASTM, AWS, ANSI, etc.); elaboración de dibujos de fabricación de todo tipo de cambiadores de calor; testigo de pruebas no destructivas (hidrostática, neumática, líquidos penetrantes, partículas magnéticas) aplicadas a cambiadores de calor y seguimiento de la fabricación de los mismos; inspección física en campo de equipos de transferencia de calor durante sus etapas de arranque, operación y mantenimiento; revisión mecánica estructural de cambiadores de calor para determinar su reutilización en nuevos servicios (traslado de equipo); asesor en problemas de fabricación de equipos de intercambio térmico; diseño mecánico-estructural de cambiadores de calor para servicios de alta presión ( arriba de 2500 psig.); instructor y capacitador del personal de Petróleos Mexicanos sobre mantenimiento y operación de cambiadores de calor; asesor de la Comisión Federal de Electricidad en concursos para la compra de cambiadores de calor; responsable del dictamen técnico respecto a las ofertas presentadas por los fabricantes para compra de cambiadores de calor; elaboración y actualización de software para diseño mecánico-estructural de equipos de intercambio térmico; usuario especializado del paquete de diseño y dibujo auxiliado por computadora “Autocad” y

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elaboración de programas de computadora mediante diversos lenguajes de programación (Qbasic, Fortran, Autolisp); elaboración de programa de computadora “MEM” en lenguaje Autolisp para generación de dibujos de cambiadores de calor para aprobación por la Secretaría del Trabajo y Previsión Social.

De 1996 a 1997, laboró como coordinador del grupo de ingeniería de cambiadores de

calor en los complejos petroquímicos Cosoleacaque, Cangrejera, Morelos y Pajaritos, supervisando personal y actividades relativas a la elaboración de dibujos para aprobación por la Secretaría del Trabajo y Previsión Social con el objetivo de obtener el permiso de operación correspondiente, así como diseño mecánico estructural de cambiadores de calor estandarizados por la norma “TEMA” existentes en las plantas de los complejos antes mencionados. El logro relevante consiste en haber obtenido la regularización de 650 cambiadores de calor ante la Secretaría del Trabajo y Previsión Social para los complejos mencionados.

De 1994 a1996, trabajó como jefe de la oficina de diseño mecánico estructural de

cambiadores de calor, coordinado y supervisando recursos encaminados a atender los diferentes proyectos asignados a la oficina. Como logros relevantes sobresale la conclusión y participación en diferentes proyectos relativos a equipos de intercambio térmico que operan en las plantas de PEMEX, así como atención de proyectos a terceros (empresas privadas); también se destaca la terminación de proyectos de desarrollo e investigación y mejoras de ingeniería.

De 1989 a 1993, funcionó como jefe de grupo de diseño mecánico estructural de

cambiadores de calor, supervisando y participando directamente en el diseño mecánico estructural de equipos de intercambio térmico pertenecientes a los diferentes proyectos de PEMEX e industrias privadas. Algunos logros importantes incluyen: desarrollo de ingeniería de detalle y estudios específicos de ingeniería aplicados a equipos de intercambio térmico que operan en las plantas de PEMEX, así como atención de proyectos a empresas privadas.

De 1986 a 1988, fue ingeniero especialista responsable de proyectos de desarrollo y

diseño mecánico estructural de equipos de intercambio térmico para la industria química, petroquímica, de proceso, industrial y otras. Fue autor de patente “Mejoras a cambiador de calor de baja presión de doble tubo” (patente de mejoras, no. de expediente: 77612, fecha: 17/junio/1988). Fue coautor del artículo: “Diseño computarizado de equipos de proceso” (revista del IMP, volumen XIX, número 4, octubre de 1987). Fue conferencista en el Congreso Nacional de CAD-CAM con la ponencia: “Diseño graficado de equipos de proceso” (17-18 de noviembre de 1986).

De 1984 a 1986, laboró como ingeniero pasante en el área de diseño mecánico

estructural de cambiadores de calor y otros equipos de intercambio térmico.

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2. DOCENCIA. Se ha desempeñado como profesor en las siguientes instituciones:

De 1991 a 1996, fue profesor titular de asignatura en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, campus Azcapotzalco del IPN, donde impartió las asignaturas Termodinámica, Físicoquímica, Instrumentación, Máquinas Térmicas, Motores de Combustión Interna y Refrigeración para alumnos de la carrera de ingeniería mecánica en la Academia de Ciencias Térmicas.

De 1987 a 1988, fue profesor titular de asignatura en la Universidad del Valle de

México, campus San Rafael, impartiendo las asignaturas Procesos de Fabricación I y II para alumnos de la carrera de ingeniero industrial con la especialidad en manufactura.

De 1980 a 1981, fue profesor de asignatura en el CECYT “Gral. Lázaro Cárdenas”

del IPN, siendo instructor de los alumnos en el manejo de máquinas herramientas (torno, fresadora, sierras, cepillo, torno copiador, rectificadoras, taladro radial y de columna, mandrinadora, diversos procesos de soldadura, máquinas de control numérico, etc.), así como instructor a empresas privadas y asesoría técnica en procesos de fabricación y soldadura.

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